Soodakattila ja sen toiminta

Soodakattila on sellun tuotannon energia- ja talteenottokeskus, jossa teollisuusvedestä tuotetaan tulistettua höyryä, joka hyödynnetään sähkön ja lämmön tuotannossa. Soodakattilasta saatavaa energiaa käytetään selluntuotannon prosesseihin tai se voidaan hyödyntää lähialueiden yhdyskuntaverkossa täydentämään sähkön vaatimustarvetta. Soodakattila on myös regenerointilaitos, jossa soodakattilan kemikaalikierto on täysin suljettu, jossa poltossa sulava mustalipeä otetaan talteen kemikaalisulana, joka liuotetaan heikkoon valkolipeään. Liuotuksessa muodostuvasta viherlipeästä voidaan valmistaa valkolipeää sellun keittoon, joka on siten uudelleen käytettävissä yhä uudelleen tämän prosessin myötä.

Tulistetun höyryn valmistus soodakattilassa liittyy osittain vesi- ja höyrykiertojärjestelmään, sillä teollisuusvesi tulistetaan soodakattilassa 85 baariin ja 480 celsiuslämpötilaan, jolla on siten tarpeeksi energiaa höyryturbiinia varten, jossa sähköntuotanto varsinaisesti tapahtuu. Soodakattilassa mustalipeä ensin lämmitetään esilämmittimessä 150 celsiusasteeseen, joka syötetään soodakattilan seiniltä sijaitsevilta lipeäruiskuilta soodakattilan tulipesään, lipeäruiskut hajottavat mustalipeän pieniksi pisaroiksi, jotka parantavat mustalipeän polton palamista sekä nostaa samalla natriumsulfaatin Na₂SO₄ pelkistymisastetta natriumsulfidiksi Na₂S, mustalipeän hajottaminen pisaroiksi alentaa reagoimattomien kemikaalien kulkeutumista savukaasuihin. Lipeäruiskujen ohella soodakattilan ympärillä on öljy- ja kaasupolttimia, joita tarvitaan esimerkiksi soodakattilan käynnistämisessä.

Mustalipeän polttoon tarvitaan ilmaa, joka syötetään ilmakanavien kautta soodakattilaan. Poltossa mustalipeä palaa soodakattilassa pisaroina, joiden läpimitta pyritään prosessin säädöllä pitämään 2 millimetrissä prosessin lämpötilaa säätämällä. Aivan lipeäruiskujen alla sijaitsevat primääri- ja sekundääri-ilma-aukot, jossa syötetty mustalipeä palaa, kuivuminen ja pyrolyysi tapahtuvat näiden ilma-aukkojen kohdalta kemikaalisulaan saakka. Tällä pelkistysvyöhykkeellä haihtuvat aineet palavat välittömästi pisaroiden ympärillä ja mustalipeäpisara paisuu jopa 20 – 30 kertaiseksi, näistä soodakattilan yläpäähän kulkeutuvat kaasut hyödynnetään epäsuorasti kattilaveden tulistuksessa. Primääri- ja sekundääri-ilma-aukkojen alue nimetään myös soodakattilassa reduktio- eli pelkistymisvyöhykkeeseen, koska tällä alueella natriumsulfaatti Na₂SO₄ pelkistyy natriumsulfidiksi Na₂S. Tämä kemikaalisula eli koksi sisältää kemiallisesti natriumkarbonaattia Na₂CO₃ ja natriumsulfaatin pelkistymistuotetta natriumsulfidia.

Soodakattilan energiahyötysuhteen taselaskennassa täytyy ottaa huomioon mustalipeän polttoarvo ja sen kuiva-ainepitoisuus, sillä mustalipeän poltossa energiaa kuluu turhaan mustalipeän kuivaamiseen ja veden pitoisuus mustalipeässä vaikuttaa siihen, kuinka suuri hyötysuhde soodakattilalla on höyryn tuotannossa. Taselaskennassa otetaan huomioon myös energia-arvot kemikaalisulassa, savukaasuissa ja kokonaisenergia höyryn tulistamiseen. Tähän liittyen kävin soodakattilan taselaskentaan liittyvän tehtävän läpi opettajan johdolla, jonka aikana ymmärsin mustalipeän kuiva-ainepitoisuuden ja soodakattilan hyötysuhteen yhtäläisyyden. Mustalipeän poltossa kuivaus on polton ensimmäinen prosessi ennen pyrolyysiä, joka tapahtuu soodakattilan sisällä, ja jonka sisältämä polttoarvo poistuu savukaasujen mukana pois soodakattilasta. Tästä huolimatta, nykyajan soodakattiloissa, kuten UPM:n Pietarsaaren soodakattilassa, savukaasujen sisältämää lämpöenergiaa hyödynnetään epäsuorasti höyryn tuotannossa, savukaasu lämmittää polttolevyn läpi kattilavettä tulistetuksi höyryksi, joka muutetaan lämpöenergiasta höyryturbiinin avulla sähköiseksi energiaksi.

Höyryn tuotannon kannalta mielenkiintoisin asia on vesi- ja höyrykiertojärjestelmän ymmärtäminen, joka mahdollistaa tulistetun höyryn höyryturbiinille ja edelleen sähkön- ja lämmöntuotannon sellutehtaissa. Korroosio ja mahdollisten tukkeumien takia teollisuusvesi täytyy puhdistaa ennen soodakattilajärjestelmään syöttöä, puhdistuksessa poistetaan veden sisältämät suolat, happi O₂ ja hiilidioksidi CO₂ poistetaan korroosion muodostumisen vuoksi sekä veden pH säädetään alkaliselle tasolle. Ioninvaihtoprosessilla vedestä poistetaan suolat, joka juuri estää vesi- ja höyryjärjestelmän putkien tukkeumia ja niiden halkeilemia. Ionivaihdossa positiiviset ioninvaihtomassat tarttuvat ioninvaihtoprosessissa negatiivisiin suolaioneihin, jotka siten puhdistavat veden suoloista. Eräissä ioninvaihtoprosesseissa saatetaan käyttää myös negatiivisia ioninvaihtomassoja, mutta se riippuu täysin veden sisältämien suolojen varauksista. Tämän ioninvaihtoprosessin jälkeen voidaan myös käyttää käänteisosmoosia nostamaan puhdistumisastetta kattilaveden valmistusprosessissa. Käänteisosmoosissa puoliläpäisevä membraanikalvo suodattaa kiinteät partikkelit pois käsiteltävästä vedestä, tähän prosessiin käytetään erittäin suurta painetta pumppujen avulla, joten se vaatii erittäin suuren sähköenergiatarpeen.

Kattilaveden kaasupoisto käsittäen hapen O₂ ja hiilidioksidin CO₂ käsittelyn, voidaan tehdä joko termisesti, mekaanisesti tai kemiallisesti. Oman mielenkiinnon pohjalta sain selville, että terminen kaasunpoisto suoritetaan kuuman vesihöyryn avulla nostamalla käsiteltävän veden lämpötilaa lähelle sen kiehumispistettä. Tästä seuraa että kaasujen liukeneminen pysähtyy lähes kokonaan ja veden sisältämä kaasu poistuu höyrynä. Tämä terminen kaasunpoisto suoritetaan keskisuuressa tankkerissa, johon syötetään sellutehtaalta saatavaa höyryä, joka poistattaa kaasun käsiteltävästä vedestä. Toinen vaihtoehto veden kaasunpoistoon on hydratsiinin käyttö hapen poistossa, jossa kemiallisessa reaktiossa muodostuu typpeä N₂ ja vettä H₂O. Kemiallinen käsittely hydratsiinillä tapahtuu sekoitusreaktorissa, jonka parametrejä säätämällä saadaan hapen poistoaste mahdollisimman korkealle. Kolmas käytetty ja ehkä yleisin menetelmä kaasunpoistoon on lauhduttimen käyttö kattilaveden valmistusprosessissa, joka perustuu alipaineen hyväksikäyttöön. Alipaineessa vesi on lähellä sen kiehumispistettä ja lauhduttimeen on usein asennettu kaasunpoistolaitteita, jotka poistavat kaasun vedestä hyvällä reduktioasteella.

Haihdutus

Haihdutus kuuluu mustalipeän käsittelyyn, jossa pesty massa haihdutetaan poistamassa vesi massasta, joka voidaan edelleen polttaa soodakattilassa. Haihdutuksen aikana mustalipeän kuiva-ainepitoisuutta nostetaan 13 - 18 %:sta 72 - 85 %:iin, mikä mahdollistaa korkean energiataloudellisen höyryn tuotannon, suuremman mustalipeän lämpöarvon, kemikaalikierron kapasiteetti kasvaa sekä rikkioksidien määrä alenee merkittävästi pakokaasuissa. Haihdutusyksiköille tulevaa mustalipeää kutsutaan laihaksi lipeäksi, joka haihdutuksen aikana muutetaan vahvaksi lipeäksi. Mustalipeä on kemiallisesti hiiltä C, happea O ja rikkiä S, sen tärkeimmät yhdisteet ovat ligniini ja alifaattiset karboksyylihapot, kuten esimerkiksi muurahaishappo ja etikkahappo. Mustalipeä sisältää myös erilaisia uuteaineita ja epäorgaanisia yhdisteitä. Lisäksi mustalipeän kemiallinen koostumus vaihtelee sen mukaan, onko syöttömateriaali havu- vai lehtipuuhakkeesta, keittomodifikaatiosta sekä sellun tuotannon prosessivesien kierrätysasteesta.

Mustalipeän käsittely on tärkeää sen vuoksi, että sen polttoarvoa saadaan nostettua riittävän suureksi, mikä on prosessin hallinnan kannalta huomionarvoinen asia. Korkeamman kiintoainepitoisuuden avulla saavutetaan myös standardien mukaiset päästörajat, jotka riippuvat sellutehtaan alueellisesta sijainnista. Mustalipeän tehokkaalla haihdutuksella taataan myös alhaiset pakokaasujen käsittelykustannukset, sillä mustalipeän polttaminen on paljon puhtaampaa korkealla kiintoainepitoisuudella. Metsä Groupin Äänekosken tehtaalla tullaan saavuttamaan jo 85 %:n kuiva-ainepitoisuus, mutta Suomen sellutehtaissa, 60 %:n kuiva-ainepitoisuus on maksimiraja. Tähän kuiva-ainepitoisuuteen päästään käyttämällä haihdutinta, laskevan kalvon haihdutin, joka on yleisin käytetty haihdutin prosessiteollisuudessa.

Mustalipeän sisältämä vesi H₂O haihdutetaan monivaiheprosessissa, joka saattaa sisältää useita sarjaan asennettuja haihduttimia, jotka kasvattavat kemikaalikierron kapasiteettia ja soodakattilan höyryn määrää. Monivaihehaihdutuksella saavutetaan parempi energiataloudellinen hyötysuhde kuin 1-vaiheisella haihduttamoilla, sillä esimerkiksi 5-vaiheisen haihduttamon höyryntarve on viidesosa verrattuna 1-vaiheiseen haihduttamoon. Mustalipeä voidaan käsitellä monella erilaisella haihdutintyypillä, yleisimmät haihduttimet ovat laskevan tai nousevan kalvon haihduttimet sekä pakkokiertoväkevöitintä käytetään, jotta kuiva-ainepitoisuus saavuttaa 80 %:n arvon. Laskevan kalvon haihduttimessa mustalipeä pumpataan kiertopumpulla haihduttimen yläosaan, josta lipeä valuu tasaisesti jokaiselle lamellille. Haihduttimen yläosasta mustalipeä valuu painovoiman vaikutuksesta lämpöpintaa pitkin alaspäin, jonka aikana mustalipeässä oleva vesi höyrystyy, joka kerätään haihduttimen säiliöstä pisaranerottimelle. Pisaranerottimella poistetaan höyryn mukaan lähteneet mustalipeäpisarat, pisaranerottimella taataan myös tehokas lauhteen puhdistus, josta lauhde voidaan käyttää selluntuotannon eri prosesseissa. Haihdutettu mustalipeä valuu lopulta säiliön pohjalle, josta se voidaan kerätä kiertoon tai pumpata takaisin haihduttimen yläosaan uudelleen haihdutusta varten. Laskevan kalvon haihduttimen jälkeen, mustalipeän kuiva-ainepitoisuutta voidaan vielä nostaa pakkokiertoväkevöittimessä, jossa mustalipeän kuiva-ainepitoisuus voi nousta yli 80 %:iin. Pakkokiertoväkevöittimessä käsitellään suuria määriä mustalipeää putkilämmönsiirtimen läpi, jossa mustalipeän lämpötila nousee 3-4 celsiusastetta. Putkilämmönsiirtimen jälkeen mustalipeä paisuu paisunta-astiassa, jossa syötetty lämpöenergia vapautuu vesihöyrynä. Tämän haihduttimen haittana on kuitenkin suuri sähkönkulutus pumpun vaatimasta energiasta johtuen, kun taas laskevan kalvon haihduttimessa pumppua ei tarvita ja sen mekaaninen rakenne on paljon yksinkertaisempi pakkokiertoväkevöittimeen verrattuna. Pakkokiertoväkevöitin onkin mustalipeän tehostettu yksikköprosessi, jossa kuiva-ainepitoisuutta nostetaan mahdollisimman korkealle. Tutkimuksen avulla mustalipeän haihdutuksen vaatimaa energiaa on kuitenkin saatu laskettua ja haihdutinyksiköiden yhdistämisellä saavutetaan mahdollisimman korkea kuiva-ainepitoisuus, joka tuottaa suuren määrän kuumaa höyryä ja samalla haitalliset päästöt alenevat standardien asettamiin raja-arvoihin.

Haihdutinyksiköiden välillä höyryä kierrätetään yksiköiden välillä ja kussakin haihduttimessa haihdutettu vesihöyry hyödynnetään seuraavassa haihdutinyksikössä. Haihduttamossa mustalipeä ja lämmityshöyry virtaavat vastakkaisiin suuntiin ja koko tämän prosessin aikana mustalipeän kuiva-ainepitoisuus nousee 60 %:iin. Tyypillisessä haihdutusprosessissa on 5 haihdutusyksikköä, mustalipeän ollessa 2. tai 3. haihdutusyksikön kohdalla, mustalipeän kuiva-ainepitoisuus on välillä 30-35 % ja sitä prosessiteollisuudessa kutsutaan välilipeäksi, joka on muuntumassa laihasta lipeästä vahvaksi lipeäksi.

Mustalipeän haihdutuksen kannalta prosessin säätäminen on olennaisessa asemassa tuotannon tehostamisen kanssa, vahvamustalipeän tulisi olla mahdollisimman tasaista, jotta soodakattilan prosessin lämpötila ja paine pysyisivät vakioina koko tuotannon aikana. Tämä mahdollistaisi joustavan tuotannon ohjauksen ja selluntuotannossa muiden osastojen tuotantotavoitteet pystytään mahdollistamaan juuri vahvamustalipeän tasaisuuden vuoksi. Lisäksi haihdutinyksiköiden valvonta ja niiden seuranta tehostaa mustalipeän haihdutusta, haihdutinyksiköt tulisi puhdistaa ja pestä säännöllisin väliajoin. Seuraamalla haihdutinyksiköitä, höyryn tuotantoa pystytään tehostamaan ja mahdollisilta tuotantohäiriöiltä vältytään. Höyryntuotantoa voidaan säätää haihdutinprosessissa, kun tunnetaan keittämöltä tuleva lipeän kuiva-ainepitoisuus ja sen virtaus, koko prosessin kannalta on tärkeää tietää, mihin mustalipeän kuiva-ainepitoisuuteen halutaan päästää, niin voidaan lämpöhöyry säätää optimiin haihdutinyksiköissä.

Haihduttamolla voi myös esiintyä ongelmia, jotka liittyvät olennaisesti tuotannon häiriöihin. Haihdutin voi likaantua Burkeiitti-suolalla, dikarbonaatilla tai kalsiumkarbonaatilla, jotka tarttuvat haihduttimen lämpöpinnoille tukkien mustalipeän kiertoa haihduttimessa. Haihduttimen seurannassa on otettava huomioon myös laihamustalipeän mukana tulevat kuidut, jotka myös pilaavat ja likaavat lämpöpintaa. Haihduttamolta höyrystynyt vesi voi myös sisältää epäpuhtauksia, jotka pilaavat pisaranerotinta, jossa poistetaan pienet mustalipeäpisarat höyrystä.