Mikael Sillanpää SAKEUDEN OPTIMOINTI VALKAISUN ALKUVAIHEISSA

Mikael Sillanpää SAKEUDEN OPTIMOINTI VALKAISUN ALKUVAIHEISSA Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kemiantekniikan koulutusohjelma Marraskuu 2008

KESKIPOHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kemiantekniikan koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Mikael Sillanpää Työn nimi: Sakeuden optimointi valkaisun alkuvaiheissa Päivämäärä: 9.11.2008 Sivumäärä: 25 Työn ohjaaja: DI Thomas Fant Työn ohjaaja: DI Staffan Borg Tämän tutkimuksen tarkoitus oli parantaa valkaisun alkuvaiheiden sakeuden hallintaa. Työn pääpainona oli happivaiheen jälkeisen A-vaiheen sakeuden nosto yli 9 %:iin, ja se tapahtui happivaiheen kaksoisvuopesurilla. Sakeutta säädettiin pesurin pesu- ja suodosvesiä säätelemällä. D/O-vaiheen sakeutta yritettiin automatisoida edellisen tornin pohjalaimennuksilla. Valkaisun alkuvaiheiden sakeusmittarit myös tarkastettiin ja kalibroitiin. A-vaiheen sakeus saatiin nostettua yli 9 %:iin pitkiksikin ajanjaksoiksi ilman pesurin ongelmia. D/O-vaiheen sakeuden automatisointi ei onnistunut pohjalaimennuksen riittämättömän virtauksen vuoksi. Valkaisun sakeusmittareissa havaittiin suuriakin eroja kalibroinnin yhteydessä. A-vaiheen kaksoisdiffusöörin sakeuden tulisi olla yli 9 %, mutta ei saisi nousta yli 10%:iin, koska yli 10 %:n sakeus aiheutti diffusöörin ajovaikeuksia. D/O-vaiheen pohjalaimennuslinjaan tulisi lisätä vesisuuttimia virtauksen lisäämiseksi. Valkaisun sakeusmittareita tulisi tarkastaa tasaisin väliajoin mittareitten luotettavuuden parantamiseksi. Avainsanat: valkaisu, sakeus, A-vaihe

CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Degree Programme in Chemical Engineering ABSTRACT Author: Title of the thesis: Mikael Sillanpää Optimizing Consistence in Beginning of Bleaching Date: 9 November, 2008 Number of pages: 25 Supervisor: Supervisor: Thomas Fant Staffan Borg The purpose of this thesis was to improve the control of the consistence at the first stages of bleaching. The main purpose was to raise the consistence to over 9 per cent at the A- stage. This was done in the diffuser washer of the oxygen stage. The consistence was adjusted by adjusting the washing and filtrate waters of the diffuser washer. The consistence at the D/O-stage was tried to be automatized with the bottom dilution of the previous towers. The consistence meters at the first stages of bleaching were also checked and calibrated. The consistence at the A-stage was raised to 9 % and it was kept at that level for long periods without problems in the diffuser washer. The automatization of the consistence at the D/O-stage was not successful because of the insufficient flow in the bottom dilution. Great differences in the consistence meters in bleaching were noticed while they were being calibrated. The consistence of the diffuser washer at the A-stages should be over 9 % but it should not go over 10%. If the consistence increases to over 10 % it will cause problems with the diffuser. There should be more water nozzles in the bottom dilution line at the D/O-stage because it would increase the flow. The consistence meters in bleaching should be checked regularly to increase the reliability of the consistence meters. Keywords: bleaching, consistence, A-stage

SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ SUMMARY 1 JOHDANTO 1 2 VALKAISU 2 2.1 ECF- ja TCF-valkaisu 2 2.2 Happivaihe 2 2.3 A-vaihe 4 2.4 D/O-vaihe 4 2.5 Z-vaihe 5 2.6 P-vaihe 5 2.7 EOP-vaihe 6 2.8 Valkaisu Kaskisten Metsä-Botnian tehtaalla 6 3 SAKEUDEN MITTAAMINEN 9 3.1 Sakeus ja sen vaikutus valkaisussa 9 3.2 Sakeusmittarit 9 3.2.1 Lapa-anturi 9 3.2.2 Pyörivä sakeusmittari 10 3.2.3 Mikroaaltomittari 11 3.2.4 Optiset sakeusmittarit 12 4 AIKAISEMPIA TUTKIMUKSIA 14 5 TUTKIMUKSEN KULKU 15 6 TUTKIMUSTULOKSET 17 7 JOHTOPÄÄTÖKSET 22 8 YHTEENVETO 24 LÄHTEET 25

1 1 JOHDANTO Tämä opinnäytetyö on tehty yhteistyössä Metsä-Botnia Kaskisten sellutehtaan kanssa. Metsä-Botnia konserni on M-real-, UPM-kymmene- ja Metsäliitto-yhtiöiden yhdessä omistama. Metsä-Botnia-konserni on Euroopan johtavia sellun valmistajia, jonka tuotevalikoimaan kuuluu ECF- ja TCF-koivu- ja eucalyptussellun valmistus, sekä TCF-havusellun valmistus. Opinnäytetyöni tarkoitus on selvittää, mikä on valkaisuprosessin kannalta optimaalisin massan sakeus valkaisun alkuvaiheessa. A-vaiheen reaktiot suoritetaan kahdessa varastotornissa, joissa sakeuden nosto ehkäisee kanavoimista ja lisää tornien reaktioaikaa. Sakeuden nosto tapahtuu happivaiheen jälkeisessä kaksoisdiffusöörissä, jonka jättösakeutta oli tarkoitus nostaa yli 9 prosenttiin ilman pesujen huonontumista ja diffusöörin ajovaikeuksia. D/O-vaiheen sakeus on yhteydessä koko valkaisuprosessin tuotantovauhtiin, jolloin oikea sakeus takaa tuotantonopeuden paikkansapitävyyden. Opinnäytetyöhöni kuului myös sakeusmittarien ylläpitäminen työjakson aikana, mikä takasi mittarien paikkansapitävyyden koko työjakson ajan.

2 2 VALKAISU Valkaisun tarkoituksena on parantaa massan vaaleutta ja puhtautta poistamalla massan värillisiä ainesosia. Merkittävin väriä aiheuttava aine on ligniini, joka tulee poistaa mahdollisimman tarkoin. Valkaisua voidaan kutsua keiton jatkamiseksi toisilla kemikaaleilla. (Seppälä, Klemetti, Kortelainen, Lyytikäinen, Siitonen & Sironen 2004, 122.) 2.1 ECF- ja TCF-valkaisu ECF-valkaisussa (Elemental chlorine free) ei käytetä puhdasta kloorikaasua eikä hypokloriittia. ECF-valkaisussa käytetään valkaisukemikaalina klooridioksidia vähintään yhdessä valkaisuvaiheessa. Suomen selluntuotannosta n. 90 % on ECF-sellua. ECF-valkaisussa kemikaalikulutukset vaihtelevat puulajin ja massan delignifioitumisen mukaan. ECFvalkaisulla päästään pienemällä kemikaalikustannuksella parempaan vaaleustasoon. (Knowpulp 4.0. 2005.) TCF-valkaisu (Total chlorine free) on täysin ilman kloorikemikaaleja valkaistua massaa. TCF-valkaisussa tärkeimmät kemikaalit ovat happi, vetyperoksidi ja otsoni. TCF-valkaisun onnistumisen kannalta on tärkeää, että ennen valkaisua massa olisi delignifioitu keitossa sekä happivaiheessa mahdollisimman tarkoin. Peroksidia käytettäessä massan sisältämät metallit tulisi kelatoida (raskasmetallien poisto), jotta turhalta peroksidin kulutukselta vältyttäisiin. (Seppälä ym.; Knownpulp 4.0. 2005.) 2.2 Happivaihe Happidelignifiointi on prosessi, jossa poistetaan keiton jälkeen sellusta jäännösligniiniä alkalin ja hapen avulla. Happidelignifiointivaihetta pidetään sekä ympäristönsuojeluun että taloudellisuuteen liittyvänä investointina. Hapen reaktiot alkalisissa olosuhteissa ovat monimutkaisia radikaalien ketjureaktioita. Happi reagoi sekä hiilihydraattien että ligniinin kanssa. Reagoidessaan orgaanisten aineiden kanssa happi pelkistyy vedeksi, ja orgaaniset aineet hapettuvat. Happi on normaaleissa olosuhteissa heikko hapetin, ja siksi tehoton de-

3 lignifioija, mutta sen hapetuskykyä voidaan parantaa nostamalla lämpötilaa ja muuttamalla olosuhteet emäksisiksi. Siirtymämetallit, kuten mangaani, rauta ja kupari, hajottavat peroksideja, jotka ovat välimuoto hapen pelkistyksessä. Peroksidin hajoamisessa muodostuu hydroksyyliradikaaleja, jotka hajottavat selluloosaa tuhoisin seurauksin. Tämän vuoksi siirtymämetallien hallinta on erittäin tärkeää happidelignifioinnin selektiivisyyden kannalta. Keitossa liuenneet orgaaniset aineet osallistuvat happivaiheessa sivureaktioihin, joista seuraa sekä ylimääräistä hapen kulutusta että selluloosaketjujen pilkkoutumista. Happivaihetta edeltävän pesuhäviön nouseminen aiheuttaa siten massan viskositeetin ja paperiteknisen lujuuden laskun. Happivaiheessa tapahtuvaa ligniinin poistumista arvioidaan kappaluvulla ja hiilihydraattien pilkkoutumista viskositeetilla. Kappaluku kertoo jäännösligniinin määrän massassa ja viskositeetti selluloosamolekyylin pituutta, eli viskositeetin avulla voidaan arvioida massan lujuutta. Happidelignifiointivaihe alkaa viimeiseltä ruskean massan pesurilta. Laimennusruuville syötetään havumassatapauksessa magnesiumsulfaattiliuosta. Alkaliannos, eli NaOH-liuos tai hapetettu valkolipeä, syötetään laimennusruuvin jälkeiseen pumppausastiaan. Alkalin ja MgSO4-liuoksen sekoitus tapahtuu keskisakeuspumpulla, joka pumppaa massan happisekoittimille. Massaa lämmitetään suorahöyryllä haluttuun lämpötilaan ennen happisekoitinta. Höyryn mukana syötetään tarvittava happiannos massan joukkoon. (Knowpulp 4.0. 2005.) Reaktorin yläpään paine säädetään halutuksi purkuventtiilin avulla. Paine vaihtelee 3 8 barin välillä. Massasulpun kanavoitumisen ehkäisemiseksi tärkeintä on pitää sakeus tornissa yli 10-prosenttisena. Massan jako- ja purkulaiteet helpottavat myös tasaista tulppavirtausta. Happivaiheen purkusäiliöstä massa pumpataan sopivasti laimennettuna pesulaitteelle. Pesty massa johdetaan seuraavaan prosessivaiheeseen, joka on tavallisesti loppuvalkaisua edeltävä välivarastotorni. Happivaiheeseen tulevan massan laimennukseen käytettävä osa suodoksesta jäähdytetään, jolloin varmistetaan massapumpun toiminta. Loput suodoksesta pumpataan pesuvedeksi edeltävälle ruskean massan pesulaitteelle. (Knowpulp 4.0. 2005.)

4 2.3 A-vaihe Hapanhydrolyysi on keskisakeusvaihe, jossa massassa olevat hekseeniuronihapot (HexA) poistetaan happamalla hydrolyysillä eli käsitellään massa hapolla korkeassa lämpötilassa. Nämä hekseeniuronihapot ovat hemiselluloosaryhmiä, joiden vaikutus kappalukkuun on samanlainen kuin jäännösligniinin. Varsinkin lehtipuumassalla HexA:n osuus on suuri. Hekseeniuronihapot kuluttavat klooridioksidia, otsonia ja peretikkahappoa (mutta eivät happea eikä vetyperoksidia) samoin tavoin kuin ligniinikin. Happamalla hydrolyysilla säästetään edellä mainittuja kemikaaleja. Nämä ovat kuitenkin hapanta hydrolyysiä selektiivisempiä HexA:n poistossa. Käsittely tehdään korkeassa lämpötilassa varastosäiliössä ennen valkaisua. (Knowpulp 4.0. 2005.) Hapan hydrolyysi on erityisen tehokas ehkäisemään oksalaattisakan syntymistä HexA:n hajoamisen yhteydessä. Oksalaattisakkaa voi kerääntyä harmilliseksi saostumaksi pesureille. (Knowpulp 4.0. 2005.) 2.4 D/O vaihe Alkuvalkaisussa klooridioksidin tarkoitus on liuottaa jäännösligniiniä. Tarvittava klooridioksidiannos riippuu jäännösligniinin määrästä, jota kuvataan valkaisuun tulevan massan kappaluvulla. Siten oikealla annostuksella voidaan tasata alkuvalkaisun jälkeistä kappalukua eli välikappalukua. Klooridioksidilla saadaan paras valkaisuvaikutus neutraaleissa tai heikosti happamissa olosuhteissa. Ligniinin poisto on kuitenkin tehokkainta happamassa ympäristössä. Siksi alkuvalkaisun klooridioksidivaiheessa käytetään selvästi alempaa ph:ta kuin loppuvalkaisussa. Delignifioinnin kannalta paras D/O-vaiheen loppu-ph on 2,0 2,5. D/O-vaihe tehdään yleensä keskisakeudessa, ja lämpötila on 40 70 C. (Knowpulp 4.0. 2005.)

5 2.5 Z-vaihe Otsoni on erittäin voimakas hapetin, eli se luovuttaa herkästi yhden happiatomin. Otsoni hapettaa myös epäorgaanista ainetta. Otsonin hajoamista lisäävät korkea lämpötila, metallit ja korkea ph. Otsoni on erittäin reaktiivinen valkaisukemikaali sekä tehokas jäännösligniinin poistaja. Otsoni reagoi sekä ligniinin että hiilihydraattien kanssa jo alhaisissa lämpötiloissa. Otsoni reagoi ensisijaisesti ligniinin kanssa, mutta otsonivalkaisussa syntyvät reaktiotuotteet, hydroksyyli- ja perhydroksyyliradikaalit, reagoivat helposti hiilihydraattien kanssa. Otsonivaiheessa syntyy myös karbonyyliryhmiä, jotka lisäävät hiilihydraattien hajoamista seuraavassa alkalisessa vaiheessa, jolloin massan lujuus laskee. Näistä syistä liian suuria otsoniannoksia on vätettävä, jotta massan lujuus säilyisi. Otsoni hajottaa ligniinistä sivuketjun sekä aromaattisen renkaan kaksoissidoksen. Tämän lisäksi se aiheuttaa ligniinin hapettumista. Tällöin ligniini liukenee ja massan vaaleus paranee. Sivureaktiona tapahtuu metalli-ionien katalysoimaa otsonin hajoamista, joka lisää kemikaalikustannuksia. (Knowpulp 4.0. 2005.) 2.6 P-vaihe Vetyperoksidilla (H202) on alkalisissa oloissa ominaisuus, joka useimmilta muilta sellun valkaisukemikaaleilta puuttuu: ligniinipoiston lisäksi se myös reagoi ligniinin värillisten kromoformiryhmien kanssa. Tämän vuoksi jäännösligniini on peroksidivaiheen jälkeen vaaleampaa kuin muiden vaiheiden jälkeen. Sellun valkaisussa vetyperoksidilla tapahtuu sekä ligniiniä säästäviä että ligniiniä poistavia hapetusreaktioita. Ligniiniä säästävissä reaktioissa perhydroksyyli-ioni hapettaa ligniinin kloroformeja vaalentaen ligniiniä, joka vaalentaa massaa. Ligniiniä poistavissa reaktioissa ligniini liukenee, ja tällöin peroksidin hajoamistuotteena muodostuneet hydroksyyli- ja perhydroksyyliradikaalit ionisoivat ligniinin fenolisia ryhmiä. Näissä reaktioissa tapahtuu myös vahingollista hiilihydraattien pilkkoutumista radikaalien vaikutuksesta, mikä näkyy massan viskositeetin laskuna. (Knowpulp 4.0. 2005.) Perhydroksyyli-ionit ovat erittäin aktiivisia ja pystyvät hapettamaan kromoformiyhdisteitä värittömiksi. PH on tärkeä osa peroksidivaihetta perhydroksyyli-ionin muodostumisen kannalta. Peroksidivaiheessa ph olisi tärkeä säätää oikeaksi (9 10), mutta liian korkeassa

6 ph:ssa perhydroksyyli-ioni voimistuu sen hajoamisreaktioksi. (Isotalo 2004, 93.) 2.7 EOP-vaihe NaOH:a käytetään esimerkiksi valkaisun alkalivaiheessa, jossa alkaliuuttovaiheen tarkoituksena on neutraloida edellisessä valkaisuvaiheessa osittain pilkkoutuneet jäännösligniinijakeet. Neutraloinnin tarkoituksena on parantaa jakeiden liukoisuutta ja mahdollistaa niiden poistuminen massasta alkalivaiheen jälkeisessä pesussa. Alkali annostellaan suhteessa edellisen valkaisuvaiheen annokseen (esimerkiksi 0,6 kertaa klooridioksidin määrä aktiivikloorina). Jos alkalia annosteltaisiin vain ph:n mukaan, voisi kulutus nousta turhan suureksi. Tämän lisäksi alkalivaihe muokkaa kuituja otolliseksi seuraavaan klooridioksidivaiheeseen tai muuta hapanta vaihetta varten. Alkuvaiheen loppu-ph:n tulisi olla ensimmäisessä alkalivaiheessa yli 10. (Knowpulp 4.0. 2005.) Alkalivaihetta vahvistetaan aluksi hapella ja vetyperoksidilla. Näillä saavutetaan tuotantokustannusten alentumista valkaisun kapasiteetin kasvua massalaadun parantumista: puhtaampaa ja vaaleampaa klooripohjaisten kemikaalien vähenemistä. (Seppälä ym. 2004, 125.) NaOH-annosta säädetään ph:n mukaan, joka on yleensä n. 10,5 11,0. Ennen alkalivaiheessa käytettiin yleisesti alle 70 o C olevaa lämpötilaa, koska liian korkea lämpötila ja ph vaikuttavat klooriligniinin lisäksi hemiselluloosan pilkkoutumiseen. Yleistynyt lisäkemikaalien käyttö on mahdollistanut vaiheen optimilämpötilan n. 70 78 o C:seen. (Seppälä ym. 2004, 125.) 2.8 Valkaisu Kaskisten Metsä-Botnian tehtaalla Valkaisuvaiheita kuvataan kirjainyhdistelmällä A-ZD-EOP-D-Z(E2)-P. Kuviossa 1 on kuvattu Kaskisten kuitulinja. Sakeamassatorneissa suoritetaan hapan hydrolyysi eli A-vaihe. Valkaisemattoman massan ajo valkaisuun aloitetaan sakemassatorneista. Sakeamassator-

7 neista massa pumpataan AVO-pesusuotimelle, jossa massa jäähdytetään ja sakeutetaan sopivaksi ennen Z-vaiheen otsonireaktoria. AVO-pesusuotimen massaruuville ajetaan talkkiliuosta. Massa pumpataan Z-vaiheeseen sakeamassapumpulla O 3 -sekoittajaan jossa ph säädetään rikkihapolla halutulle tasolle. Otsonireaktorista massa puretaan välivarastotorniin. Välivarastotornista massa pumpataan ensimmäiseen klooridioksidivaiheeseen. CLO 2 -liuos lisätään kemikaalisekoittajalle ennen reaktoritornia. Reaktorin jälkeen massa pestään DOpesusuotimella, jonka poistoruuville lisätään magnesiumsulfaattia (MgSO 4 ) sekä natriumhydroksidia (NaOH) ph:n säätöön. Ennen EOP-vaihetta massan lämpötila nostetaan pesurin pesuvesillä ja säädetään sopivaksi höyryllä. Ennen sakeamassapumppua lisätään pumpun imupuolelle vetyperoksidia ja kemikaalisekoittajalle happea ja korkeapainehöyryä. Massa syötetään paineelliseen välihappitorniin, josta massa puretaan paineettomaan E/Oreaktoriin. Massa pumpataan E/O-pesurin kautta pumppausastiaan, josta massa pumpataan kemikaalisekoittajan kautta D1-reaktiotorniin. Massan ph säädetään MC-pumpun imupuolelle syötetyllä rikkihapolla ja kemikaalisekoittajalle lisätään tarvittava klooridioksidiannos. D1-tornista massa pumpataan pesusuotimeen, jonka purkausruuville lisätään talkkia. Massan ph säädetään MC-pumpun imupuolelle lisättävällä rikkihapolla. MC-pumppu pumppaa massan Z2-reaktoriin otsonilisäyksen jälkeen. Massa puretaan Z2-reaktorista E2- reaktiotorniin. E2-tornista massa pumpataan E2-pesusuotimelle, jonka poistoruuville lisätään natriumhydroksidia ph:n säätöön. Ruuvi kuljettaa massan pumppausastialle, josta se pumpataan MC-pumpulla kemikaalisekoittajan kautta P-reaktiotorniin. Kemikaalisekoittajalle lisätään tarvittava vetyperoksidiannos. P-tornista lähtevä massa pestään imusuotimella ja pumpataan varastotorneihin. Varastotorneista massa jatkaa matkaa kuivatuskoneelle.

KUVIO 1. Kaskisten Metsä-Botnian kuitulinja (Fant 2002.) 8

9 3 SAKEUDEN MITTAAMINEN 3.1 Sakeus ja sen vaikutus valkaisussa Sakeus kertoo, kuinka monta painoprosenttia kuiva-ainetta on massasulpussa. Kuiva-aine on pääosin puukuitua, mutta myös täyteaineita ja epäorgaanista ainetta.(knowpulp 4.0. 2005) Valkaisureaktoreiden halkaisijan kasvun myötä massavirtauksen kanavoiminen kasvaa, jota estetään massasulpun sakeuttamisella. Eritoten ylhäältä syötettävissä reaktoreissa kanavoimisen riski kasvaa, jolloin korkea sakeus estää kanavoimisen ja lisää reaktioaikaa. (MacLeod, Smith, Fuller, Tran, Duke 2000, A632.) 3.2 Sakeusmittarit Sakeuden mittaamiseen käytetään apuna mm. seuraavia sakeusmittareita: lapa-anturi, pyörivä sakeuslähetin ja mikroaaltomittari. (Knowpulp 4.0. 2005.) 3.2.1 Lapa-anturi Kuviossa 2 on esimerkki lapa-anturista. Lapa-anturit toimivat leikkausvoimaperiaatteella. Anturina massaputkessa on lapa, johon kohdistuu virtaavan massan leikkausvoima, joka on suoraan verrannollinen massan sakeuteen. Jos lähetin asennetaan laminaariselle virtausalueelle ja virtausnopeus on välillä 0,5 5 m/s, lapalähettimet eivät ole riippuvaisia massan virtausnopeudesta. Leikkausvoimaperiaatteella toimivan sakeuslähettimen staattinen lapa soveltuu kaikkiin prosesseihin. Lähettimen kestävä rakenne ja hyvät lämpöominaisuudet mahdollistavat vaativatkin asennuskohteet, kuten keittimen puskulinjan. Lähetin on helppo ottaa käyttöön, koska kalibrointikäyrät ovat sisäänrakennettuja. Kalibrointikäyrästöt kattavat kaikki massatyypit ja niitä vastaavat anturit, ja niiden avulla massalajivaihdot voidaan automatisoida. Tällöin ulostulo kertoo aina todellisen sakeuden. Mitattavan sakeusalueen tulee olla 0,7 16 % Cs. (Knowpulp 4.0. 2005.)

10 KUVIO 2. Lapalähetin (Knowpulp 4.0. 2005.) 3.2.2 Pyörivä sakeusmittari Leikkausvoimamittareista toiseksi yleisin ovat ns. pyörivät sakeusmittarit. Ne mittaavat massan aiheuttamaa leikkausvoiman momenttimuutosta. Tämä muutos on verrannollinen massan sakeuteen. Laiterakenne on monimutkaisempi kuin lapamittareissa. Pyörivien sakeusmittareiden etu on niiden hyvä asennettavuus. Nämä voidaan asentaa turbulenttiselle virtausalueelle lähelle muita prosessi-instrumentteja ja putkimutkia. Lisäksi sallittu virtausvaihtelualue on suurempi kuin lapamittareilla, alkaen lähes nollavirtauksesta. Tuntoelintä pyöritetään massassa servomoottorin avulla. Tuntoelimeen kohdistuva voima mitataan optisten levyjen avulla. Momenttivoima on verrannollinen massan sakeuteen. Paperimassa jarruttaa tuntoelimen kiertymistä, jolloin moottoriin kiinnitetyn optisen levyn ja tuntoelimessä olevan optisen levyn keskinäinen asema muuttuu. Muutos mitataan aina laitteen mukaan tarkkuusjousien avulla, sähköisesti ja optiikkaa apuna käyttäen. Muutos muunnetaan momentiksi ja edelleen sakeudeksi. Kuviossa 3 on pyörivä sakeusmittari (Knowpulp 4.0. 2005.)

11 KUVIO 3. Pyörivä sakeusmittari (Knowpulp 4.0. 2005.) 3.2.3 Mikroaaltomittari Mikroaaltomittareiden mittausperiaate hyödyntää mikroaaltojen kulkuajan lineaarista riippuvuutta sakeudesta. Mikroaaltojen etenemisnopeuden materiaaleissa määräävä dielektrisyysvakio on vedellä huomattavasti isompi kuin massan kiintoaineilla. Tämän vuoksi mikroaallot kulkevat massassa sitä hitaammin, mitä suurempi on massan vesipitoisuus. Online-mittauksessa mikroaallot läpäisevät mitattavan massavirran, jolloin saadaan nopeasti mittaustulos. Merkittävä ero muunlaisiin mittausteknologioihin on, että täyteaineet sisältyvät mittaustulokseen. Kuviossa 4 on kuvattu kaksi erilaista mikroaaltomittaria. (Knowpulp 4.0. 2005.)

12 KUVIO 4. Mikroaaltosakeusmittari (Knowpulp 4.0. 2005.) 3.2.4 Optiset sakeusmittarit Kuviossa 5 on esimerkki optisesta sakeusmittarista. Valon heijastukseen perustuvassa mittauksessa sakeus mitataan suuntaamalla valonsäde mitattavaan massaan. Valo suodatetaan, ja siten massaan ohjautuu aallonpituudeltaan sopivaa valoa. Osa valosta heijastuu takaisin mitattavasta massasta, ja valokennon avulla mitataan lähetetyn ja vastaanotetun valon voimakkuudet. Mittaustulos on suoraan verrannollinen sakeuteen, eli mitä sakeampi massa, sitä suurempi on takaisin heijastuneen valon määrä. Mittausalueena on 0,1 10 %. (Knowpulp 4.0. 2005.) Optisen mittauksen heijastukseen perustuva ratkaisu ei aina ole paras vaihtoehto mitattaessa erivärisiä paperimassalaatuja nykypäivän paperi- ja kartonkiteollisuudessa. Parempi ratkaisu on ns. suoraan absorptioon perustuva mittaus, jossa monokromaattista, tarkalleen valittua aallonpituutta (880 nm:n) käyttävä optiikka on täysin tunteeton massan värille. (Knowpulp 4.0. 2005.)

13 Valon polarisaation perustuvaa tekniikkaa käytetään tyypillisesti matalan sakeuden sovelluksissa mittausalueen ollessa 0 1.5 %. Mittaus perustuu kuitujen kykyyn depolarisoida näytteeseen johdatettavaa valoa. Valonlähteestä (LED) valo johdetaan polarisaatiosuotimen sekä optiikan läpi massanäytteeseen. Näytteen depolarisoiman valon määrä on verrannollinen sakeuteen. Mittarit ovat tavallisesti online-mittareita, eli massanäyte johdetaan näytelinjaa pitkin lähettimelle ja edelleen takaisin prosessiin. Mittarit vaativat huolellisen kalibroinnin kullekin massalajille, ja massan ominaisuuksien muuttuessa uudelleen kalibrointi on tarpeen. (Knowpulp 4.0. 2005.) KUVIO 5. Optinen sakeusmittari (Knowpulp 4.0. 2005.)

14 4 AIKAISEMPIA TUTKIMUKSIA Kemira solutions on tehnyt tutkimuksen SIMO-vaiheen optimointi. Tutkimuksessa A- vaiheeseen lisättiin SiMO-aktivaattoria vaaleuden parantamiseksi. Tutkimuksessa käytettiin hyväksi Taguchi-ohjelmaa. Paras tulos saatiin 12 %:n sakeudella, 180 min:n reaktioajalla ja 0,4 kg/t olevalla SiMO-määrällä, joista reaktioaika oli hallitsevin. (Kervinen, Fant, Jäkärä, Härmä, Viitanen, Patola, Järvinen, Hämäläinen, Keskinen & Paren 2003.) Janne Vilkkilä on tehnyt Metsä-Botnian sisäisenä toimeksiantona tutkimuksen Happivaiheen diffusöörin toiminnan tehostaminen Kaskisissa. Tutkimuksen tulosten mukaan optimipoistosakeus tulisi pitää 9 10 %:ssa, pesunestettä ei tulisi ajaa ylikapasiteetilla ja suodosvirtaukset tulisi optimoida lähelle maksimikapasiteettia. Lisäksi tutkimuksessa todetaan, että pesuneste ja suodosvirtaukset tulisi vakioida. (Vilkkilä 2005.) Omaa tutkimusta tehdessäni pesuvesien ajoa ylikapasiteetilla ei enää tapahtunut.

15 5 TUTKIMUKSEN KULKU Tutkimus aloitettiin tarkastamalla sakeusmittarit. Sakeusmittareilta otettiin kolme noin 100 gramman massanäytettä ja kirjattiin sakeusmittarin lukema massanäytettä otettaessa. Massanäytteet punnittiin, jonka jälkeen näytteet imusuodatettiin ja pestiin. Suodatuksen jälkeen massanäytteitä kuivatettiin lämpöuunissa, kunnes näytteet olivat täysin kuivia. Kuivatetut massanäytteet punnittiin ja laskettiin näytteiden todellinen sakeus. Tällöin huomattiin, että kahden mittarin (happidiffusööriin menevän ja D/O-vaiheen) tulokset poikkesivat huomattavasti todellisesta sakeudesta, kuten taulukossa 1 on esitetty. Mittarit kalibroitiin sakeusnäytteiden tulosten perusteella. Näytteet otettiin joka päivä ennen koe-ajojen suorittamista. Kalibroinnin jälkeen aloitettiin sakeuksien optimointi. Todettiin, että tutkimuksen pääpainona olisi A-vaiheen sakeuden nostaminen noin 9 %:n sakeuteen. Myös D/O-vaiheen sakeuteen tulisi kiinniittää huomiota, koska koko valkaisun tuotantonopeus on verrannollinen D/O-vaiheen sakeudesta. Sakeusmittareita oli viisi kappaletta: happitorniin menevä, happitornista lähtevä, A- vaiheeseen menevä, avo-vaiheen ja D/O-vaiheen mittarit. Ensiksi päätettiin nostaa happitorniin menevän massan sakeutta. Sakeutta nostettiin happitornia edeltävän pumppausastian laimennusta vähentämällä. Sakeuden noston aikana seurattiin happitornin yläpään painetta ja happitornista lähtevän massan kappalukua. Happitornista lähtevää sakeutta ei voitu säätää, jolloin mittari vain kalibroitiin. A-vaiheeseen menevän sakeuden nosto suoritettiin happivaiheen jälkeisen kaksoisdiffusöörin pesuvesiä/suodoksia säätämällä. A-vaiheen sakeuden noston aikana seurattiin A-vaiheen sakeutta, happidiffusöörin poistokaavarin kuormaa, pesuvesi/suodosvesien määriä, suodoslinjojen imupaineita, sihtipaketin alastuloaikaa, suodoksien johtokykyjä ja A-vaiheen jälkeistä kappalukua ja vaaleutta. A-vaiheen sakeuden noston ongelmia olivat diffusöörin toiminnan takaaminen ja pesujen johtokykyjen hallinta. Koska A-vaihe suoritettiin kahdessa varastotornissa, massa jouduttiin ajamaan vuorotellen kumpaankin, eli kun toinen massatorni tuli täyteen, vähennettiin kyseisen massatornin purkamista, kun taas toisen massatornin purkua lisättiin. Näin viiveaikaa massatorneissa parannettiin. Tornien vaihtelu aiheutti virtaus/sakeusmuutoksia seuraavaan avovaiheessen. Muutoksia pyrittiin tasoittamaan massatornien pohjalaimennuksilla ja massapumppujen laimennuksilla. Avo-pesurin jälkeistä otsonivaiheen sakeutta nostettiin pesurin

16 massaruuvin laimennusta vähentämällä. D/O-vaiheen sakeussäätö yritettiin automatisoida välivarastotornin pohjalaimennuksella ja massapumpun laimennuksella. Sakeussäätöjen aikana seurattiin lisäksi myös kemikaalikustannuksia.

17 6 TUTKIMUSTULOKSET Taulukossa 1 on sakeusmittareiden sakeusnäytteiden todelliset sakeudet verrattuna mittareiden näyttämään lukemaan. Happidiffusöörille menevän ja D/O:hon menevän sakeusmittarin tulokset poikkesivat huomattavasti todellisesta lukemasta. TAULUKKO 1. Sakeusmittareiden sakeusnäytteet mittarin lukema todellinen lukema Happitorniin Happidiffusööriin A-vaiheeseen Avo-vaiheeseen D/O:hon menevä menevä menevä menevä menevä 10,6 10,3 9,5 3,2 9,7 10,5 10,8 9,3 3,4 8,8 Taulukossa 2 tarkastellaan koeajoa happidiffusöörillä samalla tuotannolla kahtena perättäisenä päivänä. Taulukossa nähdään pesuvesien määrä pesuvaiheisiin 1 ja 2 sekä suodosventtiilin asentoprosentti, litramäärä ja sakeus. TAULUKKO 2. Happidiffusöörin koeajo tuotanto 1300 16.1 2006 pesu 1. pesu 2. pesu 1. pesu 2. 190l/s 185l/s 170 l/s 175l/s suodos % 63,5 57,5 suodos % 61 % 55 % suodos l/s 220 225 suodos l/s 213 213 sakeus 8,4 sakeus 8,8 tuotanto 1300 17.1 06 pesu 1. pesu 2. pesu 1. pesu 2. 145 l/s 135l/s 145 l/s 135l/s suodos % 58,5 49,5 suodos % 58,5 49,5 suodos l/s 211 175 suodos l/s 205 170 sakeus 9 sakeus 8

18 Kuviossa 6 on näkyvissä A-vaiheeseen menevän massan sakeuden nosto happidiffusööriin menevää pesuvesimäärää vähentämällä. pesuvesim.vaiheeseen 2 vuopes. 180 170 160 150 140 130 120 110 100 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 KUVIO 6. Happidiffusöörin vaiheen 2 pesuvesimäärä Kuviossa 7 nähdään pesuvesien laskun vaikutus diffusöörin suodoksien johtokykyyn vaiheen 2 suodoksen johtokyky l/s 600 550 500 450 400 350 300 250 200 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 KUVIO 7. Happidiffusöörin 2-vaiheen suodoksenjohtokyky ms/m

Sakeus % l/s 19 Kuviossa 8 on TCF-ajon avosuodoksen kierrätyksen lopettaminen diffusöörille. Avosuodos 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Avosuodos 23:00 23:30 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 Aika KUVIO 8. Avosudoksen määrä happidiffusöörille Kuviossa 9 on massansakeusmittarin näyttämän lukeman pienentyminen AVO suodoksen poistamisen yhteydessä sakeus 14 13 12 11 10 9 8 7 6 sakeus 23:00 23:30 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 Aika KUVIO 9. Massansakeus happidiffusöörin jälkeen

l/s Sakeus % 20 Kuviossa 10 on massansakeuden heilahtelut lajittamon ongelmatilanteissa. Sakeus 12 11 10 9 8 7 6 2:00 2:15 2:30 2:45 3:00 3:15 3:30 3:45 4:00 4:15 4:30 Aika Sakeus KUVIO 10. Massansakeus happidiffusöörin jälkeen Kuviossa 11 nähdään virtausmäärien heilahtelut happidiffusöörille menevässä massassa lajittamon ongelmatilanteissa Virtaus 160 140 120 100 Virtaus 80 60 2:00 2:15 2:30 2:45 3:00 3:15 3:30 3:45 4:00 4:15 4:30 Aika KUVIO 11. Massan virtaus happidiffusöörille.

sakeus 21 Kuviossa 12 nähdään massan sakeus diffusöörin jälkeen 32 tunnin trendillä. sakeus diffusöörin jälkeen 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 sakeus diffusöörinjälkeen 2,00 0,00 9:00 13:00 17:00 21:00 1:00 5:00 9:00 13:00 17:00 aika KUVIO 12. Sakeus diffusöörin jälkeen

22 7 JOHTOPÄÄTÖKSET Happitorniin menevän sakeuden todettiin oleva sopiva. Sakeuden nosto etenkin suurilla tuotantonopeuksilla huonontaa massan purkamista happitornista, jolloin happitornin yläpään paine voi pysäyttää koko happidelignifioinnin. Ongelmaksi A-vaiheen sakeuden nostossa osoittautui happivaiheen jälkeinen diffusööri, jossa A-vaiheen sakeus tuli nostaa. Ongelmana oli liian suuri sakeuttaminen, joka johti sihtipakettien tukkeutumiseen, johtokykyjen nousuun ja sihtipaketin alastuloajan nousemiseen. Johtokykyjen seuranta on tärkeää, koska diffusööriltä lähtevää suodosta käytetään lajittamon ja keittimen pesuvetenä. Johtokykyjen nousu diffusöörissä huonontaa massan valmistuksen alkupään pesuja, jolloin huonosti pesty massa kulkee takaisin happidiffusöörille, mikä taas nostaa johtokykyjä. Tämä aiheuttaa niin sanotun oravanpyörän. Koko pesukierron puhdistaminen voi kestää pitkiäkin aikoja, koska pesukierto on niin pitkä. Kun pesuvesimääriä diffusöörille vähennettiin, niin diffusööriltä lähtevien suodoksien johtokyky nousi. Pesuvesimäärien vaikutus johtokykyyn nähdään kuvioissa 6 ja 7. Johtokykyjen nousun välttämiseksi sakeuden nostoa happidiffusöörin pesuvesiä vähentämällä tulisi välttää. TCF-ajomallilla ajettiin A-vaiheeseen SIMO-aktivaattoria vaaleuden ja kappaluvun parantamiseksi. Tällöin seuraavan pesuvaiheen suodoksia kierrätettiin happidiffusöörille, mikä aiheutti ph-muutoksia A-vaiheeseen. Tämä muutti sakeusmittarin lukemaa, vaikka pesuvesimäärät pysyivät vakioina. Tämä havaittiin parhaiten, kun AVO-suodoksien kierrätys lopetettiin, ja samanaikaisesti sakeusmittarin lukema putosi radikaalisti. Suodoksien vähentäminen nähdään kuviossa 8 ja sakeusmittarin lukeman muuttuminen havaitaan kuviossa 9. Lajittamosta tuleva massa syötetään happivaiheeseen ilman välivarastotornia, mikä aiheuttaa lajittamon ongelmatilanteissa virtausheittoja diffusöörille. Tämä aiheuttaa myös sakeusheittoja A-vaiheeseen. Sakeusheitot nähdään kuviossa 10 ja lajittamon virtausheitot kuviossa 11. Virtausheitot sekoittavat A-vaiheen toiminnan, ja tilanteen stabiloituminen kestää hetken.

23 Happidiffusöörin jälkeistä sakeutta saatiin pidettyä tasaisilla ajoilla optimitasolla pitkiäkin aikoja ilman, että diffusöörillä olisi ollut suurempia ongelmia. Kuviossa 12 nähdään 32 tunnin trendi sakeuden pitämisestä optimitasolla. Happidiffusöörin pesuvesimäärille oli vaikea tehdä yksilöllistä ajo-ohjetta, koska samoilla tuotantonopeuksilla ja pesuvesimäärillä sakeus voi olla eri ajankohdilla erilainen, mikä voidaan nähdä taulukossa 2. Tämä voi johtua massan erilaisesta käyttäytymisestä diffusöörissä. Valkaisijoilla on kuitenkin tietty nyrkkisääntö pesuvesien ja suodoksien suhteen: kun lisätään pesuvettä 5 litraa, on suodosventtiiliä avattava 1 %. Vakaassa ajotilanteessa tämä näytti pitävän hyvin paikkansa. Otsonivaiheen sakeamassapumppu pumppasi sakeamman massan hyvin, mutta suurilla tuotannon nopeuksilla esiintyi sakeamassapumpun pumppausastian pinnan heilumista. Tämä aiheutti otsonireaktorin paineen heittelyä, joka saattoi pysäyttää otsonin syötön reaktoriin. Suurilla tuotannon nopeuksilla pieni vesimäärä massaruuville vakautti otsonivaiheen ajamista. D/O-vaiheen sakeusmittari osoittautui herkäksi eri massalajeilla ajettaessa. Sakeusmittarin heitto todelliseen sakeuteen saattoi olla jopa 1 %. Sakeusmittarien lukemat todelliseen sakeuteen nähdään taulukossa 1. Asian huomasi parhaiten lajivaihdon aikana, jolloin valkaisun viivelaskenta oli pielessä useita tunteja. Sakeusmittari tulisi kalibroida eri massalajeille erikseen. D/O-vaiheeseen menevää massaa säädettiin edellisen tornin alalaimennuksella, mutta tähän laimennukseen tarvittavat määrät olivat liian pieniä, vaikka linjaa muutettiin niin että painetta saatiin nostettua. Sakeusmittareiden toiminnan ylläpitäminen osoittautui hankalaksi prosessiolosuhteiden jatkuvan muuttumisen vuoksi. Massalajit ja valkaisutyyppien vaihtelut muuttivat myös sakeusmittareiden toimintaa. Tutkimuksen aikana mittareita kalibroitiin jatkuvasti, jolloin voitiin tutkimus suorittaa moitteettomasti.

24 8 YHTEENVETO A-vaiheen sakeus tulisi pitää yli 9 prosentin sakeudessa massatornien kanavoimisen ehkäisemiseksi, mutta välttää yli 10 prosentin sakeuksia happidiffusöörin ajo-ongelmien välttämiseksi. Tehtaalla on haettu investointirahaa uudelle pesupuristimelle, joka parantaisi happivaiheen jälkeistä pesua ja nostaisi sakeutta. Sakeuden nostamisen A-vaiheessa ei saisi tapahtua happidiffusöörin pesuvesiä vähentämällä. Sakeuden noston tulisi tapahtua diffusöörin suodoksia lisäämällä, jos suodossäiliöiden pinnat sen sallivat. D/O-vaiheen sakeusmittariin olisi hyvä saada eri massalajeille omat kalibrointikäyrät. Välivarastotornin pohjalaimennuslinjan virtausmäärää tulisi nostaa D/O-vaiheeseen menevän sakeuden automatisoimiseksi. Sakeusmittarien seurantaa tulisi parantaa. Esimerkiksi joka kuukauden viimeinen päivä voisi olla sakeusmittarien tarkastuspäivä.

25 LÄHTEET Fant, Thomas. 2002. Metsä-Botnia Kaskisten tehdas Isotalo, Kaija. 2004. Puu- ja sellukemia. 3. Painos. Helsinki: Opetushallitus Kervinen, Esa & Fant, Thomas & Jäkärä, Jukka & Härmä, Timo & Viitanen, Tapio & Patola, Juha & Järvinen, Juha & Hämäläinen, Hannu & Keskinen, Tuomo & Paren, Arto. 2003. Simo-vaiheen optimointi. Kemira Chemicals Oy. Knowpulp 4.0. 2005. CD-ROM. Prowledge Oy: Vantaa Macleod, Martin & Smith, Desmond & Fuller, Bill & Tran, Hongi & Duke, Norman. 2000. Chemical Pulping. 1.p. Jyväskylä: Gummerrus Printing Seppälä, Markku J. & Klemetti, Ursula & Kortelainen, Veli-Antti & Lyytikäinen, Jorma & Siitonen, Heikki & Sironen, Raimo. 2004. Paperimassan valmistus. 2.p. Saarijärvi: Gummerus Kirjapaino Oy Vilkkilä, Janne. 2005. Happivaiheen diffusöörin toiminnan tehostaminen Kaskisissa. Botnia Kaskisten tehdas.