SELLUTEHTAAN SEKUNDÄÄRILÄMMÖN KÄYTÖN TEHOSTAMINEN

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma Risto Tapanen SELLUTEHTAAN SEKUNDÄÄRILÄMMÖN KÄYTÖN TEHOSTAMINEN Työn tarkastajat: Professori Esa Vakkilainen Professori Timo Hyppänen Työn ohjaajat: Professori Lasse Koskelainen DI Juha Kosonen DI Hannu Sonni

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma Risto Tapanen Sellutehtaan sekundäärilämmön käytön tehostaminen Diplomityö sivua, 9 kuvaa, 7 taulukkoa ja 17 liitettä Tarkastajat: Professori Esa Vakkilainen Professori Timo Hyppänen Hakusanat: sekundäärilämpö, sellutehdas, tase Energia on olennainen osa nykyaikaisen sellutehtaan prosesseja, joissa kuluu suuria määriä lämpöä ja sähköä. Pyrittäessä entistä kustannustehokkaampaan liiketoimintaan nousee energiatehokkuus usein mielenkiinnon kohteeksi. Pitkälle viety sähkön ja lämmön yhteistuotanto yhdistettynä korkeaan biopolttoaineiden osuuteen energian tuotannossa luovat pohjan tälle pyrkimykselle. Sekundäärilämpöä syntyy prosessien sivutuotteena ja sen mahdollisimman suuri hyödyntäminen on yksi keino päästä kohti parempaa energiatehokkuutta. Joissain tapauksissa sillä voidaan korvata jopa primäärienergian käyttöä ja mahdollisesti pienentää ostopolttoaineiden tarvetta. Diplomityössä tutkitaan sellutehtaan sekundäärilämpöjärjestelmän toimintaa, ohjausta ja energiankulutusta. Sekundäärilämpöjärjestelmästä muodostetaan taseet talvitilanteessa ja samalla etsitään mahdollisia uusia talteenotettavia sekundäärilämpövirtoja tai vastaavasti käyttökohteita. Lisäksi päivitetään sekundäärilämpöjärjestelmän raportoinnin ja ohjauksen työkaluja nykytilannetta vastaavaksi. Työn aikana kiinnitetään myös huomiota järjestelmän toimintaan muutostilanteissa, joissa kaikkia vesijakeita ei välttämättä ole saatavilla prosessin tarvitsemia määriä.

3 ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Degree Programme in Energy Technology Risto Tapanen Development of Secondary Heat System at Pulp Mill Master s thesis pages, 9 figures, 7 tables and 17 appendices Examiners: Professor Esa Vakkilainen Professor Timo Hyppänen Keywords: secondary heat, pulp mill, balance Energy has a substantial part in processes on a modern pulp mill, which consumes great quantities of heat and electricity. Concern about energy efficiency rises often to focus when aiming to more cost-effective business operations. In those cases advanced heat and power co-generation combined with high proportions of biofuels establishes foundation for such strategy in production of energy. Secondary heat is a by-product of pulp process and high exploitation of it is a way to improve energy efficiency. In some cases there is a possibility to replace usage of primary energy with secondary heat and even reduce demand of purchased fuels. Operation, control and energy consumption of secondary heat system of the pulp mill are examined in this master s thesis. Secondary heat balance will be created for winter seasons and at the same time new possibilities are plotted to recover and utilize secondary heat flows. In addition tools for reporting and operating secondary heat system will be updated to respond the present situation. In this study system s operations in non-steady situations are taken under consideration as well when required volumes for all fractions of water aren t necessarily available.

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Stora Enso Oyj:n Imatran tehtaiden Kaukopään tehdasyksikön voimalaitoksella ja sellutehtaalla kevään 2007 aikana. Työn ohjaajalle professori Lasse Koskelaiselle haluan esittää kiitokset ohjeista ja kaikista työtä koskevista neuvoista. Työn ohjaajaa voimalaitospäällikkö DI Juha Kososta kiitän diplomityöpaikasta ja asiantuntevasta ohjauksesta. Lisäksi haluan kiittää DI Hannu Sonnia, DI Alpo Pajaria ja kaikkia muita ihmisiä, jotka ovat monin tavoin olleet edesauttamassa työni valmistumisessa. Erityisesti kiitokset vanhemmilleni tuesta vuosien varrella.

5 1 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT 1 JOHDANTO Yleistä Työn tavoitteet 8 2 TEHDASKUVAUS Stora Enso Oyj, Imatran tehtaat Imatran Sellu Kuorimo Kuitulinjat Kuivauskone Vedenpuhdistamo Voimalaitos Haihduttamot Soodakattilat Kaustisointi Meesauunit Muut 23 3 SEKUNDÄÄRILÄMPÖ Sekundäärilämmön määritelmä Sekundäärilämmön lähteet Sekundäärilämmön talteenotto Sekundäärilämmön käyttö Sekundäärilämmön arvo 28

6 2 4 SELLUTEHTAAN SEKUNDÄÄRILÄMPÖJÄRJESTELMÄ Sekundäärilämpöjärjestelmän vedet Tuottajat Savukaasupesurit Haihduttamot Kaustisointi Apulauhdutin Kuitulinja Kuitulinja Valkaisukemikaaliasema CTMP-laitos Säiliöt Savukaasupesurien kuumavesisäiliö Haihduttamo 6:n lämminvesisäiliö Haihduttamo 5:n toisiolauhdesäiliö Kuitulinja 2:n kuumavesisäiliö Kuitulinja 3:n kuumavesisäiliöt Valkaisukemikaaliaseman lämminvesisäiliö Kuluttajat Vesilaitos Haihduttamot Mäntyöljynkeittämö Kaustisointi Kuitulinja Kuitulinja CTMP-laitos Kuivauskone Lämmitys 45 5 SEKUNDÄÄRILÄMPÖTASEEN MUODOSTAMINEN Yleistä Lämmönsiirtimet 46

7 3 5.3 Savukaasupesurit Säiliöt Mittaukset Tase 52 6 SEKUNDÄÄRILÄMPÖJÄRJESTELMÄN TOIMINTA Yleistä Savukaasupesurit Haihduttamot Kaustisointi Kuitulinja Kuitulinja Apulauhdutin Säiliöt Ylikaadot/kanaalit 60 7 SEKUNDÄÄRILÄMPÖJÄRJESTELMÄN TEHOSTAMINEN Kuuman veden hyötykäyttö SK5:n tuloilmajärjestelmän uusinta Biopolttoaineen kuivatus Matalapainehöyryn käytön vähentäminen Kuorimo Kuitulinja Kuitulinja Jätevedet Jäähdytysvedet Lämminvesisäiliön ohitus Eri vesiverkostojen hallinta 71 8 OHJAUSJÄRJESTELMÄT Damatic XD -järjestelmä DNA -järjestelmä Alcont-järjestelmä 74

8 4 9 RAPORTOINTI- JA INFORMAATIOJÄRJESTELMÄT Promas-järjestelmä Valvontakuvat Raportit SEITTI YHTEENVETO 77 LÄHDELUETTELO 79 LIITTEET 82

9 5 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO Kreikkalaiset muutos φ lämpöteho [W] tai [J/s] η hyötysuhde [%] θ lämpötilaero [ C] tai [K] ρ tiheys [kg/m³] σ rakennussuhde Symbolit A pinta-ala [m²] c p ominaislämpökapasiteetti [kj/kg K] d halkaisija [m] h ominaisentalpia [kj/kg] H korkeus [m] i laskentakorko [%] I investointi [ ] k lämmönsiirtymiskerroin [W/m²K] n takaisinmaksuaika [a] P teho [W] q m massavirta [kg/s] q v tilavuusvirta [m³/s] S nettosäästö [ ] T lämpötila [ C] tai [K] x 1 kg:n kuivaa ilmaa vesisisältö [kg H 2 O /kg kuivailma ] X kuiva-ainepitoisuus [%/100] Alaindeksit 1,2,3,,n i in järjestysnumero aine i sisään

10 6 ln out pa luonnollinen logaritmi ulos polttoaine Lyhenteet AKD BFB CHP CTMP DD EKE EMU EPE GHA HA HIC HDS HMP HO HVP IMS JD K KA KK KL KP KRO KS KSA KU LA klooridioksidivesi (bubbling fluid bed) kerrosleijupeti yhdistetty lämmön- ja sähköntuotanto (chemithermomechanical pulp) kemihierre (drum displacer) rumpusuodatin keittolipeä heikkomustalipeä pesulipeä väkevät hajukaasut happivalkaisu Honeywell Information Center (hydro dynamic separator) mäntyöljynkeitin matalapainehöyry haihduttamo välipainehöyry Imatran sellu jäähdytys kaasukattila kartonkikone kuorikattila kuitulinja Kaukopää kuorimo kaustisointi savukaasu kuivauskone lajittamo

11 7 LMD LTO lv MSO MU MÖ PK RPO RVP SEITTI SESS SK ST SY TA TU VA VIV VK VKA VKE VKK VKU VLA VLM VNO VPK VPU VRA VTL VTP VO (lime mud dryer) meesankuivain lämmöntalteenotto lämmönvaihdin meesasuodinosasto meesauuni mäntyöljynkeittämö paperikone raakaveden pumppaamo raakavedenpuhdistamo Stora Enson Imatran tehtaiden tietojärjestelmä Stora Enso Saimaa Services Oy soodakattila saostuslaitos syöttövesilaitos Tainionkoski turbiini valkaisu ionivaihdettu vesi vuokeitin valkaisukemikaaliasema kemiallisesti puhdistettu vesi kemiallisesti puhdistettu kuuma vesi kuuma vesi lauhde lämmin vesi nollavesi puhdas kuuma vesi vedenpuhdistamo raakavesi toisiolauhde, likainen toisiolauhde, puhdas voimalaitos

12 8 1 JOHDANTO 1.1 Yleistä Energia on olennainen osa sellun-, paperin-, ja kartonginvalmistuksen prosesseja, joissa kuluu suuria määriä lämpöä ja sähköä. Sellu- ja paperitehtaat ovat perinteisesti tuottaneet kaiken tarvitsemansa lämmön ja suurimman osan sähköstä itse osana prosessia, mutta jatkuva tehdaskokojen ja tuotantomäärien kasvu sekä tekniikan kehittyminen ja jalostusasteen kohoaminen ovat nostaneet jatkuvasti sähkön kulutusta paperitehtaissa. Vuonna 2001 kemiallinen metsäteollisuus kulutti Suomessa sähköä 24,5 TWh ja lämpöä 156 PJ. Polttoainetta kului eri prosesseissa 272 PJ. Selluloosan valmistuksessa merkittävimmät lämmön kuluttajat ovat keitto, mustalipeän haihdutus ja sellunkuivatus. /1, 2/ Pyrittäessä entistä kustannustehokkaampaan liiketoimintaan, nousee energiatehokkuus usein mielenkiinnon kohteeksi, kuten myös Stora Enso Oyj:n Imatran tehtailla. Tehdasintegraateissa pitkälle viety sähkön ja lämmön yhteistuotanto (CHP) yhdistettynä korkeaan biopolttoaineiden osuuteen energian tuotannossa luovat pohjaa tavoitteiden saavuttamiselle pitkällä tähtäimellä. Sekundäärilämpöä syntyy prosessien sivutuotteena ja sen mahdollisimman suuri hyödyntäminen on yksi keino päästä parempaan energiatehokkuuteen. Joissain tapauksissa sillä voidaan korvata jopa primäärienergian käyttöä ja mahdollisesti pienentää ostopolttoaineiden tarvetta. 1.2 Työn tavoitteet Diplomityön tavoitteena on määrittää Imatran sellutehtaan sekundäärilämpöjen tuotantoa ja kulutusta. Sekundäärilämmöstä muodostetaan taseet talvitilanteessa ja tutkitaan nykyisen järjestelmän toimintaa sekä ohjausta. Samalla kartoitetaan, että löytyykö tehtaalta mahdollisia uusia talteenotettavia sekundäärilämpövirtoja tai vastaavasti käyttökohteita, joita voitaisiin hyödyntää. Työssä kiinnitetään myös huomiota järjestelmän toimintaan muutostilanteissa, joissa kaikkia vesijakeita ei välttämättä ole saatavilla prosessin

13 9 tarvitsemia määriä. Tarkastelu rajataan koskemaan pääasiassa Kaukopään voimalaitoksen ja kuitulinjojen aluetta. Tehtaalle on aiemminkin tehty vastaavia selvityksiä, yleensä uudistusprojektien yhteydessä, mutta tällä kertaa haluttiin tarkastella tilannetta, jolloin käytössä olevat prosessit ja laitteistot ovat olleet toiminnassa jo pidemmän aikaa ja niistä on käyttökokemuksia myös henkilökunnan puolelta. Näin ollen edellisen samasta aiheesta vuonna 2002 tehdyn diplomityön tulokset ovat pääpiirteittäin vertailukelpoisia, ottaen huomioon laitteiden parannuksista ja toimintamallien kehittymisestä johtuvat tuotantokapasiteetin kasvut. 2 TEHDASKUVAUS 2.1 Stora Enso Oyj, Imatran tehtaat Imatran tehtaat on osa suurta maailmanlaajuista metsäteollisuusyritystä Stora Enso Oyj:tä ja se kuuluu maailman toiseksi suurimpaan metsäteollisuuskeskittymään, joka sijaitsee Kaakkois-Suomessa. Imatran tehtaat on maailman kolmanneksi suurin kuluttajapakkauskartonkitehdas ja paperin sekä kartongin yhteistuotantokapasiteetiltaan se on sijalla 11 /5/. Tehdaskokonaisuus käsittää kaksi tehdasyksikköä, Kaukopään ja Tainionkosken tehtaat. Imatran Kartongit valmistaa kuitupohjaisia pakkausmateriaaleja tuotteinaan nestepakkausja elintarvikekartongit, muut pakkauskartongit sekä graafiset kartongit. Nestepakkauskartonkeja valmistetaan kaikkiin nestepakkausjärjestelmiin ja lopputuotteita ovat mm. maito- ja mehutölkit. Juomakupit ja erilaiset elintarvikepakkaukset ovat tyypillisiä elintarvikekartonkien käyttökohteita. Pakkauskartonkeja käytetään elintarvike-, makeis- ja savukepakkauksiin. Graafisista kartongeista syntyvät kannet, kortit ja ylellisyystuotepakkaukset. Stora Enso Fine Papers Imatran tehdas tuottaa korkealaatuisia toimistopapereita, joita ovat kopiointiin ja toimistotulostukseen tarkoitetut kopiopaperit ja esipainetut lomakkeet. Laminating Papersin Tainionkosken tehdas valmistaa vanerin pinnoitekalvojen raakapaperia ja Absorbex-paperia, jota käytetään mm. huonekaluteollisuuden laminaateissa ja sähköteknisten tuotteiden valmistuksessa. Stora

14 10 Enso Saimaa Services Oy (SESS) on Imatran tehtaiden sisäinen palveluyhtiö, joka tuottaa ja kehittää tehtailla toimivien tulosyksiköiden tarvitsemia palveluja ja tukitoimintoja. Tuotteiden myynnistä vastaavat tulosyksiköt. /3, 4/ Imatran tehtaiden tuotantokapasiteetti on noin 1,1 miljoonaa tonnia kartonkia ja paperia vuodessa. Tuotannosta menee vientiin 90 %, tärkeimpänä markkina-alueena on Eurooppa. Tämän lisäksi merkittävät markkinat ovat Kaakkois-Aasiassa. Imatran tehtaiden sellun, paperin ja kartongin tuotantokapasiteetit on esitetty taulukossa 1. /3/ Taulukko 1. Tuotantokapasiteetit. TUOTE KAPASITEETTI [t/a] Lehtisellu Havusellu Valkaistu sellu yht Valkaisematon havusellu CTMP Massat yhteensä Paperi Kartonki Paperi ja kartonki yht PE-päällystys Arkitus Imatran tehtailla tuotetaan kartonkia ja paperia neljällä kartonkikoneella ja kolmella paperikoneella. Haluttujen kartongin ja paperin ominaisuuksien aikaansaamiseksi massa jauhetaan ennen koneille pumppaamista ja siihen annostellaan tarvittavat lisäaineet, kuten erilaiset liimat ja sideaineet. Kartonki- ja paperikoneilla massasulppu johdetaan viiralle, jossa aloitetaan vedenpoisto. Vedenpoistoa jatketaan puristinosalla ja lopullinen kuivaus tapahtuu kuivatusosalla. Kartonkikoneilla on käytössä monikerrostekniikka. Kartonkikoneet 2 ja 5 sekä paperikone 6 on varustettu päällystysyksiköillä. Elintarvike- ja nestepakkauskartongit päällystetään polyeteenimuovilla. Graafiset ja pakkauskartongit

15 11 mineraalipäällystetään jo kartonkikoneella ja leikataan asiakkaiden tarpeiden mukaisesti rulliksi ja arkeiksi. Koneiden tarkemmat tuotantotiedot on esitetty taulukossa 2. Liitteessä 1 on esitetty Imatran tehtaiden tuotanto lohkokaaviona. /3, 4/ Taulukko 2. Kartonki- ja paperikoneet. KARTONKI- JA LEVEYS TUOTANTO TUOTE PAPERIKONEET [m] [t/a] KA1 4, kuppi- ja nestepakkauskartongit KA2 5, graafiset, pakkaus- ja nestepakkauskartongit KA4 6, nestepakkauskartongit KA5 4, ruskearunkoiset nestepakkauskartongit PK6 3, päällystetyt joustopakkauskartongit PK7 2, laminaattipaperit PK8 6, toimistopaperit Tehtaat käyttävät vuosittain noin 5 miljoonaa kuutiometriä puuta, josta noin puolet on koivua ja loput mäntyä sekä kuusta. Pääosa puusta tuodaan tehtaille rautatie- ja autokuljetuksin. Tuontipuun osuus on noin 70 %. /3/ Tehtailla syntyvän jätteen hyötykäyttöaste on 90 %. Puhdistamoliete poltetaan kuoren kanssa kuorikattilassa. Kuorikattilan tuhka käytetään kaatopaikan kunnostuksessa. Kemikuumahierteen (CTMP) tuotannossa tarvittava kemikaali valmistetaan sellutehtaalla syntyvistä, rikkiä sisältävistä hajukaasuista. Päällystys- ja täyteaineena käytetyn kalsiumkarbonaatin valmistuksessa hyödynnetään sellunvalmistuksessa syntyvää hiilidioksidia. /3/ 2.2 Imatran Sellu Imatran sellu (IMS) kuuluu Stora Enso Oyj:n Pakkauskartongit tulosryhmään Kuluttajapakkauskartonkien Imatran tuotanto-organisaatioon. Toiminnan pääasiallisena tarkoituksena on tuottaa sellua, lämpöenergiaa ja sähköä Imatran tehtaiden tarpeisiin. Imatran sellun organisaatioon kuuluvat kuorimo (KRO), kuitulinjat 2 ja 3 (KL2 ja KL3),

16 12 valkaisukemikaaliasema (VKA), kuivauskone 1 (KU1), vedenpuhdistamo (VPU) sekä voimalaitos (VO). Haketetun puun kuidut irrotetaan toisistaan keittoprosessissa liuottamalla muu puuaines, eli ligniini, kuumennettuun lipeään. Kuitumainen sellu pestään, valkaistaan ja pumpataan kartonki- ja paperikoneille tai vaihtoehtoisesti kuivauskoneelle. Pesuliuos johdetaan kemikaalien talteenotto-osastolle, jossa kemikaalit muutetaan uudelleen keittoon sopivaksi lipeäksi ja liuennut puuaines poltetaan energiaksi voimalaitoksella. /6/ Kuorimo Kuorimolla on kaksi vuonna 2001 valmistunutta puunkäsittelylinjaa, jotka kuorivat ja hakettavat puut kuitulinjojen käyttöön. Havua haketettiin vuonna 2006 noin 1,1 miljoonaa kuutiometriä ja lehtipuuta noin 2,6 miljoonaa kuutiometriä /3/. Kuorinnassa syntynyt kuori toimitetaan voimalaitoksen kuorikentälle kuljetinhihnoja pitkin Kuitulinjat Imatran tehtaiden tarvitsema sellu valmistetaan omilla kuitulinjoilla. Kaukopäässä sellua valmistetaan kahdella vuokeittimellä ja Tainionkoskella on käytössä eräkeittämö. Kuitulinja 2 on valmistunut vuonna 1976 ja sen kokoonpanoon kuuluu hakkeen pasutusastia, imeytystorni, vuokeitin, paine- ja vuopesuri, lajittamo pesureineen sekä 6- vaiheinen suodinvalkaisu. Alun perin kuitulinja 2:lla tehtiin koivusellua, mutta kuitulinja 3:n valmistuttua vuonna 2001 laitos muutettiin valmistamaan pitkäkuituista mäntysellua. Valkaisussa käytetään klooridioksidia, natriumhydroksidia, peroksidia sekä happea sekvenssin ollessa D0-E0-EP-D1-E2-D2. Kuitulinja 2:n ja valkaisu 4:n prosessikuvat on esitetty liitteissä 2 ja 3. Valkaistua lyhytkuituista koivusellua valmistava kuitulinja 3 käynnistyi vuonna 2001 ja sen kokoonpanoon kuuluu imeytystorni, vuokeitin, vuopesuri, happivalkaisu, lajittamo ja 4-vaiheinen suodinvalkaisu. Kuitulinja 2:sta poiketen hakkeen pasutus tapahtuu jo

17 13 hakesiilossa. Valkaisussa käytetään samoja kemikaaleja kuin kuitulinja 2:lla, mutta valkaisu 5:n sekvenssi on D0-EOP-D1-D2. Kuitulinja 3:n ja valkaisu 5:n prosessikuvat on esitetty liitteessä 4. Tainionkosken tehtaalla tehdään havupuusta valkaisematonta pitkäkuitusellua eräkeittomenetelmällä. Prosessissa tarvittava valkolipeä ja höyry toimitetaan Kaukopään voimalaitokselta Tainionkoskelle noin 5 kilometriä pitkää putkilinjaa pitkin. Samaa putkilinjaa pitkin palautetaan myös pesulipeä ja lauhde takaisin Kaukopäähän. Kaukopäässä valmistetaan myös kemikuumahierrettä CTMP-laitoksella kuusihakkeesta. Paineessa pienellä kemikaalimäärällä ja lämmöllä pehmennetyn kuusipuun kuidut irrotetaan toisistaan mekaanisesti hiertämällä, jolloin kuiduista saadaan talteen tyypillisesti yli 90 % /7/. Laitoksella on käytössä kaksi 20 MW jauhinta ja 8 MW rejektijauhin. Prosessin jälkeen hierre vielä valkaistaan. Hierre käytetään kartongin keskikerrokseen, jolloin kartongista tulee kevyempää ja lujempaa Kuivauskone Kuivauskone 1 valmistui Pulp 2001 projektin yhteydessä keväällä 2001 ja se mahdollistaa myös kuivatun sellun toimitukset Imatran tehtaiden ulkopuolelle. Sen maksimi kuivauskapasiteetti on 1000 tonnia sellua tai CTMP:tä vuorokaudessa. Sellua kuivataan myös varastoon omaan käyttöön, josta sitä toimitetaan tarvittaessa Tainionkosken tehtaalle Vedenpuhdistamo Tehtaan jätevedet puhdistetaan vuonna 1992 käynnistyneessä puhdistamossa. Sellutehtaan jätevedet käsitellään biologisesti ja paperi- ja kartonkitehtaan vedet puhdistetaan kemiallisesti. Puhdistettu jätevesi johdetaan takaisin Saimaaseen, josta se kulkeutuu Vuoksen suulle ja sitä kautta edelleen Laatokan kautta Suomenlahteen. Lähialueen vesistön tilan ja veden laadun on todettu parantuneen huomattavasti puhdistamon käynnistymisen myötä verrattuna muutaman vuosikymmenen takaiseen tilanteeseen. /3/

18 Voimalaitos Imatran tehtaiden tarvitsemasta sähköstä, höyrystä ja vedestä huolehtii voimalaitos, jonka vuotuinen sähköenergian tuotanto on noin 800 GWh. Se vastaa noin 57 % tehtaiden tarpeesta. Oma sähköntuotanto on kokonaan vastapaine-energiaa. Konsernitasolla sisäisesti tuotetun sähkön osuus on vain 36 % /8/. Vertaamalla tuota lukua Imatran tehtaiden vastaavaan, voidaan todeta sen kertovan Imatran osalta korkeasta hyötysuhteesta sekä pitkälle viedystä lämmön ja sähkön yhteistuotannosta. /3/ Tehtaiden vuotuinen lämmönkulutus on noin TJ, joka on öljyksi muutettuna noin tonnia vuodessa /9/. Biopolttoaineiden osuus on yli 90 %. Loput energiasta tuotetaan maakaasulla, jonka varapolttoaineena käytetään öljyä. Öljyä käytetään myös, mikäli maakaasun kulutusta rajoitetaan tai sen hinta nousee öljyn hintaa korkeammaksi esimerkiksi talven kovilla pakkasilla. Voimalaitoksella maakaasua käytetään höyryntuotannon lisäksi meesauuneilla sekä hajukaasukattiloilla hajukaasujen poltossa polttoaineena. Paperi- ja kartonkitehtaalla maakaasua käytetään erilaisissa kuivatusprosesseissa. Kuvasta 1 näemme voimalaitoksen käyttämien polttoaineiden osuudet. 8 % 21 % Mustalipeä Puujäte Maakaasu 71 % Kuva 1. Polttoaineet vuonna /9/

19 15 Prosessihöyryä käytetään paperi- ja kartonkitehtaalla eniten paperin ja kartongin kuivaamisessa ja prosessivesien lämmityksessä. Sellutehtaalla suurimmat höyryn kuluttajat ovat haihduttamoilla tapahtuva veden haihdutus sekä sellun valmistuksen raaka-aineiden lämmittäminen vaadittuihin lämpötiloihin. Mikäli sellua kuivataan kuivauskoneella, nostaa tämä höyrynkulutuksen osuutta sellun valmistuksessa. Kuvasta 2 näemme höyryn kulutuksen jakautumisen koko tehtaan kuluttajien osalta. 38 % 3 % 6 % 41 % Kartongin ja paperin valmistus Sähkön tuotanto Sellun valmistus Lämmitys 12 % Voimalaitoksen omakäyttö Kuva 2. Höyryn kulutus vuonna /9/ Kuvassa 3 on esitetty sähkön kulutuksen jakaantuminen tehtaalla. Suurin osa sähkön kulutuksesta menee eri aineiden sekä materiaalien pumppaukseen ja kuljettamiseen eri paikkojen välillä. CTMP-laitoksen suuret jauhimet nostavat käynnissä ollessaan osaltaan sähkön kulutusta huomattavasti.

20 16 2 % 37 % 54 % Kartongin tuotanto Paperin tuotanto Sellun tuotanto Muut 7 % Kuva 3. Sähkön kulutus vuonna /10/ Voimalaitoksella tuotetaan prosessihöyryä kahdella soodakattilalla (SK5 ja SK6), kuorikattilalla (KK2) ja neljällä kaasukattilalla (K9-K12). Höyryä tuotetaan verkkoon kulutuksen mukaan. Talviaikaan soodakattilat tuottavat höyryä tasaisesti kuorikattilan ja kaasukattila 12:n huolehtiessa höyryverkon säätämisestä. Tarvittaessa ajossa ovat myös kaasukattilat Kesäisin lämmityshöyryn tarpeen vähentyessä höyryverkon säätöön riittää yleensä pelkästään kuorikattila. Höyryn tuotannossa kattiloiden tuottama höyry jakautuu korkeapainetukeille liitteen 5 mukaisesti. Voimalaitoksella on käytössä kahden eri painetason korkeapainetukit, vanhempi 70 bar ja uudempi 84 bar. Kuorikattila on Tampella Oy:n vuonna 1992 toimittama kerrosleijukattila (BFB), jonka polttoaineina ovat kuori, puujäte ja liete. Kaasukattila K12 on alhaalta tuettu yksilieriöinen luonnonkiertokattila, jonka polttimet on sijoitettu kattoon. Pääasiallisena polttoaineena käytetään maakaasua ja varapolttoaineena käytetään raskasta polttoöljyä. Kattilat K9-K11 ovat A. Ahlström Oy:n Warko-pakettikattiloita, joiden polttoaineena käytetään maakaasua. Taulukkoon 3 on koottu kattiloiden höyryntuotantokapasiteetit, höyryn arvot sekä polttoaineet.

21 17 Taulukko 3. Kattiloiden höyryntuotanto ja höyryn arvot. Kattila Kuiva-aine Höyryn Paine Lämpö- Polttoaine (varalla) kattilaan / höyryteho tuotanto [kg/s] [bar] tila [ C] SK t/d Mustalipeä (Maakaasu / Öljy) SK t/d Mustalipeä (Maakaasu / Öljy) KK2 270 MW Kuori (Maakaasu / Öljy) K x 60 MW 3 x Maakaasu K MW Maakaasu (Öljy) Haihduttamot Haihduttamoilla väkevöidään kuitulinjoilta tuleva pesumustalipeä vahvamustalipeäksi soodakattilassa tapahtuvaa polttoa varten. Prosessissa kuitulinjoilta tuleva noin 15 % kuiva-ainetta sisältävä pesulipeä vahvistetaan haihduttamalla lipeässä olevaa vettä pois höyryn avulla, jolloin saadaan yli 70 % kuiva-ainepitoisuudeltaan olevaa vahvamustalipeää. /11/ Haihduttamo 5 (HO5) on valmistunut vuonna 1987 ja se on veden haihdutuskapasiteetiltaan 120 kg/s. Haihduttamo on A. Ahlström Oy:n toimittama 7- vaiheinen lamellirakenteinen ns. falling film tyyppinen tyhjöhaihduttamo, jossa on 9 yksikköä ja pintalauhdutin. Lämpöpintaa on yhteensä noin m². Sen prosessikaavio on esitetty liitteessä 6. Haihduttamon ensimmäinen vaihe on jaettu kolmeen väkevöintiyksikköön, 1A, 1B ja 1C. Matalapainehöyry johdetaan näiden haihduttimien lamellien sisään, jossa se lauhtuu ja haihduttaa samalla mustalipeän vedestä toisiohöyryä. Matalapainehöyryn lauhteet johdetaan takaisin lauhteiden keräilyyn. Toisio- eli haihdehöyry kulkeutuu toiseen yksikköön alipaineen vetämänä, jossa se haihduttaa lipeää samalla lauhtuen. Sama prosessi jatkuu, kunnes seitsemännestä haihdutusyksiköstä tuleva lipeähöyry lauhdutetaan

22 18 pintalauhduttimessa, jossa faasimuutoksen seurauksena höyryn ominaistilavuus pienenee synnyttäen tyhjiön. Pesulipeä syötetään säiliöistä haihduttimeen 4, jossa se paisuu. Lipeä valuu haihduttimien 5 ja 6 paisuntojen kautta tyhjön vetämänä haihduttimen 7 pohjalle, josta se pumpataan kierrätyspumpulla lamellipaketin yläpuoliseen reikälevyllä varustettuun lipeän jakolaatikkoon. Siellä lipeä jakaantuu tasaisesti valuen lamellipakettien ulkopintaa pitkin alaspäin samalla kun lipeän sisältämä vesi höyrystyy lämmön vaikutuksesta. Lipeä haihtuu edelleen seuraavissa haihduttimissa 6 ja 5, jonka jälkeen lipeä pumpataan noin 27 % kuivaainepitoisuudessa välilipeäsäiliöön suovan erotukseen. Väli- ja pesulipeäsäiliöissä erottunut suopa valutetaan suovankeräyssäiliöön, josta se pumpataan suovan varastosäiliöihin jatkokäsittelyä tai polttoa varten. Välilipeäsäiliöstä lipeä pumpataan haihdutettavaksi haihduttimissa 4, 3, 2 ja väkevöittimissä 1A, 1B ja 1C. Väkevöittimistä saatu vahvalipeä varastoidaan vahvalipeäsäiliöissä. Haihduttamon ja keittämön likaislauhteet johdetaan likaislauhdesäiliöön, josta ne pumpataan strippauskolonniin puhdistamista varten. Haihdehöyry otetaan ensimmäisen vaiheen haihdutinyksiköistä, josta se johdetaan 2. haihdutinyksikköön sijoitettuun erilliseen lamellipakettiin höyryn lauhduttamista varten sekä erilliseen lipeän esilämmittimeen. Kolonnissa likaislauhde puhdistetaan vastavirtaan virtaavan höyryn avulla, jolloin metanoli ja orgaaniset rikkiyhdisteet kerääntyvät kolonnin yläosaan. Sieltä ne johdetaan metanolitislaamolle käsiteltäväksi ja edelleen polttoon joko hajukaasukattilassa tai meesauunissa. Haihduttamo 6 (HO6) on toimintaperiaatteeltaan ja rakenteeltaan samanlainen kuin haihduttamo 5. Sen on toimittanut A. Ahlström Oy vuonna 1992, ja sen vedenhaihdutuskapasiteetti on 180 kg/s ja lämpöpintaa siinä on yhteensä noin m².

23 Soodakattilat Lipeän poltossa tarkoituksena on saada tuotettua energiaa polttamalla soodakattilassa mustalipeän sisältämä kuiva-aine ja samalla ottaa talteen vapautuneet kemikaalit jatkokäsittelyä varten. Mustalipeään sekoitetaan sekoitussäiliössä sähkösuodattimilta sekä ekonomaiserien ja keittoputkiston tuhkasuppiloilta tuleva lentotuhka. Lipeä lämmitetään ennen polttoon ohjaamista epäsuoralla höyryesilämmittimellä, jonka jälkeen se pumpataan tulipesään lipeäruiskujen kautta. Tulipesässä mustalipeä laskeutuu kattilan pohjalle ja lipeän sisältämä vesi höyrystyy lämpötilan vaikutuksesta. Kattilan pohjalla keossa aineet kaasuuntuvat ja palavat vain osittain primääri-ilman määrästä johtuen. Natriumsulfaatti pelkistyy natriumsulfidiksi ja talteen otettavat palamattomat kemikaalit sulavat noin 1100 C lämpötilassa. Sula kerääntyy tulipesän pohjalle keoksi, josta se johdetaan tulipesän takaseinältä vesijäähdytteisten sulakourujen kautta liuotussäiliöön. Pelkistys tapahtuu kemikaalien ja epätäydellisesti palaneen kiinteän hiilen ollessa läheisessä kosketuksessa pelkistävässä ilmakehässä, jossa on runsaasti hiilimonoksidia. Tulipesässä tapahtuu seuraavat reaktiot, joissa natriumsulfaatti reagoi hiilen kanssa muodostaen natriumsulfidia. /12, 13, 14/ S Na s + 2O NaSO (1) 2 2SO4 C Na2S 2 4 Na CO (2) 2SO4 CO Na2S 4 2 Na CO (3) 2 Kun happea pääsee keon pinnalle, reagoi keon jäännöshiili hapen kanssa. Hiili kaasuuntuu yhdessä hiilidioksidin ja vesihöyryn kanssa muodostaen hiilimonoksidia. Hiilimonoksidi hapettuu edelleen hiilidioksidiksi, kun se joutuu kosketuksiin hapen kanssa. /14/ C + CO 2CO (4) 2 C + H O CO + (5) 2 H 2

24 20 Pelkistymis- eli reduktioaste kertoo natriumsulfidiksi pelkistyneen natriumsulfaatin määrän ja se voidaan laskea kaavan (6) mukaan. /13/ Na2S Reduktioaste (%) = 100 Na S + Na SO (6) Liuotussäiliöön kattilan pohjalta jäähdytettyjä sularännejä pitkin johdettu kemikaalisula liuotetaan säiliössä olevaan laihavalkolipeään, joka on pumpattu sinne kaustistamolta. Tätä natriumkarbonaatin, natriumsulfidin ja natriumsulfaatin laimeaa liuosta kutsutaan nimellä viherlipeä tai soodalipeä. Liuotussäiliöstä liuos pumpataan kaustistamolle kemikaalien talteenottoa varten. Voimalaitoksella on käytössä kaksi soodakattilaa. Vanhempi soodakattila 5 on Ahlström Oy:n vuonna 1987 toimittama kaksilieriöinen luonnonkiertokattila. Sen polttokapasiteetti on 1700 tonnia kuiva-ainetta päivässä, käyttöpaine 70 bar ja käyttölämpötila 480 C. Uudempi soodakattila 6 on Tampella Oy:n vuonna 1992 valmistama yksilieriöinen luonnonkiertokattila, jonka polttokapasiteetti on 3300 tonnia kuiva-ainetta päivässä, käyttöpaine 84 bar ja käyttölämpötila 480 C. Kattiloiden käyttöarvot löytyvät myös aiemmin esitetystä taulukosta 3. Kummatkin kattilat on varustettu sähkösuotimilla ja vaiheistetulla palamisilman jaolla, joiden avulla pystytään täyttämään ympäristöluvan lupaehdot päästöjen osalta. Käynnistys- ja pysäytystilanteita varten kattiloissa on maakaasulla tai öljyllä toimivat käynnistyspolttimet ja lipeän polton häiriötilanteita varten kuormapolttimet Kaustisointi Kaustisointilaitoksella sulfaattikeittoon tarvittava valkolipeä tuotetaan soodakattiloiden liuottajista tulevan viherlipeän ja meesauuneista saatavan kalkin avulla. Sivutuotteena syntyy meesaa, laihaa valkolipeää ja jätteitä. Meesa regeneroidaan takaisin käytettävään muotoon poltetuksi kalkiksi meesauuneissa, alkalisista pesuvesistä muodostunut

25 21 laihavalkolipeä käytetään soodakattiloilla viherlipeän nesteosana ja jätteet poistetaan kierrosta sakkasuotimella ja sammuttimien lajitinruuveilla. Kaustisoinnissa osa viherlipeän pääkomponentista natriumkarbonaatista muutetaan valkolipeän pääkomponentiksi natriumhydroksidiksi. Kalkin ja viherlipeän veden välillä tapahtuu reaktioyhtälön (7) mukainen reaktio, joka tuottaa voimakkaasti lämpöä. Tämän sammuttimissa tapahtuvan nopean reaktion seurauksena syntyy sammutettua kalkkia. Varsinainen kaustisoitumisreaktio tapahtuu sammutetun kalkin ja viherlipeän pääaineosan natriumkarbonaatin väillä reaktioyhtälön (8) mukaisesti. /14/ CaO H O Ca( OH + lämpö (7) + 2 ) 2 Ca ( OH ) 2 + Na CO 2NaOH + CaCO (8) Edellisten reaktioiden lopputuotteena syntyy natriumhydroksidia ja kalsiumkarbonaattia eli meesaa. Reaktioiden nopeuteen vaikuttaa ensisijaisesti lämpötila, mutta kalkin laatu ja sekoitus ovat myös osatekijöitä reaktionopeutta tarkastellessa. Käytännössä reaktiot tapahtuvat sammuttajissa noin 100 C:n lämpötilassa. /14/ Voimalaitoksen alueella sijaitseva kaksilinjainen kaustisointilaitos (KS3) pystyy tuottamaan valkolipeää 9700 m³/d. Laitoksen kaaviokuva on esitetty liitteessä 7. Prosessin kalkkihäviöitä voidaan tarvittaessa korvata liettämällä meesaa liettosäiliössä. Lietettävää meesaa saadaan vanhoista meesavarastoista ja muilta tehtailta autokuljetuksina. Kuvasta 4 näemme keittokemikaalien regenerointikierron havainnollisemmin.

26 22 Kuva 4. Keittokemikaalien regenerointikierto. /3/ Meesauunit Kaustisoinnin jälkeen meesa palautetaan takaisin kalsiumkarbonaatista kalsiumoksidiksi eli poltetuksi kalkiksi syöttämällä se meesauuniin. Meesauuni on tiilillä sisältä vuorattu pitkä sylinterinmuotoinen uuni, joka pyörii vaakatasossa. Ennen uuniin syöttämistä meesa pestään ja kuivataan ensiksi meesasuotimella, joka on pyörivä imurumpusuodatin. Suodattimella myös säädetään uunin kapasiteettia. Seuraavaksi meesa syötetään tähän hieman vaakatasossa kaltevaan uuniin, jolloin se pyörivän liikkeen ja prosessin korkean lämpötilan (maakaasupoltin) vaikutuksesta regeneroituu takaisin kalsiumoksidiksi reaktioyhtälön (9) mukaisesti. /14/ CaCO + lämpö CaO + (9) 3 CO 2

27 23 Meesauunin sisäinen regenerointiprosessi voidaan jakaa neljään eri vaiheeseen: /14/ - kuivaus, jossa meesan mukana tuleva vesi haihtuu - lämmitys, jossa meesa lämpenee reaktiolämpötilaan - kalsinointi, jossa kalsiumkarbonaatti hajoaa kalsiumoksidiksi ja hiilidioksidiksi - loppukäsittely, jossa kalkki jäähdytetään ennen uunista poistoa Voimalaitoksella on käytössä kaksi meesauunia. Vanhempi meesauuni 3 (MU3) on vuonna 1987 käyttöönotettu 135 metriä pitkä ja halkaisijaltaan 4,0 metriä oleva meesauuni. Uudempi LMD-kuivurilla varustettu meesauuni 4 (MU4) on otettu käyttöön 1992 ja sen pituus on 75 metriä ja halkaisija 3,6 metriä. Kummatkin uunit on toimittanut A. Ahlström Oy. Meesauuni 3:n maksimikapasiteetti on 550 t/d poltettua kalkkia ja meesauuni 4:n vastaavasti 300 t/d poltettua kalkkia. Kaustisoinnin alueella muodostuvat säiliöhöngät poltetaan meesauuni 3:ssa, jossa on myös mahdollista polttaa metanolia. Kummankin uunin pääpolttoaineena käytetään maakaasua Muut Voimalaitokseen katsotaan kuuluvan liitteen 8 lohkokaavion mukaisesti myös höyrynjakelu, höyryturbiinit, vedenkäsittely, hajukaasujen poltto sekä mäntyöljyn valmistus. Voimalaitoksella on käytössä kaksi väliottovastapaineturbiinia, joilla höyrystä tuotetaan sähköä. Turbiini 6 (TU6) on AEG Kanisin vuonna 1976 toimittama turbiini, jonka maksimi sähköteho on 64 MW. Uudempi turbiini 7 (TU7) on puolestaan MAN Energien vuonna 1992 valmistama maksimisähköteholtaan 91 MW:n höyryturbiini. Kattiloiden tuottama höyry johdetaan korkeapainetukkien kautta höyryturbiinien läpi liitteen 5 höyryverkoston kuvan mukaisesti ennen toimittamista tehtaan kuluttajille halutussa painetasossa, joko 10 bar väliottohöyrynä tai 5 bar vastapainehöyrynä. Käynnistys- ja poikkeustilanteita varten höyryverkostossa on reduktioventtiilejä 8 kappaletta eri painetasojen välillä, joilla voidaan hallita verkostoa halutulla tavalla. Höyryverkoston paineiden nopeita vaihteluja

28 24 tasaamaan on syöttövesilaitokselle rakennettu apulauhdutin, jolla voidaan tasata nopeat paineen vaihtelut ilman höyryn ulospuhallusta varoventtiilien kautta. Vedenkäsittely on voimalaitoksella jaettu neljään osaan. Nämä neljä osaa ovat raakavesipumppaamo (RPO), raakaveden puhdistuslaitos (RVP), saostetun veden käsittelylaitos (ST2) sekä syöttövesilaitos (SY2). Tehtaalla käytetään eri osastoilla prosessivetenä kemiallisesti puhdistettua vettä (VKE), jota valmistetaan raakaveden puhdistuslaitoksella ja saostetun veden käsittelylaitoksella. RVP:llä raakavesi puhdistetaan 7-linjaisella saostus- ja suodatuslaitoksella, joka koostuu yhteensä 42 kappaleesta DynaSand-suodattimia. ST2:lla raakavesi käsitellään 5-linjaisessa flotaatiolaitoksessa. ST2:lla valmistetaan myös erillisellä laitteistolla koko Kaukopään tehtaan alueella käytettävä talousvesi. Kattiloiden tarvitsema lisävesi valmistetaan syöttövesilaitoksella kolmella ioninvaihtosarjalla VKE-vedestä. SY2:llä käsitellään myös palautetut lauhteet, jotka puhdistetaan kolmella lauhdesarjalla. Voimalaitokselle on rakennettu kaksi kappaletta tuliputki-tyyppisiä hajukaasukattiloita, joissa poltetaan voimalaitoksen alueella syntyneet väkevät hajukaasut. Häiriötilanteiden varalta hajukaasujen poltto on varmistettu varapolttimella päästöjen minimoimiseksi. Tukipolttoaineina poltossa käytetään metanolia ja maakaasua. Kattiloista syntyvä höyry johdetaan 10 bar välipainehöyryverkkoon. Haihduttamo 6:n rakennuksessa sijaitsee myös mäntyöljynkeittämö (MÖ3), jossa valmistetaan mänty- sekä koivuöljyä haihduttamoilla lipeästä erotetusta suovasta. Keitettäessä suopaa sulfaattikeitossa puun uuteaineiden rasvat ja hartsihapot saippuoituvat natriumsaippuoiksi, jotka sitten nousevat käytetyssä HDS-lamelliselkeyttimessä lipeää kevyempinä pintaan mäntyöljyksi /14/. Laitoksen kapasiteetti on 7 tonnia raakamäntyöljyä tunnissa.

29 25 3 SEKUNDÄÄRILÄMPÖ 3.1 Sekundäärilämmön määritelmä Teollisuuden energia voidaan jakaa primääri- ja sekundäärienergiaan alkuperänsä mukaan. Primäärienergia voidaan joko suoraan tai muunnettuna syöttää jakeluun ja se voi olla joko omaa tai ulkopuolista energiaa. Primäärienergiaksi voidaan lukea mm. polttoaineet, palamiskelpoiset jätteet, jäteliemet, puujätteet, väkevät hajukaasut, voimalaitoksessa tuotettu höyry tai kuuma vesi sekä prosessihöyryn paisunnasta saatu sähkö. /15/ Sellutehtaan massanvalmistusprosesseissa käytetystä primäärienergiasta vain hyvin pieni osa siirtyy toiseen energiamuotoon eli sitoutuu kemiallisiin yhdisteisiin reaktiolämpönä. Suurin osa käytetystä energiasta on käyttökohteen jälkeen lämpöenergiana eli sekundäärilämpönä. /16/ 3.2 Sekundäärilämmön lähteet Sekundäärilämmön olomuodot ovat yleensä höyry, kuuma tai lämmin vesi sekä kaasu, joihin sitä otetaan talteen savukaasuista, vesihöyryistä, höngistä, jätevesistä, jäähdytysvesistä sekä kuivaus- ja jäähdytysilmasta. Näissä kaikissa voi prosessista riippuen esiintyä erilaisia epäpuhtauksia. Sellutehtaan tärkeimmät sekundäärilämmön lähteet ovat: - keittämön pusku- ja kaasuhöngät - pesulipeän jäähdytys - mustalipeäpaisunnan höngät - haihduttamojen sekundäärilauhteet - pintalauhduttajan jäähdytysvesi - likaislauhteiden strippaus - soodakattilan savukaasut - kemikaalisulan liuotus

30 26 - primäärilauhteen paisunta - apulauhdutin - meesauunien savukaasut - jätevedet - jäähdytysvedet (höyryturbiinit yms.) 3.3 Sekundäärilämmön talteenotto Koska sekundäärilämpö halutaan ensisijaisesti siirtää puhtaaseen veteen, sitä pyritään ottamaan talteen sekundäärilämmön lähteistä epäsuorilla lämmönsiirtimillä. Tällaisia lämmönsiirtimiä ovat mm. lämmönvaihtimet sekä lauhduttimet. Sellutehtaan tärkeimmät sekundäärilämmön hyödyntämiseksi tarvittavat talteenottolaitteet ovat: - lämmönsiirtimet siirtämään prosessin lämpöä raaka-aineisiin tai veteen - haihduttamon toisiolauhteen ja lämpimän veden tuotanto - savukaasupesuri - kuivaimien lämmöntalteenottolaitteet - säiliöt vesien varastointiin - jakeluverkosto sekundäärilämmön toimittamiseksi 3.4 Sekundäärilämmön käyttö Sekundäärilämmön talteenottoon ja käyttöön suositellaan seuraavia periaatteita, joiden avulla päästään parhaaseen mahdolliseen käytettävyyteen ja pienimpiin kokonaiskustannuksiin: /15/ - Sekundäärilämpö on edullisinta käyttää hyväksi siinä prosessissa tai osaprosessissa, jossa sitä syntyy. Jos prosessi on jatkuva ja tasainen, voidaan lämpö käyttää mahdollisimman tarkkaan hyväksi, koska sen käyttö ja muodostuminen on samanaikaista.

31 27 - Jos sekundäärilämpöä ei voida käyttää samassa prosessissa, se kannattaa käyttää saman tuotantolinjan toisessa prosessissa. Lämpöä ei enää aina voida käyttää heti sen muodostuttua, joten osa lämpötilaeron aikaansaamasta jätelämmön hyödyntämismahdollisuudesta menetetään. - Jos sekundäärilämpö siirretään toiseen tuotantolinjaan, heikkenee samanaikaisuus edellisestä. Yleensä samanaikaisuus ja lämmön hyväksikäyttö heikkenee, mitä kauemmaksi lämpö joudutaan kuljettamaan sen omasta prosessista. Tällöin investoinnit kasvavat ja saatava hyöty pienenee. Sekundäärilämmön käyttöä heikentää myös se, että tuotetun ja tarvittavan sekundäärilämmön määrä ja lämpötila vaihtelevat tehtaan, osaston ja vuodenajan mukaan. Raakaveden lämpötilan muutoksesta johtuen kesäaikaan lämpimiä vesiä on tarjolla kysyntää enemmän, mutta talvella lämpimästä vedestä saattaa olla jopa pulaa. /15/ Sellutehtaan sekundäärilämmön tärkeimmät käyttökohteet ovat: - prosessivesien ja nesteiden lämmitys - paisuntahöyryn käyttö primäärihöyryn sijaan - raaka-aineiden lämmitys - rakennusten lämmitys - kuivatus - lisäveden lämmitys - kaukolämmön tuotanto Sekundäärilämmön tarve on täysin prosessista riippuvainen, eli mitä avoimempi prosessi niin sitä suurempi mahdollisuus sillä on käyttää sekundäärilämpöä hyväkseen. Sekundäärilämmön käytön tehokkuutta tarkasteltaessa ei talteenottoprosentti ole kuitenkaan tärkein asia, vaan olennaista on kuinka paljon sekundäärilämmöllä voidaan korvata primäärihöyryn kulutusta. Talteenottoasteen noustessa laskee vesien lämpötila, mikä voi johtaa primäärihöyryn käytön kasvamiseen vesien lämmittämiseksi. /15, 16/

32 28 Tarkasteltaessa tehtaan sekundäärilämmön käytön tehokkuutta, tulee ottaa huomioon seuraavat asiat: /16/ - Tehtaan vesikierron sulkemisaste. Mitä suljetumpi, niin sitä suurempi lämpötila vaaditaan lämpimiltä vesiltä. - Tehtaan integroitumisaste toisiin tehtaisiin. Toisilla tehtailla voi olla parempia lämmönlähteitä ja/tai kuluttajia. - Tuotteen laatu. Valkaistua sellua valmistavassa tehtaassa on enemmän käyttöä kuumalle ja lämpimälle vedelle kuin valkaisematonta sellua valmistavassa tehtaassa. Integroidulla sellu- ja paperitehtaalla sekundäärilämpöä hyödynnetään myös paikallisesti esimerkiksi paperi- ja kartonkikoneilla sekä sellun kuivauskoneella, jossa kuivaushöyryn lämpöä otetaan talteen omissa prosesseissa ja laitteissa. 3.5 Sekundäärilämmön arvo Sekundäärilämpöä ei voida aina hinnoitella tarkasti, koska sen arvo määräytyy pitkälti tilanteen ja prosessin mukaan. Yleisesti sekundäärilämmön arvona voidaan pitää säästöä energiayksikköä kohti, jonka kuluttaja säästää käyttämällä sekundäärilämpöä verrattuna primäärienergialähteen käyttöön. /15/ Lopullisen käytön kannattavuuden ratkaisee koko yrityksen energiantuotannon kokonaistaloudellisuus, joka ei aina ole sama kuin yksittäisen tehdasosaston. Suosituksen mukaan sekundäärilämpö on hinnoiteltava, jos sitä siirtyy huomattavia määriä eri kustannuspaikkojen välillä. Siirrettäessä sekundäärilämpöä osastojen kesken, on sen oltava vastaanottavalle osapuolelle edullisempaa kuin vaihtoehtoinen lämmitysmuoto eli usein höyry. Toisaalta lämpöä luovuttavalle osapuolelle lämmön siirtämisen on oltava halvempaa kuin sen hukkaaminen. /17/

33 29 Sekundäärilämmön käyttö edellyttää usein investointeja, joiden suuruuteen vaikuttavat useat eri tekijät: /17/ - energian tarve muualla - säästetyn energiayksikön hinta - vaihtoehtoiset energialähteet - sekundäärilämpölähteen suuruus ja lämpötila - sekundäärilämmön virtaus ja käyttömahdollisuuksien samanaikaisuus - sekundäärilämmön siirtomatka - sekundäärilämpövirran syövyttävät ja likaavat vaikutukset - hyödynnettävän sekundäärilämmön saannin luotettavuus - talteenottojärjestelmän ominaisuudet Sekundäärilämmön talteenotosta aiheutuu kustannuksia laitteistoinvestoinneista ja käyttökustannuksista. Joissain tapauksissa laitteiden määrän lisääntyminen ja prosessin monimutkaistuminen aiheuttaa prosessin varmalle toiminnalle selviä riskitekijöitä. Tehdasosastojen lämmönkäyttöä suunniteltaessa tulee ottaa huomioon myös ne vaikutukset, jotka lisätyllä sekundäärilämmön talteenotolla on ensi vaiheessa primäärihöyryn kulutukseen ja sitä kautta voimalaitoksen laitteiden toiminta-arvoihin sekä tehtaan energiankäytön ja tuotannon kokonaistaseeseen. Jos prosessisuunnittelussa ei ole alun perin huomioitu säästömahdollisuuksia, saatetaan laitteissa ja prosesseissa joutua toiminta-arvojen ulkopuolelle, jolloin vajaalla kuormalla ajettaessa voi primäärilämmön kulutus kasvaa ja hyötysuhde laskea entisestään. /15/ 4 SELLUTEHTAAN SEKUNDÄÄRILÄMPÖJÄRJESTELMÄ 4.1 Sekundäärilämpöjärjestelmän vedet Voimalaitoksella tuotetut sekundäärilämpöjärjestelmän vedet on jaettu kuuteen luokkaan puhtauden ja lämpötilan mukaan. Jaottelu on esitetty taulukossa 4. Vesien käyttömahdollisuudet riippuvat niiden lämpötilasta ja puhtaudesta. Puhtaimmat ja

34 30 kuumimmat jakeet ovat arvokkaimpia ja niille on helpoin löytää käyttökohteita. Puhtaita jakeita tuotetaan lämmönsiirtimien avulla lämmittämällä raakavettä tai kemiallisesti puhdistettua vettä prosesseista saatavilla jakeilla. Taulukko 4. Sekundäärilämpöjärjestelmän vedet. LYHENNE TAVOITELÄMPÖTILA Kuuma vesi VKU 65 C Puhdas kuuma vesi VPK 50 C Kuuma kemiallisesti puhdistettu vesi VKK 50 C Lämmin vesi VLM 45 C Toisiolauhde, puhdas VTP 80 C Toisiolauhde, likainen VTL 60 C Osa savukaasupesureilta saatavasta kuumasta vedestä johdetaan suoraan kuluttajille, mutta pääasiassa pesurien vettä käytetään puhtaan kuuman veden ja kemiallisesti puhdistetun kuuman veden sekä rakennusten tuloilman lämmittämiseen. Lämmintä vettä saadaan haihduttamoiden pintalauhduttimilta, kaustisoinnin lämmönvaihtimilta tai poikkeustapauksissa apulauhduttimelta. Toisiolauhdetta syntyy haihduttamoilla lipeän haihdutusprosessin yhteydessä. Kuluttajille jakelua varten jakeita yhdistetään neljäksi erilaiseksi vesijakeeksi. Savukaasupesurien VPK-lämmönvaihtimelta saatava puhdas kuuma vesi johdetaan lämpimän veden sekaan suoraan lämminvesisäilöön ja haihduttamoilta saatavat toisiolauhteet ohjataan yhteiseen säiliöön haihduttamo 6:lla. Kuluttajat käyttävät voimalaitoksen toimittamaa sekundäärilämpöä sellaisenaan, mutta lämpöä otetaan talteen myös kuluttajien omissa prosesseissa, jolloin vesien lämpötilat saattavat vaihdella taulukossa esitetyistä ohjearvoista. Tutkimukset myös osoittavat, että sekundäärilauhteita voidaan käyttää valkaisussa ilman haju-, maku- tai laatuhaittoja. /18/ Voimalaitoksella valvotaan jatkuvasti vesien puhtautta ainoastaan johtokykymittauksin, joten likaisten vesijakeiden käyttö voidaan estää ainoastaan jos se näkyy näissä

35 31 mittauksissa. Muutoin likaantuneet vedet on poistettava jakelusta johtamalla ne vedenpuhdistamolle menevään viemäriin. 4.2 Tuottajat Savukaasupesurit Molemmilla soodakattiloilla on oma savukaasupesuri, jonka pääasiallisen tarkoituksen on poistaa savukaasuista pöly ja rikkiyhdisteet. Samalla voidaan ennen savupiippuun johtamista ottaa talteen myös savukaasujen sisältämä lämpöenergia, mikäli talteenotetulle kuumalle vedelle on käyttökohteita. Pesurit ovat kaksivaiheisia, joissa alempi erotusvaihe toimii periaatteella kaasu-nestekosketus suihkun avulla aikaansaatuna ja ylempi lämmöntalteenottovaihe kaasu-nestekosketus -periaatteella täytekappalekerroksessa. Kuumat savukaasut ja liuottajan höngät johdetaan pesurin alaosaan, missä ne esijäähdytetään suihkuttamalla vettä savukaasukanavan sisääntuloyhteeseen. Savukaasut jäähtyvät 160 C:sta kastepisteeseen noin 70 C:een. Esijäähdytetyt savukaasut tulevat suutinpesuvaiheeseen, missä ne joutuvat tehokkaaseen kosketukseen alkalisen pesuliuoksen kanssa. Pesuliuoksena käytetään natriumhydroksidiliuosta, jonka ph on 7,5. Pesurille tulevat savukaasut sisältävät natriumsulfaattipölyä ja kaasumaisia rikkiyhdisteitä, pääasiassa rikkidioksidia. Natriumsulfaattipöly liukenee kiertävään pesuliuokseen ja rikkidioksidi reagoi pesuliuoksen sisältämän alkalin kanssa muodostaen natriumsulfidia, joka pumpataan liuottajaan tai laihavalkolipeäsäiliöön. Pesuliuoksen ph:ta säädetään lisäämällä natriumhydroksidia ja tiheyttä tuomalla vettä pisaranerottimen pesuun. Pestyt savukaasut johdetaan pisaranerottimen läpi pesurin lämmöntalteenottovaiheeseen, jossa täytekappalekerros muodostaa tehokkaan lämmönsiirtopinnan. Tuleva kierto- ja

36 32 raakavesi jaetaan suutinputkistolla tasaisesti yli täytekappalekerroksen. Lämmöntalteenottovaiheessa savukaasut jäähtyvät noin 50 C:een, jonka jälkeen ne ohjataan pisaranerottimen läpi savupiippuun. Tuotettu kuuma vesi, jonka lämpötila on keskimäärin 67 C, johdetaan vapaavirtauksella molempien pesureiden yhteiseen kuumavesisäiliöön. Pesureiden vesikierto on esitetty tarkemmin liitteen 9 kuvassa Haihduttamot Haihduttamoilla syntyy puhdasta lauhdetta, kun matalapainehöyry lauhtuu haihduttimissa 1A, 1B ja 1C. Näistä saatava puhdas lauhde palautetaan VLA-linjaan ja edelleen vesilaitokselle käsiteltäväksi. Toisiolauhdetta eli lipeähöyrylauhdetta syntyy haihdutinyksiköiden 2-7 ja pintalauhduttimen päälauhdutinosissa ja likaislauhdetta haihduttimien 5-7 ja pintalauhduttimen jälkilauhdutusosissa. Metanolivapaa puhdas toisiolauhde (VTP) haihduttimesta 2 paisuu haihduttimeen 3, josta jatkaa edelleen haihduttimeen 4. Yksiköiden 2, 3 ja 4 puhtaat toisiolauhteet kerätään pintasäädettyyn VTP-pumppausastiaan, josta ne pumpataan johtokyvystä riippuen HO5:n toisiolauhdesäiliöön tai vuotolipeäsäiliöön. Kolonnien jälkilauhduttimilta saadaan kuumaa vettä, joka johdetaan kummankin haihduttamon VTP-linjaan. VTP:n lämpötila on keskimäärin 80 C. Metanolipitoiset toisiolauhteet (VTL) yksiköistä 5, 6, 7 ja pintalauhduttimesta pumpataan VTL-pumppausastiasta pintasäädettynä johtokyvyn ja tarpeen mukaan joko prosessiviemäriin, VTL/VIV-lämmönsiirtimen läpi biologiseen puhdistukseen, vuotolipeäsäiliöön tai HO5:n toisiolauhdesäiliöön. VTL:n lämpötila on keskimäärin 60 C. Puhtaan ja likaisen toisiolauhteen linjat ovat yhteydessä toisiinsa, joten kuitulinja 2:n toisiolauhdelinjaan pääsee VTL:ää takaiskuventtiilin läpi ilman että toisiolauhdepumppu

37 33 KL2:lle on käynnissä. Kaustisoinnin käyttämä toisiolauhde otetaan KL2:lle johtavasta putkilinjasta ja se johdetaan ennen kulutusta meesasuodinosastolla sijaitsevan VTLjäähdyttimen läpi. Likaislauhteet jälkilauhduttimista ja tyhjökaivolta kerätään likaislauhteen pumppausastiaan ja pumpataan sieltä pintasäädettynä joko likaislauhde- tai vuotolipeäsäiliöön. Likaislauhteet käsitellään strippereissä, joista pesty likaislauhde johdetaan VTL-linjaan. Haihduttamo 5:n pintalauhduttimelta lämmin vesi pumpataan suoraan lämpimän veden jakelulinjaan. Haihduttamo 6:n pintalauhduttimelta lämmin vesi pumpataan linjan paineen ohjaamana lämminvesilinjaan. Kesäaikaan haihduttamo 6:n pintalauhduttimen vesi kaatuu ylikaatona sadevesiviemäriin ja haihduttamo 5:n pintalauhduttimen pinta pyritään pitämään vakiona. Haihduttamo 6:lta saatavan lämpimän veden joukkoon johdetaan myös lämmin vesi mäntyöljyn jäähdyttimeltä ja haihduttamon tyhjöpumpun lauhduttimelta. Lämmin vesi haihduttamo 5:ltä on keskimäärin 46 C ja haihduttamo 6:lta 37 C Kaustisointi Kaustisoinnille toimitettava toisiolauhde johdetaan ennen käyttöä VTL-jäähdyttimen läpi, jossa se jäähdytetään noin 50 asteeseen. Jäähdyttimessä lämpö otetaan talteen raakaveteen, joka lämmityksen jälkeen johdetaan haihduttamon lämminvesisäiliölle vievään linjaan. Lämmintä vettä tuotetaan myös kaustisoinnin laimeiden kaasujen pesurin jäähdyttimellä, josta lämmin vesi johdetaan samaan linjaan VTL-jäähdyttimeltä tulevan lämpimän veden kanssa. Molempien jäähdyttimien tuotantomäärä ja veden lämpötila vaihtelee ajotilanteen mukaan, mutta keskimäärin saadaan yhteensä noin 35 l/s 35 C:sta vettä lämminvesisäiliöön johdettavaksi Apulauhdutin Apulauhduttimen ensisijainen tarkoitus on tasata äkillisiä heilahteluja matalapainehöyryverkossa ja pitää matalapainehöyryn paine vakiona ilman höyryn ulospuhallusta. Lauhdutin on pystymallinen suoraputkilämmönvaihdin, jossa höyryä

38 34 lauhdutetaan raakavedellä. Jäähdytysvedet johdetaan puhdasvesiviemärin kautta Saimaaseen ja lauhteet lauhteenkokoojasäiliön kautta lauhteenpalautukseen ja edelleen lauhdesarjoille. Apulauhdutin ei varsinaisesti ole normaalissa ajotilanteessa sekundäärilämpöjärjestelmän kanssa tekemisissä, mutta sillä voidaan tarvittaessa myös valmistaa lämmintä vettä lämminvesiverkkoon matalapainehöyryn avulla. Tästä johtuen se on huomioitu tässä työssä osana sekundäärilämpöjärjestelmää. Normaalista poikkeavissa tilanteissa, jolloin lämpimästä vedestä on pulaa, voidaan Voimalaitoksen valvomosta kytkeä lämpimän veden valmistusohjelma käyntiin. Tällöin saadaan 50 C:sta lämmintä vettä, joka johdetaan puhdasvesiviemärin sijasta haihduttamon lämminvesisäiliöön Kuitulinja 2 Kuitulinja 2:n sekundäärilämpöjärjestelmän lämmöntalteenotto on esitetty kaaviona liitteessä 10. Kuumaa vettä tuotetaan eri jäähdyttimillä joko raakavedestä tai voimalaitokselta ja valkaisukemikaaliasemalta tulevasta lämpimästä vedestä lämmittämällä. Keittolipeän (EKE) jäähdyttimellä jäähdytetään imeytystornissa imeytykseen käytettävää lipeää noin 100 asteiseksi. Jäähdyttimen läpi johdettava lipeämäärä on noin l/s. Pesulipeän (EPE) jäähdyttimessä keittimen pohjaan johdettava massan pesuun tarkoitettu pesulipeä jäähdytetään 70 asteeseen. Käytettävän lipeän määrä on noin l/s. EKEja EPE- jäähdyttimissä jäähdyttävänä aineena on lämmin vesi, joka ohjataan lämmityksen jälkeen yhteiseen linjaan edelleen valkaisu 4:n kuumavesisäiliöön johdettavaksi. Muissa jäähdyttimissä käytetään raakavettä jäähdytykseen ja lämmöntalteenottoon. Pasutus tehdään hakesiilossa ja hakesiilon jälkeisessä pasutusastiassa, joissa lämmitykseen käytetään paisuntahönkiä ja matalapainehöyryä. Tärpättikaasujen ja hakkeesta haihtuneen

39 35 ilman poistamiseksi pasutusastiasta päästetään höyryä ja kaasuja hakesiilon hönkälauhduttimeen ja edelleen JD-pesuriin. Mustalipeä poistuu keittimestä noin 160 C asteen lämpötilassa. Kuitulinja 2:n 3- vaiheisessa paisutuksessä lipeän paine lasketaan keittimen paineesta ilmanpaineeseen, jolloin lipeä kiehuu synnyttäen runsaasti höyryjä. Haihtuneen höyryn myötä lipeän kuivaainepitoisuus kasvaa. Paisuntahöyryjen lämpö käytetään hakkeen ja lipeän lämmitykseen pasutusastiassa. Ennen haihduttamolle pumppaamista pesulipeä jäähdytetään lipeäjäähdyttimessä noin 110 asteesta 88 asteiseksi. Jäähdytykseen käytetystä lämpimästä vedestä saadaan noin C:sta kuumaa vettä valkaisu 4:n EP- ja E2- vaiheiden alasuihkujen pesuvedeksi ja loput kuumavesisäiliöön johdettavaksi. Kaasun tilavuutta saadaan pienennettyä höngän lauhdutuksella, jolloin helpotetaan sen polttamista. Tärpättilauhduttimeen voidaan johtaa höngät pasutusastiasta, paisuntasäiliö 3:sta ja likaislauhdesyklonista. Jäähdytyksessä käytetään raakavettä, jonka syöttö on jaettu kahteen kohtaan halutun jäähdytystehon valitsemiseksi. Koko lauhduttimen kapasiteetti saadaan käyttöön syötettäessä vesi alayhteestä. Pienillä hönkämäärillä käytetään raakaveden syöttöä puoliväliin. Tiivistynyt tärpättilauhde käsitellään tärpättierottimessa ja kuuma vesi ohjataan kuumavesisäiliöön. Tärpättilauhduttimen jälkeen hönkä johdetaan pesuriin ja sieltä edelleen polttoon. Kaasunpesurin kierron jäähdyttimellä jäähdytetään tarvittaessa pesurin kiertoliuosta. Valkaisu 4:llä sekundäärilämpöä hyödynnetään E0-vaiheen suodoksesta, jolla lämmitetään klooridioksidiliuosta (AKD) lämmönvaihtimessa Kuitulinja 3 Koska kuitulinja 3 on uudempi, niin on sen lämmöntalteenottojärjestelmä nykyaikaisempi ja tehokkaampi kuin kuitulinja 2:n, vaikka perusperiaatteeltaan kummatkin ovat suhteellisen samanlaisia. Järjestelmän eroavaisuudet johtuvat lähinnä käytetyistä laitteista, koska pasutus suoritetaan jo hakesiilossa, paisutus on yksivaiheinen ja tärpättilauhduttimen

40 36 tilalla on ensiö- ja toisiolauhdutin. Kuumaa vettä tuotetaan noin 300 l/s, joista osa käytetään kuitulinja 2:lla. Kuitulinjan sekundäärilämpöjärjestelmä on esitetty kaavion liitteessä 11. Happidelignifioinnin valkolipeän EVO-hapetusreaktorin lämpötilaa säädetään lämpimän veden virtausta muuttamalla ylä- ja alaosan lämmönsiirtimissä ja saatu kuuma vesi toimitetaan lajittamon käyttöön. EKE-jäähdyttimessä jäähdytetään imeytystornissa hakkeen imeytykseen käytettävää lipeää paisuntakierron noin 146 asteesta 84 asteiseksi. Jäähdyttimen läpi johdettava lipeämäärä on noin 50 l/s. VLA-säiliön hönkälauhduttimessa keittimen lauhdesäiliön höngistä otetaan lämpöä talteen. Hönkälauhdutin säätää poistettavan lauhteen lämpötilaa lauhduttimen läpi menevän lämpimän veden määrää muuttamalla. Lipeän lämpötila on yksivaiheisen paisutuksen jälkeen noin 115 C. Pesulipeä jäähdytetään mustalipeän (EMU) -jäähdyttimessä 90 C:een ennen haihduttamolle johtamista. Haihduttamolle pumpattava lipeämäärä on noin l/s. EPE-jäähdyttimessä keittimen pohjaan menevä pesulipeä jäähdytetään 82 C:een pesulipeäsäiliön lämpötilasta. Massan pesuun käytetään pesulipeää noin 300 l/s. Osa lipeän paisunnan höngistä ohjataan hakesiiloon hakkeen lämmitykseen ja osa ensiölauhduttimeen sekä toisiolauhduttimeen lauhdutettavaksi. Lauhduttimista ne johdetaan KL2:n JD-pesuriin ja edelleen poltettavaksi soodakattilalla. Väkevien hajukaasujen (GHA) -pesurin jäähdyttimellä jäähdytetään tarvittaessa kiertoliuosta. Pasutuksen hönkälauhduttimessa lauhdutetaan hakesiilon höngät ennen laimeiden hajukaasujen keräilyä.

41 37 Valkaisu 5:n lauhdesäiliön hönkien lämpö otetaan talteen VLA-säiliön hönkälauhduttimessa, mutta pinnan ollessa liian korkea lauhteita voidaan ajaa myös VPKsäiliöön. Toisiolauhduttimessa, GHA-pesurin jäähdyttimessä ja pasutuksen hönkälauhduttimessa lämpöä otetaan talteen raakaveteen. Saatava lämmin vesi johdetaan paineenkorotuspumpun imupuolelle voimalaitokselta tulevan lämpimän veden sekaan, josta se ohjataan edelleen lämmitykseen. Kuumavesisäiliöön johdetun veden lämpötilan kohotessa yli 80 C, lasketaan sekaan lämmintä vettä liitteen 11 kuvan kytkennän mukaisesti. Valkaisu 5:llä käytettävä kemiallisesti puhdistettu vesi pumpataan vesilaitokselta 20 C:een lämpötilassa. Vesi lämmitetään haluttuun lämpötilaan D0- ja EOPsuodosjäähdyttimillä, joissa lämpöä otetaan talteen valkaisun suodoksista. EOPsuodosjäähdyttimelle voidaan ottaa kemiallisesti puhdistetun veden lisäksi kuivauskoneella käytettävää syvänteen nollavettä (VNO). Poikkeustilanteissa ja lämpötilan riittävän tason takaamiseksi voidaan kuuman kemiallisesti puhdistetun veden tuotanto varmistaa VKElämmittimellä, jossa valkaisu 5:n VPK-säiliöiden vedellä lämmitetään kemiallisesti puhdistettua vettä. Kuuman kemiallisesti puhdistetun veden lämpötila on D0- suodosjäähdyttimen jälkeen noin 40 C ja EOP-suodosjäähdyttimen jälkeen noin 60 C. Kuumempi vesi on käytössä D2-vaiheen DD-pesurin yläsuihkuissa ja loput alasuihkuissa. Putkistokytkentä on esitetty havainnollisemmin liitteen 12 kuvassa Valkaisukemikaaliasema Valkaisukemikaaliaseman prosessien lämmöntalteenotoista saadaan kuumaa ja lämmintä vettä, jotka johdetaan VKA:n omaan kuumavesisäiliöön. Kahden klooridioksidireaktorin reaktiokaasujen jäähdytysvedet ohjataan kuumavesisäiliöön lämminvesipuolelle ja prosessista saatava kuuma vesi sekä lauhdesäiliöiden lauhteet ohjataan kuumavesipuolelle.

42 CTMP-laitos CTMP-laitos tuottaa prosessissaan enemmän lämpöä kuin voi kuluttaa ja mm. voimalaitokselle johdetaan höyryä syöttövesisäiliöiden lämmitykseen. Laitos myös tuottaa omilla lämmöntalteenottojärjestelmillään prosessissa tarvitsemansa lämpimät vedet. 4.3 Säiliöt Savukaasupesurien kuumavesisäiliö Soodakattiloiden savukaasupesurien kuumavesisäiliö on tilavuudeltaan 90 m³ ja se sijaitsee SK6:n pesurin alla. Siihen johdetaan kummankin soodakattilan savukaasupesurin lämmöntalteenottovaiheelta tulevat kuumat vedet. Säiliön pintasäätö hoidetaan savukaasupesureille menevän raakaveden määrällä, joka jaetaan suhdesäädöllä soodakattiloiden pesureiden kesken. Säiliöstä kuuma vesi pumpataan lämmönsiirtimien läpi takaisin savukaasupesureiden lämmöntalteenottovaiheeseen. Kuumaa vettä käytetään lämmittävänä aineena VPK- ja VKK-lämmönsiirtimillä sekä sisätilojen lämmitykseen SK6- ja SY2-glykolilämmönsiirtimillä. Osa kuumasta vedestä ohjataan suoraan haihduttamon toisiolauhdesäiliön pintasäätöön ja kaustisointilaitoksen käyttöön. Kuuman veden suorilla kuluttajilla estetään myös savukaasupesurien kiertoveden epäpuhtauksien rikastuminen lämmöntalteenottokierrossa Haihduttamo 6:n lämminvesisäiliö Voimalaitoksen lämminvesisäiliö on tilavuudeltaan 850 m³. Sinne tulee puhdasta kuumaa vettä savukaasupesurien lämmönvaihtimelta sekä lämmintä vettä kaustisoinnin VTLjäähdyttimeltä ja laimeiden kaasujen pesurin kiertoveden jäähdyttimeltä. Normaalista ajotilanteesta poikkeavissa tilanteissa myös apulauhduttimen lämmintä vettä voidaan johtaa lämminvesisäiliöön. Putkistojen kytkentä lämminvesisäiliöön on esitetty kuvassa 5.

43 39 Kuva 5. Lämminvesisäiliön nykyinen ohjauskytkentä. Säiliön pintaa säädetään pintasäätimellä, joka ohjaa puhtaan kuuman veden valmistusta (LC-111). Pinta-asetus pidetään automaatilla normaalisti noin 600 m³:ssa vesivarannon varmistamiseksi. Säiliöön tulevan veden lämpötilan laskiessa alle asetusarvon 30 C, venttiili rajoittaa vesimäärää, jolloin puhdas kuuma vesi lämpenee savukaasupesureiden lämmönvaihtimella. Pinnan laskiessa alle 320 m³ lämpötilarajoitusta ei ole. Jos säiliön pinta laskee alle 150 m³ tai pumpattavan veden määrä laskee alle 80 l/s, niin VLM-pumppu menee minimikierroksille ja minimikiertoventtiili (HO6-FC114) avautuu laskien osan vedestä minimikiertolinjan kautta takaisin lämminvesisäiliöön. Pinnan noustessa takaisin yli 200 m³:n, niin säädöt palautuvat takaisin normaalitilaan. Tällä kytkennällä pystytään pumppu pitämään käynnissä koko ajan eikä sitä tarvitse rasittaa jatkuvilla käynnistyksillä ja samalla pitämään säiliön lämpötilajakauma tasaisena. Lipeälinjan valvomon ohjausjärjestelmään tulee myös hälytys pinnan laskiessa alle 200 m³, jossa kehotetaan pyytämään VO-valvomoa käynnistämään lämpimän veden valmistus apulauhduttimella.

44 40 Lämmintä vettä pumpataan säiliöstä lämminvesiverkkoon. Pumppauksen määrää ohjataan lämminvesiverkoston paineen mukaan säätimen (HO6-PC111) avulla. Pumpattavan veden lämpötilan ollessa yli asetusarvon 45 C, lasketaan säiliöstä lähtevän lämpimän veden sekaan raakavettä venttiilin (HO6-TC112) kautta Haihduttamo 5:n toisiolauhdesäiliö Haihduttamo 5:n toisiolauhdesäiliö on tilavuudeltaan 400 m³. Säiliöön johdetaan kummankin haihduttamon puhdas toisiolauhde ja kolonnien jälkilauhduttimilla syntyvät kuumat vedet. Haihduttamoiden loppupään likainen toisiolauhde ja puhdistettu likaislauhde strippereiltä ohjataan johtokykymittausten perusteella joko biologiseen puhdistukseen tai toisiolauhdesäiliöön. Normaalitilanteessa lauhteen ollessa riittävän puhdasta VTL:ää otetaan toisiolauhdesäiliöön. Toisiolauhdesäiliön pintavarmistuksessa käytetään savukaasupesureilta tulevaa kuumaa vettä sekä lämmintä vettä. Pinnansäädön ohjauksessa pystytään neljällä eri asetusarvolla säätämään eri vesijakeiden keskinäisen käytön järjestystä ja kulutusta säiliön pinnan varmistamiseksi. Näiden keskinäisen järjestyksen taustalla on toisiolauhteen lämpötilatavoite yli 70 C sekä puhtausvaatimukset. Ensisijaisesti pyritään käyttämään VTL:ää pintasäätöön. Mikäli säiliön pinta laskee edelleen, otetaan säiliöön kuumaa vettä ja mikäli tämäkään ei riitä niin lisäksi voidaan vielä ohjata lämmintä vettä säiliöön. Viimeisenä asetusarvona pinnan laskiessa ryhdytään rajoittamaan säiliöstä jakeluun pumpattavan toisiolauhteen määrää Kuitulinja 2:n kuumavesisäiliö Kuitulinja 2:n kuumavesisäiliö on tilavuudeltaan 300 m³ ja sinne ohjataan kuitulinjan omassa talteenotossa syntyneet kuumat ja lämpimät vedet. Säiliön pintasäätöön käytetään ensisijaisesti valkaisu 5:ltä tulevaa puhdasta kuumaa vettä ja toissijaisesti voimalaitokselta tulevaa lämmintä vettä. Säiliön veden lämpötilaa on mahdollista säätää näiden kahden tulevan linjan virtauksia säätämällä tai tarvittaessa lämmittää säiliötä suoraan matalapainehöyryllä. Veden lämpötila säiliössä on vaihdellut C välillä.

45 Kuitulinja 3:n kuumavesisäiliöt Kuitulinja 3:lla on käytössä valkaisu 5:n alueella kaksi kappaletta VPK-säiliöitä, joiden kummankin tilavuus on 300 m³. Säiliöt ovat samanlaiset ja ne on yhdistetty toisiinsa yhdysputkella. Säiliöihin johdetaan puhdasta kuumaa vettä omasta lämmöntalteenottojärjestelmästä. Pintasäädöstä huolehditaan voimalaitokselta tulevalla lämpimällä vedellä, mutta mikäli säiliön veden lämpötila laskee, niin sitä on mahdollista myös lämmittää epäsuorasti matalapainehöyryllä kierrättämällä vettä VPK-lämmittimen kautta. Säiliön veden lämpötila pyritään pitämään noin 80 C:ssa Valkaisukemikaaliaseman lämminvesisäiliö Valkaisukemikaaliaseman säiliö on erotettu väliseinällä kahteen osaan omiksi kuuman ja lämpimän veden puolikseen, joihin talteenotetut vedet johdetaan. Kaikki kuuma vesi menee kemikaaliaseman omien prosessien käyttöön mm. suodatukseen ja hapansuolan liuotukseen. Lämpimän veden osalta kemikaaliasema käyttää itse osan lämpimästä vedestä ja loppu pumpataan voimalaitokselta kuitulinja 2:lle tulevaan lämminvesilinjaan tai johdetaan ylikaadolla kanaaliin. 4.4 Kuluttajat Vesilaitos RVP:lle ja ST2:lle tulevaan raakaveteen sekoitetaan lämmintä vettä sopivien prosessiolosuhteiden varmistamiseksi. Kummallekin laitokselle menevän veden tulisi olla noin 20 asteista, minkä takia varsinkin talvella lämmintä vettä kuluu yhteensä noin 400 l/s vesien lämpötilaeroista johtuen Haihduttamot Haihduttamoiden alueella käytetään toisiolauhdetta alkupään 1-yksiköiden ja linjojen pesuun. Haihduttamo 5:n keulan pesussa tarvitsee VTP-säiliön pumpun KL2:lle olla

46 42 käynnissä, koska takaiskuventtiilistä johtuen toisiolauhdetta ei saada sarjan omilla pumpuilla tai KL3 toisiolauhdepumpulla pesulinjaan Mäntyöljynkeittämö Mäntyöljynkeittämöllä käytetään HO5:ltä tulevaa toisiolauhdetta rikkihapon laimentamisessa sekä emäveden tiheyden säädössä. Putkistokytkennästä johtuen tilalla on myös mahdollista käyttää lämmintä vettä, ellei toisiolauhdetta ole saatavilla Kaustisointi Kaustisoinnissa käytetään toisiolauhdetta, savukaasupesurien kuumaa vettä ja lämmintä vettä verkosta pesu- ja lisävetenä. Toisiolauhteen käyttökohteita kaustisoinnissa ovat: - meesan tiheyssäätö - laihavalkolipeäsäiliön pinnansäätö - meesan laimennussäiliön ja pumppaussäiliöiden tiheyssäätö Ennen käyttöä osastolla toisiolauhde jäähdytetään VTL-jäähdyttimellä noin 50 asteiseksi. Kuuman veden käyttökohteita kaustisoinnissa ovat: - sakkasuotimen ja meesasuotimien pesuvetenä ja pintasäätöön - lajitinkairoilla - ecofilttereiden pesu - pesuhapon liuotus - meesan liettosäiliön tiheyssäätö - linjojen aukaisuun sakan pumppaussäiliön ja sammuttimien läheisyydessä

47 43 Mikäli likaantumista havaitaan, estää toisiolauhdelinjan johtokykymittaus automaattiasennossa toisiolauhteen käytön. Linjassa on kuumavesivarmistus, joka avaa paineensäätöventtiiliä linjapaineen laskiessa alle asetusarvon. Mikäli myös kaustisointiin tulevan kuuman veden linjapaine alkaa laskea, on kuumavesilinjassa lämminvesivarmistus, jolloin reikälaipalla kuristettu lämminvesikytkentä laskee lämmintä vettä takaiskuventtiilin läpi. Tälle lämpimälle vedelle kaustisointiin ei ole virtausmittausta. Normaalissa ajotilanteessa kuuman veden kulutus on noin 32 l/s. Ecofilttereiden pesujen aikaan kulutus voi olla hetkittäin yli 120 l/s. Toisiolauhteen kulutus on ollut keskimäärin 31 l/s Kuitulinja 2 Kuitulinja 2:lla lämmintä vettä käytetään sekundäärilämpöjärjestelmän lämmöntalteenotossa kuuman veden valmistukseen. Tämän lisäksi lämmintä vettä ja KL3:n valkaisu 5:n puhdasta kuumaa vettä käytetään kuumavesisäiliön pintasäätöön. Käytetyt määrät riippuvat lähinnä oman lämmöntalteenottojärjestelmän asetuksista ja toiminnasta, mutta kulutus on suurempi kuin oma tuotanto, mistä johtuen lämmintä vettä on toimitettu lämminvesiverkostosta noin 74 l/s. Lajittamo 1 kuluttaa saostimillaan haihduttamo 5:ltä toimitettavaa toisiolauhdetta noin 88 l/s. Valkaisu 4:llä käytetään massan pesussa kuumaa kemiallisesti puhdistettua vettä. VKEvesi lämmitetään voimalaitoksen savukaasupesurien VKK-lämmönvaihtimella. Kytkentä on esitetty liitteen 13 kuvassa. Mitoitusmääränä on 105 l/s 50 C:sta vettä, mutta toteutuneet arvot ovat pienempiä, 98 l/s 38 C:sta vettä Kuitulinja 3 Kuitulinja 3:lla lämpimän veden tärkein käyttökohde on kuuman veden valmistus omien lämmöntalteenottolaitteiden avulla. Pieni määrä kuluu ruiskutusvetenä hakesiilojen höyrylinjojen lämpötilasäädössä. Lämmintä vettä käytetään valkaisu 5:llä VPK-säiliöiden pintasäätöön ja tarvittaessa lämmön talteenotosta saatavan kuuman veden lämpötilasäätöön

48 44 sen noustessa yli asetusarvon 80 asteen. Lämmöntalteenotossa raakavedestä tuotettu lämmin vesi johdetaan voimalaitokselta tulevaan lämminvesilinjaan ennen paineenkorotuspumppua. Kuitulinja 3:n keittämön lämpimän veden kulutus on ollut noin 183 l/s, lajittamo 3:n 11 l/s ja valkaisu 5:n 25 l/s. Omissa prosesseissa käytetään pääasiassa puhdasta kuumaa vettä, jonka jakautuminen kuitulinjan alueelle nähdään parhaiten liitteen 13 kuvasta. Lajittamo 3:lla käytetään toisiolauhdetta DD3-pesurin pesuvetenä, suodossäiliö 1:n pintasäätöön ja lajitellun massan pudotusputkessa. Toisiolauhdelinjan painevarmistuksessa käytetään puhdasta kuumaa vettä. Lajittamolta lähtevän massan lämpötilaa säädetään pesuriin johdettavalla lämpimällä vedellä. Toisiolauhdetta kuluu keskimäärin noin 190 l/s. Suodosjäähdyttimillä lämmitettyä kemiallisesti puhdistettua kuumaa vettä käytetään valkaisu 5:n massan pesuun D2-vaiheen DD-pesurilla ja lisäksi pieniä määriä muualla valkaisun alueella. Kuitulinja 3:n ilmastoinnin lämmitys on esitetty kappaleessa Lämmitys CTMP-laitos CTMP-laitoksella käytetään lämmintä vettä verkostosta tilavuudeltaan 185 m³ lämminvesisäiliön pintasäätöön. Vettä tarvitaan yleensä tilanteissa, jolloin laitoksen oma lämmöntuotanto ei riitä vastaamaan kulutusta Kuivauskone Kuivauskoneella lämmintä vettä käytetään kiertovesisäiliön pintasäätöön yleensä käynnistystilanteissa. Muuten kulutus on satunnaista johtuen koneen omasta varsin pitkälle viedystä lämmön talteenottojärjestelmästä

49 Lämmitys Sellutehtaan alueella käytetään kuumaa vettä myös rakennusten lämmitysjärjestelmissä lämmittämään glykolipohjaista kiertoliuosta. Sekundäärilämmöllä on pystytty korvaamaan primäärihöyryn käyttöä, jolloin höyrylämmönsiirtimiä tarvitaan vain suurimpien kulutushuippujen aikaan kovilla pakkasilla. Soodakattila 6:n neljännessä kerroksessa sijaitsee glykolilämmönvaihdin, jolla huolehditaan soodakattila 6:n, turbiini 7:n, kuorikattilan ja kaasukattilan 12 ilmastoinnin lämmityksestä. Soodakattiloiden savukaasupesureilta tulevalla kuumalla vedellä lämmitetään lämmityskierron glykoliliuosta kuvan 6 mukaisesti, matalapainehöyryn lämmönsiirrinten ollessa käytössä vain kovimmilla pakkasilla. Kuva 6. SK6:n lämmitysjärjestelmän kaavio.

50 46 Syöttövesilaitoksella on oma glykolilämmönsiirrin rakennuksen lämmitystä varten, mutta sieltä palautettava lämmin vesi ohjataan suoraan soodakattila 5:ltä kuumavesisäiliöön palaavaan linjaan ohi savukaasupesureiden. Kuitulinja 3:lla käytetään vastaavasti VPK-säiliöiden kuumaa vettä glykoliliuoksen lämmityksessä, jonka jälkeen kuuma vesi ohjataan viemäriin. Muilta osin laitteisto on pääpiirteittäin kuvan 6 soodakattila 6:n lämmitysjärjestelmän kytkentää vastaava. 5 SEKUNDÄÄRILÄMPÖTASEEN MUODOSTAMINEN 5.1 Yleistä Sekundäärilämpöjärjestelmän toiminnan ja tehostamisen kannalta on tärkeää tietää osaprosessien energiankulutukset. Nämä saadaan selville muodostamalla sekundäärilämpöjärjestelmälle energiataseet. Taseista saadaan helposti selville myös ominaiskulutukset / -kehitykset, jotka ovat hyviä mittasuureita prosessia kehitettäessä. 5.2 Lämmönsiirtimet Sekundäärilämmön talteenotossa sekä hyödyntämisessä käytetään mm. levy- ja putkilämmönsiirtimiä. Lämmönsiirtimet voidaan jakaa kahteen luokkaan virtaavien aineiden perustella, jäähdyttimiin ja lauhduttimiin. Jäähdyttimissä lämpöä otetaan talteen neste-neste-virtauksien välillä ja lauhduttimissa höyry-neste-virtauksien välillä. Jäähdyttävänä nesteenä käytetään yleensä vettä, joka on prosessista ja halutusta loppulämpötilasta johtuen käytännössä joko raakavettä tai lämmintä vettä. Sekundäärilämpö soveltuu myös eri prosessiaineiden lämmitykseen. Kuvassa 7 on esitetty lämmönsiirtimen periaatekuva taserajoineen.

51 47 Kuva 7. Lämmönsiirrin. Edellisen kuvan mukaisen siirtimen lämmönsiirto tapahtuu yhtälöiden (10) ja (11) mukaisesti. φ = q c T T ) = q c ( T ) (10) m1 p1( m2 p2 22 T21 φ = q h h ) = q ( h ) (11) m1( m2 22 h21 jossa φ = lämpöteho [kj/s] q m = massavirta [kg/s] c p = ominaislämpökapasiteetti [kj/kgk] T = lämpötila [K] h = entalpia [kj/kg] Entalpiat voidaan laskea suoraan yhtälöön (11) myös yhtälön (12) avulla. h = c T (12) p

52 48 Laskuissa veden ominaislämpökapasiteetille on käytetty arvoa 4,19 kj/kgk. Höyryn ja lauhteen entalpiat on katsottu h,s-piirroksesta ja taulukoista. Lämpöä otetaan talteen kuitulinjoilla myös lipeävirroista, jolloin mustalipeän ominaislämpökapasiteetti on laskettua yhtälöstä (13). /19/ c p = 4,1 1, 7 X (13) missä X = lipeän kuiva-ainepitoisuus [% /100] Lämmönsiirtimen siirtämä lämpöteho voidaan myös laskea yhtälöllä (14), joka edellyttää että tunnetaan virtausten lämpötilat ja ainakin toisella puolella virtaa aine. Lämmönsiirtimien mitoitustiedoista saadaan yleensä käytetty materiaali ja sitä vastaava lämmönläpäisykerroin sekä lämmönsiirtoala. /13, 20/ φ = k A (14) T ln missä k = lämmönläpäisykerroin [W/m²K] A = lämmönsiirtimen lämmönsiirtoala [m²] T ln = logaritminen lämpötilaero [ C] Vastavirtalämmönsiirtimen logaritminen lämpötilaero lasketaan yhtälöstä (15). /13/ θ θ θ ln θ 1 2 T ln = (15) 1 2 missä θ = lämpötilaero [K] Edellisen yhtälön lämpötilaerot määritellään vastavirtalämmönsiirtimille yhtälöistä (16) ja (17). /13/

53 49 θ (16) 1 = T11 T22 θ (17) 2 = T12 T21 Lämmönsiirtimen läpi kulkevat virtaukset sisältävät yleensä kiintoaineita, jotka aiheuttavat siirtimen likaantumista. Likaantuessaan lämpöpintojen lämmönläpäisykerroin laskee, heikentäen samalla lämmönsiirtymistä vaihtimen läpi. Yleensä tämä otetaan huomioon jo siirtimen mitoitusvaiheessa, mutta välillä saatetaan siirtimiä joutua puhdistamaan riittävän lämmönsiirtotehon palauttamiseksi. Lämmönsiirtimien likaantumista voidaan seurata käytön aikana laskemalla siirtimen lämmönläpäisykerroin yhtälöstä (14) ja vertaamalla sitä siirtimen mitoitusarvona käytettyyn arvoon. Mitoitustiedoista löytyy yleensä käytetty lämpötehon arvo, jonka avulla kyseinen yhtälö on mahdollista ratkaista. Toinen tapa havaita likaantuminen on seurata lämmönsiirtimen paine-eroa, koska lisääntynyt paine-ero kertoo ensisijaisesti likaantumisesta. Myös normaalista kohonneet virtausmäärät ja lämpötilaerot antavat viitteitä mahdollisesta likaantumisesta. 5.3 Savukaasupesurit Savukaasupesuri voidaan jakaa kahteen osaan, joissa alemmassa osassa tapahtuu savukaasujen pesu ja ylemmässä lämmöntalteenotto. Tämä on esitetty tarkemmin kuvassa 8. /14/ Soodakattiloiden savukaasupesureilta saatavan kuuman veden massavirta voidaan laskea yhtälön (18) avulla. q = q + q (18) m m1 m2 Pesurista poistuvan kuuman veden massavirta on siis jäähdytysveden ja savukaasuista kondensoituvan veden massavirtojen summa.

54 50 Kuva 8. Savukaasupesuri. Tarvittava jäähdytysvesi saadaan ratkaisemalla yhtälö (19). q m1 qm, kuivailma ( h1 h2 ) = (19) c ( T T ) p 2 1 missä q m, kuivailma = kuivan savukaasun massavirta [kg/s] h 1 = savukaasun entalpia LTO:n sisääntulolämpötilassa [kj/kg] h 2 = savukaasun entalpia LTO:n ulostulolämpötilassa [kj/kg] T 1 = jäähdytysveden lämpötila [ C] T = kuuman veden lämpötila [ C] 2 Savukaasupesurin lämmöntalteenotto-osassa kondensoituva vesi saadaan ratkaista yhtälön (20) avulla. q m2 m, kuivailma ( 1 x2 = q x ) (20)

55 51 missä x 1 = sisään LTO:aan tulevan savukaasun kosteus [kg H 2 O /kg kuivailma ] x 2 = ulos LTO:sta menevän savukaasun kosteus [kg H 2 O /kg kuivailma ] 5.4 Säiliöt Taseita muodostettaessa tulee ottaa huomioon säiliöiden pinnanmuutokset. Tämä voidaan tehdä määrittämällä säiliön massatase. Säiliön energiatase saadaan laskettua vastaavasti massataseen sekä tulevien ja lähtevien virtojen lämpötilojen avulla. /21/ Kuva 9. Säiliön massatase. Kuvan 9 mukaisessa säiliössä sisään tulevien massavirtojen täytyy olla yhtä suuret kuin pinnanmuutoksesta johtuen säiliöön varastoituvan määrän ja säiliöstä poistuvien massavirtojen määrän yhteensä. Tämä voidaan esittää yhtälön (21) mukaan muodossa: /21/ m qm 1, in qmn, in = qm 1, out qmn, out + (21) t jossa lieriösäiliön pinnanmuutosta kuvaa /22/ m t ρ π d = 4 2 H t (22)