1 Adt - MyCourses
Transcription
1 Adt - MyCourses
CHEM-A1100 – Teollisuuden toimintaympäristö ja prosessit Biotuoteteollisuuden prosesseista ja taseista Kyösti Ruuttunen 2015 Kalvoja ovat olleet laatimassa myös Lauri Rautkari ja Olli Dahl Taseet KnowPulp 10.0, http://know.aalto.fi/pulp Osaamistavoitteet Luennon jälkeen opiskelija • • • • osaa selittää, miksi taselaskenta on tärkeä osa prosessiteollisuutta hallitsee taselaskennan perusteet on harjoitellut taselaskentaa omaa valmiudet harjoitella itsenäisesti yksinkertaisten biotuoteteollisuuden prosesseihin liittyvien materiaali-, energia-, ja taloustaseiden laskentaa Materiaali-, aine- ja energiatase – merkitys ENERGIA LISÄAINEET RAAKA-AINE ILMAPÄÄSTÖT PROSESSI VESI MELU LOPPUTUOTE JÄTEVESI KIINTEÄT JÄTTEET Kuva: Olli Dahl 4 Taseet: mitä ja miksi? Aine- ja energiataseiden muodostaminen perustuu yksinkertaisiin sääntöihin. • Termodynamiikan pääsäännöt, aineen häviämättömyyden laki. Insinöörin tulee ymmärtää yksikköprosessien toiminta ilmiötasolla. Insinöörin tulee ymmärtää prosessikokonaisuuksia ja osata muodostaa. näille aine- ja energiataseet ja tarvittaessa hyödyntää ylimääräiset aine- ja energiavirrat muissa prosesseissa (sivuvirrat ja teollinen symbioosi!). Insinöörin tulee osata myös laskea ja arvioida uusien prosessien kannattavuutta riittävällä tarkkuudella, jotta vältyttäisiin vääriltä investoinneilta. 5 Sahatessa puolet sahatavaraksi 6 Teollinen symbioosi – Esimerkki 1 q Ainevirrat PUU SELLUTEHDAS PUUNKÄSITTELY PAPERITEHDAS ARKITTAMO HIOMO PAPERI 7 Teollinen symbioosi – Esimerkki 2 q Energiavirrat PUUSTA LIUKENEE N. 50% VESIHÖYRY SELLUTEHDAS PUU MUSTALIPEÄN POLTTO PUUNKÄSITTELY PUU JA KUORIJÄTE PUUN JA KUOREN POLTTO PAPERITEHDAS SÄHKÖ- JA LÄMPÖENERGIA SÄHKÖ- JA LÄMPÖENERGIA HIOMO SÄHKÖ- JA LÄMPÖENERGIA SÄHKÖ- JA LÄMPÖENERGIA ARKITTAMO PAPERI 8 Teollinen symbioosi – Esimerkki 3 q Vesien käyttö ja jätevesien käsittely MAKEA VESI PUU LÄMMIN VESI Mekaanisesti puhdistettu vesi Kemiallisesti puhdistettu vesi SELLUTEHDAS Kemiallisesti puhdistettu vesi PAPERITEHDAS HÖYRY Laihamusta- Sekundäärilipeä lauhde PUUNKÄSITTELY JÄTEVESI AKTIIVILIETELAITOS JÄTEVESI VESISTÖÖN VEDENVAIHTO VESIHÖYRY MUSTALIPEÄN HAIHDUTUS HIOMO VEDENVAIHTO ARKITTAMO PAPERI JÄTEVESI 9 Puun kulku metsästä tehtaalle Suomessa 2014 (milj.m3) Puustopääoman kasvu 30 milj. HakkuuKertymä 60 MarkkinaPuu 55 Teollisuuden Raakapuu 64 Massa- ja Paperiteollisuus 37+9 9 Kokonaispoistuma 73 Tuontipuu ja hake 9 9 Puuston kasvu 104 m3 73 Hakkuutähde ja Luonnonpoistuma 13 55 Hake ja puru 9 Polttopuu 5 Puutuoteteollisuus 27 LÄHDE: Metsäteollisuus, Luke Sulfaattiselluprosessi Kuitulinja Raaka-aineet Lisäaineet (Kemikaalit) Keittokemikaalien valmistus Lopputuote / toisen prosessin raaka-aine Energian tuotanto Prosessikokonaisuus: sellutehdas Osaprosessit: Puunkäsittely, kuitulinja ja kemikaalikierto Yksikköprosessit: satoja erilaisia (sulatus, kuorinta, haketus…. 11 Sulfaattisellutehtaan raaka-aine- ja tuotetase; havupuu 2 465 kg kuorimatonta Kuorittua puuta 2 120 kg Haketta 2 078 kg puuta vastaa ~6,2 m3:a Kuorta 296 kg Rejekti 42 kg Puuhäviö 49 kg (tiheys 400 kg/ m3) 2 465 kg kuorimatonta puuta Lajittelu & happidelignifiointi (saanto 95 %) Massaa 928 kg Liuenneet aineet ja rejekti 49 kg Puun kuorinta (saanto 86 %; kuorta 12 %, puuhäviö 2 %) Hakkeen valmistus ja lajittelu (saanto 98 %) Valkaisu (saanto 97 %) 1 ADt sellua (10 % kosteutta) Massaa 900 kg Liuenneet aineet 28 kg Valkaisematonta massaa 977 kg Liuenneet aineet 1 101 kg Keitto (saanto 47 %) Sellu kuivataan arkeiksi vain, jos se myydään tehtaalta ulos sellaisenaan. Suomessa sellutehtaat useimmiten integroituja. Saanto kuoritusta puusta = 100 % * 900 kg / 2 120 kg = 42 % 12 Kuumahierteen (TMP) valmistus KnowPulp 10.0, 2011 13 TMP:n valmistuksen raaka-aine- ja tuotetase; havupuu 1 102 kg kuorimatonta Kuorittua puuta 937 kg puuta vastaa ~2,8 m3:a Kuorta 132 kg Puuhäviö 33 kg (tiheys 400 kg/ m3) 2 465 kg kuorimatonta puuta Kuumahierto & lajittelu (saanto 99 %) Massaa 909 kg Liuenneet aineet 9 kg 1 102 kg kuorimatonta puuta Valkaisu (saanto 99 %) Massaa 900 kg Liuenneet aineet 9 kg Puun kuorinta (saanto 85 %; kuorta 12 %, puuhäviö 3 %) Haketta 918 kg Rejekti 19 kg Hakkeen valmistus ja lajittelu (saanto 98 %) TMP:tä ei koskaan kuivata, vaan se Kuivaus valmistetaan juuri ennen sen syöttämistä à 1 ADt paperinvalmistusprosessiin, ts. sellua (10 % massanvalmistus kosteutta) on integroitu osaksi paperitehdasta. Saanto kuoritusta puusta = 100 % * 900 kg / 937 kg = 96 % 14 Hiokkeen (GW) valmistus KnowPulp 10.0, 2011 15 GW:n valmistuksen raaka-aine- ja tuotetase; havupuu 1 080 kg kuorimatonta Kuorittua puuta 918 kg puuta vastaa ~2,7 m3:a Kuorta 130 kg Puuhäviö 32 kg (tiheys 400 kg/ m3) 2 465 kg kuorimatonta puuta Hionta & lajittelu (saanto 99 %) Massaa 909 kg Liuenneet aineet 9 kg 1 102 kg kuorimatont a puuta Valkaisu (saanto 99 %) 1 080 kg kuorimatonta puuta Puun kuorinta (saanto 85 %; kuorta 12 %, puuhäviö 3 %) Hiokettakaan Kuivausei koskaan kuivata, vaan myös sen valmistus à 1 ADton integroitu osaksi paperitehdasta. sellua (10 % kosteutta) Massaa 900 kg Liuenneet aineet 9 kg Saanto kuoritusta puusta = 100 % * 900 kg / 918 kg = 98 % 16 Muutama sana prosessien energiataseista Sellutehdas tuottaa enemmän energiaa kuin se kuluttaa prosesseissaan • Mustalipeän poltosta saadaan höyryä ja sähköä, joka voidaan hyödyntää muissa prosesseissa tai myydä ulos Mekaanisen massan valmistus on energiaintensiivinen prosessi • • Kuumahierteen (TMP) kuidutusprosessi kuluttaa 2,0-3,5 MWh/BDt (1,8-3,2 MWh/Adt) Hiokkeelle vastaavat luvut: 1,5-2,0 MWh/BDt (1,4-1,8 MWh/ADt) Mekaanisen massan ja paperin valmistus on energiaintensiivistä • • Esim. vuonna 2007 puunjalostusteollisuus kulutti Suomessa 26 TWh sähköä (~50 % tästä teollisuus tuotti itse) Vertailun vuoksi: Olkiluodon ydinvoimala (kaksi reaktoria) tuottaa vuosittain ~14 TWh sähköä Lähteet: http://www.metla.fi/metinfo/tilasto/julkaisut/vsk/2008/vsk08_09.pdf http://www.tvo.fi/voimalaitokset 17 Paperin ja kartongin valmistusprosessi Yleisin prosessi perustuu märkärainaukseen, jossa paperin raakaainekomponentit muodostavat veteen sekoittuneena massasuspension. Massasuspensio levitetään homogeeniseksi massarainaksi, jota lujitetaan poistamalla siitä vettä suotauttamalla. Tämän jälkeen puristetaan ja haihdutetaan rainaa voimakkaasti, jolloin lopun veden poistuessa rainasta saadaan kuivaa paperia. KnowPap-oppimisympäristö sisältää perustietoa paperin valmistuksesta • esim.: http://www.knowpap.com/extranet/suomi/paper_technology/paper_machine/ general/frame.htm 18 19 Paperikone Perinteinen tasoviirakone - tasainen rakenne vaatii alhaisen kuiva-ainepitoisuuden perälaatikko puristinosa kuivatusosa rullaus viiraosa sakeus ~0,5% sakeus ~20% kuivaainepit. ~4555% kuivaainepit. ~90-95% 20 Eri paperilajien valmistuksen energiankulutus Paperilaji Höyrynkulutus, kWh/BDt Sähkönkulutus, Yhteensä, kWh/BDt kWh/BDt Sanomalehti 1500 630 2130 Puupitoinen päällystämätön 1528 680 2208 Puupitoinen päällystetty 1417 820 2237 Puuvapaa päällystämätön 2000 670 2670 Puuvapaa päällystetty 2139 900 3039 Pehmo(* 1056 1050 2016 *)kaasunkulutusta ei huomioitu, tyypillinen kulutus 800-1400 kWh/BDt Puupitoinen = sisältää mekaanista massaa; puuvapaa = ei sisällä mek. massaa 21 Taseiden laskeminen Esimerkkejä 22 Biojalostamoesimerkki: Kemiallisen massan valmistuksen eli sellutehtaan perustaseet – puunkäsittely Puunkäsittely tuottaa kuorijätettä kiinteän polttoaineen kattilalle (ns. kuorikattila), puun tilavuudesta noin 12 % kuorta. Osa puusta menee polttoon ja osa kuoresta menee hakkeen mukana keittoon. Seulonta parantaa keittoon menevän hakkeen laatua. Huom.: Puun määrä ilmoitetaan kuutioina (m3; tilavuusmitta) ja sellun määrä tonneina (painomitta) à puun tiheys tunnettava 23 à puun ja sellun kosteuspitoisuus tunnettava Biojalostamoesimerkki: Kemiallisen massan valmistuksen eli sellutehtaan perustaseet – kuitulinja Kuitulinjan saanto on noin 47 % eli 100 kg:sta kuivaa puuta tulee 47 kg sellua (saantoa menetetään keitossa, lajittelussa, happivaiheessa ja valkaisussa). Keitossa puusta poistuu ligniiniä, joka johdetaan pesuveden mukana kemikaalikiertoon (laihamustalipeä). 24 Puun käsittelyn ja kuitulinjan tase Lasketaan käyttäen lähtökohtana yhtä ilmakuivaa tonnia valkaistua sellua. Kaikki välivaiheiden sellu- ja puumäärät ja niiden häviöt suhteutetaan tähän (kg/ADt). Valkaisu D-Eop-D-D Happidelignifiointi Saanto 97 % Saanto 96 % Kappal. 18 LÄHTÖTILANNE: HAKKEEN LAJITTELU: 900 kg valkaistua sellua puuhäviö 2 % MASSAN LAJITTELU Oksat 1,5 % Lajjitteluhäviö 1% KEITTO Kappaluku 30 Saanto 47 % HAKETUS: KUORINTA: PUUTA puuhäviö 0 % puuhäviö 2% KENTÄLLÄ 25 Kuitulinjan kuitutase 1 Adt (air dry ton) eli tonni ilmakuivaa sellua =(1000 kg*0,9) =900 kg/Adt Happidelignifioitua Häviö mustalipeään sellua: (1-0,96)*966= 39 kg/Adt =900/0,97= 928 kg/Adt Valkaisu D-Eop-D-D Happidelignifiointi Saanto 97 % Saanto 96 % Kappa 18 Valkaisuhäviö: =928*0,03= 28 kg/Adt Lajiteltua sellua =928/0,96 =966 kg/Adt Tuotanto: 708288 Adt/a, Käyntipäivät: 357 d/a Keskituotanto:708288/357= 1984 Adt/d = 83 Adt/h = 0,023 Adt/s Sellua keitosta: =966/(1-0,01-0,015)= 991kg/Adt (rejektí ja oksat poistetaan) MASSAN LAJITTELU Oksat 1,5 % Lajitteluhäviö 1% Lajittelun häviö: 991*(0,01+0,015)= 25 kg/Adt Keittoon tarvitaan haketta: =991/0,47=2109 kg/Adt KEITTO Kappaluku 30 Saanto 47 % Keitossa häviö mustalipeään: =2109*(1-0,47)=1118 kg/Adt Orgaaniset aineet mustalipeään: =keitossa ja happidelignifioinnissa liuenneet = 1118 + 39 = 1156 kg/Adt 26 Puunkäsittely: mänty 1 Adt (air dry ton) eli tonni ilmakuivaa sellua HAKE KEITTOON HAKKEEN LAJITTELU: puuhäviö 2 % Lajiteltua haketta keittoon: =2109 kg/Adt (edelliseltä kalvolta) Haketta lajitteluun: =2109 kg/Adt /(1-0,02)=2152 kg/Adt Puuhäviö lajittelussa: =2152 kg/Adt *0,02=43 kg/Adt Puun tiheys: 400 kg/m³ Kuoren tiheys: 300 kg/m³ Kuoripitoisuus: 12 v-% HAKETUS: KUORINTA: puuhäviö 0 % puuhäviö 2 % Kuorittua puuta: = 2152 kg/Adt /(1-0,02)=2196 kg/Adt = 2196 kg/Adt / 400 kg/m³= 5,5 m³/Adt Puuhäviö kuorinnassa: = 2196 kg/Adt *0,02= 44 kg/Adt Kuorimatonta puuta (kuivana): = 5,5 m³/Adt /(1-0,12) = 6,2 m³/Adt Kuorta (kuivana): = 6,2 m³/Adt – 5,5 m³/Adt = 0,7 m³/Adt Kuorimatonta puuta (kuivana): = 5,5 m³/Adt*400 kg/m³+ 0,7m³/Adt*300 kg/m³ = 2421 kg/Adt CHEM-A1100 Esimerkkejä taloudellisista taseista Korkealaatuinen metsäbiomassa 75 €/k-m3 Hiilivapaat puutuotteet Puutuotetekniikka Sahatavara, 200 €/k-m3 (+125 €) B I O M A S €/k-m3 40 (40 €/k-m3 €/k-m3 Paperisellu, 105 (+65 €) Liukosellu, 150 €/k-m3 (+110 €)) S A N L A A 20 €/k-m3 Sähkö ja höyry, 30-50 €/ k-m3 T U 28 Tehtävä Oletukset • Vuodessa Suomessa korjataan 64 miljoonaa m3 teollisuuspuuta (ks. kalvo 9) • • 27 milj. m3 tukkipuuta (puiden keskimääräinen pituus > 20 m) à sahatavaraa 46 (37+9) milj. m3 kuitupuuta (pituus ~15 m, läpimitta ~13 cm) à sellua Kysymykset • Mikä olisi tuotetun sahatavaran ja sellun arvo, jos ne menisivät vientiin sellaisenaan? • Vastaako saamanne tulos Suomen vientitilastoja? Pohtikaa, mitä kaikkia tuotteita voidaan valmistetaan yllä mainituista raaka-aineista. Mikä on näiden tuotteiden arvo ja mitä kustannuksia niiden valmistamiseen liittyy? Mitä johtopäätöksiä tuloksista voi tehdä? • Käytä vastaamisessa apuna luentokalvojen materiaalia. Voit myös etsiä lisätietoa internetistä. Kalvolla 34 on linkkejä, joita voit hyödyntää. 29 30 Suomen merkittävimmät vientituotteet 1. Paperi ja kartonki 6,8 mrd. EUR 4. Sahatavara 1,5 mrd. EUR 5. Selluloosa 1,4 mrd. EUR Kuva ABB 2. Dieselpolttoaineet 5.8 mrd. EUR 3. Ruostumattomat teräslevyt 2,1 mrd. EUR 6. Sähkögeneraattorit ja –moottorit 1,4 mrd. EUR Kuva Planmeca 7. Erikoiskoneet ja – laitteet 1,2 mrd. EUR Kuva Valmet Automotive 8. Moottoriajoneuvot henkilökuljetuksiin 1,1 mrd. EUR LÄHDE: Tulli, SITC3-luokitus 9. Sähkömuuntajat ja taajuusmuuntajat 1,0 mrd. EUR 10. Nostamis- ja lastaamiskonee t 0,9 mrd. EUR Metsäteollisuus Suomen kansantaloudessa 2009 2010 2011 2012 2013 9,3 6,2 15,6 9,6 6,3 15,9 9,8 6,1 15,8 9,1 5,7 14,8 9,0 5,9 14,9 Osuus tehdasteollisuuden tuotannon bruttoarvosta, % b Puutuoteteollisuus* 5,8 Massa- ja paperiteollisuus 11,2 Metsäteollisuus yhteensä* 17,0 6,2 13,0 19,2 5,9 12,1 18,0 6,0 11,6 17,6 5,9 12,1 18,0 Osuus viennistä, %c Puutuoteteollisuus* Massa- ja paperiteollisuus Metsäteollisuus yhteensä* 4,1 16,4 20,5 4,0 15,8 19,8 4,0 15,5 19,4 4,4 15,9 20,3 Osuus tehdasteollisuuden työllisyydestä, % Puutuoteteollisuus* Massa- ja paperiteollisuus Metsäteollisuus yhteensä* a 4,0 15,6 19,6 a työllisyys Kansantalouden tilinpidon mukaan, 2013 tiedot julkaistu heinäkuussa 2014 b vuoden 2013 julkaistu joulukuussa 2014, Alueellinen yritystoimintatilasto c Tullihallitus: CN-luokittelulla * ml. huonekaluteollisuus LÄHDE: Tilastokeskus, Tulli 32 Suomen puutuoteteollisuus 33 Sellun viennin määrän ja arvon kehitys Suomessa 3 000 1000 tonnia viennin määrä viennin arvo 2 500 Milj. EUR1 600 1 400 1 200 2 000 1 000 800 1 500 600 1 000 400 500 200 0 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 LÄHDE: Tullihallitus Sellun vienti, 1000 tonnia 2014 2 810 2013 2 840 muutos% -1,1 % Sellun viennin arvo, milj. EUR 2014 1 520 2013 1 460 muutos% 3,9 % Havusaha- ja höylätavaran viennin määrä ja arvo Milj. m3 9 Vientimäärä Viennin arvo 8 Mrd. 1,8 EUR 1,6 7 1,4 6 1,2 5 1,0 4 0,8 muutos ed. vuodesta Määrä 4,4 % Arvo 7,7 % 3 0,6 Huom. Vienti sisältää myös höylätavaran 2 0,4 1 0,2 0 0,0 Vienti 2005200620072008200920102011201220132014 LÄHDE: Tullihallitus 2014 3 Määrä, milj. m Arvo, mrd. EUR 7,5 1,6 Lähteitä (muitakin saa käyttää!) http://www.metla.fi/julkaisut/metsatilastollinenvsk/tilastovsk-sisalto.htm http://faostat3.fao.org/browse/F/*/E http://www.metsateollisuus.fi/tilastot/ http://www.puuntuottaja.com/kiintokuutiosta-puuta-tulee-113-eurolla-sellua/ http://www.metsateollisuus.fi/toimialat/paperi-kartonki-jalosteet/paperi-jasellu/Paljonko-puuta-tarvitaan-paperiin---216.html 35