PyrOpt - Pyrolysis of wood optimized for production of energy and tailor-made biochar for silicon production

Biocarbon is used as a reductant in the production of silicon in a mix with fossil carbon Sources. In the form of traditional charcoal, there is an upper limit on the share of biocarbon that can be used. This is in large determined by the properties of charcoal. The main limitations are low mechanical strength, high proportion of fines and a high content of ash components. These properties can largely be controlled by the production process of charcoal (pyrolysis). The project has been based on an intermediate pyrolysis process that partly favors char formation. The yield of useful carbon (in a metallurgical process) is typically limited to maximum 24%. The project has developed a method that increases the yield by about 21% in lab scale and up to 29% in the continuous pilot scale. At the same time, the mechanical stability of charcoal based on spruce wood increases from 15% (>4mm) to 50% (>4mm) in a tumbler test. The results were first obtained in small lab scale (about 800 gram of biomass input) and in 2019-2020 confirmed in small pilot scale (about 1 800 kg of biomass input). The mass and energy balances confirms that the process is scaleable. Methods to modify the pyrolysis oils giving a product conforming to fuel oil standards have been found. Alternative treatment with direct vapor upgrading using zeolite catalysts has been proven. This produces BTX compounds (benzene, toluene, xylene) in somewhat lower yields than similar treatment of fast pyrolysis vapors.

Prosjektet har vært viktig for Elkem sitt arbeid innen biocarbon. Ved å bytte ut fossilt karbon med biokarbon vil Elkem kunne redusere sine CO2-utslipp betydelig. Dette prosjektet har synliggjort at det er mulig å produsere skreddersydd biocarbon for silisium og ferrosilisium produksjon. Ideene for å oppnå økt utbytte av fixC i pyrolyseprosessen har delvis blitt bekreftet både i lab-skala (<1000g) og i prototypskala (<100kg). Bruksområder for bioolje fra en mellomhurtig pyrolyse har blitt identifisert. 5 master-/sommer-studenter har hatt oppgaver i prosjektet og bidratt til økt forståelse av hvordan pyrolyse kan optimaliseres med tanke på fixC utbytte og produktkvalitet. Prosjektresultatene har bidratt til at Elkem investerer og bygger et pilotanlegg for biokarbonproduksjon. Generelt har prosjektet bidratt til at norsk metallurgisk industri kan få tilgang til biokarbon som er tilpasset industrien.

Målsetningen i PyrOPT-prosjektet at Elkem skal utvikle en integrert pyrolyseprosess for produksjon av trekull/biokull som er skreddersydd for Si/FeSi-produksjon og hvor all energi i biomassen utnyttes optimalt. En samlokalisering av trekullproduksjon med Elkems smelteverk gjør det mulig å øke energiutnyttelsen betydelig. Ved et integrert anlegg ved et smelteverk kan man redusere totalt energiforbruk med opptil 35% i produksjonsprosessen fra trevirke som råvare til ferdig silisium produkt. Prosjektet er et sentralt element i Elkems strategi om å bidra til en mer bærekraftig produksjon av ferrolegeringer og resultatene vil kunne være avgjørende for å oppnå en målsetning om økt bruk av fornybare reduksjonsmaterialer. Den mest lovende produksjonsprosessen for trekullproduksjon til silisium er basert på langsom pyrolyse. Prosessen har følgende forbedringspotensialer: - Øke karbonutbyttet til trekullet, en større andel av karbonet i trestokken ender opp i trekullet. Dagens teknologi har typisk 25%, og dette bør kunne økes til over 30%. - Øke energiproduksjon fra pyrolysegassene og kondensatet. - Homogen produktkvalitet og mer nøyaktig kvalitetskontroll under produksjonsprosessen, slik at materialtap (tap av finstoff fra trekullet) fra produsent til forbruker reduseres. Økt forståelse av reaksjonsmekanismene ved pyrolyse, og effektene av parametere som flis/stykk-størrelse, modifisert atmosfære, vanndampinnhold og trykk avgjørende for å oppnå målene om økt karbonutbytte fra dagens 25% til over 30% og mer effektiv energiutnyttelse av pyrolysegass. PyrOPT prosjektet vil også vurdere mellomrask pyrolyse. Denne prosessen vil være mer teknologisk utfordrende, men vil også ha potensielt større verdiskaping. Man vil da i tillegg produsere væskeprodukter for videre foredling. Avslutningsvis i prosjektet vil det bli utarbeidet beslutningsunderlag for videreføring, inklusive detaljerte planer for realisering av konseptet i et fullskala industrielt anlegg.