Bruk av biokarbon i prosesser
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
© Copyright 2024