Utilization of the pyroligneous acids from charcoal production

Biomassoja hyödyntämällä ja jalostamalla voidaan vähentää fossiilisten raaka-aineiden käyttöä. Pyrolyysiprosessissa biomassoja lämpökäsitellään hapettomissa olosuhteissa biohiileksi. Prosessissa muodostuu myös kaasuja, joista osa voidaan kondensoida nesteiksi. Tässä työssä perehdyttiin pyrolyysiprosessiin, prosessista saataviin jakeisiin ja jakeiden hyödyntämismahdollisuuksiin laajan kirjallisuuskatsauksen sekä työssä laaditun massa- ja energiatasemallin avulla. Pyrolyysiprosessit eroavat toisistaan prosessiolosuhteiden ja lopputuotteiksi saatavien jakeiden koostumusten ja saantojen suhteen. Tässä työssä prosesseista esitellään torrefiointi sekä hidas ja nopea pyrolyysi. Tutkimuksen pääpainopiste kohdennettiin hitaalle pyrolyysille, jossa lämpökäsittely suoritetaan 500 °C:n läheisyydessä. Tyypillisesti lopputuotteiden massaosuudet jakautuvat tasaisesti kiinteän, nesteiden ja lauhtumattomien kaasujen välille. Lauhtumattomat kaasut käytetään pääasiassa energiantuotantoon, mutta kiinteälle biohiilelle ja nestemäisille tisleille on löydetty paljon erilaisia tuotteistamismahdollisuuksia. Biohiiltä voidaan hyödyntää metallurgisessa teollisuudessa, maanparannusaineena, aktiivihiilen raaka-aineena, voimalaitoksen polttoaineena, hajuhaittojen vähentämisessä, ruuanvalmistuksessa ja lämmityskäytössä. Tisleitä voidaan hyödyntää torjunta-aineina, polttoaineina, pintakäsittelyaineina, elintarviketeollisuudessa sekä maanparannuksessa. Suuri markkinapotentiaali tisleille on synteettisten torjunta-aineiden korvaamisessa. Euroopassa tisleiden rekisteröinti torjunta-aineeksi on vielä hankalaa ja kallista, mutta esimerkiksi Aasiassa tisleitä hyödynnetään laajasti. Suomeen on suunnitteilla useita pyrolyysiin perustuvia teollisen mittakaavan tuotantolaitoksia ja pyrolyysiprosessit sekä tuotejakeet ovat monien tutkimuksien kohteena. Työssä toteutetun mallin avulla voidaan tarkastella pyrolyysiprosessin massa- ja energiataseita. Tasemalli on jaettu raaka-aineen kuivaukseen, pyrolyysiin, syntyvien kaasujen lauhdutukseen ja tervojen erottamiseen. Tasemalliin etsittiin tyypillisiä prosessiarvoja hitaalle pyrolyysille, mutta lähtöarvot ovat muokattavissa myös yksittäisiä tarkasteluja varten. Tehtyjen esimerkkitapausten osalta tasemallista saatavat tulokset vastasivat hyvin tieteellisten tutkimusten tuloksia. Tasemallin avulla voidaan tarkastella myös laitoksen kannattavuutta tapauskohtaisesti raaka-aineiden, valmistuskustannusten sekä lopputuotteiden arvojen kautta. Tarkastelu osoittaa eri jakeiden hintojen ja tuotteiden monipuolisten kaupallistamismahdollisuuksien merkittävät vaikutukset laitoksen kokonaiskannattavuuteen.The use and refining of biomass reduce dependency of fossil raw material. Charcoal is produced by pyrolysis, the heating of biomass in the absence of oxygen. Pyrolysis also produces condensable liquids (pyroligneous acids) and non-condensable gases. In this thesis, the pyrolysis process as well as the pyrolysis fractions and their uses are examined by literature review and with the help of the mass and energy balance model developed in this study. Pyrolysis processes differ by process conditions and by yield and composition of end products. This thesis introduces torrefaction, slow and fast pyrolyses. The focus of the thesis was on slow pyrolysis, where final temperatures are around 500 °C. Typically, the mass yields of the end products divide evenly to solid, liquids and non-condensable gases. Non-condensable gases are generally used to produce energy, but charcoal and pyroligneous acids could be used in several ways. Charcoal is possible to utilize in metallurgy, soil amendment, activated charcoal, power generation, odour control, heating and cooking. Pyroligneous acids could be used as pesticide, preservative, food additive and fertilizer. Pyroligneous acids have great market potential in replacing synthetic chemicals. In Europe, the registration procedure of pyroligneous acids for pesticides is expensive and difficult, but in Asia pyroligneous acids are widely used. Many industrial scale pyrolysis plants are planned to build in Finland. Pyrolysis processes and end products are also objects in many research projects. In the experimental part, a pyrolysis model was created, which allows examining the pyrolysis process by mass and energy balance. The balance model is divided into raw material drying, pyrolysis, condensation and separation of the tar. Typical process parameters were identified from the literature and scientific reports, but the parameters are also changeable for the situation of individual cases. The results from the example cases corresponded well to those found in the literature. The balance model also contains the possibility to examine profitability of the plant by prices of raw-material and end products as well as manufactory cost. Profitability analysis shows significant influences of each fraction price to total profitability and importance of the possibility for wide product distribution