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