1. No category

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