Toiminut vuosina 1938-1985

Äänekosken sulfiittisellutehdas

Sulfiittisellutehdas Keittohapon valmistus

Sulfiittisellua valmistettaessa keittokemikaalina käytettiin ylimääräistä rikkidioksidia sisältävää kalsiumbisulfiittiliuosta Ca(HSO3)2. Sen pH oli noin 1.5, joten se oli vahvasti hapan. Äänekoskella käytetyn kalsiumpohjaisen keittohapon valmistukseen tarvittiin raaka-aineina rikkiä tai rikkikiisua, kalkkikiveä, vettä ja ilman happea. Kalsiumin sijasta menetelmän kationina oli mahdollista käyttää myös magnesiumia, natriumia tai ammoniumia.

Alkuaine rikki ja rikkikiisu

Alkuaine rikkiä

Alkuaine rikkiä (S)

Keittohapon valmistus lähti tehtaan alkuvuosina liikkeelle elementtäärisen rikin poltolla. Käytössä oli silloin kaksi kappaletta rikkiuuneja, joissa alkuaine rikkiä poltettiina rikkidioksidin valmistamiseksi. Tarvittava rikki oli tuontitavaraa ulkomailta.

Sotavuosien aikana 1943[1] tehtaalle valmistui kaksi kiisu-uunia, joissa voitiin polttaa Outokummun rikkikiisua. Vuoden 1959 suurinvestoinnin yhteydessä pyörivät kiisun pystyuunit purettiin ja niiden tilalle tuli pyörrekerroskiisu-uuni. Kiisulle hankittiin vielä 1970 luvulla käytettynä kattilatyyppinen rikkiuuni Pietarsaaresta.

Käytetty Outokummun kiisu saapui tehtaalle avotavaravaunuissa ja vaunut tuotiin kiisutehtaan raiteelle. Kiisuvaunujen tyhjennys tehtiin alkuaikoina lapiotyönä. Siinä kaksi miestä lapioi kiisua vaunusta kottikärryyn, joka tyhjennettiin nostokuuppaan. Nostokuuppa oli sähkömoottorin käyttämä nostin, joka nosti rikkikiisun ratatasosta kiisutehtaan yläkertaan. Siellä kuuppa kippasi lastinsa kiisu-uunin purkuaukon lähelle ja palasi tyhjänä takaisin alas. Työryhmässä oli 2-3 miestä, joista kaksi oli alakerrassa lapioimassa kiisua ja yksi oli ylhäällä varmistamassa kiisun purkua purkuaukolle. Päivän tavoite työssä oli 2 purettua kiisuvaunua.

Myöhemmin kiisuvaunujen purkuun hankittiin hydraulinen nostin, jonka avulla vaunussa ollutta rikkikiisua siirrettiin nostokuuppaan. Myös kiisutehtaan yläkerrassa ollut kuupan kaato automatisoitiin. Näillä menetelmillä kiisunpurku voitiin muuttaa koneelliseksi. Jouko Pirkkanen kertoo tästä kiisuvaunujen purun kehityksestä:[2]

"Kiisuvaunujen käsin tapahtuva purkaminen koettiin hyvin raskaaksi työksi. Lapio upposi siihen kyllä helposti, mutta se oli kuitenkin painavaa tavaraa. Kiisun purun automatisointia oli tehtaalla mietitty jo pitkään. Niihin aikoihin hydrauliset nosturit alkoivat kehittyä ja kiisulle hankittiin Hiab-nosturi kahmarikauhalla. Sen avulla voitiin kiisuvaunut tyhjentää koneellisesti nostokuuppaan ja raskaasta lapiotyöstä päästiin eroon. Kiisutehtaan yläkerrassa tapahtunutta kuupan kaatoa automatisoimalla ja vaunujen purkua koneellistamalla kiisunpurku voitiin muuttaa 1-2 miehen työksi."

Rikkikiisun palamisyhtälöitä

Rikkidioksidia valmistettiin tehtaalla polttamalla rikkikiisua erityisessä uunissa. Rikkikiisun palamisyhtälö on seuraava:

Reaktiokaava

Paitsi rikkidioksidia SO2 muodostaa rikki hapen kanssa myös rikkitrioksidia SO3:

Reaktiokaava

Rikkidioksidi muodostaa veteen yhtyessään rikkihapoketta H2SO3, mutta rikkitrioksidi puolestaan rikkihappoa H2SO4:

Reaktiokaava

Vain rikkihapoketta tarvittiin sulfiittikeittohapossa. Jos prosessissa syntyi rikkihappoa, kului rikkiä hukkaan ilman hyötyä. Lisäksi runsas rikkihappomäärä tuotti vaikeuksia sekä keittohapon valmistuksessa että itse keittoprosessissa. Sen takia rikkitrioksidin määrä palamisessa oli pyrittävä pitämään mahdollisimman pienenä. Kun rikkikiisun poltto suoritettiin mahdollisimman pientä ilmaylimäärää käyttäen ja 800 °C yläpuolella, oli SO3:n muodostuminen hyvin vähäistä. Lisäksi uunista tulevat kaasut oli jäähdytettävä nopeasti alle 400 °C:n. Tämä johtui siitä, että lämpötilavälillä 400-750 °C ei-toivotun SO3:n muodostuminen oli runsaimmillaan. Poltosta syntyneestä kaasusta oli SO3 lisäksi poistettava tuhkapöly ennen kuin sitä käytetiin keittohapon valmistukseen. Rikkikiisun palamisyhtälön mukaisesti oli syntyvän savukaasun SO2-pitoisuus teoriassa 16 tilavuus-% puhdasta rikkikiisua poltettaessa. Käytännössä kuitenkin tarvittavan ilmaylimäärän ja kiisun epäpuhtauden takia oli kiisun palamiskaasujen SO2-pitoisuus tavallisesti vain 9-12 tilavuus-%.

Pyörrekerroskiisu-uuni

Kesällä 1959 suoritettiin sulfiittitehtaalla mittavat rakennustyöt. Näiden aikana mm. kiisuosastolle hankittiin moderni pyörrekerroskiisu-uuni.

Rikkidioksidin valmistus pyörrekerroskiisu-uunissa

Pyörrekerroskiisu-uuni (periaatekuva)

Pyörrekerroskiisu-uuni oli Ahlströmin Warkauden konepajan saksalaisen Raschkan lisenssillä tekemä. Erkki Aalto kertoo pyörrekerroskiisu-uunin asennuksesta, toimintaperiaatteesta ja käynnistyksestä:[3]

"Pyörrekerroskiisu-uunin eli Wirbelschichtofen'in asennustyö vaati paljon ennakkotoimenpiteitä, kun se sijoitettiin käytössä olevan kerrosuunin paikalle. Tehtaan käynnin varmistamiseksi jouduttiin väliaikaisesti ottamaan vanhat rikkiuunit käyttöön ennen kuin kerrosuuni voitiin purkaa. Tämä pyörrekerroskiisu-uuni oli Ahlströmin Warkauden konepajan, saksalaisen Raschkan lisenssillä tekemä, ainoa lajissaan Suomessa. Siinä tulipesän kyljessä oli matalapainehöyrykattila ja sitten kaksi sähkösuodinta tuhkanpoistoa varten. Yksi tärkeä käyntiin liittyvä komponentti oli puhallin. Se oli meillä jykevä Erzenergebläse-puhallin. Se oli kuin monisylinterinen moottori, erittäin varmakäyntinen, mutta kallis."
"Uunin käynnistäminen tapahtui lämmittämällä ensin hiekkapatja polttoöljyllä niin, että kiisu syttyi. Elokuun alussa 1959 kiisu-uuni oli valmis käynnistykseen. Warkauden konepajan miehet olivat yhtä noviiseja kuin mekin, se oli heidän ensimmäinen toimituksensa. Koko ajan mentiin eteenpäin. Monen yrittämisen ja startin jälkeen saimme vihdoin kiisun palamaan kunnollisesti. Vanhat kiisunpolttajat perehtyivät nopeasti uuteen uuniin ja myös sen mukana olevaan höyrykattilaan. Tämän uudentyyppisen pyörrekerroskiisu-uunin rakennuttaminen ja sen saattaminen hyvään käyttövarmuuteen oli minulle, 33 vuotiaalle insinöörille hieno asia, siitä jäi kivat muistot. Yksi niistä ei ole vieläkään unohtunut!"
"Kiisun poltto pyörrekerroskiisu-uunissa perustui hiekkapetin ja kiisun yhteistoimintaan polttovyöhykkeessä. Kiisu paloi hiekkapatjassa hyvin ja perusteellisesti. Sen korkeudella säädettiin poltto-olosuhteita. Hiekka kului ja sitä oli lisättävä, kun raekoko pieneni. Hiekan lämmönkestävyys oli tärkeä asia, se ei saanut sintraantua. Uunin hoitajan tunneittain tekemä nuohous höyrykattilan ensimmäisten tuliputkien kohdalla olevasta tuhkaluukusta näytti miten poltto sujuu. Matalapainehöyry johdettiin BW-laitokselle."

Rikkidioksidin puhdistus ja jäähdytys

Rikkidioksidin pesutorni

Rikkidioksidin pesutorni

Kiisu-uunista ulos tulevassa savukaasussa oli rikkidioksidin SO2 mukana suuria määriä hienoa kiisutuhkaa, joka oli pääosin rautaoksidia Fe2O3. Kaasussa on myös rikkitrioksidia SO3 sekä kiisusta peräisin olevia arsenikkia ja seleeniä. Ne piti poistaa kaasusta tarkoin ennen kuin siitä voitiin valmistaa keittohappoa.

Kaasun esipuhdistus tapahtui kiisu-uunin yhteydessä olevassa tuhkanerotussykloonissa. Siinä kaasun mukana oleva kiinteä tuhka-aines erotettiin rikkidioksidista. Sen jälkeen esipuhdistettu ja höyrykattilan läpi kulkenut palamiskaasu johdettiin kahden sähkösuotimen kautta pesutorniin. Pesutornissa puhdistettava kaasu kohtasi hienon vesisuihkun, joka liuotti itseensä SO3:n muodostaen rikkihapoketta. Lisäksi vesi vei mukanaan kaasussa vielä ollutta tuhkaa ja seleeniä. Kaasu jäähtyi pesutornissa noin 70 °C. Sähkösuotimessa taas kaasu joutui kulkemaan suurjännitteisen sähkökentän läpi kahden elektrodin välistä. Sähkökenttään joutuneet pöly ja sumuhiukkaset saivat negatiivisen sähkövarauksen ja joutuivat maadoitettuun positiiviseen elektrodiin.

Kalkkikivi

kalsiumkarbonaattia eli kalkkikivi

kalsiumkarbonaattia eli kalkkikivi

Toinen sulfiitin keittohapon valmistuksen raaka-aineista oli kalkkikivi. Se on koostumukseltaan kalsiumkarbonaattia CaCO3. Kalkkikivi on yksi maapallomme yleisimmistä kivilajeista. Suomesta löytyvä kalkkikivi on noin 2 miljardia vuotta vanhaa. Kalkkikivi kuuluu sedimenttikivilajeihin ja useat kalkkikiven eri muodot ovat syntyneet kuolleiden eliöiden jäänteistä. Usein kalkkikivessä on erilaisia epäpuhtauksia, kuten raudan ja alumiinin oksideja ja piihappoa. Näiden epäpuhtauksien määrä ja laji ratkaisivat kalkkikiven sopivuuden keittohapon valmistukseen.

Alunperin tehtaalle tavaravaunuissa saapuneet kalkkikivet purettiin käsin siirtovaunuun, joka työnnettiin kiskoja pitkin happotornin hissiin. Se nosti kuorman tornin yläkerrokseen, jossa vaunukuorma kipattiin kivitäytössä olevan absorptiotornin yläpään aukosta sisälle torniin. Kalkkikivien käsittelyä automatisoitiin myöhemmin ja Jouko Pirkkanen kertoo tästä:[4]

"Jostakin sain tietää, että Varkaudessa kalkkikivien käsittelyä oli jo automatisoitu hydraulisella kolmipiikkisellä kahmarilla. Myös sulfiittiin hankittiin sellainen kalkkikivien käsittelyä helpottamaan. Sen avulla kivet saatiin koneellisesti tavaravaunusta happotornin siirtovaunuun."

Happotornin huolto oli vaarallista työtä. Kalkkikivien lisäys tehtiin korkealla tornin ylimmässä kerroksessa. Täyttövuorossa olevan absorptiotornin yläosaan laitettiin vesisumutus päälle täytön ajaksi. Tällä oli tarkoitus estää tornissa olevan rikkidioksidin purkautuminen ulos tornin yläpäästä. Aika-ajoin absorptiotornien alaosasta piti myös poistaa liukenematonta kiviainesta. Tällöin työtä haittasi tornissa syntynyt hapan raakahappo.

Raakahapon valmistus

Sulfiitin happotorni

Sulfiitin happotorni

Raakahapon valmistus tapahtui happotornin kalkkikivillä täytetyissä absorptiotorneissa. Vuoden 1959 suurinvestoinnin yhteydessä alkuperin kokopuiset absorptiotornit purettiin ja niiden tilalle rakennettiin liukuvalumenetelmällä uudet[5]. Tornien arinat olivat kuusipuusta. Absorptiotornit olivat koko happotornin korkuisia. Tornien sisäläpimitta juuressa oli 2,5-3 metriä ja ne kapenivat hieman ylöspäin mentäessä. Tornit olivat siis lievästi kartiomaisia.

Koko tornin korkuinen kalkkikivipatsas lepäsi tornin alaosassa olevan vahvan arinan päällä. Tornin huipulle johdettiin vettä, jota suihkutettiin tasaisesti koko poikkileikkauksen pinta-alalle. Tornin alaosaan painettiin kaasunpuhaltimella kiisunpoltosta saatua jäähdytettyä ja puhdistettua rikkidioksidikaasua. Vesi valui kalkkikivikerroksen läpi tornin alaosasta nousevaa kaasua vastaan. SO2 liukeni veteen ja muodosti rikkihapoketta H2SO3. Tämä yhtyi osaksi kalkkikiven kalsiumiin muodostaen kalsiumbisulfiittia Ca(HSO3)2. Kalkkikivestä vapautunut hiilidioksidi poistui tornin yläpäästä yhdessä typen ja muiden liukenemattomien kaasujen kanssa. Tornin alaosassa olleeseen tornihapposäiliöön valui raakahappoa, joka koostui kalsiumbisulfiittista ja rikkihapokkeesta. Syntynyt raakahappo piti vielä suodattaa ja väkevöidä SO2-kaasulla ennen sen käyttöä sellunkeitossa.

Syntyvän tornihapon väkevyyttä seurattiin mittaamalla sen ominaispaino. Mittaustulosten perusteella säädettiin tornin yläosaan johdettavan veden määrää. Tämä oli tärkeää, sillä tornihapon väkevyyden mukaan määräytyi myös keittohapon kalkkipitoisuus. Hapon väkevöityessä ainoastaan sen SO2-pitoisuus kasvoi kalkkipitoisuuden hieman alentuessa.

Tornihapon CaO- ja SO2-pitoisuutta voitiin muuttaa vain happotornin kalkkipilarin korkeutta tai veden lämpötilaa muuttamalla. Mitä lämpimämpää vesi tai kaasu oli, sitä huonommin rikkidioksidikaasu liukeni veteen. Tämän vuoksi usein kesäkuukausina lämpimän veden aikoihin oli vaikea saada hapon SO2-pitoisuus riittävän korkeaksi. Tornihapon lämpötila oli noin 8-9 °C korkeampi kuin torniveden. Se johtui osaksi kaasun korkeammasta lämpötilasta ja osaksi siitä, että kalkkikiven ja rikkidioksidin välinen reaktio oli eksoterminen eli lämpöä synnyttävä. Kesällä lämpöisen veden aikaan kalkin liukenemisnopeus absorptiotornissa kasvoi, jolloin syntyvän keittohapon Ca-pitoisuus nousi liikaa. Tämä vältettiin lisäämällä absorptiotorniin mustia kiviä kiertoon. Niiden kulkeuduttua hiljalleen tornin alapäähän ne rassattiin ulos ja nostettiin uudelleen käyttöön.

Absorptiotornin teoriaa

Absorptiotornissa tapahtuvissa pääreaktioissa rikkidioksidi yhtyi veteen muodostaen rikkihapoketta ja rikkihapoke puolestaan yhtyi kalkkikiveen muodostaen kalsiumbisulfiittia vettä ja hiilidioksidia:

Reaktiokaava

Raakahapon valmistus tapahtui tasaisesti ja jatkuvasti vuorokauden läpi ilman keskeytyksiä. Keittohapon käyttö taas oli jaksoittaista, minkä vuoksi raakahappoa täytyi varastoida. Ensimmäinen säiliö, johon happo torneista saapui toimii selkeyttämissäiliönä. Tornista tuleva happo oli vielä sameaa hiekasta, kipsistä ja muista liukenemattomista aineista. Selkeyttämissäiliöistä happo pumpattiin raakahapposäiliöön. Raakahapposäiliöstä happo pumpattiin raakahapon väkevöintiprosessiin.

Raakahappo ei vielä sellaisenaan soveltunut sellun keittoon. Kiisunpoltosta saaduilla suhteellisen heikoilla kaasuilla ei pystytty kohottamaan raakahapon kokonaisrikkidioksidipitoisuutta juurikaan yli 4 % ja tästäkin määrästä vapaan rikkidioksidin osuus oli hyvin pieni. Keittohapolta vaadittiin kuitenkin, että vapaata rikkidioksidia piti oli tarpeeksi, jotta keittotulos olisi hyvä. Tavallisesti keittohapossa kokonaisrikkidioksidipitoisuus oli 6-8 % ja CaO-pitoisuus 1,0-1,15 %. Raakahapon väkevöiminen keittohapoksi tapahtui käyttämällä hyväksi kaikkia keittämöltä tulevia SO2-pitoisia kaasuja. Näitä olivat:

Johtamalla nämä kaasut raakahappoon saatiin hapon SO2-pitoisuus nousemaan halutulle tasolle. Kaasutusten mukana seuraava lauhtuva vesihöyry alensi hieman raakahapon alun perin korkeata kalkkipitoisuutta happosäiliöissä. Rikkidioksidin ohella siirtyi kaasutusten mukana keittokattilasta happoon myös lämpöä. Täten noin 20-asteisen raakahapon lämpötila nousi eri väkevöimisvaiheissa niin, että se valmiissa keittohapossa oli 60-80 °C.

Väkevöimisprosessiin kuului keittämön läheisyydessä ollut happosäiliöjärjestelmä eli ns. tivoli. Se toimii kolmevaiheisena siten, että ensimmäisenä vaiheena oli raakahapposäiliö, toisena välihapposäiliö ja kolmantena keittohapposäiliö. On selvää, että mitä suurempi oli happosäiliöiden tilavuus, sitä helpompi oli pitää keittohapon väkevyys tasaisena. Hapon SO2-pitoisuus, lämpötila ja paine olivat toisistaan riippuvaisia tekijöitä. Sen vuoksi keittohapposäiliössä paine kohosi hapon lämpötilan ja SO2-pitoisuuden kasvaessa.

Hapon väkevöimisprosessissa happoa pumpattiin raakahapposäiliöstä välihapposäiliöön ja sieltä edelleen keittohapposäiliöön, josta se pumpattiin keittimeen. Keittimestä johdettiin keittokaasutus keittohapposäiliön alaosaan. Keittohapposäiliön paine oli säädetty ja sen yläpään painesäätöventtiilin kautta johdettiin poistuva kaasu välihapposäiliön alaosaan. Välihapposäiliön ylimääräinen kaasu johdettiin vuorostaan raakahapposäiliön alaosaan ja raakahapposäiliön ylimääräinen kaasu virtasi puolestaan happotorniin.

Viitteet

Lähteet

  1. Puumassan valmistus, Suomen paperi-insinöörien yhdistys, Erkki Aaltio, 1968
  2. Sellun valmistus, Ingmar Häggblom, Veikko Ranta, WSOY, 1977
  3. Erkki Aallon haastattelu 2016
  4. Jouko Pirkkasen haastattelu 2016
  5. Äänekoski Mills 1896-1996, Jaakko Auer, Pekka Soininen, 1996