Soodakattilan kapasiteettitarkastelu

Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma BH10A0201 Energiatekniikan kandidaatintyö ja seminaari Soodakattilan kapasiteettitarkastelu Recovery boiler capacity inspection Työn tarkastaja: Professori Esa Vakkilainen Työn ohjaaja: Professori Esa Vakkilainen Lappeenranta 23.12.2013 Jappo Rönkä

TIIVISTELMÄ Tekijän nimi: Jappo Rönkä Opinnäytteen nimi: Soodakattilan kapasiteettitarkastelu Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma Kandidaatintyö 2013 31 sivua, 10 kuvaa, 1 taulukko, 9 yhtälöä ja 1 liite Hakusanat: kemikaalien talteenotto, soodakattila, kapasiteetti Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tarkastella soodakattilan kapasiteettiin vaikuttavia tekijöitä. Tarkoituksena on selvittää eroja vanhojen ja uusien sekä pienien ja suurien soodakattiloiden välillä. Työn teoriaosuus perustuu soodakattiloita ja sellunvalmistuksen kemikaalikiertoa käsittelevään kirjallisuuteen. Työn tutkivassa osuudessa tarkastellaan lähtötietotaulukkoa johon on kerätty tietoja 140 rakennetusta soodakattilasta ympäri maailmaa. Lähtötiedoista valitaan tarkasteltaviksi ominaisuuksiksi soodakattilan rakennusvuosi, tulipesän dimensiot, tuorehöyryn paine ja lämpötila sekä tulipesän viipymäaika. Tulokset saadaan tarkastelemalla valituista tiedoista sekä kapasiteeteista piirrettyjä kuvaajia. Soodakattiloiden kapasiteettien kasvun havaitaan kiihtyneen 2000-luvulla. Soodakattilan kapasiteettia on kasvatettu suurentamalla tulipesän pohjan pinta-alaa kapasiteetin kanssa samassa suhteessa, kun taas tulipesän korkeutta on lisätty suhteessa vähemmän. Tuorehöyryn paineiden ja lämpötilojen aiemman nousun huomataan pysähtyneen. Suurempien soodakattiloiden tulipesän viipymäaikojen havaitaan olevan pidempiä kuin pienien kattiloiden.

SISÄLLYSLUETTELO Sisällysluettelo Symboli- ja lyhenneluettelo 4 1 Johdanto 5 2 Sulfaattisellunvalmistuksen kemikaalikierto 7 2.1 Mustalipeän haihdutus... 8 2.2 Mustalipeän poltto... 9 2.3 Kaustisointi... 9 2.4 Meesanpoltto... 10 3 Soodakattila 11 3.1 Rakenne... 11 3.2 Toimintaperiaate... 12 3.2.1 Mustalipeän syöttö tulipesään... 13 3.2.2 Mustalipeän palaminen ja kemikaalien pelkistysprosessi... 14 3.2.3 Ilmansyöttö... 15 4 Kattilasuunnittelun kehitys 16 4.1 Ensimmäiset soodakattilat... 16 4.2 Kaksilieriörakenteinen soodakattila... 17 4.3 Moderni soodakattila... 18 4.4 Tulevaisuuden soodakattilat... 19 5 Soodakattilan tulipesän suunnittelu 21 5.1 Tulipesärasitus... 21 5.2 Tulipesän dimensiot... 22 6 Soodakattilan kapasiteettitarkastelu 24 6.1 Kapasiteetin kehitys ajan myötä... 24 6.2 Tulipesän dimensioiden vaikutus kapasiteettiin... 26 6.3 Tuorehöyryn paine ja lämpötila... 28 6.4 Tulipesän viipymäaika... 30 7 Yhteenveto 31 Lähdeluettelo 32 Liite 1. Lähtötietotaulukko 34

SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO A pinta-ala [m 2 ] q m massavirta [kg/s] HHRR tulipesärasitus [W/m 2 ] HHV polttoaineen ylempi lämpöarvo [J/kg] HSL poikkipintakuormitus [kg ka /sm 2 ] Alaindeksit ka pa kuiva-aine (märkä) polttoaine Lyhenteet CaCO 3 kalsiumkarbonaatti CaO kalsiumoksidi Ca(OH) 2 kalsiumhydroksidi LHT mustalipeän lämpökäsittely Na 2 CO 3 natriumkarbonaatti Na 2 S natriumsulfidi Na 2 SO 4 natriumsulfaatti NaOH natriumhydroksidi

5 1 JOHDANTO Sellunvalmistuksessa käytettyjen keittokemikaalien talteenotto ja muokkaaminen uudelleenkäytettävään muotoon oli varsin tehotonta, kunnes ensimmäiset soodakattilat kehitettiin. Pitkäkestoisen kehityksen tuloksena soodakattilat kuuluvat maailman suurimpiin biomassaa polttaviin kattiloihin. (Vakkilainen 2003, 1.) Soodakattila on nykyaikaisen sellutehtaan elintärkeä yksikkö. Se tuottaa sellutehtaan tarvitseman sähkön ja prosessihöyryn sekä regeneroi keittokemikaalit. Soodakattilaa voisikin pitää nykyaikaisen sellutehtaan sydämenä. Tämän työn teoriaosassa käsitellään aluksi yleisesti sulfaattisellunvalmistuksen kemikaalikierron pääprosesseja. Muita sellunvalmistusmenetelmiä ei esitellä, sillä sulfaattimenetelmä on selvästi yleisin tapa valmistaa sellua (Tran & Vakkilainen 2008, 1.1-1). Sulfaattisellunvalmistuksen kemikaalikierron pääprosessit ovat mustalipeän haihdutus, mustalipeän poltto, kaustisointi ja meesanpoltto. Mustalipeän polton yksityiskohtiin ei paneuduta vielä kemikaalikiertoa käsiteltäessä. Luvussa 3 tarkastellaan soodakattilan rakennetta ja toimintaperiaatetta. Tässä luvussa käsitellään myös tarkemmin mustalipeän palamista tulipesässä. Soodakattilan tulipesäprosessi eroaa muista voimalaitoskattiloista mustalipeän haasteellisten polttoaineominaisuuksien ja soodakattilalta edellytettävän kemikaalien talteenoton vuoksi (Huhtinen et al. 1997, 150). Tätä ajatellen toimintaperiaatteen käsittely on rajattu koskemaan lähinnä tulipesäprosessia. Soodakattilasuunnittelun kehitys voidaan jakaa kronologisesti muutamaan vaiheeseen. Merkittävä muutos kattilasuunnittelussa on ollut siirtyminen kaksilieriöisestä rakenteesta yksilieriöiseen. Lisäksi suunnittelussa on kiinnitetty huomiota muun muassa ilmansyötön optimointiin sekä höyryn- ja sähköntuoton lisäämiseen. Kattilasuunnittelun kehitystä käsitellään luvussa 4. Luvussa 5 tarkastellaan soodakattilan suunnittelua. Tässäkin keskitytään käsittelemään aihetta tulipesän suunnittelun kannalta ja tulipesän ulkopuoliseen suunnitteluun liittyviä seikkoja sivutaan vain lyhyesti. Tulipesän suunnittelun kannalta oleellisia asioita ovat tulipesän dimensiot ja polttoainevirran mukainen lämpökuormitus.

6 Työn tutkivassa osuudessa käsitellään soodakattilan kuiva-ainekapasiteettiin liittyviä tekijöitä. Tarkoituksena on selvittää suurien ja pienien soodakattiloiden eroja tyypillisissä mitoitus- ja toiminta-arvoissa. Tutkivan osuuden perustana on lähtötietotaulukko, johon on kerätty tietoja olemassaolevista soodakattiloista ympäri maailmaa. Työssä selvitetään kapasiteetin kehitys ajan myötä sekä tulipesän dimensioiden ja tuorehöryn arvojen yhteys kapasiteettiin. Lisäksi selvitetään kuinka suuria tulipesän viipymäaikoja erikokoisissa soodakattiloissa on.

7 2 SULFAATTISELLUNVALMISTUKSEN KEMIKAALIKIERTO Sulfaattimenetelmässä sellun keittämiseen käytetään natriumhydroksidia (NaOH) ja natriumsulfidia (Na 2 S) (Tran & Vakkilainen 2008, 1.1-1). Sulfaattisellunvalmistuksessa keittokemikaalit ja liuennut orgaaninen aines saadaan erotettua mustalipeän muodossa sellun pesussa (Vakkilainen 2005, 1-1). Näin saatu mustalipeä sisältää lähes kaikki sellun keitossa käytetyt kemikaalit ja puusta erotettavan ligniinin sekä muita keitossa liuenneita orgaanisia yhdisteitä (Adams et al. 1997, 3). Sellunvalmistuksen sivutuotteena syntyvä alkalinen mustalipeä heitettiin alun perin hukkaan, kunnes 1930- ja 1940-luvuilla nykyaikainen kemikaalien talteenotto ja regenerointi otettiin laajemmin käyttöön. Tekniikan kehittyminen ja tehdaskoon kasvaminen teki mustalipeän prosessoinnista taloudellisempaa, kuin uusien kemikaalien ostaminen. (Vakkilainen 2005, 1-1.) Mustalipeän poltossa hyödyksi saatava energia ylittää nykyaikaisilla laitoksilla tehtaan oman kulutuksen (Vakkilainen 2008a, 10). Talteenoton päätoiminnot voidaan jakaa seuraaviin prosesseihin: - mustalipeän haihdutus - mustalipeän poltto - kaustisointi - meesanpoltto Kuvassa 2.1 esitetään edellämainitut prosessit kaaviona. Mäntyöljylaitos Soodakattila Viherlipeä Mustalipeä Suopa Haihduttamo Laihamustalipeä Meesauuni Kaustisointi Keittämö Valkolipeä Kuva 2.1: Talteenoton kemikaalikierto ja merkittävimmät prosessit.

8 Näiden lisäksi tarvitaan muita pienempiä toimintoja ylläpitämään jatkuvaa talteenottokiertoa. (Vakkilainen 2008a, 10.) Mustalipeästä poistetaan suopaa lipeäsäiliöiden ylikaatona. Kuten kuvasta 2.1 nähdään, suovan erotus tapahtuu haihduttamolla. Suovan poistaminen muun muassa parantaa haihduttamon toimintaa ja siitä voidaan valmistaa mäntyöljyä. (Foran 2008.) Natriumin ja rikin määrien suhdetta mustalipeässä hallitaan sekoittamalla polttolipeään savukaasuista erotettavaa kemikaalipitoista lentotuhkaa tai lisäkemikaaleja, kuten natriumsulfaattia tai natriumkarbonaattia (Vakkilainen 2008a, 10). Sellutehtaan prosesseissa syntyy rikkipitoisia hajukaasuja, jotka vaativat käsittelyä. Hajukaasut voidaan nykyisin polttaa soodakattilassa, jolloin kaasujen rikki ja lämpöenergia saadaan talteen. (Janka & Tamminen 2003.) 2.1 Mustalipeän haihdutus Haihduttamon tehtävä on nostaa sellun pesusta saatavan laihamustalipeän kuivaainepitoisuutta. Laihamustalipeän kuiva-ainepitoisuus on 12 20 prosentin luokkaa. Sellaisenaan laihamustalipeän polttaminen vaatisi enemmän energiaa, mitä se tuottaisi, joten sen kuiva-ainepitoisuus nostetaan tarpeeksi korkealle polttoa varten. Tämä tulisi tehdä säilyttäen mustalipeän sisältämät kemikaalit mahdollisimman hyvin. Haihdutuksessa mustalipeästä erotetaan vettä, jolloin saadaan väkevöityä mustalipeää ja lauhdetta. Lauhteet eritellään puhtaisiin ja likaisiin lauhteisiin. Haihduttamolla tapahtuu myös suovan erotus mustalipeästä. (Vakkilainen 2008a, 11.) Soodakattilan kapasiteetin parantamiseksi pyritään koko ajan suurempiin kuivaainepitoisuuksiin. Nykyisin kuiva-ainepitoisuuden tavoitearvona pidetään 80 85 %. Polttolipeän kuiva-ainepitoisuuden alarajan määrittää sularäjähdysvaara soodakattilassa. Tämän vuoksi kuiva-ainepitoisuus ei saa alittaa 58 %. (KnowPulp 2011.) Haihduttamolaitosten polttolipeän kuiva-ainepitoisuudet vaihtelevat välillä 65 85 % (Adams et al. 1997, 3). Mustalipeän kuiva-ainepitoisuuden noustessa sen viskositeetti kasvaa, minkä vuoksi korkeisiin kuiva-ainepitoisuuksiin pääseminen vaatii haihduttamolta monimutkaisempaa tekniikkaa (Vakkilainen 2008a, 12). Yli 80 %:n kuiva-ainepitoisuuksiin pääseminen ei onnistu perinteisillä haihduttamotekniikoilla, vaan tarvitaan lisälaitteita. Ongelmaksi muodostuvan korkean viskositeetin alentamiseksi mustalipeän lämpötilaa voidaan nostaa. Tähän päästään käyttämällä

9 haihdutuksessa matalapainehöyryn sijaan välipainehöyryä ja varastoimalla polttolipeä hyvin korkeassa lämpötilassa. Polttolipeäsäiliön on silloin oltava korkeassa paineessa. Viskositeetin alentamiseksi mustalipeää voidaan myös lämpökäsitellä (LHT, Liquor Heat Treatment), jolloin lipeän lämpötila nostetaan noin 190 ºC:een ja pidetään siinä noin 20 minuuttia. Näin korkeassa lämpötilassa mustalipeän molekyylit pilkkoutuvat alentaen sen viskositeettiä. (KnowPulp 2011.) 2.2 Mustalipeän poltto Haihduttamolta tuleva polttolipeä pumpataan soodakattilalle poltettavaksi. Sellutehtaan kemikaalikierron kannalta oleellista on soodakattilan regeneratiivinen rooli. Sulfaattisellunvalmistuksen keittokemikaalit otetaan soodakattilassa talteen polttamalla mustalipeän orgaaninen osa, jolloin epäorgaaniset kemikaalit jäävät palamatta. (Vakkilainen 2008b, 98.) Pääasiassa natriumkarbonaattia ja natriumsulfidia sisältävä kemikaalisula poistetaan tulipesän pohjalta sekoitussäiliöön (Vakkilainen 2008a, 13). Mustalipeän palamista tulipesässä ja soodakattilan toimintaa käsitellään tarkemmin luvussa 3. 2.3 Kaustisointi Soodakattilasta tulevasta sulasta materiaalista tehdään viherlipeää syöttämällä kemikaalisula laihavalkolipeän joukkoon sekoitussäiliöön. Tämän jälkeen viherlipeästä erotetaan sakkaa selkeyttämällä tai suodattamalla. (Vakkilainen 2008a, 14.) Perinteisten selkeyttimien tilalla on yhä enemmän alettu käyttämään erilaisia suodattimia, joilla saadaan puhtaampi lopputulos. Puhtaammalla lopputuloksella tarkoitetaan prosessiin kuulumattomien alkuaineiden poistamista tarkemmin. Puhtaammalla viherlipeän suodatustuloksella voidaan nostaa saavutettavissa olevaa valkolipeän tuotantokapasiteettiä tai parantaa valkolipeän laatua. Käytettyjä suodatustekniikoita ovat vastavirtasuodatus, kasettisuodatus ja levysuodatus. (Headley 1996.) Viherlipeä sisältää natriumkarbonaattia (Na 2 CO 3 ), joka reagoi kalsiumhydroksidin eli sammutetun kalkin (Ca(OH) 2 ) kanssa muodostaen natriumhydroksidia (NaOH) seuraavan yhtälön mukaisesti.

10 ( ) (1) Viherlipeään lisätään sammuttimessa kalkkia (CaO), joka muuttuu viherlipeässä olevan veden vaikutuksesta sammutetuksi kalkiksi. (Huhtinen et al. 1997, 67.) Kaustisointireaktio (yhtälö 1) alkaa sammuttimessa ja se saatetaan loppuun kaustisointisäiliöissä. Kaustisointireaktion täydellisyyttä kuvataan kaustistumisasteella, joka kertoo kuinka suuri osa natriumkarbonaatista on muuttunut natriumhydroksidiksi. ( ) (2) Ylärajan yhtälön 2 kaustistumisasteelle määrää kaustisointireaktion tasapainotila, jota lähestyttäessä alkaa reaktionopeus hidastua. Kaustistumisasteen tavoitearvo on noin 80 % ja sen mukaan säädellään sammuttimeen syötettävää kalkkimäärää. Kalkinsyötön säätelyllä pyritään välttämään ylikalkitusta, jolloin osa kalkista ei ehdi reagoida vaan jää meesaan eli kalsiumkarbonaattiin (CaCO 3 ) ns. vapaana kalkkina. Vapaa kalkki meesassa vaikeuttaa meesan suodatusta ja polttoa. Kaustisoinnin jälkeen valkolipeä ja meesa erotetaan toisistaan selkeyttämällä tai suodattamalla. Meesa pestään, jolloin pesusuodoksena saadaan laihavalkolipeää. (KnowPulp 2011.) 2.4 Meesanpoltto Kaustisoinnissa syntyvä meesa käsitellään meesauunissa. Meesauuni on pitkä pyörivä rumpu, jossa meesa kuivataan ja lämmitetään polttamalla maakaasua tai öljyä. Kuivuttuaan meesa reagoi lämmön vaikutuksesta seuraavanlaisesti. (3) Yhtälön 3 mukaisesti kalsiumkarbonaatti on pelkistynyt takaisin kalsiumoksidiksi, joka voidaan taas käyttää valkolipeän valmistuksessa kaustisoinnissa. (Huhtinen et al. 1997, 67.) Meesauuni on talteenottolinjan suurin fossiilisten polttoaineiden kuluttaja. Maakaasun ja öljyn tuomat kasvavat polttoainekustannukset ovat johtaneet vaihtoehtoisten polttoaineiden etsintään meesauunille. On myös tutkittu menetelmää, jossa kaustisointi voidaan toteuttaa ilman erillistä kaustisointilaitosta ja meesauunia. (Tran & Vakkilainen 2008, 1.1-7.)

11 3 SOODAKATTILA Mustalipeän polttoon suunniteltua kattilaa sanotaan soodakattilaksi. Soodakattilan päätehtävät ovat mustalipeän orgaanisen osan sisältämän energian talteenotto, epäorgaanisten keittokemikaalien talteenotto ja regenerointi sekä erinäisistä hukkavirroista syntyvien päästöjen minimointi. (Vakkilainen 2005, 2-1.) Tämä toteutetaan polttamalla kattilassa orgaaninen aines, jolloin keittokemikaalit sisältävä palamaton osa jää tuhkaan. Pitämällä yllä riittävän korkeaa lämpötilaa saadaan tuhka poistettua kattilasta sulana. (Huhtinen et al. 1997, 150.) Soodakattilan erityinen rooli kemikaalien sekä energian talteenottajana tekee kattilan rakenteen ja käytön hyvin monimutkaiseksi verrattuna muihin kattilatyyppeihin (Adams et al. 1997, 3). 3.1 Rakenne Vakkilainen (2005, 7-1) jakaa soodakattilan rakenteen seuraaviin pääjärjestelmiin: ilma-, savukaasu-, mustalipeä- ja vesi-höyry-järjestelmä. Näiden lisäksi soodakattilaan liittyy muun muassa tuhkanpoistojärjestelmä, joka kerää sähkösuodattimilta ja konvektiopinnoita erotettavat tuhkavirrat. Soodakattilan ylösajoa ja pienillä kuormilla ajoa varten tulipesän seinillä on öljy- tai maakaasukäyttöisiä käynnistyspolttimia, joilla lämmitetään hiilipetiä. (Vakkilainen 2005, 7-1 7-20.) Kuvassa 3.1 kuvataan modernin yksilieriöisen soodakattilan rakennetta pääpiirteittäin. Lieriö (7) sijoitetaan kattilan ulkopuolelle. Lieriöön syöttövesi tulee ekonomaiserien (6) eli syöttöveden esilämmittimien kautta syöttövesisäiliöstä (14). Lieriöstä syöttövesi kulkee laskuputkia pitkin tulipesän alaosaan (1) ja putkiseiniä pitkin ylöspäin höyrystyen höyrystinpinnoilla tulipesässä (2 ja 3) ja pystysuuntaisessa keittopinnassa (5). Lieriöstä lähtevä höyry tulistetaan tulistimissa (4). (Vakkilainen 2005, 6-1 6-2.) Päähöyryn lämpötilaa säädetään ruiskutusvedellä, joka tehdään lauhduttamalla höyryä Dolezahleissa (13). Verhoputket (3) suojaavat tulistinpintoja tulipesän suoralta lämpösäteilyltä. Palamisilma syötetään tulipesään ilmapuhaltimilla (8). Ennen tulipesään syöttöä ilma esilämmitetään ilman höyryesilämmittimillä (9). Tuhka sekoitetaan mustalipeään sekoitussäiliössä (11) ja mustalipeän lämpötila säädetään epäsuorassa lipeän lämmittimessä (12). Tulipesästä sula virtaa sulakouruja pitkin liuotussäiliöön (10). (Ibid.)

12 Kuva 3.1: Modernin yksilieriöisen soodakattilan rakenne. (Vakkilainen 2005, 6-1.) Savukaasujärjestelmässä ennen savupiippua ovat savukaasupuhaltimet. Savukaasupuhaltimien tehtävä on luoda alipaine, joka synnyttää savukaasuvirran tulipesästä lämmönsiirtopintojen lävitse aina savupiipulle saakka. (Vakkilainen 2005, 7-7 7-8.) Lämmönsiirtimien putkipintoja pidetään puhtaana nuohoimilla, jottei putkien pinnoille muodostu savukaasuvirtausta rajoittavia kerrostumia (Adams et al. 1997, 247). 3.2 Toimintaperiaate Soodakattilassa mustalipeän orgaanisen osan palamisessa vapautuva lämpöenergia otetaan talteen lämmönsiirtopinnoilla ja sillä tehdään korkeapaineista höyryä, kuten

13 muissakin höyrykattiloissa. Höyry käytetään sähköntuotantoon turbiinissa sekä sopivien paineenalennusten jälkeen sellutehtaan prosessihöyrynä. (Vakkilainen 2005, 1-1 1-2.) Polttoaineena käytettävän mustalipeän korkea rikkipitoisuus tuo haasteita palamisen hallintaan. Soodakattilassa palamisolosuhteiden on oltava optimaaliset, jottei kaasumaisia rikkipäästöjä muodostu liikaa, ja epäorgaaninen rikki pelkistyy hiilipetissä. (Vakkilainen 2005, 1-1 1-2.) Tulipesäprosessin laatuun vaikuttaa merkittävästi polttoaineen- ja ilmansyötön toteutus (Hupa & Hyöty 2002, 529). Käsitellään seuraavaksi tarkemmin tulipesäprosessia lipeänsyötön, lipeän palamisen ja ilmansyötön kannalta. 3.2.1 Mustalipeän syöttö tulipesään Haihduttamolta tuleva mustalipeä esilämmitetään noin 100-120 C:n lämpötilaan ennen tulipesään syöttämistä. Mustalipeä hajoitetaan pisarasuihkuksi, joka leviää tasaisesti kattilaan. (Huhtinen et al. 1997, 150.) Pisaroittamiseen käytetään tavallisesti ns. lusikkasuutinta, jossa nestemäinen polttoainevirta törmää suuttimen päässä olevaan levyyn hajoittaen polttoaineen pieniksi, halkaisijaltaan keskimäärin 2-3 mm kokoisiksi pisaroiksi (Huhtinen et al. 1997, 150; Vakkilainen 2008b, 98). Pisarakokoa voidaan säätää muuttamalla mustalipeän viskositeettiä lämpötilasäädön avulla (Huhtinen et al. 1997, 150). Pisarakoolla on oleellinen vaikutus soodakattilan tulipesäprosessiin. Pisarakoko pidetään melko suurena, jotta pisarat putoavat kattilan pohjalle ja kuivuvat matkalla. Pisara palaa pääosin kattilan pohjan läheisyydessä ja pohjalle muodostuvan keon pinnalla. Suurehko pisarakoko auttaa myös palamattoman lipeäkoksin saantia kattilan pohjalle, mitä tarvitaan keon pelkistysreaktioihin. Pisarakoko ei saa kuitenkaan olla liian suuri, jottei koksia kerry kekoon nopeammin kuin se ehtii reagoida. Pahimmillaan suurimmat pisarat voivat jopa saavuttaa keon ennen syttymistään, osittain märkinä. Toisaalta liian pieni pisarakoko aiheuttaa ns. carry-overia eli pisaroiden karkaamista savukaasujen mukana tulipesän yläosaan ja jopa tulistinpinnoille saakka. (Hupa & Hyöty 2002, 530.)

14 3.2.2 Mustalipeän palaminen ja kemikaalien pelkistysprosessi Soodakattilan tulipesäprosessi voidaan jakaa hapetus- ja pelkistysreaktioihin. Mustalipeä syötetään pelkistysvyöhykkeeseen, jossa polttoaine kuivuu ja osittain kaasuuntuu matkalla tulipesän pohjalla olevaan kekoon. Mustalipeän sisältämät keittokemikaalit regeneroidaan tulipesän pelkistysvyöhykkeessä, jossa alkaa myös orgaanisen aineksen palaminen. Pelkistysvyöhykkeessä pyritään pelkistämään natriumsulfaatti mahdollisimman täydellisesti natriumsulfidiksi. Pelkistävät olosuhteet luodaan syöttämällä kattilan pohjalle primääri-ilmaa mahdollisimman vähän, jolloin hiili palaa epätäydellisesti. Primääri-ilmaa syötetään vain sen verran, että keon lämpötila saadaan pidettyä tarpeeksi korkealla (1000-1100 C). Natriumsulfaatin (Na 2 SO 4 ) pelkistymisen täydellisyyttä kuvataan reduktioasteella. (4) Hyvällä soodakattilalla voidaan yhtälöstä 4 saada reduktioasteeksi jopa 98-99 %. (Huhtinen et al. 1997, 152.) Mustalipeän palamisprosessissa koksin palaminen alkaa haihtuvien vapautumisen loputtua. Käytännössä nämä vaiheet kuitenkin tapahtuvat osittain päällekkäin. Haihtuvien vapauduttua koksi koostuu pääasiassa hiilestä ja epäorgaanisista suoloista: natriumkarbonaatista, natriumsulfaatista ja natriumsulfidista. Hiilen palaessa epäorgaaninen jäännös jää pisaraan nestemäisenä sulana. Koksin palamisessa tapahtuvat kemikaalien talteenoton kannalta tärkeät pelkistysreaktiot, joissa hiilen läsnäololla on suuri merkitys. Hiili reagoi palaessaan natriumin kanssa aiheuttaen natriumin pelkistymisen. Natriumsulfaatista muodostuu natriumsulfidia yhtälöiden 5, 6 ja 7 mukaisesti. (5) (6) (7)

15 Reduktionopeus on lämpötilasta riippuvainen. Pelkistysprosessin loppuunvienti on hidasta ja korkean reduktioasteen saavuttamiseen vaaditaankin pitkä viipymäaika. (Vakkilainen 2008b, 100-101.) Mustalipeän palamisen vaiheet esitetään kootusti taulukossa 3.1. Taulukko 3.1: Mustalipeän palamisen vaiheet ja vaiheiden kestot. (Vakkilainen 2008b, 99.) Vaihe Tyypilliset piirteet Vaiheen kesto tulipesässä 2 mm pisaralla Kuivuminen Veden haihtuminen 0,1-0,2 s Muuttumaton pisaran halkaisija alkupaisumisen jälkeen Pyrolyysi Liekin näkyminen, syttyminen 0,2-0,3 s Pisaran paisuminen Haihtuvien vapautuminen Koksin palaminen Liekin häviäminen 0,5-1 s Halkaisijan pienentyminen Pelkistymisreaktiot Sula Muuttumaton tai kasvava halkaisija Pitkä Uudelleenhapettuminen 3.2.3 Ilmansyöttö Soodakattilaan tuodaan palamisilmaa tavallisesti kolmessa tasossa. Kokonaisilmamäärästä primääri-ilmaa on yleensä 30-40 %, sekundääri-ilmaa 50-60 % ja tertiääri-ilmaa noin 10 %. Sekundääri-ilmalla poltetaan keossa kaasuuntuneet komponentit. Syöttämällä tertiääri-ilmaa tulipesän hapetusvyöhykkeeseen, pyritään varmistamaan pelkistysvyöhykkeessä alkaneen palamisen täydellinen loppuunvienti. Täydellisen palamisen aikaansaamiseksi palavien kaasujen ja palamisilman on hapetusvyöhykkeessä sekoituttava mahdollisimman hyvin. Tämän takia kattilaan syötettävän palamisilman tulee olla riittävässä paineessa (2000-3000 Pa) ja sen virtausnopeuden tulee olla noin 65-80 m/s. (Huhtinen et al. 1997, 152-153.)

16 4 KATTILASUUNNITTELUN KEHITYS Soodakattiloiden kehitystä ohjaavat tarpeet ovat pysyneet hyvin samanlaisina ensimmäisistä soodakattiloista nykyhetkeen saakka. Kattilasuunnittelun perimmäisinä tavoitteina ovat mahdollisimman hyvä kemikaalien palautus, korkea hyötysuhde, mustalipeän lämpöarvon hyödyntäminen höyryntuotossa ja toiminnan turvallisuus. (Vakkilainen 2003, 8.) Soodakattilasuunnittelun kehitystä ajaa taloudellisesta näkökulmasta investointikustannusten minimointi ja tuotantokapasiteetin lisääminen. Ympäristövaatimusten tiukentuminen ja tarve energiatehokkuuden parantamiseen ovat kasvavassa roolissa soodakattiloiden kehityksessä. (Vakkilainen 2008b, 86.) 4.1 Ensimmäiset soodakattilat Nykyaikaisessa soodakattilassa on muutamia piirteitä, jotka ovat pysyneet muuttumattomina aina ensimmäisistä soodakattiloista nykyhetkeen saakka. Soodakattilassa pystyttiin ensimmäistä kertaa toteuttamaan kaikki talteenoton prosessit yhdessä laitteessa, kun mustalipeän kuivuminen, palaminen ja sitä seuraavat reaktiot tapahtuivat kaikki samassa kattilassa. (Vakkilainen 2003, 5.) Kaikissa soodakattiloissa mustalipeä syötetään tulipesään pieninä pisaroina, mikä tehostaa palamista. Palamista kattilassa voidaan muuttaa suuntaamalla polttoainesuihku halutulla tavalla. Hiilipetin kontrolloinnin helpottamiseksi primääri-ilma syötetään tulipesään hiilipetin tasolle ja muu ilma ylemmiltä tasoilta. Lisäksi myös sulan poisto toteutetaan nykyisinkin suoraan tulipesän pohjalta sulakouruja pitkin liuotussäiliöön. (Ibid.) Maailman ensimmäisen soodakattilan vuonna 1929 rakentanut yritys Babcock & Wilcox suosi yhtä mustalipeäruiskua kattilan etuseinällä ja kapasiteetin kasvaessa toinen ruisku lisättiin takaseinälle. Kyseisessä tekniikassa suuri osa lipeästä ruiskutetaan kattilan seinille kuivumista varten ja pohja rakennetaan kaltevaksi, jolloin sula valuu ulos nopeasti. Mustalipeä höyrystyy loppuun suorassa kontaktissa venturiputki- tai sykloni-tyyppisessä höyrystimessä. (Vakkilainen 2003, 6.) Soodakattilakehityksen alkuvaiheissa toinen merkittävä valmistaja oli Combustion Engineering, joka valmisti ensimmäisen soodakattilansa vuonna 1938. Tässä kattilassa

17 oli kolme lieriötä ja se toimi mustalipeän suoran ruiskutuksen periaatteella. CE sijoitti useamman lipeäruiskun kattilan jokaiselle seinämälle. Heidän kattilansa pohja oli tasainen, jolloin sulakerrokselle on tilaa koko tulipesän pohjan alalla. Lopullinen mustalipeän haihtuminen toteutettiin kaskadi tyyppisessä höyrystimessä. (Vakkilainen 2003, 6-7.) 4.2 Kaksilieriörakenteinen soodakattila Kaksilieriörakenteinen soodakattila on yleisin nykyisin käytössä oleva soodakattilatyyppi. Tässä tekniikassa käytetään ilma syöttöä kattilaan kolmelta tasolta ja tasaisen palamisen polttojärjestelmää. Tulistimet suojataan tulipesän suoralta lämpösäteilyltä verhoputkistolla. Verhoputkiston käyttö alentaa savukaasujen lämpötilaa ja vähentää tulistinpinnoille asti nousevan palavan materiaalin, carry-overin, määrää. Kaksilieriörakenteisessa soodakattilassa käytettiin ensimmäistä kertaa ekonomaiserissa pystyvirtausta vaakavirtauksen sijaan. Pystysuuntainen ekonomaiseri sietää likaantumista paremmin kuin vaakasuuntainen ekonomaiseri. (Vakkilainen 2003, 10-11.)

18 Kuva 4.1: Kaksilieriöinen soodakattila. (Vakkilainen 2003, 10.) Kuvassa 4.1 nähdään kaksilieriöisen soodakattilan pystysuuntainen ekonomaiseri savukaasukanavassa sekä kaksilieriörakenne tulistimien ja ekonomaiserin välissä ylhäällä. Verhoputket näkyvät tulistimien alapuolella tulipesän nokan tasolla. Kaksilieriörakenteisessa soodakattilassa tuorehöyry on tavallisesti noin 85 bar:in absoluuttisessa paineessa ja 480 C lämpötilassa. Tämä lämpötila sallitaan useimmissa uusissakin soodakattiloissa, mutta lämpötilan tulee olla alhaisempi, jos mustalipeän kalium- ja klooripitoisuudet ovat korkeat. Suurin suunnittelukapasiteetti kattilatyypille on luokkaa 1700 tonnia kuiva-ainetta päivässä. (Vakkilainen 2008b, 87-88.) 4.3 Moderni soodakattila Modernin soodakattilan merkittävin ero kaksilieriörakenteiseen soodakattilaan on yksilieriörakenteen käyttö. Tämä rakenne otettiin käyttöön vuoden 1985 paikkeilla.

19 Modernissa soodakattilassa on pystysuuntainen keittopinta ja leveillä väleillä olevat tulistimet. Keittopinnan rakenne on hyvin samankaltainen pystysuuntaisen ekonomaiserin kanssa ja se on helppo pitää puhtaana. (Vakkilainen 2003, 11.) Väljästi sijoitellut tulistin- ja keittopintojen putket pidetään puhtaina korkeapaineisella höyryllä, jota syötetään kattilaan työntyvillä nuohoinputkilla (Adams et al. 1997, 273). Leventämällä lämpöpintojen välejä, käyttämällä makeaa vettä ja parantelemalla kattilan rakenteiden materiaaleja on korroosiota saatu vähennettyä (Vakkilainen 2008b, 88). Poltettavan mustalipeän kuiva-ainepitoisuutta lisäämällä on höyryvirtaa saatu kasvatettua. Savukaasujen määrä vähenee kuiva-ainepitoisuuden noustessa, mikä tarkoittaa savukaasuhäviöiden pienentymistä. Syntyvien savukaasujen määrän väheneminen pienentää savukaasujen pystysuuntaista virtausnopeutta, vaikka tulipesän alaosan lämpötilat kasvaisivatkin. Savukaasujen pystysuuntainen virtausnopeus rajoittaa soodakattilan kapasiteettia, joten kuiva-ainepitoisuuden nostaminen on tässäkin mielessä kannattavaa. (Vakkilainen 2008b, 88-89.) Yksilieriörakenteisen soodakattilan myötä tulipesän nimellinen kuorma on kasvanut merkittävästi. Uusilla ilmansyöttömenetelmillä on saatu kasvatettua tulipesän lämpötilaa, mikä on mahdollistanut lisäyksen poikkipintakuormituksessa (HSL, hearth solids loading) ilman merkittävää muutosta tulipesärasituksessa (HHRR, hearth heat release rate). (Vakkilainen 2003, 12.) Yksilieriöisen rakenteen käyttöönoton mahdollistamiseen on vaikuttanut syöttöveden laadunhallinnan luotettavuuden paraneminen. Yksilieriörakenne on kaksilieriörakennetta turvallisempi ja käyttövarmempi ratkaisu. Rakenne mahdollistaa korkeampien kattilapaineiden käytön ja laitokset voidaan rakentaa suuremmille kapasiteeteille. Yksilieriöisessä rakenteessa on vähemmän putkiliitoksia, joten tämän rakenteen asennus on myös nopeampaa, mikä tarkoittaa säästöjä rakennuskustannuksissa. (Vakkilainen 2008b, 89.) 4.4 Tulevaisuuden soodakattilat Metsäteollisuuden laitosten tuotantokapasiteettien kasvaessa soodakattilalta vaaditaan yhä enemmän höyryn- ja sähköntuotantoa. Soodakattiloiden tuorehöyryn paineiden ja lämpötilojen oletetaankin jatkavan kasvamistaan. Tuorehöyryn lämpötilan nostaminen

20 vaatii lämmönsiirron kasvattamista tulistinvaiheessa, mikä toteutetaan joko kasvattamalla tulipesän savukaasujen ulostulolämpötilaa tai pienentämällä keittopinnan sisääntulolämpötilaa. Keittopinnan sisääntulolämpötilaa alennettaessa lämpötilaero savukaasujen ja höyryn välillä pienenee, minkä seurauksena tulistinpinta-alaa tulee kasvattaa merkittävästi. (Vakkilainen 2008b, 90.) Tulistinpintojen kasvattaminen tulee kuitenkin niin kalliiksi, ettei tätä menetelmää enää käytetä. Sen sijaan tulipesän ulostulolämpötilaa saadaan kasvatettua helposti nostamalla polttolipeän kuivaainepitoisuutta. Kun lämpötilaa kasvatetaan nostamalla polttoaineen kuivaainepitoisuutta, ei tarvitse pelätä carry-overin aiheuttamaa korroosiota tulistinpinnoilla. (Vakkilainen 2003, 14.) Lämpötilan kasvattaminen vaikuttaa tulistinosien kulumiseen. Suunnitellessa soodakattilaa suurempaan päähöyryvirran paineeseen, nousee vastaavasti kattilan kaikkien osien suunnittelupaineet. (Vakkilainen 2008b, 90.) Tulipesän seinien alaosien lämpötilat nousevat kattilapaineen kasvaessa, minkä vuoksi tarvitaan parempia ja kalliimpia materiaaleja (Vakkilainen 2003, 14). Kattilan suunnittelussa otetaan huomioon kasvanut lämmönsiirron tarve tulistimissa ja siitä johtuva lämpösäteilyn voimakkuuden nousu tulipesästä. Tulistimet sijoitetaan pääasiassa tulipesän nokan taakse niin, että niiden lämmönsiirto on optimaalista ja ne ovat suojassa tulipesän suoralta lämpösäteilyltä. Tulistuksen tarpeen lisääntyessä savukaasuja jäähdyttävää verhoputkistoa ei enää tarvita. (Vakkilainen 2003, 13.)

21 5 SOODAKATTILAN TULIPESÄN SUUNNITTELU Soodakattilan suunnitteluprosessissa lähtökohtana on usein tietyt mitoitukselliset parametrit. Kattilan valmistajalle annetaan laitoksen käyttötarpeita vastaavia tietoja, joiden perusteella suunnittelu tehdään. Näitä ovat soodakattilan kuiva-ainekapasiteetti, tuorehöyryn tila, syöttöveden lämpötila ja savukaasujen loppulämpötila ekonomaiserin jälkeen. Mustalipeän ominaisuuksista tärkeitä ovat ylempi lämpöarvo, alkuaineanalyysi ja kuiva-ainepitoisuus haihdutuksen jälkeen. (Vakkilainen 2005, 2-2.) Soodakattilan suunnittelutyössä määritetään muun muassa tulipesärasitus, poikkipintakuormitus sekä savukaasujen poistumislämpötila tulipesästä ja niiden tulolämpötila keittopinnalle (Vakkilainen 2008b, 104). Savukaasujen poistumislämpötila tulipesästä on lämmönsiirtopintojen suunnittelun kannalta tärkeä arvo, sillä se vaikuttaa tarvittavaan tulistinpinta-alaan. Tällä lämpötilalla on myös suuri merkitys soodakattilan päästöihin. Haluttu lämpötila tulipesän jälkeen on luokkaa 950 1050 C. (Vakkilainen 2005, 6-9 6-11.) Myös savukaasujen lämpötilalla keittopinnalle tullessa on vaikutusta tulistinpinta-alaan. Mitä alhaisempi on tulolämpötila keittopinnalle, sitä enemmän tarvitaan tulistinpinta-alaa. (Vakkilainen 2005, 6-15.) Tässä työssä ei paneuduta tarkemmin tulipesän ulkopuolisten lämmönsiirtopintojen suunnitteluun, vaan keskitytään soodakattilan kuiva-ainekapasiteettiin vaikuttaviin tekijöihin ja tulipesän suunnitteluun. Tarkastellaan seuraavaksi soodakattilan tulipesän mitoituksessa käytettävää tulipesärasitusta ja vielä lisää tulipesän dimensioiden määritystä. 5.1 Tulipesärasitus Tulipesärasitus tarkoittaa polttotehoa tulipesän poikkipinta-alaa kohti. Sillä voidaan arvioida vapautuneen kaasun tilavuutta pinta-alayksikköä kohden tai ylöspäin suuntautuneen virtauksen nopeutta. Se on käytännöllinen keino kuvata petipalamisen ja carry-overin monimutkaisia ilmiöitä. (Adams et al. 1997, 352.) Tulipesärasitus on yksi soodakattilan tulipesän suunnittelun määräävistä tekijöistä. Toisin kuin poikkipintakuormitus, tulipesärasitus ottaa huomioon mustalipeän ominaisuuksien vaihtelut, minkä ansiosta se on tarkempi mitoituskriteeri. Merkittävin mustalipeän

22 ominaisuuksista on sen lämpöarvo. Tulipesärasitus lasketaan jakamalla sisään tuotu lämpövirta tulipesän pohjan pinta-alalla. (Vakkilainen 2005, 6-7 6-9.) Polttoainevirran kasvattaminen lisää vapautuvien savukaasujen määrää ja siten myös ylösvirtaavien kaasujen nopeutta. Kaasujen virtausnopeus on rajoittava tekijä tulipesärasituksen kasvattamisessa. Liian suuri savukaasujen virtausnopeus voi aiheuttaa carry-overia. Savukaasujen virtausnopeuden lisäksi tulipesärasituksen ylärajan määrää hiilipetin suurin mahdollinen palamisnopeus. (Adams et al. 1997, 352.) Uusille kattiloille suurimman jatkuvan tehon mukaiset tulipesärasitukset suunnitellaan usein arvoille 2700-3300 kw/m 2. Polttamalla mustalipeää, jonka kuiva-ainepitoisuus on korkea, ja käyttämällä moderneja ilmansyöttöjärjestelmiä sekä hyvin säädettyä kattilaa saadaan tulipesärasituksen maksimiarvoksi 3100-3700 kw/m 2. (Vakkilainen 2005, 6-9.) 5.2 Tulipesän dimensiot Perustan kattilan koolle määrittelee mustalipeän kuiva-ainevirta (Vakkilainen 2005, 2-2). Tulipesän dimensioista ensimmäiseksi määritetään pohjan pinta-ala. Pohjan pinta-ala voidaan laskea poikkipintakuormituksen (HSL) tai tulipesärasituksen (HHRR) avulla. (Adams et al. 1997, 352; Vakkilainen 2008b, 104-105.) Käytettäessä mitoitusparametrinä poikkipintakuormitusta voidaan pohjan pinta-ala A laskea seuraavasti (Vakkilainen 2008b, 104): (8) missä A pohjan pinta-ala [m 2 ] HSL poikkipintakuormitus [kg ka /sm 2 ] q m,ka mustalipeän kuiva-ainevirta tulipesään [kg ka /s] Poikkipintakuormitus yhtälössä 8 on tavallisesti luokkaa 0,2 kg ka /sm 2. Poikkipintakuormitusta parempi vaihtoehto on käyttää tulipesärasitusta, joka ottaa huomioon myös vaihtelut mustalipeän ominaisuuksissa. (Vakkilainen 2008b, 104.) Adams et al. (1997, 352) esittää tulipesän pohjan pinta-alan laskentaan yhtälön:

23 (9) missä q m,pa mustalipeän (märkä) massavirta [kg/s] HHV mustalipeän ylempi lämpöarvo [J/kg] HHRR tulipesärasitus [W/m 2 ] Tulipesän pohjan pinta-ala voidaan siis laskea yhtälöllä 8 tai 9. Tämän jälkeen määritetään tulipesän korkeus niin, että savukaasujen ulostulolämpötila tulipesästä on halutun suuruinen. Tulipesän korkeus vaihtelee eri laitosten välillä, sillä ilman- ja mustalipeänsyötön sijoittelu vaikuttaa siihen, miten lämmönvapautuminen jakautuu tulipesässä. (Vakkilainen 2005, 6-9 6-11.) Palaminen vaatii myös tietyn viipymäajan tulipesässä, jotta se tapahtuu loppuun saakka. Viipymäaika määrittää siis tulipesälle pienimmän mahdollisen korkeuden. Jos mustalipeän kuiva-ainepitoisuutta nostetaan ja viipymäaika palamiselle pysyy vakiona, kasvaa tulipesän minimikorkeus. Tulipesän suhteellinen korkeus eli korkeus/leveys suhde ei pysy vakiona, vaan tulipesän suurentuessa pienenee täydelliseen palamiseen vaadittava suhteellinen korkeus. Jos korkeus/leveys suhde pysyy muuttumattomana tulipesän pohjan mittojen kasvaessa, niin tulipesän tilavuudenkasvu on kaksinkertainen täydellisen palamisen vaatimaan tilavuudenkasvuun nähden. (Vakkilainen 2005, 6-8.)

24 6 SOODAKATTILAN KAPASITEETTITARKASTELU Soodakattilan suunnittelukapasiteettiin vaikuttaa useita tekijöitä. Lähtökohtana on mitoittaa soodakattilan kapasiteetti vastaamaan sellutehtaan tarpeita kemikaalien talteenoton sekä höyryn- ja sähköntuoton näkökulmasta. Soodakattila muodostaa merkittävän osan sellutehtaan investointikustannuksista, joten sen huolellisella suunnittelulla on selkeä vaikutus hankkeen taloudellisuuteen. Tässä luvussa tarkastellaan soodakattilan kapasiteettiin vaikuttavia tekijöitä ja trendejä kapasiteettien kehityksessä ajan myötä. Lähtötietona käytetään excel -taulukkoa, johon on kerätty erinäisiä arvoja soodakattiloista ympäri maailmaa. Lähtötiedoista selviää muun muassa soodakattilan valmistusvuosi, kapasiteetti, tulipesän dimensiot, tuorehöyryn paine ja lämpötila, mustalipeän kuiva-ainepitoisuus sekä kattilan tulipesärasitus. Tarkasteltavia soodakattiloita on yhteensä 140. Alkuperäistä lähtötiedoista esitetään tämän työn kannalta oleellisimmat liitteessä 1. Kaikista soodakattiloista ei ole jokaista tarvittavaa arvoa saatavilla, joten kyseiset laitokset ovat puuttuvilta osin jääneet tarkastelun ulkopuolelle. Puhuttaessa soodakattilan kapasiteetista tarkoitetaan tulipesään syötettävää mustalipeämäärää, jonka yksikkönä on tonnia kuiva-ainetta vuorokaudessa (t ka /vrk). Lähtötiedoissa on saatavilla soodakattilan suunnittelukapasiteetti sekä maksimikapasiteetti. Tarkastelussa käytetään maksimikapasiteetteja. 6.1 Kapasiteetin kehitys ajan myötä Ensimmäisenä tarkastellaan soodakattiloiden kapasiteetin kehitystä ajan myötä. Suurin mahdollinen soodakattilan suunnittelukapasiteetti on kasvanut jatkuvasti tekniikan kehityksen myötä. Kuvassa 6.1 esitetään suurimpien rakennettujen yksiköiden kapasiteetit vuosikymmenittäin.

Kapasiteetti [t,ka/vrk] Kapasiteetti [t,ka/vrk] 25 7000 6000 6000 5000 4000 4022 3000 2700 3000 2000 1700 1000 635 0-1960 1961-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2010 Valmistusvuosi Kuva 6.1: Soodakattiloiden maksimikapasiteetin kehitys. Havaitaan, että suurimpien kattiloiden koot ovat kasvaneet koko ajan yhä suuremmiksi. Soodakattiloita rakennetaan erikokoisten sellutehtaiden tarpeisiin, joten pienempienkin kattiloiden valmistus on jatkunut. Kuva 6.2 antaa käsityksen rakennettujen soodakattiloiden kokojakaumasta. 6 000 5 000 Trendi 4 000 3 000 2 000 1 000 0 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 Valmistusvuosi Kuva 6.2: Rakennettujen soodakattiloiden kapasiteettijakauma valmistusvuoden funktiona.

Kapasiteetti [t,ka/vrk] 26 Kuvasta 6.2 nähdään suurimpien kattiloiden kapasiteettien kasvaneen melko tasaisesti. Trendiviiva kertoo kapasiteettien keskiarvon muutoksesta ajan myötä. 1990-luvulla uusien soodakattiloiden rakentaminen ja vanhojen uusiminen on ollut vilkasta. Tässä vaiheessa on rakennettu paljon sekä pieniä että suuria kattiloita, mikä näkyy kapasiteettikeskiarvon tasaantumisena. 2000-luvulla havaitaan keskiarvon lähtevän jyrkkään nousuun, mikä selittyy selvästi vähentyneellä pienien kattiloiden rakennusmäärällä. 6.2 Tulipesän dimensioiden vaikutus kapasiteettiin Tarkastellaan soodakattilan mittojen vaikutusta kapasiteettiin. Tarkasteltavina mittoina ovat tulipesän korkeus ja pohjan pinta-ala. Tiedetään yleisesti voimalaitoskattiloista, että polttoainetehon kasvaessa kattilan koko yleensä kasvaa. Soodakattilan kapasiteetti ja polttoaineteho kulkevat käsi kädessä, joten tulipesän dimensioiden tulisi vaikuttaa selvästi kapasiteettiin. Seuraavasta kuvassa nähdään tulipesän pohjan pinta-alan ja soodakattilan kapasiteetin välinen yhteys lähtötietojen soodakattiloilla. 6 000 5 000 4 000 Trendi 3 000 2 000 1 000 0 0 50 100 150 200 250 300 Pohjan pinta-ala [m^2] Kuva 6.3: Kapasiteetti pohjan pinta-alan funktiona. Kuvasta 6.3 nähdään soodakattilan kapasiteetin olevan käytännössä suoraan verrannollinen tulipesän pohjan pinta-alaan. Mustalipeä pyritään syöttämään tulipesään tasaisesti jakautuneena pisaraverhona, joten optimaalisten palamisolosuhteiden saavuttamiseksi pohjan pinta-alan on muututtava syötettävän mustalipeän määrän

Tulipesän korkeus [m] 27 mukaan. Kattilavalmistajat ovat todenneet tietyn pinta-alan ja kapasiteetin suhteen hyväksi eikä siitä kannata poiketa. Tämän vuoksi kuvassa 6.3 ei yksittäisillä soodakattiloilla havaita juurikaan poikkeamaa keskiarvosta. Selvitetään seuraavaksi tulipesän korkeuden ja soodakattilan kapasiteetin yhteys. Myös korkeuden voidaan olettaa kasvavan kapasiteetin myötä mustalipeän täydellisen palamisen saavuttamista ajatellen. Kuvaan 6.4 on kerätty lähtötiedoista soodakattiloiden korkeudet ja kapasiteetit. 50 45 40 35 Trendi 30 25 20 15 10 5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Kapasiteetti [t,ka/vrk] Kuva 6.4: Tulipesän korkeus soodakattilan kapasiteetin funktiona. Kuvasta 6.4 nähdään, että tulipesän korkeus on selvästi riippuvainen soodakattilan kapasiteetista. Yhteys ei kuitenkaan ole yhtä lineaarinen kuin pohjan pinta-alan kohdalla. Alle 3000 t ka /vrk kapasiteeteilla tulipesän korkeuden trendi menee vielä melko suoraviivaisesti, mutta suuremmilla kapasiteetin arvoilla korkeuden kasvu alkaa laantua. Varsinkin pienemmillä kapasiteeteilla korkeuden hajonta on melko suuri eikä kuvaan piirretty trendiviiva kerro tarkkaa yhteyttä kapasiteetin ja tulipesän korkeuden välillä. Kuten luvussa 5.2 todettiin, tulipesän korkeus riippuu täydellisen palamisen vaatimasta viipymäajasta, ja kattilan suurentuessa pienenee vaadittava suhteellinen korkeus. Pohjan pinta-alan huomattiin myös kasvavan lähes lineaarisesti kapasiteetin suhteen. Ajatellaan pohjan pinta-alan kaksinkertaistuvan, minkä seurauksena korkeuden

Kapasiteetti [t,ka/vrk] kaksinkertaistaminen nelinkertaistaisi tilavuuden. Tämä selittää sen, ettei korkeuden kasvu ole yhtä nopeaa kuin kapasiteetin kasvu. 28 Aiemmin todettiin soodakattiloiden kapasiteetin kasvaneen ajan ja tekniikan kehityksen myötä, ja kuten kuvasta 6.2 havaitaan ovat kaikki yli 3000 t ka /vrk kapasiteetin kattilat 1990 luvulla tai sen jälkeen rakennettuja. Nämä kattilat ovat siis hyvin moderneja. Vakkilainen (2005, 6-7) toteaa kehittyneiden ilmansyöttöjärjestelmien ja lipeänpolttotapojen selvästi kasvattaneen palamisnopeutta. Tämän voidaan myös olettaa vaikuttaneen tulipesän korkeuden pienentymiseen. 6.3 Tuorehöyryn paine ja lämpötila Selvitetään kuinka suuria tuorehöyryn paineita ja lämpötiloja käytetään eri kapasiteettien soodakattiloissa. Paineet ja lämpötilat esitetään seuraavissa kuvissa. 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 80 100 120 Tuorehöyryn paine [bar] Kuva 6.5: Tuorehöyryn paine eri soodakattiloissa.

Kapasiteetti [t,ka/vrk] 29 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 370 390 410 430 450 470 490 510 530 Tuorehöyryn lämpötila [ C] Kuva 6.6: Tuorehöyryn lämpötila eri soodakattiloissa. Kuvista 6.5 ja 6.6 nähdään, että suurin osa soodakattiloista toimii hyvin samansuuruisilla paine- ja lämpötila-alueilla. Tuorehöyryn arvojen jakautuminen pääasiassa muutamaan luokkaan kuvastaa hyvin kattilasuunnittelun eri vaiheita. Tarkastelemalla lähtötiedoista tuorehöyryn paineita ja lämpötiloja valmistusvuoden mukaan nähdään kehityksen kulku kohti suurempia arvoja. Paine- ja lämpötila-alueilla suurempaan siirryttäessä huomataan kapasiteettihuipun nousevan. Suurimmat kapasiteetit näyttäisivät kuitenkin rajoittuvan noin 84 bar ja 480 C tuntumaan. Tästäkin suurempia paineita ja lämpötiloja esiintyy muutamissa soodakattiloissa, mutta nämä pisteet ovat kuitenkin melko hajanaisia. Tällä hetkellä suurin käytetty tuorehöyryn lämpötila on 515 C. Sähköntuotannon lisäystä ei enää viime vuosina olla tavoiteltu nostamalla tuorehöyryn arvoja, koska erittäin suurien lämpötilojen kohdalla lämpöpintojen materiaalikustannukset kasvavat kohtuuttomasti, ja hyötysuhteen nostamiseen on löydetty helpompiakin keinoja (Rahman & Lehtinen 2013, 141). Kuitenkin mikäli kehitys kohti korkeampia hyötysuhteita jatkuu entisellään, voidaan olettaa noin 100 bar ja 500 C luokan soodakattiloiden yleistyvän.

Viipymäaika [s] 30 6.4 Tulipesän viipymäaika Selvitetään kuinka suuri on tulipesän viipymäaika eli savukaasujen viipymäaika tulipesässä eri kokoisilla soodakattiloilla. Lähtötiedoista saadut viipymäajat ovat laskennallisia aikoja eikä mitattuja arvoja. 5,0 4,5 4,0 Trendi 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Kapasiteetti [t,ka/vrk] Kuva 6.7: Tulipesän viipymäaika kapasiteetin funktiona. Kuvasta 6.7 nähdään viipymäajan trendin kulmakertoimen olevan laskeva kapasiteetin kasvaessa. Viipymäaika kasvaa kuitenkin selvästi kapasiteetin noustessa. Aiemmin todettiin tulipesän korkeuden kasvavan soodakattilan kuiva-ainekapasiteetin kasvaessa, mikä selittää viipymäajankin kasvua. Koska tulipesän suhteellinen korkeus pienenee kapasiteetin kasvun myötä, ei tulipesän viipymäaika kuitenkaan ole suoraan verrannollinen kapasiteettiin. Tarkastelun havaintojen perusteella suurissa soodakattiloissa on siis enemmän aikaa palamiselle kuin pienissä.

31 7 YHTEENVETO Tässä työssä perehdyttiin soodakattilan kehitykseen ja sen rooliin sellutehtaalla. Soodakattilan rakenteesta kuvailtiin pääosat ja niiden väliset yhteydet paneutumatta tarkemmin yksittäisten komponenttien toimintaan. Soodakattilan toimintaperiaatteen ja suunnittelun teoreettisessä käsittelyssä asetettiin pääpaino tulipesän käsittelyyn. Työn tutkivan osuuden perustana olleesta lähtötietotaulukosta valittiin selkeimmin soodakattilan kapasiteettiin yhteydessä olevia muuttujia. Valittujen muuttujien vaikutusta kapasiteettiin arvioitiin lähtötiedoista piirrettyjen kuvaajien avulla. Kuvaajista kävi hyvin ilmi tutkittavat yhteydet, minkä ansiosta tuloksiin päädyttiin silmämääräisellä kuvaajien tarkastelulla. Tarkastelusta selvisi, että suurimpien soodakattiloiden kapasiteetit ovat ajan myötä jatkuvasti kasvaneet ja 2000-luvulla pienien kattiloiden valmistus on selvästi vähentynyt. 2000-luvulla myös suurimpien soodakattiloiden kapasiteetit ovat kasvaneet aiempaa nopeammin. Soodakattilan tulipesän mitoista pohjan pinta-alan havaittiin kasvavan kapasiteetin suhteen käytännössä lineaarisesti. Tulipesän korkeus taas kasvaa hitaammin suhteessa kapasiteetin nousuun. Huippukapasiteettien kasvun myötä tuorehöyryn paineen ja lämpötilan nähdään kohonneen portaittain, mutta viime aikoina tuorehöyryn arvojen kohottamisen sijaan suurimpia tehoja on tavoiteltu muilla keinoilla lähinnä erittäin korkeiden lämpötilojen vaatimien kohtuuttoman kalliiden materiaalien vuoksi. Viimeisenä tarkasteluun otettiin tulipesän viipymäaika, jonka todettiin kasvavan siirryttäessä kohti suurempia kapasiteettejä.

LÄHDELUETTELO Adams Terry N. et al. 1997. Kraft recovery boilers. Atlanta: TAPPI PRESS. 381 s. ISBN 0-9625985-9-3. Foran C. Douglas. 2008. Tall Oil Soap Recovery. TAPPI Kraft Recovery Operations Course, St. Petersburg, Florida, USA 7.1.2008. TAPPI. Saatavissa: http://www.tappi.org/content/events/08kros/manuscripts/3-7.pdf Headley Richard. 1996. New liquor filtration options provide production and quality improvements. Pulp & Paper, December 1996 Vol. 70: no. 13. s. 69-72. Saatavissa: ProQuest ABI/INFORM Complete New Platform tietokanta. Vaatii käyttöoikeudet. ISSN 00334081. Huhtinen Markku et al. 1997. Höyrykattilatekniikka. Helsinki: Oy Edita Ab. 316 s. ISBN 951-37-1327-X. Janka Kauko & Tamminen Ari. 2003. Recovery boiler furnace as concentrated NCG incinerator. TAPPI JOURNAL, February 2003 Vol. 2: no. 2. Saatavissa: http://www.tappi.org/content/journal/2003/tj/02feb03/03febjanka.pdf. ISSN 0734-1415. KnowPulp oppimisympäristö. 2011. Prowledge Oy. [viitattu 14.11.2013]. Saatavissa: http://deck.cc.lut.fi/knowpulp/suomi/pulping/evaporation/1_general/frame.htm. Vaatii käyttöoikeudet. Hupa Mikko & Hyöty Paavo. 2002. Mustalipeän poltto ja soodakattila. Teoksessa: Raiko Risto et al. (toim.). Poltto ja palaminen. Jyväskylä: International Flame Research Foundation - Suomen kansallinen osasto. 750 s. ISBN 951-666-604-3. Rahman Faizur M.C. & Lehtinen Markku. 2013. A New HERB (High Energy Recovery Boiler) in Asia. IPPTA Journal, Jan-March 2013 Vol. 25: no. 1. s. 139-144. Saatavissa: http://www.ipptaonline.org/jan-march,%202013/2013_issue_i_ippta_articel_13.pdf. ISSN 03795462.

Tran Honghi & Vakkilainen Esa. 2008. The kraft chemcial recovery process. TAPPI Kraft Recovery Operations Course, St. Petersburg, Florida, USA 7.1.2008. TAPPI. Saatavissa: http://www.tappi.org/content/events/08kros/manuscripts/1-1.pdf Vakkilainen Esa. 2003. Development of recovery boiler technology. Colloquium on Black Liquor Combustion and Gasification, Park City, USA 13-16.5.2003. Saatavissa: http://www.eng.utah.edu/~whitty/blackliquor/colloquium2003/pdfs_handouts/5.1.vakki lainen-evolution_of_rb_designs_paper.pdf Vakkilainen Esa. 2005. Kraft recovery boilers Principles and practice. Helsinki: Suomen Soodakattilayhdistys r.y. 244 s. ISBN 952-91-8603-7. Vakkilainen Esa. 2008a. Chemical recovery. Teoksessa: Tikka Panu (toim.). Chemical Pulping Part 2, Recovery of Chemicals and Energy. Second edition. Jyväskylä: Paper Engineers Association/Paperi ja Puu Oy. 387 s. ISBN 987-952-5216-26-4. Vakkilainen Esa. 2008b. Recovery Boiler. Teoksessa: Tikka Panu (toim.). Chemical Pulping Part 2, Recovery of Chemicals and Energy. Second edition. Jyväskylä: Paper Engineers Association/Paperi ja Puu Oy. 387 s. ISBN 987-952-5216-26-4.

LIITE 1. LÄHTÖTIETOTAULUKKO Mill Location Manufacturer Fur area design max Furnace depth/ capacity capacity width depth height width dim. height HHV virgin Drys. as fired Steam Loading HHRR Time m2 tds/d tds/d m m m MJ/kg % oc bar MW/m2 s Pope&Talbot Harmac Powel River, BC CE 1949 23,5 349,0 512,0 6,7 3,5 10,1 0,52 2,07 13,5 70,0 185 11 3,40 1,12 Pope&Talbot Harmac Powel River, BC CE 1952 29,9 463,0 635,0 7,0 4,3 12,5 0,61 2,28 13,5 70,0 185 11 3,32 1,39 Stora Enso, Skoghal RB3 Skoghal, Sweden Gotaverken 1956 41,3 400,0 600,0 6,2 6,7 18,3 1,07 2,85 13,8 66,3 420 42 2,31 2,16 Georgia Pacific Toledo, Oregon CE 1962 31,1 476,0 521,6 5,6 5,6 13,6 1,00 2,43 13,5 65,0 399 24 2,62 1,63 Pope&Talbot Harmac Powel River, BC BW 1963 70,2 1090,0 1497,0 8,5 8,2 22,9 0,96 2,73 13,5 70,0 388 43 3,33 2,55 Georgia-Pacific Monticello CE 1967 79,8 1154,9 1451,5 8,9 8,9 23,8 1,00 2,66 13,2 65,0 443 62 2,79 2,86 Stora Enso, Kemijärvi Kemijärvi, Finland Andritz 1968 75,5 1250,0 1266,0 9,9 7,6 19,3 0,76 2,22 14,5 72,0 480 84 2,81 2,09 Stora Enso, Skoghal RB4 Skoghal, Sweden Gotaverken 1969 84,8 1200,0 1200,0 9,5 8,9 18,8 0,94 2,05 13,8 66,3 420 62 2,25 2,22 Mörrum Sweden Gotaverken 1970 111,2 1700,0 1700,0 10,3 10,8 29,0 1,05 2,75 14,9 64,0 450 59 2,64 3,55 Svilocell Bulgaria Andritz 1971 32,6 550,0 595,0 5,7 5,7 16,5 1,00 2,89 13,9 70,0 440 41 2,94 1,84 Brunswick Brunswick, USA B&W 1972 98,6 1600,0 1600,0 10,6 9,3 29,0 0,88 2,92 13,9 70,0 441 87 2,62 3,23 Portucel Viana Viana do Castello, Portugal BW 1974 47,6 715,0 840,0 6,3 7,6 21,5 1,21 3,12 14,5 63,0 480 84 2,96 2,68 Georgia Pacific Port Hudson, LA, USA CE 1974 86,4 1361,0 1973,0 9,5 9,1 24,1 0,96 2,59 12,7 73,0 440 62 3,35 2,57 Palatka, Georgia Pacific Palatka, FL, USA CE 1974 100,6 1653,0 2041,0 10,0 10,0 25,8 1,00 2,57 13,7 68,0 454 86 3,21 2,96 UPM-Kymmene, Kuusankoski Kuusankoski, Finland Gotaverken 1976 111,2 1700,0 1700,0 10,3 10,8 29,0 1,05 2,75 14,9 64,0 480 84 2,64 3,55 Metsä-Botnia, Kaskinen Kaskinen, Finland Andritz 1977 104,2 1500,0 2240,0 10,4 10,0 27,0 0,97 2,65 13,1 75,3 480 82 3,26 2,79 Aracruz A, before mod. Brazil Gotaverken 1978 121,0 1800,0 2700,0 10,6 11,1 37,0 1,04 3,42 12,5 74,0 455 64 3,23 3,89 Crossett Crossett, AR, USA CE 1979 135,8 2041,0 2540,0 10,6 12,8 31,4 1,20 2,69 13,9 74,0 441 62 3,02 3,30 Stora Enso, Varkaus Varkaus, Finland Andritz 1980 47,8 831,0 1130,0 6,4 7,4 22,2 1,16 3,21 13,3 72,5 480 84 3,64 2,38 Georgia Pacific, Leaf River Leaf River, USA Gotaverken 1984 156,8 2500,0 2812,0 12,0 13,1 30,8 1,10 2,46 14,6 72,0 482 87 3,04 3,33 Metsä Sellu Äänekoski, Finland Andritz 1985 117,5 1700,0 2263,0 10,9 10,8 31,6 0,99 2,92 14,2 75,2 480 82 3,17 3,27 Willamette, Hawesville NC, USA Andritz 1986 60,3 950,0 950,0 8,1 7,4 22,2 0,92 2,86 13,4 65,9 480 45 2,44 2,64 Champion International Lufkin, TX, USA Gotaverken 1986 64,5 860,0 860,0 7,5 8,6 24,0 1,15 2,99 14,9 64,0 400 45 2,30 2,94 Indorayon Indonesia Andritz 1987 60,3 904,0 1150,0 8,1 7,4 22,3 0,92 2,87 15,0 65,0 440 65 3,31 2,69 Stora Enso, Kaukopää SK5 Kaukopää, Finland Andritz 1987 105,1 1900,0 1900,0 10,1 10,4 27,6 1,02 2,69 14,0 73,0 480 71 2,93 2,94 Portucell, Setubal Portugal Andritz 1988 101,6 1470,0 1770,0 9,8 10,4 26,0 1,06 2,58 12,8 63,0 480 82 2,58 3,24 Stora Enso, Oulu Oulu, Finland Andritz 1988 105,1 1600,0 2050,0 10,1 10,4 27,8 1,02 2,71 13,5 70,5 480 82 3,05 3,07 IKPP Indonesia Andritz 1989 64,4 1000,0 1000,0 8,1 7,9 22,3 0,98 2,78 15,5 65,0 455 63 2,79 2,69 Willamette, Bennetsville Malborough, SC, USA Andritz 1989 87,8 1362,0 1814,0 9,5 9,3 27,4 0,98 2,92 15,4 65,9 482 86 3,68 3,25 Georgia Pasific, Woodland Woodland, MA, USA Gotaverken 1989 117,1 2041,0 2041,0 10,6 11,1 31,0 1,04 2,86 13,7 68,0 441 61 2,76 3,56 Bahia Sul Brazil Götaverken 1989 143,2 1750,0 2700,0 12,0 12,0 31,2 1,00 2,60 14,0 75,0 480 85 3,06 3,23 Georgia Pacific Cedar Springs, GA Babcock&Wilcox 1990 61,3 1180,0 1102,2 7,7 8,0 20,1 1,04 2,57 13,3 73,5 482 62 2,78 2,13 Louisiana-Pasific Samoa, CA, USA Andritz 1990 87,8 1362,0 1608,0 9,5 9,3 27,4 0,98 2,92 13,4 73,0 440 62 2,84 2,92 Brunswick, Georgia Pasific Brunswick, GA, USA Kvaerner 1990 139,5 2041,0 2449,0 11,8 11,8 33,5 1,00 2,84 13,9 70,0 440 68 2,83 3,73 Metsa-Botnia, Kemi Kemi, Finland Kvaerner 1990 148,6 2600,0 2685,0 12,6 11,8 31,5 0,94 2,58 14,5 74,0 480 85 3,03 3,31 Weyerhaeuser, Columbus Columbus, Alabama, USA B&W 1990 150,4 2270,0 2270,0 11,9 12,6 32,3 1,06 2,63 15,3 68,0 496 108 2,68 3,71 Aracruz B, before &after mod. Brazil Gotaverken 1990 165,7 2200,0 3000,0 12,7 13,0 37,0 1,03 2,87 12,5 74,0 455 64 2,62 3,89 Howe Sound Canada B&W 1990 171,1 2989,5 2989,5 13,1 13,1 38,2 1,00 2,92 14,0 74,0 480 90 2,82 4,01 Oji Paper Co., Ltd.Tomioka Mill #10 Japan Mitsubishi SD 1990 1775,0 515 104 Nagoya Pulp Co., Ltd.Honsha Mill Japan Mitsubishi SD 1990 900,0 503 104 Tomoegawa Paper Co., Ltd.Shingu Mill Japan Mitsubishi MR-E 1990 525,0 460 78 Hyogo Pulp Industries Co., Ltd.Tanigawa Mill Japan Mitsubishi MR-E 1990 1000,0 505 105 Westvaco, Evadale Evadale, USA CE+MOD 1991 55,9 1134,0 6,8 8,3 17,7 1,23 2,36 Celpac Mininco, Chile Andritz 1991 116,6 1837,0 1837,0 10,8 10,8 31,0 1,00 2,87 14,5 72,0 450 61 2,64 3,35 Westvaco Covington, VA, USA Gotaverken 1991 117,1 2270,0 2270,0 10,6 11,1 33,5 1,04 3,10 13,7 68,0 496 109 3,07 3,85 Courtland Courtland, AL, USA B&W 1991 125,1 1723,0 1723,0 10,0 12,5 34,6 1,24 3,09 13,9 70,0 482 90 2,22 3,86 Arauco Chile Gotaverken 1991 145,6 2000,0 2000,0 12,0 12,2 30,8 1,02 2,55 13,7 68,0 455 63 2,18 3,53 Alberta Pacific Canada B&W 1991 146,9 2635,0 2635,0 12,1 12,1 33,0 1,00 2,72 13,7 70,0 454 63 2,85 3,68