Toiminut vuosina 1938-1985

Äänekosken sulfiittisellutehdas

Sulfiittisellutehdas Keittämö

Kivikattilan sisäpinnan muurausta

Kivikattilan sisäpinnan muurausta

Tehtaan valmistuessa vuoden 1938 alussa sen keittämöllä oli kaksi bruttotilavuudeltaan 300 m3 keittokattilaa. Niissä kattiloiden levyrunko oli päällystetty sisäpuolelta haponkestävistä tiilistä ja erikoislaastista tehdyllä yhtenäisellä muurauksella. Muuraus vei kattiloiden tilavuudesta 25 m3, joten niiden nettotilavuudeksi jäi siten noin 275 m3. Muuratuissa kattiloissa paineastian varsinaisen rungon muodosti niittaamalla hiiliteräksestä koottu vaippalevy.

Haponkestäväksi muurattua keitintä oli käytettävä hyvin huolellisesti, jotta muuraus ei vahingoittuisi. Erikoisesti oli vältettävä tyhjön syntymistä ja samaten keittimen jättämistä tyhjäksi pitkäksi aikaa. Vuorauksen kuntoa oli myös valvottava säännöllisesti ja korjattava pinnoitteesta irronneet tiilet uusilla. Kattilan pinnoitteen valvonta tapahtui silmämääräisesti aina keitintä tyhjennettäessä ja sen lisäksi määräaikaisesti tehdyillä keittimen sisäpinnan tarkastuksilla. Keittokattila oli paineastia ja sen käyttöä hallitsivat paineastia-asetukset. Kattilan tiiliverhousta korjattaessa sen sisälle ajettiin lastuja sopivaan korkeuteen ja sitten korjaajat laskeutuivat kattilaan köysitikkaita pitkin. Korjaus- tai tarkastustöiden aikana oli tärkeätä huolehtia riittävästä ilmanvaihdosta kattilan sisällä. Alkuperäisten ns. kivikattiloiden sisäpinnan korjauksia teki tehtaan palveluksessa sitä varten ollut kattilamuurari.

Keittämön muutoksia 1959

Sulfiittitehtaan kapasiteettia päätettiin nostaa 20.000 tn vuoden 1959 aikana. Keittämön osalta tämä tarkoitti yhden uuden 300 m3 kattilan rakentamista. Uudistuksen yhteydessä sulfiitin vuodelta 1937 peräisin olevaa käsikäyttöistä keittämöä haluttiin myös modernisoida ja siksi sen instrumentointi hankittiin suoraan Controllilta. Näin saatiin samalla myös käyntiinlähtökoulutus. Vuoden 1959 suurinvestoinnin vetäjä Erkki Aalto muistelee tuota aikaa seuraavasti:[1]

"Ahlström rakensi paikanpäällä 300 m3 compound -keittimen. Vanhojen keittimien muurauksia korjattiin ja kaikkiin keittimiin tuli kauko-ohjattavat puskuventtiilit NAF:lta. Rakennettiin uusi hakekuljetin lastusiiloilta ja valvomo rakennettiin keittämölle. Uusi instrumentointi edusti päivän huipputasoa. Sen toimitti Helsingistä Controll Oy DI Sami Alperin johdolla. Se oli avaimet käteen toimitus ja minä en päästänyt häntä pois ennenkuin hän oli opettanut kaikki keittäjät käsittelemään näitä uusia vimpaimia. Keittäjät oppivat nopeasti uusille tavoille ja keittämö lähti hyvin käyntiin. Tästä todisteena hyvä vuosituotanto."

Erkki Aalto jatkaa edelleen:

"Vanhoja laitteita ei jätetty käyttöön, niitä ei tarvittu, kun uuden instrumentoimiin myötä siirryttiin säätotekniikan käyttöön keiton ohjauksessa. Keittäjien työtä helpotettiin siirtymällä kauko-ohjattujen venttiilien käyttöön, suurimpina puskuventtiilit. Tämä investointi oli aika kallis, mutta sen seurauksena keittämöllä voitiin tehdä monenlaisia tutkimuksia mm. DI-töitä ja erilaisia tilastollisia asioita keittoprosessin ohjaamisessa. Itse tein diplomityöni Porissa sulfiittikeiton parissa 68 vuotta sitten."

SO2:n nesteyttäminen aloitettiin
keittämöllä

Sulfiitissa otettiin tässä yhteydessä käyttöön ensimmäisenä maailmassa rikkidioksidin SO2 nesteytys keittoprosessista. Erkki Aalto kertoo tästä seuraavasti:[1]

"Tämä Kaukaalta ostamamme patentti rikkidioksiidin nesteyttämisestä sulfiittikeitosta oli ainutlaatuinen, sillä muualla maailmassa ei sellaista ollut käytössä. Suomen mittakaavassa sillä oli sellainen merkitys, että Harjavallan Rikkihappotehdas alkoi pian meidän startin jälkeen suunnitella ja rakentaa SO2 nesteytyslaitosta, kun huomasivat uuden markkinan olavan syntymässä selluteollisuudessa."
"Rikkidioksiidi on helposti nesteytettävissä, kun sen kiehumapiste on vain -10 astetta. Vertailun vuoksi sanottakoon, että luomien jäädytyksessä käytettävän typen kiehumapiste on -179 astatta. Termodynamiikka on ihmeellistä !"
"SO2:n nesteytyksessä tarvittiin sopivaa painetta ja kylmiä olosuhteita. Meillä oli keittemessä 6 baaria painetta ja ammoniakkikompurat tekivät minus nolla-asteista vettä. Neste SO2 poistui lämmönvaihtimesta paineastiaan odottamaan käyttöä. Prosessi toimi hyvin, kun meillä oli hyvää keittohappoa. Muutaman kerran oli vaikeuksia, kun SO2-taso oli liian matalalla. Enemmän huolta aiheutti isojen ammoniakkikompressoreiden toiminta. Tehtaalle tuli niiden myötä kolmas nestemäinen kaasu, ja sen mukana uudet työsuojeluvaatimukset. Muuten se sopeutui hyvin keittämön normaalitoimintaan. Myös tämänkin työn keittäjämme arkipäiväistivät nopeasti."

Neljäs keittokattila

Vuosien 1974-75 aikana tehtiin tehtaan historian suurin jätevesi-investointi. Silloin sulfiitissa siirryttiin keitinpesuun. Samalla keittämölle rakennettiin neljäs 300 m3 happoteräskeitin. Lisäksi jäteliemen käsittelyä varten valmistui Attisholzin lisenssillä toimiva hiivatehdas sekä uusi suuri sulfiittijäteliuoksen haihduttamo BW-laitoksen yhteyteen. Erkki Aalto kertoo 4. kattilasta ja uudesta sulfiittihaihduttamosta:[1]

"Olimme ostamassa Porin sulfiittitehtaalta 300 m3 Compound-keitintä. Se oli Porin Konepajan rakentama ja ollut käytössä vain lyhyen ajan. Pyysivät siitä erittäin kovaa hintaa ja niinpä Rosenlewin Konepaja myi samanlaisen uuden keittimen avaimet käteen toimittuna meille samaan hintaan!"
"Uuden 7-vaiheisen sulfiittihaihduttamon toimitti Rosenlewin Konepaja Porista. Se sijoitettiin BW-laitoksen viereen ja heidän hoidettavakseen. Sen elinikä muodostui kovin lyhyeksi vain vajaa vuosikymmenen mittaiseksi ja myytiin sitten Argentiinaan. Vanha si-haihduttamo ajettiin alas ja romutettiin myöhemmin. Lyhyt oli myös neloskeittimen elinkaari, vajaa kymmenen vuotta.Se otettiin ehjänä talteen ja luulimme voivamme myydä sen edelleen. Toisin kävi. Se makasi soodakattilan takana kentällä monta vuotta ja lopulta paloiteltiin."

Keitinpesuun siirtyminen sulfiitissa oli tärkeätä tehtaan ympäristökuormituksen vähentämiseksi. Jouko Pirkkanen kertoo keitinpesun periaatteesta:[2]

"Keitinpesun ideana oli saada jäteliemi mahdollisimman väkevänä haihduttamolle. Näin talteenottoprosessia saatiin parannettua ja päästöjä vesistöön vähennettyä. Keitinvesi eli syrjäytyspesu oli tehokkaampi kuin massakuoppapesu. Syrjäytymisen alkuvaiheessa mikään ei laimentanut talteen otettavaa lientä. Korkeasta ja massakuoppaa kapeammasta keittimestä saatiin enemmän talteen väkevää jätelientä."

Keitinpesuun siirtyminen oli sulfiittitehtaalle suuri muutos. Aiemmin keiton valmistuttua sen puhallus massakuopille aloitettiin noin 1 kg/cm2 paineesta. Puhallus toi massan mukana tällöin myös keittimen sisällä olleen jäteliuoksen. Varsinkin ennen sulfiitin haihduttamon rakentamista toiminta saastutti tehtaan alapuolisia vesistöjä, koska massakuoppien pesuvedet samoin kuin jäteliuoskin johdettiin suoraan vesistöön. Sulfiitin haihduttamon valmistuttua vuonna 1956 väkevä jäteliuos otettiin kuopilta talteen mahdollisimman tarkasti ja johdettiin haihduttamolle ennen kuopan pesun aloittamista.

Keitinpesuun siirtymisen jälkeen paineesta puhallus lopetettiin ja keiton valmistuttua kattilan jäteliuos syrjäytettiin massakuopilta saadulla pesuvedellä ennen puhalluksen aloittamista. Keittimestä syrjäytetty jäteliuos pumpattiin hiivatehtaalle ja sen prosessin jälkeen jäljelle jäänyt haihduttamolle, jossa se haihdutettiin noin 50% kuiva-ainepitoisuuteen ja poltettiin BW-voimalaitoksella.

Keittoprosessi sulfiitissa

Sulfiittitehtaalla sellua valmistettiin alunperin kahdella ja lopussa neljällä noin 300 m3 eräkeittimellä. Alla olevassa piirroksessa on karkeasti keittokattiloiden rakenne.

Sulfiitin keittokattila ja keittohapon kierrätysjärjestelmä

Sulfiitin keittokattila ja keittohapon kierrätysjärjestelmä

Sellun eräkeittimen keittohapon kierrätyslaitteisto: 1. keittokattila, 2. kierrätyspumppu, 3. kalorisaattori, 4. keittohapon palautus, 5. keittimen alakierto, 6. keittimen yläkierto, 7. hapotuslevy, 8. jäteliemen poisto, 9. kattilan happotäyttö, 10. syrjäytysliemi, 11. kaasutus, 12. höyry sisään kalorisaattoriin, 13. lauhde ulos kalorisaattorista, 14. kierrätyspumpun imusihti.

Sulfiitin keittokattilat I ja II

Alkuperäisten vuodelta 1938 olevien kivikattiloiden I ja II tekniset tiedot:[3]

Putkistokaaviot kattilat I ja IIPutkistokaaviot kattilat I ja II

Vuonna 1959 käyttöönotetun III kattilan tekniset tiedot:

Putkistokaaviot kattila IIIPutkistokaaviot kattila III

Sulfiittikeitton vaiheet ja niiden kesto

Sulfiittikeiton kokonaisaika riippui mm. lastutäytön ja pesun onnistumisesta sekä valmistettavan selluloosan laadusta. Alla olevassa esimerkissä on analysoitu erään koivukeiton vaiheiden kestot:[4]

Sulfiittikeiton vaiheet ja kestot
Toimenpide Kesto [h] Yht. [h] %-osuus Huom
Haketäyttö 1:00 1:00 6
Happotäyttö 0:20 1:20 2
Keitto => 105° 3:40 5:00 22
Keitto 105° => 128° 5:00 10:00 30 Valmis
Kaasutettu 2:30 12:30 16
Pesty 3:00 15:30 18
Tyhjennetty 1:00 16:30 6

Taulukon kenttien selitys:

Esimerkkikeitossa varsinaiset keittovaiheet eli keitto 105° saakka ja keitetty valmiiksi 128° lämmössä määrittivät yhdessä reilua 50% keiton kokonaisajasta. Keiton loppuvaiheessa tapahtuvat kaasutus, pesu ja tyhjennys edustivat yhdessä noin 40% keiton vaatimasta kokonaisajasta. Jäljelle jäävät prosessin alussa tapahtuvat hake- ja happotäyttö määrittivät yhdessä vajaat 8% keiton vaatimasta ajasta.

Yleisimmät keiton kokonaisvalmistumisaikaa jatkavat syyt tulivat haketäytön ja keiton loppuvaiheessa tapahtuvan pesun viivästymisestä. Ensin mainitussa hakkeen tilavuusvirta hakesiilosta oli siilon holvaantumisen vuoksi hidasta ja jälkimmäisessä taas pehmeät massan tukkivat herkästi sihdit, jolloin pesuvaihe hidastui. Usein talvisaikaan JG-kasalta tuleva koivuhake jouduttiin ajamaan siilojen holvaantumisen vuoksi kattilaan suoraan siilon läpi.

Äänekosken sulfiittitehtaan erityispiirre oli S02 nesteytys. Sen vaatimat laitteistot otettiin käyttöön vuoden 1959 suurinvestoinnin yhteydessä. Siinä keittokattila toimi S02 kaasuttajana. Nesteytys tapahtui lämpötilan muutoksen avulla kaksiosaisena lauhdutuksena. Ensimmäisessä vaiheessa symeeni yms. epäpuhtaudet lauhtuivat kaasusta n. 20 C°:ssa. Toisessa vaiheessa S02 nesteytyi. Näin saatiin 100% nestemäistä S02:ta.

Haketäyttö

Svenssonin täyttölaite

Svenssonin täyttölaite

Eräkeittimen keittoprosessi alkoi keittimen haketäytöllä. Happotornissa oli kolme 1000 m3:n hakesiiloa, joten keskimääräisen kattilatilavuuden mukaan niiden tilavuus riitti 10 haketäyttöön. Se suoritettiin ajamalla kuljetinhihnastoa pitkin haketta happotornin hakesiiloista kattilaan. Tehokas haketäyttö edellytti suurta hakevirtaa keittimeen sekä hakkeen tehokasta ja tasaista pakkaantumista keittimessä. Kattilaan ajettu hakemäärä punnittiin hihnavaakalla.

Hake syötettiin keittimeen Svenssonin täyttölaitetta käyttäen. Se käsitti kattilan suuhun asennetun tangentiaalisen höyrysuutinryhmän, joka imi yläsuppilosta hakkeen ja levitti sekä pakkasi sen tasaisesti keittimen poikkipinnalle. Tehtaan uusimmassa kattilassa eli IV-kattilassa oli kiinteä täyttölaite kattiian kaulaosassa. Jos hakkeensyötössä hakesiilosta ei ollut ongelmia, kesti keittokattilan haketäyttö noin 45-60 minuuttia. Keskimääräinen tilavuusvirta hakesiilosta keittimeen oli silloin noin 6,7 m3 minuutissa. Kattilan täytön päättyessä siinä oli 180-290 kg absoluuttisesti kuivaa puuta kattilan nettotilavuuden kuutiometriä kohti. Saatuun täyttömäärään vaikutti yleisesti hakekoko, hakkeen kosteus, kattilan korkeus, täyttölaite sekä täyttöhöyryn käyttö.

Suuret erot Äänekosken sulfiittikeittämön kattilatäytöistä johtuivat täyttölaitteista sekä hakkeen putoamiskorkeudesta ja -nopeudesta. Pienimmät täytöt olivat IV-kattilalla, koska sen kiinteä Svensson-täyttölaite oli usein osittain tukossa, jolloin täyttöhöyryn käyttö oli rajoitettua. Tärkein syy II-kattilan suuriin täyttöihin oli putoamiskorkeus. Hake putosi II-kattilaan pääkuljettimelta noin metriä korkeammalta kuin jakajahihnan kautta täytetyillä toisilla kattiloilla. Näin hake sai lisää nopeutta ennen höyrysuuttimia. Kattilatäytössä oli lisäksi merkitystä kuljetinvaunujen asettelulla: suurta täyttöä auttoi hakkeen putoaminen keskelle täyttösuppiloa, jolloin ilma pääsi vapaasti poistumaan sivuilta ja hakepalasten törmäily seinämiin väheni. Tällöin hakkeen nopeus ei laskenut.

Täyttöhöyryn käyttö aloitettiin tavallisesti noin 10 minuutin kuluttua hakkeen ajon aloittamisesta. Höyryn maksimipaine oli noin 3 bar. Jos hakkeen annostelu hakesiilosta oli epätasaista tai vähäistä, jouduttiin täyttöhöyryn käyttöä rajoittamaan. Tällöin hake ei pakkaantunut ja kattilan täyttö jäi luonnollisesti pienemmäksi kuin höyryä käyttäen. Höyryn avulla hake myös esilämmitettiin ja samalla hakkeessa ollut ilma poistui.

Hakeosasten asettuminen lappeelleen kattilan täytössä perustui niiden orientoitumiseen höyryvirrassa pienimmän poikkipinnan suuntaisesti. Koska höyry lisäksi tunki ilmaa tieltään, höyrytys edisti samalla hakkeen imeyttämistä keittoliuoksella. Oikein valitulla suuttimen asennolla ja täyttöhöyryn määrällä saavutettiin esim. kuusihakkeen täytössä jopa 30 % parannus tehostamattomaan täyttöön verrattuna. Tämä tarkoitti käytännössä sitä, että täyttölaitetta hyväksi käyttäen saatiin noin 120 kg 90% sellua keitin-m3 kohti. Ilman täyttölaitetta vastaava luku olisi ollut noin 90 kg keitin-m3 kohti. Haketäyttöä vastaava ilmamäärä poistettiin keittimen alapäästä vesitys- tai puskuventtiilin kautta.

Happotäyttö ja imeytys hakkeeseen

Keittokattilan yläpää

Keittokattilan yläpää

Keittimen tultua täyteen haketta sen kansi suljettiin ja aloitetaan hapon ajo happopumpulla. Tämä vaihe kesti noin 20 minuuttia, jonka jälkeen kattilan ylijuoksuventtiili suljettiin ja aloitettiin keittohapon kierrätys ja lämmitys sekä korkeapainepumppaus paineenajopumpulla.

Kattilan keittopaine 7 bar saavutettiin noin 20 minuutin kuluttua. Lämpötilan nostonopeus 105° C alkukeittolämpötilaan riippui halutusta tuotantovauhdista ja sen kesto oli vähintään 3,5 tuntia. Noston loppuvaiheessa, jolloin lämpötila oli noin 95° C, kattilasta poistettiin vakiomääränä happoa 75 m3. Vajautuksen jälkeen neste/puusuhde oli 2/3. Myöhemmin 1970-luvun lopulla Ulla-Maija Kovasen diplomityön tuloksena kehitettiin Texasin taskulaskimessa toimiva ohjelmisto, jonka avulla vajautettavan keittohapon määrä voitiin laskea tarkasti keiton alkuarvojen perusteella.

Kalsiumsulfiittikeiton onnistumisen edellytyksenä oli hakkeen mahdollisimman hyvä imeytyminen keittokemikaaleilla. Hakkeen lämpötila ei saanut nousta yli kriittisenä pidettyä 110 °C lämpötilaa ennen kalsiumiin sitoutuneen SO2 täydellistä imeytymistä. Muussa tapauksessa oli vaarana hakeosasten ytimien jääminen hajoamattomiksi ja koviksi tikuiksi. Koska happaman keittonesteen imeyttämisessä oli omat vaikeutensa, keitto suorittiin kahdessa vaiheessa: imeytysvaihe ja kypsytysvaihe. Käytännössä näitä vaiheita vastasivat alku- ja kypsytyskeitto. Keittohapon epätäydellinen imeytyminen lastuihin aiheutti mm. seuraavia haittoja:

Keittohapon imeytyminen lastuun perustui sekä penetraatioon eli tunkeutumiseen että diffuusioon eli siirtymiseen väkevämmästä pitoisuudesta laimeampaan. Keittohapon korkea liuosväkevyys aikaansai suuremman väkevyysgradientin keittokattilassa ja se lisäsi diffuusionopeutta. Mitä suurempi oli keittoliuoksen väkevyys, sitä vähäisemmäksi tuli hakkeen kosteuden ja puun varastoinnin vaikutus imeytystulokseen.

Nesteen imeytymisnopeus hakeosaseen oli pitkittäissuunnassa 50-200 kertainen poikkisuuntaiseen verrattuna. Tästä suuresta imeytymisnopeuserosta huolimatta poikkisuuntaisellakin tunkeutumisella oli merkitystä lyhyiden mittasuhteidensa vuoksi. Hapan keittoliuos ei tosin imeytynyt hakeosasen poikkisuunnassa läheskään niin voimakkaasti kuin alkalisessa sulfaattikeittossa. Pirstoutuneisiin ja lamelloituneisiin hakeosasiin keittoliuos tunkeutui nopeammin kuin ehjiin. Tästä syystä ohuen ja tasalaatuisen hakkeen saaminen oli ensiarvoisen tärkeätä.

Kuusihakkeen optimikosteus Ca-sulfiittikeittoliuoksen imeytymisen kannalta oli 25-30%. Se vastasi puun kyllästymispistetta. Tällöin puu oli jo saavuttanut maksimiturpoamisensa huokostilojen ollessa vielä kuitenkin vedettömät. Tässä tilassa oli solun seinamädiffuusio nopeimmillaan ja penetraatiokin pääsi hyvin alkamaan.

Alkukeitto eli lämmitys

Rikkidioksidin ja vesihöyryn osapaineet lämpötilan funktiona

S02:n ja vesihöyryn osapaineet lämpötilan funktiona

Keittohapon pumppaamisen sekä imeytyksen päätyttyä aloitettiin keittimen lämmitys. Lämpötilan kohotessa keittimen vapaaseen tilaan alkoi muodostua painetta, joka koostui pääasiallisesti SO2:n ja vesihöyryn osapaineista. Rikkidioksidin osapaine, joka nousi huomattavasti nopeammin kuin vesihöyryn, oli suoraan verrannollinen vapaan SO2 pitoisuuteen keittoliuoksessa. Koska liuoksessa olevan SO2 liukoisuus pieneni nopeasti lämpötilan kasvaessa, sitä erosi keittoliuoksesta runsaasti jo heti lämmityksen alkuvaiheessa. Tämän johdosta kattilan paine alkoi kasvaa nopeasti. Vesihöyryn osapaineen vaikutus kattilan kokonaispaineeseen alkoi luonnollisesti näkyä voimakkaamin vasta 100° C lämpötilan ylityksen jälkeen.

Epäsuora lämmitys kalorisaattorilla

Epäsuora lämmitys kalorisaattorilla

Kattiloiden lämmityksessä sulfiitin keittämöllä oli käytössä ns. epäsuoralämmitys, jossa keittohappo lämmitettiin keittimien ulkopuolella olevissa erillisissä lämmittimissä eli kalorisaattoreissa. Niitä oli jokaisella keittimellä yksi. Niiden sisällä oli suuri joukko haponkestäviä putkia, joita ympäröi höyryvaippa. Höyry lämmitti putkien läpi jatkuvasti kiertänyttä keittohappoa. Höyryn jäähtyessä muodostuneesta lauhteesta syntynyttä kuumaa vettä käytettiin tehtaalla hyödyksi.

Epäsuoran kattilan lämmityksen etuna suoraan lämmitykseen verrattuna oli se, että koko keittimen happomäärä oli jatkuvasti kierrossa, jolloin keitin voitiin täyttää tiiviimmin hakkeella. Lisäksi lämpötila keittimen kaikissa osissa oli hyvin tasainen, joten lopputuloksena saatiin tasainen keittotulos. Myös keittohapon väkevyys pysyi suurempana, koska höyrystä syntynyt lauhdevesi ei päässyt sitä laimentamaan. Epäsuoran lämmityksen varjopuolena oli ehkä kalorisaattoreiden kalleus, ylläpitokustannukset ja joskus niiden tukkeutumisen aiheuttamat haitat tuotannolle.

Koska keiton alkuvaiheessa keittimen haketäytös painui kokoon, keitin vajennettiin eli osa keittoliuoksesta palautettiin keittohapposäiliöön alkukeiton aikana tai sen päätyttyä. Vajennushapon määrä oli tavallisesti 15-30% keittimeen pumpatusta keittohaposta. Vajennus suoritettiin niin aikaisessa vaiheessa, että laimenemista lukuun ottamatta keittoliuoksen koostumuksessa ei ollut tapahtunut merkittäviä muutoksia. Vajennuksen jälkeenkin keittimessä olevan hakkeen tuli olla kokonaan keittohapon peitossa. Keittohapon ja hakkeen täyttösuhde, joka ennen vajennusta oli 4,5-4,0 suhde 1 pieneni palautuksen vaikutuksesta arvoon 4,0-3,5 suhde 1. Esimerkiksi pehmeää paperisellua valmistettaessa kattilan vajennus suoritettiin noin 5,5 tuntia keiton aloittamisesta. Kattilan vajennus aiheutti luonnollisesti pienen paineenlaskun, joka palautui nopeasti SO2 ja vesihöyryn osapaineiden noustessa kattilan vapaassa tilassa.

Kypsytys eli loppukeitto

Näytteenottoa painesyöttöastiasta

Näytteenottoa painesyöttöastiasta

Alkukeiton eli lämmityksen jälkeinen keiton kypsytysvaihe tavallisesti 128° C lämpötilassa kesti normaalisti noin 2-3 tuntia. Tänä aikana kattilan lämpötilassa, paineessa ja täytöksessä ei enää tapahtunut merkittäviä muutoksia.

Keiton valmistuminen eli se hetki, jolloin puun oheisaineet olivat liuenneet haluttuun pisteeseen saakka, voitiin määrittää usealla eri tavalla. Kattilan sivulla oli pieni painesyöttöastia, jonka avulla keittolipeästä saatiin näyte. Mitä tummempaa keittolipeä oli sitä pitemmälle keitto oli edennyt.

Painesyöttöastian kuppiin tuli myös massanäyte, josta voitiin päätellä oliko kuitu pehmennyt tarpeeksi. Tarkempi arvo valmistuneen keiton kovuudesta saatiin kuitenkin vasta laboratoriomäärityksen kautta. Se antoi keitolle kappaluvun. Tämä arvo saatiin kattilan puhalluksen jälkeen massakuopilta otetusta näytteestä.

Kappaluku kuvasi kuiduissa jäljellä olevan ligniinin määrää. Koska valkaisukemikaalit olivat selvästi keittokemikaaleja kalliimpia, valkaistavissa massalaaduissa ligniini pyrittiin poistamaan jo keitossa melko tarkoin. Liika ligniinin poisto keittovaiheessa kuitenkin lisäsi selluloosan liukenemista ja näin alensi massan lujuutta ja saantoa. Tyypillinen valkaistavan massan kappaluku oli lehtipuulla 14-20 ja havupuulla 20-30. Keittäjä Seppo Kautto kuvasi keiton lopetuksen määritystä sulfiitissa:[5]

"Jokaisen kattilan sivulla oli pieni painesyöttöastia, jonka avulla kattilasta saatiin otettua lieminäyte. Yksi keiton valmistumisen arvointikeino oli lieminäytteen väri. Saadun näytteen väriä verrattiin käsillä olevaan värimallisarjaan tai aikaisemmin valmistuneiden keittojen lieminäytteisiin. Astian kuppiin tuli lieminäytteen lisäksi myös massanäyte. Siitä voitiin kuitua pituussuunnassa sormella koittamalla arvioida oliko se jo pehmennyt tarpeeksi. Tikkumaisuus näytteessä kertoi, että keitto ei ollut pehmennyt vielä tarpeeksi."

Jokaisella keittäjällä oli hieman omanlaisensa tapa määrittää keiton päättämishetki ja siihen liittyi paljon kokemuksen tuomaa perimätietoa vanhemmilta keittäjiltä. Keittäjälle keiton lopetuksen arvioinnin teki vaikeaksi keittohapon väkevyyden jatkuva vaihtelu. Kalkin eli Ca-ionin lisääntyminen hidasti ja rikkidioksiidin eli SO2 lisääntyminen nopeutti keittoa. Myös aikaisempien keittojen lieminäytteet tummuivat ajan kuluessa ilman hapen vaikutuksesta.

Tehtaalla 1970-luvun loppupuolella DI Ulla-Maija Kovanen teki diplomityönään matemaattisen mallin keiton lopetuksesta. Kokeilujen jälkeen keiton lopetus tehtiin tämän mallin laskelman mukaan. Pieneen HP:n käsitietokoneeseen syötettiin laskelmassa tarvittu ohjelma. Koneessa ei ollut pysyvää muistia ja jos siitä katkesi virta, oli A4-arkille kirjoitettu ohjelma syötettävä uudelleen. Koneeseen syötettiin kaikki keiton edistymiseen vaikuttavat muuttujat ja laskennan jälkeen kone antoi lopputuloksena tiedon, kuinka monta minuuttia keittoa jatkettiin maksimilämpötilassa.

Mustat keitot ja lastukeitot

Sulfiitissa oli tehty tuotantoa yli 1,5 miljoonaa tonnia ilman ns. mustia keittoja. Sensijaan ns. lastukeittoja sattui silloin tällöin. Niissä keittäjä oli unohtanut avata keittimen alakierrona venttiilin ja puolet keitosta meni tästä johtuen lastuina kanaaliin. Tämäkään ei kuitenkaan ollut tehtaan tuotannolle mikään ongelma.

Mustien keittojen ongelma oli tehtaalla tilapäinen poikkeama, josta ei myöskään muodostunut tuotannollista haittaa. Erkki Aalto kertoo niiden syntymisestä seuraavasti:[6]

"Mustat keitot olivat tehtaalla täysin tuntemattomia ennen keitinpesuun siirtymistä. Oikein hoidettu sulfiittikeitto ei koskaan mennyt mustaksi muuten kuin erittäin suurten virheiden seurauksena. Oli kaksi mahdollisuutta ns. mustan keiton syntymiseen sulfiittikeitossa. Ensinnäkin alkukeitto eli imeytysvaihe ajettiin liian nopeasti 110° C lämpötilaan. Toinen mahdollisuus oli ottaa alkukeitosta liian paljon nestettä pois. Tämä alkuvajautus oli varsin tärkeä keiton kannalta, koska keittohappoon siirtyneet orgaaniset aineet vaikuttuvat keiton lopputulokseen".

Ulla-Maija Kovasen diplomityössä oli tarkoituksena kartonkitehtaalle toimitetun sellun laadun parantaminen. Mustien keittojen keitinpesuun siirtymisen yhteydessä esiin tullut ongelma saatiin sen mukana ratkaistua. Ulla-Maija Kovanen kertoo tästä seuraavasti:[7]

"Joissakin keitoissa keittohappo oli mustaa ja massakin mustui. Niissä tilanteissa keitto oli mennyt yli ja keittokemikaali oli päässyt loppumaan. Niissä massan viskositeetti romahti ja valkaisukemikaalien kulutus kasvoi".
"Tilannetta ryhdyttiin analysoimaan ja päädyttiin siihen, että jossakin vuorossa kattiloihin ajettiin lastua niin paljon, että keiton alkuvaiheessa tehty vakio hapon vajennusmäärä oli liikaa. Tällöin keittohappoa oli liian vähän kattilan lastumäärään."
"Ratkaisu ongelmaan löytyi keittojen tarkan analyysin pohjalta. Siinä käyttöön otettiin Texasin nelilaskimeen kehitety laskentaohjelma, johon syötettiin kattilaan mennyt hakemäärä ja keittokemikaalin väkevyydet. Ohjelma lasti näiden tietojen perusteella kattilasta vajautettavan keittokemikaalin määrän [m3]. Tämän jälkeen mustat keitot loppuivat tehtaalla."

Loppukaasutus ja jäteliemen poisto eli syrjäytys

Keittoprosessi päätettiin sulkemalla keittokaasutusventtiili ja avaamalla alaskaasutusventtii. Tällöin paineen alentuessa kattilassa keittonesteestä erosi pääosa siinä vielä jäljellä olleesta vapaasta SO2. Keitinkaasujen SO2 ja lämpö otettiin talteen johtamalla kaasut keittohapon väkevöimissäiliöihin. Kattilan kaasutus kesti tavallisesti noin 2,5 tuntia.

Paineen laskettua keittimessä aloitettiin vahvan keittoliemen poisto eli syrjäytys. Siinä keitossa syntynyt jäteliemi syrjäytettiin pois keittimestä ja tilalle pumpattiin laihempaa pesulientä massakuopilta. Syrjäytyksessä oli tärkeää saada vahva jäteliemi talteen niin laimentumattomana kuin mahdollista. Se sisälsi noin 2% käymiskykyisiä sokereita, joten sitä käytettiin spriitehtaan ja myöhemmin hiivatehtaan raaka-aineena. Lopuksi jäteliemi haihdutettiin noin 50% kuiva-ainepitoisuuteen ja poltettiin tehtaan BW-kattilassa. Aiemmin, kun kattilan puhallus aloitettiin paineellisena, ei syrjäytystä käytetty osana keittoprosessia. Syrjäytyksessä käytettävä neste kulki siten vastavirtaan itse pääprosessin kanssa. Tätä samaa periaatetta käytettiin tehtaan muissakin osaprosesseissa. Se tarkoitti siis sitä, että erilaisissa huuhteluissa, laimennuksissa ja pesuissa käytettävä neste otettiin laimeammasta prosessista ja sitä käytettiin väkevämmän prosessin tarpeisiin. Tällä periaattella oli huomattavan suuri tuorevettä säästävä vaikutus ja se näkyi tehtaan pienempinä päästöinä.

Keittimen tyhjennys

Keittokattilan tyhjennystä

Keittokattilan tyhjennystä

Alunperin keittokattilan tyhjennys eli puhallus massakuopille aloitettiin noin 1 kg/cm2 paineesta. Tällöin keittimen sisältämä vahva jäteliemi ja valmistunut selluloosakeitto puhallettiin paineen avustamana samalla kertaa keittokattilasta alemmalla tasolla oleville massakuopille. Toimintamalli rasitti kuoppien rakenteita paljon, koska puhallettu keitto oli kuumaa ja sisälsi vielä jonkin verran SO2. Lisäksi se oli ympäristölle haitallisempi toimintamalli, kuin myöhemmin käyttöön otettu ns. keitinpesu.

Paineesta puhallus lopetettiin 1970-luvun puolivälissä ja keittimen tyhjennys aloitettiin vasta paineen laskettua kokonaan. Tällöin syrjäytyksen jälkeen ennen puhallusta apukeittäjä ajoi kattilan pohjaliemet massakuopille. Tällä oli se tarkoitus, että puhallus ei pakkaantunut kuopan pohjalle liikaa ja tukkinut pohjan sihtilevyjä. Kattilan tyhjennys eli puhallus aloitettiin avaamalla keittimen kansi ja pumppaamalla siihen alapäästä massakuopilta tullutta laimeaa pesulientä kunnes pinta nousi lähelle yläkaulaa. Tämän jälkeen avattiin puskuventtiili ja puhallettiin keittimen sisältö massakuopille. Keittimen tyhjentymistä autettiin vielä lisäämällä puskukäyrään perävettä ja kattilan yläosan kautta pesulientä. Kattilan tyhjennys kesti puolesta tunnista vähän yli tuntiin riippuen puhalluksen onnistumisesta.

Kalorisaattorin pesu

Eräkeittimen kiertoaikaan kuuluu tavallisesti vielä kalorisaattorin pesu, joka suoritettiin kipsikerrostumien poistamiseksi. Keiton puhalluksen jälkeen kierrätettiin kalorisaattorissa lämmintä vettä tai haihduttamon lauhdetta, jolla poistettiin kalorisaattorin lämpöpinnoista keitossa muodostuneet kipsisaostumat. Tämän jälkeen keitin oli valmis uuteen keittoprosessiin. Ajoittain tukkeutuneita kalorisaattoreita jouduttiin avaamaan ja puhdistamaan. Kipsiä hakattiin irti taltalla ja vasaralla, muuta loppuaikana saatiin korkeapainepumppu, jolla kipsiä irrotettiin 500 bar paineella.

Paine ja lämpötila esimerkkikeitossa

Alla olevasta kuvaajasta selviää esimerkkinä käytetyn sulfiittikeiton paineen ja lämpötilan muutokset yhden keittokierron aikana.[4]

Kattilan lämpötila °C ajan funktiona

Kattilan lämpötila °C ja paine ajan funktiona

Alla taulukkomuodossa esimerkkikeiton statistiikkaa:[4]

Perustietoja keitosta
Nimike Määrä
Happomäärä 200 m3
Vaj.määrä 75 m3
Nestemäärä 500 kg
Hapon lämpötila 60°
SO2-% 6,5
CaO-% 1,0
Lastumäärä 115 tn
Lastujen koskeus-% 61

Sulfiittikeiton kemiaa

Tärkeimmät muuttujat, joilla raaka-aineen laadun lisäksi voitiin vaikuttaa syntyvän Ca-sulfiittimassan laatuun, olivat keittoliuoksen happamuus ja väkevyys, keittopaine, lämpötila sekä keittoaika. Keittoliuoksen koostumus ilmaistiin käytännössä kolmella suureella, jotka olivat:

Kaava

Keittohapon koostumus

P itoisuus SO2 kok vaihteli Ca-sulfiittikeittohapossa välillä 5-10% ja sidottu SO2 määrä puolestaan välillä 0,9-1,3%. Tekninen Ca-sulfittikeittohappo sisälsi emästä 0,7-1,4% kalsiumoksidiksi laskettuna. pH keiton alussa oli luokkaa 1,0-2,5. Sitä ei voitu juurikaan suurentaa, koska tällöin kalsiumsulfiitin saostumisriski kasvoi. Tämä olikin yksi happamen kalsiumbisulfiittikeiton suurimmista ongelmista.

Lämpötilan nosto keitossa vaikutti hiilihydraatteja pilkkovasti eli siis päinvastoin kuin sidotun SO2 lisääminen. Ligniinin liukenemisnopeus oli suoraan verrannollinen vapaan SO2 määrään ja myös SO2 osapaineeseen. Delignifikaatio hidastui nopeasti sidotun SO2 määrän kasvaessa ja kokonais-SO2 pysyessä vakiona. Tällöin liuoksen bisulfiitti-ioniväkevyys kasvoi ja happamuus pieneni. Tässä tapauksessa delignifikaatiota voitiin nopeuttaa lämpötilaa nostamalla. Se kasvoi suunnilleen kaksinkertaiseksi keittolämpötilan nousun jokaista 10 °C kohti. Alkukeitossa oli pyrkimyksenä saada tasaisesti ja täydellisesti imeytynyt keittotäytös ennen lämpötilan nousua 105-110 °C. Tämä tapahtuu 2-2,5 tunnissa lähdettäessä n. 70 °C keittoliuoksesta. Kun kriittinen lämpötila oli sivuutettu, jatkettiin lämmitystä haluttuun loppulämpötilaan, jossa se pidettiin keiton kypsymispisteeseen saakka.

Viitteet

Lähteet

  1. Puumassan valmistus, Suomen paperi-insinöörien yhdistys, Erkki Aaltio, 1968
  2. Sellun valmistus, Ingmar Häggblom, Veikko Ranta, WSOY, 1977
  3. Erkki Aallon esitelmä Rotaryklubissa 3.1.1984
  4. Piirrokset ELKAN:n arkisto, Mikkeli
  5. Valokuvat: Äänekosken taidemuseo, Seppo Kautto
  6. Teknillinen korkeakoulu, diplomityö Ulla-Maija Kovanen, 1979
  7. Äänekoski Mills 1896-1996, Jaakko Auer, Pekka Soininen, 1996