Metsäteollisuuden sivutuotepolttoaineiden hyödyntäminen Etelä-Karjalassa

Tässä diplomityössä on selvitetty merkittävimpien kotimaisten polttoaineiden määrät Etelä-Karjalassa vuonna 1999. Pääpaino työssä on metsäteollisuuden sivutuotepolttoaineiden tarkastelussa. Metsähakkeelle ja kierrätyspolttoaineille on määritetty tuotantopotentiaalit. Myös turpeen tuotantomäärät on selvitetty. Lisäksi työssä on tarkasteltu alueella sijaitsevien teollisuuslaitosten ja kuntien energialaitosten polttoaineiden käyttöä. Työn tuloksia käytetään tutkimuksen seuraavassa vaiheessa, jolloin pyritään kehittämään teollisuusyritysten ja yhdyskuntien välistä energiaintegraatiota. Etelä-Karjalan kemiallisen metsäteollisuuden oman käytön ylijäävä sivutuotepolttoaineiden määrä oli vuonna 1999 yli 230 000 k-m3 (370 GWh). Mekaanisen metsäteollisuuden vastaava luku oli noin 210 000 k-m3 (330 GWh). Puunkäyttömäärien, energiankäyttötietojen ja kirjallisuudesta saatavien osuuksien perusteella mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotepolttoaineiden oman käytön ylijäävä määrä olisi noin 350 000 k-m3 (580 GWh). Eroa selittävät lähinnä tilastolliset virheet, sivutuoteliiketoiminnan vähyys ja vaihtoehtoiset käyttökohteet. Metsähakkeen tuotantopotentiaali oli vuoden 1999 hakkuutietoihin perustuen yli 640 000 k-m3, josta tekniset, taloudelliset ja ympäristölliset seikat huomioiden noin 210 000 k-m3 (410 GWh) olisi voitu hyödyntää energiantuotannossa. Etelä-Karjalassa vuonna 1999 syntyneistä jätemääristä olisi arvioiden mukaan voitu valmistaa noin 25 000 tonnia (100 GWh) kierrätyspolttoaineita. Kierrätyspolttoaineiden valmistus alkaa Joutsenossa vuosien 2003 - 2004 välillä. Turpeen tuotantomäärä oli vuonna 1999 noin 1 200 000 tonnia (1020 GWh). Etelä-Karjalan teollisuus ja kuntien energialaitokset käyttivät vuonna 1999 yli 17400 GWh polttoaineita. Ostopolttoaineiden tarve oli noin 4700 GWh, josta lähes 85 % täytettiin maakaasulla. Alueen kunnista kaikki, joissa ei ole kemiallista metsäteollisuutta, pystyisivät teoriassa täyttämään teollisuuden ja energialaitostensa ostopolttoaineiden tarpeen oman kunnan alueelta saatavilla kotimaisilla polttoaineilla.

Energiantuotanto kuivalla puupolttoaineella

Diplomityössä esitetään taustatietona puupolttoaineen ominaisuuksien vaikutusta energiantuotantolaitoksen mitoitukseen ja käyttöön. Työssä esitellään ensimmäisessä vaiheessa tehty laskentamalli, jolla on tehty 20 MW laitoksen mitoitus kolmelle eri polttoaineen kosteudelle. Mitoitustulosten perusteella määritellään jokaiselle laitokselle energiantuotantohinta, joita vertaillaan. Vertailun avulla saadaan tieto siitä, onko uusi laitos syytä mitoittaa kuivatulle puupolttoaineelle investointisäästöjen vuoksi. Työssä tarkastellaan myös risutukkien ominaisuuksia, hyödyntämismahdollisuuksia sekä niiden varastokuivatuksen taloudellisuutta.

Puunpolton mahdollisuudet Suomenojan voimalaitoksella

Puuenergian käyttö on viime vuosina lisääntynyt kaukolämmön tuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Puun kilpailukykyä polttoaineena ovat lisänneet polttotekniikan ja korjuutekniikoiden kehittyminen. Puun energiakäyttöä on edistänyt myös valtiovalta tukien ja veroratkaisuiden avulla, koska fossiilisten polttoaineiden korvaaminen puupolttoaineilla tukee Suomen ilmastopoliittisia tavoitteita. Tämän työn tavoitteena oli selvittää puupolttoaineiden käytön mahdollisuudet Espoon Sähkön Suomenojan voimalaitoksella. Nykyiset Suomenojan pääpolttoaineet ovat kivihiili ja maakaasu. Suomenojalle toimitetut puupolttoaineet koostuisivat sahoilta saatavista sivutuotteista, metsätähdehakkeesta ja kierrätyspuusta. Puupolttoaineiden taloudellinen saatavuus vaihtelee alueittain huomattavasti. Espoo ei tässä suhteessa ole sijainniltaan edullinen. Saatujen polttoainetarjousten perusteella puunpolton kustannukset nousevat kivihiilen kustannuksia korkeammiksi kuljetusetäisyyksistä johtuen, kun puunpoltto on yli 300 GWh/a. Tämä vastaisi 10 prosenttia Espoon Sähkön vuoden 2000 kokonaispolttoainekäytöstä ja 8 prosenttia arvioidusta polttoaineiden käytöstä vuodelle 2010. Puuta voidaan polttaa leijukerrostekniikkaan perustuvissa kattiloissa, arinakattiloissa, pölypolttona tai kaasuttamalla ja johtamalla tuotekaasu poltettavaksi. Puun ravinneaineista kloori voi aiheuttaa kuumakorroosiota höyrykattiloiden tulistimissa. Tätä pyritään estämään seospoltolla rikkipitoisten polttoaineiden, kuten turpeen tai kivihiilen kanssa. Seospoltto muiden polttoaineiden kanssa parantaa myös puun palamistulosta. Puupolttoaineiden kosteus voi olla jopa 60 prosenttia. Tässä työssä tutkittiin puun energiakäytölle pääasiassa kuutta eri ratkaisua. Ne olivat: kaasuttimen rakentaminen ja tuotekaasun poltto nykyisessä hiilipölykattilassa, hiilipölykattilan muuttaminen leijukerrospolttoon, uuden vastapainevoimalaitoksen rakentaminen, Suomenojalla olevan hiilivesikattilan muuttaminen puupolttoaineille, kivihiilen ja puun yhteispoltto hiilipölykattilassa puu/hiilipölypolttimilla sekä leijukerroskattilan rakentaminen ja sen yhdistäminen olemassa olevaan höyryturbiiniin. Taloudellisesti kannattaviksi ratkaisuiksi osoittautui kaksi viimeksi mainittua. Jos voimalaitostonttia halutaan säästää myöhempää maakaasuvoimalaitoshanketta varten, nousee puun ja kivihiilen yhteispoltto puu/hiilipölypolttimilla oleellisesti paremmaksi vaih-toehdoksi. Tämän vaihtoehdon korollinen takaisinmaksuaika on 7-11 vuotta, riippuen puunpolton laajuudesta. Kannattavuudelle on hyvin tärkeää puulla tuotetun sähkön tuki. Yhteispolton ansiosta hiilipölykattilan rikkidioksidi- ja hiilidioksidipäästöt sekä mahdollisesti myös typenoksidipäästöt vähenisivät. Puunpoltto lisää savukaasuvirtaa, nostaa savukaasun loppulämpötilaa ja mahdollisesti laskee hyötysuhdetta. Laitoksen rekkaliikenne lisääntyy. Kaikki esitetyt ratkaisuvaihtoehdot vähentäisivät hiilidioksidipäästöjä. Puunpolttoratkaisuilla ei kuitenkaan pystytä vähentämään Espoon Sähkön energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä alle vuoden 1990 tason, mutta hiilidioksidin ominaispäästöissä edellä mainitun tason alle päästäisiin.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Hakkuutähteestä valmistetun pyrolyysiöljyn elinkaaren kasvihuonekaasupäästöt

Kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi ja uusiutuvan energian käytön lisäämiseksi EU:ssa on säädetty direktiivi uusiutuvan energian käytön edistämisestä(RES-direktiivi). Direktiivissä annetaan ohjeet biopolttoaineiden ja bionesteiden kasvihuonekaasuvaikutusten laskemiseen. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, täyttääkö hakkuutähteistä valmistettu pyrolyysiöljy RES-direktiivin asettamat määrälliset vaatimukset kasvihuonekaasujen päästövähennykselle silloin, kun pyrolyysiöljyllä korvataan raskasta polttoöljyä lämmöntuotannossa. Laskenta suorittiin direktiivin ohjeiden mukaan. Lisäksi työssä pohdittiin laskentamenetelmän soveltuvuutta pyrolyysiöljyn ilmastovaikutusten arviointiin yleisesti. Laskennassa huomioitiin raaka-aineen tuotannosta, jalostuksesta sekä kuljetuksesta ja jakelusta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Päästöt laskettiin ensin oletusarvoilla, jonka jälkeen suoritettiin todennäköisyyspohjainen herkkyystarkastelu valituille parametreille. Herkkyystarkastelun tuloksista huomattiin, että päästövähennys riippuu pääasiassa kahdesta tekijästä: maaperän hiilitaseen muutoksesta aiheutuvista päästöistä ja pyrolyysiprosessin tarvitseman lämmön tuotantoon käytetyistä polttoaineista. Eniten tuloksiin vaikutti kuitenkin se, oletettiinko pyrolysaattori ja kattila tarkastelussa erillisiksi yksiköiksi (tapaus 1) vai kokonaisuudeksi (tapaus 2). Tulosten perusteella näyttää siltä, että pyrolyysiöljyn käyttö lämmöntuotannossa raskaan polttoöljyn sijasta johtaa päästövähennyksiin. Saatuja tuloksia ei kuitenkaan voida pitää ennusteina pyrolyysiöljyn todellisista ilmastovaikutuksista, koska elinkaariarviointiin liittyy monia epävarmuuksia. RES-direktiivin laskentaohjeet esimerkiksi järjestelmärajausten muodostamisesta ja päästöjen kohdentamisesta ovat epätarkat. Tästä syystä direktiiviä on mahdollista tulkita usealla eri tavalla, jolloin toisistaan poikkeavat tulokset voivat silti olla kaikki direktiivin mukaisesti laskettuja. Jotta liika tulkinnanvaraisuus ei aiheuttaisi ongelmia, olisi RES-direktiivin laskentaohjetta hyvä tarkentaa.

Hakkeen kuivaus ennen varastointia ja biopolttoaineterminaalin suunnittelu

Lempäälään aiotaan rakentaa uusi kaukolämpölaitos, jossa polttoaineena käytettäisiin haketta. Nykyään Lempäälässä tuotetaan kaukolämpöä maakaasulla, jonka käyttämisestä halutaan siirtyä käyttämään lähialueilta saatavaa biopolttoainetta. Tässä työssä halutaan selvittää, mitä hyötyjä saataisiin hakkeen koneellisesta kuivauksesta. Työn toisena tavoitteena on suunnitella ja pohtia biopolttoaineterminaalin rakentamista sekä käsitellä hakkeen varastointia yleensä. Työssä tutustutaan hakkeeseen aiheesta kertovan kirjallisuuden avulla. Työssä on myös laskettu hakkeen kuivauksesta saatavia hyötyjä hakkeen lämpöarvoon sekä energiatiheyteen. Erityisesti perehdytään metsätähdehakkeeseen, rankahakkeeseen, kuorihakkeeseen sekä sahanpuruun. Laskelmien tuloksista on havaittu, että suurin hyöty hakkeen energiatiheyden parantumisessa saadaan kun hake kuivataan 35 % kosteuspitoisuuteen. Tämän jälkeen energiatiheyden paraneminen tapahtuu hitaammin. Hakkeen kuivauksesta saadaan myös muita hyötyjä kuin energiatiheyden paraneminen. Kuivan hakkeen käsittelyn ja varastoinnin on havaittu olevan vaivattomampaa kuin märän hakkeen. Biopolttoaineterminaalin ja voimalaitoksen tulisi sijaita rinnakkain, jotta hakkeen kuivauksesta saadaan mahdollisimman kustannustehokasta. Näin ollen syntyisi myös säästöjä hakkeen kuljetuksen suhteen. Biopolttoaineterminaalin rakentamista varten tarvittaisiin tilaa alustavien laskelmien perusteella noin yksi hehtaari. Työssä on myös laskettu biopolttoaineterminaalin rakentamisesta aiheutuvia kustannuksia sekä hakkeen kuljetuksesta koituvia logistiikka kustannuksia. Haketerminaalin ja voimalaitoksen sijaintia Lempäälässä on myös kartoitettu.

Hakkuutähteen arvoketjun analysointi ja kannattavuuden tehostaminen

Suomen tavoitteena on nostaa metsähakkeen käyttö 25 TWh:iin vuoteen 2020 mennessä. Tavoitteen saavuttaminen edellyttää, että metsähakkeen käyttö ja tuotanto on kannatta-vuudeltaan houkuttelevaa. Suuri osa Suomen energiapuusta saadaan ainespuun hakkuun yhteydessä kerättävistä hakkuutähteistä, josta valmistetaan haketta lämpölaitosten tarpee-seen. Tämän työn tavoitteena oli tarkastella suomalaisen metsäteollisuusyrityksen metsähak-keen tuottamiseen liittyvää arvoketjua ja löytää sieltä ne prosessin osat, joissa arvoa syn-tyy eniten sekä ne prosessin osat, joissa arvoa mahdollisesti menetetään. Arvoketjun tarkastelun lisäksi työn tavoitteena oli selvittää mahdollisuuksia latvusmassa-hakkeen kannattavuuden parantamiseen case yrityksessä. Arvoketju analyysiin perustuen tutkimuksessa voitiin todeta suurimman metsäenergian arvon syntyvän hakkuutähteen kuivumisen seurauksena. Liian pitkä varastointiaika sitä vastoin aiheuttaa kuiva-ainetappiosta johtuvaa arvon menetystä hankintaketjussa. Suurin vaikutus hakkuutähdehakkeen kannattavuuteen on hakkeen alhaisella kosteudella. Tutkimuksessa todettiin lisäksi kaukokuljetuskustannusten vaikuttavan erityisen suuresti haketuotannon kannattavuuteen.

Backhoe loaders as base machines in logging operations

Summary

Logging versus fire : how does disturbance type influence the abundance of Pinus strobus regeneration?

Abstract

Historical logging, productivity, and structural characteristics of boreal coniferous forests in Norway

Abstract

Logging residues from regeneration fellings for biofuel production - a GIS-based availability and supply cost analysis

Finland has large forest fuel resources. However, the use of forest fuels for energy production has been low, except for small-scale use in heating. According to national action plans and programs related to wood energy promotion, the utilization of such resources will be multiplied over the next few years. The most significant part of this growth will be based on the utilization of forest fuels, produced from logging residues of regeneration fellings, in industrial and municipal power and heating plants. Availability of logging residues was analyzed by means of resource and demand approaches in order to identify the most suitable regions with focus on increasing the forest fuel usage. The analysis included availability and supply cost comparisons between power plant sites and resource allocation in a least cost manner, and between a predefined power plant structure under demand and supply constraints. Spatial analysis of worksite factors and regional geographies were carried out using the GIS-model environment via geoprocessing and cartographic modeling tools. According to the results of analyses, the cost competitiveness of forest fuel supply should be improved in order to achieve the designed objectives in the near future. Availability and supply costs of forest fuels varied spatially and were very sensitive to worksite factors and transport distances. According to the site-specific analysis the supply potential between differentlocations can be multifold. However, due to technical and economical reasons ofthe fuel supply and dense power plant infrastructure, the supply potential is limited at plant level. Therefore, the potential and supply cost calculations aredepending on site-specific matters, where regional characteristics of resourcesand infrastructure should be taken into consideration, for example by using a GIS-modeling approach constructed in this study.

Paperitehdasintegraatin tuorevesien käsittely kloorikaasun korvaavalla menetelmällä

Työn tarkoitus on löytää paperitehdasintegraatin tuorevesien käsittelyyn kloorikaasun korvaava desinfiointimenetelmä Stora Enso Publication Papers Oy Ltd.:n Anjalan tehtailla. Tehtaalla on ympäristöluvassaan velvoite selvittää mahdollisuudet tuoreveden desinfiointiin käytettävän kaasumaisen kloorin korvaamiseen hypokloriitilla. Kloorikaasun käyttö tehtaalla on työturvallisuusriski, ja jäännösklooripitoisuuksien hallittavuus kloorikaasua käytettäessä on heikko. Työssä tutkittava vesijae on kemiallisesti puhdistettu vesi. Koeajossa käytettävät kemikaalit ovat 10 % natriumhypokloriitti (NaOCl) ja kantaja-aine eli bromikloori- di-metyyli-hydantoiini (BCDMH). Tuloksista voidaan päätellä, että NaOCl:lla ja NaOCl:lla yhdessä BCDMH:n kanssa saavutetaan veden käyttökohteessa korkeammat aktiivisen kloorin jäännöspitoisuudet kuin kloorikaasulla. NaOCl:n ja kaksikomponenttisysteemin käyttökustannukset ovat kuitenkin yli kuusinkertaiset kloorikaasuun verrattuna. NaOCl annosteltuna yhteen pisteeseen olisi vaivattomin menetelmä kloorikaasun korvaamiseen. NaOCl:n annostelulla kahteen pisteeseen voitaisiin saavuttaa korkeampia jäännöspitoisuuksia kuin yhden pisteen annostelulla, mutta menetelmä vaatii lisätutkimuksia. Kaksikomponenttisysteemillä saavutetaan korkeimmat aktiivisen kloorin jäännöspitoisuudet, mutta sen seurantamenetelmien luotettavuudesta tulee varmistua ennen menetelmän käyttöönottoa. Korroosion ehkäisyn ja työturvallisuuden kannalta sekä NaOCl että NaOCl yhdessä BCDMH:n kanssa ovat turvallisempia vaihtoehtoja kuin kaasukloori.