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.