Gå til hovedinnhold
0
Hopp til hovedinnhold

Bio-kull: En bærekraftig game-changer i norsk metallurgisk industri

Lorenzo Riva disputerer for ph.d.-graden med avhandlingen “Production and Application of Sustainable Metallurgical Biochar Pellets” mandag 7. september 2020. (Foto: Privat)

Compared to the long-studied and optimized production chain related to fossil coal and coke, the specific production of biochar pellets pollutes more. However, once the emissions associated to the application in a metallurgical context are considered, due to the carbon neutrality, the use of biochar pellets might bring a reduction of about 31%.

Lorenzo Riva

Ph.d.-kandidat

Disputasen foregår digitalt på internett på grunn av Corona covid-19-situasjonen.

Lorenzo Riva disputerer for ph.d.-graden med avhandlingen “Production and Application of Sustainable Metallurgical Biochar Pellets” mandag 7. september 2020.

Han har fulgt doktorgradsprogrammet ved Fakultet for teknologi og realfag, med spesialisering i fornybar energi.

I avhandlingen har han undersøkt bruken av bio-kull-pellets - det vil si trevirke som blir omdannet til pellets gjennom pyrolyse - i kraftkrevende metallurgisk industri, som tradisjonelt bruker kull i sin energiproduksjon for å utvinne for eksempel stål, mangan og silicon. Denne tungindustrien står for rundt 8 prosent av norske CO2-utslipp. Det meste av forskningen på bio-kull i Norge har hittil vært rettet inn mot landbruk, men oppmerksomheten blir nå også rettet mot industrien gjennom Norsk Biokullnettverk.

I doktorgradsavhandlingen viser Lorenzo Riva gjennom utvikling av en bedre metode for å lage pellets, at økonomien i produksjon av bio-kull kan bli bedre ved å utnytte materialene som blir dannet som sideprodukter ved pyrolyse-behandlingen av trevirke, spesielt pyrolyse-olje. Ved å gjenta varmebehandlingen blir bio-kullet med pyrolyse-olje en energibærer som kan konkurrere med tradisjonelt kull.

Selve produksjonen av bio-kull er mer forurensende enn produksjon av kull, men når hele produksjonen i den metallurgiske industrien blir tatt med i regnestykket, blir utslippene av forurensende gasser redusert med en tredjedel, siden trevirket er karbon-nøytralt. Og trevirke har Norge mye av, konstaterer Lorenzo Riva.

Slik oppsummerer Lorenzo Riva selv avhandlingen:

Biochar: A sustainable game-changer in the Norwegian metallurgical industry

Figure 1 Forest total area in Norway (in millions of hectares) in the interval 2014-2018. Data elaborated after SSB.

Figure 1 Forest total area in Norway (in millions of hectares) in the interval 2014-2018. Data elaborated after SSB.

Certain industrial branches are dependent on fossil fuels for their physio-chemical characteristics and less as fuel. For instance, the metallurgical industry (e.g. steel, silicon and manganese production) traditionally requires fossil coal and coke (thermally treated coal) as reducing agent in the reactions required to purify the metal ores.

Unless going through a dramatic change in the technological process, the carbon neutrality of these systems must be reached finding a similar but renewable material. In Norway, where the metallurgical industry is estimated to produce about 8% of the overall national CO2 emissions, such solution might therefore help the country to significantly reduce its carbon footprint.

In this regard, biochar has been targeted as a promising solution. Biochar is a coal-like material generally produced by the thermal conversion of woody biomass in absence of oxygen. This treatment is called pyrolysis. The emissions released when biochar is used are considered as neutral, since absorbed during the lifetime of the processed biomass.

Unfortunately, there are several barriers, which obstructs the utilization. Among them, the market price and the mechanical weakness are worth to be mentioned. However, as Figure 1 shows, the forest potential in Norway is extremely high and, if managed wisely and exploiting the traditional local wood industry, its conversion in biochar might enable a new internal market.

Pelletization to address mechanical weakness and make biochar industrially more appealing

In the following thesis, a method to improve the mechanical properties of biochar was developed and investigated.

The method is shown in Figure 2 and is based on the combination of pyrolysis with a consequent densification, with recovery of pyrolysis oil as binder.

Pyrolysis oil is a liquid material, which is also produced during pyrolysis. When the biochar pellets blended with pyrolysis oil undergo a further heating treatment similar to pyrolysis, their mechanical properties increase dramatically and reach values which compete with the ones generally characterizing fossil fuels.

Besides, to limit the market price, the economy of the process was addressed. This was done by trying to minimize the cost through a smart recovery of the byproducts and wastes.

Figure 2 The process investigated in the thesis.

Figure 2 The process investigated in the thesis.

The process investigated in the thesis

Throughout the thesis, the novel method was deeply investigated and optimized both in terms of quality of the final product and feasibility of the process. An example of biochar pellets is shown in Figure 3.

It was found out that it possible to produce superior quality pellets when the thermal processes are performed at temperatures higher than 600 °C. This is due to the change of physio-chemical properties biochar experiences at these temperatures, which optimizes the pelletization process guaranteeing a proper binding of biochar and pyrolysis oil.

Figure 3 Example of biochar pellets.

Figure 3 Example of biochar pellets.

Example of biochar pellets

Some post-production related issues, which may limit the industrial diffusion, were pointed out.

In particular, it was addressed the self-heating behavior biochar pellets might have when produced and stored industrially. The process was analyzed, and a solution was found in performing the second heat treatment at sufficient high temperatures.

Sustainability

Finally, the sustainability of the process was studied.

Compared to the long-studied and optimized production chain related to fossil coal and coke, the specific production of biochar pellets pollutes more.

However, once the emissions associated to the application in a metallurgical context are considered, due to the carbon neutrality, the use of biochar pellets might bring a reduction of about 31%.

The results provided useful information about the suggested process and the related key-parameters.

The novel knowledge may be used to produce fossil fuels-competitive and sustainable biochar materials and, hence, foster the renewable transition in the metallurgical industry.

Disputasfakta:

Kandidaten: Lorenzo Riva (Parma, Italia 1992) Mastergrad i Energy Engineering (energy for development track) at Polytechnic of Milan. arbeider nå som kraftanalytiker i Statkraft.

Prøveforelesning og disputas finner sted digitalt på internett i konferanseprogrammet Zoom (lenke under).

Disputasen blir ledet av instituttleder Geir Grasmo, Institutt for ingeniørvitenskap, Universitetet i Agder.

Prøveforelesning kl 10:15

Disputas kl 12:15

Oppgitt emne for prøveforelesning: “Comparison of technologies for agglomeration of raw materials to metallurgical industry with a main focus on pelletization of iron ores”

Tittel på avhandling: “Production and Application of Sustainable Metallurgical Biochar Pellets”

Søk etter avhandlingen i AURA - Agder University Research Archive, som er et digitalt arkiv for vitenskapelige artikler, avhandlinger og masteroppgaver fra ansatte og studenter ved Universitetet i Agder. AURA blir jevnlig oppdatert.

Opponenter:

Førsteopponent: Professor David Chiaramonti, Polytecnico di Torino, Italia

Annenopponent: Seniorforsker Eli Ringdalen, SINTEF

Bedømmelseskomitéen er ledet av førsteamanuensis Zhiyu Jiang, Institutt for ingeniørvitenskap, Universitetet i Agder

Veiledere i doktorgradsarbeidet var professor Henrik Kofoed Nielsen Institutt for ingeniørvitenskap, UiA (hovedveileder) og Therese Videm Buø, Elkem AS (medveileder).

Slik gjør du som publikum:

Disputasen er åpen for alle, men for å følge prøveforelesning og disputas må du melde deg som publikummer.

Vi ber publikum om å ankomme digitalt tidligst ti minutter før oppgitt tid - det vil si til prøveforelesningen 10:05 og disputasen tidligst kl 12:05. Etter disse klokkeslettene kan du når som helst forlate og komme inn igjen i møtet. Videre ber vi om at publikum slår av mikrofon og kamera, og har dette avslått under hele arrangementet. Det gjør du nederst til venstre i bildet når du er i Zoom. Vi anbefaler å velge «Speaker view». Dette velger du oppe til høyre i bildet når du er i Zoom.

Opponent ex auditorio:

Disputasleder inviterer til spørsmål ex auditorio i innledningen i disputasen, med tidsfrister. Disputasleders e-post er tilgjengelig i chat-funksjonen under disputasen. Spørsmål om ex auditorio kan sendes til disputasleder Geir Grasmo på e-post geir.grasmo@uia.no

Avhandlingen er tilgjengelig her: https://hdl.handle.net/11250/2675537