Taseet

Vesi

Eri tehtaiden vesi ja höyryverkon järjestelyt ovat tehdaskohtaisia mutta muutamia yhdyskohtia on. Yleensä kattiloita on kaksi kappaletta, joista toinen on sooda- ja toinen kuorikattila. Kattilavedet ja primäärilauhteet ovat arvokkaita, koska ne ovat puhtaita ilman kemikaali jäämiä. Suurin osa primaarivesijärjestelmän vedestä saadaan lämmönsiirtimiltä takaisin primäärilauhteina, jolloin lisävettä tarvitaan vain lauhdehäviöitä vastaavan osan verran.

Sellutehtaan raakavesi on mekaanisesti käsiteltyä ja mahdollisesti desinfioitua. Jälkimmäinen tehdään lähinnä putkiston ylläpidon kannalta. Yleensä mekaanisesti puhdistettu raakavesi on riittävää suurimpaan osaan tehtaan prosesseja kuten lukuisat jäähdytyskohteet ja savukaasujen pesu. Kemiallisesti puhdistettua vettä tarvitaan taasen valkaisulinjan loppupuolella ja kuivatuskoneella lisävetenä.

Prosessien tarvitsema lämminvesi saadaan tyypillisesti haihduttamolta. Nykyään tehtaat tarvitsevat vain 20 - 50 % tuotetusta kokonaismäärästä ja loppu joudutaankin poistamaan jäähdytysvetenä. Kuumaa vettä saadaan keittämöltä jota saadaan mustalipeän polton yhteydessä jäähdytysvetenä. Menetelmistä riippuen määrä on 10 -15 m3 tunnissa. Kuumaa vettä käytetään useissa kohteissa, tyypillisesti happidelignifioinnissa ja valkaisussa pesuvesinä sekä kaustisoinnissa esimerkiksi meesan pesuun. Valkaisulinjalla kuumaa vettä voidaan käyttää lämpötilojen säätöön ja näin säästää arvokkaampaa höyryä.

Selluteollisuuden jäähdytysvesinä käytetään raakavettä, joka on mekaanisesti tai kemiallisesti puhdistettua. Jäähdytysvettä käytetään monasti tarpeen mukaan vielä uudelleen lämpimän tai kuuman veden valmistukseen. Eli toisten prosessien hukkalämpö yritetään käyttää hyväksi toisaalla. Kuuman veden käyttöaste pyritään pitämään korkealla sen sisältämän energian vuoksi. Yleensä ne jäähdytysvedet joita ei lämmitetä uudelleen prosessia varten palautetaan vesistöön.

Valkaisusta ja kuivatuskoneelta tulevien massojen sakeuserojen vuoksi muodostuu kiertovesi ylijäämä, joka on tyypillisesti 7 - 10 m3/ADt. Tyypillisesti näitä ylijäämiä käytetään laimennusvesinä tai pesuvesinä prosesseissa. Integraatin tapauksessa myös paperikoneen kiertovesien ylijuoksuja voidaan tietyissä tapauksissa käyttää sellutehtaan valkaisulinjalla tai massan hakuvetenä sellutehtaalta paperitehtaalle. Tilanne riippuu tehtaan vesitaseesta ja prosessikemiasta.

Sekundaarilauhteita syntyy haihduttamolta 8 - 9 m3/ADt. Nykyään selluprosessin ollessa suljettu järjestelmä on näihin alettu kiinnittää enemmän huomiota. Näitä lauhdevesiä ei nykyään enää ohjata jäteveden puhdistukseen vaan ne hyödynnetään prosesseissa.

Jätevesien määrä yllättäen vaihtelee tehtaiden välillä mutta nykyään yleinen taso on 20 - 40 m3/ADt. Valtaosa jätevesistä syntyy valkaisulinjalla sillä muilta prosessin osilta jätevedet pystytään käyttämään uudelleen muualla tehtaassa. Ongelmia muodostavat lähinnä suolat, jotka kertyessään muodostavat lipeäkiertoon ongelmia.

Kuorimon jätevedet sisältävät runsaasti etupäässä puun kuoresta liuenneita väri- ja uuteaineita. Niiden uudelleen käyttö prosessissa on tästä syystä hankalaa, joten ne tyypillisesti käsitellään jäteveden käsittelyssä. Nykyaikaisissa kuivakuorimoissa jäteveden määrä pudonnut huomattavasti, tasolle n. 0,5 - 2 m3 /ADt.

Energia

Yli 60 % metsäteollisuuden tarvitsemasta energiasta tuotetaan tehtaan sisällä bioenergialla. Tästä suurin osa kuluu lämpöenergiana tehtaan eri prosesseissa. Sellutehtaan lämmönkulutus on 8 - 14 GJ/ADt ja sähköenergian kulutus 500 - 700 kWh/ADt.

Sooda- ja mahdollisessa voimakattilassa (esim. kuorikattila) kattilavesi höyrystetään, höyryn paine nostetaan n. 90 bar ja lämpötila n. 490 °C tasolle. Saatu korkeapainehöyry johdetaan turbiinille, jossa höyryn painetta ja lämpötilaa vaiheittain alennetaan ja hyödynnetään syntynyt liike-energia sähkön tuotantoon.

Sellun valmistuksessa prosessihöyryä kulutetaan yhdessä tai kahdessa välipainetasossa sekä vastapainetasossa. Eli osa höyrystä otetaan pois turbiinin keskivaiheilta. Välipainehöyryn paine on tavallisesti 10 - 13 bar ja vastapainehöyryn (matalapainehöyryn) 3 - 5 bar. Lämpötilat ovat yleensä 170 - 210 °C välipainehöyrylle ja n. 140 - 150 °C matalapainehöyrylle.

Suurin osa prosessilämmöstä, n. 75 - 80%, kulutetaan matalapainehöyrynä. Suurimpia matalapainehöyryn kuluttajia ovat integroimattomassa tehtaassa haihduttamo, keittämö ja sellun kuivatus. Integroidussa tehtaassa valtaosa matalapainehöyrystä menee yleensä paperikoneille. Toisaalta integroidussa tehtaassa kuivatuskoneella ei höyryä yleensä kulu, koska sellu siirretään paperikoneille etupäässä pumppumassana. Sellu- ja paperitehtaan integroiminen on perusteltua siksi, että näin saadaan sellutehtaan ylimääräinen höyry hyödynnettyä paperikoneilla.

Soodakattilan höyrystä saatava sähkömäärä on tyypillisesti tasolla 1100 - 1300 kWh/ADt. Kuorikattilalla se on tyypillisesti 300 - 400 kWh/ADt. Luvut ovat suuntaa antavia ja ne riippuvat useista tekijöistä:

• Lauhdesähkön osuus ja väliottohöyryn määrä
• Puulaji
• Kuoren määrä tehtaalle (sahahakkeen osuus)
• Laitteisto ja ajotapa (esimerkiksi mustalipeän kuiva-ainepitoisuus, korkeapainehöyryn paine)

Havukeiton mustalipeästä saadaan 15 - 20 % enemmän sähköenergiaa lähinnä suuremmasta liuenneen orgaanisen aineen osuudesta johtuen. Toisaalta lehtipuun kuoren polttoarvo on korkeampi. Kokonaisuutena kuitenkin havupuulla päästään korkeampaan sähköntuottoon.

Mustalipeän kuiva-ainepitoisuudella ja korkeapainehöyryn paineella on olennainen merkitys sähköntuotantoon. Korkeampi mustalipeän kuiva-ainepitoisuus nostaa tulistimelle säteillyttä lämpömäärää ja siten lisää höyryntuottoa. Lisäksi savukaasuhäviöt ovat pienemmät. Korkeapainehöyryn paineen korottaminen lisää paine-eroa turbiinin yli ja siten lisää sähköntuottoa.

Paperinvalmistuksen vaatima sähkömäärä on yleensä 500 - 1000 kWh/ADt paperilaadusta riippuen. Lisäksi mekaanisen massan valmistus kuluttaa sähköä 1400 - 2000 kWh/ADt laadusta riippuen. Mikäli integraatti tuottaa enemmän paperia kuin sellua, sellutehtaan tuottama sähkömäärä ei useinkaan riitä, vaan joudutaan turvautumaan ostosähköön tai useampiin voimakattiloihin.

Kemikaalit

Lipeäkierron tärkein kemiallinen tasapaino on lipeän rikki-natrium -suhde (S/Na2). Rikki-natrium -suhdetta kuvataan myös usein sulfiditeetilla, joskaan tämä määritelmä ei ole aivan yksiselitteinen sulfiditeetin riippuessa myös reduktio- ja kaustistumisasteesta. S/Na2 on nykyaikaisessa sellutehtaassa yleensä tasolla 0,3 - 0,4. Tämä vastaa sulfiditeettia n. 30 - 45 %.

Rikkiä ja natriumia tulee kemikaalikiertoon pääasiassa hakkeen ja mahdollisten make-up-kemikaalien sekä usein klooridioksidin valmistuksen sivutuotteen mukana (esim. seskvisulfaatti). Pelkkää rikkiä tulee lipeäkiertoon happidelignifioinnin magnesiumsulfaatista ja meesauunin polttoöljystä. Myös mäntyöljyn palstoituksen emävedestä tulee rikkiä kiertoon, mikäli palstoitus on tehty rikki- tai jätehapolla ja emävesi ohjataan lipeäkiertoon.

Rikki poistuu prosessista etupäässä ruskean massan pesuhäviönä, hajukaasuina ja soodakattilan sekä meesauunin savukaasuissa. Natrium poistuu pääasiassa pesuhäviönä sekä vähäisessä määrin lentotuhkan mukana (lähinnä Na2SO4). Lisäksi esiintyy satunnaisia kemikaalihäviöitä vuodoissa ja ylijuoksuissa.

Natriumin määrä prosessissa määrittelee suurelta osin lipeävarannon. Siihen vaikuttaa myös kemikaalikierrossa kiertävä inertti aines. Lipeävarannon epätasapaino vaikeuttaa suuresti tehtaan hallintaa, lipeäsäiliöt voivat olla pääpiirteissään joko liian tyhjiä tai liian täysiä. Lipeävarantoa hallitaan natriumpitoisten kemikaalien lisäyksillä tai poistoilla. Lisäys- eli make-up- kemikaalina on ennen käytetty natriumsulfaattia (glaubersuola, Na2SO4), josta sulfaattimenetelmä on saanut nimensä. Make-up-kemikaalin valinta riippuu kuitenkin tehtaan rikki-natrium -suhteesta. Natriumsulfaatin käyttö lisäyskemikaalina nostaa sulfiditeettia ja nykyisin se on harvoin tarpeen.

Mikäli lipeävaranto on liian korkealla, natriumkemikaaleja voidaan poistaa soodakattilan lentotuhkasta (etupäässä Na2SO4 Ja Na2CO3) liuottamalla sitä veteen ja ohjaamalla jäteveden käsittelyyn. Jälleen poistokemikaalin valinta riippuu tehtaan rikki-natrium -suhteesta. Missään vaiheessa prosessia natriumia ei voida poistaa ilman rikin samanaikaista poistumista, mutta nykyisissä korkean sulfiditeetin tehtaissa tämä on harvoin ongelma.

Rikki-natrium -tasapainon säätö on samalla lipeävarannon hallintaa. Kumpaakin säädetään etupäässä kemikaalilisäysten ja tarvittaessa poistojen avulla. Tavoitteena on minimoida ympäristöön joutuvien ja toisaalta tehtaalle ostettavien kemikaalien määrää. Lisättävä tai poistettava kemikaali valitaan sen mukaan, mikä on kemikaalin S/Na2 ja lipeäkierron korjaustarve.

Lipeäkierrossa natrium ja rikki ovat prosessikemikaaleja, samoin kuin kalsium kalkkikierrossa. Lisäksi lipeässä on puusta liuennutta hiiltä ja vetyä. Puun, prosessiveden, make-up -kemikaalien mukana ja prosessilaitteiden korroosion johdosta tehtaan kiertoihin kertyy muitakin kemikaaleja. Näitä kemikaaleja kutsutaan. Hankalimpia vierasaineita ovat kalium ja kloori, jota aiheuttavat mm. soodakattilan tukkeutumista. Perinteisesti vierasaineet ovat poistuneet kierrosta viherlipeäsakan, sammutinhiekan, meesan, lentotuhkan, savukaasujen, valkaisun jätevesien ja sellun mukana. Tehtaiden päästöjen väheneminen ja kiertojen yhä täydellisempi sulkeutuminen lisää vierasaineiden kertymistä kiertoihin, koska niitä ei enää riittävästi kulkeudu pesuhäviön ja muiden päästöjen kautta pois kierroista.

Prosessiin tulevat inerttikemikaalit voidaan jakaa viherlipeäsakan mukana poistuviin ja lipeäkiertoon akkumuloituviin. Esimerkiksi magnesium, kalsium, mangaani (Mn), rauta (Fe), kupari (Cu) ja lyijy (Pb) suurelta osin saostuvat viherlipeäsakassa sulfideina, hydroksideina ja karbonaatteina. Piitä, kaliumia ja kloridia taas liukenee alkaliin ja niitä kertyy lipeäkiertoon.

Valkolipeässä on huomattavia määriä lipeään liukenevia vierasaineita Cl, K, Al ja Si. Kalium ei varsinaisesti ole inerttikemikaali, koska se jossain määrin osallistuu keittoreaktioihin emäksenä natriumin tavoin. Korkea Ca ja Mn- pitoisuus johtuu puutteellisesta valkolipeän suodatuksesta ja siitä, että Mn ja Ca muodostavat liukoisia hydrokomplekseja.