Testaus hitaan pyrolyysin soveltuvuudesta biomassojen prosessointiin uusiksi tuotteiksi ja energiaksi

Transkriptio

1 Testaus hitaan pyrolyysin soveltuvuudesta biomassojen prosessointiin uusiksi tuotteiksi ja energiaksi Loppuraportti MTT Kari Tiilikkala Tomi Holstila Kimmo Rasa Jokioinen

2 Tiivistelmä Hidaspyrolyysiin käyttökelpoisuutta testattiin yritysten toimipaikoilla Lounais-Hämeessä kesän 2013 aikana. Yrittäjät antoivat materiaalit ja MTT pyrolysoi ne FSKK OY:n kanssa tehdyn sopimuksen mukaisesti. Demonstraatiot olivat osa FSKK OY:n koordinoimaa Envi Grow Park- hanketta. Demonstraatioiden yhteydessä kerättiin myös tietoa yritysten yhteistyösuunnitelmista ja valmiudesta parantaa biomassojen käyttöä pyrolyysitekniikan avulla. Demonstraatioissa pyrolysoituja materiaaleja olivat: keräys- ja jätepuu, kuivikelannat, olki, hamppu ja elintarvikepakkausten muovi. Panosretortin polttoaineena käytettiin sekapuuta sekä pyrolyysistä saatuja kaasuja. Osa kaasuista nesteytettiin asiakkaiden toivomalla tavalla. Tulokset osoittivat, että alueen yrityksillä on valtavat määrät pyrolyysiin sopivaa materiaalia. Suurin ongelma on niiden märkyys, joka pitää poistaa kunnollisella varastoinnilla sekä biomassojen esikäsittelyllä. Pelletöintiin ja briketöintiin erikoistuneita yrityksiä tarvitaan. Sopivien pyrolyysitekniikoiden valintapäätös riippuu kahdesta asiasta: a) siitä millaista raaka-ainetta käytetään ja b) mikä on ensisijainen tuote, jolle on markkinoita. Hidaspyrolyysi sopii energian, biohiilen sekä nesteiden tuotantoon. Energialle ja biohiilelle on alueella heti tarvetta ja käyttökohteita. Muovit sopivat nestemäisten polttoaineiden tuotantoon, mutta muovien prosessoinnissa tarvitaan erityistekniikat ja laitteet. Demonstraatiot osoittivat, että panosretortti ei sovi muovin pyrolysointiin, mutta lähes kaikkeen muuhun, jos biomassan esikäsittely on kunnossa. Jatkuvatoimisilla laitteilla voidaan pyrolysoida hyvin monentyyppisiä massoja ilman vaativia esikäsittelyjä. Kosteuden poisto parantaa kaikkien pyrolyysilaitteiden toimintaa ja energiatehokkuutta. Alueellista suunnitelmaa pyrolyysitekniikan käytöstä ja kehittämisestä ei ole. Yrityksissä on runsaasti niitä, joilla on pyrolyysiin sopivia raaka-aineita, ja niitä, jotka voivat käyttää energiaa ja biohiiltä. Pyrolyysiyrityksiä ei vielä ole ja biomassojen esikäsittelytekniikat ovat vasta demonstraatiovaiheessa. On selvä tarve koota biomassojen tuottajat, prosessoijat sekä pyrolyysituotteiden käyttäjät yhteen päättämään siitä miten pyrolyysitekniikka hyödynnetään osana: a) koko talousalueen teknologiakehitystä b) suurten materiaalimassojen käyttöä sekä c) uusien tuotteiden kaupallistamista. On mahdollista, että tarvitaan muutama suurempi pyrolyysiyksikkö sekä muutama mobiileja palveluja myyvä yritys. Biomassojen esikäsittely ja kuljetus työllistää huomattavan määrän yrityksiä, jos pelloilla ja elintarvikeketjuissa syntyvät materiaalit otetaan käyttöön ja aluetalouden perustaksi. Yhteistoiminta-alueen tulee olla niin suuri, että sen fyysinen ja henkinen pääoma ovat uskottavia myös hankerahoittajien ja investorien arvioinneissa. Pyrolyysin liittyvällä tekniikalla ja osaamisella on myös globaali kysyntä, johon kaikkien toimijoiden yhteistyöverkosto voi tarttua heti kun riittävä tahtotila on saavutettu. Pyrolyysiin sopivista materiaaleista ei ole puutetta!

3 Johdanto Forssan Seudun Kehittämiskeskus Oy (FSKK) toteuttaa vuosina EU-hanketta Envi Grow Park ekoteollisuuspuisto biotalouden ja ympäristöteknologian tiennäyttäjäksi. Hanketta rahoittavat Hämeen ELY-keskus ja Forssan seudun kunnat. Keskeiset yhteistyökumppanit ovat Forssan voimakkaasti kasvavan Envitech-alueen ympäristöyritykset, tutkimus ja oppilaitokset. FSKK on Forssan, Humppilan, Jokioisten, Tammelan ja Ypäjän omistama kehittämiskeskus, jonka tehtäviä ovat elinkeinoelämän neuvonta, alueen elinkeinoasioiden valmistelu ja toteutus yhdessä kuntien ja yritysten kanssa, Forssan seudun markkinointi sekä kehittämishankkeet. Meneillään olevan hankkeen keskeisenä tavoitteena on luoda ekoteollisuuspuistosta ainutlaatuinen biotalouden osaaja, pitkälle jalostettuihin tuotteisiin tähtäävien ideoiden tuotteistaja sekä teknologian ja liiketoiminnan toiminta-alusta. Täydessä valmiudessaan Envi Grow Park tuottaa maa- ja elintarviketaloudesta ja yhdyskunnista peräisin olevista sivuvirroista ja biohajoavista materiaaleista innovatiivisia tuotteita, kuten elintarvikkeita, eläinravintoa ja viherrakennustuotteita, sekä uusiutuvaa energiaa, kuten biokaasua, etanolia ja tuulivoimaa. Periaatteena on toteuttaa mahdollisimman suljettua energian ja materiaalin kiertoa. Forssan seudulla on käytettävissä biomassoja sekä prosessien sivutuotteita, jotka sopivat hitaan pyrolyysin raaka-aineeksi. FSKK pyysi tarjoukset keväällä 2013 pyrolyysialan osaajilta työstä, jonka tarkoituksena oli testauksen kautta selvittää hidaspyrolyysin ja kohtuuhintaisen laitteiston soveltuvuus Forssan seudulla käytettävissä olevien biomassojen ja prosessien sivutuotteiden hyödyntämiseksi liiketoiminnassa. MTT teki tarjouksen ja sai työn tehtäväkseen lokakuun 2013 loppuun mennessä. MTT:ssä pyrolyysiin liittyvä t&k toiminta liittyy kahteen laajaan hankekokonaisuuteen: a) kasvihuonekaasujen vähentämiseen ja hiilen sitomiseen maahan sekä b) ravinteiden kierrätykseen ja orgaanisten lannoitevalmisteiden kehittämiseen. Pyrolyysi on yksi tekniikka, jolla voidaan saavuttaa sekä ilmastonmuutokseen hillintään liittyviä että ravinnekiertoihin liittyviä ratkaisuja ( Olennaista on saada alueen raaka-aineet järkevään käyttöön ja samalla tukea aluetaloutta sen luonnonvaroja järkevästi käyttäen. Tekniikan lisäksi liiketalouden kanalta olennaista on yritysyhteistyön kehittäminen. Turun ammattikorkeakoulun opiskelija Tomi Holstila teki EGP-hankkeen puitteissa opinnäytetyönsä, joka liittyi yrityssymbioosiin. Alueellisesti hanke liittyi myös tavoitteeseen hyödyntää käyttämättömiä biomassoja energialähteenä paikallisissa lämpövoimaloissa. Hankeen aikana saatiin yleisempääkin tietoa kuivikelannan sekä biohiilen hyödyntämishyödyntämismahdollisuuksista hajautetussa energiatuotannossa ja KHKpäästöjen hallinnissä. 1 Tavoitteet MTT:n johtaman työn päätarkoituksena oli esitellä hidaspyrolyysin käyttöä alueen yrittäjille sekä näyttää biomassojen pyrolysointi yritysten omissa toimipaikoissa ja yleisissä työnäytöksissä. Samalla kerättiin tietoa yritysten tarpeesta ja halusta hyödyntää pyrolyysiä biomassojen jalostamisessa uusiksi tuotteiksi. Tavoitteet olivat: - tehdä materiaalivalinnat yritysten tarpeen mukaan sekä tuottaa tietoa materiaalien esikäsittelytarpeesta ja sopivuudesta pyrolyysiin - pyrolysoida valitut materiaalit ja kuvata prosessien onnistuminen - analysoida raaka-aineet ja hiilet asiakkaiden toiveiden mukaan

4 - laatia suositukset hitaan pyrolysitekniikan käytöstä mukana oleville yrityksille - kuvata alueen yritysten yhteistoimintamahdollisuudet hitaan pyrolyysin ja biomassoista saatavien tuotteiden hyödyntämisessä 2 Hankkeessa käytetyt pyrolyysi laitteet Hankkeessa käytetty laite oli mobiili hidaspyrolyysiretortti, joka on tehty tutkimus- ja demonstraatiokäyttöön Raussin Metalli Oy:n tehtaalla. Koelaitteen maksimi kapasiteetti oli 1,5 kuutiometriä. Suurimmat vastaavat kaupalliset laitteet ovat 16 m 3 laitteita. Raussin hiilimiilu eli panosretortti on alkujaan suunniteltu puun pyrolysointiin, mutta demonstraatiolaitteemme korirakenteen ansiosta se soveltui hyvin myös muiden materiaalien pyrolysointiin demonstraatiomielessä. Raussin Hiilimiilu on kotimaisen tuotekehityksen tulos ja vientituote, jota on käytetty erityisesti kehitysyhteistyössä Euroopan ulkopuolella. Prosessissa muodostuvat pyrolyysikaasut voidaan polttaa retortin tulipesässä ja/tai kondensoida nesteiksi laitteen alla olevassa lauhduttimessa. Pyrolyysikaasujen suorat päästöt ovat vähäiset, sillä kaasut palavat retortin tulipesän korkeassa lämpötilassa ja/tai kondensoidaan nesteiksi. Savukaasut ovat ainoa päästö. Laitteen siirto kohteelta toiselle onnistuu tavallisella maatilatraktorilla, vain savupiippu pitää poistaa yleisillä teillä liikuttaessa. Prosessin lämpötilaa seurattiin ns. välitilasta sekä sisätilasta. Retortin yläosan ja alatason lämpötiloja mitattiin erikseen.

5 Prosessin käynnistysvaiheen polttoaineena oli Mauri Kujanpään toimittama sekaklapi, jonka energiasisältö oli keskimäärin 17,7 MJ/kg Raussin hiilimiilun käyttö-ja turvallisuusohjeet (suomeksi ja englanniksi) tehtiin heti hankkeen alussa ja ovat saatavissa raportin tekijöiltä MTT:stä. Kaikkien demonstraatioden prosessitiedot kirjattiin 15 minuutin välein prosessikirjaan. Hankkeen aikana kerättiin tietoa hidaspyrolyysiin soveltuvista laitteista yritysten käyttöön sen perusteella mikä oli kunkin yrityksen päätavoite. Laitekehitys on nopeaa ja toimittajien määrä kasvavaa koko Euroopassa. Hankkeen aikana laadittiin lista kaikista alan toimijoista, joita on jo yli 100 kpl. Uusin luettelo löytyy ( ) polusta: Suomessa toimivia laitevalmistajia löytyy linkeistä: Pyrolysoiduista materiaaleista ja tuotteista tehtiin kemiallisia analyyseja ja muita mittauksia yritysten toiveiden mukaan. Analyyseissä tarvitut näytteet pyrolysoitiin MTT:n erikoisretortilla, jonka prosessilämpötila ja -aika voidaan ohjelmoida halutulla tavalla. Laitteessa on myös pyrolyysikaasujen ja - nesteiden talteenotto

6 3 Pyrolyysidemonstraatiot 3.1. Envor Group konsernin pyrolyysit Forssassa a) Ensimmäinen demonstraatiossa pyrolysoitu raaka-aine oli puujäte, joka silputaan kompostikäyttöön. Puujäte Envor Group konsernin alueella Näytteiden otto laboratorioanalyyseihin Retortin sisäosa ja palotila suljettiin tiukasta kahdella rautaovella, joiden päälle tuli kolmas ovi, jossa on lämpöeristeet Retortin sulkeminen oli tärkeä työvaihe. Happea ei saa päästää prosessiin ja kaasuilla on vain yksi reitti ulos, joka johtaa lauhduttimen läpi tulipesässä olevaan suuttimeen. Tarvittaessa ylimääräinen kaasu voidaan johtaa ulkoiseen polttimoon. Retortin täytössä hyödynnettiin laitteen korirakenne, joka mahdollisti raaka-aineen ja hiilimäärien mittaukset tarkasti kolmesta eri kerroksesta. Ensimmäisessä pyrolysoinnissa jätepuuta käytettiin 61,2 kg, josta saatiin hiiltä 18% ja nestettä 38% massan alkupainosta. Muu osa oli haihdutettua vettä sekä retortissa poltettua pyrolyysikaasua.

7 Keskiarvo / sisä ala Keskiarvo / väli ala Keskiarvo / sisä ylä Keskiarvo / väli ylä Keskiarvo / lauhdutin Kuvassa ovat prosessin lämpötilat, jotka mitattiin 15 minuutin välein. Panosretortin yläosa lämpeni tässä kuten yleensäkin nopeammin kuin alaosa. Sisä tarkoittaa massan lämpötilaa ja väli retortin sydänosaa kiertävän savun lämpötilaa. Pyrolyysikaasun poltto nosti lämpötiloja paremmin kuin puun poltto. Lopputuotteina jätepuusta saatiin kaasua, nestettä ja biohiiltä. Kaasun polttoarvoa rajoitti raaka-aineessa ollut vesi. Kondensoidut nesteet olivat koostumukseltaan vettä sekä hemiselluloosasta, selluloosasta ja ligniinistä höyrystyviä aineita. Prosessin lopussa saatiin tervoja. Hiili oli normaalia puuhiiltä, jota voidaan hyödyntää kompostoinnissa ja maanparannusaineena edellyttäen, että sen mahdolliset haitta-ainemäärät eivät ylitä maanparannusaineiden raja-arvoja. Luokittelu biohiileksi riippuu haitta-aineiden pitoisuudesta sekä prosessin laatuvaatimuksista. Kiinteiden tuotteiden kaupallistamiseen vaikuttavat maanparannusaineisiin, lannoitteisiin sekä jätelainsäädäntöön liittyvät säädökset, jotka ovat muuttumassa lähivuosina (tulossa monta uutta direktiiviä). b) Toinen Envor Group konsernin pyrolyysiin tarjoama raaka- aine oli elintarvikepakkauksista tuleva massa, jota syntyy seulaylitteenä biokaasulaitoksen prosessista. Elintarvikkeiden pakkausjäte pesun jälkeen Elintarvikemuovien lisäksi jätteessä oli runsaasti alumiinia (jogurttien kannet, kahvipakkaukset jne) Pakkausjäte sekoitettiin jätepuusilppuun ennen pyrolysointia, sekoitussuhteet eri koreissa: puuta 50%, 60%, 70%,80%, 90 % ja pelkkä puu. Sekoitus oli tarpeen, koska pelkän muovipitoisen massan pyrolysointi

8 Lämpötila MTT panosretortissa ei onnistu ongelmitta. Muovin pyrolysointiin nesteiksi on kehitetty erikoistekniikat, joiden käytöstä tiedotettiin yrityskohtaisesti. Demonstraatiossa seosmassaa oli yhteensä 60kg, josta 25% pakkausjätettä, molemmissa raaka-aineissa oli runsaasti vettä sisä ala sisä ylä sisä ala sisä ylä Aika Muovin ja puuseoksen (19.7.) sekä pelkän puun ( 18.7.) lämpötilat pyrolysoinnin aikana, prosessiaika minuutteina vaaka-akselilla. Muovia sisältäneen massan lämpötila nousi nopeammin kuin pelkän puun. Muovista tuli runsaasti palavaa pyrolyysikaasua (kun vesi oli haihdutettu) Tärkein tuote on neste, josta voidaan valmistaa polttoainetta. Nesteet kerättiin lauhduttimesta hanan kautta kanistereihin Märän pakkausjätteen pyrolyysi tuottaa paljon palamatonta vesihöyryä prosessin alussa. Nesteen koostumus ja energia-arvo riippuvat raaka-aineen laadusta (mitä muoveja) ja raakaaineen vesipitoisuudesta.

9 Kuvassa vasemmalla on hiiltä, joka oli valmistettu puun (90%) ja elintarvikemuovin seoksesta. Retortin sisällä olleesta kokonaismassasta (60kg) saatiin 29,3 % hiiltä (koksia ja alumiiniakin) ja peräti 50% nestettä. Neste oli veden ja raakaöljyn kaltaisten yhdisteiden seos. Muovista syntyvä kiinteä aine oli koksimaista massaa, joka tarttui panosretortissa laitteen eri osiin. Elintarvikkeiden pakkausjätteestä jäi paljon alumiinia, joka konsentroitui hiileen. Metallien seulonta kiinteästä jakeesta kierrätykseen on mahdollista. 3.2 Ypäjän demonstraatiot raaka-aineen sahajauho- sekä kutteripohjaiset kuivikelannat a) Ensimmäisen demonstraation raaka-aine oli sahanjauhopohjainen kuivikelanta. Osa kuivikelannasta oli varastoitu ilman katosta eli sisälsi vettä niin paljon kuin kuvike kykeni sitä sitomaan Korkean kosteuspitoisuuden takia sahajauhopohjainen kuivikelanta kuumennettiin kahteen kertaan: ensin veden poistamiseksi ja seuraavana päivänä materiaalin hiiltämiseksi

10 Märkä puru ei pyrolysoitunut, vain pinnassa oli ohut kerros hiiltä ensimmäisen kuumennuksen jälkeen. Suutimen edessä ei ollut liekkiä. Vesihöyry EI pala! Toiseen kertaan pyrolysoitaessa prosessissa päästiin hetkeksi eksotermisen vaiheeseen ja saatiin energiaa, josta kaikkea ei voitu käyttää pyrolyysiprosessissa. Kuvassa ns. ulkotuli. Märän massan pyrolyysissä polttopuusta saatua energiaa käytettiin raaka-aineen kuivaukseen moninkertainen määrä raaka-aineen sisältämään energiamäärään verrattuna. Veden höyrystymiseen optimioloissakin vie 2,4 MJ/kg, Retortissa kuivauksen hyötysuhde on huono joten vesi pitää poistaa biomassojen esikäsittelyssä ja/tai varastoinnissa. Märän massan pyrolysointi ei ole järkevää millään laitetyypillä, jos halutaan tuottaa energiaa hiilen valmistuksen ohella. Sahajauhopohjaisen kuivikkeen pyrolysoinnissa saadut tuotteet olivat biohiili ja tisle, jonka sisältämät yhdisteet syntyvät pääosin sahajauhon hemiselluloosasta, selluloosasta ja ligniinistä. b) Toiseen demonstraatioon otettu raaka-aine oli kutteripohjainen ja tuore (suoraan tallista otettu) kuivikelanta. Se kuivattiin ennen pyrolysointia prosessin onnistumisen varmistamiseksi. Raaka-ainetta oli 60 kg ja siitä saatiin 8,9 kg hiiltä. Suuri osa painosta katosi vesihöyrynä massan kuivauksessa pyrolyysiä edeltävänä päivänä. Loput haihtuvista aineista kondensoitiin osin nesteeksi ja osin poltettiin miilun tulipesässä. Kuivaukseen käytettiin 42 kg poltto puuta! ja pyrolysointiin 52 kg. Iso osa energiasta meni myös hiilimiilun rautamassan kuumentamiseen kahteen kertaan ulkotilassa. Energiataseen laskemiseen ei ollut mahdollisuutta, mutta selvää on ettei märästä massasta saada energiaa millään tekniikalla. Vesi ei pala.

11 Kutteripohjaista kuivikelantaa otettiin pyrolysointiin suoraan tallista sisä ala sisä ylä lauhdutin Kuivatun kutterimassan lämpötila retortin sisällä nousi hyvin ja pyrolysointi onnistui paremmin kuin sahajauhopohjaisen massan pyrolyysi. Kutterinlannan pyrolyysikaasut tulivat nopeasti ulos huokoisesta massasta. Prosessi oli nopea ja osa energiasta piti ohjata ulos retorin palotilasta, jotta laite ei kuumennut liikaa. Energian määrä ylitti eksotermisessä vaiheessa kuumennuksessa tarvittavan energiamäärän. Pyrolyysikaasu paloi selvästi kuumemmalla liekillä polttimossa kuin puuklapi ja kaasun poltto nosti välitilan lämpötilan nopeasti.

12 Temperature MTT Kutteripohjaisesta kuivikelannasta saatiin hyvää biohiiltä, joka sopii moneen käyttöön. Hiilen vähäisillä ravinteilla ei ole suurta käytännön merkitystä, mutta hiilen kyvyllä sitoa huuhtoutuvia ravinteita on merkitys, jota kannattaa tutkia tarkemmin. Typen sidonnasta on hyvät tiedot, mutta fosforin sidontaan tarvitaan erikoistekniikkaa, joka on vielä kehitysvaiheessa. Filtterien kehitys on jatkossa yksi MTT:n uusista tutkimuslinjoista. Kutteriperäisen pyrolyysinesteen koostumus oli hyvin puutisleiden kaltaista. Tervan määrä lisääntyi prosessin lopussa ja saanto riippui siitä miten pitkään massa pidettiin korkeassa (450 astetta) lämpötilassa Jokioisissa tehdyt pyrolyysit a) Ensimmäiseksi pyrosoitiin metsään myrskyn jälkeen jäänyttä puumassaa, oksia ja muuta murskaantunutta energiapuuta. Puut katkottiin ja siirrettiin kuivaamattomina pyrolyysiin Puun pyrolyysilämpötilat ,00 100,00 200,00 300,00 Time Temp smoke lower Temp inside lower Temp smoke upper Temp inside upper Temp cond. Water Puun pyrolysointi panosretortilla onnistui hyvin, mutta kosteuden takia koko massan (72 kg) pyrolysointiin tarvittiin runsaasti energiaa (46 kg polttopuuta)

13 Temperature MTT Hakkutähteestä (72 kg) saatiin hyvää biohiiltä (26,8 kg), nesteitä (30 l) sekä palavaa pyrolyysikaasua energiaksi. Puun pyrolysoinnissa energian saanti riippuu puun kosteudesta, jonka tulisi olla alle 20%. Nesteen tervapitoisuus kasvoi prosessin lopussa kun lämpötila nousi 400 asteeseen. b) Toisen demonstraation raaka-aine, ohran olki, saatiin Kari ja Sari Seppäsen tilalta Vaulammilta. Prosessissa oli 43,4 kg kuivaa (kosteus alle 16%) olkea, joka oli paalattu pienpaaleihin. Biohiiltä saatiin 20,1, kg ja nestettä 20 litraa. Hiilen painoa lisäsi retortin pohjalle pakkautuneen oljen alhainen hiiltymisaste Oljen pyrolyysilämpötilat Temp smoke lower Temp inside lower Temp smoke upper Temp inside upper Temp cond. Water 250 Time Paalattu olki lämpeni selvästi hitaammin kuin edellisen demonstraation puu. Lämpötila retortin alaosassa nousi paljon hitaammin kuin yläosassa, joka oli jaanyt tyhjäksi paalien painuessa kassaan.

14 Temperature MTT Olki kuten muutkin pehmeät ja pelletöimättömät materiaalit painuvat kasaan retortin pohjalle. Lämpötila jakautuu huonosti ja hyvän hiillon edellyttämä aika on pitkä. Sinänsä oljesta saatu hiili oli helposti jauhettavaa ja maanparannusaineeksi tai orgaanisten lannoitteiden komponentiksi sopivaa. Jatkuvatoimisella retortilla tai biomassan pelletöinnillä voidaan ongelma poistaa ja tuottaa hyvää biohiiltä sekä vähän tervaa sisältävää tislettä. Oljesta saadaan hemiselluloosasta ja selluloosasta höyrystyviä kemikaaleja, joilla voi tulevaisuudessa olla käyttöä mm. kasvinsuojelussa. Tervan määrä oli pienempi kuin puutisleissä, koska oljessa on vähän tervan lähtöainetta, ligniiniä. c) Uusin ja vähiten raaka-aineena tunnettu materiaali oli hamppu, jota saatiin Henri Mattilan tilalta Koijärveltä (HempRefine Oy). Materiaali oli kuivaa ja kevyttä. Pyrolysoidun massan kokonaismäärä oli 17,1 kg. Hiiltä siitä saatiin 5,7, kg ja nestettä 5 litraa. Hampun pyrolyysilämpötilat :00 0:00 0:00 0:00 0:00 Aika Temp smoke lower Temp inside lower Temp smoke upper Temp inside upper Temp cond. Water Hampun lämpötila nousi nopeasti ja prosessiaika oli lyhyt (vähäisestä massasta johtuen). Hampun ja siitä valmistetun kuivikkeen pyrolysointia kannattaa tutkia tarkemmin.

15 Temperature MTT Pyrolysoinnin kannalta olennaista on jatkossa kehittää hampun esikäsittelyä siten, että massa saadaan pieneen tilaan. Kuivausta ei tarvita. Hampusta saatiin hyvälaatuinen hiili, joka jauhaantuu helposti levitettävään partikkelikokoon ja sopinee moneen käyttöön. Hampusta saatujen nesteiden tervamäärä oli pienempi kuin puusta tehtyjen tisleiden, koska massa oli kuivaa ja sisälsi vähän tervaa tuottavaa ligniiniä kuten peltokasvit yleensäkin Hevosten kuivikelannan pyrolyysi Pilvenmäen näytöksessä voitiin pyrolysoida. Pääosin arvokas raaka-aine oli ulkona sateessa ja veden kyllästämää Pilvenmäen alueelta löytyi yksi talli, jossa kuivikelanta oli varastoitu niin hyvin, että sitä Olkipohjaisen kuivikelannan pyrolyysilämpötilat Pilvenmäellä Aika minuutteina Temp smoke lower Temp inside lower Temp smoke upper Temp inside upper Temp cond. Water Ihamäen tallin kuivikelanta (72 kg) lämpeni tasaisesti ja lopputuotteena saatiin 49,2 kg laadukasta biohiiltä. Tisleen määrä oli 16 litraa. Eksotermisessä vaiheessa osa energiasta johdettiin ulkoiseen polttimoon.

16 Kuivikelannan esimerkillisesti varastoineella tilalla oli myös puuta raaka-aineena käyttävä lämmitys kattila sekä lämminvesivaraaja, joka mahdollistaisi pyrolyysilaitteen tuottaman energian (kaasun poltto kattilassa) varastoinnin ja siirron lämmitysenergiaksi. Tila voi toimia mallina materiaalin varastoinnissa ja hidaspyrolyysin tuottaman kaasun, nesteen ja biohiilen käytössä. 4. Hiilen käyttödemonstraatio Isto Kärkäisen turkistarhalla Ypäjällä Kärkäisen tarhalla on noin 4000 minkkiä ja 1000 kettua. Tilademonstraation tavoitteena oli hajuhaittojen torjunta sekä kasvihuonekaasujen ja ravinnehävikin minimointi tarhalla sekä kompostoinnissa. Biohiilen käyttödemonstraatiossa todettiin, että hajunmuodostusta voidaan torjua kun biohiiltä levitetään lannan päälle noin 10 vrk välein. Hiilen levitykseen tarvitaan laitekehitystä. Tiedot tarvittavasta käyttömäärästä puuttuvat, samoin talous ja kannattavuuslaskelmat. hiiltä pinnassa Biohiili peitti kettutarhan lannan hyvin ja adsorboi (tai absorboi) hajuna aistittavat kaasut tehokkaasti. Biohiili näkyi vielä kompostissakin, jossa se paransi biomassan kompostoitumista, massan ilmavuutta sekä vedenpidätyskykyä. On mahdollista, että biohiili vähentää myös KHK- sekä ravinnepäästöjä. Hiilen lopullinen käyttökohde Kärkäisen yrityksissä on luonnonmukaisessa viljelyssä olevan mansikan kasvualusta.

17 Yhdellä biohiililisällä voidaan demonstraatiossa tehdyn arvion mukaan saavuttaa monia hyötyjä: 1) hajuhaitat poistuivat, koska biohiili adsorboi ja absorboi tehokkaasti kaasuja (on näyttö muualta) 2) eniten hajuhaittaa aiheuttava kaasu on ammoniakki, sen sidonta hiileen vähentää kasvihuonekaasupäästöjä (on näyttö muualta) 3) ammoniakin sidonta lisää kerätyn lannan typpipitoisuutta (mittaustulos puuttuu) 4) hiili sitoo myös fosforia ja vähentää siten kaikkien ravinteiden huuhtoutumisriskiä maahan, ympäristöön ja pohjavesiin (mittaustulos puuttuu) 5) lantaan lisätty hiili parantaa ja nopeuttaa lannan kompostoitumista (on näyttö muualta) 6) kompostoidun lannan ravinnesisältö on korkeampi koska ravinteet säilyvät hiilessä (mittaustulos puuttuu) 7) hiili lisää kompostin vedenpidätyskykyä, jolloin avokompostin huuhtoutumisriskit pienenevät (veden pidätyskyvystä on vahva tieteellinen näyttö) 8) lannoitekäytössä kompostin ravinnemäärä ovat korkeammat (mittatulos puuttuu Suomesta) 9) biohiiltä sisältävä lanta ja komposti lisäävät maassa oleva hiilen määrä ja parantaa maan bioaktiivisuutta sekä viljavuutta (on tieteellinen näyttö) 10) 1 kg biohiiltä vastaa 3.5 kg CO2eq eli biohiiltä sisältävän materiaali siirtää yhteyttämisessä (puu) sidotun hiilen pois ilmakehästä sadoiksi vuosiksi (hiilinielu) (tieteellinen näyttö ajan pituudesta puuttuu) 11) ravinteilla rikastettu biohiili korvaa osittain synteettiset lannoitteet tavanomaisessa käytössä ja on olennainen lisä luonnonmukaisen tuotannon lannoituksessa (ei mitattua tulosta Suomesta) Tietovajeen takia alustavaan arviointiin liittyy suuri epävarmuus. Biohiilen käyttöönotto turkistarhoilla edellyttää erillistä t&k -hanketta, jolla saadaan varma tietopohja ja toimivat teknologiat sekä kannattavuuslaskelmat päätöksenteon tueksi. 5 Raaka-aineiden ominaisuustietoja Kosteusmittaukset: a. puujäte Envor vaihteli 11-36% b. pakkausjäte Envor pesemätön 55% keskimäärin, materiaalissa oli suuri vaihtelu c. pakkausjäte Envor pesty, keskimäärin 54% d. sahajauholanta ja kutterilanta 60-74%, kosteudessa oli suuri vaihtelu kasan eri osissa e. olki 16 % f. hamppu n. 10% Ypäjällä massojen esikuivauksessa kutterikuivikkeen kosteus laski tasolle 3,4% ja oljen 13,6% Veden haihduttamiseen kuluu optimioloissa 2,4 MJ/kg. Jos sadan kilon massassa on 50 kg vettä, kuluu sen haihduttamiseen käytännössä noin 200 MJ haihdutuslaitteen tehosta riippuen. Puuperäisessä kuivikkeessa oli noin 17 MJ/kg eli pyrolysoidussa massassa oli (50*17) 850 MJ. Veden poistaminen vei siten jo ¼ osan raaka-aineen energiasta ja teki prosessin energiatuotannon kannalta hyödyttömäksi. Pyrolyysissä veden poistamisen energiakustannus on samaa luokkaa kaikilla materiaaleilla. Luvut ovat arvioita, sillä tässä hankkeessa käytetyllä demonstraatiolaitteella ei prosessien energiataseita voitu laskea. Luotettavien mittausarvojen saanti edellyttää tarkkojen laboratoriolaitteiden käyttöä. Yritysten kannalta olennaista on näyttö siitä, että vettä EI kannata pyrolysoida! Raaka-aineiden ja tuotteiden energiamäärät olivat korkeita Pyrolyysituotteiden energiamäärät mitattiin pommikalorimetrillä: - polttopuu (Kujanpään sekaklapi) 17,7, MJ/Kg - Envor jätepuu, kuivalla säällä otettu 17,7

18 - puujätteestä tehty hiili 29,9 - muovijätteen kiinteä pyrolyysituote 38,2 - muoveista saatava neste (keskimäärin) 40 Erikoislaitteilla voidaan muoveista tuottaa dieselöljyn veroista polttoainetta. Parhailla tekniikoilla1000 kg:n muovimassasta (kuiva, puhdas) voidaan saada noin 970 litraa polttoainetta eli noin MJ. Hävikki muovin suoraan polttoon verrattuna on suhteellisen pieni. Kuivikelantojen ravinnemäärät ovat vähäisiä Taulukossa on muutamia hevosenlantojen kemiallisia ominaisuuksia eri kuivikkeita käytettäessä. Analyysit on tehty kuivatusta pyrolyysiin menevistä näytteestä (n=3) ja ilmoitettu kuiva-ainetta kohden. Raaka-aine ph Sähkönjohtavuus ms/cm Tuhka % Liukoinen Tot. N g/kg Tot. P g/kg Tot- K g/kg Hevosenlanta, olki 7,6 1,2 14,9 2,3 4,0 18,4 Hevosenlanta, turve 6,6 1,3 9,3 4,1 2,3 12,7 Hevosenlanta, kutteri 7,2 0,6 10,5 1,9 2,7 11,3 Käytettäessä hapanta turvetta kuivikelannan ph oli alhaisempi kuin olkea ja kutterinpurua käytettäessä. Kuivikelantojen tuhkapitoisuus vaihteli välillä 9-15 %. Tuhkapitoisuus oli korkein kun kuivikkeena käytettiin runsaasti tuhkaa sisältävää olkea. Vesiuutteesta mitatun liukoisen kokonaistypen määrä laski hieman tuoreesta kuivikelannasta mitattuihin arvoihin verrattuna oletettavasti typen haihtumisen seurauksena. Voidaan olettaa, että valtaosa typestä häviää pyrolyysiprosessin aikana. Jäljelle jäävä typpi on yleensä tiukasti hiilifraktion kemialliseen rakenteeseen sitoutuneena ja siten heikosti kasveille käyttökelpoisessa muodossa. Kuivikelantojen fosforipitoisuus oli myös alhainen vaihdellen välillä 2 4 g kg - 1. MTT:n alustavien kokeiden perusteella sianlietelannalla vastaava pitoisuus voi olla jopa kymmenkertainen. Olettaen, että pyrolyysiprosessissa fosforin saanto on 50 % alkuperäisestä kuiva-aineesta, tullee hiilifraktion fosforipitoisuus olevan alle 10 g kg -1. Kuivikelantojen kaliumpitoisuus näytti sen sijaan olevan verrattain korkea, erityisesti käytettäessä runsaasti tuhkaa sisältävää olkikuiviketta. Analyysitulokset antavat viitteitä siitä, että hevosen kuivikelannoista pyrolysoitu hiili ei ravinnepitoisuuksiensa puolesta ole sellaisenaan erityisen hyvä lannoitevalmiste. Hiilen vaikutus maan vedenpidätyskykyyn on suuri. Erillisessä laboratoriotestissä todettiin, että 8 kg puuperäistä hiiltä neliölle (sekoitettuna hiekkamaahan) lisäsi maan laskennallista vedenpidätyskykyä 35%. Näytemaan fosforinpidätyskyky riippui siitä valuiko orgaanista hiiltä ulos maasta vai ei. Fosfori pidättyy orgaaniseen aineeseen (hiileenkin) ja liikkuu sen mukana. Vesiliukoisen typen valuntariski oli suoraan verrannollinen maan vedenpidätyskyvyn muutokseen eli hiili vähentää typen huuhtoutumista tehokkaasti. Hiilen käyttö hevostarhojen ravinnevaluntojen vähentäjänä on yksi hankkeessa todettu käyttömuoto, jonka tehokkuus pitää tutkia erikseen. Hiilen käsittely fosforia pidättävään muotoon vaatii tuotekehitystä. 6 Yritysyhteistyön mahdollisuudet Tietoa yritysten biomassoista, prosessointitarpeista ja tuoteideoista sekä yhteistyösuunnitelmista kerättiin kaikilta demonstraatioissa mukana olleilta yrittäjiltä sekä organisaatioilta. Runsaasti palautetta saatiin myös demonstraatioissa käynneiltä ihmisiltä. Erityishaastattelussa mukana olivat. Mika Laine. Markku Saastamoinen, Matti Uusitalo, Henri Mattila, Nina ja Jarmo Ihamäki, Isto Kärkäinen, Olli Virkkunen sekä

19 Mertsi Töttölä. Lisäksi saimme runsaasti palautetta sähköpostitse ja samalla toiveita pyrolysoida monia muitakin massoja. Yrityksissä oli runsaasti niitä, joilla on paljon biomassoja vailla käyttöä sekä niitä, joilla on tarve saada energiaa omista tai lähellä olevista biomassoista. Pyrolyysiä käyttäviä yrityksiä ei alueella ole vaikka sen käyttöä on harkittu. Energiaa tarvitsevat erityisesti hevostalouden keskittymät sekä viljatilat, joilla kuivaukseen käytetään runsaasti fossiilisia polttoaineita. Pyrolyysinesteiden hyödyntämistä ei ole suunnitellut yksikään toimija, mutta hiilelle on käyttösuunnitelmia useissa yrityksissä. Myös pyrolyysikaasujen käyttösuunnitelmia oli monilla. Ihamäen yrityksessä oli lähes kaikki tekniset valmiudetkin hyödyntää kaasujen energia osana muuta energiahuoltoa. Haastattelujen perusteella on syytä todeta, että on selvä tarve koota yhteen biomassojen omistajat, prosessoijat sekä tuotteiden jatkojalostajat ja käyttäjät. Alla oleva verkostomalli kuvaa yhden toimintamallin, mutta sen piirtelyllä ei päästä pitkälle. Tarvitaan konkreetista työtä, jolla toimijat saadaan saman pöydän ääreen ja miettimään miten alueen runsaat biomassat sekä pyrolyysitekniikka hyödynnetään käytännön liiketoiminnassa. Todennäköisesti tarvitaan muutama pysyvä pyrolyysilaitos sekä muutama mobiilien palvelujen yritys. Massojen esikäsittely työllistää monia, jos niin sovitaan. Muutoslaboratoriomallin mukaisella menettelyllä on tilaus ja kiire saada alueen osaaminen yhteen. Monet muut alueet ovat jo liikkeellä ja hyödyntävät termiset tekniikat monipuolisesti. Hampun viljelijät Puun prosessoijat Ecomation Oy Pyrolyysiyritykset Massojen esikäsittely ja kuljetusyritykset Biomassojen prosessoijat Biomassan omistajat Peltoviljelijät Biokaasulaitokset Jätevesilaitokset Teurastamot Lihan ja elintarvikkeiden jalostajat Kaikki Envi Grow Park toimijat Ypäjän hevosopisto Energia omaan käyttöön Envor Group LHJ Energialaitokset Pilvemäen ravirata Forssa Energia omaan käyttöön Bioenergian ja biohiilen käyttäjät Oljen tuottajat Energia omaan käyttöön Lannoitteiden Ja maanparannusaineiden tuottajat ja käyttäjät LUOMU-tilat Turkistarhat Jaloittelutarhat Kompostoijat Orgaanisten Tuotekehittäjät: lannoitteiden kehittäjät Filtterit, hiilineutraalit järjestelmät Mertsi Töttölän verkostomallin perusteella tehty esitys, jossa on muutamia yritysnimiä esimerkin vuoksi.

20 7 Pyrolyysin esittelyt ja tiedottaminen Envor Group -alueen demonstraatio yrityksille ja medialle järjestettiin Samalla tiedotettiin koko Envi Grow Park- hankkeesta (Juha Pirkkamaa). Raussin Hiilimiilu, raaka-aineet ja pyrolyysituotteet olivat esillä demonstraatiossa. Demonstraatio kiinnosti paikalla olleita yrittäjiä ja tapahtuma oli hyvin esillä myös mediassa (Forssan lehti, Hämeen radio ja TV). Vastaavassa tilaisuudessa Ypäjällä kävi kunnan sekä hevosopiston päättäjiä. Hämeen Sanomat uutisoi pyrolyysiasian samaan aikaan verkkosivullaan ja painetussa lehdessä. Lukumääräisesti suurin yleisö oli Pilvenmäen demonstraatiossa, joka järjestettiin75- ravien yhteydessä. Myös tämä tapahtuma uutisoitiin hyvin (Forssan lehti ) Pilvenmäen näytös käynnistysvaiheessa ensimmäisten kyselijöiden saapuessa paikalle. 8 Tulosten arviointi ja johtopäätökset 8.1 Hidaspyrolyysi ja yhteistyö Biomassojen kosteuden mittaukset antoivat ensimmäisen tiedon reunaehdoista, jotka pitää hoitaa kuntoon, jos halutaan käyttää hidaspyrolyysiä biomassojen prosessointiin. Lähes kaikki massat ovat sateessa ja veden kyllästämiä. Vesi ei pala; ei poltossa eikä pyrolyysikaasun osana. Ensimmäinen kehitysaskel on materiaalien kunnollinen varastointi. Pyrolyysin kannalta seuraava vaihe on biomassojen esikäsittelyn organisointi. Vain rakenteeltaan karkeat massat sopivat panosretortilla hiillettäväksi. Pelletöinnillä ja briketöinnillä voidaan pehmeätkin massat muuttaa helposti pyrolysoitavaan muotoon. Optimaalista raaka-ainetta ovat briketit, joiden kosteus on alle 20%. Seuraavaksi pitää valita paikka- ja tapauskohtaisesti mikä on päätuote: energia,

21 biohiili/hiili vai nesteet. Biohiileksi sopivista raaka-aineista tulee pian EU:n hyväksymä listaus. Pyrolyysin osalta teknologia valitaan: a) prosessoitava biomassan perusteella ja b) päätuotteen perusteella. Sopivan pyrolyysitekniikan valinnan jälkeen pitää ratkaista alueellinen ja paikallinen yhteistoiminta sekä tehdä päätös organisoidaanko liikkuvat palvelut tai tiettyihin paikkoihin rakennetut pyrolyysiasemat, jotka myyvät palveluja muille osana alueellista kokonaisuutta. Molemmille, mobiileille ja paikallaan oleville laitoksille voi olla tarvetta markkinoiden kehittyessä seuraavan kymmenen vuoden aikana nopeasti. Käytännössä tässä demonstraatiohankkeessa kokeillun kaltaiset mobiilit panosretortit sopivat vain maatilayhtymien käyttöön ja tilanteeseen, jossa biomassojen omistaja(t) voi hyödyntää prosessin energian sekä kiinteät että nestemäiset tuotteet. Muissa tapauksissa on syytä tehdä päätöksiä jatkuvatoimisten ja monenlaisten massojen prosessointiin kehitettyjen laitteistojen hankinnasta. Oman erikoistapauksensa muodostaa muovin prosessointi ja nestemäisten polttoaineiden valmistus. Isto Kärkäisen yritysryppään biohiilikokeilut soittivat, että alueella on biohiilen käyttäjiä ja monenlaisia hiilitarpeita. Biohiilen markkinahinta on toistaiseksi täysin auki koko EU:n alueella ja hinnoittelu odottaa osin hiilen sidontaan sekä ravinteiden kierrätykseen (lannoitesäädökset) liittyviä politiikkapäätöksiä. Myös jätelainsäädännön ja End of Waste- direktiivien muutoksilla voi olla vaikutus pyrolyysituotteiden hinnoitteluun Yleiset johtopäätökset Yleisesti on syytä todeta, että kuivikelanta ei ole jäte vaan orgaaninen raaka-aine. Ei ole ollut mitään tieteellistä perustetta kieltää kuivikelannan polttoa ja käyttöä bioenergiana Suomessa. Tehtyjä päätöksiä ei tue myöskään uusi jätteen määritelmä, joka on tullut voimaan uuden lain (646/2011) myötä toukokuussa Polttoasian pitkä päätösketju ja oikeusprosessi ovat ikävä esimerkki siitä miten ilman oikeaa tietopohjaa tehdyllä virkamiestyöllä voidaan estää biotalouden kehitys, biomassojen käyttö ja KHKpäästöjen vähentäminen. Kalliin virkamiestyön seurauksena kuivikelannat (jota on arvioitu olevan kuutiota) tuottavat nyt (lahotessaan ulkona) suuret määrät KHK-päästöjä ilmaan ja vuotavat mikrobeja varastoalueiden vesiin. Samalla katoa kuivikemassoissa oleva energia taivaan tuuliin ja fossiilisia polttoaineita ostetaan tilalle Toki on syytä todeta, että ympäristön kannalta hidaspyrolyysi on kuivikkeen suoraa polttoa parempi vaihtoehto, koska biohiilessä voidaan osa kasvien yhteyttämästä hiilestä (Co2) varastoida lähes pysyvästi maahan sen viljaluutta parantaen. Hiilellä on myös monia muita käyttömuotoja, joilla voidaan parantaa luonnonvarojen kestävää käyttöä sekä lisätä alueellista liiketoimintaa. Pyrolyysin ja biohiilen käytön kannalta positiivista on se, että Evira on toiminut fiksusti, kun tyypitti ja hyväksyi tuotteen kasviperäinen kasvualusta hiili. Näin ensimmäiset biohiilituotteet ovat päässeet markkinoille myös Suomessa. Koko Euroopassa biohiilimarkkinoiden ja pyrolyysitekniikan kehitys etenee vauhdikkaasti ja monet hiileen sekä pyrolysointiin liittyvät laatustandardit ovat luonnosvaiheessa. Pyrolyysiosaaminen ja -teknologia ovat Suomen lisäksi kysyttyjä myös kokonaan toisenlaisissa ilmastooloissa. Hankkeessa käytetyllä hiilimiilulla ja eri biomassoilla tehdyt testit edesauttavat osaltaan MTT:n johtaman ja UM:n rahoittaman ICI-hankkeen työtä Pohjois-Siinailla Egyptissä, jossa on runsaasti pyrolysoitavia massoja sekä suuri tarve parantaa maan vedenpidätyskykyä.