Bioreducer Biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuudet 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 YHTEENVETO
Bioreducer Biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuudet Bioreducer Possibilities of bio-based materials in reduction applications Yhteyshenkilö Hannu Suopajärvi Laboratory of Process Metallurgy, P.O. Box 4300, FI-90014 University of Oulu Tel. +358 50 576 1471 Email: hannu.suopajarvi@oulu.fi Projektiin osallistuneet yritykset ja yhteisöt Gasek Oy, Lassila & Tikanoja Oyj, Mustavaaran Kaivos Oy, Naturpolis Oy, Pohjois-Pohjanmaan liitto, Pohjolan Voima Oy, Rautaruukki Oyj, Sievin biohake Oy, Suomen biosähkö Oy, Taivalkosken kunta. Projektiin osallistuneet tutkimuslaitokset Henrik Saxen, Lämpö- ja virtaustekniikka, Åbo Akademi, Olli Dahl, Puhtaat teknologiat-tutkimusryhmä, Aalto yliopisto, Puunjalostustekniikan laitos Tausta Metallurginen teollisuus maailmanlaajuisesti nojautuu fossiilisten polttoaineiden käyttöön. Fossiilisten polttoaineiden käyttö johtaa hiilidioksidin kertymiseen ilmakehään, jonka on osoitettu nopeuttavan kasvihuoneilmiötä ja ilmastonmuutosta. Masuunipohjainen, integroitu teräksenvalmistusreitti on tällä hetkellä yleisimmin käytetty prosessireitti maailmassa. Masuunipohjaisessa raudanvalmistuksessa käytetään suuria määriä ylhäältä panostettavaa koksia ja injektoituja pelkistimiä, kuten kivihiiltä, maakaasua ja öljyä raudanoksidien pelkistämiseen ja sulattamiseen. Modernit masuunit operoivat pelkistinkulutuksilla, jotka ovat lähellä termodynaamista minimiä ja ilman merkittäviä teknologisia muutoksia masuuniprosessiin, on hankala pienentää pelkistinten käytöstä aiheutuvia CO 2 -päästöjä. Yksi varteenotettava keino kohti kestävämpää teräksenvalmistusta voisi olla fossiilisten pelkistimien korvaaminen biopohjaisilla pelkistimillä. Ennen biopohjaisten pelkistimien käyttöönottoa metallurgisissa prosesseissa, useita tekijöitä tulee arvioida. Projektin tavoitteet Bioreducer-hanke käynnistyi 2010, perimmäisenä tarkoituksena antaa vastaus tärkeimpiin kysymyksiin koskien biomassan käyttöä pelkistimenä metallurgisissa prosesseissa. Bioreducer-hankkeelle asetettiin seuraavat tavoitteet (Tutkimuksen kehys esitetty kuviossa 1): 1) Vaihtoehtoisten raaka-aineiden saatavuuden arviointi Suomessa ja ominaisuudet metallurgisen käytön kannalta 2) Termokemiallisten konversioteknologioiden arviointi biopelkistimien tuotannossa (kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset pelkistimet) erityyppisistä raaka-aineista 3) Biomassan käytön vaikutusten arviointi integroidun terästehtaan näkökulmasta (massa- ja energiataseiden arviointi) 4) Biomassan käytön kestävyyden arviointi raudan- ja teräksenvalmistuksessa
4. Kestävyysarviointi Happi Rautapelletti Kalkkikivi CO 2-päästöt 1. Biomassan saatavuus ja raaka-aineiden ominaisuudet Metsähake Teollisuushake Energiakasvit Purkupuu Selluteollisuuden sivutuotteet 2. Termokemialliset konversioteknologiat Hidas pyrolyysi Torrefiointi Nopea pyrolyysi Kaasutus Kaasutus + metanointi 3. Tehtaanlaajuiset vaikutukset Koksi Öljy Bio-pohjaiset pelkistimet Raudanvalmistus Teräksenvalmistus Aihiot Kuumavalssaus Kalkinpolttamo Poltettu kalkki Koksi Puuhiili Masuunikaasu Koksaus Hiiltämö Koksikaasu Kaukolämpö Pyrolyysikaasu Sähkö, höyry, lämpö Kierrätysteräs Raakarauta Voimalaitos Levyt Biomassa Kivihiili Fig. 1. Bioreducer project research framework. Tutkimuksessa käytettiin erilaisia menetelmiä ja työkaluja mukaan lukien useita kirjallisuusselvityksiä ja laboratoriokokeita puuhiilen reaktiivisuuksista ja biokoksien valmistamisesta ja niiden laadun arvioinnista. Taloudellisia tarkasteluita tehtiin eri biopelkistimille ja verrattiin fossiilisten pelkistimien taloudellisuuteen. Tehtaanlaajuisilla energiatasetarkasteluilla arvioitiin puuhiilen käytön vaikutuksia laajemmalla tasealueella. Hiilijalanjälki- ja EROI (Energy Return on Investment)-tarkasteluilla arvioitiin biopelkistimien ympäristövaikutuksia. Päätulokset Projektissa tehdyt biomassan saatavuusarvioinnit osoittivat, että erityyppisiä biomassoja olisi Suomessa saatavilla myös pelkistinkäyttöön. Metallurginen teollisuus voisi käyttää merkittäviä määriä biomassaa (esimerkiksi puuta) vuodessa. Esimerkkilaskelma (Suopajärvi ja Fabritius 2013), jossa puuhiiltä käytettäisiin Suomen kahdessa masuunissa maksimaalinen määrä (300 000 tonnia), johtaisi puun tarpeeseen 2.4 miljoona kuutiota (~4.7 TWh). Saatavuusarvioinnin mukaan energiapuun (hakkuutähteitä, pienpuuta ja kantoja) määrä, joka voitaisiin kestävästi hyödyntää, voisi olla jopa yli 40 TWh vuodessa. Energiapuun käytölle on kuitenkin olemassa jo useita teollisia käyttäjiä (mm. energiateollisuus) ja tulevaisuudessa käyttäjien määrä tulee edelleen lisääntymään (BtL-laitokset, Bio-SNG-laitokset, jne.), joka voi johtaa kilpailuun raaka-aineesta. Biopohjaisia pelkistimiä voitaisiin käyttää usealla tavalla: koksin valmistamisessa korvaamaan osa koksautuvasta kivihiilestä, pähkinäkoksin korvaamisessa masuunin panostuksessa, pulverisoidun kivihiilen korvaaminen masuunin hormi-injektiossa, fossiilisen hiilen korvaaminen briketeissä, fossiilisen koksimurskan korvaaminen sintrauksessa ja fossiilisen hiilen korvaaminen esipelkistetyissä pelleteissä. Edelleen biopelkistimiä voitaisiin käyttää uppokaariuunissa, suorapelkistysraudan (DRI) valmistuksessa ja sähköuunissa (EAF). Puuperäinen biomassa voisi olla sopiva raaka-aine biopelkistimien valmistukseen (Suopajärvi and Fabritius 2013). Puuhiili on tutkituin fossiilisia pelkistimiä mahdollisesti korvaava pelkistin masuunissa. Puuhiilellä on yleensä matala tuhkapitoisuus ja haitallisten komponenttien (esim. P, Na, K)
osuus. Biomassa ei sellaisenaan ole soveltuva masuunin pelkistinkäyttöön, vaan sen kosteus- ja happipitoisuutta tulee alentaa. Termokemiallisilla konversioteknologioilla (torrefiointi, hidas/nopea pyrolyysi, kaasutus ja metanointi) voidaan biomassan ominaisuuksia parantaa pelkistinkäyttöön sopiviksi. Biomassasta tuotettu synteesikaasu (pääosin CO ja H 2 ) ja synteettinen maakaasu (Bio-SNG) sopisivat masuunin pelkistimiksi. Bioöljyn korkea vesi- ja happipitoisuus heikentävät sen soveltuvuutta (Suopajärvi et al. 2013a). Laboratoriomittakaavassa tuotetut ja testatut biokoksit osoittivat, että pieni osa (noin 5%) koksautuvasta kivihiilestä voitaisiin korvata torrefioidulla biomassalla tai puuhiilellä ilman merkittävää alenemaa kylmälujuudessa. Biomassapohjaiset raaka-aineet ovat reaktiivisempia kuin kivihiili, jolla voisi olla positiivinen vaikutus biokoksin ominaisuuksiin. Yksi mahdollisuus käyttää biokomponenttia masuunissa voisi olla öljypuuhiilisuspension injektoiminen (Suopajärvi et al. 2013b). Mallinnus- ja simulaatiotutkimuksen mukaan puuhiilen käyttö ja mahdollinen tuotannon integrointi terästehtaan ympäristöön muuttaisi materiaali- ja energiavirtoja huomattavasti. Ympäristökuorma ja suorat hiilidioksidipäästöt pienenisivät merkittävästi. Tarkastellulla systeemirajauksella ja puuhiilen käyttömäärällä suorat fossiiliset CO 2- päästöt pienenisivät 26.4%. Lisäksi voitaisiin saada epäsuoria päästövähennyksiä, mikäli pyrolyysin sivutuotteet hyödynnettäisiin energiantuotannossa (Suopajärvi & Fabritius 2012a, 2012b). Vaihtoehtoisten pelkistimien hinta on yksi tärkeimmistä tekijöistä, teknisen soveltuvuuden lisäksi, joka vaikuttaa niiden käyttöönottoon. Puuhiilen tuotantokustannuksiksi saatiin kahdessa eri käyttötutkimuksessa (WP 4.1 ja WP 5) 330 530 /t riippuen investointikustannuksista ja muista alkuoletuksista. Torrefioidun puun tuotantokustannuksiksi saatiin 130 170 /t ja Bio-SNG:n 610 740 /t (Suopajärvi et al. 2013c). Nykyiset fossiilisten pelkistimien hinnat ovat huomattavan paljon alempia kuin olisivat biopelkistimien myyntihinnat. Vaadittaisiin korkeita CO 2 -päästöoikeuksien hintoja, jotta biopelkistimet voisivat kilpailla fossiilisten pelkistimien kanssa. Tulevaisuuden hiilirajoitettu (carbon constrained) yhteiskunta voi kuitenkin muuttaa tilanteen. Biopelkistimien tuotannon elinkaaren aikaiset hiilidioksidipäästöt (hiilijalanjälki) ovat varsin maltilliset. Tutkimuksessa luotiin prosessipohjainen elinkaarimalli torrefioidulle puulle, puuhiilelle ja Bio-SNG:lle. Mallilla laskettiin hiilijalanjälki ja energiankulutus (EROI) kolmesta eri raaka-aineesta (hakkuutähde, pienpuu ja kanto) tuotetuille biopelkistimille. Pienin hiilijalanjälki tuotettua pelkistintonnia kohden on torrefioidulla puulla, suurin Bio-SNG:llä. Tilanne muuttuu, kun arvioidaan biopelkistinten koksinkorvauskykyä masuunissa. Parhaiten suoriutuu puuhiili, jonka koksinkorvaussuhde on hyvä ja jonka tuotannossa syntyy sivutuotteita, joista saadaan sivutuotehyvityksiä. EROI-tunnusluku biopelkistimille vaihtelee 3 6.6 välillä, mikä tarkoittaa sitä, että tuotettua energiayksikköä kohden käytetään vähemmän energiaa kuin sen käytössä vapautuu. Kaupallistaminen ja tulosten vaikuttavuus Bioreducer-hankkeen tutkimusotetta voidaan kuvata kartoittavaksi ja kokonaisvaltaiseksi ilman selkeää tuote- tai teknologiakehitystavoitetta. Tarkoituksena oli kartoittaa haasteet ja mahdollisuudet biomassan käytössä metallurgisessa teollisuudessa. Tulevaisuudessa voi olla tarjolla useita kaupallistamiseen liittyviä mahdollisuuksia niin teknologiakehityksessä kuin kokonaisen teollisuudenalan kehittymisessä. Julkaisut ja raportit Artikkelit journaaleissa and konferensseissa Suopajärvi H, Angerman M (2011) Layered sustainability assessment framework. METEC In-SteelCon. Proc. of 1st Int. Conference on Energy Efficiency and CO 2 reduction in the Steel Industry, Düsseldorf, Germany
Suopajärvi H, Fabritius T (2012a) Effects of biomass use in integrated steel plant gate-to-gate life cycle inventory method. ISIJ International 52:779-787. Suopajärvi H, Fabritius T (2012b) Evaluation of the possibility to utilize biomass in Finnish blast furnace ironmaking. Scanmet IV, 10-13 June 2012, Luleå, Sweden. Suopajärvi, H. Biomassan käytön kestävyyden arviointi hiiliteräksen valmistuksessa. Materia 3/2012. pp. 60-61. Suopajärvi H, Pongrácz E, Fabritius T (2013a). The potential of using biomass-based reducing agents in the blast furnace: A review of thermochemical conversion technologies and assessments related to sustainability. Renewable and Sustainable Energy Reviews 25:511-528. Suopajärvi H, Salo A, Paananen T, Mattila R, Fabritius T (2013b) Recycling of Coking plant Residues in Finnish Steelworks Laboratory Study and Replacement Ratio Calculation. Resources 2:58-72. Suopajärvi H, Fabritius T (2013) Towards more Sustainable Ironmaking Analysis of Energy Wood Availability in Finland and Economics of Charcoal Production. Sustainability 5: 1188-1207. Suopajärvi H et al. (2013c) Carbon Footprint (CF), Energy Return on Investment (EROI) and economic evaluation of bio-based reducing agents for blast furnace ironmaking (in preparation) Suopajärvi, H Possibilities of bio-based materials in reduction application/use Bioreducer. Biorefine New Biomass Products Programme 2007 2012, Final report. pp. 73-75. Raportit (suomeksi) Bioreducer raportti 1: Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa Bioreducer raportti 2: Biomateriapohjaisten ja vaihtoehtoisten raaka-aineiden saatavuusselvitys Bioreducer raportti 3: Biomateriapohjaisten ja vaihtoehtoisten raaka-aineiden ja tuotteiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet metallurgisen käytön kannalta Bioreducer raportti 4: Biomaterian prosessointitavat: esikäsittelyt, termokemiallinen konversio ja käyttö masuunissa Bioreducer raportti 5: Puuhiilen käyttö masuunissa: energiataseiden, ympäristökuorman ja taloudellisuuden arviointi Bioreducer raportti 6: Masuunin toiminta käytettäessä erilaisia injektoitavia pelkistimiä simulointitutkimus Bioreducer raportti 7: Biopelkistimien tuotannon hiilidioksidipäästöt, energiantarve ja taloudellisuus Materiaalien saatavuus Raportit on koottu Prosessimetallurgian laboratorion sivuille: http://www.oulu.fi/pyometen/bioreducer_materials. Materiaalin voi pyytää myös Hannu Suopajärveltä (hannu.suopajarvi@oulu.fi). Projektin kesto 9/2010 4/2013 Rahoitus Tekes-rahoitus (EAKR) 200 000, kokonaisrahoitus 246 000