Sähkökemia suojaa sellukeittimen - Korroosio kuriin
Savcor Forest Oy 14 KEMIA 8/2014 Sähkökemia suojaa sellukeittimen Korroosio kuriin Suomalaisen Savcor Forestin kehittämä sähkökemiallinen menetelmä suojelee sellukeittimiä niiden ilkeimmältä viholliselta, korroosiolta. Jari Koponen Korroosio voi pahimmillaan johtaa katastrofaalisiin seurauksiin. Dramaattinen esimerkki on Jyväskylän vesitornin romahtaminen vuonna 2012. Turman syyksi osoittautui betoniraudoitteiden vetyhaurastuminen. Materiaalien korroosio on hankala ongelma etenkin prosessiteollisuuden vaativissa olosuhteissa, kuten jätteenpoltossa sekä sellunvalmistuksen tietyissä vaiheissa. Altteimpia korroosiolle ovat metallipinnat, jotka korkeissa lämpötiloissa joutuvat kosketuksiin syövyttävien aineiden kanssa. Perinteisen erä kerrallaan tapahtuvan sellunkeiton on korvannut jatkuva keitto. Prosessimuutos on tuonut mukanaan uudenlaisia korroosio-ongelmia. Eniten ongelmia esiintyy keittimissä, joiden materiaali on hiiliteräs. Kattiloita on alettu valmistaa myös ruostumattomista teräksistä, mutta nekään eivät ole immuuneja korroosiolle. Korroosioriskin takia materiaalien tilaa joudutaan tarkkailemaan tiheään. Haittoja tutkitaan laitosten vuosiseisokkien aikana sekä neljän Rakettia muistuttavat sellukeittimet ovat massiivisia rakennelmia. Keittimien halkaisija on 5–10 ja korkeus 50–65 metriä. vuoden välein tehtävissä, paineastiamääräysten edellyttämissä tarkastuksissa, mutta usein tarvitaan myös erityisiä tarkistusseisokkeja. Jatkuva mittaus Mikkeliläinen Savcor Forest Oy on kehittänyt sellukeittimien suojaksi uuden sähkökemiallisen menetelmän. Idea perustuu siihen, että keittimessä virtaava emäksinen liuos johtaa hyvin sähköä. Keittimen suojaus tapahtuu asentamalla sen sisäpuolelle sekä virransyöttö- että referenssielektrodeja, joiden avulla voidaan mitata sisäpinnan potentiaali. ”Tiettyyn rajapotentiaaliin asti pinta on tiiviin passiivisen kerroksen peittämä. Jos potentiaali alittaa rajan, passiivisuus menetetään ja korroosio tulee mahdolliseksi. Tilanne voidaan korjata virransyötöllä, jonka avulla potentiaali nostetaan takaisin passivointitasolle”, kuvailee Savcorin teknologiajohtaja Martti Pulliainen. Elektrodien vaihtoväli on pitkä, viidestä seitsemään vuoteen. Menestykseksi osoittautuneella menetelmällä on suojattu paria poikkeusta lukuun ottamatta kaikki Suomen sellukeittimet. Suomalaistekniikka kiinnostaa myös maailmalla. ”Olemme asentaneet suojauksen noin 70 keittimeen muualla maailmassa, pääasiassa Etelä- ja PohjoisAmerikassa”, kertoo tuotepäällikkö Isto Virtanen. Sähkökemiallisessa suojauksessa suomalaisyhtiöllä ei ole kilpailijoita. Sen sijaan Savcorin tekniikan kanssa Jatkuu sivulla 17… Puusta selluksi Sellu valmistetaan nykyään jatkuvana prosessina. Puuhake ja kemikaalit eli valko- ja mustalipeän seos syötetään ensin keittimen yläosaan. Valkolipeän pääkomponenttien natriumhydroksidin ja natriumsulfidin pitoisuudet laskevat mustalipeässä, ja liuos rikastuu puusta liukenevista kemikaaleista. Seos valuu alaspäin läpi keittimen vyöhykkeiden, joissa keiton eri vaiheet tapahtuvat. Keittolämpötila on 150–170 celsiusastetta, jossa puun lig- niini ja muut liima-aineet liukenevat ja puukuidut irtoavat. Kun sellumassa otetaan keittimestä ulos, se valkaistaan eli poistetaan siitä jäännösligniiniä. Kokonaan mustalipeäksi muuttunut liuos siirretään soodakattilaan, jossa kemikaalit otetaan talteen. Soodakattila tuottaa myös energiaa höyrynä, joka käytetään hyväksi voimalaitoksessa. Yleensä sellutehtaat ovatkin energian suhteen omavaraisia. 8/2014 KEMIA 15 Biovoimalat tuovat korroosio-ongelmia Patentoitu ratkaisu VTT on kehittänyt ja patentoinut ongelmaan aiempia tehokkaamman ratkaisun: käytössä olevan kattilamateriaalin pinnoittamisen. Nikkeli suojaa tehokkaasti kloorin aiheuttamalta korroosiolta. Tämä perustuu siihen, että nikkelikloridin muodostumisnopeus on rautaan 16 KEMIA 8/2014 verrattuna huomattavasti pienempi. VTT:n menetelmä perustuu kuumaruiskutukseen. Metallin pintaan luodaan siinä noin 500 mikrometrin paksuinen kerros mikroskooppisista kromi-nikkelipalloista, jotka on pinnoitettu nikkelillä. ”Ilman pallojen pinnoitusta sulaneiden pallojen väliin jäisi lamellirajoja, joiden kautta kloori pääsisi vaikuttamaan pohjamateriaaliin. Nikkelipinnoite tukkii lamellirajat, ja tuloksena on korroosionkestävä pinta”, Yli-Olli kuvailee. Polttolaitoskattiloiden putkistoja ei tarvitse pinnoittaa kokonaan, vaan korroosiolle altteimpien koh- tien päällystäminen riittää. Riskipaikat sijaitsevat eri kohdissa putkia valmistajasta riippuen. Demapp-ohjelman tutkimusprojektissa testattiin pinnoitusten korroosionkestävyyttä käytännön prosessioloissa. Yli-Ollin mukaan tulokset olivat erittäin hyviä. ”Koska pohjamateriaali pysyy samana, paineastiasäädösten vaatimia testejä ei tarvitse uusia. Hyvin puhdistetut kriittiset vanhat osat voidaan pinnoittaa tai korvata uusilla pinnoitetulla putkenosilla. Pinnoite kiinnittyy tiukasti ja kestää käyttörutiineihin kuuluvat nuohoukset.” Sanni Yli-Olli Voimalaitosten kattiloissa on tähän saakka käytetty polttoaineena enimmäkseen kivihiiltä. Tällöin pääasiallisin korrodoiva aine on rikki. Vuosikymmenien käyttökokemuksen ansiosta hiilenpolttoon liittyvät riskit tunnetaan ja hallitaan. Tilanne muuttuu, kun kattiloissa ryhdytään yhä enemmän polttamaan biomassaa ja sekajätettä. Suomessa on suunnitteilla ainakin kahdeksan biovoimalaa. Biolaitoksissa ongelmia aiheuttavat polttomateriaalin kosteus ja kloori. Tietyissä lämpötiloissa niiden yhteisvaikutus syövyttää teräspintoja. ”Polttokattiloissa käytettävä seostamaton tai niukkaseosteinen teräs voitaisiin tietysti korvata kestävämmillä teräslaaduilla. Ne ovat kuitenkin huomattavasti kalliimpia”, sanoo vanhempi tutkija Sanni YliOlli VTT:stä. Esteenä on myös kattiloiden valmistamiseen liittyvä säätely. ”Paineastioina käytettävien materiaalien on täytettävä tiukat vaatimukset. Uuden materiaalin kehittäminen ja testaaminen on pitkä prosessi, joka vie vuosia tai jopa vuosikymmeniä.” Nykyiset keinot kloorikorroosion pienentämiseksi ovat muun muassa biomassan sekapoltto hiilen kanssa ja kaasumaisen rikin ruiskuttaminen polttokattilaan. Sopivalla kloorin ja rikin tasapainolla korroosiota voidaan jonkin verran hidastaa, mutta prosessi on hankala hallita. Kloorikierre rapauttaa Polttoon tuleva biomassa sisältää normaalisti sekä kosteutta että natrium-, kaliumja kalsiumklorideja. Poltossa voi syntyä suoraankin syövyttävää kaasumaista klooria, mutta tietyissä olosuhteissa kloridit tuottavat tehokkaasti vapaata klooria. Kloorikorroosion voimakkuuteen vaikuttavat polttomassan kosteus- ja kloridipitoisuudet. Tuoreessa ja vihreitä osia sisältävässä biomassassa molemmat ovat korkeat, mutta kuivakin puuhake saattaa kloridipitoisuudestaan riippuen aiheuttaa ongelmia. 1.Ensi vaiheessa kloridit muodostavat metallin pintaan sulan sekakloridikerroksen, jonka sulamispiste on yksittäisiä klorideja matalampi. Syntyvä kloori diffundoituu oksidikerroksen halkeamia ja huokosia pitkin kohti metallin pintaa. 2.Hapen osapaine on matala, jolloin syntyy metalliklorideja. 3.Kun lämpötila on yli 500 celsiusastetta, metallikloridit höyrystyvät ja diffundoituvat pois pinnoitteesta. Korroosio käynnistyy. 4. Runsashappisemmilla alueilla metallikloridit hapettuvat ja muodostavat metallioksideja ja klooria. Uusi kloorikierros alkaa alusta. Kuvat: Savcor Forest Oy Sähkökemialliseen korroosiosuojaukseen kuuluvia elektrodeja asennetaan sellukeittimen sisäpintaan. Sivulta 15… kilpailevat muut menetelmät, etenkin päällehitsaus ja vuoraus. Savcorin menetelmän suurin etu on, että materiaalin tilaa valvotaan ja mitataan keskeytyksettä. Näin suojauspotentiaali voidaan pitää koko ajan turvallisella alueella. Pulliainen muistuttaa, että sähkökemiallinen suojaus on myös nopea ottaa käyttöön. ”Parhaimmassa tapauksessa suojauksen voi asentaa paikoilleen vuorokaudessa. Pisimmilläänkin asennus ehditään tehdä sellutehtaan normaalin vuosiseisokin aikana.” Päällehitsaus taas voi pahimmillaan vaatia kolmenkin ylimääräisen viikon ajan. Lisäksi päällehitsaus on selvästi kalliimpi toimenpide. Lisäarvoa liiketoimintaan Tutkimus on tuonut uutta tietoa Savcorin menetelmän käyttömahdollisuuksista. Metallituotteiden ja koneenrakennuksen Shokin Jännitekorroosio saattaa parissa vuodessa aiheuttaa sellukeittimen ruostumattomaan keskusputkeen näin pahan halkeaman. Demapp-ohjelman hankkeessa selvisi, että sähkökemiallisin keinoin pystytään suojaamaan korroosiolta myös austeniittisia ruostumattomia teräksiä. ”Näissä teräslaaduissa esiintyy vaikeasti ennakoitavaa jännitekorroosiota. Se voi edetä kuin salama ja aiheuttaa täysin yllättäen vakavan vaurion”, Pulliainen kertoo. Ferriittis-austeniittisiin teräksiin kuuluvien duplex-terästen osalta tutkijat saivat selville, että suojaus onnistuu, kun teräksen nikkelipitoisuus on vähintään neljä prosenttia. Ferriittisten ruostumattomien terästen suojaamiseen menetelmä ei sovi. ”Negatiivinenkin tulos on tärkeä. Nyt tiedämme, ettei tällaisissa tapauksissa kannata lähteä edes yrittämään.” Kirjoittaja on kemisti ja vapaa toimittaja. 8/2014 KEMIA 17
© Copyright 2024