Outokumpu Tornio Worksin vesitase ja suunnitelma vedenkäytön optimoimisesta

Transkriptio

1 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Diplomityö Outokumpu Tornio Worksin vesitase ja suunnitelma vedenkäytön optimoimisesta Oulussa Tekijä: Tuomo Ylimaunu Työn valvoja ja ohjaaja: Jarmo Sallanko TkT Työn ohjaajat: Juha Kekäläinen FM Jouko Mäki AMK-Insinööri

2 OULUN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Osasto Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Tekijä Ylimaunu, Tuomo Matias Työn nimi Tiivistelmä opinnäytetyöstä Laboratorio Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Työn valvoja Sallanko, J. Lab. ins. Outokumpu Tornio Worksin vesitase ja suunnitelma vedenkäytön optimoimisesta. Oppiaine Työn laji Aika Sivumäärä Vesi- ja geoympäristötekniikka Diplomityö Marraskuu s., 29 s., 13 liitelehteä Tiivistelmä Tämän työn tavoitteena oli selvittää Outokummun Tornion tehdasalueen vesitase. Lisäksi työssä oli tarkoitus vesitaseen pohjalta laatia yhteenveto toimista, joilla voidaan vähentää vedenkulutusta. Tämän diplomityön teoriaosassa käsitellään Outokumpu Tornio Worksin tehtaiden tuotantoa, veden käyttöä ja syntyviä jätevesiä terästeollisuudessa ja sen eri yksikköoperaatioissa sekä hydrologisia prosesseja. Veden käyttö eri osaprosessien välillä vaihtelee suurestikin, riippuen kulloinkin tehtävästä teräslajista. Pääasiassa vettä käytetään terästeollisuudessa kolmeen eri tarkoitukseen: raaka-aineen käsittelyyn, ilman saastumisen ehkäisemiseen ja lämmönsiirtoon. Tehdasalueella syntyvien hulevesien määrää arviointiin laskennallisesti ilmastotietojen perusteella. Tehdasalueella syntyy pintavaluntaa noin m 3 vuodessa. Tulevaisuudessa sadannan oletetaan lisääntyvän vuoteen 2040 mennessä noin 7,5 prosenttia ilmastomuutoksen seurauksena. Näin ollen pintavalunta tehdasalueella olisi tulevaisuudessa noin m 3 vuodessa. Kokeellisessa osassa muodostettiin aikavälin virtauslukemien perusteella vesitase kaikilla osastoille mukaan lukien ulkopuoliset toimijat. Virtausmittauksissa havaittiin virheitä. Mitattu jokivedenkulutus ei ole ollut todellinen kulutus. Todellisuudessa vedenkulutus on ollut noin m 3 vuodessa suurempi. Koska mittauksissa havaittiin virheitä, tulisi vesitaseen tarkentamiseksi tarkistaa mittarit tehdasalueella. Kaikissa yksiköissä ei ole tarkkaa tietoa tulevien ja lähtevien vesien määristä tai järjestelmissä kiertävien vesien määristä. Lähtevien vesien osalta on myös joiltakin osin epävarmuutta siitä, mihin viemäriin vedet lopulta päätyvät. Tehdasalueella joudutaan tekemään muutostöitä vesienjärjestelyn osalta. Viemäri P2 joudutaan johtamaan tulevaisuudessa muualle kuin kiertoon viemärille P7. Jos se johdetaan suoraan mereen, kasvaa tehtaan vedenkulutus huomattavasti. Tulevaisuudessa voi olla myös muita muutoksia edessä. Vedenkulutusta voitaisiin vähentää muun muassa käyttämällä hyväksi AGA - ilmakaasutehtaan ja paineilmalaitosten jäähdytysvesiä esimerkiksi terässulatolla tai ferrokromitehtaalla. Näiden virtaamien hyödyntämiseksi tulisi tehdä tarkempia tarkasteluja. Säilytyspaikka Oulun Yliopisto, Tiedekirjasto Tellus Muita tietoja Diplomityön täydellistä versiota säilytetään Outokumpu Tornio Worksissä.

3 UNIVERSITY OF OULU Faculty of technology Department Department of Process And Environmental Engineering Author Abstract of thesis Laboratory Water Resources And Environmental Engineering Laboratory Supervisor Ylimaunu, Tuomo Matias Sallanko, J. Lab. engineer Name of the thesis Water balance of Outokumpu Tornio Works and a plan for optimization of water consumption in the future. Subject Level of studies Date Number of pages Water and Geoenvironmental Engineering Abstract Master thesis November p., 29 p., 13 appendixes The objective of this Master thesis was to create a water balance for Outokumpu Tornio plant. Based on water balance there are also examined how to lower water consumption on the plant. Production of Outokumpu Tornio Works, water use and generated wastewaters in the steel industry and sub processes and hydrological processes are discussed in the theory part of this work. Water use between different sub processes can vary greatly depending on what kind of steel is made. Water is consumed mainly in three different purpose: Handling of raw materials, preventing air pollution and heat transfer. In this work storm water was evaluated computationally based on climate data. Annual surface runoff in the plant area is approximately m 3. In the future precipitation is supposedly going to increase about 7,5 percent consequence of climate change. Consequently surface runoff would increase and it would be approximately m 3 per year. Water balance of the plant was determined based on observations on water flows between Water balance was formed for whole plant and also for sub processes. Water balance was also formed for external contracting organizations that work on plant area. There were some mistakes in flow measurements for example in reality river water consumption has been approximately m 3 higher than the measured consumption. Because there were discovered some errors in flow measurements, flow meters should be checked so that water balance would be more exact. Knowledge on water flows in different units should be higher because now there are some uncertainty where waters go. There will be some changes in water circulation in the plant area. For example sewage P2 will have to be redirected to some where else in the future. If it is put straight into the sea instead of reusing it water consumption will increase significantly. There are some possibilities to lower water consumption for example cooling waters from AGA air gas plant and compressed air plants can be reused because they are not in contact with the process itself so they do not get contaminated. There should be made more detailed investigations on exploitation of reusable water flows. Library location University of Oulu, Science Library Tellus Additional information Full version of this Master thesis is at Outokumpu Tornio Works.

4 Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Outokumpu Tornio Worksin tutkimuskeskuksessa Haluan kiittää Outokumpua mahdollisuudesta työn tekemiseen sekä työn rahoituksesta. Työni valvojaa TkT Jarmo Sallankoa kiitän työni tarkastamisesta ja neuvoista. Kiitokset kuuluvat myös työni ohjaajille FM Juha Kekäläiselle ja AMK-insinööri Jouko Mäelle hyvästä ohjauksesta sekä työn aikana saamista monista neuvoista. Työn mahdollistamisesta haluan myös kiittää lukuisia tietoja antaneita henkilöitä ja vesilaitoksen henkilöstöä, joita on kiittäminen jutusteluhetkistä työn ohessa. Kiitän myös ympäristöjohtaja Juha Ylimaunua mielenkiinnosta työtä kohtaa. Haluan kiittää myös laboratoriomestari Kimmo Karvosta mielenkiinnosta työtäni kohtaan sekä monista tarpeellisista kevennyksistä työn aikana. Lopuksi haluan kiittää perhettäni niin kannustavasta ja kuin taloudellisesta tuesta opiskeluaikoinani ja ennen kaikkea Maijua, jota ilman en tästäkään urakasta olisi selvinnyt. Oulussa marraskuussa 2010 Tuomo Ylimaunu

5 SISÄLLYSLUETTELO Tiivistelmä Abstract Alkusanat 1 Johdanto Outokumpu Tornio Works Veden käyttö terästeollisuudessa Sintraamo Pellettisointilaitos Koksilaitos Masuuni Happipuhallusmenetelmä Valokaariuuni Jatkuvatoiminen valu Kuumavalssaamo Kylmävalssaamo Hydrologiset prosessit Sadanta Haihdunta Lumen sulanta Valunta Kaupungistumisen vaikutus hydrologiseen kiertoon Outokumpu Oy:n Tornion tehtaiden hulevedet Alue 1. Kylmävalssaamon 2 (RAP5) alue Alue 2. Kylmävalssaamon 1 alue Alue 3. Kylmävalssaamon 1 ja terässulaton välinen alue Alue 4. Terässulaton ja kuumavalssaamon alue Alue 5. Kunnossapidon alue Alue 6. Ferrokromitehtaan alue Alue 7. Ranta-alue Alue 8. Liuhanlahden alue Alue 9. Röyttän satama Alue 10. Tornion voiman alue Hulevedet tulevaisuudessa...46

6 7 Tehdasalueella suoritettavat mittaukset Automaatiojärjestelmä Mittauspisteiden näytteenotto Jätevesiraportti Tehdasalueen vesitasekaavio Jokivesipumppaamo Merivesipumppaamot Vedenkäsittelylaitos Saniteettivedenpuhdistamo Ferrokromitehdas Terässulatto Kuumavalssaamo Jäähdytysvesilaitokset 1 & Kylmävalssaamo Kylmävalssaamo 2 (RAP5) Neutralointi- ja regenerointilaitokset Regenerointisakan käsittelylaitos Tornion voimalaitos Röyttän alue Kattilalaitos Paineilmalaitokset 1,2 ja SMA Saxo Mineral Oy kalkkitehdas AGA Oy ilmakaasutehdas Tapojärvi Oy Norex Oy Teboilin polttoaineenjakeluasemat Maanrakennus Alamäki Oy Refelco Oy Kake Kontainer Oy Muut vedenkäyttäjät Veden kulutuksen vähentäminen Johtopäätökset ja jatkotoimenpiteet Yhteenveto...80 Lähdeluettelo...84 Liitteet

7 1 Johdanto Terästeollisuus on pienentänyt vedenkulutustaan jatkuvasti, mutta se on silti suuri vedenkuluttaja. Koska vesivarojen käyttö lisääntyy koko ajan ja aina vettä ei ole rajattomasti käytettävissä, on vedenkulutuksen pienentäminen ja kierrättäminen tärkeää. Ympäristölainsäädännön tiukentuessa koko ajan, joudutaan parantamaan veden kierrätystä ja uudelleenkäyttöä, jotta pystytään vastaamaan tiukentuneisiin säädöksiin. Outokumpu Tornio Worksin muodostavat Kemin kromikaivos, Outokumpu Chrome Oy:n ferrokromitehdas, Outokumpu Stainless Oy:n terästehdas sekä Hollannin Terneuzenissa sijaitseva tehdas. Ferrokromitehtaaseen kuuluvat sintraamo ja sulatto. Terässulatto, kuumavalssaamo, kylmävalssaamo, tutkimuskeskus sekä osto- ja tuotantopalvelut muodostavat terästehtaan. Tornio Works ottaa käyttämänsä veden Tornionjoesta sekä merestä. Vedenjakelusta tehtaan sisällä huolehtii tehtaan oma vedenkäsittelylaitos, joka valmistaa tarvittavan talousveden sekä myös suolavapaanveden. Tornion tehtailla vedenkulutus on pienentynyt vuosien saatossa ja samalla myös vesistöihin purettavien jätevesien määrä on pienentynyt. Jätevesien laatukin on parantunut tehtyjen investointien ansiosta. Tämän diplomityön teoriaosassa käsitellään Outokumpu Tornio Worksin tehtaiden tuotantoa, veden käyttöä ja syntyviä jätevesiä terästeollisuudessa ja sen eri yksikkö-operaatioissa sekä hydrologisia prosesseja. Kokeellisessa osassa selvitetään Outokumpu Tornio Worksin vesitase koko tehtaan osalta osastokohtaisesti mukaan lukien ulkopuoliset toimijat. Siihen kuuluu erilaisten vesivirtojen (prosessi-, jäähdytys-, hulevesien) määrien, koostumusten ja viemäröintien selvittäminen. Tarkoituksena on saada selvyys eri osastojen käyttämiin vesilaatuihin ja vesimääriin. Selvityksen perusteella on myös tarkoitus laatia yhteenveto toimista, joilla voidaan vähentää vedenkulutusta. Virtauksia arvioidaan automaatiojärjestelmiin välisenä aikana tallentuneiden mittausten perusteella. Hulevesien arvioinnissa käytetään olemassa olevia ilmastoaineistoja hyväksi. Mittauksissa ilmenneiden ongelmien vuoksi vesitasetta lähdettiin rakentamaan päästöviemäreiden mittausten perusteella, koska niiden todettiin olevan luotettavia. 7

8 2 Outokumpu Tornio Works Ruostumatonta terästä on Tornion tehtailla tehty vuodesta 1976 asti. Outokummun Tornion tehdasalueella sijaitsee nykyään Outokumpu Chrome Oy:n ferrokromitehdas, Outokumpu Stainless Oy sekä niitä palvelevia ulkopuolisia toimitsijoita. Tehdasalueen kokonaispinta-ala on noin 740 ha. Tornion tehdasalue on maailman integroiduin ruostumatonta terästä valmistava tehdas. Raaka-aineesta yli 80 prosenttia on kierrätysterästä ja näin ollen Tornion tehdas on yksi suurimmista teräsromua kierrättävistä laitoksista koko maailmassa. Tehtaan tuotantokapasiteetti on 1,7 miljoonaa tonnia vuodessa. Kuvassa 1 on esitetty Tornion tehtaiden tuotantokaavio Kemin kaivokselta loppukäyttäjille asti. (Ympäristövaikutusten arviointiselostus 2005) Kuva 1. Outokumpu Tornio Worksin tuotantokaavio (Kekäläinen 2009). Outokumpu Chrome Oy:n ferrokromitehtaan muodostavat sintraamo ja sulatto. Outokumpu Stainless Oy:hyn kuuluvat sulatto, kuumavalssaamo, kylmävalssaamot 1 ja 2, tutkimuskeskus, tehdaspalvelut ja osto- ja tuotantopalvelut. Tehtailla on oma satama, Röyttän satama, joka on vuokrattu Tornion kaupungilta Outokumpu Tornio Worksille. Sataman toiminnasta vastaa Outokumpu Shipping Oy. Lisäksi tehtaalla on merivedenja jokivedenottamo, vesilaitos raakaveden käsittelemiseen ja saniteettijätevesien puhdistamo. (Ympäristövaikutusten arviointiselostus 2005) 8

9 Ferrokromitehdas valmistaa kromin ja raudan seosta, ferrokromia. Valmistus tapahtuu kahdessa sähköuunissa, joiden yhteinen tuotantokapasiteetti on noin tonnia vuodessa. Pellettituotannon kapasiteetti sintraamolla on tonnia vuodessa. Raaka-aineena käytettävä kromiitti saadaan Kemin kaivokselta sekä hienojakoisena että palarikasteena. Jauhettu rikaste pelletoidaan ja pelletit sintrataan jatkuvatoimisessa teräsnauha- sintrausprosessissa. Seuraavaksi sulatuspanos jossa on pellettejä, palarikastetta ja tuotantotarveaineita, johdetaan esikuumennusuuniin ja edelleen valokaariuuniin. Metalli kuljetetaan terässulatolle sulana tai se valetaan ojiin, jonka jälkeen se murskataan ja seulotaan sopiviin fraktioihin. Prosessissa syntyvä kuona myydään pääasiassa tie- ja talonrakennusteollisuuden käyttöön. Ferrokromitehtaan tuotantokaavio on esitetty kuvassa 2. (Nissinen 2004, Ympäristövaikutusten arviointiselostus 2005) Kuva 2. Ferrokromiprosessin tuotantokaavio (Nissinen 2004). Terässulatto valmistaa ruostumattomia teräsaihioita kahdella eri linjalla. Linja 1 on ollut toiminnassa vuodesta 1976 ja linja 2 vuodesta 2002 lähtien. Linjojen prosessit koostuvat panosprosesseista, linjan 1 panoskoko on 95 tonnia ja linjan tonnia. Linjat ovat muuten samanlaisia, mutta linjalla 1 on kromikonvertteri, jossa käsitellään sulaa ferrokromia ja kierrätysterästä. Tärkeimpiä raaka-aineita ovat kierrätysteräs, ferrokromi ja nikkeli. (Ylipekkala 2009) 9

10 Prosessissa kierrätysteräs ensin tarvittaessa kuivataan ja sen jälkeen panostetaan valokaariuuniin. Linjalla 1 samanaikaisesti käsitellään kromikonvertterissa sulaa metallia, joka on saatu ferrokromitehtaalta. Seuraavaksi sula kuljetetaan AOD-konvertteriin (Argon-Oxygen-Decarburisation), joka poistaa sulasta hiiltä puhaltamalla sulaan happi- ja inerttikaasuja. AOD-prosessista sula menee senkkakäsittelyyn, jossa viimeistellään teräksen koostumus ja säädetään lämpötila valua varten. Jatkuvavalukoneilla valetaan sulateräs aihioiksi. Aihiot, joissa on pintavikoja korjataan hiomossa hiomalla aihion pintaa. Kuvassa 3 on esitetty terässulaton tuotantokaavio. (Ylipekkala 2009) Kuva 3. Terässulaton tuotantokaavio (Pirkko 2006). Terässulatolta aihiot menevät kuumavalssaamolle. Aihiot suorapanostetaan askelpalkkiuuneihin tai varastoidaan joko kuumakuoppiin tai uunihallin lattialle. Askelpalkkiuunista aihiot kuljetetaan etuvalssaimelle, jossa aihiot valssataan mm:n paksuuteen. Aihiot siirtyvät edelleen nauhavalssainalueelle, joka koostuu Steckel-valssaimesta ja kolmesta lisävalssituolista. Näin saadaan nauha haluttuun loppupaksuuteen 1,9 12,7 mm. Lopuksi teräsnauharullia jäähdytetään vesialtaassa 8 14 tuntia, jonka jälkeen ne viedään kylmävalssaamolle jatkokäsittelyyn. Kuumavalssaamon tuotantokaavio on esitetty kuvassa 4. (Aikio 2010) 10

11 Kuva 4. Kuumavalssaamon tuotantokaavio (Aikio 2010). Kuumavalssaamolta tulevista kuumanauhoista tuotetaan hehkutettuja ja peitattuja kuuma ja kylmänauhoja kylmävalssaamoilla 1 ja 2. Kylmävalssaamo 1 on vanhempi linja ja perustuu perinteiseen teknologiaan. Uudempi kylmävalssaamo 2 (RAP5) on integroitu tuotantolinja, jossa samaan linjaan on integroitu kylmävalssaus, hehkutus, peittaus, viimeistelyvalssaus ja venytysoikaisu. Kylmävalssaamot ovat siis yksikköprosesseiltaan vastaavia, poikkeuksena kylmävalssaamo 1:n prosessiin RAP 5:llä voidaan valssata mustanauhaa haluttuun loppumittaan. Kuvassa 5 on esitetty kylmävalssaamon 1 tuotantokaavio ja kuvassa 6 kylmävalssaamon 2 tuotantokaavio. Kuva 5. Kylmävalssaamo 1:n tuotantokaavio (Nissinen 2005). 11

12 Kuva 6. RAP5-linjan tuotantokaavio (Taulavuori 2005). Ensimmäisessä vaiheessa kuumanauha valmistellaan valmistelulinjalla tai otetaan suoraan kuumanauhahehkutukseen. Hehkutuksen avulla tasataan teräsnauhaan kuumavalssauksessa syntyneet jännitykset. Sen jälkeen nauha jäähdytetään ja hehkutuksessa syntyneet hilse ja kromiköyhät alueet poistetaan kuulapuhalluksen ja happo- ja elektrolyyttipeittausten avulla. Lopullinen paksuus tehdään Sendzimir-valssaimilla. Teräs on vielä käsiteltävä hehkutus-peittauslinjalla, jotta sen muovautuvuus palautuu ja teräs saa vaatimusten mukaiset lujuusominaisuudet. Kun teräsnauha on valssattu, hehkutettu ja peitattu loppumittaan, valssataan se vielä tarvittaessa kevyesti viimeistelyvalssaimilla. Tämä parantaa teräksen sileyttä ja tasomaisuutta. Teräsnauhan katkaisua ja halkaisua varten on omat linjansa, joiden jälkeen teräsnauhat ja levyt pakataan ja toimitetaan asiakkaille. (Muotkavaara 2005) Neutralointilaitos käsittelee molempien kylmävalssaamoiden prosessijätevedet. Prosessissa pelkistetään kuudenarvoinen kromi (Cr 6+ ), neutraloidaan liuokset ja metallit saostetaan, laskeutetaan ja suodatetaan. Prosessissa syntyy metallihydroksidisakkaa, joka loppusijoitetaan Selleen jätealueelle. Regeneroinnissa puolestaan käsitellään sekahappopeittauksessa käytetyt hapot. Kyseessä on kolmen hapon (HF, HNO 3, H 2 SO 4 ) vesiliuos, jossa on liuenneena metalleja (Cr, Ni, Fe). Sekahaposta haihdutetaan fluorivetyhappo, typpihappo ja vesi. Tuotehappo kierrätetään takaisin sekahappopeittaukseen. Metallit ja rikkihappo jäävät regeneroinnin sakkakiertoon, mistä ne kiteytetään regenerointisuolana. Tämä neutraloidaan edelleen regenerointisakankäsittelylaitoksella käyttäen apuna terässulaton kuonaa ja teollisuuskalkkia. Neutraloitu regenerointisakka on ongelmajätettä ja se loppusijoitetaan Selleen jätealueelle. (Tilus 2010) 12

13 Tornion tehtaat käyttävät raakavetenä merivettä ja Tornionjoen vettä. Noin 80 prosenttia otettavasta jokivedestä menee suoraan prosessi- ja jäähdytysvedeksi tehtaalle. Loput jokivedestä puhdistetaan vesilaitoksella kemiallisesti. Tämä vesi käytetään tehdasalueella talousvetenä tai siitä valmistetaan edelleen suolavapaatavettä. Vuonna 2008 merivettä pumpattiin tehtaalle noin m 3 ja jokivettä noin m 3. (Kärki 2007; Kvist 2010) Tehdasalueella sijaitsee myös ulkopuolisten toimijoiden laitoksia kuten Tornion voimalaitos, SMA Saxo Mineral Oy:n kalkkitehdas, metalli- ja kuonatuotteita käsittelevä Tapojärvi Oy ja tehtaan sisäisestä kierrätysteräksen murskauksesta vastaava Norex Oy. 13

14 3 Veden käyttö terästeollisuudessa Terästeollisuuden veden kulutus on pienentynyt jo 1950-luvulta saakka, pääsyy tähän on ollut veden kierrättämisen lisääntyminen. Vesivarojen käytön lisääntyminen aiheuttaa tulevaisuudessa sen, että veden kierrättäminen on liiketoiminnallisesta näkökulmasta katsottuna välttämätöntä. Terästehtaan veden hankinta riippuu pääasiassa paikallisista olosuhteista, laillisista vaatimuksista ja ennen kaikkea veden saatavuudesta ja laadusta. (Johnson 2003; Euroopan komissio 2010, 38) Outokumpu Tornio Worksin vedenotto on 10 vuoden aikana pienentynyt noin puoleen vuoden 1998 noin m 3 :sta, kuten kuvasta 7 voidaan todeta. Vedenottoa säätelee Suomalaisruotsalainen rajajokikomissio päätöksellä M12/09 (liite 1). Lupaehtojen mukaan Tornionjoesta otettava makeavesi saa olla enintään m 3 /h vuorokausikeskiarvona laskettuna. Merivedenotto merivesipumppaamolla 1 saa olla myös enintään m 3 /h vuorokausikeskiarvona laskettuna. Vedenotto Tornionjoesta ja merestä voidaan tilapäisesti ylittää enintään 20 prosentilla. Tähän ei kuitenkaan ole ollut tarvetta, sillä otettavan veden vuorokausikeskiarvo ylittää harvoin edes m 3 /h. Merivesipumppaamolla 2 luparaja on m 3 /h. Tämä vesimäärä menee Tornion Voimalle, joten sitä ei lasketa mukaan Outokumpu Tornio Worksin vedenkulutukseen. Kuva 7. Outokummun Tornion tehtaan vedenkulutus suhteessa tuotantoon (Fyhr 2009). 14

15 Avesta Worksin vedenkulutus vuonna 2008 oli m 3, kun aihiotuotanto oli noin t ja lopputuotteita tuotettiin noin t. Eli vedenkulutus kummallakin tehtaalla on suurin piirtein samaa luokkaa suhteutettuna tuotantoon. Tornion tehtailla ominaiskulutus oli vuonna m 3 /t ja Avestan tehtailla 10,3 m 3 /t. (Ruist 2010) Sheffieldin tuotantoyksikön vedenkulutus on noin 1 m 3 /t valuterästä. Tähän vesimäärään kuuluvat valokaariuunin, valujen ja laitteistojen jäähdyttämiseen käyttämät vedet. Käytetystä vedestä noin 69 prosenttia häviää haihtumisen seuraksena prosesseissa eli haihtuminen on merkittävä tekijä. Sheffieldin tuotantoyksikkö poikkeaa muista tuotantoyksiköistä siinä, että se ottaa vetensä pelkästään kunnallisesta verkostosta. Muista Outokummun tuotantolaitoksista Avesta Works ottaa vuodessa m 3 vettä kunnallisesta verkostosta ja Tornio Works ei ollenkaan. (Adcock 2010; Ruist 2010) Veden käyttö eri osaprosessien välillä vaihtelee suurestikin, riippuen siitä mitä teräslaatua tehdään. Pääasiassa vettä käytetään terästeollisuudessa kolmeen eri tarkoitukseen: raaka-aineen käsittelyyn, ilman saastumisen ehkäisemiseen ja lämmönsiirtoon. (Johnson 2003) Vettä käytetään muun muassa pesureissa pölyämisen kontrolloimiseen sintraamolla, happojen liuottimena peittauksessa ja huuhteluun valssausoperaatioissa. Ilmapäästöjen vähentämiseen vettä käytetään mm. märkäpesureissa, happojen kontrolloimiseen peittauksessa ja märkäpesureissa pinnoitusprosesseissa, joissa on emäksisiä pesuprosesseja. Teräksen teko vaati teräksen lämmittämisen yli sulamispisteen (noin 1500 o C) ja myös kuumavalssauksessa lämpötila nousee korkeaksi (noin 1200 o C), joten jäähdytys on tärkeää prosessikoneiden suojaamiseksi. Jäähdytykseen käytettävä veden määrä on suuri koko tehtaan mittakaavassa. (Johnson 2003) Suurin piirtein 12 prosenttia veden kulutuksesta menee raaka-aineen käsittelyyn, 13 prosenttia ilmapäästöjen hallintaan ja 75 prosenttia lämmönsiirtoon. Luvuissa ei ole otettu huomioon boilerien käyttämää vettä (Johnson 2003). Taulukossa 1 on esitetty yksikköoperaatioiden vedenkulutus eri käyttökohteissa. Jos arvoa ei ole merkitty, ei kyseiseen toimintaan kulu vettä. 15

16 Taulukko 1. Terästeollisuuden osaprosessien vedenkulutus eri käyttökohteissa tuotantoon suhteutettuna (Muokattu Johnson 2003). Osaprosessi Koksin valmistaminen Koksiuunin boilerit Sintraamo Masuuni Masuunin kaasujen konverttauksen boilerit Perinteinen happiuuni Valokaariuuni Jatkuvatoiminen valu Raaka-aineen käsittely 0,8 m 3 per tonni koksia 0,1 m 3 per tonni kuonaa 0,5 m 3 per tonni sularautaa 0,5 m 3 per tonni sulaa terästä Levyvalssaus 3,8-7,5 m 3 per tonni levyä Kuumanauhavalssa 1,5-2,3 m 3 per amo tonni kuumanauhaa Peittaus 0,15 m 3 per tonni peitattua terästä Kylmävalssaamo 0,2-0,4 m 3 per tonni kylmänauhaa Pinnoitus 0,2 m 3 per tonni pinnoitettua terästä Ilmapäästöjen hallinta Lämmönsiirto Kierrätys 0,95-1,1 m 3 per 31 m 3 per tonni tonni koksia koksia m 3 per tonni koksia 80 % 3,4-3,8 m 3 per tonni 0,75 m 3 per tonni kuonaa kuonaa 3,0-3,8 m 3 per tonni sularautaa 3,0-3,8 m 3 per tonni sulaa terästä 0,35 m 3 per tonni peitattua terästä < 0,1 m 3 per tonni pinnoitettua terästä 9,5-11,4 m 3 per tonni sularautaa 90 % Vaihtelee 75,5 227 m 3 per boilerin iän tonni sularauta mukaan 9,5-11,4 m 3 per tonni sulaa terästä 50 % 7,5-9,5 m 3 per tonni sulaa terästä 80 % 11,3-13,3 m 3 per tonni valettua tuotetta 70 % 26,5-30,3 m 3 per tonni levyä 30 % 26,5-30,3 m 3 per tonni kuumanauhaa 60 % 0,1 m 3 per tonni peitattua terästä 70 % 9,5-11,4 m 3 per tonni kylmänauhaa 90 % 4,5-6,8 m 3 per tonni pinnoitettua terästä 80 % Prosesseissa käytettävä vesi on yleensä pintavettä, mutta myös pohjavettä ja talousvettä käytetään. Joissakin laitoksissa käytetään myös jätevedenpuhdistamolla puhdistettua vettä. Kun vesi käytetään osaprosesseissa, sitä kierrätetään kunnes tietty pitoisuus haitta-aineiden suhteen on saavutettu tai se käsitellään suoraan käytön jälkeen ja puretaan ympäristöön. Osa vedestä haihtuu prosesseissa, joissakin operaatioissa kuten jäähdytystorneissa, haihtumisen määrä voi olla erittäin suuri. (Johnson 2003) Osa vedestä ei ole kosketuksissa prosessimateriaaleihin, joten se ei likaannu prosessissa. Nämä vedet puretaan yleensä erillään prosessivesistä, koska prosessivedet tarvitsevat käsittelyä ennen purkamista ympäristöön. (Johnson 2003) Näin ei aiheuteta turhaa kuormitusta prosessivesien puhdistukseen. Taulukossa 2 on esitetty haihtumisen, korvausveden ja purkuvesien määrät yksikköoperaatioittain. 16

17 Taulukko 2. Terästeollisuuden osaprosessien korvaus- ja purkuvedet suhteutettuna tuotantoon (Muokattu Johnson 2003). Osaprosessi Korvausvesi Haihtuminen Koksin valmistaminen 33,3 m 3 per 0,9 m 3 per tonni koksia tonni koksia Sintraamo 0,9 m 3 per 0,4 m 3 per tonni kuonaa tonni kuonaa Masuuni 1,3 m 3 per 0,3 m 3 per tonni tonni sularautaa sularautaa Perinteinen happiuuni Valokaariuuni Jatkuvatoiminen valu Levyvalssaus Kuumavalssaamo Peittaus 6,6 m 3 per tonni kuumanauhaa 0,1 m 3 per tonni peitattua terästä Kylmävalssaamo Pinnoitus 7,9 m 3 per tonni terästä 1 m 3 per tonni terästä 3,8 m 3 per tonni valettua terästä 25,4 m 3 per tonni levyä 11,7 m 3 per tonni kuumanauhaa 0,24 m 3 per tonni peitattua terästä 0,3 m 3 per tonni kylmänauhaa 0,9 m 3 per tonni pinnoitettua terästä 0,5 m 3 per tonni terästä 0,04 m 3 per tonni valettua terästä 0,1 m 3 per tonni levyä 0,1m 3 per tonni kuumanauhaa 0,1 m 3 per tonni peitattua terästä 0,02 m 3 per tonni kylmänauhaa 0,04 m 3 per tonni pinnoitettua terästä Prosessissa likaantuva purkuvesi 1 m 3 per tonni koksia 0,5 m 3 per tonni kuonaa 0,1 m 3 per tonni sularautaa 0,5 m 3 per tonni terästä 0,04 m 3 per tonni valettua terästä 8,7 m 3 per tonni levyä 0,004 m 3 per tonni kylmänauhaa 0,2 m 3 per tonni pinnoitettua terästä Puhdas purkuvesi Kierrätettävä vesi 31,5 m 3 per tonni Vaihtelee suuresti koksia riippuen tehtaan iästä 3,8 m 3 per tonni kuonaa 1 m 3 per tonni sularautaa 7 m 3 per tonni terästä 1 m 3 per tonni terästä 3,7 m 3 per tonni valettua terästä 11,4 m 3 per tonni levyä 0,1m 3 per tonni kuumanauhaa 0,1 m 3 per tonni peitattua terästä 0,3 m 3 per tonni kylmänauhaa 0,7 m 3 per tonni pinnoitettua terästä 13,3 m 3 per tonni sularautaa 7,8 m 3 per tonni terästä 7,6 m 3 per tonni terästä 8,3 m 3 per tonni valettua terästä 10,2 m 3 per tonni levyä 17.8 m 3 per tonni kuumanauhaa 0,5 m 3 per tonni peitattua terästä 11,4 m 3 per tonni kylmänauhaa 5,3 m 3 per tonni pinnoitettua terästä Johnsonin (2003) mukaan terästeollisuuden yksikköoperaatiot voidaan jakaa vedenkulutuksen mukaan kolmeen eri luokkaan: - Paljon kuluttavat: kuumavalssaus, levyvalssaus ja koksin valmistaminen - Keskivertokuluttajat: masuuni, perinteinen happiuuni, valokaariuuni, jatkuvatoiminen valu ja kylmävalssaus - Vähän kuluttavat: peittaus, pinnoitus ja sintraus 17

18 6,2 11,7 0,7 4,7 14,6 33,3 15,7 8,5 12,1 35,6 29,5 Sintraamo Masuuni Perinteinen happiuuni Valokaariuuni Jatkuvatoiminen valu Kuumavalssaamo Levyvalssaus Peittaus Kylmävalssaamo Pinnoitus Koksin valmistaminen Kuva 8. Vedenkulutus osaoperaatioittain kuutioissa kohti tonnia tuotantoa (Muokattu Johnson 2003). Veden kierrätyksellä voidaan vähentää huomattavasti tarvittavan veden määrää. Kun veden kierrätys on erittäin tehokasta, voidaan päästä jopa murto-osiin tarvittavan veden määrän suhteen verrattuna tilanteeseen jossa kierrätys ei ole tehokasta. Eräässä vertailussa vedenotto pieneni 2,4 prosenttiin tehokkaalla kierrätyksellä (Taulukko 3). Tuloksissa tulee ottaa huomioon, että ei tiedetä kuuluvatko downstream -yksikköoperaatioiden vedet dataan. Taulukko 3. Vedenoton määrän vertailu kun tehtaalla on tehokas vedenkierrätys (Muokattu Euroopan komissio 2010, 40). Veden otto Ei tehokasta kierrätystä Tehokas kierrätys % kok. kulutuksesta % kok. kulutuk- Veden käyttö Laatu m 3 /min m 3 /min sesta Epäsuora jäähdytys Keskiarvo ,7 7,4 32 Suora jäähdytys Keskiarvo ,8 6,2 26,8 Prosessivesi Huono 7,7 0,8 5,1 22,1 Puhdasvesi Korkea 1,5 0,2 1,5 6,5 Haihtuminen 4,8 0,5 2,9 12,6 Yhteensä ,1 100 Keinot joilla vedenoton ja ympäristöön purettavan veden määrää voidaan pienentää ovat muun muassa (Euroopan komissio 2010, 43): - Puhtaan veden käytön välttäminen tuotantolinjoilla 18

19 - Veden kierrätyssysteemien määrän/kapasiteetin nostaminen, kun uudistetaan tai rakennetaan uusia laitoksia - Puhtaan veden jakelun keskittäminen - Veden kierrättäminen niin kauan kunnes jokin parametri ylittää laillisen tai teknillisen raja-arvon - Saastuneen veden käyttäminen muussa yksikköoperaatiossa - Puhdas ja saastunut vesi pyritään pitämään erillään - Sadeveden hyödyntäminen Vedenkulutuksen vähentämisessä tulee kuitenkin katsoa laajempaa kokonaisuutta. Jos vettä on saatavilla tehtaan läheisyydessä paljon, ei kannata lähteä väkisin vähentämään vedenkulutusta vaan tehdä se prosessien ehdoilla ja ottaa huomioon myös taloudelliset seikat. Jos avoin kierto koostuu puhtaista vesistä, ei se saastuta luontoa purkautuessa vesistöön takaisin. Suljetuksi kierroksi muuttaminen kuluttaisi enemmän energiaa ja lisäksi kemikaaleja jouduttaisiin laittamaan kiertoon pitämään kasvusto pois putkista. Terästeollisuuden prosessien luonteesta johtuen, tehtailla syntyy monia koostumuksiltaan erilaisia jätevesiä. Jätevedet voivat sisältää muun muassa suspendoitunutta kiintoainesta, metalleja (mm. Ni, Cr, Pb) ja erilaisia orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä (mm. fenoli ja syanidi). Jätevesien käsittely tapahtuu yleensä lähellä päästölähdettä, jolloin veden kierrättäminen takaisin prosessiin on helpompaa. Myös samankaltaisia jätevesivirtoja yleensä yhdistetään käsittelyn helpottamiseksi. Jätevesien laatuja tarkkaillaan tehtailla mittauksin ja laboratoriokokein, joilla valvotaan että ne täyttävät viranomaisten asettamat raja-arvot. Tarkkailtavat aineet ja yhdisteet ja niiden raja-arvot voivat vaihdella eri tehtailla riippuen paikallisista olosuhteista. Liitteellä 2 on esitelty Avesta Worksissä vesistä suoritettavia mittauksia. Outokumpu Tornio Worksissä vesistä otettavia analyysejä on liitteillä 4 ja Sintraamo Sintraamo kuuluu niihin yksikköoperaatioihin, jotka kuluttavat vähän vettä. Viiden eri Euroopan alueen sintraamon veden kulutus vaihteli välillä 0,01 0,35 m 3 /t sintteriä, kun yhteistuotanto oli 52,6 miljoonaa tonnia. Kahdesta sintraamosta oli dataa poistuvan jä- 19

20 teveden määrästä, joka vaihteli välillä 0,03 0,06 m 3 /t sintteriä. (Euroopan komissio 2010, ) Veden kulutus sintraamolla koostuu huuhteluvesistä ja jäähdytysvesistä. Jätevettä syntyy jätekaasunkäsittelystä, mutta vain jos märkäpoistojärjestelmä (engl. wet abatement system) on päällä. Huuhteluvesien käyttöä tulisi pyrkiä korvaamaan kuivatekniikoilla, jottei syntyisi jätevesiä. Kuivatekniikka onkin nykyään suositumpi tekniikka. Syntyvä jätevesi käsitellään yleensä ennen purkamista, käsittelyyn käytetään sedimentaatiota kierrätyssysteemissä sekä vielä laskeutumista ennen purkamista vesistöön tonnin päivätuotannolla huuhteluveden määrä on noin 460 m 3. (Euroopan komissio 2010, 118) Jäähdytysvettä käytetään jäähdyttämään sytytyssuojusta (engl. ignition hood), tuulettimia ja sintrauslaitteita. Yleensä jäähdytysvesi kierrätetään kokonaan. Joissain maissa lain asettamat rajoitteet voivat vaikeuttaa jäähdytysveden kierrättämisen parantamista, koska teollisen lumen ja jään muodostamista talviaikana pitäisi välttää. Integroidun terästehtaan, joka tuottaa 4 miljoonaa tonnia terästä vuodessa, sintraamo kuluttaa vettä keskimäärin 600 m 3 /h. Jätekaasun käsittelystä syntyvä jätevesi sisältää muun muassa suspendoitunutta kiintoainesta ja pysyviä orgaanisia ympäristömyrkkyjä, kuten PCB, PAH ja klorideja. (Euroopan komissio 2010, 119) 3.2 Pellettisointilaitos Veden käyttö on pellettisointilaitoksella vähäistä, kolmella eurooppalaisella tehtaalla veden kulutus pellettisointilaitoksilla oli välillä 0,11 1,25 m 3 /t pellettiä. Pellettisointilaitos käyttää vettä märkäerottimissa, jäähdytyksessä ja laitoksen ja laitteiden huuhtelussa. Huuhtelunveden määrä hollantilaisella tehtaalla, Corus Ijmuiden, on noin 0,04 m 3 /t pellettiä ja se voidaan kierrättää täysin. Jäähdytysvettä käytetään hienontamisessa, kuivauksessa ja sintrausnauhalla. Samaisella Hollantilaisella terästehtaalla jäähdytyksessä käytettävä vesimäärä on 0,21 m 3 /t pellettiä, josta 0,16 m 3 tulee hienonnan ja kuivauksen jäähdyttämisestä. (Euroopan komissio 2010, 195) Märkäerottimista syntyvässä jätevedessä on vetyfluoridia, joten se tarvitsee ylivuoto poiston. Jos jätevettä kierrätetään ja siihen syötetään natriumhydroksidia (NaOH) on 20

21 ylivuoto pientä. Malmbergetissä sijaitsevalla ruotsalaisella tehtaalla käytetään osana pellettisointilaitoksen prosessivettä myös kaivoksen vettä. Märkäerottimien jätevesi neutralisoidaan ennen purkua kiertoaltaaseen ja edelleen laskeutusaltaaseen. Laskeutumista joudutaan helpottamaan yleensä flokkulaatioaineella. Laskeutusaltaasta osa vedestä palaa takaisin kiertoon. Hollantilaisella tehtaalla se osa, joka ei mene takaisin kiertoon, käsitellään arseeninpoistolaitoksella. Arseeninpoistolaitoksella poistetaan jätevedestä liuennutta arsenaattia (As 5+ ) ja arseniittia (As 3+ ), jotka ovat peräisin rautamalmista. Arseniitti muutetaan arsenaatiksi Fentonin reagenssin avulla ja sen jälkeen arsenaatti saostettaan. (Euroopan komissio 2010, 195;203) 3.3 Koksilaitos Jäähdytys on suurin vedenkuluttaja koksin valmistuksessa, vettä kuluu myös moniin erilaisiin prosesseihin. Suurin osa vedestä joka koksiprosessissa syntyy on peräisin koksiuunissa olevasta hiilen kosteudesta. Hiilen kosteusprosentti on yleensä 8 15 %, joka vastaa 0,08 0,15 m 3 /t hiiltä. Myös hiilen lämpöhajoamisen seurauksena syntyy vettä. Tämä lisäveden määrä riippuu hiilen laadusta, yleensä se vaihtelee välillä 0,03 0,05 m 3 /t hiiltä. Lisäksi jos käytetään höyryä, niin höyryn kondensoituminen lisää veden määrää. (Euroopan komissio 2010, 234) Kondensoitunut vesi, öljy, jäähdytysvesi ja elektrostaattisen öljynerottimen poiste johdetaan öljynerottimeen, missä öljystä erotetaan ns. hiilivesi (engl. coal water). Hiiliveden määrä on m 3 /h, kun koksin tuotanto on 0,63 1,25 miljoonaa tonnia. Tämä vesi johdetaan ammoniakkiliuossäiliöön. Säiliön ylite johdetaan ammoniakin erotukseen tai rikkivetypesureille. (Euroopan komissio 2010, ) Vettä voidaan käyttää myös koksin sammuttamiseen. Vesi, joka ei haihdu kierrätetään prosessiin takaisin. Kiinteät aineet voidaan erottaa hiekkaerottimilla tai laskeutusaltailla. Puhtaalla vedellä korvataan haihtunut vesi, jonka vedenmäärä on noin 0,5 1,0 m 3 /t koksia. (Euroopan komissio 2010, 237) Vesijäähdytys koksilaitoksella koostuu neljästä eri osasta: Kuuman koksiuunin kaasun suoralla jäähdyttämisellä ammoniakkiliuoksella, koksiuunikaasun lisäjäähdyttäminen suorasti tai epäsuorasti ja epäsuorasta jäähdyttämisestä syntyvien lauhteen tai vesien 21

22 uudelleen jäähdyttämisestä. Yleensä eniten vettä kuluu epäsuoraan jäähdytykseen, koska vettä kierrätetään. Puhdasta vettä käytetään korvaamaan haihtuminen ja uudelleen jäähdyttämisessä aiheutuneet häviöt, tämä määrä on noin 6 10 m 3 /h. Koksilaitoksen jäähdytysvesijärjestelyt riippuvat siitä, kuinka paljon puhdasta vettä on saatavilla sekä laillisista raja-arvoista. (Euroopan komissio 2010, 234) Euroopan terästehtailta kerätyn datan mukaan koksilaitoksen jätevesimäärä vaihtelee välillä 0,31 0,69 m 3 /t koksia, kun koksin tuotanto on 0,63 1,25 miljoonaa tonnia. Kun ammoniakki on poistettu jätevedestä, on jätevedessä vielä erilaisia orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä (mm. fenoli, syanidi). Näin ollen yleensä jätevesi vielä käsitellään ennen purkua vesistöön. Koksiuunin jäteveden puhdistus voidaan hoitaa kemiallisesti tai biologisesti. Yleisimpiä menetelmiä ovat aerobinen systeemi yhdessä aktiivilietteen kanssa, nitrifikaatio sekä nitrifikaatio denitrifikaatio. Koksilaitoksen jäteveden laatu vaihtelee eri tehtailla, koska käytössä on erilaisia puhdistusjärjestelmiä ja raakaaineiden laaduissa on vaihteluita. (Euroopan komissio 2010, 236; 280) 3.4 Masuuni Muihin osaprosesseihin verrattuna masuuni on keskiverto vedenkäyttäjä terästeollisuudessa. Euroopan terästehtailta kerätyn vuoden 2004 datan mukaan prosessivettä kului 0,28 13,0 m 3 /t raakarautaa ja jäähdytysvettä 0,37 22,9 m 3 /t raakarautaa. Jäähdytysvedeksi on laskettu vain se vesi, joka ei ole suoraan kosketuksissa prosessiin eli se ei likaannu prosessissa. Jätevesiä muodostuu 0,1 13,74 m 3 /t raakarautaa. Suuret vaihtelut jäteveden ja kulutetun veden määrässä johtuvat erilaisista käytetyistä teknillisistä ratkaisuista. Tehtaat, jotka käyttävät suljettuja kiertoja, kuluttavat paljon vähemmän vettä verrattuna tehtaisiin jotka eivät kierrätä vettä. Näin ollen myös päästöjä muodostuu vähemmän. (Euroopan komissio 2010, ) Euroopassa granulointi on suosituin tapa käsitellä masuunikuonaa. Granulointiprosessissa sulakuona kaadetaan korkeapaineisen vesisuihkun läpi. Makean veden käyttö on granuloinnissa merivettä yleisempää, riippumatta siitä käytetäänkö suljettua vai avointa kiertoa. Granuloinnissa syntyvä kuona/vesi liete suodatetaan ja kuivataan, jonka jälkeen kuonahiekan kosteuspitoisuus on noin 10 prosenttia. Kuonan granuloinnista syntyvän jäteveden määrä riippuu vahvasti kierrätystehokkuudesta, veden määrän 22

23 vaihdellessa välillä 0, m 3 /t valurautaa. Joillain tehtailla vesihöyrystä kondensoituva vesi hyötykäytetään. (Euroopan komissio 2010, 317) Muutamilla Euroopan terästehtailla käytetään kuonan pelletointiprosessia. Sulakuona hajotetaan vesisuihkujen avulla, jotka aiheuttavat kuonan laajenemisen ja jäähtymisen. Prosessisuunnittelun avulla kaikki prosessivesi kuluu haihtumisena ja tuotteeseen sitoutuneena kosteutena. Pelletointiprosessissa veden kulutus on vähäisempää verrattuna märkägranulointiin. (Euroopan komissio 2010, 306) Kuonakuoppaprosessissa sulakuona kaadetaan kuonakuoppiin, joissa se jäähtyy ilman vaikutuksesta. Jäähtymistä voidaan tehostaa veden avulla. Kun veden käyttö suunnitellaan hyvin, kaikki vesi haihtuu lopulta. Veden käyttämisellä myös parannetaan kuonan mikrorakennetta ja näin saavutetaan paremmat mekaaniset ominaisuudet. (Euroopan komissio 2010, ) Masuunikaasujen käsittelyn toisessa vaiheessa käytetään Euroopan alueella yleisesti märkäpesureita poistamaan hienot hiukkaset. Karkeammat hiukkaset poistetaan ensimmäisessä vaiheessa kuivatekniikalla. Märkäpesureiden käytöstä aiheutuu jätevettä, joka sisältää muun muassa suspendoitunutta kiintoainesta, syanidi- ja typpiyhdisteitä. Yleensä jätevesi kierrätetään takaisin märkäpesurille käsittelyn ja jäähdyttämisen jälkeen. Käsittelyyn käytetään usein laskeutusaltaita. Ylivuoto altaasta riippuu raakamateriaalin laadusta ja siitä kuinka tehokkaasti vettä kierrätetään. Erityisesti raakamateriaalin korkea suolapitoisuus voi nostaa tarvittavan veden määrää. Ylivuoto vaihtelee välillä 0,1 3,5 m 3 /t valurautaa. (Euroopan komissio 2010, 314;317) 3.5 Happipuhallusmenetelmä Happipuhallusmenetelmä on keskiverto vedenkuluttaja terästeollisuudessa verrattuna eri osaprosesseihin. Vettä kuluu muun muassa kaasujen märkäpesureihin, märkäpesureihin rikinpoistossa ja jäähdyttämiseen. Tehtaasta riippuen vedenkulutus on 0,8 41,7 m 3 /t raakaterästä ja jätevettä syntyy 0,3 6 m 3 /t raakaterästä. (Euroopan komissio 2010, 375;382) 23

24 Happipuhallusmenetelmässä syntyviä kaasuja voidaan käsitellä joka kuiva- tai märkäkäsittelyllä. Märkäkäsittelyn seurauksena syntyy jätevettä, joka käsitellään ja kierrätetään yleensä takaisin prosessiin. Hollantilaisella Corus Ijmuidenin tehtaalla märkäpoistosysteemistä syntyy jätevettä 0,52 m 3 /t raakaterästä. Yleensä käsittely koostuu suurhiukkasten erottelusta ja selkeytyksestä. Sähköistä flokkulaatiota voidaan käyttää hyväksi parantamaan partikkeleiden agglomeraatiota. Tämän seurauksena ei tarvita kemikaalisia flokkulantteja, partikkeleiden tarttuminen laskeutusaltaan seinille vähenee ja laskeutusaltaan kapasiteetti nousee. (Euroopan komissio 2010, ) Jäteveden määrää voidaan pienentää tehokkaasti lisäämällä märkäpesureiden veden kierrättämistä ja käsittelemällä ylivuotovesi. Tehokas käsittelymenetelmä on kaksivaiheinen selkeytys, jossa toisessa vaiheessa lisätään hiilidioksidia. Ylivuoto käsitellään selkeytyksellä ja suodatuksella. (Euroopan komissio 2010, ) Alipaineen luomiseen käytetään vettä noin 5 8 m 3 /t raakaterästä, joissain tapauksissa enemmänkin, jopa 41 m 3 /t raakaterästä. Vesi kierrätetään melkein kokonaisuudessa takaisin prosessiin ja koska menetelmää ei käytetä kaikelle raakateräkselle, jätevettä syntyy vedenkäsittelystä 1,3 m 3 /t raakaterästä. Jätevesi käsitellään yleisesti yhdessä muiden valssaamon alueen jätevesien kanssa. (Euroopan komissio 2010, 383) 3.6 Valokaariuuni Valokaariuuniprosessissa vettä kuluu muun muassa jäähdyttämiseen ja märkäpesuun. Vettä kuluu prosessissa 1 42,8 m 3 /t raakaterästä, veden määrään vaikuttaa merkittävästä kierrätystehokkuus. Kun valokaariuunin tuotantokapasiteetti on 70 t/h, kuluu jäähdytysvettä 1000 m 3 /h. Jäähdytyksestä ei synny jätevesiä, koska jäähdytys tapahtuu suljetun kierron avulla. Joillain terästehtailla jäähdytys tapahtuu ilman kierrätystä, koska otettavan veden laatu on niin huono, ettei se sovellu kierrätykseen. (Euroopan komissio 2010, 439;450) Valokaariuunin pääraaka-aine on kierrätysteräs, jota säilytetään usein ulkona. Säilytysalueella syntyvät valumisvedet voivat olla saastuneita. Yleensä säilytysalueen vedet käsitellään vain öljynerotuksella. Vettä käytetään myös nopeaa karkaisuun. Jätevettä ei synny, koska suurin osa vedestä haihtuu. Pieni osa vedestä poistuu pölyn mukana jään- 24

25 nöskosteutena. Vain yhdeltä tehtaalta oli dataa veden kulutuksesta karkaisussa, vettä kului 25 m 3 /h. (Euroopan komissio 2010, ) Muutamilla Euroopan terästehtailla valokaariuunissa syntyviä kaasuja käsitellään märkäpesureilla. Syntyvistä jätevirroista ei ole tietoa. Syntyvää kuonaa voidaan jäähdyttää vedellä, jotta saadaan aikaan paremmat mekaaniset ominaisuudet. Alipaineen luomiseen käytettävä vesimäärä ja syntyvät jätevedet ovat samaa luokkaa kuin happipuhallusmenetelmässä. (Euroopan komissio 2010, 436;450) 3.7 Jatkuvatoiminen valu Vettä käytetään koneiden ja aihioiden jäähdytykseen. Käytettävän veden määrä riippuu veden kierrätystehokkuudesta, se vaihtelee välillä 5 35 m 3 /t sulaa terästä eri terästehtailla Euroopassa. Syntyvä jätevesi käsitellään yleensä yhdessä muiden valssaamon alueelta tulevien jätevesien kanssa. Jäteveden määrä riippuu paikallisista olosuhteista ja veden kierrätyksen määrästä. Korkeimmillaan se on 2 m 3 /t sulaa terästä. Valumuotti ja valssit jäähdytetään yleensä suljetun kierron avulla, joten niiden jäähdytyksestä ei synny jätevesiä. (Euroopan komissio 2010, 383;408) Valun jälkeen aihioita jäähdytetään vesisuihkulla, kunnes jähmettyminen on tapahtunut. Näin ehkäistään rakojen syntyminen aihioiden pintaan ja myös suojellaan teloja ylikuumenemiselta. Jäteveden määrää voidaan vähentää tehokkaalla kierrätyksellä. ArcelorMittalin Indianan tehtaalla jätevesimäärä on 0,076 m 3 /t valuterästä 99 prosentin kierrätystehokkuudella ja hollantilaisella Corus Ijmuidenin tehtaalla on 98 prosentin kierrätysasteen avulla päästy jätevesimäärään 0,04 m 3 /t valuterästä. Suihkutettava vesi yleensä käsitellään hiekkasuotimen avulla ennen tai jälkeen jäähdytyksen. Ennen hiekkasuodinta on kannattavaa asentaa öljynerotus, näin ehkäistään hiekkasuotimen tukkeutumista. Jatkuvatoimisen valun jätevesien käsittelyssä syntyvän lietteen voi kierrättää takaisin prosessiin joko sintraukseen tai masuuniin. (Euroopan komissio 2010, ) 25

26 3.9 Kuumavalssaamo Kuumavalssaamolla vesikierto voidaan toteuttaa avoimesti, osittain suljetusti tai täysin suljetusti. Veden tarve avoimessa kierrossa on suurin ja täysin suljetussa luonnollisesti pienin. Osittain suljetussa vesikierrossa vesi käsitellään ja kierrätetään osittain takaisin prosessiin. Täysin suljetussa kierrossa puhdistettu vesi jäähdytetään ennen kierrätystä takaisin prosessiin. Kun käytetään jäähdytystorneja, täytyy vesikiertoon ottaa lisävettä korvaamaan haihtumisessa kadonnut vesi. (Euroopan komissio 2001, 33-35) Kuumavalssaamo on yksi suurimmista veden kuluttajista terästeollisuudessa. Kulutettavan ja purettavan veden määrät riippuvat voimakkaasti vesikiertojen tehok-kuudesta. Suljetun kierron avulla voidaan päästä jopa alle 1 m 3 /t purkumäärään. Osittain suljetussa kierrossa veden purkumäärä voi olla jopa 11 m 3 /t. (Euroopan komissio 2001, 69) Vesijärjestelmä vesikiertoineen ja -käsittelyineen on kuumavalssaamolla erittäin monimutkainen. Joillain tehtailla kuumavalssaamon vesikierrot ovat yhdistetty muiden prosessien kiertojen kanssa, kuten jatkuvatoimisen valun. Syy tähän on syntyvien jätevesien samankaltaisuuksissa. Vesikiertojen avulla voidaan tehokkaasti vähentää purkuvesien määrää, erityisesti kuumavalssaamolla, joka on suuri vedenkuluttaja. Kuvassa 9 on esitetty kuumavalssaamon vesikierrot ja veden määrä, kun tuotanto on t kuukaudessa. Kuvassa 10 on esitetty toisenlainen vaihtoehto vesikierroista kuumavalssaamon sisällä. (Euroopan komissio 2001, 33-35) 26

27 Kuva 9. Kuumavalssaamon vedenkierto ja virtausmäärät esimerkkilaitoksessa (Euroopan komissio 2001, 35). Kuva 10. Toisenlainen vaihtoehto vesikiertojen järjestämisestä kuumavalssaamolla (Euroopan komissio 2001, 36). 27

28 Nauhavalssaimen jäähdytyslinjan avulla saavutetaan halutut mekaaniset ominaisuudet teräkselle. Teräs voidaan jäähdyttää kolmella eri tavalla joko vesiputouksilla, vesisuihkuilla tai laminaarijäähdytyksellä. Kuvassa 11 on esitetty käytetyt jäähdytystekniikat. Käytetyin tekniikka on laminaarijäähdytys. Yleensä jäähdytys on jaettu osa-alueisiin, jotta haluttu lämpötila kussakin vaiheessa voidaan saavuttaa helpommin muuttamalla yksittäisen osa-alueen virtausmäärää. Jäähdytyslinja on tietokoneohjattu, joka matemaattis-empiiristen mallien ja lämpötilamittausten avulla ohjaa jäähdytystä. (Euroopan komissio 2001, 31-32) Kuva 11. Vesiputous-, vesisuihku- ja laminaarijäähdytystekniikka.(euroopan komissio 2001, 32). Hilseenpoistosta heti uunin jälkeen syntyvä jätevesi ei yleensä sisällä öljyä. Kuumavalssauksessa syntyvä hilseenpoistovesi sisältää öljyä, joka tulee veteen valssauskoneista. Yleensä nämä jätevesivirrat yhdistetään ja käsittelyn jälkeen ne voidaan kierrättää takaisin metallurgiseen prosessiin pienen öljypitoisuuden takia. Vedenvirtaus hilseenpoistossa on esivalssauksessa 0,1 0,12 m 3 /s ja ennen ja jälkeen nauhavalssaimen 0,08 0,10 m 3 /s. Nauhakelauksen jälkeen rullia voidaan jäähdyttää vesialtaassa ennen jatkojalostusta kylmävalssaamolla. (Euroopan komissio 2001, 66) 3.8 Kylmävalssaamo Kylmävalssaamolla käytetään vettä muun muassa jäähdyttämiseen, huuhteluun ja valssattavan aihion pinnan puhdistamiseen. Jäähdytysveden pääkuluttajia ovat emulsiojäähdytys tandemlinjalla, muuntajien ja moottoreiden jäähdytys, öljyvoiteluvälineistö ja tempervalssain. Lämmennyt jäähdytysvesi jäähdytetään joko levylämmönvaihtimessa tai jäähdytystornissa, jossa jäähtyminen tapahtuu haihtumisen avulla. Jäähdytystorneista joudutaan poistamaan säännöllisesti jonkun verran vettä, ettei veden suolapitoisuus 28

29 kasva liian korkeaksi. Näin ehkäistään myös teollisen lumen muodostumista. (Euroopan komissio 2001, 51) Vettä käytetään huuhteluun peittauksen jälkeen ja peittauskylvyissä. Jätevesiä syntyy myös kaasun absorptiosta ja laitoksen pesemisestä. Huuhtelusta syntyy määrällisesti eniten jätevettä, mutta peittauskylvyistä syntyy pääkuormitus. Tandemvalssaimella käytetään demineralisoitua tai vastaavanlaatuista vettä yhdessä öljyn kanssa valssausemulsiossa. Monissa eri paikoissa kylmävalssaamoa on hydraulisia laitteita ja öljyttäviä komponentteja. Nämä laitteet kuluttavat jäähdytysvettä 9,0 10,0 m 3 /t ja demineralisoitua vettä 0,05 0,12 m 3 /t. Demineralisoitu vesi aiheuttaa vastaavan määrän jätevettä. Viimeistelyvalssauksessa käytetään kuumaa vettä hyvin pieniä määriä ja jäähdytysvettä 1,0-4,0 m 3 /t. Leikkauksessa kuluu jäähdytysvettä 0,5 0,7 m 3 /t. (Euroopan komissio 2001, 74; 87-88) Kylmävalssaamolla syntyy monia erilaisia jätevesiä kuten happamia vesiä, vesiä jotka sisältävät kuuden arvoista kromia (Cr 6+ ) ja öljyisiä vesiä. Huuhteluista ja hapon regeneroinnista syntyvät happamat jätevedet käsitellään yleensä neutralisoinnilla. Elektrolyyttipeittauksessa syntyvistä kromipitoisista vesistä pelkistetään kuuden arvoinen kromi. (Euroopan komissio 2001, 53) 29

30 4 Hydrologiset prosessit Hydrologiseen systeemiin voi tulla suuriakin muutoksia kaupungistumisen johdosta. Tasapaino muuttuu, kun kasvillisuutta katoaa ja tilalle tulee läpäisemätöntä pinta-alaa. Haihtuminen pienenee, valunnan määrä kasvaa ja myös sadannan määrä voi kasvaa kaupungistumisen johdosta. Aihetta on tutkittu paljon niin Suomessa kuin maailmallakin (mm. Semádeni-Davies 1999, Kotola ja Nurminen 2003, Vakkilainen et al. 2005). Outokummun Tornion tehdasalueella on kaupunkimainen luonne, koska alueella on suuria määriä läpäisemätöntä pinta-alaa, rakennuksia, liikennettä jne. Tässä kappaleessa tarkastellaan hydrologisia prosesseja ja miten ne muuttuvat kaupungistumisen seuraksena. 4.1 Sadanta Sadetapahtuma on yhtäjaksoinen sadanta, jossa sataa vaakasuoralle pinnalle. Ennen ja jälkeen sadetapahtuman on sateeton jakso, jonka kesto vaihtelee muutamasta minuutista jopa useisiin viikkoihin. Jokainen sadetapahtuma kestää tietyn ajan ja kesto voi vaihdella sadetapahtumasta toiseen suurestikin. Sadetapahtuman sadesumma on sadetapahtuman aikana kertynyt vesikerroksen paksuus. Sadesumma ilmoitetaan usein yksiköissä mma -1 ja mmh -1. (Kilpeläinen 2006, 2) Jotta sade voi syntyä, tulee seuraavien kolmen ehdon täyttyä: - Ilmassa on oltava vesihöyryä. - Ilmassa tulee olla hiukkasia, joiden pinnalle vesihöyry tiivistyy. - Ilman on oltava kastelämpötilassa, jotta vesihöyry voi tiivistyä. Kun edellä mainitut ehdot täyttyvät ja hiukkasten pinnalle tiivistyneiden pisaroiden massa on riittävän suuri, alkaa sade. Ilman kohoamismekanismin perustella sateet voidaan jakaa kolmeen eri tyyppiin: Rintamasade, konvektiivinen sade ja orografinen sade. (Kokkonen et al. 2008, 20) 30