Bioöljy ja pyrolyysi

Tutkielma käsittelee pyrolyysiöljyn erityisesti Suomessa käytettäviä raaka-aineita puun kuorta ja hakkuujätettä sekä puubiomassan yleistä koostumusta. Pyrolyysiöljyn koostumus, ominaisuudet, edut ja haitat sekä käyttökohteet erilaisissa teollisuuden sovelluksissa muodostaa olennaisen osan tutkielmaa. Pyrolyysiöljyn valmistus on vasta historiansa alussa, joten eri näkökulmista hyviä ja huonoja valmistustapoja on erittäin monta. Näistä tärkeimpiä esitellään työssä. Lisäksi tutkielma sisältää katsauksen olemassa olevaan Suomalaiseen pyrolyysiöljyn valmistukseen Joensuussa ja tulevaisuuden bioöljyjalostamoliiketoimintaan Green Fuel Nordic –yhtiön toimesta. Lyhyesti tehdään myös katsaus suomalaiseen alan tutkimukseen sekä pyrolyysiöljyn jatkojalostamiseen muuhunkin käyttöön kuin voimalaitospolttoaineeksi.

Kiinteäkerroskaasuttimen toiminnan teoreettinen tarkastelu ja puupellettien kaasutuskokeet myötävirtareaktorilla

Tämä työ on osa tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena on kehittää uudentyyppinen kaasutustekniikkaan perustuva kiinteistöjen lämmitysjärjestelmä. Työ on tehty osaksi kirjallisuustutkimuksena käyttämällä hyödyksi alalla tehtyjä tutkimuksia ja kirjallisuutta. Kirjallisuustutkimuksen tavoitteena oli luoda yhtenäinen tietopaketti lämmitysjärjestelmän kehityksen tueksi. Työn kokeellisen osion tavoitteena oli tutkia lämmitysjärjestelmän kaasuttimen prototyypin toimintaa ja selvittää sen käyttöön liittyviä ongelmia. Kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksen vaiheita: alkulämpeneminen ja kuivuminen, syttyminen, pyrolyysi sekä jäännöshiilen palaminen ja kaasutus. Varsinkin pyrolyysiprosessin tunteminen on merkittävää, kun halutaan parantaa biomassan poltto- ja kaasutusprosessien suunnittelua. Lisäksi kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksessa syntyvän tuotekaasun ominaisuuksia: koostumus, lämpöarvo, tiheys ja palamisominaisuudet. Tuotekaasun ominaisuudet vaihtelevat suuresti kaasutusprosessista ja -olosuhteista sekä polttoaineesta riippuen. Tuotekaasun kohdalta käsitellään myös sen käyttökohteita. Perinteisesti kaasutuksen tuotekaasua käytetään lämmöntuotantoon, mutta tulevaisuuden haasteena on tuotekaasun käyttö kaasuturbiineissa sähköntuotantoon. Tuotekaasun käyttöä laajemmin rajoittaa sen sisältämät epäpuhtaudet. Tämän vuoksi kirjallisuusosiossa käsitellään myös tuotekaasun puhdistusmenetelmiä ja sen poltossa syntyvien päästöjen vähentämiskeinoja. Kokeellisessa osiossa suoritettiin puupellettien kaasutuskokeita TTKK:n Energia- ja prosessitekniikan laitoksen raskaaseen laboratorioon rakennetulla kaasutusreaktorilla. Kaasutuskokeiden avulla löydettiin kaasutusreaktorin toiminnan ongelmakohdat ja pystyttiin aloittamaan lämmitysjärjestelmän jatkokehitys.

Pyrolyysiöljyn tuottaminen kiertoleijukattilaan liitetyllä prosessilla

Pyrolyysiöljy on biomassasta nopealla hapettomalla lämpökäsittelyprosessilla saatavaa nestemäistä polttoainetta. Kasvavien uusiutuvan energian käyttötavoitteiden myötä pyrolyysiöljystä on tullut kiinnostava vaihtoehto fossiilisille polttoöljyille. Suurimmat käytön haasteet ovat alhainen lämpöarvo, korkeat kiintoainepitoisuudet ja happamuus fossiilisiin polttoöljyihin verrattuna sekä eri raaka-aineista syntyvät ominaisuuksiltaan erilaiset pyrolyysiöljyt. Pyrolyysiöljyn kaupallinen tuotanto on vasta käynnistymässä eikä sen laadulle ole olemassa standardeja, joten eri valmistajien tuotteet voivat poiketa toisistaan huomattavastikin. Suomessa on Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VTT) toimesta kehitetty Integrated Thermal Process (ITP)-konsepti, jossa pyrolyysiöljyn tuotantoprosessi on liitetty kiertoleijukattilaprosessiin. Prosessien yhdistämisellä voidaan parantaa kokonaishyötysuhdetta sekä hyödyntää laitosten yhteistä käyttöä ja polttoaineen hankintaa. Pyrolyysiprosessin tarvitsema lämpöenergia otetaan petihiekan välityksellä kattilasta, jossa poltetaan myös prosessissa syntyvät oheistuotteet. Tässä diplomityössä tutkittiin pyrolyysiprosessin vaikutusta voimalaitoksen toimintaan ja luotiin malli voimalaitoksen energiataseessa tapahtuvien muutosten arviointiin. Malli laskee sekä pyrolysaattorin että raaka-aineen käsittelyn vaikutukset voimalaitoksen sähkön- ja lämmöntuotantoon. Lisäksi mallin avulla voidaan arvioida pyrolysaattorin aiheuttama raaka-aineen tarve sekä voimalaitoksen lisäpolttoaineen tarve. Työssä tarkasteltiin myös pyrolyysiöljyn ominaisuuksia ja käyttökohteita, sekä tarvittavia muutoksia olemassa olevaan voimalaitokseen. Lisäksi arvioitiin tuotannon kannattavuutta. Mallia sovellettiin esimerkkivoimalaitokseen, jossa on harkittu pyrolyysiöljyn tuotannon aloittamista. Laskelmien perusteella pyrolyysiöljyn tuotannolla on sähkön- ja lämmöntuotantoa alentava sekä polttoaineen tarvetta korottava vaikutus. Pyrolyysiprosessin lisääminen nostaa voimalaitoksen kokonaishyötysuhdetta. Suotuisissa olosuhteissa öljytuotanto ITP-konseptilla näyttäisi olevan taloudellisesti kannattavaa.

The evaluation of hazardous gas components caused by the thermal degradation of plant oils and animal fats

Neste Oil has introduced plant oils and animal fats for the production of NExBTL renewable diesel, and these raw materials differ from the conventional mineral based oils. One subject of new raw materials study is thermal degradation, or in another name pyrolysis, of these organic oils and fats. The aim of this master’s thesis is to increase knowledge on thermal degradation of these new raw materials, and to identify possible gaseous harmful thermal degradation compounds. Another aim is to de-termine the health and environmental hazards of identified compounds. One objective is also to examine the formation possibilities of hazardous compounds in the produc-tion of NExBTL-diesel. Plant oils and animal fats consist mostly of triglycerides. Pyrolysis of triglycerides is a complex phenomenon, and many degradation products can be formed. Based on the literature studies, 13 hazardous degradation products were identified, one of which was acrolein. This compound is very toxic and dangerous to the environment. Own pyrolysis experiments were carried out with rapeseed and palm oils, and with a mix-ture of palm oil and animal fat. At least 12 hazardous compounds, including acrolein, were analysed from the gas phase. According to the experiments, the factors which influence on acrolein formation are the time of the experiment, the sphere (air/hydrogen) in which the experiment is carried out, and the characteristics of the used oil. The production of NExBTL-diesel is not based on pyrolysis. This is why thermal degradation is possible only when abnormal process conditions prevail.

Biomassan termisen konversion ja palamisen mallinnus leijupetikattilassa

Tässä tutkimusraportissa käsitellään eri biopolttoaineiden ominaisuuksia sekä biomassan termistä konversiota ja palamista. Erityisesti tutkimuksessa keskitytään edellä mainittuja prosesseja kuvaaviin malleihin. Tutkimuksessa käydään lyhyesti läpi myös biopolttoaineiden palamisesta syntyviin päästöihin sekä polton seurauksena aiheutuviin ongelmiin liittyviä ilmiöitä. Tavoitteena on tiivistää ja tuoda esille olennaisimpia biomassan palamiseen liittyviä prosesseja. Työssä keskitytään vain tiettyihin, kohdassa 2.3 esiteltyihin biopolttoaineisiin. Sen lisäksi tarkastelu kohdistetaan erityisesti leijupetikattiloihin, joiden on koetulosten perusteella osoitettu soveltuvan hyvin erilaisten biomassojen polttoon.

A Development and Application of a Three-Dimensional Model for a CFB Gasifier

The developing energy markets and rising energy system costs have sparked the need to find new forms of energy production and increase the self-sufficiency of energy production. One alternative is gasification, whose principles have been known for decades, but it is only recently when the technology has become a true alternative. However, in order to meet the requirements of modern energy production methods, it is necessary to study the phenomenon thoroughly. In order to understand the gasification process better and optimize it from the viewpoint of ecology and energy efficiency, it is necessary to develop effective and reliable modeling tools for gasifiers. The main aims of this work have been to understand gasification as a process and furthermore to develop an existing three-dimensional circulating fluidized bed modeling tool for modeling of gasification. The model is applied to two gasification processes of 12 and 50 MWth. The results of modeling and measurements have been compared and subsequently reviewed. The work was done in co-operation with Lappeenranta University of Technology and Foster Wheeler Energia Oy.

Nopeaan pyrolyysiin perustuvan bioöljyn tuotantolaitoksen liiketoiminnallinen malli ja kannattavuuslaskenta Savonlinnan seudulla

Pyrolyysiöljy on biomassasta nopealla hapettomalla lämpökäsittelyprosessilla valmistettavaa nestemäistä polttoainetta. Kasvavien uusiutuvan energian käyttötavoitteiden myötä pyrolyysiöljystä on tullut varteenotettava vaihtoehto fossiilisille polttoöljyille. Suurimmat käytön haasteet ovat alhainen lämpöarvo, happamuus ja korkeahkot kiintoainepitoisuudet verrattuna fossiilisiin polttoöljyihin. Nämä haasteet ovat kuitenkin ratkaistavissa. Työssä tarkasteltiin bioöljyn tuotantolaitoksen liiketoiminnallista mallia ja kannattavuutta Savonlinnan seudulle sijoitettuna. Tätä varten selvitettiin alueellinen raaka-aineen saatavuus ja hinta, sekä potentiaaliset markkinat pyrolyysiöljylle. Kannattavuuslaskentaa varten luotiin exel – pohjainen laskentatyökalu, jolla laskettiin pyrolyysiöljyn tuotannon omakustannushinnat ja kannattavuudet eri laitosvaihtoehdoille. Saaduille tuloksille tehtiin herkkyysanalyysi, jolla selvitettiin merkittävimmät kannattavuuteen vaikuttavat tekijät. Laskettujen tulosten perusteella pienemmät 100 BDMTPD (Bone Dry Metric Ton per Day) tuotantolaitokset eivät ole kannattavia investointeja. Suuremmat 400 BDMTPD tuotantolaitokset ovat kannattavia, kunhan raaka-aine saadaan kohtuulliseen hintaan ja investointikustannukset pysyvät kurissa.

Metanolin tuotanto biomassasta

Tämä työ käsittelee eri tapoja, joilla biomassasta voidaan valmistaa metanolia. Työssä käydään läpi eri valmistusreitit sekä tarkastellaan biomassaa raaka-aineena. Työhön on myös koottu joidenkin maailmalla tehtyjen tutkimusten aine- ja energiataseita. Tutkimusten pohjalta mietitään onko metanolin tuotanto liikennepolttoaineeksi tällä hetkellä taloudellisesti tai energiatehokkuudeltaan järkevää. Metanolia voidaan valmistaa biomassasta pääsääntöisesti viidellä eri tavalla. Ensimmäinen tapa on kaasuttaa biomassaa, jolloin tuotetaan raaka-kaasua. Raaka-kaasusta jalostetaan synteesikaasua, josta voidaan metanolisynteesillä valmistaa metanolia. Toinen tapa metanolin valmistamiseksi on liittää tuotanto sellunkeiton yhteyteen. Tällöin raaka-aineena olisi selluprosessissa syntyvä mustalipeä, josta metanoli voidaan erottaa. Kolmas mahdollinen valmistusprosessi on biomassan mädätys. Mädätyksessä syntyy biokaasua, josta jalostetaan synteesikaasuaja siitä edelleen metanolia. Neljäs keino metanolin valmistamiseksi biomassasta on pyrolyysi. Puun pyrolyysissä puu kuumennetaan nopeasti hapettomissa tai rajallisen hapensaannin olosuhteissa. Prosessissa syntyvästä pyrolyysiöljystä voidaan erottaa metanolia tislaamalla. Viides mahdollinen reitti metanolin valmistukselle on Fischer¬–Tropsch-synteesi. Biomassasta saatu synteesikaasu johdetaan FT-synteesiin, jossa katalyyttisesti saadaan hiilivetyjen ohella tuotettua metanolia. Biopolttoaineiden kuten metanolin valmistusprosesseja tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti, sillä uusiutumattomat energianlähteet eivät riitä loputtomasti ja niiden aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä halutaan vähentää. Tällä hetkellä tuotantoteknologiat eivät ole vielä tarpeeksi kehittyneet, jotta tuotanto saataisiin vastaamaan kulutusta. Metanolia ei kuitenkaan vielä voida käyttää sellaisenaan liikennepolttoaineena, joten metanolin markkinat ainakin vielä ovat sillä saralla varsin kapeat.

Pyrolyysiöljyn kestävyyskriteerien todentaminen

Euroopan unionin direktiivissä uusiutuvista lähteistä peräisin olevan energian käytön edistämisestä, eli niin sanotussa RES-direktiivissä asetetaan Suomelle tavoite nostaa uusiutuvan energian osuus kokonaisloppukulutuksesta 38 %:iin vuoteen 2020 mennessä. RES-direktiivissä asetetaan tuotetuille biopolttoaineille ja -nesteille kestävyyskriteerit. Tuotettujen biopolttoaineiden ja bionesteiden tulee täyttää kestävyyskriteerit, että tuotetut biopolttoaineet ja -nesteet huomioitaisiin kansallisia tavoitteita ja uusiutuvan energian velvoitteita täytettäessä. Pyrolyysiöljy on tumman ruskeaa nestettä, joka syntyy raaka-aineen hapettomissa olosuhteissa tapahtuvan kuumennuksen seurauksena. Biomassasta valmistettu pyrolyysiöljy on eräs potentiaalinen keino lisätä uusiutuvan energian käyttöä. Tässä työssä perehdytään RES-direktiivin asettamiin vaatimuksiin pyrolyysiöljyn tuotannossa. Työssä keskitytään tuotannossa käytettävien raaka-aineiden kestävyyskriteerien todentamiseen ja lisäksi RES-direktiivin asettamiin vaatimuksiin tuotetun pyrolyysiöljyn osalta. Työssä määritellään vaatimukset integroidun pyrolyysilaitoksen kestävyysjärjestelmälle sekä mitä vaatimuksia pyrolyysiöljyn tuotantoketjun muille osapuolille on kestävyyskriteerien todentamisen kannalta asetettava.

Solids removal in pyrolysis

Pyrolysis is a process for turning biomass into liquid fuel. The process consists of heating the biomass in inert conditions and quenching the resulting vapors into oil. The oil has many potential uses, such as heating fuel in peak heating plants. In order to broaden the application base and improve the quality of the oil, solids removal has to be addressed. The solids may also increase the probability of plugging in downstream equipment. The purpose of this research was to gain an understanding of the formation of solids in the pyrolysis process and to assess options for reducing the solid content of the oil. From literature it is known that the solids can be removed either by hot vapor filtration, liquid treatment or multiple cyclones. Hot vapor filtration decreases yield, but improves the stability of the oil while simultaneously removing solids and ash. Liquid treatment techniques are good for removing large particles but involve losses of pyrolysis liquid. Cyclones are a traditional robust technique used regularly in pyrolysis. In the experimental part of this thesis, a 2 MWfuel pyrolysis setup with 2 cyclones in series was operated and monitored. Solid and liquid samples were collected from various parts of the process for further examination. Sampling and sample treatment techniques were developed. The chemical properties of the pyrolysis char were also analyzed and assessed as a function of reactor temperature and fluidizing velocity. By measuring the particle size distributions it was noticed that there were much smaller particles collected from the second cyclone than fed into pyrolysis. The solids in the pyrolysis oil were even smaller. This was most likely caused by attrition and shrinkage. Due to better separation efficiency of the cyclones in large particles, excess attrition should be avoided.

Pyrolyysiöljyn valmistus Suomessa kotimaisista raaka-aineista

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää pyrolyysiöljyn tuotantomahdollisuuksia metsäbiomassasta Suomessa. Työssä käydään läpi olennaisia tuotantotekniikoita ja pohditaan tuotantolaitoksen mahdollista sijoituspaikkaa. Lisäksi tehdään karkea laskenta yksittäisen laitoksen ideaalisesta vuosikapasiteetista ja verrataan tulosta olemassa olevasta laitoksesta saatuihin tietoihin.