Paineistetussa järjestelmässä vesikierto ohjataan pumpuilla. Jokaisella kourulla on omat lämpötila- ja virtausmittarit sekä sulkuventtiilit. Paineistetusta järjestelmässä vuodon sattuessa jäähdytysvesi voi joutua kosketuksiin sulan kanssa. (BLRBAC 2016)
Kuva 38. Paineellinen sulakourujen jäähdytysvesijärjestelmä (BLRBAC)
7 JÄÄHDYTYSJÄRJESTELMÄN TUTKINTA
Tässä kappaleessa tutkitaan erään Suomessa sijaitsevan soodakattilan sulakourujen jäähdytysjärjestelmää ja havaittuja ongelmia ja puutteita. Lisäksi kuvataan muutokset, jotka tehtiin olemassa olevaan jäähdytysjärjestelmään.
Tehtaalla on kuvan 39 mukainen ejektoreihin perustuva alipaineinen sulakourujen jäähdytysjärjestelmä.
Kuva 39. Sulakourujen jäähdytysjärjestelmä (DSC)
Joulukuussa 2017 soodakattilalla oli havaittu vuoto sulakourulla numero 5, jonka seurauksena kattila ajettiin alas ja kaikki sulakourut vaihdettiin. Vuotanutta kourua tutkittaessa havaittiin merkkejä ylikuumenemisesta, kouru oli säröillyt ja palanut puhki (Kuva 40 ja 41).
Kuva 40. Sulakouru no. 5 puhkipalanut alue. (ANDRITZ)
Kuva 41. Sulakouru no. 5 säröt (ANDRITZ)
Tehtaan DCS järjestelmästä tutkittiin trendejä tarkastelujaksolla 6.6 – 12.12.2017. Aluksi tarkasteltiin tulipesän pohjaputkien evien lämpötiloja (kuva 42).
Kuva 42. Tulipesän pohjaputkien evien lämpötilamittauspisteet. (Tehtaan DCS)
Pohjan lämpötilojen mittaustuloksista havaittiin, että mittauspisteessä numero 19 lämpötila oli ylittänyt 330 ℃ 109 kertaa tarkastelujakson aikana (kuva 43). Kyseinen mittauspiste sijaitsee sulakouru numero 5 läheisyydessä. Tällä kohtaa sulavirtaukset ovat olleet voimakkaampia kuin muualla tulipesässä. Sama ilmiö havaitaan myös sulakourujen lämpötiloissa.
Kuva 43. Tulipesän pohjan lämpötilojen 330 ℃ ylitykset. (Tehtaan DCS)
Kuva 44. Jäähdytysveden virtausvaihtelut (DCS)
Sulakourujen jäähdytysveden lämpötiloista tutkittiin korkeimmat lämpötilalukemat ja niiden esiintymiskerrat tarkastelujakson ajalta. Yli 68 ℃ asteen ylityksiä oli eniten kouruilla numero 4 ja 5 (Kuva 45).
Kuva 45. Yli 68 ℃ ylitykset jäähdytysvedellä. (Tehtaan DCS)
Yli 70 ℃ lämpötiloja oli mitattu ainoastaan kouruilla 4 ja 5. Kourun 5 jäähdytysveden lämpötila oli noussut yli 70 ℃ yhteensä 41 kertaa. Veden lämpötila oli saavuttanut höyrystymislämpötilan useita kertoja, mikä nähtiin myös merkittävänä jäähdytysvesivirtauksen heikentymisenä.
Kuva 46. Yli 70 ℃ ylitykset jäähdytysvedellä. (Tehtaan DCS)
Kattilan keskimääräinen kuormitus on ollut 3553 tka/d. Korkein kuorma tarkastelujakson aikana on ollut 4064 tka/d, joka on yli 12 % korkeampi kuin keskimääräinen kuormitus.
Mittaustuloksia analysoimalla ja sulakouru 5 vaurioiden tarkastelun perusteella voidaan todeta, että sulakourujen jäähdytysjärjestelmän tehoa pitää kohottaa vastaamaan nykyistä kuormitusta. Jäähdytysveden lämpötila on nykyisessä järjestelmässä liian korkea sekä jäähdytysvesivirtaus liian alhainen. Jäähdytysveden kiehumispistettä pitää nostaa jäähdytysjärjestelmään tehtävillä muutoksilla.
8 TOTEUTETUT KEHITYSEHDOTUKSET
Jäähdytysjärjestelmään vaihdettiin suuremmat ejektorit virtausmäärän kasvattamiseksi.
Ennen käyttöönottoa putkisto tarkistettiin vuotavien hitsaussaumojen ja laippaliitosten osalta.
Olemassa olevien pumppujen teho katsottiin riittäväksi, samoin lämmönvaihtimen kapasiteetti. Lisävesisäiliön pintaa nostettiin ylemmäs, siirtämällä säiliön sivulla oleva ylivuotoputki säiliön päälle. Staattinen paine-ero säiliön ja kourujen välillä pienentyi, jolloin jäähdytysveden kiehumispiste kohosi. Kourukohtaisten virtausmittareiden mittausrajat olivat riittävät uudessakin järjestelmässä.
Kuva 47. Sulakourujen jäähdytysveden lämpötila ja virtausmäärä ennen ja jälkeen muutostyön. (Tehtaan DCS)
Muutostyö toteutettiin huhtikuussa 2018. Kuvasta 47 voidaan havaita, että jäähdytysveden virtausta saatiin nostettua 1,8 – 1,9 l/s tasosta 2,2 – 2,4 l/s tasolle.
9 YHTEENVETO
Diplomityön tavoitteena oli kerätä aineistoa sulakourujen vikaantumismekanismeista, sulakourujen jäähdytysjärjestelmistä sekä dokumentoida toteutettu sulakourujärjestelmän kapasiteetinnosto tuloksineen sulakourujen varaosatiimille koulutusaineistoksi.
Sulakourut vaihdetaan uusiin sulakouruihin normaaleissa vuosiseisokeissa tavallisesti 12 kk välein. Toisinaan vuosiseisokkien välillä tapahtuu odottamattomia sulakouruvaurioita, jotka aiheuttavat sellutehtaan pysähtymisen ja 1 – 2 päivän sellutuotannon menetyksen. Suurilla sellulinjoilla tuotantotappiot voivat olla useita miljoonia euroja sulakouruvaurion vuoksi.
Sulakourua pidetäänkin yhtenä soodakattilan kriittisimpänä komponenttina, jonka suunnitteluun, materiaaleihin, valmistukseen ja jäähdytysjärjestelmän toimintaan pitää kiinnittää erityisen paljon huomiota.
Diplomityössä tutkittiin sulakourujen vauriomekanismeja sekä erilaisia sulakourujen jäähdytysjärjestelmiä. Sulakourut joutuvat alttiiksi vaativille olosuhteille; kuuman sulan aiheuttamat lämpörasitukset sekä voimakkaat sulan virtausvaihtelut kourun tukkeutumisesta/avaamisesta ja sulasyöksyistä johtuen. Myös prosessin sisältämät kemikaalit aiheuttavat korroosiota kourujen pinnoilla.
Erään Suomalaisen sellutehtaan sulakouruvaurio ja järjestelmän toiminta tarkasteltiin.
Tutkimukseen kerättiin dataa tehtaan automaatiojärjestelmästä. Ylikuumentunut ja vaurioitunut sulakouru pilkottiin osiin, jotka tutkittiin tarkoin. Kyseessä oli selkeä materiaalin ylikuumeneminen ja termisen väsymisen aiheuttama säröily. Soodakattilan kapasiteettia oli kohotettu huomattavasti ja alkuperäisen jäähdytysjärjestelmän teho osoittautui riittämättömäksi uudella kuormituksella.
Jäähdytysjärjestelmään tehtiin tarvittavat muutokset. Tehtyjen testien perusteella uusitun järjestelmän kapasiteetti kohosi selvästi. Uusitun järjestelmän teho on ollut riittävä myös sulasyöksyjen aikana Jäähdytysveden lämpötilat eivät ole kohonneet liian korkeiksi ja eikä ylikuumenemisesta aiheutuvaa säröilyä eikä korroosiota ole enää havaittu.
Tehtaitten ja soodakattiloiden kapasiteetteja kohotetaan huomattavasti käyttövuosien aikana.
Sulakourujärjestelmän kapasiteetti jää usein tarkastelematta. Sulakourujen kunto ja järjestelmän toiminta vaativat jatkuvaa seurantaa. Sulakourujärjestelmiä, materiaaleja ja sulakouruja on kehitetty vuosien varrella. Sulakouruvaurioiden välttämiseksi, sulakourujärjestelmien toiminta pitäisi tarkastella kerran vuodessa. Erityinen huomio pitää kiinnittää sulakourujen visuaalisiin tarkastuksiin ja niiden dokumentointiin vuosiseisokkien yhteydessä. Mikäli säröilyä tai merkkejä ylikuumenemisista on nähtävissä, syyt niihin on selvitettävä. Ne löytyvät lähes poikkeuksetta automaatiojärjestelmän historiatiedoista.
Sulakourujen jäähdytysjärjestelmien kapasiteetti on usein liian alhainen ja sulakourujen materiaalit säröilyherkkiä. Tehtaita on syytä muistuttaa asian tärkeydestä. Sulakouruvauriot ovat olleen liian yleisiä, myös Suomalaisilla sellutehtailla.
LÄHTEET
Alfa Laval. 2019. Plate Heat Exchangers.
ANDRITZ. 2019. Docupedia.
ANDRITZ Smelt Spout Cooling System.
ANDRITZ Sisäinen materiaali.
Busby, G. 2014. Corrosion and Cracking of Spouts. Tappi PEERS 2014. Tacoma, Washing-ton, 14-17 September.
BLRBAC. 2016. Recommended Good Practice: Safe Firing of Black Liquor in Black Liquor Recovery Boilers. The Black Liquor Recovery Boiler Advisory Committee
Hollenbach, D. J., Morrison S. A. 2001. Operating Experience and Dry Spout Design. TAPPI Jounal.
Huhtinen, M., Kettunen, A., Nurminen, P., Pakkanen H. 2000. Höyrykattilatekniikka. 5.
uusittu painos. Helsinki. Edita. Opetushallitus. ISBN 951-37-3360-2.
Hupa, M., Hyöty, P. 2002. Mustalipeän poltto ja soodakattila. Teoksessa: Raiko, R., Saastamoinen, J., Hupa, M., Kurki-Suonio, I. (toim.) Poltto ja palaminen. Toinen täydennetty painos. Jyväskylä. International Flame Research Foundation – Suomen kansallinen osasto. ISBN 951- 666-604-3.
KnowPulp. 2017. KnowPulp 10.0. Sellutekniikan ja automaation oppimisympäristö. Prow-ledge Oy.
Reid, C. 2011. Laboratory Examination of Smelt Spouts. 2011 Tappi PEERS Conference.
Portland, Oregon.
Ribeiro, J., Cardoso, M., Tran, H. 2010. Smelt Spout Corrosion in a recovery boiler. Tappi Journal, August 2010, s. 39-45.
Sage of America. Chromizing and some of its applications. Saatavissa:
http://www.sageofamerica.com/chrom.htm [21.5.2020]
Seppälä, M.J. (toim.), Klemetti, U., Kortelainen, V-A., Lyytikäinen, J., Siitonen, H., Sironen R. 2001. Kemiallinen metsäteollisuus I. Paperimassan valmistus. Toinen tarkistettu painos.
Jyväskylä. Opetushallitus. ISBN 952-13-1142-8.
Singbeil, D., Kish, J. & Keiser, J. 2014. Failure of Smelt Spouts in Kraft Recovery Boilers.
Pulp and Paper Corrosion Symposium, November 14, 2014.
Tran, H., Jones, A. & Grace, T. 2014. Understanding The Recovery Boiler Smelt Run-Off Phenomena. 2014 International Chemical Recovery Conference. 9-12 June 2014. Tampere Hall, Finland.
Tran, H., Sunil, A. & Jones, A. 2006. The Fluidity of Recovery Boiler Smelt. Journal of Pulp and Paper Science, vol 32, iss 3
Vakkilainen, E. 2005. Kraft Recovery Boilers – Principles and Practice. Suomen Soodakattilayhdistys r.y. ISBN 952-91-8603-7.
Vakkilainen, E. 2008. Chemical Recovery. Teoksessa: Tikka, P. (toim.) Chemical Pulping Part 2, Recovery of Chemicals and Energy. Second Edition. Jyväskylä. Paper Engineer’s Association – Paperi ja Puu Oy. ISBN 978-952-5216-26-4.
Vihavainen, E., Raak K., Korpirinne A. 2004a. Service Report. ANDRITZ.
Vihavainen, E., Seppänen S., Räsänen P. 2004b. Service Report. ANDRITZ.
Vihavainen, E. 2020. sähköposti 24.5.2020.
VTT. 2016. Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia.