Koulutusmatka järjestettiin 15.-16.6.2022 osana Join-bioerko -hanketta. Koulutusmatkan tarkoituksena oli tutustua Suomessa kehitteillä oleviin ja nykyaikaisiin biohiilen tuotanto- ja jalostusmenetelmiin sekä monipuolisesti muihin kiertotalouden osa-alueisiin.
HSY Lietepyrolyysilaitos
Ensimmäinen ekskursiokohde oli Espoon HSY:n Ämmässuon Ekoteollisuuskeskuksessa, joka on Pohjoismaiden suurimpia jätteenkäsittelykeskuksia. HSY:llä on useampi hanke jätelietteen tutkimiselle ja sen hyötykäytön edistämiselle. Näihin kuuluvat mm. RAVITA, RAHI ja lietehiilihanke.
Koulutusmatkalla tutustuttiin tarkemmin lietehiilihankkeen jätelietepyrolyysilaitokseen, joka käyttää lähialueella tuotettua kompostointilaitoksen seulottua lietettä raaka-aineenaan. Liete on lähinnä bakteerimassaa, joten puuraaka-aineen lisäys ja sekoitus lietteeseen tuo lopulliseen tuotteeseen biohiilen ominaisuuksia. Puumateriaalina toimii murskattu viherjäte tai puuhake ja se tekee prosessista energiaomavaraisemman. Lietettä lingotaan ennen pyrolyysilaitokselle tuontia, jotta se ei olisi liian nestepitoista. Tärkein tavoite jätelietteen käsittelyllä on saada jäteliemessä olevat ravintoaineet fosfori ja typpi talteen sekä saada kokonaisuudeltaan laadukas monikäyttöinen lopputuote. Pyrolyysikäsittely poistaa mikromuovit lietteestä sekä vähentää raskasmetallien määrää pienemmäksi.
Lietepohjainen hiili on monikäyttöinen ja potentiaalisia uusia käyttökohteita tutkitaan. Lietehiilen ominaisuuksia tutkitaan ja testataan mm. hulevesikäytössä (HULVATTU-hanke) ja tutkittavana on mm. lietehiilen sekoitus erilaisiin lannoitteisiin, lietehiilen sekoitus biokaasulaitoksen mädätysprosessiin sekä RAVITA-teknologia, johon HSY on hakenut patenttia.
Lietteen käsittely
Liete ja puumateriaali kipataan säiliöihin, joista liete kuljetetaan epäkeskoruuvipumpulla ja puumateriaali ruuvikuljettimella termiseen kuivaimeen, jolloin liete ja puujae sekoittuvat. Termisessä kuivaimessa on hihna, joka kuljettaa kuivattavaa seosta kuivausprosessin läpi, jossa siihen puhalletaan lämmönvaihtimien kuumentamaa ilmaa. Lämmönvaihtimet saavat lämpöä mm. kierrätetystä kuivausilmasta sekä pyrolyysissä vapautuvan kaasun poltosta. Kuivauksesta vapautuva kostea poistoilma jäähdytetään ja se käytetään hyödyksi happopesurin ja biosuotimen hajujen käsittelyssä. Kuivattu lietesekoite välivarastoidaan suljettuun säiliöön, jossa tapahtuu typetys mahdollisten palovaarojen ehkäisemiseksi, jonka jälkeen lietesekoite on valmis pyrolyysikäsittelyyn.
Pyrolyysiprosessi
Kuivattu lieteseos siirretään pyrolyysiyksikölle, jossa pyrolyysin syöttö tapahtuu kahden luistisulun kautta. Prosessin alkuvaiheessa hapen määrää pienennetään typettämällä ennen syöttöä pyöröuuniin. Kuivattu jätevesiliete käsitellään siis hapettomissa oloissa ja korkeassa lämpötilassa, pyrolyysin lämpötila-alueeksi on suunniteltu laitoksessa +450 °C – +650 °C ja säädettäväksi viipymäajaksi 30-120 minuuttia.
Pyrolyysin käytännön testauksia on tehty pienimmillään +480 °C lämmössä ja suurimmillaan +680 °C lämmössä. Testauksilla on päästy lopputulokseen, että optimaalisin ja paras lämpötila pyrolyysille on +560 °C , koska tuolloin lieteseoksesta palaa mikromuovi pois. Tätä kuumempi lämpötila ei ole enää energiatehokas eikä lämpötilan nostaminen paranna lietehiilen ominaisuuksia. Pyrolysoitu liete poistetaan prosessista kahden luistisulun kautta, joita typetetään samalla tavalla kuin ennen pyrolyysiin syöttöä.
Pyrolysoitu hiili jäähdytetään epäsuorassa vesijäähdytyksessä, joka kiertää kuljettimen vaipparakenteessa. Jäähdyttyään hiili kosteutetaan seuraavassa kuljettimessa vedellä tai ammoniumsulfaattiliuoksella. Valmis lietehiili johdetaan ulkona olevaan varastosiiloon.
Pyrolyysissä vapautuvat kaasut hyötykäytetään polttamalla ja vapautuva lämpöenergia johdetaan pyrolyysin lämmitykseen. Savukaasujen jäännöslämpö johdetaan alkupään kuivausyksikköön lämmönsiirtoöljyn avulla jota lämmitetään lämmönvaihtimissa.
Pyrolyysilaitoksen käynnistys (+500 °C ) ja ylläpito hoidetaan Neste Oy:n toimittamalla propaanisäiliöllä ja ylläpitopoltinlaitteistolla. Ylläpitopoltin on jatkuvasti käytössä, jotta paloprosessi pysyy stabiilina myös ongelmatilanteissa.
Ämmässuon lietepyrolyysilaitos on koelaitos, jonka kapasiteetti kattaa n. 10 000 asukkaan jätökset. Laitos on maksanut 5 milj. € ja hankkeella on ollut kolme pääurakoitsijaa sekä useita laitetoimittajia mm. AMT, Stela, TEKA sekä Neste Oy.
Toiminnalla ei ole tällä hetkellä porttimaksuja, koska laitos käyttää Ekokeskuksessa tuotettua omaa käsiteltyä raaka-ainetta. Tulevaisuudessa on mahdollista ulkopuolisten raaka-aineiden hyötykäyttö, jolloin veloitettaisiin mahdolliset porttimaksut.
Koelaitos saa tällä hetkellä 25 – 30 000 tonnia vuodessa raaka-ainetta Espoosta, mikä ei ole lähellä laitoksen 90 000 tn/vuosi ihannekapasiteettia. Suunnitelmissa olisi, että Viikinmäen jätevesipuhdistamolta tulisi n. 60 000 tonnia vuodessa raaka-ainetta lisää käsiteltäväksi. Koelaitos on todettu käytännössä toimivaksi ja sen puitteissa on suunnitteilla myös suurempi laitoskokonaisuus, joka sisältäisi useamman reaktorin ja kustantaisi n. 60 milj. €.
BioSampo
Seuraavan päivän (16.6.) ekskursion kohteena oli XAMK Bio- ja kiertotalouden tutkimuskeskus. Esittelijänä toimivat Timo Loikala ja Teemu Karttaavi. Biosammossa on yli kymmenen vuoden kokemus biohiilen valmistuksesta ja sen jatkojalostuksesta sekä tutkimuksesta.
Timo Loikala piti esittelyn Biosammon toiminnasta, biohiilen valmistuksesta ja sen ominaisuuksista sekä jatkokäsittelymenetelmistä. Biosammon tiloista löytyy pyrolyysilaitteisto sekä biohiilen aktivointiuuni. Molemmat laitteet ovat panostoimisia.
Biosammon tiloissa on valmistettu biohiiltä banaaninlehdistä, riisinkuoresta, ruokokasveista, bambusta, turpeesta, kookospähkinän kuoresta sekä useasta suomalaisesta puuaineksesta. Käytännön testauksessa on tullut mm. ilmi, että bambun biohiiltäminen tuottaa todella pahaa hajua ympäristöön.
Prosessiautomatisoituun kuivatislaimeen mahtuu palikkoina 10-27 kg panos tai lastuna tahi puruna 10 kg panos. Laitteisto kuivaa puuaineksen ja sen ihanteellinen palakoko on 50 mm luokkaa. Pyrolyysin lämpötila nostetaan +420 °C asti. Prosessissa on hapeton tila ja sitä pyöritetään tunnin osiossa ja yksi ajo voi kestää seitsemän tuntia. Pyrolyysissä vapautuvat kaasut lauhdutetaan ja nesteet kerätään talteen. Hukkakaasuja ei käytetä hyödyksi tai kerätä talteen.
Sekoittavaan aktivointikvartsilasiuuniin mahtuu kerralla 40-60 g jauhettua biohiiltä. Suojakaasuna toimii typpi ja aktivoinnin tehostamisessa käytetään hiilidioksidia ja vettä. Lämpötilaa saadaan hallittua +1000 °C asti. Mitä suurempi lämpötila käsittelyssä, sen suurempi hiilen BET-arvo saavutetaan.
Käytännön testaus biohiilen ominaisuuksissa on todistanut, että 2-4 mm palakoossa oleva biohiili soveltuu parhaiten jatkoaktivointiin. Testauksessa on tullut ilmi, että 1-2 mm palakoossa päästään aktivoinnin jälkeen 496 m2/g BET-arvoon ja 4-8 mm koolla 518 m2/g BET-arvoon kun 2-4 mm koolla on päästy 568 m2/g BET-tasoon.
Murskatun 2-4 mm biohiilen BET-luku ennen aktivointia on n. 10-20 m2/g, aktivoinnin jälkeen BET-luku saadaan nostettua 568 m2/g -tasoon +900 °C lämmössä.
Biohiilen rahallinen arvo nousee käsittelyssä 1200 €/tn arvoon 14 000 €/tn aktivoinnin jälkeen. Hiilen jatkokäsittelyllä saadaan siis tuotettua arvokas korkeatasoinen ja monikäyttöinen lopputuote.
Teemu Karttaavi esitteli erilaisia valmistettuja geopolymeerisekotteita, joissa osassa on käytetty myös biohiiltä. Tuotteet kuuluvat Biohiili rakennusmateriaaleissa -hankkeen piiriin, jonka tavoitteena on tutkia eri tavalla tuotetun biohiilen käyttömahdollisuuksia erilaisissa rakennusmateriaaleissa kuten betonissa sekoitekomponenttina. Tavoitteena on myös luoda uusia ekologisempia tuotteita markkinoille sekä edistää kiertotalouden toimintaa.
Pyrolyyslaitteiston esittelyn jälkeen koulutusmatkalle osallistujat tutustuivat Biosammon tutkimuskäytössä oleviin muihin laitteisiin kuten mm. erilaisiin jauhatuslaitteistoihin ja murskaimiin. Biosammon murskaimiin kuuluivat: kartiomurskain, leukamurskain, leikkuumylly, kuulamylly, jauhemurskain sekä vastavirtamurskain.
LAB-ammattikorkeakoulu kierotalouslaboratorio
Koulutusmatkan viimeinen kohde oli vasta valmistunut ja osittain vielä rakenteilla oleva Lahden LAB-ammattikorkeakoulun kiertotalouslaboratorio. Valmistunut kohde on osa EKI (Energia- ja kiertotalouden toimintaympäristöt) hanketta, jota toteutetaan yhteistyössä Lappeenrannan teknillisen yliopiston (LUT) kanssa.
Kiertotalouslaboratorion nykyaikaiset tilat ovat sijoiteltu loogisesti lähelle toisiaan ja kierroksella päästiin tutustumaan mm. pyrolyysilaitteistoon, biokaasun tuotantopotentiaalin testaustilaan, vaatekierrätyksen tutkimustilaan ja muovilaboratorioon, jossa sijaitsi 3-D robottimuovitulostin sekä muovin pesu- ja erottelulaitteisto. Katsastimme myös pian valmistuvan pelletöinti ja magneettierottelu pilot-mittakaavan tilan, johon suunniteltu laitteisto ei ollut vielä saapunut perille. Tilassa olisi tarkoitus erotella metallit rakennus- ja purkujätteestä sekä tuhkasta magneettirummun ja pyörrevirtaerottimen avulla. Pelletöintilaitteistolla olisi tarkoitus tehdä ja testata erilaisista biomassoista ja purkupuusta valmistettuja pellettejä.
Ensimmäisenä kiertotalouslaboratorion kohteena oli vasta valmistunut pyrolyysilaitteisto. Laitteistolla voidaan pyrolysoida erilaisia materiaaleja kuten kumia, tekstiilejä sekä muovia. Laitteistoon kuuluvat reaktori, lauhdutuskolonnit sekä kaasupoltin (Nord-Mills LK-200). Prosessia voidaan ohjata myös etäyhteyden avulla ja prosessia voidaan ajaa seuraavilla ajoparametreilla: Sekoitusnopeus (Hz), alipaine (mbar) sekä lämpötilan (°C) mukaan.
Pyrolyysiuuni on alipaineistettu eikä sen käytön yhteydessä tällä hetkellä käytetä typpikaasua. Pyrolyysireaktorin maksimi lämpötila on + 700 °C ja optimaalisin käyttölämpötila vaihtelee materiaalin mukaan + 500 °C – + 700 °C välillä. Prosessissa muodostuvaa hukkalämpöä ei tällä hetkellä hyödynnetä ja poistokaasut poltetaan tai kerätään tarkempaan analysointiin tarvittaessa. Lauhdutinjärjestelmä on öljykiertoinen. Prosessin jälkeinen biohiili kerätään imuroimalla säiliöstä, koska lopputuote on hyvin pölyävää ja hienorakenteista. Tilassa käytetään raikassuodattimella varustettua suojavaatetusta. Biohiilen varastointi tapahtuu viereisessä varastotilassa.
Laitteistolla testattuja raaka-aineita ovat tällä hetkellä kuusenkuori, kuituhamppu ja havupuuhake. Laitteisto on vastavalmistunut ja käyttötunteja kertynyt vähän, testiajoissa ei ole kuitenkaan ilmennyt isompia ongelmia.
Koulutusmatka sisälsi paljon erilaisia ja mielenkiintoisia vierailukohteita, joissa on otettu käyttöön uusia teknologisia ratkaisuja kohti ekologisempaa Suomea. Vuonna 2020 valmistunut HSY:n lietepyrolyysi koelaitos on herättänyt Suomessa mielenkiintoa ja se on todettu toimivaksi ja tulevaisuudessa kyseisellä teknologialla on hyvät tulevaisuuden näkymät markkinoilla.
XAMK Biosammon laaja käytännön kokemus biohiilen valmistuksessa ja testauksessa sekä Timo Loikalan pitämä luento oli hyvin opettavainen ja mielenkiintoinen kokonaisuus. Lisäksi geopolymeerien valmistuksen käytännön prosessi- ja tutkimusmenetelmät olivat mielenkiintoisia aiheita, joiden lisätestauksella sekä kehittämisellä saadaan uusia ekologisempia tuotteita eri markkinoille.
LAB kiertotalouslaboratorion upouudet testaus- ja tutkimuslaitteistot mahdollistavat monipuoliset analyysipalvelut yrityksille eri osa-alueilla. Tutustuminen uusiin tiloihin oli inspiroivaa ja tekniset innovaatiot kiertotalouden ympärillä herättivät paljon keskustelua sekä kehitysideoita. Tekstiilin ja muovin tutkimustilojen laitteistot olivat tutustumisen arvoisia uusia kokonaisuuksia. Matka sisälsi kokonaisuudessaan mielenkiintoisia keskusteluita, tiedonvaihtoa sekä verkostoitumista.
Kirjoittajat: Matkaraportin laati Karelia-ammattikorkeakoulun ympäristö- ja energiatekniikan insinööriharjoittelija Juri Olifirenko.
Kasperi Vuorikari, Savonia AMK ja Kim Blomqvist, Karelia AMK
