Pajun esikäsittelymenetelmien testausta

Kirjoittajat: Kusti Ruokamo ja Eliisa Punttila

BioCarbonValue-hankkeessa tutkitaan erilaisten peltobiomassojen arvonnostoa ja soveltuvuutta korkean jalostusarvon hiilituotteisiin (BioCarbonValue 2024). Yhtenä selvitettävänä kokonaisuutena on raaka-aineiden käsiteltävyys ja miten eri esikäsittelymenetelmät tukevat biohiilen valmistusta. Tässä artikkelissa pääosassa on paju, jonka saatavuutta ja käyttökohteita tarkasteltiin aiemmassa julkaisussa (ks. Punttila 2024). BioCarbonValue-hanketta rahoittaa Business Finland ja toteuttajina toimivat VTT ja LAB-ammattikorkeakoulu.

Hankkeen tutkimusten raaka-aineena olevat pajuerät ovat peräisin Päijät-Hämeestä. Ensimmäinen pajuerä on 3 vuotta vanhaa hybridipajua. Tämä pajuerä murskattiin ilmakuivauksen jälkeen vasaramyllyllä sekä pelletöitiin ja pyrolysoitiin LABilla, ja siitä tehtiin myös hankkeen hiiltokokeet VTT:n toimesta. Keväällä 2024 kaadettiin ja kerättiin samalta paikalta vielä toinen erä, joka haketettiin ja jolle tehtiin ostopalveluna mekaaninen kuivauskoe. Seuraavat tekstit ja kuvat pyrkivät havainnollistamaan eri esikäsittelymenetelmiä ja niiden vaikutusta käsiteltävään materiaaliin

Kuva 1. Raivaussahalla kaadettua hybridipajua. (Kuva: Kusti Ruokamo 2024)

Pajun esikäsittelykoeajot LABin kiertotalouslaboratoriossa

Ensimmäinen pajuerä saapui LAB-ammattikorkeakoululle keväällä 2023 ja sen annettiin kuivua ensin huoneenlämmössä. Kuivauksen jälkeen pajut esikäsiteltiin vasaramyllyllä sopivaan palakokoon pelletöintiä varten. Vasaramyllyn käyttämiseksi biomassalle suositeltava kosteuspitoisuus on 8–15 % (Ruokamo, 2023c). Vasaramyllyssä käytettiin 6 mm matriisia, joka on osoittautunut useiden koeajojen perusteella optimaaliseksi ennen pelletöintiä. Pajuhakkeen kosteus vasaramyllyllä tehdyn esikäsittelyn jälkeen oli noin 11 m-%.

Kuva 2. Vasaramyllyllä hienonnettua pajua. (Kuva: Kusti Ruokamo 2023)

Pelletöinti tehtiin LABin pilot-mittakaavan pelletöintilaitteella. Laite soveltuu monenlaisten biomateriaalien pelletöintiin. Pelletöinnissä käytettiin halkaisijaltaan 6 mm matriisia ja lopputuloksena saatiin kiiltäviä sekä kovakylkisiä pajupellettejä. Pellettien jatkokäsittelyn ja käytön kannalta on suuri merkitys, että pelletti on rakenteeltaan tiukka sekä pysyy hyvin kasassa (Ruokamo 2023b). Pelletöintiprosessin jälkeen pellettien annettiin jäähtyä ja kovettua, jonka jälkeen pellettien seasta seulottiin ylimääräinen puupöly pois, joka voi aiheuttaa erilaisia haasteita pellettien käytössä.

Kuva 3. Pajupelletit jäähtymässä koeajon jälkeen. (Kuva: Kusti Ruokamo 2023)

Pellettien pyrolyysikoeajo

Pelletöinnin jälkeen paju pyrolysoitiin LABin panostoimisella pyrolyysilaitteistolla 700 °C lämpötilassa kahden tunnin ajan. Laite soveltuu pyrolyysiin 500–700 asteen lämpötilassa erilaisille materiaaleille (Ruokamo 2023a). Pyrolyysin lopputuotteena saadut biohiilipelletit analysoidaan. Tavoitteena on selvittää, vaikuttaako pelletöinti lopputulokseen. Hankkeen laajemmat pyrolyysikokeet toteuttaa VTT, joka selvittää biohiilen kemiallista ja rakenteellista koostumusta.

Kuva 4. Pajupelleteistä valmistettua biohiiltä (Kuva: Kusti Ruokamo 2024)

Pajun mekaaninen kuivaus korkeapainepuristimella

BioCarbonValue-hankkeessa päätettiin toteuttaa myös toinen pajun esikäsittelykoe, jossa testattiin pajun mekaanista kuivausta korkeapainepuristimella. Kokeessa käytettiin tuoretta pajua, joka heti kaatamisen jälkeen haketettiin ja toimitettiin puristettavaksi.

Kuva 5. Vastahaketettua tuoretta pajua (Kuva: Kusti Ruokamo 2024)

Pajuhakkeelle tehtiin ensin lyhyitä koeajoja 45–70 baarin paineilla, jotta saatiin määritettyä eri ajoparametrien vaikutus syötemateriaalin kuiva-ainepitoisuuteen sekä partikkelikokojakaumaan. Paras lopputulos saatiin aikaiseksi 45 baarin paineella, jolla suoritettiin hieman pidemmät koeajot. Puristuksen energiakulutus oli 23–24,2 kWh/BDT (tonnia kuiva-ainetta) ja kapasiteetti 0,41–0,48 BDT/h. Kuiva-ainepitoisuus nousi 40,3 prosentista 46,9 prosenttiin. (Pitkänen, 2024.) Käytännössä yhdestä kuiva-ainetonnista saataisiin tällä verrattain nopealla käsittelyllä erilleen 0,35 tonnia nestettä.

Kuva 6. Puristettua pajunestettä saavissa (Kuva: Kusti Ruokamo 2024)

Jos tavoitteena on vain materiaalin kuivaus ja verrataan perinteiseen ilmakuivaukseen, menetelmä ei vaikuttanut kovin energiatehokkaalta. Pajun kosteuspitoisuus laski 59,7 prosentista 53,1 prosenttiin. Käsittelyn jälkeen pajuhakkeen kosteus oli edelleen liian korkea pyrolyysiajon kannalta. Termiseen kuivaukseen verrattuna se voi kuitenkin olla merkittävästi energiatehokkaampi (Saalasti Oy 2024). Toisaalta isompi palakoko ja kone olisi voinut tuottaa paremman kuivaustuloksen. Menetelmän etuna on se, että mahdollisesti arvokkaita komponentteja sisältävä neste voidaan kerätä talteen. Biomassojen erilaisia kuivausmenetelmiä on kuitenkin olemassa useita, ja mekaanisia kuivausmenetelmiä käytetään usein termisen kuivauksen yhteydessä (Hallikainen 2021, 17–23).

Menetelmällä on vaikutusta myös rakenteeseen. Käsittelyssä aines puristuu, mutta rakenteen hienontumista voidaan käsittelyssä jonkun verran säädellä. Kokeessa testatuilla paineilla ei syntynyt eroja jauhautumisasteeseen vaan partikkelikokojakauma oli kaikissa samanlainen. Palakokojakauma ei myöskään merkittävästi muuttunut lähtötilanteesta. Seulonnalla ei voinut erottaa puun ja kuoren paloja, jotka olivat jakautuneet tasaisesti eri partikkelikokoihin. (Pitkänen 2024.) Käsittelyn vaikutusta biohiilen ominaisuuksiin selvitetään VTT:n tutkimuksissa.

Kuva 7. Rasteripaperilla 45 ja 50 baarin paineella puristettua pajuhaketta (Kuva: Kusti Ruokamo 2024)

Yhteenveto

Tämän artikkelin tavoitteena oli kuvata BioCarbonValue-hankkeessa testattuja pajun esikäsittelymenetelmiä. Paju voidaan kuljettaa ja varastoida kokonaisina runkoina, mutta sen esikäsittely on välttämätöntä ennen pyrolyysiä tarjoten myös muita etuja. Ennen pyrolyysiä pajun kosteuspitoisuuden tulisi olla noin 10–20 %. Pajun voidaan antaa kuivua itsestään kaatamisen jälkeen tai nopeuttaa kuivumista termisillä tai mekaanisilla kuivausmenetelmillä, jotka toisaalta vievät enemmän energiaa. Hankkeessa testatun korkeapainepuristuksen (mekaanisen kuivauksen) etuna on, että biomassassa oleva neste voidaan kerätä talteen. Pajun murskaus tai haketus taas on välttämätöntä, koska pajua ei voi kokonaisena syöttää pyrolyysilaitteistoon. Pajumurske tai -hake taas voidaan lisäksi tarvittaessa pelletöidä, jolloin se on helpompi kuljettaa ja siitä voidaan seuloa pois pöly, joka voi hankaloittaa pyrolyysiä.

Lähteet

BioCarbonValue. 2024. Home. Viitattu 24.4.2024. Saatavissa https://www.biocarbonvalue.fi/

Hallikainen, T. 2021. Biomassan esikäsittelyprosessit ennen polttoa voimalaitoksella. Kandidaatintyö. Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto,  School of Energy Systems, Energiatekniikka. Lappeenranta. Viitattu 28.10.2024. Saatavissa https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021083044611

Pitkänen, A. 2024. Willow Test Report, Saalasti Oy. Viitattu 21.10.2024. Julkaisematon raportti.

Punttila, E. 2024. Energy crops for biochar production. LAB Pro. Viitattu 28.10.2024. Saatavissa https://www.labopen.fi/lab-pro/energy-crops-for-biochar-production/

Ruokamo, K. 2023a. Panostoiminen pyrolyysilaitteisto. Viitattu 24.4.2024. Saatavissa https://blogit.lab.fi/labfocus/panostoiminen-pyrolyysilaitteisto/

Ruokamo, K. 2023b. Pelletöinnillä pienemmät hiukkaspäästöt. LAB Focus. Viitattu 24.4.2024. Saatavissa https://blogit.lab.fi/labfocus/pelletoinnilla-pienemmat-hiukkaspaastot/

Ruokamo, K. 2023c. Vasaramylly monipuolistaa kiertotalouslaboratorion esikäsittelylaitteistoa. LAB Focus. Viitattu 24.4.2024. Saatavissa https://blogit.lab.fi/labfocus/vasaramylly-monipuolistaa-kiertotalouslaboratorion-esikasittelylaitteistoa/

Saalasti Oy. 2024. High-Pressure Press – Hippo 1803. Viitattu 21.10.2024. Saatavissa https://saalasti.com/high-pressure-press-hippo/

Kirjoittajat

Kusti Ruokamo työskentelee laboratoriovastaavana LAB-ammattikorkeakoulun kiertotalouslaboratoriossa ja toimii BioCarbonValue-hankkeessa biomassojen esikäsittelymenetelmien ja pyrolyysin asiantuntijana.

Eliisa Punttila työskentelee TKI-asiantuntijana LAB-ammattikorkeakoulun Teknologia-yksikössä ja toimii BioCarbonValue-hankkeen projektipäällikkönä.

Artikkelikuva: https://pxhere.com/fi/photo/1640838 (CC0)

Viittausohje

Ruokamo, K. & Punttila, E. 2024. Pajun esikäsittelymenetelmien testausta. LAB Pro. Viitattu pvm. Saatavissa https://www.labopen.fi/lab-pro/pajun-esikasittelymenetelmien-testausta/