Taseet

Energiataseet

Energiataseisiin 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 paperikoneiden ajamiseen 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.

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.

Vesitaseet

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.

Ympäristöasiat

Savukaasut

Puhtaampien polttoaineiden käytöllä voidaan tehokkaasti vähentää rikkipäästöjä, koska näiden polttoaineiden rikkipitoisuus on hyvin alhainen. Savukaasujen puhdistusta sovelletaan hiukkasille sekä rikki- ja klooriyhdisteille. Hiukkaset voidaan poistaa sähkösuotimella tai mekaanisilla pussisuotimilla ja sykloneilla. Käytännössä sähkösuotimet ovat tehokkaimpia ja siksi yleisimpiä Suomessa. Sellutehtaalla rikkiyhdisteitä voidaan poistaa savukaasuista pesureilla, jossa rikkiyhdisteitä liukenee pesurin alkaliseen kiertoliuokseen ja ne saadaan sitä kautta takaisin tehtaan kemikaalikiertoon tai muuhun hyötykäyttöön. Pesureilla voidaan myös poistaa kloorikaasuja valkaisimon tai kemikaaliaseman hönkäkaasuista. Hiiltä poltettaessa voidaan käyttää hyväksi kalkkimaitoon tai -jauheeseen perustuvia pesumenetelmiä. Rikki reagoi kalkin kanssa muodostaen kiinteässä muodossa olevaa kipsiä.Typenoksidipäästöjä ei pystytä rikkidioksidin tapaan vähentämään parannetuin puhdistustoimin. Tästä syystä typenoksidipäästöt ovat kasvaneet tuotannon kasvun myötä. Kattilan polton hallinnalla ja ilmajaolla voidaan jossain määrin vaikuttaa typpioksidipäästöjen syntyyn. Hajukaasut (höngät) luokitellaan laimeisiin ja väkeviin rikkiyhdisteiden pitoisuuden mukaan.

Vesi

Metsäteollisuuden jätevesipäästöissä on tapahtunut valtava lasku viimeisen 15-20 vuoden aikana, vaikka tuotantomäärät ovat samanaikaisesti moninkertaistuneet. Erityisesti vesistöjen happea kuluttava kuormitus sekä klooriyhdisteiden päästöt ovat vähentyneet alle kymmenesosaan aikaisemmasta. Vuodesta 1970 vuoteen 1995 vähentyivät metsäteollisuuden kiintoaine- ja BOD-päästöt vesistöihin noin 95%, vaikka samaan aikaan paperin ja kartongin tuotanto kaksinkertaistui. Päästöjen laskusta huolimatta metsäteollisuus on edelleen suurin vesistöjen happea kuluttavan kuormituksen aiheuttaja Suomessa. Metsäteollisuuden osuus niistä on noin puolet. Ravinnepäästöjen osalta kehitys ei ole ollut yhtä hyvä, sillä typpi- ja fosforipäästöt eivät ole niin suuressa määrin vähentyneet viime vuosikymmeninä. Ravinteiden (lähinnä typpi ja fosfori) osalta metsäteollisuus ei ole merkittävimpiä kuormittajia Suomessa. Sen osuus on noin 5% koko vesistöömme päätyvästä ravinnekuormasta maatalouden osuuden ollessa noin puolet. Metsäteollisuus tosin vaikuttaa vesistöjen tilaan myös epäsuorasti, esimerkiksi soiden ojitusten kautta.

Jätteet

Suomen metsäteollisuus käyttää puuraaka-aineesta hyödyksi yli 95 prosenttia. Jätevedenpuhdistamoiden lietteistä hyödynnetään kuorikattiloissa energiaksi 60 prosenttia, ja energian tuotannon tuhkasta käytetään 30 prosenttia mm. lannoitteena ja maanrakennusaineena. Erityisesti puutuhkan hyödyntämistä metsälannoitteena kehitetään aktiivisesti mm. rakeistusta ja levitystekniikoita parantamalla. Metalliromu ja keräyspaperi pystytään ohjaamaan lähes kokonaisuudessaan uudelleen raaka-aineeksi . Tehtailla muodostuu kuitenkin edelleen jätettä, jotka sijoitetaan tehtaiden omille läjitysalueille. Keskeisimpiä kiinteän jätteen lähteitä sellutehtaalla ovat viherlipeäsakat. Viherlipeäsakka on erittäin alkalista ja korkean pH:n vuoksi sitä ei voi käyttää esim. maanparannusaineena.

Soodakattila

Ensisijainen tehtävä soodakattilalla on kemikaalien talteenotto ja toinen on palamislämmön talteenotto. Mustalipeää poltettaessa soodakattilassa vapautuu rikkiä ja natriumia, joita tarvitaan prosessin muissa osissa. Mustalipeässä oleva orgaaninen osa palaa ja muuttuu lämpöenergiaksi. Tämä energia käytetään prosessin höyryn valmistukseen.

Mustalipeässä oleva rikki pelkistetään kemikaalien talteenotossa, jolloin se muuttuu natriumsulfidiksi. Osa natriumista muodostaa poltossa muodostuvan hiilidioksidin kanssa natriumkarbonaattia. Kattilasta ulostuleva sula koostuu natriumsulfidista, natriumkarbonaatista ja natriumsulfaatista. Sulaa sekoitetaan kaustisoinnista tulevaan laihavalkolipeään, jolloin saadaan viherlipeää.

Kuiva-aine pitoisuutta on nostettu mustalipeässä edellisessä prosessivaiheessa riittävän tehokkaan polton varmistamiseksi. Kattilassa mustalipeässä oleva orgaaninen aines palaa ja muuttuu hiilidioksidiksi sekä lämpöenergiaksi. Savukaasuissa oleva lämpöenergia otetaan talteen siirtämällä se vesi-höyry järjestelmässä kattilaveteen. Höyrystyessään vesi muuttuu korkeapaine höyryksi, josta osa johdetaan turbiinille sähköntuotantoa varten. Osa taasen käytetään laitoksen prosessihöyrynä. Poltosta syntyvät savukaasut käsitellään erillisessä prosessi ja puhdistetaan ennen poistoa.

Soodakattilan ohjauksessa pyritään varmistamaan, että mustalipeä palaa maksimaalisesti kattilassa, eikä kulkeudu savukaasujen mukana pois kierrosta. Mustalipeän palamista voidaan muokata pisarakokoa säätämällä. Kattilaan tulee syöttää oikea määrä happea, jotta saavutetaan täydellinen palaminen sekä keon muoto. Kuitenkin hapen määrä täytyy pitää riittävän alhaisena, jotta reduktioaste pysyy riittävän korkeana.

Haihdutus

Haihdutuksen tärkein tehtävä on poistaa mustalipeästä vettä, jolloin sen konsentraatio nousee merkittävästi. Tämä taas mahdollistaa myöhemmin tapahtuvan tehokkaan polton. Haihduttaminen tapahtuu vaiheittain useassa eri säiliössä käyttäen höyryn kiertoa haihdutukseen. Haihdutuksessa tulee kiinnittää myös huomiota sivutuotteiden talteen ottoon, joista tärkeimpiä ovat metanoli, tärpätti ja suopa.

Mustalipeä koostuu hemiselluloosasta, lingiinin jäämistä ja epäorgaanisista kemikaaleista, joita käytetään sellun tuotantoprosessissa. Yleensä sen painosta noin 15 % on kiintoainetta, 40-45 % suopaa, 35-45 % lingiiniä ja 10-15 % muita orgaanisia aineita. Mustalipeä sisältää noin puolet siitä puun energiasta mitä tulee sisään tehtaaseen.

Syöttölipeää ajetaan järjestelmään yksiköiden läpi minkä jälkeen se ajetaan soodakattilalle noin 80 % vahvuisena. Höyrykierto tapahtuu päinvastaiseen suuntaan lämpötilan ollessa korkeimmillaan 1. yksikössä. Höyryä painetaan järjestelmään korkealla paineella ja imupuolella on noin 1barin alipaine auttamassa vetoa. Haihduttamon primäärilauhteet kerätään paisunta astioiden kautta pumppausastiaan,  josta se operoidaan likaislauhdesäiliöön tai päälauhdesäiliöön soodakattilalle.  Haihduttamon sekundäärilauhteet hyödynnetään valkaisussa ja kaustisoinnissa sekä haihduttamolla pesuliemenä.

Mahdollisia ongelmia haihdutuksessa ovat vaahtoaminen, jota voi tapahtua mustalipeän tulo pitoisuuden ollessa liian matala. Kapasiteetin aleneminen on seurausta lauhduttimien pintaan kertyvästä kiintoaineesta, joka laskee hyötysuhdetta. Suopa ei välttämättä erotu mikäli lipeä on liian väkevää, jolloin vettä kevyempi suopa ei pääse nousemaan faasin pinnalle. Lauhteiden käsittelyssä pyritään ne pitämään mahdollisimman puhtaina, koska niitä tullaan käyttämään muualla tehtaassa prosessivetenä. Niistä pyritään siis erottamaan metanoli ja rikkiyhdisteet. Ongelmia voi syntyä laitevioista tai kuitujen tukittua pisaraerottimen. Tulevan materiaalin kuitupitoisuus tulee olla alle 40mg/l, tällöin vältytään suurimmalta osalta kuitujen aiheuttamista ongelmista, joita ovat stripperin ja pisaranerottimien tukkeutuminen ja lämpöpintojen likaantuminen. Kemikaalinkierron kannalta haihdutuksessa mustalipeä vahvuutta nostetaan, jotta se voidaan käyttää soodakattilassa polttoaineena ja edelleen viherlipeän valmistukseen.

Valkolipeän valmistaminen

    Valkolipeää valmistetaan viherlipeän ja sammutetun kalkin avulla. Kaustisointi ja meesanpoltto muodostavat yhdessä kalkkikierron, jossa kalkki on kiertävä apukemikaali. Kalkin avulla muutetaan viherlipeä valkolipeäksi. Kasutisoinnissa pyritään mahdollisimman suureen natriumhydroksidin saantoon. Kalkkikierto on seuraavanlainen prosessi:

1) Sula liuotetaan laihavalkolipeään

2) Viherlipeästä poistetaan sakka selkeyttämällä ja suodattamalla

3) Sakka pestään ja siitä otetaan natrium talteen

4) Sakan erotuksen jälkeen viherlipeä pumpataan kalkin sammutukseeen, johon tulee myös poltettu kalkki, joka sammuu viherlipeässä olevaan veteen muodostaen sammutettua kalkkia Ca(OH)2 eli kalkkimaitoa

5) Kaustisointisäiliössä kalkkimaito reagoi viherlipeän kanssa muodostaen valkolipeää eli natriumhydroksidia

6) Valkolipeä erotetaan meesasta ja pumpataan omaan säiliöönsä 

7) Meesa pestään ja viedään meesanpolttoon, jossa se muutetaan takaisin kalsiumoksidiksi

Kaustisointiprosessin päävaatimukset

- Kaustisointireaktion tasapaino on saatava siirtymään tarpeeksi oikealle, jolloin vältetään keitossa tehottoman soodan joutuminen lipeäkiertoon

- Valmistettavan keittolipeän on oltava mahdollisimman väkevää

- Saostuva kalsiumkarbonaatti, meesa, on saatava helposti erotettavaan muotoon  

- Valkolipeän selkeyttämisen helpottamiseksi meesa on saatava erotetuksi mahdollisimman pienellä alkalihäviöllä.

Kaustisointiaste kuvaa reaktion täydellisyyttä. Mitä suurempi kaustisointiaste on sitä laimempaa on lipeä. Liian suuri kaustisointiaste vaikeuttaa sakan laskeutumista. Kaustisointiaste voi olla enintään 85-87 %