Pyrolyysituotteiden monet käyttökohteet

LABin Lahteen valmistuvaan energia- ja kiertotalousympäristöön hankitaan mm. pyrolyysin pilot-laitteisto. Pyrolyysi on monipuolinen prosessi, josta voidaan saada monia eri tuotteita. Mutta mitä ovat nämä tuotteet ja mihin niitä voidaan käyttää?

Kirjoittaja: Lauri Leppäkoski

Pyrolyysissa eli kuivatislauksessa materiaalia kuumennetaan hapettomissa olosuhteissa. Prosessista saatavat tuotteet ovat pyrolyysiöljy, -kaasu ja hiili sekä lämpöenergia. EKI-hankkeessa investoitavalla pyrolyysilaitteella ja muilla tutkimuslaitteistoilla voidaan valmistaa ja analysoida juuri näitä tuotteita (LAB-ammattikorkeakoulu 2020). Kuvassa 1 on esitetty yksinkertaistettu kaavio biomassan pyrolyysiprosessista ja esimerkkejä tuotteiden mahdollisista hyödyntämistavoista. Tässä kirjoituksessa niihin perehdytään hieman tarkemmin.

Kuva 1. Yksinkertaistettu pyrolyysiprosessi (Crombie & Mašek 2014)

Biohiili ilmastonmuutoksen hillinnässä ja maanparannuksessa

Biomassan pyrolyysissa muodostunutta hiilituotetta kutsutaan biohiileksi. Ilmaston kannalta biohiilen tärkein ominaisuus on sen pitkäikäisyys, joten sitä voidaan käyttää hiilen varastointiin. Usein varastona käytetään maaperää. Osa biomassan sitomasta hiilestä muuttuu pyrolysoitaessa hitaasti hajoavaan muotoon, joka voi säilyä maaperässä jopa satoja vuosia. Täten hiili siirtyy hitaampaan hiilikiertoon eikä palaudu välittömästi ilmakehään. (Söderqvist 2019.)

Ilmastohyödyt eivät ole ainoa syy lisätä biohiiltä maaperään. Myös seuraavia maaperähyötyjä on raportoitu:

N₂O- ja CH₄-päästöjen väheneminen
parantunut satotaso
maaperän mikrobiaktiivisuuden lisääntyminen
maaperän vedenpidätyskyvyn parantuminen
maaperän kationinvaihtokyvyn parantuminen
eroosion väheneminen
lannoitetarpeen väheneminen
ravinnevalumien väheneminen.

Maaperän lisäksi biohiiltä voidaan lisätä lantaan tai karjan rehuun. Karjan rehuun lisättynä biohiili saattaa vähentää antibioottien tarvetta, sairauksia ja eläinkuolemia. Lantaan sekoitettuna biohiili voi vähentää hajuja ja ammoniakkipäästöje (NH₃) kompostoinnin aikana. Näiden hyötyjen lisäksi voidaan saavuttaa myös aiemmin mainitut maaperähyödyt, kun biohiiltä sisältävä eläimen lanta levitetään pelloille. (Jawad 2018.)

Mahdollisia hyödyntämiskohteita voidaan löytää myös maataloussektorin ulkopuolelta, kuten kaupungeista ja puutarhoista. Kaupunkien viheralueilla biohiili voi auttaa hulevesien puhdistuksessa ja käsittelyssä. Biohiiltä voidaan myydä myös tavallisten kuluttajien puutarhoihin, joissa saavutettavat hyödyt ovat samoja kuin maataloudessa, mutta pienemmässä mittakaavassa. Riskinä on kuitenkin, että kuluttaja käyttää biohiiltä erehdyksen kautta polttoaineena esim. grillissä, jolloin ilmasto- ja maaperähyödyt jäävät saavuttamatta. Jonkin verran on tutkittu myös biohiilen lisäämistä betonin joukkoon, jolloin voitaisiin pienentää rakennusten hiilijalanjälkeä. (Kirjokivi 2018; Söderqvist 2019.) Biohiili voisi myös korvata aktiivihiiltä erilaisissa suodattimissa (Jawad 2018).

Pyrolyysikaasun hyödyntäminen energiana

Pyrolyysikaasut muodostuvat lähinnä hiilidioksidista(CO₂), hiilimonoksidista (CO), vetykaasusta (H₂) ja metaanista (CH₄). Pyrolyysi ei ole paras tapa kaasun tuotantoon, sillä hitaassa pyrolyysissä kaasusaanto on noin 35 % kun taas kaasutuksessa vastaava luku on 80 %. Tuotetun kaasun alempi lämpöarvo on välillä 3–15 MJ/m³, joka esimerkiksi maakaasun lämpöarvoon (37 MJ/m³) verrattuna on pieni. Johtuen alhaisesta lämpöarvosta ja pienestä saantoprosentista tuotetut kaasut hyödynnetään usein pyrolyysiprosessissa energiana. (Laitinen 2015.)

Pyrolyysiöljy kemikaalien tuotannossa

Pyrolyysiöljyä voidaan käyttää polttoaineena sähkön- ja lämmöntuotannossa, liikenteessä ja kemikaalien raaka-aineena. Tässä osiossa keskitymme tarkemmin pyrolyysiöljystä valmistettaviin kemikaaleihin. Pyrolyysiöljyn hyödyntämisestä polttoaineena voit lukea lisää Kusti Ruokamon blogikirjoituksesta (Ruokamo 2020).

Pyrolyysiöljystä on tunnistettu yli 300 eri yhdistettä. Näiden yhdisteiden pitoisuudet ovat kuitenkin pieniä ja yksittäisen yhdisteen erottaminen on harvoin käytännöllistä tai taloudellisesti kannattavaa. Hyödyllisiä kemikaaleja voidaan kuitenkin valmistaa hyödyntämällä pyrolyysiöljyn helposti erotettavissa olevia jakeita tai sekoittamalla öljyä muiden aineiden kanssa. Esimerkiksi yhdistämällä öljyä kalkin kanssa muodostuu kalsiumsuoloja, joilla voidaan talteenottaa hiilen poltossa syntyviä rikin oksidipäästöjä (SO_x). Yhdistämällä pyrolyysiöljyä ammoniakin, urean tai jonkun muun aminoryhmän (NH₂) sisältävän aineen kanssa voidaan valmistaa typpilannoitetta. Näin valmistettu lannoite on ominaisuuksiltaan hitaasti ravinteita vapauttavaa ja heikommin maasta huuhtoutuvaa, mikä vähentää pohjavesien saastumista. Lisäksi lannoite toimii maanparannusaineena, sillä se sisältää humuspitoista materiaalia sekä palauttaa hiiltä maahan. (Bridgewater 2004.)

Puun pyrolyysinesteitä voitaisiin käyttää myös kasvinsuojeluaineina. Glyfosaatin poistuttua markkinoilta tarve löytää korvaavia torjunta-aineita on kasvanut. (Runsten 2019.) Luken ja VTT:n tutkimuksessa vertailtiin eri biomassoista saatavien pyrolyysinesteiden toimivuutta torjunta-aineina etanoita, kirvoja ja leveälehtisiä rikkakasveja vastaan. Parhaimmat tulokset saatiin nesteillä, jotka oli tuotettu pajun hitaassa pyrolyysissa. (Hagner et al. 2018.) Pyrolyysinesteet voivat myös suojata sieniltä ja siten ne voisivat toimia vaihtoehtoisena puunkyllästeenä. Saavutettava suoja ei kuitenkaan ole kovin pitkäikäinen, sillä pyrolyysiöljyn säilyminen puussa vaatii vielä parantelua. (Czernik & Bridgewater 2004.)

Pyrolyysiöljyn veteen liukenevaa osuutta on käytetty elintarviketeollisuudessa nestemäisten savuaromien valmistukseen. (Czernik & Bridgewater 2004.) Nestemäisen savuaromin valmistaminen asettaa kuitenkin tiettyjä vaatimuksia pyrolysoitavan raaka-aineen suhteen. Pyrolysoitava puu ei saa esimerkiksi olla käsitelty kemiallisilla aineilla. (Luoma 2016.)

Pyrolyysi on usein eksoterminen reaktio

Edellä mainittujen hiilen, pyrolyysikaasun ja -öljyn lisäksi myös lämpöenergiaa voidaan pitää yhtenä pyrolyysin tuotteena. Prosessista saadaan ulos lämpöenergiaa, kun pyrolyysikaasujen poltosta saatava energia ylittää kuumennukseen tarvittavan energiamäärän. Pyrolyysista saatava lämpö on kuitenkin riippuvainen pyrolysoitavasta materiaalista ja etenkin sen kosteuspitoisuudesta. Käsiteltäessä kosteaa raaka-ainetta kuivaukseen tarvittava energiamäärä voi olla moninkertainen raaka-aineen sisältämään energiamäärään verrattuna. (Tiilikkala et al. 2013.) Kuvassa 2 on esitetty pyrolyysin energiavirrat pyrolysoitaessa maissinolkea. Virrat on esitetty suhteessa kuivan raaka-aineen energiasisältöön, joka maissinoljelle on n. 16 000 MJ/t kuivaa olkea. Tutkimuksen mukaan jopa 28 % kuivan polttoaineen energiasisällöstä olisi hyödynnettävissä lämpönä. (Roberts et al. 2010.) Saatua lämpöä voitaisiin käyttää esimerkiksi kaukolämpöverkossa, jos pyrolyysiyksikön sijainti sen sallii.

Kuva 2. Energiavirrat pyrolysoitaessa maissinolkea. (Roberts et al. 2010)

LAB-ammattikorkeakoulu tarjoaa tulevaisuudessa mahdollisuuden pyrolyysiprosessien pilotointiin ja prosessista saatavien tuotteiden tutkimiseen. Pyrolyysilaitteisto on osa EKI-hankeen hankintoja. Projektin rahoittajana toimii Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR).

Lähteet

Brandstaka, T., Helenius, J., Hovi, J., Kivelä, J., Koppelmäki, K., Simojoki, A., Soinne, H., Tammeorg, P. 2010. Biochar filter: use of biochar in agriculture as soil conditioner. Report for BSAS Commitment 2010. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: https://www.ymparisto.fi/download/noname/%7B1A3F31A9-0A6B-40E9-A3AF-8B8398FDD471%7D/70411

Bridgewater, A. 2004. Biomass fast pyrolysis. Thermal Science. 8. 21-50. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: http://dx.doi.org/10.2298/TSCI0402021B

Brownsort, P. A. 2009. Biomass Pyrolysis Processes: Review of Scope, Control and Variability. UKBRC Working Paper 5. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: https://www.biochar.ac.uk/abstract.php?id=16

Czernik, S. & Bridgwater, A. V. 2004. Overview of Applications of Biomass Fast Pyrolysis Oil. Energy & Fuels 18, 590-598. [Viitattu: 6.8.2021]. Saatavissa: https://doi.org/10.1021/ef034067u

Hagner, M., Tiilikkala, K., Lindqvist, I. et al. 2018. Performance of Liquids from Slow Pyrolysis and Hydrothermal Carbonization in Plant Protection. Waste Biomass Valor. Vol. 11, 1005–1016 (2020). [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: https://doi.org/10.1007/s12649-018-00545-1

Jawad, S. 2018. The Cumulative Benefits of Biochar in Agriculture. Väitöskirja. KTH Royal Institute of Technology, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-240562

Kirjokivi, T. 2018. Biohiilisuodatin hulevesien käsittelyssä. AMK-opinnäytetyö. Lahden ammattikorkeakoulu, tekniikan ala. [Viitattu 5.8.2021]. Saatavissa: http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201805147991

LAB-ammattikorkeakoulu. 2020. EKI – Energia- ja kiertotalouden toimintaympäristöt -hanke. [Viitattu 24.6.2021]. Saatavissa: https://lab.fi/fi/projekti/eki

Laitinen, A. 2015. Kolmivaiheisen pyrolyysiprosessin mallintaminen. Pro gradu -tutkielma. Jyväskylän yliopisto, kemian laitos. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: http://urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-201602151576

Luoma, J. 2016. Lepän hitaassa termisessä prosessoinnissa syntyvien nesteiden biologinen aktiivisuus sekä nesteiden käyttö elintarviketeollisuudessa. Pro gradu -tutkielma. Itä-Suomen yliopisto, Biotieteiden koulutusohjelma. [Viitattu: 6.8.2021]. Saatavissa: http://urn.fi/urn:nbn:fi:uef-20160241

Roberts, K. G., Gloy, B. A., Joseph, S., Scott, N. R. and Lehmann, J. 2010. Life cycle assessment of biochar systems: Estimating the energetic, economic, and climate change potential, Environmental Science and Technology. Vol. 44 (2), 827–833. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: https://doi.org/10.1021/es902266r

Runsten, K. 2019. Tässäkö seuraavan kasvinsuojeluaineen raaka-aine? – suoraan suomalaisesta metsästä. Maaseudun tulevaisuus. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: https://www.maaseuduntulevaisuus.fi/maatalous/artikkeli-1.553232

Ruokamo, K. 2020. Pyrolyysiöljyllä voidaan korvata fossiilisia polttoaineita. LAB Focus. [Viitattu 24.6.2021]. Saatavissa: https://blogit.lab.fi/labfocus/pyrolyysioljylla-voidaan-korvata-fossiilisia-polttoaineita/

Stensson, M. 2018. Biochar: a win win win solution for sustainable small scale farming in Sweden? Diplomityö. Lund University, Environmental science. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/8951981

Söderqvist, H. 2019. Carbon Stability of Biochar Methods for assessment and indication. Väitöskirja. KTH Royal Institute of Technology, School of Architecture and the Built Environment. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-254674

Tiilikkala, K., Holstila, T., Rasa, K. 2013. Testaus hitaan pyrolyysin soveltuvuudesta biomassojen prosessointiin uusiksi tuotteiksi ja energiaksi: Loppuraportti. Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus. [Viitattu: 9.8.2021]. Saatavissa: https://docplayer.fi/17369940-Testaus-hitaan-pyrolyysin-soveltuvuudesta-biomassojen-prosessointiin-uusiksi-tuotteiksi-ja-energiaksi.html

Kuvat

Kuva 1. Crombie, K. and Mašek, O. 2014. Investigating the potential for a self-sustaining slow pyrolysis system under varying operating conditions. Bioresource Technology. Vol. 162, 148–156. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.03.134

Kuva 2. Roberts, K. G., Gloy, B. A., Joseph, S., Scott, N. R. and Lehmann, J. 2010. Life cycle assessment of biochar systems: Estimating the energetic, economic, and climate change potential, Environmental Science and Technology. Vol. 44 (2), 827–833. [Viitattu: 5.8.2021]. Saatavissa: https://doi.org/10.1021/es902266r