BIOENERGIAN UUSIA KYTTMAHDOLLISUUKSIA

BIOMASSA METALLURGISESSA TEOLLISUUDESSA

Bioreducer loppuseminaari

Oulu 19.9.2013

Hannu Suopajrvi

Prosessimetallurgian laboratorio,

Oulun yliopisto

Tausta

Bioreducer-hanke

Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa

Raaka-aineselvitykset

Biomassan termokemiallinen konversio

Biopelkistimien ominaisuudet

Biopelkistimien kytttutkimukset

Biopelkistimien kytn vaikutusten arviointi

Yhteenveto ja pohdinta

Lhteit

Sislt

Tausta

Tersteollisuudessa syntyy noin 57% fossiilisista CO2 pstist

maailmanlaajuisesti

Ruukki Suomessa 45 Mt CO2 (noin 67% CO2 pstist,

metallinjalostusteollisuus yhteens noin 10%)

Raakaraudan tuotannossa tarvitaan yli 400 kg hiilt yhden

raakarautatonnin tuottamiseen 1.5 tCO2/t raakarauta

Otettaessa huomioon koko elinkaari (tonni terst +

sivutuotehyvitykset), syntyy noin 2 tCO2/t terst

Pitkll aikavlill fossiiliset pelkistimet ehtyvt, hinta nousee?

Energia- ja ilmastopoliittiset tavoitteet Vhhiilinen Eurooppa

ULCOS Eurooppalainen konsortio, jonka

tarkoituksena pienent tersteollisuuden CO2 pstj 50 % tmn hetken teknologioihin verrattuna

Tutkimuskohteet: Masuunin huippukaasun kierrtys HIsarna (suorasulatus) Ulcored (paranneltu suorapelkistys) Ulcowin (elektrolyysi)

Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS) mukana (kallis ratkaisu)

Maakaasun kytt pelkistimen VoestAlpine rakentaa

suorapelkistysraudan (DRI) tuotantolaitoksen Texasiin, USA:han

Tausta

Vaihtoehtoisten raaka-aineiden saatavuuden arviointi

Suomessa ja ominaisuudet metallurgisen kytn

kannalta

Termokemiallisten konversioteknologioiden arviointi

biopelkistimien tuotannossa (kiintet, nestemiset ja

kaasumaiset pelkistimet)

Biomassan kytn vaikutusten arviointi integroidun

terstehtaan nkkulmasta (massa- ja energiataseiden

arviointi)

Biomassan kytn kestvyyden arviointi raudan- ja

terksenvalmistuksessa

Bioreducer-hankkeen tavoitteet

EAKR-hanke

Projektiin osallistuneet yritykset ja yhteist Gasek Oy, Lassila & Tikanoja Oyj, Mustavaaran Kaivos Oy,

Naturpolis Oy, Pohjois-Pohjanmaan liitto, Pohjolan Voima

Oy, Rautaruukki Oyj, Sievin biohake Oy, Suomen bioshk Oy,

Taivalkosken kunta.

Projektiin osallistuneet tutkimuslaitokset (johtoryhm) Henrik Saxen, Lmp- ja virtaustekniikka, bo Akademi, Olli

Dahl, Puhtaat teknologiat-tutkimusryhm, Aalto yliopisto,

Puunjalostustekniikan laitos

Projektin kesto 9/2010 4/2013

Tekes-rahoitus (EAKR) 200 000, kokonaisrahoitus 246 000

Vastuullinen johtaja T.Fabritius, ptutkija H. Suopajrvi

Bioreducer-hanke

Materiaalit ja metodit

Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa Kirjallisuusselvitys Raportti WP 0

Vaihtoehtoiset raaka-aineet pelkistimiksi Kirjallisuusselvitys saatavuuksista ja ominaisuuksista sek

laboratoriokokeita Raportit WP 2.1 ja WP 2.2

Konversioteknologiat biomassan jalostamisessa pelkistimiksi Kirjallisuusselvitys Raportti WP 3

Hiiltmn integrointi terstehtaan ympristn ja erilaisten pelkistimen injektointi masuuniin Laskennalliset tarkastelut Raportit WP 4.1 ja WP 4.2

Pelkistimien tuotantokustannukset Laskennalliset tarkastelut Raportit WP 4.1 ja WP 5

Pelkistimien tuotannon ympristvaikutukset Laskennalliset tarkastelut Raportti WP 5

7

PELKISTIMET METALLURGISISSA PROSESSEISSA

WP0 Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa

8

Terksen tuotanto (Ruukki) Raakaraudan tuotanto

Koksi 350-400 kg/trr ljy 60-100 kg/trr

Ruostumattoman terksen tuotanto (Outokumpu) Ferrokromin tuotanto

Koksi 500 kg/tFeCr

Valokaariuuni (romun sulatus) Koksi 10-15kg/tters

Kromiittipelletin sintraus Koksi/koksiply 60-90kg/tsintteri

Nikkelishkuuni (Boliden) Kuonan pelkistys

Koksi 25 kg/tkuona

Tulevaisuuden pyrometallurgiset laitokset (Mustavaaran Kaivos) Hiili tai kaasupelkistys?

MASUUNI

UPPOKAARIUUNI

Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa-WP0

VALOKAARIUUNI

Pelkistinten ominaisuudet-WP0

Koksi Trkein pelkistin masuunissa ja

uppokaariuunissa Huokoista, mekaanisesti kestv Keskikoko 4060 mm masuunissa Phkinkoksi uppokaariuunissa Optimointia tuhkan, rikin, jne. suhteen (useita

kivihiililaatuja) ljy

Injektoidaan muutamissa masuuneissa maailmalla

Korkea C- ja H-pitoisuus Pulverisoitu kivihiili

Erityyppisi (haihtuvapitoisuus, tuhka) Eniten kytetty injektoitu pelkistin masuunissa

Maakaasu Suurin osa metaania Energianlhde ja pelkistin

10

Ainesosa, % Koksi Pulverisoitu kivhiili Erikoisraskas

polttoljy

C 88 80.6 87

H 0.35 4.35 10.45

O 0.5 5.35 ND

N 0.4 1.65 ND

S 0.6 0.45 2.01

Tuhka 9.63 10.89 0.02

CaO tuhkassa 2.37 1.49 ND

SiO2 tuhkassa 56.25 57.15 ND

Likimrinen analyysi m-% Alkuaineanalyysi m-% (daf) HHV

Haihtuvat

(daf)

Kiinte hiili

(daf)

Tuhka

(db) C H N S O MJ/kg

Kivihiili 1 38.7 61.3 15.7 74.7 5.0 1.4 1.0 17.9 25.6

Kivihiili 2 27.7 72.3 9.5 86.4 4.9 2.1 0.6 6.0 31.6

Kivihiili 3 18.5 81.5 10.3 89.8 2.0 2.0 0.5 3.5 32.0

Tuhka-analyysi (db) Pulverisoitu kivihiili 1 Pulverisoitu kivihiili 2

SiO2 46.00 50.14

Al2O3 25.19 26.73

Fe2O3 14.61 9.03

TiO2 1.24 1.33

P2O5 1.64 1.55

CaO 4.12 3.91

MnO 0.14 0.09

MgO 1.69 1.53

SOx 1.20 0.78

Na2O 0.21 0.41

K2O 1.22 1.04

BaO ND ND

SrO ND ND

NiO ND ND

V2O5 ND ND

Puuhiilell voitaisiin korvata hiilt

useissa kohteissa integroidussa

terstehtaassa

Puuhiilen tarve voisi olla jopa 400

000 t (injektiotapaus)

Puun tarve tllin 3.1 Mm3/a

Suorien fossiilisten CO2 pstjen

vhennys voisi olla jopa 1.3 Mt

Tll hetkell Ruukilla ljyinjektio Viskositeetin puolesta noin 1520%

kokonaisinjektiomrst voisi olla

kiinte puuhiilt (Salo 2012)

Puuhiilen tarve 32 000 t

Muiden biopelkistimien mahdollisia

kyttmri tarkasteltu raporteissa

Puuhiilt voitaisiin mahdollisesti

kytt Outokummun prosesseissa Kromiittipellettien sintrauksessa

Valokaariuunissa

Uppokaariuunissa

Puuhiilen ja puun arvioidut kyttmrt

Kytt ja korvattu hiililhde Tyypillinen hiilen

kyttmr Korvaus puuhiilell (%) Puuhiilimr (kg/trr)

Koksaamo

(koksautuva kivihiili)

480560 kg/trr

210

9.656 kg/trr

Masuuni-injektio

(pulverisoitu kivihiili)

150200 kg/trr 0100

0200 kg/trr

Masuunin phkinkoksi 45 kg/trr 50100 22.545 kg/trr

Masuunibriketti

(koksaamon sivutuotteet)

1012 kg/trr 0100 012 kg/trr

Sintraus

(koksimurska)

76.5102 kg/trr 50100 38.3102 kg/trr

Esipelkistetyt komposiittipelletit

Ei kytet tll hetkell 1836 kg/trr

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

Koksaamo

56 kg/trr

Kivihiili-injektio

200 kg/trr

ljyinjektio

16 kg/trr

Phkinkoksi

45 kg/trr

Masuunibriketti

12 kg/trr

Esipelkistetyt

komposiittipelletit

35 kg/trr

[Mm

3/a

] ja

[M

tCO

2/a

]

Puumr [Mm3/a] CO2 vhenem [MtCO2/a]

Oletukset o Kostean puun tiheys 850 kg/m3

o Raakaraudan tuotanto 2.0 Mt o Tuorekosteus 50% o Pyrolyysin saanto 30 % kuiva-aineesta

BIOMATERIAPOHJAISET RAAKA-AINESELVITYKSET

JA

BIOMATERIAN TERMOKEMIALLISET PROSESSOINTITAVAT

WP2.1 Biomateriapohjaisten ja vaihtoehtoisten raaka-aineiden ja tuotteiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

WP2.2 Biomateriapohjaisten ja vaihtoehtoisten raaka-aineiden saatavuusselvitys

WP3 Biomaterian prosessointitavat: esiksittelyt, termokemiallinen konversio ja kytt masuunissa

12

Raaka-aineiden saatavuus-WP2.2

Kuori,

mustalipe, ligniini

Sellu- ja

paperi-

teollisuus

Puutuote-teollisuus

Biojalostamo

Sellupuun korjuu

Puutuotteet

Kemian-

teollisuus

Energia-teollisuus

Tukkipuun

korjuu

Energiapuun

hakkuu ja

korjuu

Hake,

sahanpuru,

kuori

Sellu- ja paperituotteet

Shk- ja lmp

Rakennus-

teollisuus

Purkupuu Mntypikiljy

Kemikaalit,

vahat, jne.

Metallinjalostus-

teollisuus

Termokemiallinen

konversio

Hakkuuthteet,

kannot Hakkuuthteet

Biopolttoaine ajoneuvoihin

Puuperinen raaka-aine olisi trkein raaka-aine

biopelkistimien tuotannossa (suuressa mittakaavassa)

Energiakasvit jne. pieness roolissa

Muovit mys yksi vaihtoehto

Primary wood

Primary residues

Secondary residues

Tertiary residues

Raaka-aineiden saatavuus ja ominaisuudet-WP2.2

Kiinteit puuperisi polttoaineita kytettiin energiantuotannossa 31 TWh vuonna 2010

Mustalipe kytettiin 37.8 TWh Raakamntyljy tuotettiin noin

250 000 tonnia Noin 60 000 tonnia

mntypikiljy sivutuotteena Ligniinin erotus mustalipest

14

Hiili Vety Typpi Happi Rikki Tuhka Natrium

Hakkuuthde 51.3 6.1 0.3 40.85 0.02 1.33 NA

Sahanpuru (mnty) 51 5.99 0.08 4