Hidaspyrolyysituotteiden hyödyntäminen ja tuotannon kannattavuus: Biohiili ja tisle

Translated title of the contribution: Utilization of slow pyrolysis products and feasibility of the production: Biochar and distillate

Leena Fagernäs, Eeva Kuoppala, Jussi Ranta, Vesa Arpiainen, Kari Tiilikkala, Riitta Kemppainen, Marleena Hagner, Heikki Setälä

    Research output: Book/ReportReport

    Abstract

    Tutkimusprojekti "Hidaspyrolyysin kokonaisratkaisut tuotevirtojen hyödyntämiseksi" (Hidaspyro II) toteutettiin Tekesin "BioRefine Uudet biomassatuotteet" -teknologiaohjelmassa vuosina 2011 - 2014 tutkimusosapuolten VTT:n, MTT:n ja Helsingin yliopiston kesken. Projektin päätavoitteena oli hidaspyrolyysiprosessin optimointi kaikkien tuotteiden (hiili, tisleet, terva, kaasut) hyödyntämiseksi ja uusien sovellusten kehittämiseksi. Osatavoitteina oli selvittää hiilen ja tisleiden vaikutus kasveihin, maaperään, maanparannukseen ja viljelyn ympäristöpäästöihin, määrittää hyvän biohiilen laatukriteereitä sekä selvittää tisleen käyttömahdollisuuksia hajuntorjunnassa ja tuotteiden ympäristö- ja ekotoksikologisia vaikutuksia. Hidaspyrolyysiprosessin kehittämiseksi ja optimoimiseksi suunniteltiin ja rakennettiin VTT:lle hallittu panostoiminen koelaitteisto (6 kg). Pyrolyysilaitteiston mitoittamiseksi ja ajo-olosuhteiden määrittämiseksi tehtiin ensin TGA-määrityksiä ja useita esikoeajoja. Varsinaisissa koeajoissa valmistettiin koivupuuraaka-aineesta hiiltä kolmessa eri hiiltolämpötilassa ja kerättiin nesteet talteen. Lisäksi tehtiin koeajo mädätysjäännöksen lietteellä. Kokeiden massataseet määritettiin ja hiili-ja nestetuotteiden laatua ja koostumusta analysoitiin. Eri lämpötiloissa tuotettuja koivupuuhiiliä käytettiin MTT:n ja HY:n käyttökokeissa. Hiilien vaikutusta kasveihin ja maaperään tutkittiin astiakokeilla kasvihuoneissa ja lierojen toksisuuskokeilla laboratoriossa. Biohiilen ja tisleiden vaikutusta kompostointiin tutkittiin kenttäkokeilla yhteistyössä osallistuvien yritysten kanssa. Tutkimustulosten pohjalta laadittiin uusien prosessikonseptien teknistaloudelliset arviot. Lisäksi tehtiin markkinaselvitys puupohjaisen hiilen markkinoista maanparannusaineena ja grillihiilenä. Pyrolyysilaitteiston suunnittelu ja toteutus erilaisten hiilien ja tisleiden tuottamiseksi ja prosessin optimoimiseksi onnistui. Työssä kehitettiin kaksivaiheinen ajo-ohjelma tervavapaan tisleen, ns. puhdastisleen, saamiseksi ja määrän maksimoimiseksi. Ainoana muuttujana koeajoissa oli hiillon loppulämpötila. Kokeiden perusteella valittiin lämpötilat selkeiden erojen saamiseksi hiilien välille. Matalassa lämpötilassa (300 °C) tuotetun hiilen saanto oli korkea ja kiinteän hiilen pitoisuus matala. Keskilämpötilahiilellä (375 °C) saanto pieneni ja vastaavasti kiinteän hiilen pitoisuus kasvoi. Saatujen hiilien ominaispinta-alat olivat kuitenkin hyvin pieniä. Korkean lämpötilan (475 °C) hiili vastasi hyvälaatuista grillihiiltä. Sen ominaispinta-ala oli 44 m2/g. Kehitetyllä kaksivaiheisella lämpötilaohjelmalla voidaan optimoida hiilen ja nesteiden saantoa ja laatua. Biohiilen käytön kannalta tärkeätä oli tieto biohiilen tehosta sitoa vettä tehokkaasti heti maahan sekoituksen jälkeen. Käytännössä biohiili kannattaa levittää kasvualustaan hyvissä ajoin ennen kasvien kylvöä ja aikaan, jolloin on tarve sitoa maassa olevaa vettä. Karkeaan kivennäismaahan lisätty biohiili lisäsi kasvien kasvua ja satoa, mutta ei kaikilla testatuilla viljelykasveilla. Kasvien kasvuun ja ominaisuuksiin vaikuttavat sekä hiilen että kasvin ominaisuudet. Hiiltolämpötilalla ei ollut ratkaisevaa vaikutusta, miten hiililisä vaikuttaa maan vesi- ja ravinnetalouteen tutkitulla aikavälillä. 300 °C:een lämpötilassa valmistetun hiilen vaikutukset kasvien kasvuun olivat pienempiä ja maan ominaisuuksiin erilaisia kuin korkeammissa lämpötiloissa valmistettujen hiilien. Biohiili paransi kompostoitumista sekä vähensi typpioksiduulipäästöjä ja hajuhaittoja. On mahdollista parantaa ravinteiden kierrätystä kompostoinnin avulla ja samalla sitoa hiiltä pois kierrosta. Vaikka biohiilen laatu vaihtelee, puuperäinen biohiili on ympäristöystävällinen tuote, jolla ei havaittu olevan kielteisiä vaikutuksia maaperän hajottajaeliöstöön ja sen toimintaan. Teknis-taloudellisten arvioiden perusteella uudet prosessikonseptit, joissa tisle käytetään kasvinsuojelussa ja hajunpoistossa, hiili grillihiilenä ja maanparannusaineena, ja tervat ja kaasut hyödynnetään energiantuotannossa, mahdollistavat merkittävän parannuksen tuotannon kannattavuudessa aikaisempiin konsepteihin verrattuna.
    Translated title of the contributionUtilization of slow pyrolysis products and feasibility of the production: Biochar and distillate
    Original languageFinnish
    Place of PublicationEspoo
    PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
    Number of pages80
    ISBN (Electronic)978-951-38-8277-8
    ISBN (Print)978-951-38-8276-1
    Publication statusPublished - 2014
    MoE publication typeNot Eligible

    Publication series

    SeriesVTT Technology
    Number182
    ISSN2242-1211

    Keywords

    • Slow pyrolysis
    • birch
    • biochar
    • charcoal
    • distillate
    • aqueous phase
    • wood vinegar
    • tar
    • soil improvement
    • composting
    • odour control
    • carbon sequestration
    • environmental effects

    Fingerprint Dive into the research topics of 'Utilization of slow pyrolysis products and feasibility of the production: Biochar and distillate'. Together they form a unique fingerprint.

  • Cite this

    Fagernäs, L., Kuoppala, E., Ranta, J., Arpiainen, V., Tiilikkala, K., Kemppainen, R., Hagner, M., & Setälä, H. (2014). Hidaspyrolyysituotteiden hyödyntäminen ja tuotannon kannattavuus: Biohiili ja tisle. VTT Technical Research Centre of Finland. VTT Technology, No. 182 http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2014/T182.pdf