Biomassasta tehdyn hiilen käyttömahdollisuudet metallurgisessa teollisuudessa

Transkriptio

1 Biomassasta tehdyn hiilen käyttömahdollisuudet metallurgisessa teollisuudessa TIE loppuseminaari Taivalkoski Hannu Suopajärvi Prosessimetallurgian laboratorio, Oulun yliopisto Ei julkiseen levitykseen

2 SISÄLTÖ TAUSTA BIOREDUCER HANKE BIOMASSA METALLURGISISSA PROSESSEISSA BIOPOHJAISET PELKISTIMET TARVITTAVAT ESIKÄSITTELYT PUUN TARVELASKENTA SAATAVUUS PUUHIILEN TUOTANTOKUSTANNUKSET PROSESSI-INTEGRAATIO ENERGIA/TUKIPOLITIIKKA YHTEENVETO JA POHDINTA LÄHTEET

3 TAUSTA Terästeollisuudessa syntyy noin 5 7% fossiilisista CO 2 päästöistä maailmanlaajuisesti Ruukki Suomessa 4 5 Mt CO 2 (noin 6 7% CO 2 päästöistä, metallinjalostusteollisuus yhteensä noin 10%) Miksi CO 2 :ta syntyy (rautaoksidin pelkistys)? Raakaraudan tuotannossa tarvitaan yli 400 kg hiiltä yhden raakarautatonnin tuottamiseen 1.52 tco 2 /t raakarauta Otettaessa huomioon koko elinkaari (tonni terästä), syntyy noin 2 tco 2 /t terästä Pitkällä aikavälillä fossiiliset pelkistimet ehtyvät, hinta nousee Energia- ja ilmastopoliittiset tavoitteet Biomassan käyttö terästeollisuudessa voi olla yksi vaihtoehto

4 BIOREDUCER: TAVOITTEET Kartoittaa mielekkäiden kuljetusetäisyyksien päässä Rautaruukin Raahen terästehtaalta olevat, korkean H/Csuhteen omaavat materiaalit. Arvioida kullekin bioraaka-aineelle mielekkäin käyttöolomuoto (s,l,g) pelkistimenä ja teknologioita niiden tuottamiseen. Määritellä tekniset muutostarpeet, uudet mahdollisuudet ja muutosten vaikutukset niin käyttökohteessa kuin tehtaan vaikutuspiirissä olevassa muussa tuotantoketjussa. Arvioida aikaansaatavaa GHG-päästövähenemä ja vaikutusta toiminnan kestävyyteen (sustainability).

5 BIOMASSA METALLURGISISSA PROSESSEISSA MASUUNI Tutkimus keskittynyt lähinnä masuunin pelkistinten korvaamiseen Suomessa muitakin kohteita metallinjalostusteollisuudessa Teräksen tuotanto (Ruukki) Koksin korvaaminen Öljyn korvaaminen Nestekaasu Ruostumattoman teräksen tuotanto (Outokumpu) Ferrokromin tuotanto Nestekaasu Nikkelikuonan pelkistys (Boliden) Kuonan kuohutus (Ovako) Tulevaisuuden pyrometallurgiset laitokset (Mustavaaran Kaivos) UPPOKAARIUUNI T Paananen Niemelä & Kauppi

6 BIOPOHJAISET PELKISTIMET Primary wood (energy) Tukkipuun korjuu Hakkuutähteet, kannot Sellupuun korjuu Hakkuutähteet Energiapuun hakkuu ja korjuu Primary residues Secondary residues Tertiary residues Sellu- ja paperiteollisuus Puutuoteteollisuus Hake, sahanpuru, kuori Kuori, mustalipeä, ligniini Energiateollisuus Biojalostamo Biopolttoaine ajoneuvoihin Puutuotteet Sellu- ja paperituotteet Sähkö- ja lämpö Purkupuu Kemianteollisuus Kemikaalit, vahat, jne. Mäntypikiöljy Termokemiallinen konversio Rakennusteollisuus Metallinjalostusteollisuus Puu olisi tärkein raaka-aine biopelkistimien tuotannossa Energiakasvit jne. pienessä roolissa

7 TARVITTAVAT ESIKÄSITTELYT Biomassa pitää esikäsitellä ennen sen käyttöä masuunissa Biomassa raaka-aine Puu Viljelykasvien jäännökset Konversioprosessi Hidas pyrolyysi Torrefiointi Biomassa pelkistin Puuhiili Torrefioitu biomassa Termokemiallinen konversio Torrefiointi Pyrolyysi (nopea, hidas) Kaasutus, metanointi Turve Jätepuu Mikrolevät Nopea pyrolyysi Kaasutus Kaasutus + Metanaatio Biomassa, torrefioitu biomassa, puuhiili Bioöljy Synteesikaasu Synteettinen maakaasu Koksaus Biokoksi Tuotteina (sivutuotteina): Kivihiili Paahtopuu Puuhiili (Tervat, kondensoitumattomat kaasut) Bioöljy (puuhiili, kondensoitumattomat kaasut) Synteesikaasu ja Bio-metaani

8 Miljoonaa kuutiota PUUN TARVELASKENTA Biopelkistimillä erilainen kyky korvata koksia masuunissa Tällä hetkellä Ruukilla öljyinjektio Viskositeetin puolesta noin 15 20% kokonaisinjektiomäärästä voisi olla kiinteää puuhiiltä (Salo 2012) Riippuen kokonaisinjektiomäärästä noin t Kiinteän pelkistimen injektointi Pulverisoitua kivihiiltä injektoidaan yleisesti noin 150 kg/trr, jopa 200 kg/trr Oletukset Kostean puun tiheys 850 kg/m 3 Raakaraudan tuotanto 2.0 Mt Tuorekosteus 50 % Pyrolyysin saanto 33 % kuiva-aineesta FOSSIILISET PELKISTIMET Erikoisraskas polttoöljy: 1.17 Kivihiiliterva: 1.0 Pulverisoitu kivihiili: Maakaasu: METALLURGINEN KOKSI 1 YKSIKKÖ BIOPOHJAISET PELKISTIMET Puuhiili: 0.95 Torrefioitu puu: 0.40 Synteettinen maakaasu: Nykyteknologia_1 Nykyteknologia_2 Injektio 150 kg/trr Injektio 200 kg/trr

9 SAATAVUUS Hakkuutähdettä, kantoja, pienpuuta on saatavilla Mahdollisia käyttäjiä on nyt ja tulevaisuudessa useita Sähkön- ja lämmöntuotanto Bioöljyn tuotanto Puun kaasutuslaitokset (Bio-SNG) Biodiesel Teknis-ekologinen potentiaali suurin pohjoisissa ja itäisissä metsäkeskuksissa

10 PUUHIILEN TUOTANTOKUSTANNUKSET Yksinkertainen tarkastelu, kun puuhiili korvaa koksi, öljyä ja kivihiiltä masuunissa Tarvitaan varsin korkeita veroja tai päästöoikeuden hintoja, jotta kilpailukykyinen fossiilisiin pelkistimiin verrattuna

11 PROSESSI-INTEGRAATIO Biomassan esikäsittelyssä tarvitaan huomattava määrä energiaa Kuivaus Pyrolyysi Teollisuuden ylijäämälämmön käyttö kuivauksessa Sellun- ja paperin valmistus, koksin ja öljytuotteiden valmistus, elintarvikkeiden valmistus, metallinjalostus Sivutuotteiden hyväksikäyttö Mikä on päätuote ja mikä sivutuote Kemianteollisuus, energiantuotanto Biomassa Ilma Poltto Puuhiilen tuotanto Kuivaus Savukaasut Kuiva biomassa Lämpö Pyrolyysi Synteesikaasu Puuhiili Synteesikaasu Teräksen tuotanto Kaukolämpö Terästehdas Teräs

12 ENERGIA/TUKIPOLITIIKKA Tällä hetkellä biomassa raaka-aineena ei ole järin houkutteleva terästeollisuuden kannalta Riippuu kuitenkin korvattavasta pelkistimestä Mikäli korvaisi päältä panostettavaa koksia, olisi lähellä kilpailukykyisyyttä Vielä ei ole riittävän voimakkaita poliittisia ajureita EU ETS voi olla sellainen tulevaisuudessa Prosessi-integraatio Mikä on päätuote (lääke/kemianteollisuus: voi olla niche tuote) ja mikä sivutuote (puuhiili: bulkkituote) Eri teollisuuskäyttäjät mahdollisesti eri asemassa Tukipolitiikan takia energiateollisuus paremmassa asemassa verrattuna tilanteeseen, jossa biomassa on raaka-aine (esim. puuhiili terästeollisuuteen). Esim. KEMERA/PETU ensiharvennuksille ja hoitokohteille Biomassasta tuotetun sähkön syöttötariffit Millaiset ovat EU:n kiinteiden polttoaineiden kestävyyskriteerit

13 YHTEENVETO JA POHDINTA Tutkimus Tekninen Yksikköprosessi (biopelkistimen vaikutus laboratorio, pilot, tuotanto) Tuotantolaitos (vaikutus laatuun, energiavirtoihin, oheislaitteisiin) Tuotantolaitosten integraatio (synergiaedut) Teknologian kehitys Joustavien teknologioiden kehitys vienti Taloudellinen Mikä on päätuote ja mikä on sivutuote Sijainti, koko, markkinat Ekologinen ja sosiaalinen Ympäristövaikutukset (maan käyttö, polttoaineen käyttö), työpaikat Liiketoiminta Tulevaisuudessa suuret volyymit mahdollisia Bioöljy kannattaa ilman tukia hiilen erotus terästeollisuuteen Vientimarkkinat maihin, joissa puuhiiltä käytetään Politiikka CO 2 päästökaupan vaikutus terästeollisuuden maksukyky paranisi, samoin kuitenkin myös muiden alojen keskinäinen kilpailuasema säilyisi Voisiko biomassan käyttö olla tuettua myös terästeollisuudessa?

14 LÄHTEET Niemelä P, Kauppi M. Production, characteristics and use of ferrochromium slags. INFACON XI, Paananen T. Biohiili-injektion vaikutus masuuni operaatioon esitutkimus. Bioreducer JR, Oulun yliopisto Salo, A. Masuuni-injektanttien viskositeettimittaukset (in Finnish). MSc Thesis, University of Oulu, Oulu, Finland, Suopajärvi H, Fabritius T. Effects of biomass use in integrated steel plant gate-to-gate life cycle inventory method. ISIJ International 2012;52: Suopajärvi H, Fabritius T. Evaluation of the possibility to utilize biomass in Finnish blast furnace ironmaking. Scanmet IV, June 2012, Luleå, Sweden. Suopajärvi H, Fabritius T. Towards More Sustainable Ironmaking An Analysis of Energy Wood Availability in Finland and the Economics of Charcoal Production. Sustainability 2013;5: Suopajärvi H (2012) Bio based reducing agents in ironmaking: Industry integration opportunities. Process Integration Forum 2012, September, Luleå, Sweden. Suopajärvi H (2012) Sustainability of biomass use in carbon steel production (in Finnish), Materia , Vuorimiesyhdistys.

15 Kiitos!