Sulfaattisellutehtaan energia- ja vesitaseet sekä kemikaalitaseet

Sulfaattisellutehtaalla energia- ja vesitaseet ovat huomionarvoisia ymmärtää energia- ja sähköntuotannon kannalta, kuten myös vesitaseet antavat tietoa siitä, miten vedenpuhdistus suoritetaan sulfaattisellutehtaalla ja vesitaseilla rajataan vedenkäyttö sellutehtaan eri prosesseihin.

Energiataseihin kuuluvat sähkötase, höyrytase ja sekundäärilämpötase, joilla jokaisella on tärkeä merkitys sulfaattisellutehtaan energiantuotannon kannalta. Sähkötaseeseen viitaten nykypäivänä sellutehdas tuottaa enemmän sähköä kuin kuluttaa omiin prosesseihin ja ylijäänyt sähkö käytetään integroiduissa tehtaissa paperikoneihin tai se voidaan myydä valtakunnan verkkoon. Sellutehtailla sähköenergia tuotetaan höyryturbiinilla. Syöttövesisäiliöstä vesi pumpataan joko soodakattilaan, kuorikattilaan tai väkevien hajukaasujen polttimeen, jossa syötetty vesi höyrystetään tulistetuksi höyryksi. Tulistettu höyry muunnetaan höyryturbiinissa sähköenergiaksi, jota voidaan käyttää sellutehtaan eri prosesseissa. Sähkötaseilla höyryturbiinista tuotettu sähkö rajataan kullekin prosessille erikseen ja jokaisella sellutehtaan prosessilla on oma sähkönvaatimustarpeensa. Sellutehtaissa sähköä kuluu puunkäsittelyyn, keittoon ja pesuun, haihdutukseen, valkaisuun ja kemikaalien valmistukseen, kuivaukseen sekä soodakattilaan ja ilman esilämmittimiin. Sulfaattisellutehtaissa kaikista merkittävimpiä sähkönkuluttajia ovat keitto- ja pesulinjat, valkaisulinja sekä kuivauskoneet.

Sulfaattisellutehtaissa höyrylämpöä käytetään osaprosessien lämmitykseen ja sellutehtaissa höyryä on korkeapainehöyrynä 90 baarissa ja 488 °C:ssa, välipainehöyrynä 12 baarissa ja 200 °C:ssa sekä matalapainehöyrynä 4 baarissa ja 150 °C:ssa. Aivan kuten sulfaattisellutehtaiden sähkötaseissa, niin myös höyrytaseissa energiaa tarkastellaan höyryturbiinilta saadun energian kautta ja saatu energia tasataan sellutehtaan osaprosessien kesken. Syöttövesisäiliöltä vesi pumpataan sellutehtaan kattiloihin, joissa vesi höyrystetään korkeaan paineeseen. Korkeapaineista höyryä käytetään turbiinissa energiantuotantoon ja turbiinilta höyry voidaan jakaa korkeapaine-, välipaine- ja matalapainehöyryverkkoon. Näiden höyryjen paineita ja lämpötiloja voidaan säätää reduktioventtiileillä sen mukaan, mihin sellutehtaan osaprosessiin höyrylämpöä tarvitaan. Höyryverkkojen höyryjä käytetään sellutehtaiden keitossa ja pesussa, haihdutuksessa, valkaisussa, kuivauksessa ja myös soodakattilassa. Suurin osa prosessilämmöstä kulutetaan matalapainehöyrynä ja osaprosessien kulutuksen mukaan höyryä syötetään venttiilien avulla matalapaineverkkoon. Integroimattomassa sellutehtaassa suurimpia höyryn kuluttajia ovat haihduttamo, keittämö ja sellun kuivauskoneet. Integroidussa tehtaassa, jossa on sellutehtaan lisäksi paperitehdas, suurin osa matalapainehöyrystä menee paperikoneille. Näiden osaprosessien jälkeen höyry lauhtuu primäärilauhteena syöttövesisäiliöön.

Sekundääri- eli toisiolämpönä pidetään lämpöä, joka voidaan hyödyntää tehtaissa osaprosessien lämmitykseen. Tehtailla yli puolet höyrynä käytetystä lämmöstä voidaan hyödyntää toiseen kertaan ja samalla voidaan vähentää primäärilämmön osuutta prosessilämmöstä. Sellutehtaan osaprosesseista tuleva primäärilauhde hyödynnetään sekundäärilämpönä sen mukaan, mistä sellutehtaan osaprosessista primäärilauhde tulee. Sekundäärilämpöenergiaa saadaan kuumana vetenä, joka hyödynnetään sellutehtaan valkaisussa, ligniinin käsittelyssä sekä kaustisoinnissa.  Sekundäärilämpöenergiaa saadaan myös lämpimänä vetenä keittämöltä primäärilauhteena. Tätä sekundäärienergiaa hyödynnetään sellun kuivauksessa ja kuivauksessa käytettyä sekundäärienergiaa voidaan vielä käyttää nollavetenä valkaisussa, joka on sulfaattisellutehtaiden suurin yksittäinen veden kuluttaja.

Sulfaattisellutehtaan vedet käsitellään sekä mekaanisesti että kemiallisesti sellutehtaan osaprosessista riippuen. Sellutehtaan jäähdytysvedet ja prosessivedet tarvitsevat vain mekaanisen käsittelyn. Veden mekaanisen puhdistuksen aikana vesi suodatetaan suurimmista epäpuhtauksista rumpusiivilöillä, koriketjusuodattimilla ja painesihdeillä. Kemiallista vedenpuhdistusta tarvitsevat sellutehtaan kattilavedet, jotka käsitellään ioninvaihto- ja käänteisosmoosiprosesseilla sekä kattilavesistä poistetaan happi ja kattilavedet lopuksi desinfioidaan pienhiukkasista. Kemiallisella puhdistuksella käsitellyitä vesiä käytetään sooda- ja kuorikattilassa sekä hajukaasukattilassa, jotka eivät syövytä kattilaputkien seinämiä. Syöttövesisäiliöstä kattilavedet tasataan molemmille sooda- ja kuorikattilalle sekä myös sellutehtaan osaprosesseista tulevat lauhteet ja tuotettu lisävesi tasataan syöttövesisäiliöön.

Sellutehtaan raakavesi, jota käytetään pääosin jäähdytykseen, kuivauskoneisiin ja valkaisulinjan viimeiseen vaiheeseen, käsitellään mekaanisella vedenpuhdistuksella. Tämän lisäksi lisävettä valmistetaan, joka voidaan vielä desinfioida humusaineista. Sellutehtaan raakavettä kutsutaan myös tuorevedeksi, jos lisävettä valmistetaan käytetyn veden lisäksi mekaanisella ja kemiallisella puhdistuksella. Tuorevettä käytetään suurimmaksi osaksi puunkäsittelyyn, haihdutukseen, soodakattilaan ja myös tiivistysvedeksi. Sellutehtaan jokaisesta osaprosessista saadaan myös jätevettä, joka puhdistetaan lietteestä jätevedenpuhdistamolla. Jätevesien määrät tosin riippuvat vaihtelevasti tehtaan sijainnin mukaan ja valtaosa jätevesistä syntyy valkaisulinjalla.

Raakavettä käytetään myös jäähdytysvetenä, jonka lämpötila on 30 – 50 °C ja jäähdytysvettä saadaan usein enemmän mitä sellutehtaalla tarvitaan. Jäähdytysvettä tarvitaan muun muassa hydrauliikan jäähdytykseen, ilmanvaihtoon, hajukaasujen käsittelyyn, kloorioksidin valmistukseen, haihduttamon pintalauhduttimeen ja turbiinin lauhduttimeen.

Sellutehtaan vesijärjestelmässä ovat myös sekundäärilauhteet, jotka ovat osa sellutehtaan vesi- ja höyryjärjestelmää, joita hyödynnetään toiseen kertaan sellutehtaan osaprosesseissa, kuten esimerkiksi ruskean massan pesussa ja valkolipeän valmistuksessa. Sekundäärilauhteet tasataan lauhteiden likaisuuden mukaan ja kaikkein likaisimmat lauhteet stripataan ennen niiden syöttämistä syöttövesisäiliöön. Haihduttamolta saadaan usein melko puhtaita lauhteita, jotka voidaan suoraan hyödyntää. Sen sijaan keittämöltä saadaan likaista lauhdetta, joka täytyy puhdistaa stripperillä ennen lauhteen syöttämistä sellutehtaan osaprosesseihin.

Sellutehtaan taseisiin kuuluvat vielä kemikaalitaseet, jotka kertovat selluntuotannossa käytettävien kemikaalien kulutuksista, natrium-rikki- suhteesta sekä vierasaineista.

Keitossa käytettävän valkolipeän kulutus riippuu sellutehtaan kuitulinjan ja kemikaalikierron inertin aineksen määrästä, sillä sellutehtaan osaprosessien kemikaalitaseet yhdessä määrittelevät sen, kuinka paljon esimerkiksi keittoon tarvitaan valkolipeää.

Natrium ja rikki virtaavat sellutehtaissa raaka-aineina puulastujen, prosessiveden ja prosesseissa käytettävien kemikaalien mukana. Metsäteollisuuden sellutehtaissa syötettävistä kemikaaleista natriumia esiintyy natriumhydroksidissa ja natriumsulfidissa sekä rikkiä löytyy myös natriumsulfidissa, happidelignifioinnin magnesiumsulfaatista sekä myös meesauunin polttoöljystä. Molempia alkuaineita natriumia ja rikkiä saadaan kemikaalikiertoon myös klooridioksidin valmistuksen sivutuotteen mukana. Molempia natriumia ja rikkiä tulee seurata sellutehtaiden suljetussa kemikaalikierrossa sekä natrium-rikki- suhde tulee pitää vakiona selluntuotannon prosessissa ja samaan aikaan sulfiditeettitasoa seurataan tarkasti, koska kemikaalihäviöiden aikana kemikaalikiertoon lisätään make-up:a , jotta sulfiditeetti ei muutu. Nykyaikaisissa sellutehtaissa sulfiditeettitaso vaihtelee 25 – 45 %  ja se riippuu sellunkeittoon käytettävästä puulajista ja sekä sen pinta-alasta. Sulfiditeetin tasoa mitataan jatkuvasti, sillä sulfiditeetin noustessa alkaa korroosio-ongelmat yleistyä ja hajurikkipäästöt sekä muut hajukaasupäästöt nousevat merkittävästi sellutehtailla.

Natrium-rikki - suhdetta tulee voida säätää, sillä esimerkiksi natriumin määrä sellutehtaan kemikaalikierrossa kertoo melkein kokonaan keittoon käytettävän natriumhydroksidin määrän. Joissain tilanteissa sellutehtaiden lipeävarannon voivat olla joko aivan minimaaliset tai sitten lipeää riittää sellun keittoa varten useiksi kuukausiksi. Natrium-rikki- suhdetta voidaan hallita joko kemikaalien lisäyksillä tai sitten esimerkiksi soodakattilan lentotuhkasta voidaan poistaa natriumsulfaattia. Jos natrium-rikki- suhde on yllättävän korkea, voidaan happidelignifiointiin ohjata natriumhydroksidia. Näillä kemikaalien lisäyksillä tai poistoilla minimoidaan selluntuotannon viipymäaikaa ja samalla taataan tuotannon haluttu tavoite.

Sellutehtaissa kemikaalitaseissa liikkuu myös vierasaineita puun, prosessiveden ja kemikaalien mukana kemikaalikiertoon, jotka voivat aiheuttaa kerrostumien putkistoihin ja vierasaineet aiheuttavat myös korroosiota. Kemikaalikierron lipeäkierrossa vierasaineita ovat esimerkiksi puun mukana tulleet kalsium, kalium ja kloori, jotka liukenevat sellun keitossa ja pesussa sekä myös raakaveden mukana tulee näitä ikäviä vierasaineita, jotka pääosin ovat kemikaalikierron kuollutta kuormaa. Lisäksi myös happidelignifioinnissa käytetyn magnesiumsulfaatin mukana liukenee kemikaalikiertoon magnesium, joka myös kuuluu tähän kuolleeseen kuormaan.

Kemikaalikierron vierasaineista hankalimmat ovat kalium valkolipeäliuoksessa, koska se lisää soodakattilan lentotuhkan sulamispisteen laskemista ja kalium nostattaa tuhkan tarttumista tulistimen pinnoille, jonka poistaminen sellutehtaan seisonta-aikana on erittäin hankalaa. Lisäksi kloridin korkea pitoisuus kemikaalikierrossa yhdessä korkean sulfiditeetin kanssa nostattaa korroosioriskiä prosessilaitteiden pinnoilla ja erityisesti kloridi rikastuu mielellään soodakattilan lentotuhkaan yhdessä kaliumin kanssa. Haihduttamolla vierasaineet aiheuttavat myös ongelmia, sillä kalsium, magnesium, pii ja alumiini saostuvat seoksina haihduttamon pinnoille tukkien mustalipeäliuoksen haihduttamista.

Kalkkikierrossa alkuaineet magnesium, alumiini ja fosfori saostuvat meesan erotuksessa, jotka sitten rikastuvat kalkkikiertoon aiheuttaen inertin kuorman kasvua ja kalkin kaustisoimisvoiman laskua kalkkikierrosssa, joka lisää samalla meesan polttoon tarvittavan öljyn määrää. Kalkkikierron taseiden perusteella usein fosfori ja magnesium rikastuvat selvästi kalkkikiertoon ja niiden määrät ovat huomattavasti suuremmat kuin muiden vierasaineiden määrät. Kalkkikierron fosforin määrää voidaan toki alentaa poistamalla meesauunin sähkösuodinpölyä ja korvaamalla fosforin poisto kemikaalikiertoon syötettävillä kemikaaleilla. Fosforin poistaminen kuitenkin lisää muiden vierasaineiden määrää kalkkikierrossa.

Vierasaineiden poistaminen tapahtuu käsittääkseni viherlipeäsakan, meesan, lentotuhkan, jätevesien mukana ja erityisesti viherlipeän selkeytys poistaa tehokkaasti vierasaineita sellutehtaan kemikaalikierrosta. Soodakattilan lentotuhkan poisto ei ole sellun tuotannon kannalta parhain mahdollinen vaihtoehto, sillä se aiheuttaa sellutehtaan lipeävarantojen alenemista, mutta poistaa toki kaliumin ja kloridin, jotka aiheuttavat korroosiota putkistoissa.

Valkolipeän valmistus

Kemikaalikiertoon kuuluu tärkeänä osana valkolipeän valmistus selluntuotannossa, sillä soodakattilan kuumaa sulaa viherlipeää hyödynnetään valkolipeä valmistuksessa ja tätä valkolipeää käytetään sellunkeitossa. Valkolipeän valmistukseen kuuluu kaksi tärkeää prosessia, jotka ovat valkolipeän valmistus kaustisointisäiliöissä sekä kalkin CaO valmistus meesauunissa. Nämä kaksi prosessia kuuluvat oleellisesti yhteen, koska poltettua kalkkia Cao tarvitaan kaustisointireaktiossa ja kaustisoinnissa myös muodostuu meesaa CaCO₃, joka poltetaan meesauunissa poltetuksi kalkiksi. Näihin prosesseihin kuuluu kemikaalisulan liuotus, sakan poisto viherlipeästä, kalkin sammutus, valkolipeän NaOH valmistus säiliöissä, muodostuneen valkolipeän ja meesan erotus, meesan pesu ja vedenpoisto sekä meesan poltto meesauunissa, jossa muodostuu poltettua kalkkia CaO, joka käytetään valkolipeän valmistuksessa.

Valkolipeän ensimmäisenä prosessina on viherlipeän käsittely, joka saadaan soodakattilasta kuumana sulana. Soodakattilasta kuuma kemikaalisula valuu rännejä pitkin liuotussäiliöön, josta se johdetaan viherlipeän sakan poistoon. Liuosta kutsutaan sen värinsä vuoksi viherlipeäksi ja vihreä väri aiheutuu rautasulfidista. Tämä vihertävä väri muodostuu kemiallisten reaktioiden kautta ja viherlipeän tärkeimmät kemikaalit ovat natriumkarbonaatti Na₂CO₃ ja Na₂S. Liuotussäiliöstä viherlipeä selkeytetään poistamalla epäpuhtaudet ennen kaustisointia. Tässä selkeytyksessä hyödynnetään kemiallisia apuaineita ja viherlipeän poistetaan sakkana liuotussäiliöstä. Sakka poistetaan joko selkeyttämällä tai suodattamalla ja erotustehokkuus selkeytys- ja suodatusprosesseissa on 90 – 99 %. Viherlipeän kokonaisalkali tulisi olla ennen kaustisointia 165 – 175 g NaOH / dm³, sillä tätä suurempi kokonaisalkali aiheuttaa haitallista pirssoniittia teräsputkistojen sisäpinnoille ja tämä estetään soodakattilan liuottajassa säätämällä ajoparametreja. Seuraavia yksikköprosesseja varten viherlipeästä poistetaan myös epäpuhtaudet sakan mukana, kuten magnesium, mangaani ja rauta. Viherlipeästä poistettu sakka pestään lopuksi suodatinpesurilla, joka viedään kaatopaikalle, koska pestyllä sakalla ei nykypäivänä ole tuotannollista käyttöä.

 Viherlipeän käsittelyn jälkeen viherlipeän sisältämä Na₂CO₃ muunnetaan natriumhydroksiksi meesanpoltosta saatavan poltetun kalkin avulla, joka ennen kaustisoitumisprosessia muutetaan kalkin sammutusreaktiossa sammutetuksi kalkiksi Ca(OH)₂. Sammutettua kalkkia prosessoidaan kalkin sammuttimessa, johon syötetään sekä poltettua kalkkia ja ostettua kalkkia prosessin tarpeen mukaan. Sammuttimeen syötetään myös viherlipeää ja tämän prosessin aikana kalsiumoksidi sammuu todella kiivaasti viherlipeän veteen. Optimin prosessin kannalta syötettävän viherlipeän lämpötila tulisi olla 85 – 90 °C, joka takaa kiivaan kemiallisen reaktion kalsiumoksidin kanssa. Tähän kalkin sammuttimeen kuuluu kaksi pääosaa, jotka ovat sammutin ja lajitin. Sammutinosassa kalkki sammutetaan viherlipeän veden kanssa ja lajitinosassa poistuu kalkin joukossa oleva hiekka ja sammutettu kalkki. Lisäksi koko prosessin aikana muodostuu erilaisia hiukkaspäästöjä, jotka pestään hönkäpesurissa ennen niiden päästämistä hengitysilmaan. Seuraava reaktioyhtälö kuvaa poltetun kalkin sammuttamista.

CaO + H2O --> Ca(OH)2 + lämpö

Kaustisointireaktio alkaa jo kalkin sammutusvaiheessa ja jatkuu siihen asti, kunnes reaktio on tasapainossa. Kemianteollisuudessa kaustisointisäiliöitä on yleensä kolme kappaletta ja tämän tasapainon saavuttaminen kestää 2 – 3 tuntia. Näissä säiliöissä on sekoittimet, joiden tarkoituksena on estää meesan laskeutuminen säiliöiden pohjalle. Säiliöt ovat monikerroksisia ja reaktiossa muodostunut valkolipeä ohjataan säiliöistä joko selkeytykseen tai suodatukseen. Kaustisointireaktio on ajallisesti hidas reaktio ja reaktio on endoterminen eli lämpöä sitova reaktio, jonka vuoksi lämpötila putoaa 8 – 10 °C kaustisointireaktion aikana. Reaktion nopeuttamiseksi kaustisointi prosessoidaan korkeassa 95 – 100 °C:n lämpötilassa. Seuraavassa on esitetty kaustisointireaktio, jossa muodostuu valkolipeää ja meesaa eli kalsiumkarbonaattia.

Na2CO3 + Ca(OH)2 --> NaOH + CaCO3

Kaustisointisäiliöistä liuos pumpataan syöttösäiliöön ja sieltä edelleen valkolipeän erotuslaitteistolla, jossa erotetaan valkolipeä ja meesa toisistaan sukkasuotimen avulla, jonka tavoitteena on saada mahdollisimman puhdasta valkolipeää sellunkeittoa varten. Sellunkeittoon menevä valkolipeä ei saisi sisältää enempää kuin 20 – 30 mg/l meesaa. Liuoksen suodatuksessa on kolme vaihetta, jotka ovat suodatus, irrotus ja lepo, joita ohjataan aikasekvenssillä. Suodatuksen jälkeen valkolipeä virtaa omalla painollaan valkolipeäsäiliöön ja pohjalle laskeutunut meesa poistetaan meesan laimennussäiliöön, jonka kiintoainepitoisuus on suodatuksen jälkeen 38 – 40 %. Laimennussäiliössä meesa laimennetaan 9 – 10 %:n kiintoainepitoisuuteen, jonka jälkeen meesa pumpataan sukkasuotimelle, jossa tapahtuu meesan pesu. Meesan pesussa käytettävä sukkasuodin on samanlainen kuin valkolipeän erotuksessa käytettävä sukkasuodin, mutta meesan pesussa suodattimesta laihavalkolipeä virtaa laihavalkolipeäsäiliöön ja suodattimen pohjalle laskeutunut meesa johdetaan meesan pumppaussäiliöön, jossa meesan kiintoainepitoisuus on 43 – 45 % ja pumppaussäiliössä meesan kiintoainepitoisuus säädetään 20 – 30 %, josta meesa pumpataan varastosäiliöön. Meesan pesusta virtaama valkolipeä on laihempaa kuin valkolipeän erotuksessa virtaama valkolipeä, joka käytetään sellunkeitossa. Meesan pesusta saatavaa laihavalkolipeää sen sijaan hyödynnetään kemikaalisulan liuotuksessa.

Meesan varastosäiliöstä meesa suodatetaan ja puhdistetaan meesasuotimella, joka nostaa meesan kuiva-ainepitoisuuden 75 %:n sekä poistaa meesasta epäpuhtaudet, jotka haittaavat meesan polttoa meesauunissa. Suotimelle meesa pumpataan määrämitattuna ja tiheyssäädettynä, koska poltetun kalkin tuotanto määräytyy meesan määrän ja tiheyden perusteella. Meesasuotimella käytetään 10 – 15 mm paksuista precoat-kerrosta, joka täytyy aikavälein pestä korkeapainepesurilla tukkeumien estämiseksi. Precoat-kerroksen päällä oleva varsinainen meesakerros pestään myös sekundäärilauhteella, jonka tarjoituksena on pitää TRS-päästöt alhaalla. Meesakakun lämpötila pidetään 55 °C:ssa ja sen määrä on noin 50 % meesan kuiva-ainemäärästä. Meesasuotimelta meesa irrotetaan precoat-kerroksen päältä kiinteän kaavarin avulla ja meesa ohjataan lopuksi hihnakuljettimella meesan polttoon.

Suodatuksen tai meesan kuivauksen jälkeen meesa poltetaan poltetuksi kalkiksi kalsinointireaktiolla meesauunissa ja meesauuni voidaan jakaa neljään eri vyöhykkeeseen. Ensimmäisessä vyöhykkeessä tapahtuu meesan kuivaus vedestä. Tämän jälkeen meesa lämmitetään reaktiolämpötilaan ja reaktiovyöhykkeessä kalsiumkarbonaatti CaCO₃ hajoaa kalsiumoksidiksi ja hiilidioksidiksi. Meesauunin loppuvyöhykkeessä tuotteet jäähdytetään hapetusilmalla ennen kuin ne poistetaan meesauunista. Jäähdytykseen voidaan käyttää myös satelliittijäähdytintä tai sektorijäähdytintä.

Käytännössä meesa syötetään meesan suotimelta meesauuniin sen yläpäästä ja meesan kulkua autetaan syöttösiivilällä. Meesauuni on pitkänomainen horisontaalisesti kallellaan, joten meesa valuu painovoiman vaikutuksesta meesauunin yläpäästä ja alapäähän, jossa se muuntuu poltetuksi kalkiksi. Meesauuni pyörii 0,5 – 1,5 r/min ja meesauunissa meesa ja muodostuvat savukaasut liikkuvat vastakkaisiin suuntiin ja nämä savukaasut lämmittävät meesaa ja lämmitykseen käytettävä polttoaine toimii primäärisenä lämmittimenä savukaasujen kanssa. Meesauunissa lämmitys perustuu säteilyyn ja meesan poltossa liekki pyritään pitämään tasalaatuisena, joka on helposti sammutettavissa prosessien ongelmatilanteissa. Hyvän polton onnistumiseksi meesan laatua valvovaan jatkuvasti meesan Na₂O- pitoisuutta tarkkailemalla ja sen pitoisuuden tulisi olla 0,1 – 0,3 % ilmapäästöjen ja korroosion estämiseksi.