CHEM-A1100 Teollisuuden toimintaympäristö ja prosessit Biotuoteteollisuuden prosesseista ja taseista Kyösti Ruuttunen 2015 Kalvoja ovat olleet laatimassa myös Lauri Rautkari ja Olli Dahl
Taseet KnowPulp 10.0, http://know.aalto.fi/pulp
Osaamistavoitteet Luennon jälkeen opiskelija osaa selittää, miksi taselaskenta on tärkeä osa prosessiteollisuutta hallitsee taselaskennan perusteet on harjoitellut taselaskentaa omaa valmiudet harjoitella itsenäisesti yksinkertaisten biotuoteteollisuuden prosesseihin liittyvien materiaali-, energia-, ja taloustaseiden laskentaa
Materiaali-, aine- ja energiatase merkitys ENERGIA LISÄAINEET ILMAPÄÄSTÖT MELU RAAKA-AINE PROSESSI LOPPUTUOTE VESI JÄTEVESI KIINTEÄT JÄTTEET Kuva: Olli Dahl 4
Taseet: mitä ja miksi? Aine- ja energiataseiden muodostaminen perustuu yksinkertaisiin sääntöihin. Termodynamiikan pääsäännöt, aineen häviämättömyyden laki. Insinöörin tulee ymmärtää yksikköprosessien toiminta ilmiötasolla. Insinöörin tulee ymmärtää prosessikokonaisuuksia ja osata muodostaa. näille aine- ja energiataseet ja tarvittaessa hyödyntää ylimääräiset aine- ja energiavirrat muissa prosesseissa (sivuvirrat ja teollinen symbioosi!). Insinöörin tulee osata myös laskea ja arvioida uusien prosessien kannattavuutta riittävällä tarkkuudella, jotta vältyttäisiin vääriltä investoinneilta. 5
Sahatessa puolet sahatavaraksi 6
Teollinen symbioosi Esimerkki 1 q Ainevirrat PUU SELLUTEHDAS PAPERITEHDAS PUUNKÄSITTELY ARKITTAMO HIOMO PAPERI 7
Teollinen symbioosi Esimerkki 2 q Energiavirrat PUUSTA LIUKENEE N. 50% VESIHÖYRY PUU PUUNKÄSITTELY PUU JA KUORIJÄTE PUUN JA KUOREN POLTTO SÄHKÖ- JA LÄMPÖENERGIA SÄHKÖ- JA LÄMPÖENERGIA SELLUTEHDAS MUSTALIPEÄN POLTTO SÄHKÖ- JA LÄMPÖENERGIA HIOMO SÄHKÖ- JA LÄMPÖENERGIA PAPERITEHDAS ARKITTAMO PAPERI 8
Teollinen symbioosi Esimerkki 3 q Vesien käyttö ja jätevesien käsittely LÄMMIN VESI PUUNKÄSITTELY JÄTEVESI AKTIIVILIETELAITOS JÄTEVESI VESISTÖÖN MAKEA VESI PUU HÖYRY Mekaanisesti puhdistettu vesi SELLUTEHDAS MUSTALIPEÄN HAIHDUTUS HIOMO Kemiallisesti puhdistettu vesi Laihamustalipeä Sekundäärilauhde JÄTEVESI VEDENVAIHTO VESIHÖYRY PAPERITEHDAS VEDENVAIHTO ARKITTAMO PAPERI Kemiallisesti puhdistettu vesi 9
Puun kulku metsästä tehtaalle Suomessa 2014 (milj.m 3 ) Puustopääoman kasvu 30 milj. m 3 Tuontipuu ja hake 9 Puuston kasvu 104 Kokonaispoistuma 73 Hakkuu- Kertymä 60 Markkina- Puu 55 9 Teollisuuden Raakapuu 64 Massa- ja Paperiteollisuus 37+9 9 73 55 Hake ja puru 9 Hakkuutähde ja Luonnonpoistuma 13 Polttopuu 5 Puutuoteteollisuus 27 LÄHDE: Metsäteollisuus, Luke
Sulfaattiselluprosessi Kuitulinja Raaka-aineet Lisäaineet (Kemikaalit) Keittokemikaalien valmistus Lopputuote / toisen prosessin raaka-aine Energian tuotanto Prosessikokonaisuus: sellutehdas Osaprosessit: Puunkäsittely, kuitulinja ja kemikaalikierto Yksikköprosessit: satoja erilaisia (sulatus, kuorinta, haketus. 11
Sulfaattisellutehtaan raaka-aine- ja tuotetase; havupuu 2 465 kg kuorimatonta puuta vastaa ~6,2 m 3 :a (tiheys 400 kg/ m 3 ) 2 465 kg kuorimatonta puuta Kuorittua puuta 2 120 kg Kuorta 296 kg Puuhäviö 49 kg Puun kuorinta (saanto 86 %; kuorta 12 %, puuhäviö 2 %) Haketta 2 078 kg Rejekti 42 kg Hakkeen valmistus ja lajittelu (saanto 98 %) Valkaisematonta massaa 977 kg Liuenneet aineet 1 101 kg Keitto (saanto 47 %) Lajittelu & happidelignifiointi (saanto 95 %) Massaa 928 kg Liuenneet aineet ja rejekti 49 kg Valkaisu (saanto 97 %) Massaa 900 kg Liuenneet aineet 28 kg 1 ADt sellua (10 % kosteutta) Sellu kuivataan arkeiksi vain, jos se myydään tehtaalta ulos sellaisenaan. Suomessa sellutehtaat useimmiten integroituja. Saanto kuoritusta puusta = 100 % * 900 kg / 2 120 kg = 42 % 12
Kuumahierteen (TMP) valmistus KnowPulp 10.0, 2011 13
TMP:n valmistuksen raaka-aine- ja tuotetase; havupuu 2 465 kg kuorimatonta puuta 1 102 kg kuorimatonta puuta vastaa ~2,8 m 3 :a (tiheys 400 kg/ m 3 ) 1 102 kg kuorimatonta puuta Kuorittua puuta 937 kg Kuorta 132 kg Puuhäviö 33 kg Puun kuorinta (saanto 85 %; kuorta 12 %, puuhäviö 3 %) Haketta 918 kg Rejekti 19 kg Hakkeen valmistus ja lajittelu (saanto 98 %) Kuumahierto & lajittelu (saanto 99 %) Massaa 909 kg Liuenneet aineet 9 kg Valkaisu (saanto 99 %) Massaa 900 kg Liuenneet aineet 9 kg TMP:tä Kuivaus ei koskaan kuivata, vaan se valmistetaan 1 ADt juuri ennen sen syöttämistä paperinvalmistusprosessiin, sellua (10 % ts. massanvalmistus kosteutta) on integroitu osaksi paperitehdasta. Saanto kuoritusta puusta = 100 % * 900 kg / 937 kg = 96 % 14
Hiokkeen (GW) valmistus KnowPulp 10.0, 2011 15
GW:n valmistuksen raaka-aine- ja tuotetase; havupuu 2 465 kg kuorimatonta puuta 1 102 kg kuorimatont a puuta 1 080 kg kuorimatonta puuta vastaa ~2,7 m 3 :a (tiheys 400 kg/ m 3 ) 1 080 kg kuorimatonta puuta Kuorittua puuta 918 kg Kuorta 130 kg Puuhäviö 32 kg Puun kuorinta (saanto 85 %; kuorta 12 %, puuhäviö 3 %) Hionta & lajittelu (saanto 99 %) Massaa 909 kg Liuenneet aineet 9 kg Valkaisu (saanto 99 %) Massaa 900 kg Liuenneet aineet 9 kg Hiokettakaan ei koskaan kuivata, vaan myös sen valmistus on integroitu osaksi paperitehdasta. Kuivaus 1 ADt sellua (10 % kosteutta) Saanto kuoritusta puusta = 100 % * 900 kg / 918 kg = 98 % 16
Muutama sana prosessien energiataseista Sellutehdas tuottaa enemmän energiaa kuin se kuluttaa prosesseissaan Mustalipeän poltosta saadaan höyryä ja sähköä, joka voidaan hyödyntää muissa prosesseissa tai myydä ulos Mekaanisen massan valmistus on energiaintensiivinen prosessi Kuumahierteen (TMP) kuidutusprosessi kuluttaa 2,0-3,5 MWh/BDt (1,8-3,2 MWh/Adt) Hiokkeelle vastaavat luvut: 1,5-2,0 MWh/BDt (1,4-1,8 MWh/ADt) Mekaanisen massan ja paperin valmistus on energiaintensiivistä Esim. vuonna 2007 puunjalostusteollisuus kulutti Suomessa 26 TWh sähköä (~50 % tästä teollisuus tuotti itse) Vertailun vuoksi: Olkiluodon ydinvoimala (kaksi reaktoria) tuottaa vuosittain ~14 TWh sähköä Lähteet: http://www.metla.fi/metinfo/tilasto/julkaisut/vsk/2008/vsk08_09.pdf http://www.tvo.fi/voimalaitokset 17
Paperin ja kartongin valmistusprosessi Yleisin prosessi perustuu märkärainaukseen, jossa paperin raakaainekomponentit muodostavat veteen sekoittuneena massasuspension. Massasuspensio levitetään homogeeniseksi massarainaksi, jota lujitetaan poistamalla siitä vettä suotauttamalla. Tämän jälkeen puristetaan ja haihdutetaan rainaa voimakkaasti, jolloin lopun veden poistuessa rainasta saadaan kuivaa paperia. KnowPap-oppimisympäristö sisältää perustietoa paperin valmistuksesta esim.: http://www.knowpap.com/extranet/suomi/paper_technology/paper_machine/ general/frame.htm 18
19
Paperikone Perinteinen tasoviirakone - tasainen rakenne vaatii alhaisen kuiva-ainepitoisuuden perälaatikko puristinosa kuivatusosa viiraosa rullaus sakeus ~0,5% sakeus ~20% kuivaainepit. ~45-55% kuivaainepit. ~90- -95% 20
Eri paperilajien valmistuksen energiankulutus Paperilaji Höyrynkulutus, kwh/bdt Sähkönkulutus, kwh/bdt Yhteensä, kwh/bdt Sanomalehti 1500 630 2130 Puupitoinen päällystämätön 1528 680 2208 Puupitoinen päällystetty 1417 820 2237 Puuvapaa päällystämätön 2000 670 2670 Puuvapaa päällystetty 2139 900 3039 Pehmo ( * 1056 1050 2016 * ) kaasunkulutusta ei huomioitu, tyypillinen kulutus 800-1400 kwh/bdt Puupitoinen = sisältää mekaanista massaa; puuvapaa = ei sisällä mek. massaa 21
Taseiden laskeminen Esimerkkejä 22
Biojalostamoesimerkki: Kemiallisen massan valmistuksen eli sellutehtaan perustaseet puunkäsittely Puunkäsittely tuottaa kuorijätettä kiinteän polttoaineen kattilalle (ns. kuorikattila), puun tilavuudesta noin 12 % kuorta. Osa puusta menee polttoon ja osa kuoresta menee hakkeen mukana keittoon. Seulonta parantaa keittoon menevän hakkeen laatua. Huom.: Puun määrä ilmoitetaan kuutioina (m 3 ; tilavuusmitta) ja sellun määrä tonneina (painomitta) puun tiheys tunnettava puun ja sellun kosteuspitoisuus tunnettava 23
Biojalostamoesimerkki: Kemiallisen massan valmistuksen eli sellutehtaan perustaseet kuitulinja Kuitulinjan saanto on noin 47 % eli 100 kg:sta kuivaa puuta tulee 47 kg sellua (saantoa menetetään keitossa, lajittelussa, happivaiheessa ja valkaisussa). Keitossa puusta poistuu ligniiniä, joka johdetaan pesuveden mukana kemikaalikiertoon (laihamustalipeä). 24
Puun käsittelyn ja kuitulinjan tase Lasketaan käyttäen lähtökohtana yhtä ilmakuivaa tonnia valkaistua sellua. Kaikki välivaiheiden sellu- ja puumäärät ja niiden häviöt suhteutetaan tähän (kg/adt). Valkaisu D-Eop-D-D Saanto 97 % Happidelignifiointi Saanto 96 % Kappal. 18 MASSAN LAJITTELU Oksat 1,5 % Lajjitteluhäviö 1 % KEITTO Kappaluku 30 Saanto 47 % LÄHTÖTILANNE: 900 kg valkaistua sellua HAKKEEN LAJITTELU: puuhäviö 2 % HAKETUS: puuhäviö 0 % KUORINTA: puuhäviö 2 % PUUTA KENTÄLLÄ 25
Kuitulinjan kuitutase 1 Adt (air dry ton) eli tonni ilmakuivaa sellua =(1000 kg*0,9) =900 kg/adt Happidelignifioitua sellua: =900/0,97= 928 kg/adt Valkaisu D-Eop-D-D Saanto 97 % Valkaisuhäviö: =928*0,03= 28 kg/adt Tuotanto: 708288 Adt/a, Käyntipäivät: 357 d/a Keskituotanto:708288/357= 1984 Adt/d = 83 Adt/h = 0,023 Adt/s Häviö mustalipeään (1-0,96)*966= 39 kg/adt Happidelignifiointi Saanto 96 % Kappa 18 Lajiteltua sellua =928/0,96 =966 kg/adt MASSAN LAJITTELU Oksat 1,5 % Lajitteluhäviö 1 % Lajittelun häviö: 991*(0,01+0,015)= 25 kg/adt Sellua keitosta: =966/(1-0,01-0,015)= 991kg/Adt (rejektí ja oksat poistetaan) Keittoon tarvitaan haketta: =991/0,47=2109 kg/adt KEITTO Kappaluku 30 Saanto 47 % Keitossa häviö mustalipeään: =2109*(1-0,47)=1118 kg/adt Orgaaniset aineet mustalipeään: =keitossa ja happidelignifioinnissa liuenneet = 1118 + 39 = 1156 kg/adt 26
Puunkäsittely: mänty 1 Adt (air dry ton) eli tonni ilmakuivaa sellua HAKE KEITTOON HAKKEEN LAJITTELU: puuhäviö 2 % Lajiteltua haketta keittoon: =2109 kg/adt (edelliseltä kalvolta) Haketta lajitteluun: =2109 kg/adt /(1-0,02)=2152 kg/adt Puuhäviö lajittelussa: =2152 kg/adt *0,02=43 kg/adt Puun tiheys: 400 kg/m³ Kuoren tiheys: 300 kg/m³ Kuoripitoisuus: 12 v-% HAKETUS: puuhäviö 0 % KUORINTA: puuhäviö 2 % Kuorittua puuta: = 2152 kg/adt /(1-0,02)=2196 kg/adt = 2196 kg/adt / 400 kg/m³= 5,5 m³/adt Puuhäviö kuorinnassa: = 2196 kg/adt *0,02= 44 kg/adt Kuorimatonta puuta (kuivana): = 5,5 m³/adt /(1-0,12) = 6,2 m³/adt Kuorta (kuivana): = 6,2 m³/adt 5,5 m³/adt = 0,7 m³/adt Kuorimatonta puuta (kuivana): = 5,5 m³/adt*400 kg/m³+ 0,7m³/Adt*300 kg/m³ = 2421 kg/adt CHEM-A1100
Esimerkkejä taloudellisista taseista Korkealaatuinen metsäbiomassa Puutuotetekniikka Hiilivapaat puutuotteet 75 /k-m 3 Sahatavara, 200 /k-m 3 (+125 ) 40 /k-m 3 Paperisellu, 105 /k-m 3 (+65 ) (40 /k-m 3 Liukosellu, 150 /k-m 3 (+110 )) 20 /k-m 3 Sähkö ja höyry, 30-50 / k-m 3 B I O M A S S A N L A A T U 28
Tehtävä Oletukset Vuodessa Suomessa korjataan 64 miljoonaa m 3 teollisuuspuuta (ks. kalvo 9) 27 milj. m 3 tukkipuuta (puiden keskimääräinen pituus > 20 m) sahatavaraa 46 (37+9) milj. m 3 kuitupuuta (pituus ~15 m, läpimitta ~13 cm) sellua Kysymykset Mikä olisi tuotetun sahatavaran ja sellun arvo, jos ne menisivät vientiin sellaisenaan? Vastaako saamanne tulos Suomen vientitilastoja? Pohtikaa, mitä kaikkia tuotteita voidaan valmistetaan yllä mainituista raaka-aineista. Mikä on näiden tuotteiden arvo ja mitä kustannuksia niiden valmistamiseen liittyy? Mitä johtopäätöksiä tuloksista voi tehdä? Käytä vastaamisessa apuna luentokalvojen materiaalia. Voit myös etsiä lisätietoa internetistä. Kalvolla 34 on linkkejä, joita voit hyödyntää. 29
30 Suomen merkittävimmät vientituotteet Paperi ja kartonki Sahatavara 1. 4. 5. 6,8 mrd. EUR 1,5 mrd. EUR Selluloosa 1,4 mrd. EUR 2. Dieselpolttoaineet 5.8 mrd. EUR 3. Ruostumattomat teräslevyt 2,1 mrd. EUR 6. Sähkögeneraattorit ja moottorit 1,4 mrd. EUR Kuva ABB 7. Erikoiskoneet ja laitteet 1,2 mrd. EUR Kuva Planmeca 8. Moottoriajoneuvot henkilökuljetuksiin 1,1 mrd. EUR Kuva Valmet Automotive 9. Sähkömuuntajat ja taajuusmuuntajat 1,0 mrd. EUR 10. Nostamis- ja lastaamiskonee t 0,9 mrd. EUR LÄHDE: Tulli, SITC3-luokitus
Metsäteollisuus Suomen kansantaloudessa 2009 2010 2011 2012 2013 Osuus tehdasteollisuuden työllisyydestä, % a Puutuoteteollisuus* 9,3 9,6 9,8 9,1 9,0 Massa- ja paperiteollisuus 6,2 6,3 6,1 5,7 5,9 Metsäteollisuus yhteensä* 15,6 15,9 15,8 14,8 14,9 Osuus tehdasteollisuuden tuotannon bruttoarvosta, % b Puutuoteteollisuus* 5,8 6,2 5,9 6,0 5,9 Massa- ja paperiteollisuus 11,2 13,0 12,1 11,6 12,1 Metsäteollisuus yhteensä* 17,0 19,2 18,0 17,6 18,0 Osuus viennistä, % c Puutuoteteollisuus* 4,0 4,1 4,0 4,0 4,4 Massa- ja paperiteollisuus 15,6 16,4 15,8 15,5 15,9 Metsäteollisuus yhteensä* 19,6 20,5 19,8 19,4 20,3 a työllisyys Kansantalouden tilinpidon mukaan, 2013 tiedot julkaistu heinäkuussa 2014 b vuoden 2013 julkaistu joulukuussa 2014, Alueellinen yritystoimintatilasto c Tullihallitus: CN-luokittelulla * ml. huonekaluteollisuus LÄHDE: Tilastokeskus, Tulli
Suomen puutuoteteollisuus 32
33 Sellun viennin määrän ja arvon kehitys Suomessa 3 000 1000 tonnia viennin määrä Milj. EUR1 600 2 500 2 000 1 500 viennin arvo 1 400 1 200 1 000 800 Sellun vienti, 1000 tonnia 2014 2 810 2013 2 840 muutos% -1,1 % Sellun viennin arvo, milj. EUR 2014 1 520 2013 1 460 muutos% 3,9 % 1 000 600 400 500 200 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 0 LÄHDE: Tullihallitus
Havusaha- ja höylätavaran viennin määrä ja arvo 9 8 Milj. m 3 Vientimäärä Viennin arvo Mrd. EUR 1,8 1,6 7 6 5 4 3 2 1 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Vienti 2014 Määrä, milj. m 3 7,5 Arvo, mrd. EUR 1,6 muutos ed. vuodesta Määrä 4,4 % Arvo 7,7 % Huom. Vienti sisältää myös höylätavaran 0 2005200620072008200920102011201220132014 0,0 LÄHDE: Tullihallitus
Lähteitä (muitakin saa käyttää!) http://www.metla.fi/julkaisut/metsatilastollinenvsk/tilastovsk-sisalto.htm http://faostat3.fao.org/browse/f/*/e http://www.metsateollisuus.fi/tilastot/ http://www.puuntuottaja.com/kiintokuutiosta-puuta-tulee-113-eurolla-sellua/ http://www.metsateollisuus.fi/toimialat/paperi-kartonki-jalosteet/paperi-jasellu/paljonko-puuta-tarvitaan-paperiin---216.html 35