Korkealämpötilaprosessit Näkökulma: Energia ja pelkistimet 6.9.2017 klo 12-14 SÄ114

Tavoite Luoda yleiskatsaus tekijöihin, joita on huomioitava tarkasteltaessa korkealämpötilaprosesseja – erityisesti pyrometallurgisten prosesseja – energian ja pelkistyksen näkökulmasta Asioiden yksityiskohtaisempi soveltaminen erilaisiin prosesseihin kurssiin kuuluvissa osasuoritteissa Kirjalliset raportit Seminaariesitelmät Tämän luennon jälkeen pitäisi tietää, mitä raporttiin/esitelmään tulisi sisällyttää ja millaista aineistoa sitä varten tulisi etsiä

Sisältö Energia ja pelkistimet pyrometallurgiassa Mihin tarvitaan? Sulatus, kuumennus, pelkistys Esimerkkejä metalliteollisuudesta Case: Hiili ja terästeollisuus Terästeollisuus ja kasvihuonepäästöt Hiilen merkitys ja tehtävät teräksen valmistuksessa Voisiko hiiltä korvata? Case: Outokummun Tornion tehtaat Case: Ovako – Valokaariuunin energiatehokkuus Case: Boliden Harjavalta Energialähteet Prosessi-integraatio ja energiatehokkuus Energiatehokkuuden mittarit sekä ohjauskeinot tehokkuuden parantamiseksi Yhteenveto

Metallien valmistus ja energia Metallien valmistus erittäin energiaintensiivistä Energiatehokkuus sidoksissa energiankulutukseen ja ympäristöpäästöihin Keskeistä mm. hiilidioksidipäästöt! toiminnan tehokkuuteen ja taloudellisuuteen toiminnan laatuun lainsäädäntöön ja rajoituksiin Energianäkökulmasta tavoitteena minimoida energian kokonaiskulutus Prosessin energiankulutuksen optimointi kokonaisuutena Energiavirtojen hyödyntäminen Lähteenä käytetty Kimmo Kinnusen esitystä POHTOssa 2015.

Energiakysymykset pyrometallurgiassa Metalliset tuotteet, korkeassa lämpötilassa, sulana, tuotu prosessiin. Yhdisteiden hajoaminen (pelkistys) Mistä energia saadaan? Sulatus ja faasimuutokset Lisäksi lämpöhäviöt, sekoittuminen, jne. Kuumennus Lämmön talteenotto jäähdytyksessä Kuljetus prosessiin Mittarit Raaka-aineet yhdistemuodossa, matalassa lämpötilassa, kiinteinä, ei-tuotuna prosessiin. Raaka-aineiden lämpösisällön hyödyntäminen Prosessin lähtöaineiden ”energiataso” Tyyppillisesti polttoprosessit, mutta myös esim. liekkisulatus

Mihin energiaa tarvitaan pyrometallurgisissa prosesseissa? Kuumentamiseen Lähtöaineet aluksi ”huoneenlämpötilaisia” Edellisen prosessivaiheen tuotteiden lämpösisällön hyödyntäminen seuraavassa vaiheessa erilaiset suora- ja sulapanostukset Sulatukseen Pyrometallurgiset prosessit toteutetaan sulassa tilassa Metallin sulatus ennen valua haluttuun muotoon Pelkistämiseen Raaka-aineissa esiintyvien yhdisteiden hajottaminen Oksidit, sulfidit, ... Lisäksi Kuljetus Lämpöhäviöt ... Sivuhuomautus Suuri osa prosessin ”kuluttamasta” energiasta voi olla sitoutuneena tuotteeseen. esim. kuumaan aihioon (1100 C) on sitoututunut: - noin 720 MJ/t lämpöenergiaa (vapautuu jäähdytettäessä) - noin 6400 MJ/t kemiallisesti sitoutuneena energiana (vapautuu vasta ruostuessa). Vertailun vuoksi: Poltettaessa 1 kg öljyä vapautuu n. 41 MJ.

Sulatus ja kuumennus metallurgisissa prosesseissa Pyrometallurgisia käsittelyjä varten metalli on saatava sulaan olomuotoon Kiinteän tilan reaktioiden hitaus Sulatukselle voi olla oma prosessiyksikkö esim. valokaariuuni romun sulatukseen tai erilaiset sulatusuunit valimoissa Sulatus/kuumennus voi tapahtua samassa prosessivaiheessa pelkistyksen kanssa esim. masuunin raakaraudan valmistuksessa Raudan oksidit pelkistyvät metalliseksi raudaksi, joka liuottaa itseensä pelkistimenä käytettävää hiiltä. Tämä laskee lämpötilaa, joka vaaditaan rauta-hiili-seoksen sulattamiseksi. Sulatusta voidaan toteuttaa myös raffinointiuuneissa / primääriuuneissa esim. romun sulatus konvertterissa piin ja hiilen palamisessa vapautuvaa lämpöä hyödyntäen

Pelkistys ja pelkistimet metallurgisissa prosesseissa Paitsi kuumentamiseen ja sulatukseen, energiaa tarvitaan myös kemiallisiin reaktioihin Yhdisteiden (esim. oksidit) hajottamiseen tarvitaan energiaa Ilman pelkistintä metallioksidien hajottaminen vaatisi erittäin korkeita lämpötiloja Käytännössä vaikea toteuttaa Erittäin kalliita Pelkistimien avulla yhdisteen saadaan hajotettua matalammissa lämpötiloissa (voivat edelleen olla korkeita) Pelkistys ja hapetus ovat aina samanaikaisia, joten kun yhdisteessä oleva metalli (esim. rauta) pelkistyy, tapahtuu samalla pelkistimen hapettumista (esim. hiili reagoi hiilimonoksidiksi tai –dioksidiksi) Yleisimpiä pelkistimiä ovat hiiltä ja/tai vetyä sisältävät materiaalit Kivihiili, koksi, maakaasu, öljyt, vetykaasu, ... Näiden pelkistimien hapettuessa vapautuu lämpöä Kuvalähde: Mikael Larsson, POHTO, 2015.

Pelkistyminen ja pelkistys Mitä pelkistyminen tarkoittaa? Pelkistyminen tapahtuu aina samanaikaisesti hapettumisen kanssa: jonkin aineen pelkistyessä toinen hapettuu Hapettuminen on elektronien luovuttamista – pelkistyminen niiden vastaanottamista Yleisimmät hapetus- ja pelkistysreaktiot liittyvät happeen ja oksideihin, mutta hapettumista ja pelkistymistä voi esiintyä myös ilman happea Peruskäsitteitä Hapetusaste kuvaa hapettumisen (luovutettujen elektronien) lukumäärää Hapetusluku on hapetusastetta vastaava lukuarvo Merkitään aina roomalaisin numeroin (FeII+, FeIII+) Hapetusaste/-luku (FeIII+)  Varaus (Fe2+, Fe3+) Eri hapetusasteilla esiintyvät metallit muodostavat erilaisia yhdisteitä (FeO, Fe2O3)

Pelkistyminen ja pelkistys Miten ”pelkistettävyyttä” kuvataan? Yhdisteiden termodynaaminen stabiilisuus Muodostumisreaktioon liittyvät Gibbsin vapaaenergiat Sähkökemiallinen jännitesarja Standardielektrodi- ja tasapainopotentiaalit Tasapainon kuvaus usein lämpötilan ja (kaasu)koostumuksen funktiona Termodynamiikka kuvaa vain tasapainotilan – ei ota kantaa nopeuksiin. Pelkistymisnopeuteen voi vaikuttaa: itse reaktion nopeus lähtöaineiden ja tuotteiden aineensiirto (esim. kiinteät tuotekerrokset voivat hidastaa reaktiota merkittävästi) lämmönsiirto Korkeissa lämpötiloissa rajoittava tekijä on usein siirtoilmiö

Pelkistyminen ja pelkistys Pelkistymisen mittaus (korkeissa lämpötiloissa) Termovaaka (Thermogravimetric Analysis, TGA) Massan muutoksen mittaus Differential Scanning Calorimetry, DSC Differential Thermal Analysis, DTA Lämpötilan tai lämpömäärän muutosten mittaus Massaspektrometria, MS Reaktiotilasta poistuvan kaasun analysointi Kuvalähde: Timo Paananen.

Pelkistyminen ja pelkistys Pelkistymisen mittaus (korkeissa lämpötiloissa) Kuvalähde: Timo Paananen.

Case: Miksi teräksen valmistuksessa tarvitaan hiiltä? Taustaa Terästeollisuus ja kasvihuonepäästöt Teräksen valmistusprosessi Hiili teräksen valmistusprosesseissa Hiilen merkitys ja tehtävät: Mihin hiiltä tarvitaan? Millä ja miten hiiltä voitaisiin korvata? Haasteet Yhteenveto

Terästeollisuus ja kasvihuonepäästöt Teräksen valmistuksessa käytetään runsaasti hiiltä Tarve n. 400–500 kg hiiltä tuotettua terästonnia kohden Eniten hiiltä tarvitaan masuunissa (koksi) Maailmanlaajuinen teräksen tuotanto n. 1,6 miljardia tonnia vuodessa (Suomessa n. 4 milj. tonnia vuodessa) Hiilen kokonaistarve on valtava Merkittävä osa hiilestä päätyy hiilidioksidi- päästöiksi Tuotettua terästonnia kohden syntyy n. 1,6 - 1,7 tonnia hiilidioksidia Esimerkiksi Raahen terästehtaan hiilidioksidipäästöt ovat n. 3,7 miljoonaa tonnia vuodessa (2013) Vertailun vuoksi: Hiilidioksidin kokonaispäästöt Suomessa n. 60,1 miljoonaa tonnia (2014) Teollisuuden päästöt ovat pienemmät kuin liikenteen, energiantuotannon tai maatalouden, mutta yksittäisenä kohteena Raahen terästehdas on Suomen suurin hiilidioksidipäästölähde

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Teräksen valmistus Oksidinen rautamalmi (rautaa ja happea) Rikastus Rautarikaste (rautaa ja happea) Agglomerointi Rautarikastepelletti (rautaa ja happea) Oksidin pelkistys ja syntyvän metallin sulatus masuunissa Raakarauta (rautaa ja hiiltä) Teräksen valmistus = Mellotus Terässula (rautaa) Seostus, viimeistely, valu Aihiot Valssaus, viimeistely Terästuotteet

Mihin hiiltä tarvitaan teräksen valmistuksessa? 1) Pelkistimenä Rauta esiintyy luonnossa happeen sitoutuneena Tarvitaan aine, joka irrottaa hapen raudasta (pelkistin)

Mihin hiiltä tarvitaan teräksen valmistuksessa? 1) Pelkistimenä Rauta esiintyy luonnossa happeen sitoutuneena Tarvitaan aine, joka irrottaa hapen raudasta (pelkistin) 2) Lämmön-/energiantuojana Pelkistysreaktiot edellyttävät korkeita lämpötiloja Raakaraudan jatkokäsittely teräkseksi sulassa tilassa Tarvitaan korkeita lämpötiloja

Mihin hiiltä tarvitaan teräksen valmistuksessa? 1) Pelkistimenä Rauta esiintyy luonnossa happeen sitoutuneena Tarvitaan aine, joka irrottaa hapen raudasta (pelkistin) 2) Lämmön-/energiantuojana Pelkistysreaktiot edellyttävät korkeita lämpötiloja Raakaraudan jatkokäsittely teräkseksi sulassa tilassa Tarvitaan korkeita lämpötiloja 3) Panoksen tukirakenteena masuunissa Raudan sulaessa koksattu hiili jää tukemaan panosta Mahdollistaa panoksen kaasunläpäisevyyden

Mihin hiiltä tarvitaan teräksen valmistuksessa? 1) Pelkistimenä Rauta esiintyy luonnossa happeen sitoutuneena Tarvitaan aine, joka irrottaa hapen raudasta (pelkistin) 2) Lämmön-/energiantuojana Pelkistysreaktiot edellyttävät korkeita lämpötiloja Raakaraudan jatkokäsittely teräkseksi sulassa tilassa Tarvitaan korkeita lämpötiloja 3) Panoksen tukirakenteena masuunissa Raudan sulaessa koksattu hiili jää tukemaan panosta Mahdollistaa panoksen kaasunläpäisevyyden 4) Teräkseen liuenneena Rautaan liuennut hiili (n. 4,5 %) laskee sulattamiseen tarvittavaa lämpötilaa (1538 C  n. 1150 C) Lopputuotteeseen jää hiiltä seosaineeksi (0,05 - 2,1 %) Valuraudat Yli 2,1 % hiiltä Kovia, hauraita Hiiliteräkset n. 0,5 - 1,0 % hiiltä Muovattavuus ja sitkeys paranevat Lujat teräkset Alle 0,3 % hiiltä Lujia

Millä hiilen voisi korvata? 1) Vetypelkistys Toimii pelkistimenä ja energiantuojana mutta teräkseen liuenneena heikentää ominaisuuksia Vaatii erilaisen prosessiratkaisun Vedyntuotanto vaatii runsaasti energiaa - miten tuotettu?

Millä hiilen voisi korvata? 1) Vetypelkistys Toimii pelkistimenä ja energiantuojana mutta teräkseen liuenneena heikentää ominaisuuksia Vaatii erilaisen prosessiratkaisun Vedyntuotanto vaatii runsaasti energiaa - miten tuotettu? 2) Raudan valmistus elektrolyyttisesti Vaatii valtavasti energiaa ja erilaisen prosessiratkaisun

Millä hiilen voisi korvata? 1) Vetypelkistys Toimii pelkistimenä ja energiantuojana mutta teräkseen liuenneena heikentää ominaisuuksia Vaatii erilaisen prosessiratkaisun Vedyntuotanto vaatii runsaasti energiaa - miten tuotettu? 2) Raudan valmistus elektrolyyttisesti Vaatii valtavasti energiaa ja erilaisen prosessiratkaisun 3) Romupohjainen teräksen valmistus Ei pelkistystarvetta, mutta romu sulatettava (energia?) Käytössä laajasti, mutta ei kata tarvetta yksinään Sähköteräs ei järkevä ratkaisu, jos sähkö tuotetaan hiilellä

Millä hiilen voisi korvata? 1) Vetypelkistys Toimii pelkistimenä ja energiantuojana mutta teräkseen liuenneena heikentää ominaisuuksia Vaatii erilaisen prosessiratkaisun Vedyntuotanto vaatii runsaasti energiaa - miten tuotettu? 2) Raudan valmistus elektrolyyttisesti Vaatii valtavasti energiaa ja erilaisen prosessiratkaisun 3) Romupohjainen teräksen valmistus Ei pelkistystarvetta, mutta romu sulatettava (energia?) Käytössä laajasti, mutta ei kata tarvetta yksinään Sähköteräs ei järkevä ratkaisu, jos sähkö tuotetaan hiilellä 4) Nopeammin uusiutuvan hiilen käyttö Ei poista CO2-päästöjä, muttei vapauta fossiilista hiiltä Mahdollista korvata osa hiilestä biohiilellä, mutta ei kaikkea

Millä hiilen voisi korvata? 1) Vetypelkistys Toimii pelkistimenä ja energiantuojana mutta teräkseen liuenneena heikentää ominaisuuksia Vaatii erilaisen prosessiratkaisun Vedyntuotanto vaatii runsaasti energiaa - miten tuotettu? 2) Raudan valmistus elektrolyyttisesti Vaatii valtavasti energiaa ja erilaisen prosessiratkaisun 3) Romupohjainen teräksen valmistus Ei pelkistystarvetta, mutta romu sulatettava (energia?) Käytössä laajasti, mutta ei kata tarvetta yksinään Sähköteräs ei järkevä ratkaisu, jos sähkö tuotetaan hiilellä 4) Nopeammin uusiutuvan hiilen käyttö Ei poista CO2-päästöjä, muttei vapauta fossiilista hiiltä Mahdollista korvata osa hiilestä biohiilellä, mutta ei kaikkea 5) Teräksen korvaaminen muilla materiaaleilla

Case: Miksi teräksen valmistuksessa tarvitaan hiiltä? Yhteenveto Terästehtaat ovat suurimpia yksittäisiä hiilidioksidipäästöjen lähteitä Hiiltä tarvitaan raudan- ja teräksenvalmistus- prosesseissa moniin eri tehtäviin Pelkistimenä, polttoaineena, seosaineena, tukimateriaalina ”Hiilen korvaajan” on täytettävä hiilen eri tehtävät Keskeisiä haasteita hiilen korvaamisessa: Miten täytetään hiilen kaikki tehtävät? Miten prosesseissa tarvittava energia tuotetaan? Korvaavien aineiden käyttöön soveltuvat prosessilaitteistot ja niihin liittyvät investoinnit? Toiminnan kannattavuus taloudellisesti ja ympäristövaikutusten kannalta arvioitava kokonaisuutena

Case: Ferrokromin ja ruostumattoman teräksen valmistus Torniossa Outokummun Tornion tehtaat ovat Pohjois- maiden suurin yksittäinen sähkönkäyttäjä Ferrokromin valmistus uppokaariuuneissa Teräsromun sulatus valokaariuuneissa Sähkösulatus on edellytys teräsromun tehokkaalle kierrätykselle Energiatehokkuutta edistäviä tekijöitä Ferrokromi valmistetaan energiatehokkaimmalla valmistustekniikalla (uppokaariuunit) Ferrokromi saadaan sulana terässulatolle; ainoa maailmassa Ei tarvetta ferrokromin valulle ja murskaukselle Ferrokromikonvertterit Helpottavat logistiikka, ferrokromi sulana terässulatolle Ferrokromin sisältämän piin hapetus – lämmön hyödyntäminen romun sulatuksessa Ferrokromin valmistuksessa syntyvän CO-kaasun käyttö Korvaa muita polttoaineita (nestekaasu, öljy) tehtaalla (n. 30 %) Korvaa 370 tankkiautollisen verran öljyä vuodessa Loput (n. 70 %) myydään voimalaitokselle ja kalkkitehtaalle Kaasujen ja jäähdytysvesien lämmön hyödyntäminen Lähteenä käytetty Mika Päätalon ja Juha Ylimaunun esityksiä POHTOssa 2015 sekä Anne Kärjen esitystä POHTOssa 2016.

Case: Ferrokromin ja ruostumattoman teräksen valmistus Torniossa Energiatehokkuus tarkoittaa myös pienempää hiilijalanjälkeä Energiatehokkuuden parantamishankkeita Savukaasujen lämmön talteenotto askelpalkkiuuneista Energiansäästö 36000 MWh/a Häkäsäiliö, joka toimii paineentasaajana ja lyhytaikaisena varastona tuotannon ja kulutuksen välillä CO-kaasun käyttöaste +15 %, energiansäästö 86000 MWh/a Happilanssaus askelpalkkiuunin polttimilla Polttoaineen säästö, energiansäästö 25000 MWh/a Esimerkkejä energiankäytön tehostamistavoitteita Häkäkaasun käyttöaste > 95 % Kuumavalssaamon kuumapanostusaste > 68 % Yleistäen: pyritään hyödyntämään mahdollisimman tehokkaasti materiaalivirtojen lämpösisällöt Lähteenä käytetty Mika Päätalon ja Juha Ylimaunun esityksiä POHTOssa 2015 sekä Anne Kärjen esitystä POHTOssa 2016.

Case: Ferrokromin ja ruostumattoman teräksen valmistus Torniossa Uppokaariuuni ferrokromin valmistuksessa Energiantarve 7350 kWh/t-FeCr Energia sisään: 48 % hiili 41 % sähkö 7 % panoksen esilämmitys 3 % eksotermiset reaktiot 1 % muut Energia ulos: 36 % pelkistysreaktiot ”sitoutuu tuotteeseen” 28 % häkäkaasun polttoarvo + 3 % kaasun lämpö hyödynnetään tehtaalla muissa kohteissa 9 % ferrokromin sisältämän hiilen polttoarvo hyödynnetään sulatolla mellotuksessa 6 % ferrokromin lämpö 13 % kuonasulan lämpö 5 % muut Suljetun uunin etukuumennus pienentää ominaiskulutusta n. 70-80 kWh/t-FeCr Lähteenä käytetty Mika Päätalon ja Juha Ylimaunun esityksiä POHTOssa 2015 sekä Anne Kärjen esitystä POHTOssa 2016.

Case: Ferrokromin ja ruostumattoman teräksen valmistus Torniossa Uppokaariuunien energiatehokkuuden kehittäminen edelleen Teoreettiseen optimiin on parantamisen varaa 30 % Sulan kuonan lämpösisällön hyödyntäminen Nykyisin kuona granuloidaan vedellä Häkäkaasun käyttöasteen nosto 100 %:iin Häkäkaasun lämpösisällön hyödyntäminen Nykyisin kaasu venturipesureille 900 C:na ja ulos 40 C:na Vuorauksen jäähdytyksen optimointi Sulana hyödynnettävän ferrokromin osuuden kasvattaminen terässulatolla Nykyisin 1/3 sulana Lähteenä käytetty Mika Päätalon ja Juha Ylimaunun esityksiä POHTOssa 2015 sekä Anne Kärjen esitystä POHTOssa 2016.

Case: Valokaariuunin energiatehokkuuden parantaminen, Ovako, Imatra Keinoja energiatehokkuuden parantamiseksi Romun sulamisen ja hiili-injektion ajoituksen optimointi Mittausten kehittyminen  Parantunut prosessin hallinta ja ohjaus Optiset emissiospektrimittaukset Jatkuva lämpötilan mittaus Poltinten ajopraktiikoiden optimointi Koksia korvaavien energialähteiden käyttö Renkaat Lähteenä käytetty Ville Fomkinin esitystä POHTOssa 2015.

Case: Boliden Harjavalta Liekkisulatusmenetelmä hyödyntää rikasteiden lämpösisältöä Raaka-aineena sulfideja, joista rikki hapetetaan SO2:ksi Vapautuu lämpöä, joka sulattaa materiaalit Rikasteen lisäksi sekundäärisiä raaka-aineita kuten pölyjä, elektroniikkaromua, jne. Lisälämpö tarvittaessa öljyä polttamalla Prosessikaasun lämmön talteenotto Lämmöntalteenottokattilan talteenottamasta energiasta hyödynnetään n. 70 % rikasteen kuivauksessa Kosteus 8 %  0,2 % Kapasiteetti 136 t/h märkää rikastetta Boliden Harjavalta tuotaa höyryä ja kaukolämpöä yhteensä 668 GWh Energian käyttö Höyryn käyttö 112 GWh Kaukolämmön käyttö 18 GWh Polttoaineiden (öljyt, koksi, nestekaasu) kokonaiskäyttö 189 GWh Sähköenergian käyttö 179 GWh Lähteenä käytetty Ville Naakan esitystä POHTOssa 2015.

Case: Boliden Harjavalta Lähteenä käytetty Ville Naakan esitystä POHTOssa 2015.

Mistä energia saadaan pyrometallurgisiin prosesseihin? Sähköenergia Yleinen esim. romun sulatuksessa (valokaariuunit) Miten sähkö on tuotettu? Poltto Kiinteät, nestemäiset tai kaasumaiset polttoaineet Aine voi toimia sekä polttoaineena että pelkistimenä esim. koksi masuunissa Energian talteenotto Prosessikaasujen lämpösisältö (lämpötila, polttoarvo) Säteilylämmön ja höyryjen sisältämän lämmön talteenotto Raaka-aineen sisältämä energia Polttoainetta voidaan sisällyttää raaka-aineisiin esim. briketit Hapetusreaktioissa vapautuvan lämmön hyödyntäminen esim. piin ja hiilen poisto konvertterissa – romun sulatus Koko sulatusprosessin toiminta voi perustua raaka-aineen sisältämään energiaan esim. värimetallien valmistuksessa käytettävä liekkisulatus Mistä energia saadaan pyrometallurgisiin prosesseihin? Sivuhuomautus Kun puhutaan energiankulutuksesta ja -tuotannosta, niin on syytä muistaa termodynamiikan 1. pääsääntö: Energiaa ei voi luoda eikä hävittää – se vain muuttaa muotoaan. esim. polttoprosessissa kemiallinen energia vapautuu lämpönä (ja valona), ainetta kuumennettaessa siihen sitoutuu lämpöä, jne. Energiatehokkuudessa on itse asiassa kyse siitä, miten tehokkaasti energia hyödynnetään!

Prosessi-integraation merkityksestä energia-tehokkuudelle Integroidussa tehtaassa voidaan hyödyntää eri prosessivaiheiden energiavirtoja Yhden vaiheen ylilämpö hyödynnetään siellä, missä tarvitaan lisälämpöä Ei kuluteta energiaa tekemällä samaa asiaa useasti Ei sulateta joka prosessivaiheessa erikseen Integraatio asettaa myös rajoituksia ja haasteita Käyntiasteen ja huoltovarmuuden korostunut merkitys Toimintojen yhteensovittaminen ja ajoituksen hallinta Pullonkaulojen tunnistaminen ja niihin puuttuminen Vaaditaan jatkuvaa optimointia Toiminnan arviointi ja päätöksenteko haastavampaa Integroinnin tiivistäminen lisää mahdollisuuksia mutta myös riskejä Lähteenä käytetty Kimmo Kinnusen ja Leena Määtän esityksiä POHTOssa 2015.

Prosessi-integraation merkityksestä energia-tehokkuudelle Lähteenä käytetty Kimmo Kinnusen ja Leena Määtän esityksiä POHTOssa 2015.

Mitä ”integroitu energiankulutksen optimointi” vaatii Mitä ”integroitu energiankulutksen optimointi” vaatii? Case: Raahen terässulatto Lämpötilan ja ajoituksen hallinta Vältetään ”moneen kertaan tekemistä” (laatu) Lämpöhäviöiden pienentäminen Kannet terässenkoissa Konvertterin kääntö pois pystyasennosta taukojen aikana Kerralla käyössä olevien senkkojen määrän optimointi Konvertterikaasun lämpösisällön käyttö kaukolämmön tuotannossa 1/3 käytetään tehtaalla (= 80 % tehtaan tarpeesta) Loput myydään Raahen kaupungille (= 95 % tarpeesta) Aihioiden kuumapanostus Aihiot esikuumennusuuneihin yli 400 C:na Sähkö vs. poltto? Hyödyntämättä kuonien sekä jatkuvavalun jäähdytysvesien lämpösisällöt Lähteenä käytetty Leena Määtän esitystä POHTOssa 2015.

Mitä ”integroitu energiankulutksen optimointi” vaatii Mitä ”integroitu energiankulutksen optimointi” vaatii? Case: Raahen terässulatto Lähteenä käytetty Leena Määtän esitystä POHTOssa 2015.

Mitä ”integroitu energiankulutksen optimointi” vaatii Mitä ”integroitu energiankulutksen optimointi” vaatii? Case: Raahen terässulatto Lähteenä käytetty Leena Määtän esitystä POHTOssa 2015.

Lähteenä käytetty Leena Määtän esitystä POHTOssa 2015.

Energiatehokkuus ”Energiatehokkuus on kilpailukykyisten tuotteiden ja palvelujen aikaansaamista pienenevin energiapanoksin ympäristöä säästäen.” Energiatehokkuusdirektiivi (2012/27/EU) Energiatehokkuus = Suoritteen, palvelun, tavaran tai energian tuotoksen suhde energiapanokseen Energiansäästö = Säästetyn energian määrä mittaamalla tai arvioimalla energiankulutus ennen ja jälkeen energiatehokkuutta parantavan toimenpiteen (muut tekijät vakioiden) Energiatehokkuuden parantaminen = Tekninen, inhimilliseen toimintaan ja/tai taloudellisiin muutoksiin liityvä energiatehokkuuden lisääntyminen Voidaan ymmärtää korkeana hyötysuhteena, primäärienergian säästönä, energian laatuna, elinkaarinäkökulmasta tai osana materiaalitehokkuutta Lähteenä käytetty Hille Hyytiän esitystä POHTOssa 2015.

Energiatehokkuuden mittarit Mittareiden tavoitteet Laitoksen energiankulutuksen seuranta ja analysointi Eri yksiköiden/toimintojen/laitosten energiankulutusten vertailu Ennen mittarien käyttöä määriteltävä: Taseraja: mitä systeemiä tarkastellaan? Mitä energialajeja seurataan (polttoaineet, sähkö, kaukolämpö, jätelämpö, jne.)? Kuinka eri polttoaineita/polttoainelähteitä verrataan? Käytetäänkö ylempää vai alempaa lämpöarvoa? Erotellaanko oma energiantuotanto ostoenergiasta? Miten energian myynti huomioidaan? Erotetaanko eriarvoiset energiat toisistaan? Lähteenä käytetty Hille Hyytiän esitystä POHTOssa 2015.

Energiatehokkuuden mittarit Taserajan määritys Lähteenä käytetty Hille Hyytiän esitystä POHTOssa 2015.

Energiatehokkuuden mittarit Yleisin on ominaisenergiankulutus Specific Energy Consumption, SEC Yksikkönä [GJ/t] tai [MWh/t] Kuvaa enerrgiankulutuksen muutoksia yhdessä kohteessa Soveltuu huonosti eri prosessien vertailuun Useita tuotteita valmistettaessa voidaan määrittää keskimääräinen ominaisenergiankulutus tuotetta kohden Eri energiamuotojen yhteismitallistaminen Ei viittaa polttoaineiden, sähkön- ja höyrynkulutukseen i viittaa sähkön- ja höyryntuotannon hyötysuhteisiin Sähköntuotannolle tyypillisesti 40 % ja höyryntuotannolle 85 % SEC X viittaa SEC:iin X kuukauden keskiarvona esim. SEC 6 on puolen vuoden keskiarvo Lähteenä käytetty Hille Hyytiän esitystä POHTOssa 2015.

Energiatehokkuuden mittarit Energiatehokkuusindeksi Energy Efficiency Index, EEI Dimensioton luku, joka suhteuttaa energiankuluutksen suhteessa valittuun referenssiin SECref viittaa referenssiprosessin energiankulutukseen Vertailuarvo voi olla: laitoksen tietyn vertailuvuoden energiankulutus BAT (Best Available Technique) –arvo vaihtoehtoja vertailtaessa vertailuprosessin energiankulutus Energiaintensiteettikerroin Energy Intensity Factor, EIF Huomioi laitoksen tuotannon taloudellisen arvon Liikevaihdon kasvaessa EIF voi pienentyä, vaikkei laitoksen energiankulutus pienenisikään Käytetään myös mittaamaan valtiontalouden energiatehokkuutta, jolloin nimittäjä on bruttokansantuote Lähteenä käytetty Hille Hyytiän esitystä POHTOssa 2015.

Energiatehokkuuden mittarit Arvioidaan kuinka suuri osuus tiettyyn prosessiin/laitokseen tuotavasta energiasta saadaan tuotteeseen (Product, P) saadaan otettua talteen muuhun käyttöön (Recovery, R) menee hukkaan (Loss, L) Lähteenä käytetty Mikael Larssonin esitystä POHTOssa 2015.

Energiatehokkuuden mittauksessa huomioitavia asioita Investointikustannus Käyttökustannus Takaisinmaksuaika Kustannus-tehokkuus Materiaali-tehokkuus Laatu-tekijät Ympäristö-tekijät Energia-tehokkuus esim. veden ja materiaalien käyttö, materiaalien laatu, kierrätysmateriaalin osuus Energiatehokkuuden laskennan elinkaarinäkökulmia koskevat valinnat Sitoutunut energiankulutus Käytönaikainen energiankulutus Peruskulutus Toiminnan aiheuttama kulutus Kierrätetty energia Energiatehokkuuden laskennan laajuutta koskevat valinnat Mittausalue eli taseraja energiatehokkuusluku, ominaisenergiankulutus, hyötysuhde esim. ympäristön laatu, käyttöaste, sisäilman laatu, kapasiteetin käyttöaste, tuotteen laatu, toimitusajat esim. päästöjen määrät, hiilijalanjälki Lähteenä käytetty Hille Hyytiän esitystä POHTOssa 2015.

Energiatehokkuuden ohjausmenetelmiä Energiatehokkuusdirektiivi (2012/27/EU) Päästökauppa Lähteenä käytetty Hille Hyytiän, Kimmo Kinnusen ja Juha Ylimaunun esityksiä POHTOssa 2015 sekä Anne Kärjen ja Kimmo Järvisen esityksiä POHTOssa 2016.

Energiatehokkuuden ohjausmenetelmiä Energiatehokkuusdirektiivi (2012/27/EU) Energiatehokkuuslaki 1429/2014, voimaan 2015 Osa energiatehokkuusdirektiivin toimeenpanoa Velvoittaa suuryritykset tekemään katselmointeja tai ottamaan käyttöön ja sertifioimaan energiatehokkuuden johtamisjärjestelmän ETJ + ISO14001 tai ISO50001 Sertifiointi ei ole pakollinen, mikäli yritys kuuluu energiavaltaisen teollisuuden energiatehokkuuden sopimusjärjestelmään SSAB Europe kuuluu järjestelmään Teollisuuden energiatehokkuussopimus sis. mm. energian tuotanto, energiavaltaiset teollisuuden alat Edellinen kausi 2008-2016 Tavoitteena saavuttaa kansallisessa energia- ja ilmasto-strategiassa sekä energiatehokkuusdirektiivissä asetetut tavoitteet Uusi kausi 2017-2025 Kattavuustavoite 80 % energian käytöstä vuoden 2018 loppuun mennessä Lähteenä käytetty Hille Hyytiän, Kimmo Kinnusen ja Juha Ylimaunun esityksiä POHTOssa 2015 sekä Anne Kärjen ja Kimmo Järvisen esityksiä POHTOssa 2016.

Energiatehokkuuden ohjausmenetelmiä Energiatehokkuuslain velvoittamat katselmukset Katsaus kaikista toiminnoista ja niiden energiankulutuksen rakenteesta ja energiansäästömahdollisuuksista Luetellaan kaikki toiminnot, joissa energiaa käytetään sekä niiden energiankulutukset energialajeittain (kaukolämpö, maakaasu, öljy, sähkö, jne.) Lisäksi otos kohdekatselmuksia (rakennus, laitos tai sen osa) Yksittäiseen energiankäyttökohteeseen kohdistuva katselmus, jonka tavoitteena on energiatehokkuuden parantaminen Keskittyminen kohteisiin, joissa korkein kulutus ja/tai eniten parannettavaa energiatehokkuudessa Oltava riittävä määrä kokonaiskuvan luomiseksi BAT ja ympäristöluvat Lupamääräykset ja toimintojen vaatimukset perustuvat BATiin Käytettävä parasta käyttökelpoista tekniikkaa Päästöraja-arvojen sekä päästöjen ehkäisyn ja rajoittamisen tulee perustua BATiin, mutta lupamääräys ei saa rajoittaa käyttämään vain tiettyä tekniikkaa Poikkeamiset BATista voimassa vain määräajan ja aina perusteltava ympäristöluvassa http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/ Lähteenä käytetty Hille Hyytiän, Kimmo Kinnusen ja Juha Ylimaunun esityksiä POHTOssa 2015 sekä Anne Kärjen ja Kimmo Järvisen esityksiä POHTOssa 2016.

Energiatehokkuuden ohjausmenetelmiä Energiatehokkuus on kustannustehokkuutta Tehokas porkkana Ohjannut toimintaa terästeollisuudessa jo pitkään EU-tasoisissa (= ei-globaaleissa) päätöksissä riskinä hiilivuoto Lähteenä käytetty Hille Hyytiän, Kimmo Kinnusen ja Juha Ylimaunun esityksiä POHTOssa 2015 sekä Anne Kärjen ja Kimmo Järvisen esityksiä POHTOssa 2016.

Yhteenveto Metallien valmistus erittäin energiaintensiivistä Sidoksissa kannattavuuteen, tehokkuuteen ja ympäristövaikutuksiin Energiaa tarvitaan Kuumennukseen ja sulatukseen Pelkistykseen ja muihin reaktioihin Energialähteet Sähkö – Miten tuotettu? Polttoaineet Fossiiliset Kiertomateriaalit Raaka-aineiden sisältämän energian hyödyntäminen Energiasisältöjen hyödyntäminen Prosessi-integraatio