Koksiseminaari 23.5.2012 Hannu Suopajärvi

1. Biopohjaisten pelkistysaineiden mahdollisuudet ja tulevaisuuden tutkimussuunnat prosessimetallurgian laboratoriossa Koksiseminaari 23.5.2012 Hannu Suopajärvi

2. Sisältö • Tausta • Biomassan tutkimus maailmalla • Bioreducer-projektin tavoitteet • Tuloksia (Bioreducer, Väitöstyö) • Biomassa metallurgisissa prosesseissa • Biomassan termokemialliset konversioreitit • ERP:n korvaaminen puuhiilellä (Case integroitu terästehdas) • Biomassan tarve (esimerkki) ja saatavuus • Kokeellinen tutkimus laboratoriossa biomassan hyötykäyttöön liittyen • Puuhiilen tuotantokustannukset • Biomassan käytön tutkimus tulevaisuudessa laboratoriossa • Lähteet

3. Tausta • Fossiilisten CO2 päästöjen pienentäminen • Terästeollisuus tuottaa noin 5-7 % fossiilisista CO2 päästöistä • Suomessa Ruukki tuottaa vuosittain noin 4 – 5 Mt CO2 (noin 6-7 % of CO2 päästöistä Suomessa, metallinjalostusteollisuus yhteensä noin 10 %) • Terästeollisuuden keinot pienentää fossiilisia CO2 päästöjä • Materiaalien ja energian käytön tehostaminen • Prosessi-integraatio • Uudet teknologiat • Yleiset ohjurit • Energiatehokkuussuunnitelmat • Päästökauppa • BAT/BREF • Ympäristömääräykset

4. Tausta http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2011:0112:FIN:FI:PDF • EU:n pyrkimykset vähähiiliseen talouteen vuosille 2030 ja 2050 ovat kunnianhimoiset • Perusvuotena 1990 (Teollisuus) • 2030 34 – 40 % vähennys • 2050 83 – 87 % vähennys • Miten sovelletaan käytäntöön? • Miten teräs/metalliteollisuus pystyy tähän vastaamaan?

5. Eurooppalaisenterästeollisuuden vastaus • ULCOS • Eurooppalainen konsortio, jonka tarkoituksena pienentää terästeollisuuden CO2 päästöjä 50 % tämän hetken teknologioihin verrattuna • Tutkimuskohteet: • Masuunin huippukaasun kierrätys • Hisarna (suorasulatus) • Ulcored (paranneltu suorapelkistys) • Ulcowin (elektrolyysi) • CCS mukana • Fossiilisten pelkistimien korvaaminen biomassalla • Pääpaino kuitenkin teknologioiden kehityksessä

6. Biomassan käytön tutkimus • Brasiliassa käytetään minimasuuneissa sekä kappalekoossa että injektoituna • Tutkimusta biomassan käytöstä eri prosesseissa • Masuuni • Koksin mukana • Injektoituna pulverisoidun kivihiilen tapaan • Sintraamo • Korvattu osa polttoaineesta • EAF • Energiantuoja ja kuonan kuohutus • DRI • Synteesikaasun tuottaminen biomassasta • SAF • Koksin mukana Ng et al. (2011) Reactivity of bio-coke with CO2

7. Biomassan käytön tutkimus • Tutkimusmetodit • Pulverisoitu puuhiili • Puuhiilen rakenne (huokoisuus) • Reaktiivisuus • Kaasuuntuminen… • Prosessimallinnus ja simulointi • Biokoksi • Koksin reaktiivisuuden ja lujuuden muutos • Erilaisia puuhiiliä ja eri kappalekoossa • Noin 5 % puuhiiltä voitaneen lisätä kivihiili-mixiin • Tutkittuja raaka-aineita mm. eukalyptus ja maatalouden tähteet • Tutkimusta mm. Keski-Euroopassa, Australiassa, Kanadassa ja Brasiliassa

8. Bioreducer tavoitteet • Kartoittaa mielekkäiden kuljetusetäisyyksien päässä Rautaruukin Raahen terästehtaalta olevat, korkean H/C-suhteen omaavat materiaalit. • Arvioida kullekin bioraaka-aineelle mielekkäin käyttöolomuoto (s,l,g) pelkistimenä ja teknologioita niiden tuottamiseen. • Määritellä tekniset muutostarpeet, uudet mahdollisuudet ja muutosten vaikutukset niin käyttökohteessa kuin tehtaan vaikutuspiirissä olevassa muussa tuotantoketjussa. • Arvioida aikaansaatavaa GHG-päästövähenemä ja vaikutusta toiminnan kestävyyteen (sustainability). Prosessimetallurgian laboratorio Hannu Suopajärvi, 23.5.2012

9. Bioreducer:n tuloksena saadaan • Realistinen näkemys biopohjaisen pelkistysaineen mahdollisen käytön laajuudesta metallurgisessa teollisuudessa Pohjois-Pohjanmaalla, Koillismaalla ja Perämeren kaaren alueella. • Uutta ja koottua tietoa erityyppisien biomateriaalien ominaisuuksista ja niiden käyttöönottoskenaarioiden edellyttämistä investoinneista ja muista muutoksista. • Tarkka ja monipuolinen kuva niin taloudellisesti kuin ympäristön kannalta erilaisien biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuuksista ja merkityksestä, ja mahdollisista yksityiskohtaisemmista jatkotutkimustarpeista. Aikataulu • Hanke on alkanut 1.9.2010 ja päättyy 31.8.2012. (jatkoaikahakemus 30.4.2013 hyväksytty) Prosessimetallurgian laboratorio Hannu Suopajärvi, 23.5.2012

10. Bioreducer:n johtoryhmä Prosessimetallurgian laboratorio Hannu Suopajärvi, 23.5.2012

11. Biomassan mahdollisuudet metallurgisissa prosesseissa • Masuuni suurin hiilen käyttäjä (Raahe, Koverhar) • Masuunissa käytetään monia pelkistimiä: koksi, kivihiili, maakaasu, muovi, koksaamokaasu • Biomassasta voidaan valmistaa lähes fossiilisia pelkistimiä vastaavia • Tietyt kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat erilaisia

12. Termokemialliset konversioreitit ja tuotteet • Hidas pyrolyysi • Puuhiili, saanto 30 % (k.a.) • Lämpöarvo n. 30 MJ/kg • Energiasaanto n. 50 % • Nopea pyrolyysi • Bioöljy, saanto 60 – 70 m-% (k.a.) • Lämpöarvo n. 16 – 19 MJ/kg • Puuhiili saanto 10-25 % • Kaasutus • Kaasusaanto kiinteästä 90 – 95 % • Energiasaanto n. 80 % • Vaatii H2O ja CO2 poiston • Entrainedflow-kaasutus • Kaasutus+metanointi • Energiasaanto jopa n. 70 % • Epäsuora tai kiertoleijupetikaasutus • Vaatii H2O ja CO2 poiston • Kallis investointi

13. Hidas pyrolyysi • Useitateknologioita • Pystyretortti • Lurgi: 27 000 t biohiiltä 2 retortissa • Tunneliretortti • O.E.T Calusco: 6 000 biohiiltä t • Rumpupyrolysaattori • Pacific pyrolysis: Valmiusnoin 10 000 t biohiiltälaitoksentoimittamiseen • Ruuvipyrolysaattori • Pyreg: 350 t biohiiltä • Preseco (Suomi) energiatehokkuus 90 % • SuurenmittakaavanhiiletyksestäkokemuksiamyösSuomessa (Vaponturvekoksitehdas) • Energiasaantojopa 80 % • 20 000 t turvekoksia • 40 000 t turvebrikettejä • Lämpöäjasähköä

14. Fossiilisten pelkistinten korvaaminen masuunissa • Systeemitarkastelu: puuhiili masuunissa • Puuhiili systeemin ulkopuolelta • Puuhiili tuotetaan systeemin sisällä ja sivutuotteet poltetaan voimalaitoksella (kapasiteetin oletetaan riittävän) • Tarkasteltiin, miten systeemin energiavirrat ja ympäristökuorma muuttuisivat eri tapauksissa

15. CO2 päästöt verrattuna kirjallisuuteen

16. Fossiilisten pelkistinten korvaaminen masuunissa • Hyvälaatuinen puuhiili on jopa parempaa kuin kivihiili • Saannon kustannuksella • Korvaamalla ERP (90 kg/trr) puuhiilellä (103.5 kg/trr) voidaan vähentää CO2 päästöjä noin 15.4 % • Lisäämällä edelleen injektio 150 kg/trr saadaan vähennys 26.4% • Mikäli tällainen määrä tuotetaan puuhiiltä vuodessa, voisi sivutuotteilla tuottaa merkittävän määrän CO2-neutraalia sähköä

17. Onko raaka-ainetta?Puun mahdollinen tarve: Case Ruukki • Mikäli kiinteän pelkistimen injektointilaitteisto • Pulverisoitua kivihiiltä injektoidaan yleisesti noin 150 kg/trr • Päästy jopa 200 kg/trr tasoon • Vaatii investoinnit • Tällöin tarvittavan puun määrä kasvaisi todella suureksi • Puuhiilen määrä jopa 480 000 t • Puun tarve jopa 3.4 Mm3 • Oletukset • Kostean puun tiheys 850 kg/m3 • Raakaraudan tuotanto 2.4 Mt • Tuorekosteus 50 % • Pyrolyysin saanto 33 % kuiva-aineesta Prosessimetallurgian laboratorio Hannu Suopajärvi, 23.5.2012

18. Puupohjainen biomassa Tukkipuu Kuitupuu Energiapuu Sellu- ja paperi metsäteollisuus Teräs- teollisuus Energia-teollisuus Sahateollisuus Kemianteollisuus Onko raaka-ainetta?Vaihtoehtoja on paljon • Useita primääri- ja sekundääriraaka-aineita • Energiapuu • Kierrätys- ja jätepuu • (Muovi) • Energiakasvit • Sahateollisuuden jakeet • Selluteollisuuden jakeet (Mäntyöljy, mäntyöljypiki, ligniini) • Prosessi-integraatio yi teollisuusrajojen • Mitkä sopivat metallurgisen teollisuuden käyttöön? • Taloudelliset realiteetit? Mustalipeä, ligniini Hake Hake, Kuori, Puru Hake, Kuori, Puru Kierrätyspuu Raakamäntyöljy Sahatuotteet Mäntypiki Kuluttajat

19. Energiapuun saatavuus Metsähakkeen käyttö lämpö- ja voimalaitoksissa oli 6.2 Mm3 vuonna 2010. Tekno-ekologinen potentiaali on 23.3 Mm3. Arvioitu käyttö lämpö- ja voimalaitoksissa vuonna 2020 noin 14.7 Mm3. Suopajärvi & Fabritius (2012)

20. Koetoiminta laboratoriossa aiheen parissa ERP+mäntypuuhiili • Varsinaisesti ei ole kokeelliseen toimintaan perustuvaa projektia • Diplomityö (A. Salo) • Masuuni-injektanttien viskositeettimittaukset • ERP-puuhiili-, Kivihiiliterva-puuhiili-seos • Viskositeetin puolesta noin 15 % (ERP) ja 10 % (kivihiiliterva) kokonaisinjektiomäärästä voisi olla kiinteää puuhiiltä • Riippuen kokonaisinjektiomäärästä noin 30 – 40 000 t vuodessa • Muita huomioitavia tekijöitä ovat seoksen tarvitsema sekoitus, laitteistojen ja putkistojen kuluminen, suuttimien tukkeutuminen, seoksen pisaroituminen, jne. Kivihiiliterva+mäntypuuhiili

21. M. Iljana Koetoiminta laboratoriossa aiheen parissa: Bioreducer • Bioreducer M. Iljana • Reaktiivisuus, palamiskäyttäytyminen, haihtuvat • Reaktiivisuuskoe (TGA-putkiuuni): • Dynaaminen ajomalli huoneenlämpötilasta tuhkaksi lämpötilaa nostaen 5 oC/min • Kaasuatmosfääri 50% N2, 35% CO & 15% CO2 • Jatkuvatoiminen näytteen massanmittaus (TGA) • Palamiskäyttäytyminen • Koelaitteisto: Netzsch STA 409PC • Kaasuatmosfääri: N2 tai ilma • Lämpötilan nostonopeus 10 oC/min • N2-atmosfäärissä koe lopetettiin 900 oC:ssa ja ilma-atmosfäärissä 1200 oC:ssa Syötekaasu (CO, CO2, N2) Prosessimetallurgian laboratorio Hannu Suopajärvi, 23.5.2012

22. M. Iljana Koetoiminta laboratoriossa aiheen parissa: Bioreducer • Näytteet joko hiottu pallomaisiksi (halkaisija n. 12 mm) tai seulottu 4-8 mm fraktioon (kuvaajassa selite “4-8 mm”) • Näytteet C-K edustavat eri biohiililaatuja. Rautaruukin metallurginen koksi ja antrasiitti tarjoavat vertailukohteen. Africa Prosessimetallurgian laboratorio Hannu Suopajärvi, 23.5.2012

23. M. Iljana Kaikki näytteet; TG-käyrä, N2-atmosfääri Koksi, RR Koivu, SB Oy Antrasiitti Turvekoksi Kuusihiili, Preseco • Haihtuvien osuudessa (VM, volatile matter) merkittävää eroavaisuutta puuhiilinäytteiden kesken • Pyrolyysiolosuhteet merkittävässä roolissa eikä eroa voida selittää puulajien ominaisuuksilla Turve, SB Oy Sekapuuhiili, Preseco Africa Sekalehtipuu, SB Oy Mänty, SB Oy Paju, SB Oy Prosessimetallurgian laboratorio Hannu Suopajärvi, 23.5.2012

24. M. Iljana Kaikki näytteet; TG-käyrä, ilma-atmosfääri Koivu, SB Oy Turvekoksi Kuusihiili, Preseco Antrasiitti Koksi, RR Turve, SB Oy Sekapuuhiili, Preseco Africa Sekalehtipuu, SB Oy Mänty, SB Oy Mänty, SB Oy Paju, SB Oy • Puuhiilillä palaminen alkaa alhaisemmassa lämpötilassa kuin koksilla ja antrasiitilla

25. M. Iljana Fossiilisten ja biopohjaisten pelkistinaineiden ominaisuuksia Suurin arvo Pienin arvo Referenssit Preseco Suomen Biosähkö Oy Prosessimetallurgian laboratorio Hannu Suopajärvi, 23.5.2012

26. Taloudelliset seikat • Biomassa raaka-aine • Esim. metsähake 18 €/MWh ~ 36 e/k-m3 ~ 90 €/t k.a. käyttöpaikalla • Tarvitaan 7 – 8 k-m3 yhtä puuhiilitonnia kohti • Raaka-aine 245 – 280 €/t puuhiiltä • Olisi suurin menoerä vuodessa (n. 50 – 70 % vuotuisista menoista) • Ohessa esitetty n. 57 MW (90 000 t kuiva-ainetta, 30 000 t puuhiiltä) tehoisen puuhiililaitoksen tuotantokustannuksia (alustava) • Kirjallisuuden pohjalta investointikustannus n. 20 M€ • Noin 85 – 90 % puun kemiallisesta energiasta on tuotteissa • Noin 50 % puuhiilessä • Sivutuotteet täytyy hyödyntää • Energiantuotanto, kemianteollisuus

27. Biopelkistinten rooli ja laboratorion ”intressit” • Erilaisten biopohjaisten raaka-aineiden karakterisointi • Kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet • Primääri raaka-aineet • Puun eri osat, energiakasvit • Sekundääri raaka-aineet • Sahateollisuuden sivutuotteet • Selluteollisuuden sivutuotteet (Mäntypikiöljy, ligniini) • Biomassasta tuotettujen pelkistimien tutkimus • Esim. Hiiletysaste • Prosessikohtainen (Torrefiointi, hiiletys) • Metallurgiset ominaisuudet • Vertaaminen fossiilisiin pelkistimiin • Käyttäytyminen todellisia prosesseja simuloivissa olosuhteissa • Masuuni • Uppokaariuuni • Prosessien asettamat vaatimukset • Raaka-aine, olosuhde, tuote portfolion tuottaminen • Vaatii hiiletyslaitteiston ja analysaattoreita

28. Biopelkistinten rooli ja laboratorion ”intressit” • Biokoksi • Biomassan, torrefioidun biomassan ja biohiilen lisääminen kivihiiliseokseen • Aikaisemmissa tutkimuksissa n. 5 % osuus todettu hyväksyttäväksi (CSR, CRI) • Sekainjektio • Pulverisoidut biohiilet • Biobriketti • Voitaisiinko saada koksin korviketta, joka täysin CO2-neutraali • Hiiletyksen aikainen puristaminen • Sitojan lisääminen • Voisi olla arvokkaampi tuote kuin esim. pulverisoitu kivihiili • Prosessi-integraatio mahdollisuudet http://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/63172/nbnfi-fe201006041971.pdf

29. Biopelkistinten rooli ja laboratorion ”intressit” • Laajaa yhteistyötä ja verkostojen rakentamista • RFCS-hanke (valmisteilla DL: 31.8.2012): Bio2BF yhdessä Mefosin kanssa • Mukana näillä näkymin Innventia, SveSkog, SSAB, LKAB?, Ruukki?, PVO? • Huipentuisi LKAB:n koemasuuni-ajoihin • Cleen: Yhdessä Itä-Suomen yliopiston kanssa • Hitaan pyrolyysin tuotteiden metallurginen karakterisointi • PK-yritysten kanssa viritelty erilaisia kuvioita, jaettu tietoa • Bioreducer toiminut hyvänä tienraivaajana • PYOMET haluaa olla viemässä eteenpäin tutkimusta alueella

30. Yhteenveto • Biomassan avulla pystyttäisiin tehokkaasti pienentämään fossiilisten CO2-päästöjen määrää terästeollisuudessa • Erilaisia biomassajakeita on saatavilla runsaasti • Mitkä jakeet soveltuvat pelkistinainekäyttöön, tulisi selvittää • Millainen esikäsittely on tarpeen eri prosessien kannalta • Biomassan käytön kokonaistaloudellisuuden kannalta on tärkeää, että koko biomassan energiasisältö saadaan hyötykäytettyä • Prosessi-integraatio • Prosessimetallurgian laboratoriolla vakaa aikomus olla mukana biomassaan liittyvässä tutkimuksessa tuottaen tieteellistä ja käytännöllistä tutkimustietoa

31. Lähteet • Iljana M (2011) Bioreducer johtoryhmän kokous 10.11.2011 • Iljana M (2012) Bioreducer johtoryhmän kokous 20.3.2012 • Ng KW, MacPhee JA, Giroux L & Todoschuk T (2011) Reactivity of bio-coke with CO2. Fuel Processing Technology 92(4): 801-804. • Salo A (2012) Masuuni-injektanttien viskositeettimittaukset. Diplomityö. Oulun yliopisto, Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto • Suopajärvi H & Angerman M (2011) Layered sustainability assessment framework. METEC InSteelCon. Proc. of 1st Int. Conference on Energy Efficiency and CO2 reduction in the Steel Industry, Düsseldorf, Germany • Suopajärvi H & Fabritius T (2012) Effects of biomass use in integrated steel plant – gate-to-gate life cycle inventory method. ISIJ International 52(5): 779-787. • Suopajärvi H & Fabritius T (2012) Evaluation of the possibility to utilize biomass in Finnish blast furnace ironmaking. Scanmet IV, 10-13 June 2012, Luleå, Sweden. • Suopajärvi et al. (xxxx) Assessment of the Potential of Substituting Fossil-based Reducing Agents with Biomass in a Finnish Steelworks. Sent for publication in: Renewable and Sustainable Energy Reviews.