Teksti Ari Rytsy, kuvat VTT
VTT:n luotsaamassa hankkeessa paperi- ja kartonkirainaa kuivataan tulistetulla vesihöyryllä. SteamDry-menetelmä leikkaa valtaosan kuivauksen energiankulutuksesta ja muotoilee samalla kuidun kemiallista rakennetta.
Paperin, kartongin, sellun ja tekstiilikuitujen valmistuksessa on yksi yhteinen pullonkaula: kuivaus. Se on koko tuotantoketjun selvästi eniten energiaa kuluttava vaihe. Perinteisessä kuivauksessa vesi haihdutetaan kuiturainasta kuumilla höyrylämmitteisillä metallisylintereillä ja ilmapuhalluksella, jolloin merkittävä osa arvokkaasta lämmöstä karkaa matalalämpöisenä, kosteana ilmana.
Tähän hakee ratkaisua tulistettuun höyryyn (superheated steam) perustuva kuivaustekniikka SteamDry. Menetelmässä kuivauksessa tavallisesti käytettävä ilma korvataan suljetussa laitteistossa tulistetulla vesihöyryllä, poistaen myös happea kuivausalueelta.
Höyry hoitaa kuivauksen ja lukitsee lämmön kiertoon
VTT:n asiantuntijat Harri Kiiskinen ja Juha Maijala tutkimusryhmineen selvittävät tekniikan teollista toteutusta Jyväskylään rakennetussa, ainutlaatuisessa pilot-mittakaavan koeympäristössä.
Menetelmän fysiikka poikkeaa täysin tutusta arjesta. Siinä missä keittokattilasta nouseva sata-asteinen vesihöyry tiivistyy vedeksi heti kohdatessaan viileämmän pinnan, tulistettu höyry kuumennetaan 200:aan tai jopa yli 300 asteeseen. Märälle kuitupinnalle osuessaan se luovuttaa materiaalille lämpöä ja saa paperissa olevan veden kiehumaan pois – säilyttäen silti itse kaasumaisen muotonsa tiivistymättä.
Järjestelmän suurin valtti on lämmöntalteenotto. Koska kuivauskammiosta poistuva aine on edelleen puhdasta vesihöyryä eikä ilman ja höyryn seosta, se voidaan lauhduttaa takaisin vedeksi. Tällöin höyryyn sitoutunut runsas lämpöenergia saadaan napattua lähes kokonaan talteen tehtaan muihin prosesseihin.
”Lämpöenergian kierrätyksen ansiosta prosessin kuivausvaiheen energiankulutus voi tippua jopa 60–80 prosenttia”, Maijala arvioi.
Kuumuus vahvistaa rakennetta ja muokkaa kuitua
Valtavan energiasäästön lisäksi tutkijoita kiinnostaa se, mitä tulistettu höyry tekee itse materiaalille.
”Yli sadassa asteessa kyse ei ole enää pelkästä kuivauksesta, vaan kuumuus ja kosteus yhdessä voivat muokata puun omia polymeerejä – selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä”, kuvailee Kiiskinen.
”Sulanut ligniini virtaa kuitujen risteyskohtiin ja jähmettyy jäähtyessään.”
Tavallisessa kontaktikuivatuksessa vesi haihtuu kuiturainasta pinnasta alkaen. SteamDry-menetelmässä märkä kuitu sen sijaan kuumenee välittömästi veden höyrystymislämpötilaan. Kuumuus ja kosteus pehmittävät puun kovan luonnonsideaineen, ligniinin, jolloin se alkaa sulaa ja muotoutua. Sulanut ligniini virtaa kuitujen risteyskohtiin ja jähmettyy jäähtyessään. Tämä kuumaliiman tavoin toimiva ilmiö luo kuitujen välille uusia sidoksia ja parantaa tuotteen rakenteellista lujuutta.
Samalla kuitujen sisällä kiehuva vesi muodostaa höyrynpaineen, joka paisuttaa kuituja sisältäpäin. Tuloksena on korkeampi bulkki, ns. kuohkeampi ja paksumpi paperi. Koska paksumpi materiaali on luontaisesti jäykkää, sama lujuus voidaan saavuttaa aiempaa pienemmällä raaka-ainemäärällä.
”Kuitujen väleihin leviävä ligniini voi lujittaa rakennetta. Samalla kuitenkin valoa sirottava pinta-ala vähenee, mikä voi näkyä optisten ominaisuuksien lievänä heikkenemisenä”, täydentää Kiiskinen.
Mikä on SteamDry?
- Teknologia: Kuitutuotteiden (paperi, kartonki, sellu ja tekstiilikuidut) kuivaustekniikka, jossa vesi poistetaan kuiturainasta tulistetun vesihöyryn avulla täysin hapettomassa tilassa.
- Kansainvälinen hankekonsortio: EU-hanke, jossa on mukana tutkimuslaitoksia ja teollisia kumppaneita eri puolilta Eurooppaa. steamdry.eu
- Koeympäristö: VTT on rakentanut Jyväskylään SAMPO pilot-koneelle ainutlaatuisen koelaitteiston menetelmän teollista testausta varten.
Lähde: VTT Technical Research Centre of Finland, www.steamdry.eu
