Utilization of locally captured carbon dioxide in a chemical forest biorefinery

Kemiallinen metsäteollisuus hyödyntää vuosittain kymmeniätuhansia tonneja hiilidioksidia mm. prosessin pH:n säätämiseen ja puskurointiin. Nykyisin teollisuuden käytössä on kaupallinen 99,9 % puhdas hiilidioksidi, joka kuljetetaan ja varastoidaan tehtaalle nesteytettynä. Työssä tutkittiin tehtaiden omista savukaasuista talteen otetun hiilidioksidin hyödyntämistä nykyisin tunnetuissa sovelluksissa ja tehtiin talteenottolaitoksen teknillistaloudellinen kannattavuusarvio. Diplomityön tavoitteena oli toimia työkaluna kemiallisen metsäteollisuuden tuotantolaitoksille ja suosituksena jatkotoimenpiteille talteenottotekniikan kaupallistamista tutkivan projektin yrityksille. Hiilidioksidi on heikko happo, minkä lisäksi tehtaat hyödyntävät sen kykyä muodostaa puskuriliuoksia yhdessä vahvojen emästen kanssa. Sulfaattisellutehtaat aiheuttavat noin 2,3 tonnin hiilidioksidipäästöt tuotettua sellutonnia kohden. Savukaasuissa olevan hiilidioksidin hyödynnettävyys riippuu mm. tehtaan hajukaasujen polttojärjestelmästä. Hiilidioksidipäästöistä lähes 100 % on biogeenistä alkuperää, minkä vuoksi tehtailla on hiilidioksidin talteenottoa ja tuotekaasua paikallisesti hyödyntäessään mahdollisuus saavuttaa laskennallisen hiilinielun asema. Esimerkiksi talteen otetun hiilidioksidin hyödyntämisen on tutkittu vähentävän mäntysuovan palstoitusprosessin aiheuttamia päästöjä jopa 50 prosenttia. Ulkoisen ohjauksen onkin perusteltua kannustaa paikallisesti talteen otetun hiilidioksidin hyödyntämiseen huolimatta sen alkuperästä. Hiilidioksidin hyötykäytön vaikutuksiin liittyvän tutkimustiedon puute on jossain määrin rajoittanut sen käytön yleistymistä. Laboratoriokokeilla vahvistettiin, että hiilidioksidi nopeuttaa ilman poistumista ruskean massan pesusuodoksista ja vähentää niiden vaahtoamista. Hiilidioksidin annostelun ohella saostumariski näyttäisi kohoavan pH välillä 8 – 10,5 sekä alle 70 °C pesulämpötiloissa. Nämä tulokset ovat osittain ristiriidassa kirjallisuuden kanssa. Jatkokokeita suositeltiin tehtäväksi tehdasolosuhteissa massan suotautuvuustestien muodossa. Mäntysuovan mukana tuleva ilma näyttäisi hidastavan esipalstoitusreaktion etenemistä. Suovan sisältämä mustalipeän ligniini taas aiheuttaa saostuessaan tiheyseroja. Jatkuva sekoitus on reaktion etenemisen kannalta tärkeää ja merkitys korostuu, kun pyritään minimoimaan lisäveden määrä. Vesisuopaseoksen sekoitussuhde vaikutti myös esipalstoituksen prosessiolosuhteisiin ja faasien erottumiseen. Tämä on huomioitu molemmissa, kaupallisessa käytössä olevissa esipalstoitusmenetelmissä, eikä vaadi jatkokokeita. Tavoitteellinen investoinnin takaisinmaksuaika voidaan saavuttaa yleisimmissä hiilidioksidin hyödyntämiskohteissa, kun talteenottolaitoksen investointikapasiteetti optimoidaan käyttömäärän mukaan, investoinnille myönnetään avustus ja hiilidioksidin kuljetusmatka on pitkä. Takaisinmaksuaika nopeutui merkittävästi hiilidioksidin käyttömäärien kasvaessa. Käyttökustannukset hiilidioksidin talteenotolle jäivät hieman alle 20 euroon tonnilta ja investointikustannukset olivat 1,3 – 6,7 miljoonaa euroa talteenottokapasiteetista riippuen. Alustavien tehdaskokeiden ja investoinnin kannattavuusarvion perusteella hiilidioksidin talteenottomenetelmä on sekä teknisesti että taloudellisesti kestävä vaihtoehto vähentää tehtaiden päästöjä ja lisätä niiden kemikaaliomavaraisuutta.The chemical forest industry is utilizing tens of thousands of tons of carbon dioxide every year to adjust and buffer the pH of their processes. Today industries are using a commercial 99.9 % pure carbon dioxide that is transported and stored in a liquid phase. The aim was to investigate the utilization of locally captured carbon dioxide acquired from the fumes of the plant and further to perform a techno-economical assessment of the carbon dioxide capturing method. The thesis was also to serve as a tool of carbon dioxide utilization for chemical forest biorefineries and as a suggestion of further actions for the companies commercializing the carbon dioxide capturing method. Carbon dioxide is a weak acid that can be utilized to form buffer liquids together with strong bases. Sulfate pulp mills cause carbon dioxide emissions averaging 2.3 tons per each ton of pulp produced. The potential for the utilization of generated fumes depends on factors such as how the odorous gases are treated at the mill site. Almost 100% of the carbon dioxide emissions generated originate from wood. Mills adapting the process to capture and utilize the carbon dioxide could, therefore, be considered calculated carbon sinks. For instance, it was earlier noted that if locally captured carbon dioxide was applied to a tall oil soap acidulation process, the total emissions generated from the acidulation process would be cut in half. On this basis, it was deduced that the external guidance from officials should encourage for carbon dioxide capturing regardless of its origin. The availability of research papers on carbon dioxide utilization has somewhat limited the generalization of its applications. It was confirmed in the lab that carbon dioxide will enhance air exiting from brown stock washing filtrates and therefore diminishes foaming. The tendency for scale formation when dosing carbon dioxide seemed to be the highest between pH 8 – 10.5 and below washing temperatures of 70°C. These results are not completely in line with the literature. A suggestion for further pilot tests included pulp drainage speed testing. In tall oil soap acidulation, air seemed to be restraining the pre-acidulation reaction. Black liquor in tall oil soap caused differences in consistency while lignin began precipitating and caused the mixing to slow down. A stable mixing process is important for the reaction to proceed and its importance increases when the added water amount is minimized. Soap-water-ratio seemed to also affect the process conditions and the separation of pre-acidulated soap oil and the mother liquid. This effect has been considered in commercial methods for soap pre-acidulation and does not require further investigation. The targeted investment payback time of 2 – 3 years is achievable in the most common carbon dioxide applications when the invested capturing capacity is optimized based on the carbon dioxide consumption, the investment is supported by subventions and when the original transportation distances were long. The payback time will be shorter when the carbon dioxide consumption is increased. Operational costs for carbon dioxide capturing were below 20 €/t CO2 and the total investment costs in the range of 1.3 – 6.7 million euro according to the needed capturing capacity. Based on the assessments of previous pilot tests at a mill site and the economic assessment performed the carbon dioxide capturing method has proven to be both technically and economically viable option for the industry to cut their emissions and improve their chemical self-sufficiency