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

Biokarbon benyttes som reduksjonsmiddel i produksjonen av silisium sammen med fossile karbonkilder. I form av trekull er det begrenset hvor stor andelen kan være. Dette bestemmes i stor grad av egenskapene til trekull. De viktigste begrensningene ligger i den lave mekaniske styrken, høy andel av finstoff og høyt innhold av askekomponenter. Disse egenskapene kan i stor grad styres av produksjonsprosessen av trekull (pyrolysen). Utgangspunktet for prosjektet har vært en mellomhurtig pyrolyse som til dels favoriserer karbondannelse. Utbyttet av nyttbart karbon er typisk begrenset til maksimum 24%. Prosjektet har derfor utviklet en metode som øker karbonutbyttet med ca 21% i labskala og opp til 29% i pilotskala. Samtidig forbedres de mekaniske egenskapene for trekull basert på gran fra 15% (>4mm) til 50% (>4mm) i en tumblertest. Resultatene ble først oppnådd i liten labskala (i størrelsesorden 800 gram råvare) og er i 2019-2020 bekreftet også i kontinuerlig prosess i liten pilotskala (i størrelsesorden 1 800 kg råvare). Masse og energibalansene bekrefter at teknologien lar seg oppskalere. Det er funnet metoder for å modifisere pyrolyseoljene til å gi et produkt som samsvarer med standarden for bioolje til fyringsanlegg. Alternativ behandling med direkte gassfaseoppgradering med zeolittkatalysator for å danne salgbare BTX komponenter (benzen, toluen, xylen) er også bevist. Utbyttene er noe lavere enn tilsvarende oppgradering av avgasser fra rask pyrolyse.

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.