Bruk av biokarbon i prosesser
Biokarbon = Biologisk karbon, f. eks. trekull og treflis
Bodil E. Monsen,
SINTEF Materialer og kjemi
Trondheim
PROSIN-workshop for prosessindustrien
OSLO
2013-04-22
SINTEF Materialer og kjemi
1
Bruk av biokarbon i prosesser
Innhold:
•
Mulig bruk av biokarbon i prosesser
•
Forutsetninger for økt bruk av biokarbon
– Ulike krav til biokarbon i ulike prosesser (FeSi, Si, FeMn, SiMn, SiC, Al)
1.
2.
3.
•
•
Riktig kvalitet → Trekull egenskaper
Tilstrekkelig trekull → Global trekull produksjon og internasjonal handel
Konkurransedyktig pris → Trekull importert til Norge - trender
Biokarbon prosjekter ved SINTEF
–
–
–
–
–
Eksempel på industrielt forsøk med kreosotimpregnert virke ved Finnfjord
Eksempler fra forsøk med trekull i pilotforsøk ved SINTEF
Arbeid med kartlegging av trevirke og mulighetsstudier
Fra trevirke til trekull (trekull-utbytte)
Tilsats av trekull til anoder for produksjon av aluminium
Motivasjon for å bruke trekull og treflis ved produksjon av silisium
SINTEF Materialer og kjemi
2
Mulig bruk av biokarbon i prosesser
Ulike krav til biokarbon i ulike prosesser
Forutsetter:
• Riktig biokarbon kvalitet, men kvalitet varierer
• Tilstrekkelig trekull
• Konkurransedyktig pris
Ferrosilisium (FeSi)
og silisium (Si)
"Slaggfri" prosess
Halvåpen – Luft inn
Ferromangan (FeMn)
og silikomangan (SiMn)
Lukket slagg-prosess
Silisiumkarbid (SiC)
Acheson-prosessen
Åpen, batch
SINTEF Materialer og kjemi
3
Mulig bruk av biokarbon i prosesser
Forutsetter:
1. Riktig biokarbon kvalitet, kvalitet varierer:
–
–
–
Askeinnhold og sporelementer er f eks både avhengig av barking, type trevirke, vekstforhold etc
Flyktighet og fix C er avhengig av oppvarmingshastighet og temperatur for trekulldannelse
Volumvekt (tetthet) og styrke er bl a avhengig av type treslag
–
–
–
Knapphet i internasjonalt marked
Nyetablering av trekullproduksjon er nødvendig
Tilfredsstille miljøkrav for skogsdrift, transport og produksjon av trekull
2. Tilstrekkelig trekull
3. Konkurransedyktig pris
Prosess
Biokarbon i
prosesser i
Norge
Må erstatte
ulike karbon
materialer
Ulike kvalitetskrav til
biokarbon for ulike
prosesser og produkt.
FeSi – Si
Noe, helst til Si
Flis + trekull
Kull, char (koks)
God SiO-reaktivitet, lavt
innhold av aske, elementer
FeMn-SiMn
Benyttes ikke
Metallurgisk koks
< 2% flyktighet
God styrke, lav CO2-reaktivitet
SiC
Benyttes ikke
Petrolkoks, grønn
God SiO-reaktivitet en fordel
Aluminium
Benyttes ikke
Petrolkoks, kalsinert Anode-krav. Være lite reaktiv
SINTEF Materialer og kjemi
4
5
Forutsetter:
1. Riktig biokarbon kvalitet, kvalitet varierer:
– Renhet: Askeinnhold og sporelementer er f eks både avhengig av
barking, type trevirke, vekstforhold, prosessering, etc.
– Flyktighet og fix C er avhengig av oppvarmingshastighet og temperatur
for trekullproduksjon
– Volumvekt (tetthet) og styrke er bl a avhengig av type treslag
Trekull fra Trekull
Trekull fra Trekull fra
Indonesia fra Brasil norsk gran norsk lønn
lab. 850 °C lab. 850 °C
Fix C (%)
81.6
80-82
96.7
95.8
Flyktighet (%)
15.5
17-18
2.5
2.1
Aske (%)
2.9
0,4-1,4
0.8
2.1
NB!
Det er det faste karbonet (fix C) som gjør reduksjonsarbeidet i prosessene.
SINTEF Materialer og kjemi
God SiO reaktivitet – viktig for FeSi- og Si-produksjon
SINTEF's SiO reaktivitetstest
•
•
Test for å velge reduksjonsmaterialer og vurdere hvor gode de er
Basis: Reaksjonshastighet med SiO-gass
SiO(g) + 2 C(s) = SiC(s) + CO (g)
6
SINTEF Materialer og kjemi
Forutsetter:
2. Tilstrekkelig trekull → Global trekull produksjon - trender
–
–
–
7
Knapphet i internasjonalt marked
Nyetablering av trekullproduksjon er nødvendig
Tilfredsstille miljøkrav for skogsdrift, transport og produksjon av trekull
Mange små lokale trekullprodusenter i Afrika, SørAmerika og Asia
47 million tonn trekull ble
produsert i 2009,
hovedsakelig benyttet
lokalt til matlaging og
brensel
Brasil er fortsatt den
største produsenten, til
tross for nedgangen i
2009.
Kilde: FAO Statistikk database
FAO = Food and agriculture organisation of the United Nations
SINTEF Materialer og kjemi
8
Internasjonal handel med trekull
- Raskt voksende internasjonal handel
- 1.8 mill. tonn eksportert i 2009
- Bare 4 % av global produksjon.
Kilde: FAO
SINTEF Materialer og kjemi
9
Forutsetter:
3. Konkurransedyktig pris
Trekull importert til Norge - Trender
• Økende trekull import på 90-tallet med stabile priser (200-300 USD/t).
• Redusert import etter toppåret 1998 og økende priser
Det tenderer mot renere kvaliteter og kvalitet koster.
Kilde: FAO Statistikk database
FAO = Food and agriculture organisation of the United Nations
SINTEF Materialer og kjemi
Biokarbon prosjekter ved SINTEF
Biokarbon-prosjekter (BIP) ved SINTEF for FFF
Støttet av Forskningsrådet og FFF
FFF = Ferrolegeringsindustriens Forskningsforening
1997-2001: ”Use of biocarbon in Norwegian Ferroalloy Industry”
2002-2004: ”Environmental friendly reduction processes”
2005-2007: ”Biocarbon for ferroalloy production”
ROMA-prosjekt (KMB) ved NTNU/SINTEF, støttet av FFF og
aluminiumsprodusenter
2008-2010: Trekull i anoder for produksjon av aluminium
Klimakurprosjekt for SFT
2009: Tiltak og virkemidler for reduksjon av klimagasser i norsk
prosessindustri
Prosjekter for Prosessindustriens Miljøfond (SO2-utslipp):
2009: Mulighetsstudie for bruk av trekull i SiC-produksjon
2010: Pilotforsøk med trekull i produksjon av SiC
SINTEF Materialer og kjemi
10
Arbeid for å nå målet – redusere CO2-utslipp
• Gi norsk ferrolegeringsindustri et grunnlag for å etablere en økt bruk av
biokarbon, og redusere tilsvarende bruk av fossilt karbon.
– Mulighetsstudier (1997, 1999, 2001, med flere)
– LCA analyser
– Redusere kostnader, forbundet med økt bruk av biokarbon
–
–
–
–
•
•
•
•
Øke verdiskapningen fra trevirke - trekull – metall
Tilfangst av trevirke, Logistikk
Produksjon av trekull (ved pyrolyse)
Nyttiggjøre biprodukter til energiformål
Forsøk med bruk av biokarbon i smelteprosesser og ved SiC-produksjon
Utvikle et norskprodusert trekull til å bli billigere enn importert trekull.
Utvikle et høyrent biokarbon til produksjon av silisium for solceller.
Optimalisere karbonutbyttet ved trekullproduksjon (mål 50% → 90%)
• 2-trinns høytrykksprosess (FFF patent)
– Benytte avfallstrevirke og samtidig løse et avfallsproblem?
• Trykkimpregnert CCA , 50-90 % (Cu, Cr, As) oppnådd fjernet ved rensing før bruk,
– CCA impregnert virke ikke aktuelt uten kontroll med As
• Kreosotimpregnert trevirke
• Øke kunnskapen om trekullets egenskaper og virkning i prosessene
– PhD-utdannelse og Master-utdannelse ved NTNU
11
SINTEF Materialer og kjemi
FORSØK VED FINNFJORD AS
Forsøk med kreosotimpregnert trevirke nov.2007
Egeninnsats i Biokarbon-prosjekt
Kreosotvirke inneholder PAH
• 12 000 000 µg/kg VV
• Er destruering ved FeSiproduksjon mulig?
35 år gamle stolper fra indre Troms
Finnfjord skaffet 41 tonn
• PAH i avgass er fortsatt lav,
men kan synes å øke noe.
• Avdamping/lukt ved flising.
SINTEF Materialer og kjemi
Forsøk ved SINTEF/NTNU
Produksjon av FeSi 75% i 150 kW enfase pilotovn
• Trekull fra Brasil som
reduksjonsmiddel
• 89 % utbytte i løpet av 10 timer
stabil produksjon
• 10.0 kWh/kg metall
Staking ved ferrosilisiumfremstilling
SINTEF Materialer og kjemi
Forsøk ved SINTEF/NTNU
Produksjon av silisium i 150 kW enfase pilotovn
 Trekull fra Brasil som reduksjonsmiddel
 84 % silisiumutbytte
 14.1 kWh/kg metall
Tapping av silisium
SINTEF Materialer og kjemi
Forsøk ved SINTEF/NTNU
15
Produksjon av SiMn i 150 kW enfase pilotovn
Ulike reduksjonsmaterialer (trekull og koks)
Metal analysis
20
%Si
15
% Si, % Fe
%Si
10
%Fe
5
Run 1: ind. coke (tip 20cm)
Run 2: reactive coke (tip 20cm)
Run 3: charcoal (tip 20cm)
Run 4: charcoal (tip 15cm)
Run 5: charcoal/coke (tip 15cm)
Run 6: charcoal/coke (tip 15cm)
0
1
3
5
Tap no.
7
SINTEF Materialer og kjemi
9
Ubrukte og lett tilgjengelige biokarbonkilder i
Norge, kartlagt av STØ i 1996-7
Forutsatt 25% fix C-utbytte (fra tørt trevirke):
365 000 tonn fix C/år fra trevirke (eksklusiv halm)
80% av totalt fix C behov i norsk FeSi og Si-produksjon i 1997
140 000
Tonn fix C per år
120 000
100 000
80 000
60 000
40 000
20 000
0
Tynningsvirke Hogstavfall
16
Sag-/kutterflis
Halm Ekstra avvirking avBygg- og
løvskog
rivingsvirke
SINTEF Materialer og kjemi
Mulighetsstudier: Bruk av biokarbon i FeSi- og Si- prosesser
År
1997
/5/
1999
/6/
2001
/7/
Ferroprod.
Fossilt
kr/t fix C
Trekull
kr/t fix C
v/smelteverk
Trekull
teknologi
Tiltakskost
Norge1
(kr/t CO2)
FeSi75
Koks 1500
2500
import
220
“
“
3050
N, Lurgi
285
Si
Kull 1000
2500
import
170
“
“
3050
N, Lurgi
230
FeSi75
Koks 1500
FeSi92
“
Si
Kull 1000
FeSi75
Koks 1600
470 - 530
3350-3540
420 - 500
N, VMR
400 - 420
2770 - 3070
N-Lambiotte
_
3200 - 3470
N-VMR
_
2800
import
-
N = Norsk trekullproduksjon, prosjektert (trekull produseres ikke i Norge)
s = substitusjon (20% eller 40 % i eksemplene), 15 -20 år avskrivning, 7-7,5 % rente
Råstoffet (trevirke) utgjør 67 – 90 % av kostnadene for prosjektert trekullproduksjon i N.
SINTEF Materialer og kjemi
17
kr/tonn
Feasibilitystudie 1997
kr/tonn trekull
kr/tonn fix C
Totalkostnad
2 440
3 050
Råstoffkostnad
2 193
2 742
Kapitalkostnad
282
353
Bemanning
83
104
Vedlikeholdskostnader
50
62
Energikostnad (olje + elektrisitet)
65
81
-233
-292
Energisalg (fjernvarme)
•
•
•
•
•
3 300
3 000
2 700
2 400
2 100
1 800
1 500
1 200
900
600
300
0
-300
Lurgi trekullprosess ble valgt og plassert I Trondheim
Stor kapasitet: 60 000 tonn trekull/år
Salg av overskuddsenergi til fjernvarme
Beregnet produksjon: 48 000 tonn fix C/år
ca 40% dekning av fix C-behovet i Trøndelag
SINTEF Materialer og kjemi
Kostnader for ulike reduksjonsmaterialer
for produksjon av FeSi og silisium i 1999
SINTEF Materialer og kjemi
Mulig bruk av trekull – et CO2-nøytralt tiltak
CO2-r ekneskap
ved pr oduksj on av 1 tonn Si
6 000
5 000
700
700
707
4 000
kg/tonn metall
Utlandet
Noreg
615
715
3 000
4 771
529
4 761
2 000
3 820
3 620
2 860
1 000
2 457
0
0 % bioC
frå trekol,
u/ER
0 % bioC
frå trekol,
m/ER
20 %
importert
bioC frå
trekol
20 %
norsk
bioC frå
trekol
40 %
importert
bioC frå
trekol
40 %
norsk
bioC frå
trekol
SINTEF Materialer og kjemi
20
Fra trevirke til trekull
Typisk innhold i trevirke
•
Element-analyse av norsk
trevirke uten bark (gran,
bjørk, furu og or):
C: 48 – 49 %
H: 6 %
O: 44 – 45 %
N: 0.1 – 0.3 %
S < 0.05 %
•
Byggesteiner i trevirket:
Cellulose:
32 - 42 %
Hemicellulose: 18 – 25 %
Lignin:
19 – 28 %
Pyrolyse av hemicellulose, cellulose og lignin
-dm/dt
(%/s)
Hemicellulose
(O-Ac-4-O-Me-D-glucurono-xylan)
0.35
Cellulose (Avicel)
0.30
Lignin (MWL Beech)
Mass
(%)
80
70
60
0.25
50
0.20
40
0.15
30
0.10
20
0.05
10
0.00
100
200
300
400
500
600
700
0
Temperature (°C)
TGA-analyse av Dr. E. Jakab at Hungarian Academy of Sciences, 1999
SINTEF Materialer og kjemi
21
22
35 %
30 %
25 %
Charcoal yield - spruce
Charcoal yield - maple
Volatiles in charcoal-spruce
Volatiles in charcoal-maple
20 %
15 %
10 %
5%
0%
450
550
650
750
850
950 1050 1150 1250
Carbonization temperature (°C)
70
0,7
60
0,6
50
0,5
40
0,4
30
0,3
20
0,2
Shrinkage, maple
Shrinkage, spruce
10
Volume weight - maple
Volume weight - spruce
0
50
250
450
650
850
1050
0,1
Volume weight (g/cm3)
40 %
Volume shrinkage (%)
Yield or volatiles (%)
Trekull produsert fra gran og lønn ved SINTEF
0,0
1250
Carbonization temperature (°C)
• Trekull tilvirket fra trevirke uten bark fordi
bark inneholder mer aske enn trevirke
• Langsom oppvarming for godt utbytte
• Trekull produsert ved høy temperatur har
lavt innhold av rest-flyktighet (ca 2 %) i
forhold til industrielle trekull (15–30 %)
• Trekullutbyttet (kg trekull/kg tørt trevirke)
avtar for økende temperatur.
SINTEF Materialer og kjemi
Mulig bruk av trekull som tilsats i anoder
for produksjon av aluminium
Forsøk med pilot-anoder
•
•
•
•
•
Tilvirket pilotanoder med 2-10 % trekull
Benyttet lab ved Hydro Årdal
Testet egenskaper
Sammenholdt egenskaper mot krav i
spesifikasjoner for anoder
Resultat publisert i USA på TMS 2010
"Light Metals"
Konklusjon
Anode-diameter 13 cm, høyde 17–18 cm
 Trekull kan ikke anbefales for bruk i anoder ved produksjon av
aluminium, basert på dette arbeidet.
 Trekull har ugunstig virkning på anodens egenskaper, slik som
tilsynelatende tetthet, CO2 reaktivitet, styrke, motstand, og dette er
uansett trekull type (med ulik tetthet og innhold av flyktighet, eller
innhold av K.
SINTEF Materialer og kjemi
23
Motivasjon for å bruke trekull og treflis
ved produksjon av silisium
• Prosess forbedringer
–Bedre fordeling av ovnsgass
–Økt kondensasjonsareal og masse for SiO-gass
–Bedre elektrisk motstand i ovnen
–Bedre SiO reaktivitet
• Produktkvalitet?
• Miljøeffekter
–Redusert utslipp av fossilt basert CO2
–Redusert utslipp av SO2
–Muligens redusert utslipp av sporelementer
SINTEF Materialer og kjemi
24