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.

Estudo da viabilidade técnica e econômica para aproveitamento de cascas de eucalyptus gerados no processo de fabricação de painéis de madeira

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Revegetation strategies for bauxite refinery residue: A case study of Alcan Gove in Northern Territory, Australia

Alumina extraction from bauxite ore with strong alkali produces waste bauxite refinery residue consisting of residue sand and red mud. The amount and composition of refinery residue depend on the purity of the bauxite ore and extraction conditions, and differs between refineries. The refinery residue is usually stored in engineered disposal areas that eventually have to be revegetated. This is challenging because of the alkaline and sodic nature of the residue. At Alcan Gove's bauxite refinery in Gove, Northern Territory, Australia, research into revegetation of bauxite residue has been conducted since the mid-1970s. In this review, we discuss approaches taken by Alcan Gove to achieve revegetation outcomes (soil capping of refinery residue) on wet-slurry disposal areas. Problems encountered in the past include poor drainage and water logging during the wet season, and salt scalding and capillary rise during the dry season. The amount of available water in the soil capping is the most important determinant of vegetation survival in the seasonally dry climate. Vegetation cover was found to prevent deterioration of the soil cover by minimising capillary rise of alkalinity from the refinery residue. The sodicity and alkalinity of the residue in old impoundments has diminished slightly over the 25 years since it was deposited. However, development of a blocky structure in red mud, presumably due to desiccation, allows root penetration, thereby supplying additional water to salt and alkali-tolerant plant species. This has led to the establishment of an ecosystem that approaches a native woodland.

Characterization of oil shale residue and rejects from irati formation by electron paramagnetic resonance

In this study, sedimentary organic matter of oil shale rejects, calschist, shale fine and the so called retorted shale from Irati formation was characterized. EPR was used to analyse the samples regarding loss of signal in g = 2.003 associated to the organic free radical with the calcined samples and washing with hydrogen peroxide. The radical signal was detected in all samples, however, for the calschist and shale fine samples another signal was identified at g = 2.000 which disappeared when the sample was heated at 400 ºC. Hydrogen peroxide washing was also performed and it was noted that after washing the signal appeared around g = 2.000 for all samples, including retorted shale, which might be due to the quartz E1 defect.

Effect of eucalyptus (Eucalyptus citriodora) fresh or residue leaves on methane emission in vitro

Rumen fermentation and methane emission for eucalyptus (Eucalyptus citriodora) fresh leaves (FL) or residue leaves (RL), after essential oil extraction from eucalyptus leaves in comparison with alfalfa (Medicago sativa) hay, were investigated in vitro. Eucalyptus FL and RL were obtained from the Distillery Trees Barras Company, Torrinha City, Sao Paulo, Brazil. The semi-automatic system of gas production was used to measure gas production, methane emission and rumen fermentation after 24 h incubation in vitro. The results showed that the crude protein (CP) contents were 76.4, 78.1 and 181.9 g kg(-1) DM for eucalyptus FL, RL and alfalfa hay, respectively. The neutral-detergent fibre (NDF) and acid-detergent fibre (ADF) were significantly lower in eucalyptus FL and RL than alfalfa hay. The Eucalyptus fresh and residue leaves were rich in total phenols (TP) and total tannins (TT) but had negligible content of condensed tannins (CT). There was significant reduction in cumulative gas production about 54 and 51% with eucalyptus FL and RL, respectively, compared with alfalfa hay. The methane emission (mL/g DM) was reduced (P<0.05) by 53 and 57% with eucalyptus FL and RL, respectively, but the reduction was 21 and 16% when expressed on truly digested organic matter basis. There were a decline (P<0.05) in true dry and organic matter degradation in vitro in eucalyptus FL and RL compared with alfalfa hay substrate. The partitioning factor values were higher (P<0.05) in eucalyptus FL and RL than alfalfa hay. There was no significant difference observed between eucalyptus FL, RL and alfalfa hay in protozoa count. It is concluded that the eucalyptus leaves have potential effect to mitigate CH4 production in vitro, which may be attributed to a decrease in fermentable substrate rather than to a direct effect on methanogenesis.

Simulation of sugarcane residue decomposition and aboveground growth

Due to the worldwide increase in demand for biofuels, the area cultivated with sugarcane is expected to increase. For environmental and economic reasons, an increasing proportion of the areas are being harvested without burning, leaving the residues on the soil surface. This periodical input of residues affects soil physical, chemical and biological properties, as well as plant growth and nutrition. Modeling can be a useful tool in the study of the complex interactions between the climate, residue quality, and the biological factors controlling plant growth and residue decomposition. The approach taken in this work was to parameterize the CENTURY model for the sugarcane crop, to simulate the temporal dynamics of aboveground phytomass and litter decomposition, and to validate the model through field experiment data. When studying aboveground growth, burned and unburned harvest systems were compared, as well as the effect of mineral fertilizer and organic residue applications. The simulations were performed with data from experiments with different durations, from 12 months to 60 years, in Goiana, TimbaA(0)ba and Pradpolis, Brazil; Harwood, Mackay and Tully, Australia; and Mount Edgecombe, South Africa. The differentiation of two pools in the litter, with different decomposition rates, was found to be a relevant factor in the simulations made. Originally, the model had a basically unlimited layer of mulch directly available for decomposition, 5,000 g m(-2). Through a parameter optimization process, the thickness of the mulch layer closer to the soil, more vulnerable to decomposition, was set as 110 g m(-2). By changing the layer of mulch at any given time available for decomposition, the sugarcane residues decomposition simulations where close to measured values (R (2) = 0.93), contributing to making the CENTURY model a tool for the study of sugarcane litter decomposition patterns. The CENTURY model accurately simulated aboveground carbon stalk values (R (2) = 0.76), considering burned and unburned harvest systems, plots with and without nitrogen fertilizer and organic amendment applications, in different climates and soil conditions.

Forest-related partnerships in Brazilian Amazonia: There is more to sustainable forest management than reduced impact logging

There is more to sustainable forest management than reduced impact logging. Partnerships between multiple actors are needed in order to create the institutional context for good forest governance and sustainable forest management and stimulate the necessary local community involvement. The idea behind this is that the parties would be able to achieve more jointly than on their own by combining assets, knowledge, skills and political power of actors at different levels of scale. This article aims to demonstrate by example the nature and variety of forest-related partnerships in Brazilian Amazonia. Based on the lessons learned from these cases and the authors` experience, the principal characteristics of successful partnerships are described, with a focus on political and socioeconomic aspects. These characteristics include fairly negotiated partnership objectives, the active involvement of the public sector as well as impartial brokers, equitable and cost-effective institutional arrangements, sufficient and equitably shared benefits for all the parties involved, addressing socioeconomic drawbacks, and taking measures to maintain sustainable exploitation levels. The authors argue that, in addition to product-oriented partnerships which focus on sustainable forest management, there is also a need for politically oriented partnerships based on civil society coalitions. The watchdog function of these politically oriented partnerships, their awareness-raising campaigns regarding detrimental policies and practices, and advocacy for good forest governance are essential for the creation of the appropriate legal and political framework for sustainable forest management. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

An alternative application to the Portuguese agro-industrial residue: Wheat straw

The effects of alkaline treatments of the wheat straw with sodium hydroxide were investigated. The optimal condition for extraction of hemicelluloses was found to be with 0.50 mol/l sodium hydroxide at 55C for 2 h. This resulted in the release of 17.3% of hemicellulose (% dry starting material), corresponding to the dissolution of 49.3% of the original hemicellulose. The yields were determined by gravimetric analysis and expressed as a proportion of the starting material. Chemical composition and physico-chemical properties of the samples of hemicelluloses were elucidated by a combination of sugar analyses, Fourier transform infrared (FTIR), and thermal analysis. The results showed that the treatments were very effective on the extraction of hemicelluloses from wheat straw and that the extraction intensity (expressed in terms of alkali concentration) had a great influence on the yield and chemical features of the hemicelluloses. The FTIR analysis revealed typical signal pattern for the hemicellulosic fraction in the 1,200-1,000 cm(-1) region. Bands between 1,166 and 1,000 cm(-1) are typical of xylans.