PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO PROSESSIMETALLURGIAN LABORATORIO Hannu Suopajärvi BIOMATERIAN PROSESSOINTITAVAT: ESIKÄSITTELYT, TERMOKEMIALLINEN KONVERSIO JA KÄYTTÖ MASUUNISSA Biomass raw material Thermochemical conversion Bio-based reducing agent Forest chips Industrial chips Energy crops Demolition wood Pulp mill residues Slow pyrolysis Torrefaction Fast pyrolysis Gasification Gasification + Methanation Charcoal Torrefied biomass Bio-oil Synthesis gas Synthetic natural gas Torrefied biomass, charcoal Biomass Coking plant Coal Biocoke BIOREDUCER: BIOMATERIAPOHJAISEN PELKISTYSAINEEN MAHDOLLISUUDET 2013
PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO PROSESSIMETALLURGIAN LABORATORIO Hannu Suopajärvi Biomaterian prosessointitavat: esikäsittelyt, termokemiallinen konversio ja käyttö masuunissa Bioreducer: Biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuudet 2013 http://www.oulu.fi/pyometen/bioreducer_materials 2
ESISANAT Tämä raportti on tehty osana Bioreducer Biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuudet projektia ja kuuluu työpakettiin (WP) 3: Biomaterian prosessointitapojen analyysit metallurgisten prosessien näkökulmasta. Bioreducer-projekti on Oulun yliopiston prosessimetallurgian laboratorion (PYOMET) koordinoima hanke, joka toteutettiin 1.9.2010 30.4.202013 välisenä aikana. Bioreducer hanke kuului Tekesin Biorefine-ohjelmaan. Hankkeessa oli mukana laaja kirjo pien- ja suuryrityksiä sekä muita yhteistyötahoja. Työn vastuullisena johtajana PYOMET:ssa oli professori Timo Fabritius. Projektin pääasiallisena tutkijana ja projektipäällikkönä toimi Hannu Suopajärvi. Kokeellisessa työssä on ollut mukana Mikko Iljana, Juho Haapakangas ja Tommi Kokkonen. Projektissa mukana olleet yritykset ovat: Gasek Oy, Lassila & Tikanoja Oyj, Mustavaaran Kaivos Oy, Naturpolis Oy, Pohjolan Voima Oy, Rautaruukki Oyj, Sievin biohake Oy ja Suomen biosähkö Oy. Lisäksi mukana on ollut Taivalkosken kunta ja Pohjois-Pohjanmaan liitto sekä Tekes. Projektin aikana johtoryhmätyöskentely oli onnistunutta ja osanotto erittäin aktiivista. Yhteistyö TIE-hankkeen (Taivalkosken Innovatiiviset Energiaratkaisut) kanssa toi Bioreducer-projektiin laajuutta entisestään ja kontakteja laajemmin bioenergian kanssa työskentelevien tahojen kanssa. Bioreducer-projektin vastuullisena johtajana ja projektin vastuullisena tutkijana haluamme kiittää kaikkia projektin osapuolia antoisasta yhteistyöstä. Erityiskiitos kuuluu projektin suurimmalle rahoittajalle, Tekesille, jonka tuki EAKR-rahoituksen muodossa oli korvaamaton. Oulussa 30.5.2013 Prof. Timo Fabritius Hankkeen vastuullinen johtaja DI Hannu Suopajärvi Hankkeen päätutkija 3
SISÄLLYSLUETTELO ESISANAT... 3 SISÄLLYSLUETTELO... 4 1. JOHDANTO... 6 2. BIOMASSA SUOMEN METALLURGISEN TEOLLISUUDEN PROSESSEISSA... 7 2.1 Kotimaisen biomassan määrä... 7 2.2 Mahdolliset käyttömuodot metallurgisen teollisuuden prosesseissa... 7 3. BIOMASSAN KÄSITTELY JA PROSESSOINTI SEKÄ PUUHIILEN JAUHATUS JA AGGLOMEROINTI... 11 3.1 Energiapuun hankintaketju... 11 3.1.1 Metsähakkeen eri tuotantoketjujen vahvuuksia ja heikkouksia. 12 3.1.2 Metsähakkeen hinta... 13 3.2 Sahateollisuuden sivutuotteet... 14 3.3 Maatalouden sivutuotteiden hankinta... 15 3.4 Turpeen hankinta... 15 3.5 Jätepuun/kierrätyspuun hankinta... 15 3.6 Muovi raaka-aineena... 16 3.7 Biomassan haketus ja jauhatus... 16 3.7.1 Biomassan haketus ja murskaus... 16 3.7.2 Biomassan, välituotteen ja lopputuotteen jauhatus... 17 3.8 Biomassan kuivaus... 17 3.8.1 Nauhakuivain... 19 3.8.2 Pyörivä rumpukuivain... 19 3.9 Puuhiilen briketöinti... 20 4. KIINTEÄN PELKISTIMEN TUOTANTO... 22 4.1 Biohiili (torrefioitu puu)... 23 4.2 Puuhiili (pyrolyysi)... 25 5. PUUHIILEN TUOTANTOTEKNOLOGIAT... 28 5.1 Panosprosessit (miilut, retortit)... 29 5.1.1 Miilut... 29 5.1.2 Puuhi2 epäsuora pyrolyysiretortti... 29 5.1.3 Degussa Reichert prosessi... 30 5.1.4 Biocarbo... 31 5.2 Puolijatkuvat prosessit... 32 5.2.1 Bioenergy LLC (Russia)... 32 5.2.2 Carbo tuplaretortti... 33 5.3 Jatkuvatoimiset prosessit... 33 5.3.1 O.E.T Calusco... 33 5.3.2 Lurgi... 34 5.3.3 Lambiotte (SIFIC ja CISR)... 35 5.3.4 Preseco... 36 5.3.5 BEST Energies... 38 5.3.6 Pro-Natura... 38 5.3.7 Pyreg... 39 5.3.8 Outokummun rumpu-uuni (Vapo)... 39 5.4 Uudet teknologiat... 41 5.4.1 Flash Carbonization Reactor... 41 5.4.2 Mikroaaltoihin perustuva teknologia... 41 4
5.5 Esimerkkejä muista teknologioista... 42 5.5.1 Biohiililaitos (torrefiointi)... 43 5.5.2 Yhdyskuntajätteen pyrolysointi... 43 5.6 Massataseiden arviointi... 44 5.7 Energiataseiden arviointi... 45 5.8 Kustannukset... 46 6. NESTEMÄISEN PELKISTIMEN TUOTANTO... 49 6.1 Bioöljyn kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet... 49 6.2 Nopean pyrolyysin teknologiat... 51 6.2.1 Dynamotive (Kanada)... 52 6.2.2 Metso (Suomi)... 53 6.2.3 Ensyn (Kanada)... 53 6.3 Yleistä... 54 6.4 Muovin pyrolysointi... 55 6.5 Kustannukset... 55 7. KAASUMAISEN PELKISTIMEN TUOTANTO... 57 7.1 Pelkistävien kaasujen tuotanto... 58 7.1.1 Alloterminen (epäsuora) kaasutus... 59 7.1.2 Autoterminen (suora) kaasutus... 60 7.1.3 Entrained flow kaasutus... 60 7.2 Kaasujen puhdistus... 61 7.3 Kaasujen muokkaus... 61 7.4 Synteettisen maakaasun tuottaminen... 62 7.5 Kustannukset... 63 8. BIOPELKISTIMEN TUOTANNON INTEGROINTI... 65 8.1 Puuhiilen tuotanto... 65 8.1.1 Keskitetty tuotanto terästehtaan ympäristössä... 65 8.1.2 Keskitetty laajamittainen tuotanto puuhiilen tuotannon ympärillä 68 8.1.3 Hajautettu tuotanto... 69 8.2 Bioöljyn tuotanto... 70 8.3 Kaasumaisten pelkistinten integroiminen... 71 9. TEKNISET MUUTOSTARPEET TERÄSTEHTAASSA... 73 9.1 Puuhiili (torrefioitu biomassa)... 73 9.1.1 Kiinteä injektointi... 73 9.1.2 Pyrolyysikaasujen ja nesteen hyödyntäminen... 73 9.1.3 Sekainjektio... 75 9.2 Bioöljy... 77 9.3 Synteesikaasu ja synteettinen maakaasu... 77 9.4 Yhteenveto eri tuotantoteknologioista ja pelkistimistä... 77 10. YHTEENVETO... 79 11. LÄHTEET... 80 5
1. JOHDANTO Biomassaa voidaan hyödyntää raakaraudan tuotannossa masuunissa eri tavoilla. Esimerkkejä tästä löytyy muun muassa Brasiliasta, jossa ns. minimasuuneissa käytetään puuhiiltä ainoana pelkistimenä. Biopohjaisten pelkistimien käyttö moderneissa masuuneissa ei ole vielä saavuttanut teollista mittakaavaa, lukuun ottamatta muutamia teollisia kokeiluja. Biopohjainen raaka-aine ei ole sellaisenaan sovelias korvaamaan suuria määriä fossiilisia pelkistimiä masuunissa, vaikka se olisi kuivattu alhaiseen kosteuteen. Biomassassa on korkea happi- ja matala hiilipitoisuus, joka laskee polttoaineen lämpöarvoa. Masuuniin panostettavalta koksilta vaaditaan lisäksi korkeaa hiilipitoisuutta ja matalaa haihtuvien aineiden osuutta. Tämän lisäksi koksin on oltavaa lujaa ja huokoista. Injektoitavilta pelkistimiltä vaaditaan korkeaa hiili- ja vetypitoisuutta. Biomassaa voidaan kuitenkin muokata eri tavoin, jotta masuuniprosessin kannalta tärkeät ominaisuudet voidaan saavuttaa. Tässä raportissa tarkastellaan biopelkistinten muokkausta erilaisilla termokemiallisilla konversioteknologioilla. 6
2. BIOMASSA SUOMEN METALLURGISEN TEOLLISUUDEN PROSESSEISSA 2.1 Kotimaisen biomassan määrä Bioreducer-hankkeen työpaketissa WP2 arvioitiin kotimaisen biomassan määriä, jotka olisi mahdollista valjastaa metallurgisen teollisuuden raakaaineeksi. Suurin potentiaali on kotimaisessa puuperäisessä biomassassa, jota määrällisesti on eniten tarjolla. Suomen metsien kasvu on ollut yli 40 vuoden ajan suurempaa kuin niiden käyttö. Tämä tarkoittaa sitä, että metsäbiomassaa olisi mahdollista kestävästi ottaa käyttöön suurempia määriä kuin nykyisellään tehdään. Aikaisemmin puun käytössä on ollut varsin selkeä jakaantuminen kolmen teollisuudenalan kesken, miten eri puujakeet ohjautuvat käyttöön. Puutuoteteollisuus on käyttänyt suurimman osan tukkipuusta, selluteollisuus on käyttänyt kuitupuun (Kuitupuun läpimitta on 6 sentistä ylöspäin ja pituus 2,5 5,5 metriä (tai 3,1 5,5 m). Energiapuu (hakkuutähteet, karsitut rangat, juurakot, kannot) on ohjautunut metsähakkeena energiantuotantoon. Kunkin teollisuudenalan puustamaksukyky vaihtelee, joka osaltaan ohjaa eri puujakeiden virtoja. Halvin jae, joka metsästä otetaan, on ollut energiapuu eli metsähake. Metsähakkeelle on kaavailtu varsin suurta lisäkäyttöä energiantuotannossa, mutta sitä voitaisiin hyödyntää myös metallurgisessa teollisuudessa pelkistinaineiden valmistuksessa. Koko Suomen tasolla metsähakkeen käytölle on asetettu tavoitteeksi 25 TWh vuoteen 2020 mennessä, joka tarkoittaisi noin 13 Mm 3 puumäärää. Useissa Suomen kattavissa laskentaskenaarioissa (mm. Kärhä et al. 2010, Maidell et al. 2008) tämä määrä voitaisiin metsistä tuottaa. Seitsemän metsäkeskuksen alueella, jotka arvioitiin WP2 työpaketissa alustavaksi hankinta-alueeksi, metsähakkeen käyttöä voisi lisätä varsin merkittävästi nykyisestä. Muita potentiaalisia raaka-aineita on esimerkiksi jätepuu, jota tulee esimerkiksi rakennusteollisuuden käytöstä. Määrät ovat isoja ja mikä parasta ne ovat valmiiksi hyvin kuivia, jolloin biomassojen kuivausta ei varsinaisesti tarvita. Metsäteollisuuden muuttaessa muotoaan, voi sahoilta nykyisin sellun tuotantoon menevä hake osoittautua myös varteenotettavaksi pelkistinaineen raaka-ainelähteeksi. Sahojen sahanpuru ja kuori voisivat myös olla potentiaalisia raaka-ainevirtoja. 2.2 Mahdolliset käyttömuodot metallurgisen teollisuuden prosesseissa Metallurgisissa prosesseissa biomassasta johdettuja pelkistimiä voitaisiin käyttää periaatteessa kaikissa normaaliolosuhteissa tavattavissa aineen olomuodoissa: kiinteänä, kaasuna ja nesteenä. Pelkistinkäytön lisäksi metallurgisista laitoksista löytyy myös muita kohteita, joissa biopohjaisia energianlähteitä voitaisiin hyödyntää. Olemassa olevat teknologiset ratkaisut kuitenkin rajoittavat mahdollisuuksia. Esimerkiksi tuotettujen synteesikaasujen lämpöarvon tulee olla riittävän korkea, että niitä voitaisiin hyödyntää. Kuvioon 1 on havainnollistettu vaihtoehtoisia raaka-aineita, 7
termokemiallisia konversioreittejä ja lopputuotteita, jotka voitaisiin masuuniin syöttää. Raaka-aineiden kirjo on laaja ja käyttöä rajoittaa periaatteessa ainoastaan raaka-aineen mahdollisten harmeaineiden; alkalit, rikki, ymv. esiintyminen. Termokemiallisia konversioreittejä on hidas pyrolyysi (torrefiointi ja hiiletys), nopea pyrolyysi, kaasutus ja edelleen tuotekaasun metanointi. Termokemiallisten reittien lisäksi on olemassa erilaisia esimerkiksi mädätykseen perustuvia reittejä. Biomassan konversioreittien tuotteita ovat puuhiili, torrefioitu eli paahdettu biomassa, bioöljy, synteesikaasu ja synteettinen maakaasu. Kappalekokoinen puuhiili Puu Viljelykasvien jäännökset Turve Jätepuu Mikrolevät Hidas pyrolyysi Torrefiointi Nopea pyrolyysi Kaasutus Kaasutus + Metanaatio Puuhiili Biohiili Bioöljy Synteesikaasu Synteettinen maakaasu Koksaus Biokoksi Kivihiili Kuvio 1. Konversioteknologiat masuunin pelkistinaineiden tuottamiseksi. Tässä raportissa käsitellään biomassan termomekaanisia konversioteknologioita, joita hyödyntäen biomassa saadaan muutettua metallurgisen teollisuuden prosesseihin sopivaksi. Sen lisäksi tarkastellaan biomassan hankintaan ja logistiikkaan liittyviä tekijöitä sekä kuivaukseen, jauhatukseen ja mahdolliseen aggromelointiin liittyviä seikkoja. Tarkastelussa on keskitytty pääasiallisesti puuperäisen biomassan arviointiin, sillä sen potentiaali määrän suhteen tarjota raaka-ainetta metallurgiseen teollisuuteen on suurin. Suomen metallurgisen teollisuuden yksiköt, joissa ainakin teoreettisella tasolla voitaisiin hyödyntää biomassaa pelkistinaineena, on esitetty kuviossa 2. Suuria määriä kiinteitä ja nestemäisiä pelkistinaineita käytetään erityisesti raudanvalmistuksessa masuunissa. Suomessa on kaksi masuunipohjaista integroitua terästehdasta, Ruukki Raahessa ja Koverhar Hangossa, jotka käyttävät metallurgista koksia ja erikoisraskasta polttoöljyä pelkistinaineena raakaraudan tuotannossa. Koverharin terästehdas ajautui konkurssiin vuonna 2012 ja siellä ei enää ole tuotantoa. Koksia käytetään myös ruostumattoman teräksen valmistuksessa, erityisesti uppokaariuunissa lämmöntuojana ja pelkistyksen aikaansaajana. Boliden Harjavallan prosesseissa koksia käytetään nikkeli- ja kuparikuonan pelkistyksessä. Myös romupohjaisessa teräksenvalmistuksessa hiiltä voidaan käyttää, kuohuttamaan sähköuunikuonaa. Yksi mahdollinen biopelkistimien käyttökohde voisi olla 8
myös Mustavaaran kaivos, jonka uudelleen avaamista ajetaan voimakkaasti ja jonka yhteyteen mahdollisesti sijoittuu myös ferrovanadiinin ja raudantuotantolaitos. Kuvio 2. Metallurgiset, pelkistinaineita käyttävät tuotantoyksiköt Suomessa. Kuten kuviosta 2 voidaan havaita, ovat metallurgiset tuotantolaitokset sijoittuneet lähes poikkeuksetta lähelle merta. Kotimaisen biomassan hankinnan kannalta hankinta-alue näin ollen pienenee, mutta meritie mahdollistaa toisaalta myös laivauksen joko Suomen sisäisesti tai Suomen ulkopuolelta. Esimerkiksi teollisuuden jätepuun käsittely on keskittynyt hyvin pitkälle Etelä-Suomeen, josta sitä voisi laivata esimerkiksi Raaheen pyrolysoitavaksi varsin kilpailukykyiseen hintaan verrattuna metsähakkeeseen. Toisin kuin lämmön- ja sähköntuotannossa, jossa tuotanto ja käyttö ovat sijoittuneet varsin tasaisesti ympäri Suomea, olisivat biomassan käyttöpaikat metallurgisessa teollisuudessa suuria ja kaukana raaka-aineesta. Tämä tuottaa logistisia haasteita, jolloin biomassan esikäsittelyyn ja toimiviin toimitusketjuihin tulisi kiinnittää erityistä huomiota. Kaukokuljetusmatkat tulisivat olemaan varsin pitkiä, oli kyseessä jalostamaton tai jalostettu biomassa (puuhiili), jolloin optimaalisten tuotantokonseptien löytäminen on ensiarvoisen tärkeää. Merkittävä tekijä on myös termokemiallisessa 9
biomassan konversiossa syntyvien sivutuotteiden hyödyntäminen. Biomassan termokemiallisessa prosessoinnissa syntyy aina kiinteitä, kaasumaisia ja nestemäisiä tuotteita, jotka kaikki pitäisi pystyä hyödyntämään korkean energiahyötysuhteen saavuttamiseksi ja kustannusten alentamiseksi. Biomassan esikäsittelyä tarvitaan eri määrä riippuen valitusta konversioteknologista. Mikäli primäärituote on kiinteä pelkistin eli puuhiili, voitaisiin biopelkistin tuottaa joko hajautetusti tai keskitetysti hitaalla pyrolysoinnilla (slow pyrolysis). Hajautetun tuotannon tapauksessa tulisi kiinnittää huomiota myös pelkistimen energiaintensiteetin kasvattamiseen kuljetuskustannusten minimoimiseksi. Pyrolyysin läpikäynyttä biomassaa, ei kuitenkaan voida agglomeroida ilman apuaineita. Nopealla pyrolyysilla (fast pyrolysis) tuotetaan pääasiassa nestemäistä fraktiota, bioöljyä. Sivutuotteena nopeassa pyrolyysissa on myös kiinteätä hiiltä, jonka osuus vaihtelee noin 10 25% välillä riippuen teknologiasta. Yleensä kiinteä hiilijae käytetään hyväksi prosessin lämmönlähteenä, mutta osa kiinteästä jakeesta voidaan ottaa ulos systeemistä muihin tarkoituksiin. Bioöljyä voidaan varastoida, mikä nostaa sen käyttökelpoisuutta. Bioöljyn lämpöarvo on kuitenkin varsin matala. Pyrolyysi prosessina tapahtuu lähes hapettomissa olosuhteissa. Kaasutuksessa (gasification) sen sijaan käytetään ali-ilma (happi) määrää biomassan muuntamiseksi synteesikaasuksi korkeassa lämpötilassa. Riippuen kaasutukseen käytettävästä väliaineesta (ilma, happi, höyry, epäsuora) saadaan lämpöarvoltaan erilaisia synteesikaasuja. Synteesikaasuja voitaisiin käyttää metallurgisissa prosesseissa, kunhan niiden lämpöarvo on riittävän korkea. Synteesikaasusta voidaan myös edelleen jalostaa synteettistä maakaasua metanaation kautta, joka on täysin verrattavissa maakaasuun. 10
3. BIOMASSAN KÄSITTELY JA PROSESSOINTI SEKÄ PUUHIILEN JAUHATUS JA AGGLOMEROINTI Metallurgisen teollisuuden tarpeisiin esikäsittelyprosessien määrä raakaaineesta lopputuotteeksi on varsin maltillinen verrattuna esimerkiksi prosessointiketjuihin, joita vaaditaan liikennepolttoaineiden valmistamiseen. Ketjuun kuuluu biomassan hankinta, kuljetukset, haketus joko tien varressa, terminaalissa tai käyttöpaikalla, kuivaus, mahdollinen tiivistäminen kuljetusta varten (torrefiointi, pelletointi), pyrolyysi tai kaasutus ja sivutuotteiden hyötykäyttö (kuvio 3). Korjuu Kuivaus Haketus Jälkikuivaus Jauhatus Konversio Käyttö Kuvio 3. Biomassan ja puuhiilen käsittelyoperaatiot. Tässä kappaleessa käydään läpi ketjun eri vaiheita, jotta saadaan kuva millaisia yksikköoperaatioita vaaditaan, jotta biomassa saadaan metallurgisessa teollisuudessa käyttökelpoiseen muotoon. 3.1 Energiapuun hankintaketju Metsähake on potentiaaliltaan varteenotettavin vaihtoehto pelkistinaineen valmistuksen raaka-aineeksi sen suuren määrän ansiosta. Metsähakkeen raakaaineita ovat hakkutähteet; latvat, oksat, juurakot ja kannot. Pieniläpimittainen puu, joka ei sovellu sellunvalmistuksen raaka-aineeksi, luetaan myös raakaainelähteeksi. Pieniä määriä runkopuuta käytetään myös metsähakkeen raakaaineena. Energiapuun korjuu muodostaa merkittävän taloudellisen ja ympäristöllisen tekijän. Energiapuun energiatiheys on matala, mikä nostaa kuljetusten kustannuksia. Lisäksi konetarve on suuri. Kuljetusautot ja metsätyökoneet tarvitsevat fossiilisia polttoaineita, mikä pienentää energiapuun hiilidioksidi-neutraalisuutta. Energiapuun korjuu tapahtuu pääosin päätehakkuun yhteydessä hakkuutähteen osalta, jolloin ainespuuksi kelpaamaton puuaines kerätään talteen. Metsähakkeen hankintaketjuja on periaatteessa kolmenlaisia, joissa haketus tapahtuu ketjun eri vaiheissa: palstahaketus, välivarastohaketus ja käyttöpaikkahaketus. Haketustavan valintaan vaikuttavat mm. korjuuolot, tienvarsivarastotilat, puun kuljetusmatka, lämpö- ja voimalaitosten käyttömäärät ja varastotilat, saatavissa oleva tuotantokalusto, tuotettava metsähakejae (pienpuuhake, hakkuutähdehake, kantomurske, hake järeästä runkopuusta) ja tuotantoketjun kustannukset (Pajuoja 2011). Seuraavassa on esitelty kunkin hankintaketjun periaatteet. Palstahaketuksessa energiapuu kerätään päätehakkuulta ja haketetaan keräyspaikalla, jonka jälkeen se kuljetetaan hakkeena odottamaan maantiekuljetusta. Maantiekuljetuksella hake toimitetaan käyttöpaikalle. Palstahaketusta ei juurikaan enää harjoiteta. 11
Välivarasto- eli tienvarsihaketuksessa energiapuu kuljetetaan tienvarteen, jossa se varastoidaan. Haketus tapahtuu tienvarressa suoraan kuljetusautoon. Haittana on suuren välivarastotilan tarve. Tienvarsihaketus voidaan tehdä kahdella erilaisella menetelmällä, jossa kalusto on erilainen. Toisessa tavassa on erillinen hakkuri ja hakeauto ja toisessa integroitu hakkuri-hakeauto (Kärhä 2008). Käyttöpaikkahaketuksessa puu ainoastaan pakataan kuljetusta varten käyttöpaikalle (energialaitos), jossa se haketetaan. Energiapuuniput paalataan, jolloin niiden kuljettaminen helpottuu. Terminaalihaketus on käyttöpaikka- ja välivarastohaketuksen yhdistelmä. Terminaalihaketuksen osuuden odotetaan kasvavan huomattavasti tulevaisuudessa. Haketettava puu kuljetetaan välivarastolta tai suoraan palstalta terminaaliin, jossa sitä voidaan kuivattaa varastoaumassa kesän ylitse. Kuivuneet hakkuutähteet voidaan hakettaa terminaalissa hakkurilla tai murskaimella. Terminaalihaketus voidaan nähdä metsäenergian keskitettynä varastoalueena, biopolttoaineiden valmistus- ja varastointialueena, vakauttavana ketjun osana metsästä voimalaitokselle (Seppänen 2011). 3.1.1 Metsähakkeen eri tuotantoketjujen vahvuuksia ja heikkouksia Metsähakkeen tuotantoketjujen osuudet on esitetty Metsätehon tuloskalvosarjassa (Pajuoja 2011). Tienvarsihaketus on ollut koko 2000-luvun tärkein hakkeen tuotantomenetelmä (50 60%). Käyttöpaikkahaketuksen osuus on ollut noin neljänneksen ja kolmanneksen välillä 2000-luvulla. Terminaalihaketuksen rooli on kasvanut 2000-luvulla ja vuonna 2010 se oli 19%. Metsähakkeen raaka-aine vaikuttaa valittavaan tuotantoketjuun. Pienpuu haketetaan suurimmaksi osaksi tienvarsihaketuksella (n. 80%). Hakkuutähteiden yleisin haketusmenetelmä on myös tienvarsihaketus (n. 70%). Kantomurske valmistetaan suurimmaksi osaksi käyttöpaikkamurskauksella (n. 50%). Taulukkoon 1 on koottu eri tuotantoketjujen hyviä ja huonoja puolia Metsätehon Tuloskalvosarjasta vuodelta 2008 (Kärhä 2008). Taulukko 1. Tuotantoketjujen vahvuudet ja heikkoudet (Kärhä 2008). Palsta-haketus Tienvarsihaketus (Erillinen hakkuri & hakeauto) Vahvuudet Haketus ja metsäkuljetus samalla koneella Pienet työmaat Pienet tienvarsivarastotilat Tienvarsien siisteys Soveltuu lähes kaikkiin korjuuoloihin Pitkä kokemuspohja Kalustoa saatavilla Heikkoudet Haketus ei tehokas Vaikeakulkuiset työmaat Palstahakkurin hakesäiliö tilavuus Pitkät metsäkuljetusmatkat Epätasaiset ja heikosti kantavat varastoalueet Palstahakkureiden häiriöalttius Talviolot Hakkurin ja hakeauton kuuma ketju Hakkurin käyttöaste Tienvarsivarastotilan tarve Ahtaat ja heikosti kantavat varastoalueet Tienvarsien roskaantuminen 12
Tienvarsihaketus (Integroitu hakkurihakeauto) Terminaalihaketus Käyttöpaikkahaketus (Irtotavara) Käyttöpaikkahaketus (Paalit) Haketus- ja kaukokuljetus samalla yksiköllä Ei kuuma ketjua Haketta usealle pienelle käyttökohteelle Pienet työmaat Ei kuuma ketju Hakkeen laadunhallinta Hakkeen toimitusvarmuus Haketta usealle pienelle käyttökohteelle Pienet korjuukohteet Tehokas haketus Talviolot Ei kuuma ketju Suurtuotanto Tehokas murskaus Kustannustehokkaine lyhyillä kaukokuljetusmatkoilla Ei kuuma ketju Suurtuotanto Tehokas metsäkuljetus Pienet metsäkuljetuskustannukset Vähäinen tienvarsivarastotilan tarve Pitkät kaukokuljetusmatkat Tehokas murskaus Pienet murskauskustannukset Hakkuri-hakeauton kuljetuskapasiteetti Pitkät kaukokuljetusmatkat Kaukokuljetuskustannukset Tienvarsivarastotilan tarve Tienvarsien roskaantuminen Pitkät kuljetusmatkat terminaaliin Terminaalin perustamiskustannukset Sopivien terminaalien löytäminen Ylimääräiset käsittelykerrat Suhteellisen korkeat tuotantokustannukset Kaukokuljetuksessa kuormien energiatiheys Pitkät kaukokuljetusmatkat Kaukokuljetuskustannukset Tienvarsivarastotilan tarve Tienvarsien roskaantumine Varastokenttien tarve käyttöpaikalla Paalauskustannukset Paalinarut hidaskiertoisissa murskaimissa Paalinarut kuljettimissa 3.1.2 Metsähakkeen hinta Metsähakkeen hinnalle on saatavissa arvioita, joista tässä yhteydessä tarkastellaan VTT:n (Laitila et al. 2010) ja Metlan esittämiä kokonaishintoja (Ihalainen & Niskanen 2010). Kuviossa 4 on esitetty toimitusketjut, joille korjuukustannuslaskelmat Laitilan et al. (2010) tutkimuksessa suoritettiin. Korjuukustannuslaskelmissa on otettu huomioon korjuu, haketus, kaukokuljetus ja yleiskustannukset. Esimerkiksi korjuukustannuksissa otettiin huomioon korjuukoneiden käyttötuntikustannukset, johon lasketaan pääomakustannukset sekä muuttuvat käyttö- ja palkkakustannukset. Tarkemmat kustannuserittelyt löytyvät raportista (Laitila et al. 2010). Matalimmat korjuukustannukset käyttöpaikalla saatiin latvusmassahakkeelle; 20.7 21.4 /m 3 (45 km kaukokuljetus) ja korkeimmat nuorten metsien energiapuun korjuulle; noin 42 /m 3. Yleisesti voidaan eri metsähakelajeista todeta, että työvaiheiden lisääntyessä nousevat myös korjuukustannukset. Toinen merkittävä muuttuja korjuukustannuksissa on kaukokuljetusmatka. Yleisesti energiantuotannossa kannattavaksi metsähakkeen hankinta-alueen säde on noin 100 150 km tieverkkoa pitkin (Laitila et al. 2010). 13
Metsähakkeen hankinnan organisointi ja toiminnan ohjaus Latvusmassan kasoillehakkuu Paalaus Paalien tai latvusmassan metsäkuljetus Haketus tienvarressa Kantojen nosto ja pilkonta Kantojen metsäkuljetus Kantojen autokuljetus Latvusmassan kasoillehakkuu Kokopuun metsäkuljetus Haketus tienvarressa Kokopuun tai hakkeen autokuljetus Paalien, latvusmassan tai hakkeen autokuljetus Kantojen murskaus käyttöpaikalla tai terminaalissa Kantojen murskaus käyttöpaikalla tai terminaalissa Paalien tai latvusmassan murskaus käyttöpaikalla Hakkeen autokuljetus Hakkeen autokuljetus Metsähake käyttöpaikalle toimitettuna Kuvio 4. Metsähakkeen korjuuketjut (Laitila et al. 2010). Metsähakkeen käyttöpaikkakustannuksia eri raaka-aineesta ja erilaisilla korjuuketjuilla ovat arvioineet työssään myös Ihalainen ja Niskanen (2010). Kuitupuusta perinteisellä korjuuketjulla tuotetun metsähakkeen käyttöpaikkahinnaksi muodostui 43 45 /m 3. Kaukokuljetusmatkan ollessa 50 km. Kantomurskeen tuotantoketjussa kantojen kaukokuljetus käyttöpaikalle ja haketuksen suorittaminen käyttöpaikalla johtivat kokonaiskustannukseen 31.6 /m 3. Halvin metsähakkeen raaka-aine tutkimuksen mukaan on latvusmassa. Eri ketjuilla käyttöpaikkahinnaksi muodostui noin 21 26 /m 3. 3.2 Sahateollisuuden sivutuotteet Sahateollisuudessa, syntyy paljon sivutuotteita. Noin 50% sisään tulevasta raaka-aineesta joutuu sivutuotteisiin (kuori, hake ja sahanpuru) (kuvio 5). Hake menee yleensä selluteollisuuden raaka-aineeksi, mutta selluteollisuuden väheneminen aiheuttaa uusien käyttökohteiden suunnittelun. Kuori poltetaan usein sahalla olevassa voimalaitoksella, riippuen sahan koosta. 14
Tukki Sahaus Särmäys Latvakatkaisu Dimensiolajittelu Lajittelu Kuorinta Pelkkahakkuri Haketus Rimoitus Kuivaus Kuivaus Lajittelu Purku, tasaus, lajittelu Kuori Puru Hake Leimaus, pakkaus Sahatuote Kuvio 5. Sivutuotteiden syntyminen sahalla (Karhunen 2010). 3.3 Maatalouden sivutuotteiden hankinta Tässä yhteydessä maatalouden tai energiakasvien tuotantoon ja jalostamiseen ei kiinnitetä suurempaa huomiota. Tämän hetkiset peltoenergiapotentiaalit ovat varsin pienet, eikä tulevaisuuden kehityssuunnasta ole olemassa varmuutta. 3.4 Turpeen hankinta Vaikka WP2:ssa todettiin turpeen olevan varsin potentiaalinen raaka-aine esimerkiksi turvekoksin tuotannon tai kaasutukseen raaka-aineeksi, jätetään siihen liittyvä tarkastelu tässä yhteydessä tekemättä. Pääsyynä on turpeen negatiivinen status ja se, että turpeen käytöstä syntyviä hiilidioksidipäästöjä ei tulkita hiilidioksidivapaiksi. Turpeella on merkittävä rooli suomalaisessa energiantuotannossa eikä tulevaisuuden energiapolitiikan muutoksia voida tässä vaiheessa ennustaa. Mikäli esimerkiksi hiilen talteenotosta tulee teknisesti ja taloudellisesti mahdollista, voitaisiin turvetta ajatella myös terästeollisuuden raaka-aineeksi. Turvesoiden luvitus on tullut entistä vaikeammaksi, joka tarkoittaa pienentyvää potentiaalia tulevaisuudessa. Turpeen nosto on myös hyvin altis kesän sääoloille. Sateisina tai liian kuivina kesinä turvetta ei saada riittävästi nostettua. 3.5 Jätepuun/kierrätyspuun hankinta Kierrätyspuuta syntyy esimerkiksi pakkauksista ja rakennuksilta. Energiantuotannossa kierrätyspolttoaineet luokitellaan jätteeksi, jolloin niiden polttamisessa sovelletaan jätteenpolttoasetusta 362/2003 (Valtioneuvoston asetus jätteen polttamisesta 2003). Puuperäinen kierrätyspuu voisi myös soveltua esimerkiksi puuhiilen raaka-aineeksi. Suomessa on 15
kierrätyspolttoaineen käsittelyyn erikoistuneita yrityksiä, jotka voisivat toimittaa polttoainetta tiettyyn käyttöön. Eri kierrätyspolttoaineiden ominaisuuksia on käsitelty WP2.1-raportissa. 3.6 Muovi raaka-aineena Vaikka muovi ei olekaan biomassa, olisi sen käyttö terästeollisuudessa pelkistimenä perusteltua. Ensinnäkin toisiomateriaalina sen käyttö edistäisi suljettujen systeemien muodostamista yhteiskunnassa. Toiseksi sen päästökerroin on pienempi (74.1 kg CO 2 /GJ) kuin esimerkiksi bitumisen kivihiilen (94.6 kg CO 2 /GJ) tai koksin (108 kg CO 2 /GJ) (Tilastokeskus). Useimmat muovilajit olisivat varsin hyviä raaka-aineita masuuniin pelkistystarkoituksiin kemialliselta koostumukseltaan. Haittapuolena on tämän hetkinen kierrätysaste ja hajallaan oleva raaka-ainepohja. Esimerkiksi Ruukin masuuniprosessin kannalta muoviöljyn tuottaminen ja injektointi voisi olla varteenotettavin vaihtoehto. Tässä raportissa muovin pyrolyysia tarkastellaan kappaleessa 6. Muoveja ei teollisessa mittakaavassa ainakaan Suomessa pyrolysoida, mutta esimerkiksi käytettyjen autonrenkaiden pyrolysointi aiotaan viedä tuotantoon (Punkkinen et al. 2011). 3.7 Biomassan haketus ja jauhatus Ennen biomassan termokemiallista käsittelyä (pyrolyysi tai kaasutus), se tulee hienontaa sopivaan fraktioon. Kirjallisuudessa on todettu, että nopeassa pyrolyysissa biomassan tulee olla hyvin hienojakoisena fraktiona (jopa 1 2 mm), jotta nopea partikkelin lämmitysnopeus (1000 10 000 K/s) olisi mahdollista (Zhang et al. 2007). Tämä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi puuraaka-aine on ensin haketettava ja edelleen jauhettava pienemmäksi fraktioksi. Hitaassa pyrolyysissa kappalekoko vaihtelee käytettävän teknologian mukaan suuresta pölkkykoosta aina hakekokoon. Todennäköisesti hitaaseen pyrolyysiin riittää haketettu raaka-aine. Kaasutuksessa vaaditaan myös hyvin pientä partikkelikokoa ja haketuksen lisäksi tarvitaan myös jauhatusta. 3.7.1 Biomassan haketus ja murskaus Kuten jo kappaleessa 3.1 todettiin, voi puun korjuuketjussa haketus sijaita ketjussa hyvin monessa kohtaa. Hyvin suuri osa (n. 75%) Suomessa tapahtuvasta energiapuun haketuksesta tapahtuu jossain kohtaa ketjua ennen hakkeen päätymistä energialaitokselle. Suurin osa haketuslaitteista on liikuteltavia ja Suomessa onkin tällä hetkellä käytössä alle kymmenen kiinteää haketusasemaa. Hakkureilla tuotetun hakkeen palakoko on 5 60 mm välillä. Biomassan pienentämiseen on olemassa erilaisia teknologioita (taulukko 2) (Naimi et al. 2006). Hakkureilla saadaan aikaiseksi teräväreunaisia hakepartikkeleita, kun taas murskaimilla nimensä mukaisesti pirstotaan puun rakenne. Murskaimilla tuotettu jae on palakooltaan hajanaisempi ja tuottaa myös suuren määrän tikkuja. Murskaimilla tuotettu jae ei todennäköisesti ole optimaalinen termokemiallisiin prosesseihin. 16
Taulukko 2. Erilaisten puubiomassojen palakoon pienentämiseen käytettävien laitteiden toimintaperiaatteet (Naimi et al. 2006). Kalusto Pienennyslaite Nopeus Raaka-aine Laikkahakkuri Liikkuvat veitset Korkea Rumpuhakkuri Liikkuvat veitset Korkea Vasaramurskain (pyörivä) Vasaramurskain (paikallaan oleva) Veitsimurskain Heilahtavat vasarat Paikallaan olevat vasarat Puoli-terävät vasarat Kohtuullinen Kohtuullinen Kokopuu (ranka), Puhdas metsäjäte Kokopuu (ranka), Puhdas metsäjäte Jätepuu Kannot Jätepuu Kannot Herkkyys epäpuhtauksille Korkea Korkea Matala Matala Tuotetun partikkelin geometria Kulmikas/ kaksipuolinen Kulmikas/ kaksipuolinen Karkea/ monipintainen Karkea/ monipintainen Kohtuullinen Kohtuullinen Karkeahko Liikuteltavien hakkureiden tuotantokapasiteetit ovat luokkaa 50 80 m 3 /h. Suurien kiinteiden murskain- ja haketusasemien kapasiteetti voi olla 80 200 m 3 /h. Yksi suurimmista haketusasemista on Rovaniemelle mahdollisesti rakennettavan Mustikkamaan bioenergialaitoksen yhteydessä. Tällä hetkellä haketusasemalla voidaan tuottaa yhdellä hakkurilinjalla noin 300 i-m 3 /h (n. 120 m 3 /h) puuhaketta vuodessa suunnittelukapasiteetin ollessa 450 i-m 3 /h (Impola 2011). Tulevaisuudessa hakkeen tuotanto tulee moninkertaistumaan, mikäli bioenergialaitoksen investointi saadaan toteutettua. Käytössä on Heinolan Sahakoneen rumpuhakkuri, jonka kustannusarvio erään lähteen mukaan kuljettimineen oli noin 3 miljoonaa euroa (Anonyymi 2011). 3.7.2 Biomassan, välituotteen ja lopputuotteen jauhatus Monet termokemialliset prosessit tarvitsevat tasalaatuisen materiaalivirran, jotta pyrolyysi- tai kaasutusprosessi toimii hyvin. Metsähakkeen palakoko on yleisesti noin 5 60 mm, ja hajonta on varsin suuri. Biomassaa tulee jauhaa tasaisen, riittävän pienen palakoon saavuttamiseksi, esimerkiksi nopean pyrolyysin tai kaasutuksen syötteeksi. Biomassan jauhatus on varsin energiaintensiivistä ja vaatii tehokkaita myllyjä. Tasaisen fraktion saavuttamiseksi tarvitaan myös seulajärjestelmä. Vasaramylly on yksi käytetyistä jauhimista, joilla biomassaa voidaan hienontaa. Kapasiteetista riippuen vasaramyllyjen hinnat vaihtelevat. Suuren mittakaavan vasaramyllyn (2000 tonnia maissijätettä päivässä, 87 t/h) hinnaksi on vuonna 2010 USA:ssa saatu 302 200 $ ilman asennuksia. Asennettuna hinnaksi on saatu 912 644 $ (Wright et al. 2010). VTT: n raportissa 100 000 tonnin pellettilaitokselle on saatu vasaramyllyn investointikustannukseksi 494 000 dollaria perustuen Eurooppalaisiin ja Pohjoismaisiin pellettilaitoksiin (Wiik et al. 2009). Pirraglia et al. (2010) ovat esittäneet vasaramyllyn (kapasiteetti 5 t/h) investointikustannukseksi asennuksineen 133 000 U.S. dollaria. 3.8 Biomassan kuivaus Ennen termokemiallista prosessointia, biomassaa kuivataan, riippuen prosessista noin 10 20% kosteuteen. Kuivaamisella saadaan parannettua termokemiallisen prosessoinnin tehokkuutta ja samalla voidaan parantaa 17
tuotteiden laadullista koostumusta. Kuivaus on teollisessa tuotannossa varsin energiaintensiivinen esikäsittelyprosessi. Kuivaukseen voidaan hyödyntää monenlaisia lämmönlähteitä. Teollisuuden savukaasut ovat hyvä lämmönlähde, mikäli niitä ei hyödynnetä millään muulla tavalla. Usein savukaasuja kuitenkin hyödynnetään, ainakin suurissa laitoksissa. Ne ovat usein korkealämpötilaisia 200 450 o C, jolloin niihin on sitoutuneena varin merkittävästi energiaa. Biomassan kuivauksessa savukaasut johdetaan systeemiin (kuvio 6), jolloin ne haihduttavat biomassassa olevan kosteuden. Kosteus siirtyy biomassasta kaasuun, nostaen sen kosteuspitoisuutta ja laskien lämpötilaa (Li et al. 2012). Savukaasut Biomassa Kuivuri Kostunut savukaasu Kuiva biomassa Kuvio 6. Savukaasujen käyttäminen lämmönlähteenä biomassan kuivauksessa (Li et al. 2012). Tulistettua höyryä voidaan myös käyttää biomassan kuivaamisessa. Mikäli tarjolla on kuumaa vettä (kaukolämpö), voidaan sitä käyttää hyväksi biomassan kuivatukseen. Savukaasuja voidaan käyttää tulistetun höyryn valmistukseen, joka johdetaan kosketuksiin biomassapartikkelien kanssa (kuvio 7). (Li et al. 2012) Kierrätetty höyry 90 o C vesi Esilämmitin Höyry Kuivuri Kylläinen höyry Kuiva biomassa Savukaasu Biomassa Kuvio 7. Tulistetun ja paineistetun höyryn käyttö biomassan kuivauksessa (Li et al. 2012). Kuivausteknologioita on hyvin erilaisia ja niiden kuivaamiskapasiteetit vaihtelevat suuresti. Varsin matalalämpötilaisia energialähteitä (40 60 o C) voidaan hyödyntää biomassan kuivauksessa. Taulukossa 3 on esitetty erilaisten biomassan kuivaamiseen soveltuvien kuivainten tietoja (Fagernäs et al. 2010). Kuivurin valinta riippuu varsin paljon siitä, millainen mahdollisuus on liittää kuivaus osaksi olemassa olevaa energiaverkkoa. Yleisimmät käytössä olevat biomassan kuivurit teollisuudessa ovat savukaasuja hyötykäyttäviä, jotka toimivat ilmakehän paineessa ja joissa savukaasut ovat suorassa kontaktissa biomassan kanssa. Lämpötila on korkea, joka johtaa orgaanisten komponenttien irtoamisen ja kulkeutumisen kaasujen mukana (Fagernäs et al. 2010). 18
Taulukko 3. Biomassan kuivaukseen tarkoitettuja kuivaimia (Fagernäs et al. 2010). Kuivain Syöte Syötemäärä, t/h (kuiva-aine) Kosteus sisään, m-% Kosteus ulos, m- % Kuivauksen väliaine Lämmityksen väliaine Haihdutuskapasit eetti, t/h H 2 O Haihduttamiseen tarvittava energia, MJ/kg H 2 O a matalapaineinen b korkeapaineinen Sahajauho, puunlastut, puuhake Sahajauho, puuhake, kuori Sahajauho, puun käsittelyn sivutuotteet Paineistettu leijupetikuivain Puuhake 8 9 6 7 5 6 9 25 Pneumaattinen höyrykuivain Sahajauho, kuori, metsähake 50 60 50 60 50 60 50 60 50 60 10 15 10 15 10 15 10 15 10 15 Ilma, savukaasu (90 120 o C) Ilma, savukaasu (250 400 o C) Kuuma ilma Savukaasu Höyry (ympäristön paine) Korkeapainehöy ry b (0.6 1 MPa) Nauhakuivain Rumpukuivain Höyryrumpukuivain Kierrätetty matalapaineine n höyry a (0.3 0.4 MPa) Korkeapainehöyry b (2.6 MPa) 10 7 8 6 7 5 40 25 4 5 4 5 3 4 0.8 1 (energian talteenotto) Kierrätetty matalapaineine n höyry a (0.3 0.4 MPa) Korkeapainehöyry b (0.7 2.6 MPa) 2-3 0.5 0.7 (energian talteenotto) 3.8.1 Nauhakuivain Nauhakuivaimet ovat prosessiteollisuudessa yleisesti käytettyjä kuivaimia. Yleisin käytössä oleva konstruktio on normaali-ilmanpaineessa toimiva hihnakuljetin. Kuivausväliaine puhalletaan kuivattavan väliaineen lävitse, joka on ohuena kerroksena hihnan päällä. Kaasuvirtaus voi olla joko ylhäältä tai alhaalta. Hihnakuljettimia on erilaisia; yhden moduulin sisällä voi olla yksi hihna tai useampia hihnoja päällekkäin, jolloin ylemmällä hihnalla kuivattu biomassa putoaa seuraavalla tasolla olevalle hihnalle. Kuivaukseen käytetään yleensä ilmaa tai savukaasuja, jotka johdetaan kuivattavan materiaalin läpi käyttämällä puhaltimia. Kuumaa vettä tai matalapaineista höyryä käytetään lämmittämään kuivausilma. Hihnakuivaimet ovat varsin helppoja kontrolloitavia ja matalan biomassakerroksen johdosta hihnalla (2 15 cm) kuivauksessa saavutetaan tasainen tulos. Korkein suositeltu kuivausilman lämpötila hihnakuivaimelle on 90 120 o C. (Fagernäs et al. 2010) 3.8.2 Pyörivä rumpukuivain Suorakontaktinen rumpukuivain on käytetyin kuivaintyyppi bioenergiantuotantolaitoksissa. Rumpu, jonka läpi biomassa kulkee, on hieman kallistettu. Rummun halkaisija voi olla alle metristä yli kuusi metrisiin konstruktioihin. Kuivauksen väliaineena voidaan käyttää kuumennettua ilmaa 19
tai savukaasuja ja ne voivat kulkea samaan tai vastakkaiseen suuntaan biomassan kanssa. Yleensä käytetään samansuuntaista virtausta. Samansuuntaisella virtauksella tarvitaan varsin suuria kaasuvirtauksia. Käytettäessä savukaasuja, niiden lämpötilat ovat yleensä 250 400 o C. Rumpukuivauksen yhteyteen tarvitaan kaasunpuhdistuslaitteisto. (Fagernäs et al. 2010) 3.9 Puuhiilen briketöinti Yksi biomassaperäisen pelkistintuotannon liittyvistä haasteista on logistiikka. Mikäli tuotanto on keskitettyä, nousevat biomassan kuljetuskustannukset korkeiksi. Energiapuun kuljetuksessa, oli se sitten paaleina tai valmiiksi haketettuna, päästään parhaimmillaankin varsin alhaiseen energiatiheyteen. Hajautetussa tuotannossa esimerkiksi puuhiiltä tuotettaisiin useammassa kohteessa ja valmis tuote kuljetettaisiin käyttökohteeseen. Puuhiili on varsin kevyttä ainetta, johtuen sen suuresta huokoisuudesta. Puuhiilen irtotiheys on yleensä alle 250 kg/m 3 (Ranta 1994) ja se on myös pölyävää. Miiluissa, kuilu-uuneissa, vaunu-uuneissa ja retorteissa valmistetaan puuhiiltä, jossa puuaines on varsin suurina kappaleina. Esimerkiksi Lambiotten jatkuvatoimisessa kuilu-uunissa puun kappalekoko on 10 30 cm ja panostyyppisissä hiiletysreaktoreissa suurempi. Vaikka hiiletettäisiin suuria kappalekokoja, syntyy aina hienoainesta (10 20%), jota ei pyrolyysi systeemissä lämpötalouden kannalta tarvita (Ranta 1994). Mikäli hiiletetään haketta esimerkiksi rumpu-uunissa, on hienoaineksen määrä vielä suurempi. Hienoaines voidaan briketoida, jolloin se voidaan kuljettaa käyttökohteeseen. Puuhiilen briketointi vaatii sideaineen ja veden lisäyksen. Briketointitehtaalla puuhiili jauhetaan sopivaan fraktioon ja siihen lisätään sideaine ja vesi. Tämän jälkeen seos puristetaan esimerkiksi valssipuristimella ja kuivataan. Briketointitulokseen vaikuttavat mm. seuraavat seikat (Ranta 1994): - Hiilen hiukkaskoko - Käytettävä puristuspaine - Käytettävä sideaine - Alkuperäisen materiaalin tiheys Briketoinnissa käytettävä puristuspaine on 15 25 MPa. Sideaineena briketoinnissa voidaan käyttää mm. kasvitärkkelys, (riisi-, maissi-, vehnä-, peruna-, kassavatärkkelys), erilaisia latekseja, melassia, tervaa, jne. Tyypillisesti briketointiseokseen laitetaan 73% hiiltä, 4% tärkkelystä ja 23% vettä. (Ranta 1994) Briketointilaitokset ovat suhteellisen kalliita ja tulisivat näin ollen lisäämään puuhiilen valmistuksen kustannuksia. Todennäköistä kuitenkin on, että kuljetusetäisyyden kasvaessa, löytyy raja-arvo, jolla puuhiilen briketointi voisi olla varteenotettava vaihtoehto. Briketeiltä vaadittavat lujuusarvot riippuvat siitä, miten niitä kohdeprosessissa tultaisiin käyttämään. Masuuniprosessissa vaaditaan ylhäältä panostettavilta materiaaleilta suurta lujuutta, jotta ne eivät hajoa jo kuilun yläosassa. Mikäli materiaali hajoaa liian aikaisin, voi syntyä pölyjä, jotka tukkivat pölynpoistolaitteet. Tämän lisäksi pöly voi hankaloittaa 20
kaasuvirtausten kulkua materiaalipatjan läpi. Puuhiilibrikettejä voitaisiin käyttää pulverisoidun kivihiilen tapaan eli injektoida ne masuuniin hormitasolta. Puuhiilibrikettien injektointi ei sellaisenaan onnistu, vaan ne täytyisi jauhaa pienemmiksi partikkeleiksi pulverisoidun kivihiilen tapaan. Pulverisoidun kivihiilen kokojakaumasta yleensä 60% on alle 75 µm, johon myös puuhiili tulisi jauhaa (Geerdes et al. 2009). Valittaessa sideainetta puuhiilibrikettien valmistukseen, täytyy pitää mielessä, että masuuniin ei saisi injektoida sellaisia aineita, jotka heikentävät sen toimintaa tavalla tai toisella. Haitallisia aineita, joita ei haluta masuuniin, on käsitelty raportissa WP 0. 21
4. KIINTEÄN PELKISTIMEN TUOTANTO Hidas pyrolyysi on todennäköisesti soveltuvin prosessointitapa kiinteän pelkistimen tuottamiseen biomassasta. Hitaalla pyrolyysilla päästään korkeampaan kiinteän lopputuotteen saantoon verrattuna esimerkiksi nopeaan pyrolyysiin tai kaasutukseen. Kiinteän lopputuotteen laatu on myös parempi. Puuhiilen tuotantoteknologioita käsitellään tarkemmin luvussa 5 (Puuhiilen tuotantoteknologiat), mutta yleinen prosessikaavio puuhiilen tuotannosta voisi olla kuviossa 8 esitetyn kaltainen. Biomassa (Puu) Haketus Savukaasut Kuivaus Prosessilämpö Kuiva biomassa Pyrolyysi Lämmönvaihto Synteesikaasu Höyry Poltto Vesi Kaasuturbiini Höyry Höyryturbiini Sähkö, lämpö Savukaasujen modifiointi Matalapainehöyry Savukaasut Öljyn erotus Jäähdytys Puuhiili Sideaine Puuhiilipöly Jauhatus Briketointi Synteesikaasu Pyrolyysiöljy Puuhiilibriketit Kuvio 8. Puuhiilen tuotannon prosessikaavio. Puuhiilen tuotannon sivutuotteet, synteesikaasu ja pyrolyysiöljy (terva) sisältävät kemiallista energiaa, joka voidaan hyödyntää puuhiilen tuotannossa tai jossakin muussa sovelluksessa. Pyrolyysissa syntyvä synteesikaasu voidaan myös pitää kaasumaisessa muodossa, jolloin ei tarvita prosessilaitteita nesteen kondensoimiseksi. Jotta synteesikaasusta ei ala kondensoitua nestettä, tulee lämpötila pitää riittävän korkealla (600 700 o C). Synteesikaasu täytyy polttaa hyvin lähellä pyrolyysireaktoria nesteytymisen estämiseksi. Riippuen puuhiilen tuotannon laajuudesta, voidaan synteesikaasun poltossa syntyvä lämpöenergia ottaa talteen eri tavoilla. Esimerkiksi 70- ja 80-luvuilla Peräseinäjoella toimineessa suuren mittakaavan turvekoksin tuotantolaitoksessa (30 000 t kapasiteetti) pyrolyysissa syntyneet kaasut poltettiin jälkipolttimella ja johdettiin jätelämpökattilaan, jossa tuotettiin tulistettua höyryä, joka edelleen johdettiin voimalaitoksen turbiinille. Osa pyrolyysikaasuista käytettiin turpeen kuivaamiseen. Sähköä tuotettiin vuodessa noin 50 000 MWh. (Brandt et al. 1986) Pyrolyysissa tarvitaan energiaa biomassan lämpötilan nostamiseksi ja hiilettämiseksi. Lämpö voidaan tuottaa pyrolyysiprosessiin useammalla tavalla: polttamalla osa syötteestä, ulkoisesti johtamalla lämpö pyrolyysireaktorin vaipan läpi tai kierrättämällä prosessissa syntyviä kaasuja. 22
Puuhiilen tuotanto hitaalla pyrolyysilla voidaan lukea niin sanotusti vanhaksi teknologiaksi. Biomassan konversioteknologioista nopea pyrolyysi nestemäisen jakeen tuottamiseksi ja kaasutus synteesikaasun valmistamiseksi ovat olleet laajemman tutkimuksen kohteena viime aikoina. Kiinnostus kiinteän jakeen tuottamiseksi biomassasta on myös kasvanut. Tutkimuksessa ja myös kaupallisissa sovelluksissa pyritään etsimään optimaalisia prosessointiolosuhteita, joilla biomassan energiatiheyttä saadaan kasvatettua hyvällä saannolla. Kiinnostus on lisääntynyt puuhiilen (biohiilen) käyttöä kohtaan energiantuotannossa, metallien tuotannossa ja myös maanparannusaineen sovelluskohteissa. Nykyteknologioiden avulla konversioprosesseista saadaan energiatehokkaita ja sivutuotteet voidaan hyödyntää tarkoin. Biomassaa kuumentamalla eri lämpötiloihin saadaan ominaisuuksiltaan erilaisia lopputuotteita. Lämpötilan noustessa biomassan eri komponentit reagoivat joko endotermisesti tai eksotermisesti. Puun lämmityksen ensivaiheessa poistuvat vesi ja haihtuvat aineet. Lämpötilan noustessa yli 270 280 o C:n reaktiot muuttuvat eksotermisiksi ja puusta poistuu lopulta kaikki haihtuvat aineet jättäen jäljelle kiinteän hiilen ja tuhkan. Lämpötilojen ollessa 250 270 o C, puhutaan puun torrefioinnista eli paahtamisesta. Ylitettäessä 280 o C:n lämpötila, puhutaan pyrolyysista eli puun hiiletyksestä. 4.1 Biohiili (torrefioitu puu) Biomassan kevyellä pyrolyysilla eli torrefioinnilla pyritään kasvattamaan biomassan lämpöarvoa. Torrefioitua biomassa kutsutaan yleisesti biohiileksi, vaikka suomalainen yritys Preseco on hankkinut biohiilelle tavaramerkin. Presecon tuottama biohiili tuotetaan kuitenkin hyvin korkeissa lämpötiloissa (jopa 800 o C) eli kyseessä ei ole torrefiointiprosessi, vaan hyvin pitkälle viety pyrolyysi. Puun torrefiointi etenee samoin kuin pyrolyysi lämpötilan noustessa, mutta jätetään viemättä eksotermiselle alueelle. Biomassan torrefioinnissa on erotettavissa seuraavat vaiheet (Ranta 1994): - 100 200 o C, vesi höyrystyy ja poistuu puusta - 200 270 o C, puun sisältämä hemiselluloosa kaasuuntuu ja kemiallisissa sidoksissa ollut vesi sekä osa helpoiten haihtuvista aineista vapautuu. - Yli 270 o C, reaktioista tulee eksotermisia ja kaikki haihtuvat aineet poistuvat materiaalista. Täydellinen haihtuvien poistuminen vaatii korkeaa lämpötilaa tai pitkää hiiletysaikaa Torrefiointia käytetään esikäsittelyprosessina, jossa siitä poistetaan kosteus ja pieni osa haihtuvista aineista. Torrefioinnissa biomassalle ominaisen sitkeys ja kuitumainen rakenne häviävät. Torrefioinnin läpikäynyt biomassa on helpompi jauhaa, polttaa ja kaasuttaa. (Bergman & Kiel 2005) Kuviossa 9 on esitetty tyypillinen torrefioinnin massatase. Tyypillisesti noin 70% sisään menevästä massasta on ulostulevassa torrefioidussa biomassassa. Torrefioitu biomassa sisältää noin 90% biomassan alkuperäisestä energiasta. Torrefioinnissa noin 30% massasta menetetään kaasuihin, mutta energian määrä, joka menetetään, on ainoastaan 10%. (Bergman 2005) Näin 23
ollen torrefioinnissa ei menetetä kemiallista energiaa kaasuihin, joka esimerkiksi pyrolyysissa on tapaus. Sivutuotteet 0.3M 0.1E Biomassa Torrefiointi 250-300 o C Torrefioitu biomassa 1M 1E 0.7M 0.9E Kuvio 9. Tyypillinen massa- ja energiatase torrefiointiprosessille (Bergman 2005). Lämpötilan nostaminen endotermiselta alueelta 300 o C:een pienentää biohiilen massasaantoa huomattavasti. Tällöin haihtuvien aineiden kaasuuntuminen kiihtyy. Massan nopea pieneneminen johtuu hemiselluloosan ja lyhyiden ligniiniketjujen termisestä hajoamisesta (Phanphanich ja Mani 2011). Prins et al. (2006) mukaan torrefiointilämpötilan nosto 250 o C: sta 300 o C:een pienentää massasaannon pajun torrefioinnissa 87%:sta 67%:iin, vaikka viipymäaika reaktorissa pienentyy 30 minuutista 10 minuuttiin. Energian saanto ei kuitenkaan pienene samassa suhteessa. Biomassan (alempi lämpöarvo) ja lämmön sisään tuomasta energiasta menee ensimmäisessä tapauksessa 95% kiinteään tuotteeseen, kun lämpötilan noustessa biohiileen menee 79% energiasta. Torrefioitu biomassa on luonteeltaan hydrofobinen eli se ei ime itseensä vettä. Torrefioinnissa biomassan massatiheys irtonaisena pienenee varsin paljon kosteuden poistuessa. Torrefioidun biomassan irtotiheys on ainoastaan 230 kg/m 3, jolloin tulee järkeväksi pelletoida biohiili tiheämmäksi. Torrefioidun ja pelletoidun biomassan irtotiheydeksi saadaan jopa 850 kg/m 3, jolloin myös sen energiatiheys nousee arvosta 4.6 GJ/m 3 aina 18.4 GJ/m 3. Taulukossa 4 on esitetty, miten puun, torrefioidun biomassan, puupellettien ja torrefioidusta biomassasta valmistettujen pellettien ominaisuudet eroavat toisistaan. Taulukko 4. Puun, torrefioidun puun, puupellettien ja torrefioitujen pellettien ominaisuudet (Bergman 2005). Yksikkö Puu Torrefioitu biomassa Puu pelletit Torrefioidut pelletit Kosteus massa-% 35 3 7 1 Lämpöarvo (LHV) vastaanotettuna MJ/kg 10.5 19.9 16.2 21.6 kuiva MJ/kg 17.7 20.4 17.7 22.7 Massatiheys (irto) kg/m 3 550 230 650 850 Energiatiheys (irto) GJ/m 3 5.8 4.6 10.5 18.4 Pelletin lujuus hyvä erittäin hyvä Pölyn muodostus kohtuullinen korkea rajallinen rajallinen Hygroskooppisuus imee vettä hydrofobinen turpoaa/imee vettä ei turpoa helposti/hydrofobin en 24
Biologinen mahdollinen mahdoton mahdollinen mahdoton hajoaminen Käsiteltävyys normaali normaali hyvä hyvä Torrefioinnissa biomassan kiinteän hiilen osuus kasvaa jonkin verran. Tämä tarkoittaa sitä, että torrefioinnin aikana osa biomassan vedestä, joka on kemiallisesti sitoutunut siihen, poistuu samoin kuin pieni osa haihtuvista aineista. Phanphaniach ja Mani (2011) tutkivat kokeellisesti panosreaktorissa, miten torrefiointilämpötila vaikuttaa männyn ja metsähakkeen kemiallisiin ominaisuuksiin. Kokeessa käytetty panos oli 1 1.5 kiloa ja kokeen aikana typpivirta johdettiin reaktoriin, jotta vältyttäisiin hapettumiselta ja biomassan syttymiseltä. Lämmitysnopeus oli 10 o C/min ja käytetty paine oli ilmanpaine. Näytteitä pidettiin halutussa loppulämpötilassa 30 minuuttia samalla ottaen talteen kaasumaiset komponentit ja jäähdyttämällä niistä kondensoituvat yhdisteet jäähauteella (taulukko 5). Taulukko 5. Torrefioitujen puu- ja metsähakkeidenhakkeiden sekä bitumisen kivihiilen ominaisuudet (Phanphanich & Mani 2011). Biomassa Kosteus (% m) Likimääräinen analyysi Alkuaineanalyysi Lämpöarvo Haihtuvat (% k) Tuhka (% k) Kiinteä C (% k) C (% k) H (% k) N (% k) O (% k) HHV (MJ/kg) Mäntyhake 6.69 85.98 0.27 13.76 47.21 6.64 0.17 45.76 18.46 (PC) TPC-225 o C 3.30 84.78 0.27 14.95 49.47 6.07 0.15 44.03 19.48 TPC-250 o C 2.88 82.52 0.25 17.24 51.46 5.86 0.14 42.02 20.08 TPC-275 o C 2.46 76.40 0.35 23.26 54.91 6.20 0.20 38.17 21.82 TPC-300 o C 2.57 58.72 0.43 40.85 63.67 5.58 0.20 29.99 25.38 Metsähake 7.94 82.17 1.77 16.07 47.29 6.20 0.42 45.19 18.79 (LR) TLR-225 o C 3.11 80.75 1.37 17.90 50.15 6.10 0.30 42.74 19.79 TLR-250 o C 2.66 78.16 1.49 20.37 54.91 5.87 0.31 40.96 21.21 TLR-275 o C 2.64 71.44 1.88 26.69 53.24 5.39 0.30 40.12 22.03 TLR-300 o C 2.36 52.92 2.32 44.76 66.07 4.92 0.48 27.34 26.41 Bituminen 1.57 36.58 6.52 56.91 77.63 6.30 2.00 9.16 27.72 kivihiili k=kuiva-aine, m=märkä Ajateltaessa torrefioitua biomassaa masuunin pelkistinaineena törmätään ongelmiin biohiilien osalta korkean happipitoisuuden ja alhaisen lämpöarvon takia. Torrefioitua biomassaa voitaisiin kuitenkin olla lisäämässä osaksi injektoitavaa kivihiiltä, jolloin voitaisiin saada riittävän lämpöarvon omaava hiiliseos injektoitavaksi masuunin hormeilta. Injektoitaessa masuuniin apupolttoaineitta, tarvitaan sen palamiseen happea, jota torrefioitu puu sisältää jo valmiiksi. Näin ollen injektoitavan happirikastetun ilman injektointimäärä voisi olla pienempi kuin pelkällä kivihiili-injektiolla. 4.2 Puuhiili (pyrolyysi) Puuhiilen tuotannossa käytetään korkeampia lämpötiloja kuin torrefiointiprosessissa. Kun biohiilen tuotannossa eli torrefioinnissa jäädään yleensä alle 300 o C lämpötilaan, jatketaan lämpötilan nostoa puuhiilen 25
tuotannossa, loppulämpötilan valinnan riippuessa lopputuotteelle asetetuista vaatimuksista: Nostettaessa lämpötilaa, seuraavia ilmiöitä tapahtuu biomassassa (Ranta 1994): - 270 350 o C, reaktiot muuttuvat eksotermisiksi. Prosessi tuottaa siis itse lämpöä. Lämmitystä voidaan vähentää, jotta hajoamisreaktiot eivät olisi liian nopeita, heikentäen kiinteän lopputuotteen saantoa. Pääasiassa hajoavat selluloosa- ja ligniiniketjut. Hiilen oksidien määrä vähenee ja hiilivetyjen, etenkin metaanin määrä kaasussa kasvaa. Myös vetyä alkaa syntyä. Kaasun lämpöarvo kasvaa. - 350 o C, eksotermiset reaktiot päättyvät noin 350 o C lämpötilassa, jonka jälkeen systeemiin pitää tuoda ulkopuolista lämpöä. Suurin osa haihtuvista aineista on poistunut puusta. Riippuen lopputuotteelle asetetuista vaatimuksista lämmitystä jatketaan haluttuun lämpötilaan (400 900 o C). Tarkan kuvauksen hitaan pyrolyysin eri vaiheissa analysoiduista kaasuista on esittänyt Briane ja Doat vuonna 1985, jonka uudelleen on esittänyt Makelä (2000) (taulukko 6). Taulukosta voidaan havaita, miten kemialliset komponentit erottuvat biomassasta lämpötilaa nostettaessa. Taulukko 6. Hitaan pyrolyysin vaiheet (Briane & Doat 1985), Mäkelän (2000) mukaan. Hiillon vaihe Veden haihtuminen Happipitoisia kaasuja Hiilivetyvaiheen alku Hiilivety vaihe Hajoamisvaihe Vetyvaihe Lämpötila o C 150-200 200-280 280-380 380-500 500-700 700-900 Puuhiilen hiilipitoisuus 50-60 60-70 70-78 78-85 85-90 90-95 (%) Kondensoitumattoman kaasun koostumus (til- %) CO 2 68.0 66.5 35.5 31.5 12.2 0.5 CO 30.0 30.0 20.5 12.3 24.6 9.7 H 2 0.0 0.2 6.5 7.5 42.7 80.9 Hiilivedyt 2.0 3.3 37.5 48.7 20.5 8.9 Kaasun lämpöarvo (MJ/m 3 ) 4.6 5.06 16.14 20 15.2 13.2 Kondensoituvat yhdisteet vesi Vesi + etikkahap po Etikkahappo + metanoli + kevyt terva Paljon raskaita tervoja Terva + parafiini Vähän kondensoitu via Kaasun määrä hyvin pieni pieni suuri suuri pieni Hyvin pieni Kuviossa 10 on esitetty vastaavanlainen massa- ja energiatasejakauma hitaalle pyrolyysille kuin esitettiin kuviossa 9 torrefioinnille. Tarkemmin pyrolyysin massa- ja energiataseisiin paneudutaan osioissa 5.5 ja 5.6. Tyypillinen, modernilla tuotantoteknologialla tuotetun puuhiilen massasaanto on noin 30 35% kuivasta puusta (esim. Reumerman & Frederiks 2002). Muille biomassoille massa- ja energiasaannot vaihtelevat huomattavastikin. 26
Saanto (massa-%) Puuhiilen C-pit (%) Sivutuotteet, häviöt 0.7M 0.5E Biomassa Pyrolyysi 400-600 o C Puuhiili 1M 1E 0.3M 0.5E Kuvio 10. Tyypillinen massa- ja energiatase hidaspyrolyysiprosessille. Biomassan mukana sisään tulevasta kemiallisesta energiasta noin 50 60% poistuu puuhiileen mukana, loppuosan poistuessa sivutuotteiden mukana ja lämpöhäviöinä. Kuten jo aikaisemmin on mainittu, pyrolyysilämpötila vaikuttaa suuresti tuotejakaumaan. Puuhiilen ominaisuudet riippuvat loppulämpötilasta, lämmitysnopeudesta ja myös raaka-aineesta varsinkin tuhkapitoisuuden osalta. Kuviossa 11 on esitetty, miten puuperäisestä biomassasta saadut tuotteet muuttuvat pyrolyysilämpötilan funktiona. Noin 450 o C lämpötilassa puuhiilen saanto laskee alle 30% (Demirbas 2001). Tällöin puuhiilen hiilipitoisuus on kuitenkin jo lähes 85%, mikä on jo varsin hyvää tasoa, ajatellen esimerkiksi injektoitavaa puuhiiltä. Hiilipitoisuus tarkoittaa kokonaishiilipitoisuutta, haihtumattoman hiilen pitoisuus on todennäköisesti 70 80% välissä (vrt. Babich et al. 2010). Tarkemmin puuhiilen ominaisuuksia on käsitelty raportissa WP 2. Puuhiili Kaasu Kondensoitunut neste Terva Puuhiilen C-pit 80 100 70 90 80 60 70 50 60 40 50 30 40 30 20 20 10 10 0 0 200 300 400 500 600 700 800 900 Lämpötila o C Kuvio 11. Hitaan pyrolyysin tuotteiden saannot ja puuhiilen hiilipitoisuus lämpötilan funktiona (data Demirbas 2001). 27
5. PUUHIILEN TUOTANTOTEKNOLOGIAT Vuosien saatossa puuhiilen tuotantoon on kehitetty toimintaperiaatteeltaan hyvin erilaisia teknologioita. Useimmat teknologiat ovat soveltuvia pienimuotoiseen tuotantoon, mutta suuren kokoluokan teknologioita ei ole kaupallisessa mittakaavassa kovinkaan paljon. Kuten todettiin jo kappaleessa 3.1, pyrolyysi-reaktorin lämmitys voi tapahtua kolmella erilaisella tavalla: osa syötteestä poltetaan, pyrolyysikaasuja kierrätetään reaktorissa tai lämpö tuodaan reaktoriin ulkopuolelta johtamalla. Pyrolyyisreaktoreita on myös hyvin erilaisia, perusperiaatteen ollessa joko panos- tai jatkuvatoiminen prosessi. Panosprosessit ovat perinteisiä tapoja valmistaa puuhiiltä. Jatkuvia prosesseja ovat rumpu-, ruuvi-, kiertouunityyppiset pyrolysaattorit (Duku et al. 2011). Menetelmät voidaan jaotella sen mukaan, miten panoksen lämmitys tapahtuu. Toisaalta valmistusmenetelmät voidaan jaotella joko panostoimisiin ja jatkuvatoimisiin (kuvio 12). Hiiltomenetelmät Lämmöntuotto polttamalla osa biomassasta Ulkoinen lämmönlähde Maamiilut ja tervahaudat Epäsuora lämmönsiirto seinämän läpi Suora lämmönsiirto kiertokaasun avulla Tiili- ja betonimiilut Jatkuvatoiminen prosessi Panosprosessi Jatkuvatoiminen prosessi Panosprosessi Teräsmiilut Ruuvi Tiili- ja betonimiilut Teräsretortti Tiili- ja betonimiilut Rumpu Rumpu Kuvio 12. Puuhiilen valmistusmenetelmät. Puuhiilen saannot vaihtelevat hyvin paljon siitä, millaista prosessointiteknologiaa käytetään. Duku et al. (2011) ovat reviewartikkelissaan esittäneet puuhiilen saannot erilaisille prosesseille (taulukko 7). Perinteisillä teknologioilla ei saavuteta hyviä saantoja, eikä myöskään sivutuotteiden talteenotto ole mahdollista. Retortti-tyyppisissä panostoimisissa 28
ja jatkuvatoimisissa prosesseissa sivutuotteiden talteenotto voidaan toteuttaa, jolloin puuhiilen tuotannon kannattavuutta voidaan parantaa. Taulukko 7. Puuhiilen tuotanto (Duku et al. 2011). Prosessityyppi Reaktorityyppi Puuhiilen saanto Panosprosessit Maakuoppa, maamiilu > 10% Tiili, betoni ja metallimiilu 20 25% Retortti 30% Jatkuvatoimiset prosessit Retortti (Lambiotte) 30 35% Monikerrosuuni 25 30% Ruuvityyppinen reaktori (Pro-Natura) 25 30% Uudentyyppiset prosessit Flash-hiiletys 40 50% Seuraavassa tarkastellaan erilaisia puuhiilen tuotantoon kehitettyjä menetelmiä, jaoteltuna panos-, puolijatkuva ja jatkuvatoimisiin prosesseihin. 5.1 Panosprosessit (miilut, retortit) 5.1.1 Miilut Puuhiiltä on valmistettu perinteisillä menetelmillä useiden vuosituhansien ajan erilaisilla maakuoppa-tyyppisillä menetelmillä (kuvio 13). Nämä tuotantomenetelmät ovat kuitenkin sangen huonoja saannin osalta ja aiheuttavat ympäristön kannalta haitallisia päästöjä epätäydellisen palamisen takia. Näissä menetelmissä ei myöskään saada talteen pyrolyysissa syntyviä sivutuotteita. Kuvio 13. Tervahauta ja maamiilu (Duku et al. 2011). 5.1.2 Puuhi2 epäsuora pyrolyysiretortti Suomen Biosähkö Oy on kehittänyt epäsuoraan lämmitykseen perustuvan retortin, jolla voidaan hiilettää klapikokoista puumateriaalia (kuvio 14). Retortti on siirrettävää mallia, esimerkiksi traktorilla. Pyrolyysireaktorin tilavuus on noin 2 m 3 ja sen paino kokonaisuudessaan yli kolme tonnia. Pyrolyysireaktorin lämmittämiseen käytetään kuumia kaasuja, joita saadaan polttamalla puuta retortin sivulla olevassa uunissa. Yhden kuivatislauspanoksen lämmittämiseen tarvitaan noin 100 200 litraa ilmakuivaa puuta. Pyrolyysikierto (täyttäminen, poltto, sammutus, jäähdytys, ja tyhjennys) kestää noin 1 2 vrk ja toimii myös kostealla puulla. 29
Lopputuotteena saadaan korkeatasoista tervaa ja puuhiiltä sekä tervavettä ja palavia kaasuja. Kaasut lauhdutetaan ilmalauhdutuksella. (Pekki 2012) Kuvio 14. Puuhi2 kuivatislausretortti (Pekki 2012). 5.1.3 Degussa Reichert prosessi Reichert prosessi, myöhemmin Degussa, on panosprosessi. Prosessin ydin on suuri retortti, jonka tilavuus on 100 m 3, korkeus noin 8.5 m ja leveys 5 m (kuvio 15). Retortin suppilomainen alaosa on vuorattu tiilillä. Puu syötetään retorttiin sen yläosasta nauhakuljettimen avulla. Kun retortti on saatu täytettyä, se suljetaan ja sinne johdetaan kuumia kaasuja. Hiilettyminen etenee ylhäältä alaspäin ja siihen kuluu aikaa noin 16 20 h. (Brocksiepe 2000) Kuumat kaasut, jotka johdetaan retorttiin, ovat kiertäviä kaasuja, joita syntyy puun hiiletyksessä ja joihin osaltaan sekoittuu syötetty kuuma kaasu. Kondensoituvat aineet erotellaan jäähdyttimissä ja pesureissa. Puhdistettu puukaasu johdetaan lämmönsiirtimeen, jossa se lämmitetään noin 450 550 o C lämpötilaan ylimäärä puukaasulla, joka poltetaan. (Gronli 2001, Brocksiepe 2000) Prosessista saatavan puuhiilen hiilipitoisuus voidaan säätää prosentin tarkkuudella, kun haluttu hiilipitoisuus on välillä 78 90%. Haluttuun hiiletysasteeseen päästään säätelemällä retorttiin ohjatun puukaasun määrää ja lämpötilaa (Brocksiepe 2000). Kuvio 15. Degussa prosessi (muokattu lähteestä Brocksiepe 2000). 30
Valmis puuhiili siirretään retortin alapuolella olevaan suljettuun, ilmatiiviiseen jäähdytysbunkkeriin. Jäähdytyksen jälkeen puuhiili johdetaan erottimeen. Palahiili pussitetaan ja hienoaines prosessoidaan rakeiksi, pölyksi tai puristetaan briketeiksi. Yhden retortin kuukausittainen tuotantokapasiteetti on 300 tonnia ja yleensä yksiköitä puuhiilitehtaassa on 6 7. (Brocksiepe 2000) Kovinkaan useasti eri teknologioiden yhteydessä ei ole mainittu, kuinka paljon energiaa ja muita tuotannontekijöitä ne vaativat. Brocksiepe (2000) kuitenkin mainitsee, että 100 puuhiilikilon tuottaminen Degussa prosessilla sisältäen puun kuivaamisen, vaatii 250 MJ lämpöenergiaa, 27 MJ sähköenergiaa ja 5 m 3 vettä. Vertés et al. (2010) raportoivat, että prosessin energiantarve sisään tulevaa puutonnia (10 15% kosteus) kohden on 2500 MJ lämpöenergiaa, 110 MJ sähköenergiaa. Vettä tarvitaan 40 m 3. Gronlin (2001) mukaan Degussa prosessi on tuotannossa ainakin Saksassa, Bodenfeldessa Chemviron Carbonin omistuksessa. Tuotanto on 24 000 tonnia puuhiiltä vuodessa 7 retortissa, raaka-aineen ollessa pyökki. Tyypillinen puuhiilen saanto on 34%. Noin 500 tonnia puhdasta etikkahappoa saadaan otettua talteen 19-vaiheisessa prosessissa, joka myydään elektroniikkateollisuuteen. Kuviossa 16 on esitetty, miten pyrolyysihöyryt voidaan jalostaa (Vertés et al. 2010). kondensoitumattomat kaasut pyrolyysihöyry jäähdytys vesipitoinen kondensaatti tislaus (80 o C) jalostamaton uutto jalostamaton tislaus puhdas laimea väkevöity väkevöity etikkahappo etikkahappo etikkahappo puuterva metanoli + korkeampia alkoholeja puuterva Kuvio 16. Degussa retorttiprosessin pyrolyysihöyryjen jalostus (Vertés et al. 2010). 5.1.4 Biocarbo Starck (2010) on ansiokkaasti tehnyt katsauksen erilaisista puuhiilien valmistusprosesseista, jonka tiimoilta on ollut yhteydessä myös suoraan laitosten toimittajiin. Eräs mielenkiintoinen ja varsinkin kasvatusmetsiin sopiva tuotantomenetelmä on Biocarbo yrityksen alaisuuteen kuuluvan DPC Thermal Processingin retorttiperustainen sovellus. Siinä pyrolyysikaasut poltetaan ja kierrätetään reaktorista toiseen. Käynnistyksen jälkeen prosessi toimii omavaraisesti. Prosessissa on kolme vaihetta: esikuivaus, hiiletys ja jäähdytys Tuotantolaitos on konttiperustainen ja jokainen kontti on varustettu polttokammiolla, jolloin jokainen reaktori voi toimia minä tahansa yksikkönä. DPC-prosessin viipymäaika on 72 tuntia. Kuviossa 17 on esitetty reaktorin lataus ja reaktorifarmi. (Starck 2010) 31
Kuvio 17. DPC prosessin panostus ja kokonainen DPC-reaktorifarmi (Starck 2010). Pyrolyysi tapahtuu varsin matalassa lämpötilassa (350 o C), jolloin prosessin saanto on korkea. Tällöin haihtuvien aineiden määrä on vielä varsin korkea. Tuotanto on 24 000 tonnia vuodessa yhtiön suurimman kokoluokan laitoksella (Starck 2010). 5.2 Puolijatkuvat prosessit 5.2.1 Bioenergy LLC (Russia) Venäjällä toimiva Bioenergy LLC tarjoaa erilaisia puuhiilen tuotantoteknologioita. Kuviossa 18 on esitetty Ekolon tuoteperheeseen kuuluva puuhiilen tuotantolaitos. Prosessia operoidaan siirtämällä retortteja pyrolyysikammioon ja pois nosturilla. Polttokammiossa (1) tapahtuu synteesikaasujen polttaminen, josta saadaan lämpö kuivaukseen (3) ja pyrolyysiin (2). Kuivaukseen menevät, puuta sisältävät retortit odottavat laitoksen sivulla (4) ja puuhiili jäähtyy laitoksen toisella laidalla (5). Polttokammiossa poltetut ja laitoksen läpimenneet kaasut johdetaan ulos savupiipun kautta (6). (Bagramov 2010) Kuvio 18. Bioenergy LLC prosessi (Bagramov 2010). Polttokammiossa voidaan lisäksi polttaa puuta, mikäli hiiletettävän puun kosteus on suuri. Ekolon teknologialla voidaan tuottaa 600 2000 tonnia 32
puuhiiltä vuodessa. Laitoksia on toiminnassa kaksi ja yksi on rakenteilla (Bionenergy LLC 2011) 5.2.2 Carbo tuplaretortti Carbo-tuplaretortti on periaatteeltaan puolijatkuva prosessi, joka on kehitetty Hollannissa 1990-luvulla. Yksi moduuli koostuu kahdesta retortista, jonka yhteenlaskettu kapasiteetti on 900 tonnia puuhiiltä vuodessa (kuvio 19). Yhden retortin hiilettämiseen kuluu aikaa noin 12 tuntia. Hiilettämisen jälkeen retortti nostetaan pois pyrolysointiyksiköstä ja sen annetaan jäähtyä 20 24 tuntia. (Reumerman & Fredericks 2002) Kuvio 19. Tuplaretortti (muokattu lähteestä Reumerman & Fredericks 2002). Prosessissa käytettävä puu voi olla havu- tai lehtipuuta. Sopiva palakoko prosessiin on 10 30 cm. Prosessiin ei voida käyttää tuoretta puuta (50% kosteus), vaan se on kuivattava noin 20% kosteuteen. Kuivatukseen voidaan käyttää pyrolyysin savukaasuja. Prosessin saanto (20% kosteus) puusta on keskimäärin 33%. Puuhiilen laatu on hyvä ja hiilipitoisuus korkea 92%. (Reumerman & Fredericks 2002) Prosessin muut kuin hiilidioksidipäästöt ovat alhaiset. Perinteisissä menetelmissä palaminen on epätäydellistä, jolloin metaanin ja haihtuvien orgaanisten osuus on varsin suuri. Tätä ongelmaa ei ole tuplaretortissa. (Reumerman & Fredericks 2002) 5.3 Jatkuvatoimiset prosessit 5.3.1 O.E.T Calusco O.E.T Caluscon prosessi on tunneliretortti. Prosessi on varsin mielenkiintoinen. Puun pyrolysointi tapahtuu tunnelin sisässä, jonne raakaaine kuljetetaan junanvaunuja muistuttavilla vaunuilla. Tunneli on 45 metriä pitkä ja U:n muotoinen eli sisään menevä ja ulostuleva materiaali voidaan 33
lastata samasta suunnasta. Tunneli on jaettu kolmeen osioon, joista ensimmäisessä vaiheessa puu kuivataan, toisessa vaiheessa pyrolysoidaan ja kolmannessa vaiheessa jäähdytetään (kuvio 20). Jokainen kammio on erotettu toisistaan ovella. Prosessi on energeettisesti omavarainen, kunhan raakaaineen kosteuspitoisuus on alle 45 50%. Kuvio 20. O.E.T Calusco tunneliretortti (Gronli 2001, Gronli 2010). Pyrolyysissa vapautuvia kaasuja poltetaan erillisessä polttokammiossa, josta se erotellaan kolmea käyttötarkoitusta varten. Yksi osa käytetään puun kuivaamiseen kuivauskammiossa, jossa se on suorassa kontaktissa puun kanssa. Toinen osa johdetaan hiiletyskammioon, jossa se lämmittää puuta epäsuorasti lämmönsiirtimen kautta. Kolmas osa jäähdytetään ja sitä käytetään puuhiilen jäähdytykseen. Prosessin viipymäaika on 25 35 tuntia riippuen kosteudesta ja raaka-aineesta. Prosessi on italialainen ja siellä niitä on useita, suurimpien ollessa kapasiteetiltaan 6 000 tonnia puuhiiltä vuodessa (Gronli 2001). 5.3.2 Lurgi Lurgin kehittämä puuhiilen tuotantoteknologia on retortti-periaatteinen (kuvio 21). Lämmitysperiaatteena on inerttien kierrätyskaasujen hyödyntäminen. Vamvukan (2011) mukaan Eteläisessä Australiassa Bunburyssa toimii kaksi retorttia käsittävä puuhiilen tuotantolaitos. Puuhiiltä tuotetaan paikallisesta Jarrah kovapuusta vuodessa noin 27 000 tonnia, joka on varsin suuri tuotantomäärä. Retortti on toiminnallisesti jaettu kahteen vyöhykkeeseen, joissa kummassakin on oma kaasukiertonsa. Retortin yläosassa on lämmitys ja karbonisaatioalue, jossa sisään syötetty puu kuivaa ja edelleen hiilettyy. Yläosan kaasu johdetaan retorttiin noin puolesta välistä ja se virtaa ylöspäin. 34
Puusta vapautuvat kaasut nousevat ylös ja johdetaan polttoon. Ensimmäisessä vaiheessa käytetään stoikiometristä ilmamäärää ja toisessa vaiheessa lisätään ilmamäärää täydellisen palamisen varmistamiseksi. Noin 1/3 palokaasuista otetaan erilleen ja se säädetään noin 550 700 o C lämpötilaan ja ohjataan retorttiin lämmöntuojana. Ylimääräiset palokaasut ohjataan ilmaan, mutta myös jätelämpö voidaan ottaa myös talteen. (Gronli 2001) Retortin alaosan jäähdytys järjestetään Lurgin prosessissa erillisellä kaasuvirralla, joka johdetaan retorttiin sen pohjasta. Kaasu sitoo itseensä puuhiilen lämpöä sen noustessa alaspäin virtaavaa puuhiilipatjaa vastaan. Kiertävä kaasu jäähdytetään vedellä, jota injektoidaan vesipesuriin (Gronli 2001, Vamvuka 2011) Kuvio 21. Lurgin retortti-tyyppinen puuhiilen valmistusprosessi (Vamvuka 2011, Gronli 2001). Lurgin prosessiin voitaisiin varsin helposti asentaa savukaasujen jäähdytyksen osaksi lauhdutusjärjestelmä, jolla saadaan kondensoituvat nesteet erotelluksi sivutuotekaasusta ja mahdollisesti kemikaalien tuotannon raaka-aineeksi. 5.3.3 Lambiotte (SIFIC ja CISR) Lambiotte on hyvin samantyyppinen hiiletysprosessi kuin Lurgi. Lambiotte tarjoaa kahta kokoluokkaa jatkuvalle hiiletysretortilleen, joko SIFIC tai CISR tyyppistä, joiden tuotannot ovat 2000 tai 6000 tonnia. Molemmat prosessit käyttävät kahta suljettua kaasukiertoa, joista toinen on kuivaus/hiiletys ja toinen puuhiilen jäähdyttämiseen. (Gronli 2001, Lambiotte 2011) Retortin korkeus on 18 33 metriä ja sylinterin läpimitta noin 4.3 metriä. Puun laskeutuessa retortissa alaspäin se läpäisee kolme vyöhykettä. Ensimmäisessä vyöhykkeessä tapahtuu puun kuivuminen, toisessa vaiheessa hiiletys ja kolmannessa vaiheessa jäähdytys. SIFIC-tyypin prosessi voidaan varustaa sivutuotteiden talteenotolla. Muodostuvat kaasut, jotka saadaan prosessin huipulta, johdetaan jäähdyttimien läpi, jolloin kondensoituvat osat saadaan erotettua. Tämän jälkeen kondensoitumattomat kaasut johdetaan polttokammioon, jossa saadaan riittävän korkealämpötilaista kaasua prosessiin. Osa kaasusta johdetaan siis kuumana retortin keskivaiheille ja osa jäähdytetään ja johdetaan prosessin pohjalle. 35
CISR-tyyppinen prosessi on yksinkertaisempi ja siinä ei ole sivutuotteiden talteenottoa (kuvio 22). Retorttia lämmitetään sisäisellä polttolaitteella, joka polttaa osan ligniinipitoisista kaasuista. Euroopassa on useita Lambiotten prosesseja (Gronli 2001). Suurin laitos sijaitsi Premeryssa, Ranskassa, mutta ilmeisesti se on lopetettu (Domac & Trossero 2008). Prosessi perustui SIFICtyyppiseen prosessiin ja tuotti 25 000 tonnia puuhiiltä tammesta. Ylimäärä kaasu käytettiin puun esikuivaukseen kahdessa kuilu-uunissa. (Gronli 2001). Kuvio 22. Lambiotte CISR hiiletysprosessi (Gronli 2010). Tuotetun puuhiilen laatu on Lambiotten prosessissa korkeatasoinen, ainakin teknologiantarjoajan omien sanojen mukaan. Se on homogeenista ja haihtumattoman hiilen osuus on 80 90%, kosteus 3 4% ja haihtuvien aineiden määrä korkeintaan 12%. Prosessille luvataan pitkä käyttöaika (Lambiotte 2011) 5.3.4 Preseco Preseco oli suomalainen innovatiivinen ympäristöratkaisuja tarjoava yritys, jonka kehittämiin teknologioihin kuuluu myös puuhiiltä tai kuten he asian ilmaisevat biohiiltä tuottava prosessi. Yritys ajautui kuitenkin konkurssiin. Puun lisäksi prosessilla voidaan hiilettää mitä erilaisimpia orgaanisia materiaaleja kiinteäksi biohiileksi. Prosessilla tuotetaan siis puuhiiltä ja lisäksi saadaan ylimäärälämpöä. Lämpö voidaan hyödyntää kaukolämpösovelluksissa tai pyrolyysilaitoksen yhteyteen voidaan yhdistää myös CHP-laitos (kuvio 23). 36
1 MWh energiasisältö Orgaaninen materiaali Kuivatislaus CH 4, H 2, CO 0.7 MWh energiasisältö Biohiili (ja pieni määrä tervaa) Ylijäämälämpö 600 o C Kuvio 23. Presecon prosessin energiavirrat (Energy-enviro 2011). Prosessi on jatkuvatoiminen ja viipymäaika pyrolyysissa on lyhyt, noin 10 20 minuuttia. Tuotettu biohiili on laadultaan hyvää, riippuen raaka-aineesta. Yritys on vuonna 2009 kirjoittanut aiesopimuksen Kiinalaisen yrityksen kanssa yhteisyrityksen perustamisesta, johon kuuluu myös biohiililaitoksen (Preseco Carboniser) rakentaminen Hubein maakuntaan. Laitos tuottaisi vuodessa noin 16 000 tonnia biohiiltä (Tekniikka ja Talous 2009). Hieman enemmän Presecon prosessia on valotettu Aalto-yliopistossa pidetyssä biopolttoaineiden tuotantoon liittyvällä kurssilla (Tukiainen 2011). Reaktori on ruuvityyppinen ratkaisu, josta saadaan tuotteina hiiltä ja pyrolyysikaasuja (kuvio 24). Kuvio 24. Preseco karbonisaattori (Tukiainen 2011). Tukiaisen (2011) mukaan Presecon karbonisaattorissa ei menetetä energiaa juuri ollenkaan. Puolet biomassan energiasta menee kiinteään hiileen, 20% pyrolyysiöljyyn (terva), 20% pyrolyysikaasuun ja 10% energiasta on termistä, joka saadaan karbonisaattorin savukaasuista. Presecon konseptissa pyrolyysiöljystä erotetaan terva, jota käytetään sitomaan hiiltä Biohiilituotteen aikaansaamiseksi. Biohiiltä voidaan helpommin käsitellä ja kuljettaa pidempiäkin matkoja. Samassa yhteydessä esitetään, että yhden karbonisaattorimoduulin tuotantokapasiteetti on 40 000 tonnia biomassaa (olki) sisään ja 16 000 tonnia biohiiltä ulos. Karbonisaattorin saanto (10% biomassan kosteus) olisi siis 40%. Tuotetun biohiilen energiasisältö on 5 MWh/t eli noin 18 GJ/t. 37
(Tukiainen 2011) Matala lämpöarvo johtuu mm. oljen korkeasta tuhkapitoisuudesta. Puuperäisellä biomassalla päästään korkeampaan lämpöarvoon. 5.3.5 BEST Energies BEST Energies on kehittänyt jatkuvatoimisen rumputyyppisen pyrolysaattorin, joka on periaatteeltaan ulkoisesti lämmitettävä. Prosessin pääasiallinen tuote on synteesikaasu, jota tuotetaan kahdessa vaiheessa maatalouden jätteistä. Prosessissa yhdistetään ulkoisesti lämmitettävä rumpupyrolysaattori ja kaasutinlaitteisto. Tällä hetkellä suurimman kapasiteetin laitos, jota yritys tarjoaa, on 300 kg/h biomassaa käsittelevä laitos. Suunnitelmat suuremman kapasiteetin laitokselle (4000 kg/h biomassaa) ovat myös olemassa (Downie 2008). Pyrolysaattorissa on sisäinen siirtokoneisto, jonka avulla biomassaa siirretään prosessin sisällä eteenpäin. Lämpö saadaan prosessiin polttamalla pyrolyysissa vapautuvia synteesikaasuja pyrolyysikammion alapuolella olevassa polttokammiossa (kuvio 25 tapaan). Biomassa kulkee kammion lävitse varsin nopeasti muutamassa minuutissa, raaka-aineen ollessa haketetussa muodossa tehokkaan hiilettymisen aikaansaamiseksi. Prosessi toimii normaalissa ilmanpaineessa (Garcia-Perez et al. 2010). Kuvio 25. Rumpupyrolysaattorin periaatekuva (muokattu lähteestä Thomsen et al. 2011). 5.3.6 Pro-Natura Pro-Naturan kehittämä pyrolysaattori on jatkuvatoiminen. Alun perin Pro- Natura kehitti prosessin vähentämään metsien hävittämistä, koska kehittyvissä maissa puuhiilen tuotanto on alkeellisilla menetelmillä tehotonta. Pro-Natura on kehittänyt kolmen kokoluokan pyrolysaattoria, joiden puuhiilen tuotanto on välillä 756 1848 tonnia vuodessa. Pyrolysointilämpötila on 550 o C ja puuhiilen lisäksi prosessi tuottaa lämpöä 120 150 kw. Prosessin saanto on 30 45%. (International Biochar Initiative 2011, Starck 2010) 38
5.3.7 Pyreg Pyreg on ruuvityyppinen, jatkuvatoiminen pyrolysointiprosessi biohiilen tuotantoon. Pyreg 500 reaktorityyppi on kehitetty tuottamaan biohiiltä erilaisista biomassoista kapasiteetilla 500 kw biomassaa vuodessa. Pyrolyysilämpötila on 450 600 o C. Prosessi on konttityyppinen (koko: 8m x 2.5m x 2.5m, paino: 10t), joka mahdollistaa helpon siirron (kuvio 26). (Weaver 2011) Kuvio 26. Pyreg prosessi (muokattu lähteestä Weaver 2011). Reaktoriin voidaan syöttää vuodessa 1200 tonnia biomassaa (kuiva-aine). Partikkelikoon tulee olla alle 40 mm. Riippuen syötettävästä biomassasta, prosessilla voidaan tuottaa 350 tonnia biohiiltä. Pyrolyysin sivutuotteena saadaan lämpöä 150 kw. Prosessi kuluttaa sähköä 3.5 kw. 5.3.8 Outokummun rumpu-uuni (Vapo) Suomessa on toiminut vuosina 1976 1988 turvekoksia valmistanut tehdas. Tehdas sijaitsi Peräseinäjoella, sen omisti Vapo ja sen suunnitteli Outokumpu Oy. Tehtaan kapasiteetti oli 30 000 tonnia turvekoksia. Lisäksi laitos tuotti prosessissa syntyvästä hienoaineesta brikettejä ja sähköä sekä kaukolämpöä. Tehdas tuotti vuosittain noin 20 000 tonnia turvekoksia, 40 000 tonnia brikettejä, 50 000 MWh sähköä. Kaukolämpöä tuotettiin 20 MW. (Brandt et al. 1986, Leinonen 2010) 39
Prosessi oli jatkuvatoiminen rumpu-uuni ja käytti suoraa lämmönsiirtoa eli kiertokaasut olivat kosketuksissa syötettävän materiaalin kanssa samoin kuin Lambiotten tai Lurgin prosesseissa. Hienoainesta syntyi prosessissa paljon johtuen rummun pyörimisestä aiheutuvasta hierrosta. Rumpu-uuni soveltuisi hyvin hienojakoisen biomassan hiilettämiseen. Kuviossa 27 on esimerkki rumpu-uunista. Kuvio 27. Rumpu-uuni (muokattu lähteestä Mäkelä 2000). Peräseinäjoella toimineen jatkuvatoimisen rumpu-uuni prosessin energiasaanto oli 70 80%, kun tuotteiksi laskettiin koksi, briketit, sähkö ja kaukolämpö. Pyrolyysilämpötila oli 500 900 o C. Lämpö hiiletykseen saatiin polttamalla osa pyrolyysissa syntyneistä kaasuista. Pyrolyysiin syötettävän turpeen kosteus oli 10 15%, johon se kuivattiin kosteudesta 30 40% hiiletyksen savukaasuilla. Kuviossa 28 on esitetty Vapon turvekoksiprosessi. (Brandt 1986) Kuvio 28. Vapon turvekoksin tuotantokaavio (muokattu lähteestä Brandt et al. 1986). 40
Vapon turvekoksilaitosta voidaan pitää hyvänä esimerkkinä nykyaikaisesta, pyrolyysiin perustuvasta biomassan käsittelylaitoksesta, jossa energiatehokkuus on otettu hyvin huomioon. Aikanaan kannattamattomaksi todettu laitos voisi nykypäivänä ja varsinkin tulevaisuudessa osoittautua toimivaksi ratkaisuksi uusiutuvien biomassojen pyrolysointiin. 5.4 Uudet teknologiat 5.4.1 Flash Carbonization Reactor Flash-pyrolyysi rinnastetaan usein kuuluvaksi nopeaan pyrolyysiin (fast pyrolysis), jonka tarkoituksena on mahdollisimman suuri nestejakeen saanto. Havaijin yliopistossa on kuitenkin kehitetty teknologiaa, jonka tarkoituksena on tuottaa kiinteää puuhiiltä flash-prosessilla eli nopealla raaka-aineen hiilettämisellä. Prosessi toimii korotetussa paineessa (1 MPa) ja reaktoriin pakattu biomassa nopeasti hiilettyy paineen vaikutuksesta. Prosessilla on päästy lähes 100% haihtumattoman hiilen saantoon, kun hitaalla pyrolyysilla jäädään yleensä alle 80%:iin. Flash-pyrolyysissa hiiletys tapahtuu hyvin nopeasti, noin 20 30 minuutissa verrattuna hitaaseen pyrolyysiin, jossa aikaa kuluu useita tunteja. Flash-pyrolyysissa noin 60% biomassan sisältämästä hiilestä saadaan biohiileen. (Antal et al. 2003) 5.4.2 Mikroaaltoihin perustuva teknologia Mikroaaltojen käyttö useiden eri teollisuudenalojen prosesseissa, esimerkiksi pyro- ja hydrometallurgisissa prosesseissa sekä mineraalinkäsittelyssä (Menéndez et al. 2010) on saavuttanut mielenkiintoa menneinä vuosina. Biomassan pyrolysointia mikroaalloilla ovat tutkineet mm. Domínquez et al. (2007). Miroaaltoteknologian käytölle he löytävät seuraavat edut perinteisiin lämmitysteknologioihin (esim. pyrolyysi): ajan säästäminen, korkea lämmitystehokkuus, lämmitysprosessin parempi hallinta ja alhaisempi prosessilaitteistojen määrä. Biomassan mikroaaltokäsittely ei ole Domínquez et al. (2007) mukaan täysin suoraviivaista. Biomassaan täytyi lisätä erikseen hiiltä, että pyrolyysilämpötila saatiin luotua, koska mikroaallot läpäisevät biomassan helposti. Tutkittu biomassa oli kahvin kuori, jonka koostumus eroaa jonkin verran esimerkiksi puun vastavasta. Mikroaaltotekniikalla päästiin nestemäisen ja kaasumaisen fraktion osalta parempiin tuloksiin verrattuna perinteiseen pyrolyysiin. Pyrolyysinesteen ja kaasun lämpöarvot olivat korkeammat kiinteän osuuden kustannuksella kuin perinteisessä pyrolyysissa. Saatujen tuotteiden energiasisältö oli myös korkeampi kuin perinteisessä pyrolyysissa (kuvio 29). 41
Kuvio 29. Energian jakautuminen perinteisessä pyrolyysissa ja mikroaaltopyrolyysissa (muokattu lähteestä Domínquez et al. 2007). Norjassa on kehitelty kaupallista mikroaaltoihin perustuvaa pyrolyysikonseptia (Scandinavian Biofuel 2012). Biomassa syötetään reaktoriin ilmalukkojen kautta, joihin tuodaan myös inerttiä kaasua, hapen reaktoriin pääsyn ehkäisemiseksi. Pyrolyysireaktorissa mikroaallot kuumentavat biomassaa, josta irtoaa haihtuvia aineita. Haihtuvat aineet johdetaan lauhduttimeen, jossa kondensoituvat nesteet erottuvat kondensoitumattomasta kaasusta. Biohiili otetaan ulos ilmalukon kautta. Kondensoitu bioöljy on puhdasta sellaisenaan ja voidaan polttaa. Kondensoitumaton kaasu poltetaan puhdistuksen jälkeen kaasumoottorissa, joka on yhdistetty generaattoriin. Yrityksellä ei ilmeisesti vielä ole toimivaa suuremman mittakaavan laitosta, mutta se on mukana EU:n 7 puiteohjelmassa, projektissa, jossa rakennetaan lähes kaupallisen mittakaavan laitos Notoddeniin Norjaan (Scandinavian Biofuel 2012). Laitoksen kapasiteetti on 230 kg/h metsähaketta (MicroFuel 2012). 5.5 Esimerkkejä muista teknologioista Vaikka puuhiiltä on tuotettu useiden vuosituhansien ajan, on jatkuvatoimisuuteen ja sivutuotteiden tehokkaaseen hyödyntämiseen perustuva teknologia varsin matalalla kehitysasteella. Ensisijaisesti tämä johtunee siitä, että puuhiilen/biohiilen markkinoita ei ole laajasti ollut 42