FI126140B - Menetelmä biomassojen käsittelemiseksi hyödyntämistä varten - Google Patents

Description

MENETELMÄ BIOMASSOJEN KÄSITTELEMISEKSI HYÖDYNTÄMISTÄ VARTEN FÖRFARANDE FÖR ATT BEHANDLA BIOMASSOR FÖR UTNYTTJANDE

KEKSINNÖN ALA

Keksintö liittyy menetelmään biomassojen käsittelemiseksi hyödyntämistä varten ja nimenomaan passiivisten biomassojen käsittelemiseksi yhdessä aktiivisten biomassojen kanssa siten, että hyödyntäminen saadaan tarkoituksenmukaisemmaksi, tehokkaammaksi ja taloudellisesti kannattavammaksi.

KEKSINNÖN TAUSTA

Erilaisia biomassoja tullaan tulevaisuudessa hyödyntämään merkittävästi nykyistä laajemmin ja tehokkaammin. Uusiutuvat biomassat tulevat olemaan tärkeä lähde erilaisten uusiutuvan energian muotojen, kuten biokaasujen, bionesteiden tai kaasutettujen ja kiinteiden biopolttoaineiden, tuotannossa. Myös teollisuuden sivuvirtoina tai jätteinä, yhdyskuntien jätteinä ja maatalouden jätteinä tai sivutuotteina syntyviä biomassoja on tarkoituksenmukaista hyödyntää nykyistä paremmin. Aivan viime aikoina uusien biomassojen laajamittainen tuotanto on nostettu esiin eräänä kestävän kehityksen kannalta merkittävänä ratkaisuna.

Monet biomassat sisältävät vähän mikro-organismeille helposti hyödynnettävissä olevaa liukoista hiiltä tai lyhytketjuisia hiiliyhdisteitä. Tässä hakemuksessa käytetään tällaisista biomassoista myös nimitystä passiiviset biomassat. Passiivisia biomassoja ovat erityisesti puuperäiset biomassat, kuten hake, kutterinlastu, sahanpuru, selluloosat, teollisuuden kuitu-lietteet ja kierrätyskuitu, sekä peltobiomassat, kuten ruokohelvestä tai pellossa viljellyistä ruoho-, vilja- tai öljykasveista tuotetut biomassat. Passiivisiin biomassoihin lukeutuvat myös kaatopaikkajätteisiin joutuva paperi-ja kartonkiaines, monet pakkausmateriaalit ja myös biohajoava muovi.

Biomassoista, jotka sisältävät merkittävässä määrin mikro-organismeille helposti hyödynnettävissä olevia lyhytketjuisia hiiliyhdisteitä tai liukoista hiiltä, käytetään tässä hakemuksessa myös nimitystä aktiiviset biomassat. Tällaisia hiililähteitä ovat esimerkiksi nestemäiset tai kiinteät sokerit, alkoholit tai aktivoituja kuivattu biomassa, jossa mikrobit, kuten termofiilisen alueen sädesienet, ovat jo hajottaneet passiivista biomassaa, kuten selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä. Aktiivisia biomassoja ovat esimerkiksi monet jätelietteet, kuten yhdyskuntien jätevesilietteet, elintarviketeollisuuden biojätteet ja jätelietteet, lietelanta ja lannat yleensäkin, yhdyskuntien biojäte sekä maatuneet heinäpohjaiset turvelaadut. Aktiiviset biomassat sisältävät yleensä myös ravinteita, ennen kaikkea liukoista typpeä, jotka ovat välttämättömiä aktiiviselle mikrobitoiminnalle.

Passiivisia biomassoja käsitellään jo nyt jonkin verran hapettomalla lämpökäsittelyllä korkeammissa lämpötiloissa, joko pyrolyysillä tai paahtamalla eli torrefioimalla, jolloin nestemäiset ja kaasumaiset ainesosat voidaan ottaa talteen bioöljyinä tai synteesikaasuna jatkojalostusta varten tai hyödynnettäviksi sellaisenaan energiantuotannossa. Jatkojalostus voi käsittää esimerkiksi nestemäisten biopolttoaineiden tai biokemikaalien tuotantoa. Jäljelle jäävä biohiili voidaan hyödyntää esimerkiksi energiantuotannossa.

Passiivisten biomassojen hiiltäminen tai paahtaminen edellyttävät esikäsittelynä, että biomassa kuivataan erittäin korkeaan kuiva-ainepitoisuuteen. Sama vaatimus koskee lähes kaikkea biomassojen hyödyntämistä, kuten biopolttoaineiden ja biokemikaalien tuotantoa.

Energiantuotannossa polttoaineena käytettävien passiivisten biomassojen kosteuspitoisuus on nykyisin yleisesti 50 %:n luokkaa. Jyrsinturpeen kosteuspitoisuuden pitää olla käsittely- ja polttoprosesseista johtuen vähintään 40 %, ja yleensä sekä jyrsinturve että hake poltetaan tätä tasoa huomattavastikin kosteampina. Kuivaus tapahtuu pääasiassa luontaisesti. Hake- ja hakkuutähdekasoja ja jyrsinturveaumoja voidaan lisäksi peittää kuivien olosuhteiden vallitessa, jotta niihin kosteina aikoina imeytyisi vähemmän vettä.

Hyötysuhteen parantamisen kannalta olisi suuri tarve kehittää polttoaineiden tuotantoa siten, että ne saadaan huomattavasti nykyistä kuivemmiksi, ja polttoprosesseja siten, että kuivien biopolttoaineiden käyttö onnistuu ja on tehokasta.

Yleinen ongelma biomassojen käsittelyssä ja hyödyntämisessä on monissa tapauksissa myös siinä syntyvä hajuhaitta.

Pellettien tuotannossa puu- tai turvemassan lämmöllä kuivaamiseen ja puristamiseen pelleteiksi tarvitaan runsaasti energiaa, mikä huonontaa merkittävästi niiden tuotannon ja käytön kannattavuutta ja ekologisuutta. Pellettien nykyisten valmistusmenetelmien merkittävä ongelma on myös se, että kuivatut pelletit imevät helposti kosteutta ilmasta ja hajoavat ja muodostavat lisäksi kosteudelle alistuessaan otollisen kasvualustan homesienille, jotka tuottavat myös häkää.

On tunnettua, että mikrobitoiminta kehittää aktiivisissa biomassoissa lämpöä. Esimerkiksi kompostoinnissa biomassan lämpötilan voidaan antaa nousta 50 - 60 °C:een, jolloin siinä aktivoituvat toimimaan termofiilisen alueen mikro-organismit, ennen kaikkea sädesie-net, jotka hajottavat kompostoitavaa biomassaa tehokkaammin kuin psykro- tai mesofiilisen alueen mikrobit On ilmeistä, että mikrobitoiminnan kehittämää lämpöä voidaan käyttää myös tehokkaasti biomassan kuivaamiseen.

Vaikka tällaista biologista kuivausta sovellettaisiinkin aktiivisten biomassojen hyödyntämisessä, niin ongelmaksi jää edelleen, että sitä ei voida käyttää passiivisten biomassojen käsittelyyn, joka biomassojen hyödyntämisessä kuitenkin on aktiivisten biomassojen hyödyntämistä huomattavastikin laajempaa.

Keskeinen ongelma biomassojen, sekä aktiivisten että passiivisten, hyödyntämisessä on siis se, että lähes kaikissa tapauksissa olisi toivottavaa, että biomassa saataisiin kuivatuksi mahdollisimman pienin kustannuksin ennen varsinaista hyödyntämistä tai jatkojalostusta. Erittäin edullista olisi, jos kyettäisiin kehittämään menetelmiä, joita voitaisiin soveltaa biomassojen laajamittaisessa hyödyntämisessä järjestelmällisesti lähes kaikkien biomassojen kuivaukseen ja esikäsittelyyn. Lisäksi olisi usein eduksi, että kuivatussa biomassassa olisi mahdollisimman paljon hiiltä helposti hyödynnettävissä olevina lyhytketjuisina hiiliyhdis-teinä tai liukoisena hiilenä.

Julkaisussa US 7960165 B2 esitetään menetelmä ja laitteisto orgaanisen materiaalin kuivaamiseksi. Yhteenvetona julkaisu esittää ratkaisusta seuraavaa: - Orgaanisen materiaalin kosteuspitoisuus on aloitettaessa tyypillisesti 65 %.

- Prosessi ja laitteisto on jäljestetty niin, että ensiksi on lämmitysalue, johon materiaali syötetään, ja sitä seuraavat yksi tai useampia kuivausalueita. Aerobisen mikrobitoiminnan lämmitysalueella tuottamia lämpimiä poistokaasuja käytetään tulevan uuden ilman lämmittämiseen ja sitä materiaaliannosten jälkikuivaukseen seuraavilla käsittelyalueilla.

- Uutta lämmitettyä ilmaa kierrätetään myös ensimmäiselle alueelle tarkoituksella nostaa lämpötila siinä "mahdollisimman korkealle mahdollisimman nopeasti".

Julkaisussa luetellaan koko joukko orgaanisia materiaaleja, etupäässä jätemateriaaleja, joihin menetelmää voitaisiin soveltaa lähinnä polttoaineen valmistamiseksi. Mukana on selvästi lukuisia sellaisia materiaaleja, puujätteitä ja muitakin, joita tällä menetelmällä ei sellaisenaan voi käsitellä, koska niissä ei synny sanottavammin luontaista lämpöä kehittävää mik-robitoimintaa. Tätä ongelmaa ei kuitenkaan millään tavalla kommentoida, eikä myöskään esitetä missään kohdassa, että orgaanisia materiaaleja voisi tämän ongelman ratkaisemiseksi ja nimenomaan myös passiivisten biomassojen käsittelyn mahdollistamiseksi sekoittaa toisiinsa määrätyt ehdot täyttävällä tavalla, jotta menetelmä voisi toimia.

Julkaisussa ei esitetä mitään tarkempaa tietoa lämpötiloista, mikrobitoiminnan alueista (psykrofiilinen, mesofiilinen, termofiilinen), lämpötilojen ja mikrobitoiminnan ohjaamisesta, materiaalille asetettavista vaatimuksista tai muista käsittelyn tavoitteista kuin materiaalin kuivaamisesta polttoainekäyttöä ajatellen. Selityksen lopussa tuodaan esiin myös sellainen vaihtoehto, että ilmankiertoalueet korvaa yksi kuivausalue, joka voi olla pyörivä rumpu, johon lämmitetty ilma johdetaan. Tässäkin ajatus on, että kuivaus rummussa tapahtuu siihen johdetun lämmitetyn ilman avulla ja siten väistämättä laskevisssa lämpötiloissa verrattuna lämpötiloihin ensimmäisellä alueella.

Julkaisu FI 118596 B esittää entsyymikäsittelyn yhdistämisen biomassan kuivaukseen lämmityksen ja ilmankierron avulla. Tarkoituksena on erityisesti biomassan passiivisten pitkäketjuisten ainesosien hajottaminen tällä tavalla. Entsyymit tai entsyymiseos sisältävät ainakin sellulaasia. Kuivauslämpötilaksi on valittu 60 - 80 °C, joka soveltuu hyvin entsyymien tehokasta toimintaa ajatellen. Kuivaaminen tapahtuu siis olennaisesti termisesti, eli ei ole kysymys aerobisen mikrobitoiminnan avulla toteutetusta kuivaamisesta.

YHTEENVETO KEKSINNÖSTÄ

Keksinnön tarkoituksena on esittää ratkaisu, joka suuressa määrin ratkaisee edellä kuvattuja ongelmia ja toteuttaa asetettuja toiveita.

Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle biomassojen käsittelemiseksi hyödyntämistä varten ja nimenomaan passiivisten biomassojen käsittelemiseksi yhdessä aktiivisten biomassojen kanssa on tunnusomaista se, mitä on määritelty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Muissa patenttivaatimuksissa määritellään keksinnön eri suoritusmuotoja.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa on olennaista, että passiivinen biomassa aktivoidaan käsittelyssä, jossa siihen sekoitetaan riittävästi aktiivista biomassaa, jolloin myös passiivisen biomassan kuivauksessa voidaan hyödyntää biologista kuivausta.

Samalla passiivista, esimerkiksi puuperäistä biomassaa, jonka kuiva-ainepitoisuus saadaan pelkällä kosteudelta suojaamisella ja hyvällä ilmanvaihdolla 50 - 55 prosenttiin, voidaan hyödyntää side- tai täyteaineena sekoittamalla sitä enemmän kosteutta sisältävään aktiiviseen biomassaan, kuten erilaisiin lietteisiin, biomassaseoksen kuiva-ainepitoisuuden saamiseksi riittävän korkeaksi aerobisten mikro-organismien toiminnan käynnistämiselle.

Aktiivista biomassaa käytetään menetelmässä myös väliaineena passiivisen biomassan hajottamisessa ja kuivaamisessa ja saadaan erilaisten biomassojen laajamittaisen hyödyntämisen kannalta edullinen, biomassan omalla energialla kuivattu perustuote, jossa biologisesti helposti käytettävissä olevan hiilen määrää on olennaisesti lisätty.

PIIRUSTUSTEN LYHYT KUVAUS

Keksintöä ja sen eräitä toteutusmahdollisuuksista kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viitaten myös oheen liitettyihin piirustuksiin, joissa kuviot 1 ja 2 esittävät kaavamaisesti esimerkkejä keksinnön mukaista menetelmää soveltavista laitoksista.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS

Seuraavassa tarkastellaan yleisesti keksinnön mukaista menetelmää ja sen erilaisia toteutusvaihtoehtoja. Menetelmän ensimmäisessä vaiheessa passiiviseen biomassaan lisätään ja sekoitetaan riittävästi aktiivista biomassaa tai liukoisilla tai lyhytketjuisilla hiiliyhdisteillä ja ravinnelisäyksillä aktivoitua biomassaa siten, että seosmassan kuiva-ainepitoisuus on riit- tävän korkea, ohjeellisesti noin 40 prosenttia. Sekoituksessa pyritään myös siihen, että mikro-organismeille helposti hyödynnettävissä olevien hiiliyhdisteiden ja ravinteiden pitoisuudet ovat riittävän korkeat aerobisten mikrobien toiminnan nopealle käynnistymiselle. Samalla pidetään huolta siitä, että biomassaseoksen pH on mikrobien tehokasta toimintaa ajatellen riittävän korkea, ohjeellisesti alueella 5,5 - 8.

Sille, mikä mikro-organismeille helposti hyödynnettävissä olevien hiiliyhdisteiden pitoisuuden tulisi olla, ei ole olemassa mitään prosenttilukualueena esitettävää suositusta, vaan on tukeuduttava kokemukseen erilaisten biomassojen sekoittamisesta ja käsittelystä. Samaa lajia tai laatua edustavissa biomassoissakin on tässä suhteessa merkittäviä eroja bio-massaerien välillä. Koska ei ole mahdollista määritellä helposti hyödynnettävissä olevien hiiliyhdisteiden tarvittavaa pitoisuutta, niin on perusteltua tyytyä pitoisuuden tekniseen määrittelyyn, että se on riittävä mikrobitoiminnan käynnistämiseen.

Passiivisten ja aktiivisten biomassojen esikäsittelyssä ja sekoittamisessa voidaan esimerkiksi typpeä lisäämällä varmistaa, että biomassaseoksen C:N-suhde on alueella 20 -35:1. Biomassaan lisätään tarvittaessa liukoista typpeä, esimerkiksi ureaa jauhemuodossa tai nestemuodossa vesiliuoksena.

Passiivisten ja aktiivisten biomassojen sekoittamisen yhteydessä massaan voidaan lisätä myös hydrolyyttisiä entsyymejä aerobisen mikrobitoiminnan käynnistämisen nopeuttamiseksi.

Myös pitkäketjuisten hiiliyhdisteiden, kuten selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin, hajoamista nopeuttavien entsyymien tai entsyymiseoksen pieni lisäys biomassaseokseen voi olla taloudellisesti ja prosessin toiminnan kannalta edullista.

Suotuisten olosuhteiden luomiseksi biomassaseoksessa nopeasti ja tehokkaasti käynnistyvälle mikrobitoiminnalle voi olla tarpeellista parantaa seoksen ominaisuuksia lisäämällä siihen pH:ta nostavaa ainetta, kuten lipeää, kalkkia tai korkean pH:n jätevesilietteestä valmistettua kuivattua biomassaa. On huomattava esimerkiksi, että mikrobitoiminnan käynnistymisvaiheessa biomassaseoksen sisäisissä reaktioissa syntyy usein orgaanisia happoja, jolloin seoksen pH voi laskea mikrobitoiminnan säilymistä ja kehittymistä ajatellen liian alhaiseksi. Yleisenä ohjeena voidaan määritellä, että pH:n tulisi pysyä alueella 5,5 - 8.

Vielä eräs varteenotettava mahdollisuus biomassaseoksen ominaisuuksia parantamiseksi on lisätä siihen katalyyttiä, kuten rautaa esimerkiksi rautapölynä tai rautaoksidia, rautasulfaattia tai muuta rautayhdistettä, koska rauta sitoo sekä ravinteita että hiiltä biomassaseokseen. Esimerkiksi pellettien valmistuksessa rauta myös parantaa biomassaseoksen hydrofobisoitumista, mikä estää kosteuden imeytymistä pelletteihin. Se taas parantaa pellettien koossapysymistä ja estää homeen muodostumista ja hiilimonoksidin haihtumista varastoiduista pelleteistä.

Kuten johdannossa sanotusta on ilmennyt, keksinnön mukaisessa menetelmässä hyödynnetään yleisesti ottaen olennaisesti samaa mikrobitoimintaa kuin kompostoinnissa. Menetelmä eroaa kuitenkin olennaisesti kompostoinnista, jossa pyritään ensisijaisesti kompostoitavan biomassan mahdollisimman täydelliseen hajottamiseen ensiksi voimakkaampaa mikrobitoimintaa ylläpitämällä ja sitten niin sanotusti kypsyttämällä komposti pitkään kestävässä hitaassa loppuvaiheessa.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä pyritään nopeaan ja tehokkaaseen mikrobitoimin-nan käynnistämiseen ja edelleen massan lämpötilan nostamiseen ja mikrobitoiminnan siirtämiseen nopeasti ensin psykrofiilisen alueen kautta mesofiiliselle alueelle ja sitten termo-fiiliselle alueelle 50 - 60 °C:een sekä myöhemmässä vaiheessa alueella 60 - 80 °C halutulle tasolle sen mukaan, kuinka paljon hiiltymistä biomassassa halutaan tapahtuvan. Tämä toteutetaan säätelemällä ilmanvaihtoa ja lämmön säilymistä biomassaseoksessa siten, että aerobisten mikrobien toiminta nostaa massan lämpötilaa suhteellisen nopeasti tarkoitetulla tavalla.

Lämpötilan noustessa psykrofiiliseltä alueelta biomassaseoksen vahaavat ensiksi lämpötila-alueella 30 - 40 °C mesofiilisen alueen mikro-organismit, joista enin osa on bakteereita ja osa myös mesofiilisen alueen sädesieniä ja sieniä. Sädesienet rupeavat jo tässä vaiheessa hajottamaan ja pilkkomaan selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä, ja massa alkaa myös haihduttaa kosteutta.

Mikrobien toiminta nostaa biomassan lämpötilaa edelleen termofuliselle alueelle, jossa mikro-organismikanta muuttuu sen mukaiseksi. Se muodostuu paljolti termofiilisen alueen sädesienistä, jotka hajottavat tehokkaasti selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä. Erityisenä tavoitteena on pitkäketjuisten hiiliyhdisteiden pilkkominen biomassaseoksessa olevassa passiivisessa biomassassa, joka sillä tavalla aktivoituu biologisesti.

Termofiilisen alueen alkuvaiheessa on hyvä varoa liian voimakasta ilmastusta, jotta lämpötila ei nouse yli 60 - 65 °C:n. Sitä korkeammissa lämpötiloissa nimittäin mikrobilajeja alkaa kuolla, ja siksi lämpötilan kohoaminen on pidettävä hallinnassa. Toisaalta ilmanvaihdon ja lämmön säätämisellä pyritään hallitsemaan myös kosteuden haihtumista ja poistumista biomassaseoksesta siten, että mikrobitoiminta ei lopu liian nopeasti, jolloin ei saavutettaisi toista tavoitetta eli pitkäketjuisten hiiliyhdisteiden riittävää pilkkomista. Ilmanvaihto ja lämmön säilyttäminen biomassaseoksessa on edullista jäljestää automaattisesti toimiviksi laitosmaisissa olosuhteissa, joissa niitä pystytään valvomaan ja hallitsemaan.

Biomassan lämpötila nousee edullisissa olosuhteissa psykrofiiliseltä alueelta termofiili-selle alueelle 10-15 tunnissa. Kuivaaminen voidaan usein suorittaa 1-3 vuorokaudessa, mutta lämpötila on kuitenkin edullista pitää lopuksi riittävän pitkään alueella 60 - 80 °C, jossa sädesienet ovat edelleen toimintakykyisiä ja hajottavat passiivisia biomassoja.

Tätä biologista kuivausta jatketaan kuiva-ainepitoisuuteen, joka sillä on mahdollista saavuttaa, tyypillisesti kuiva-ainepitoisuuteen 60 - 70 prosenttia.

Aerobisten mikrobien toiminta alkaa hiipua biomassaseoksen kuivuessa ja loppuu käytännössä kokonaan, kun on saavutettu noin 60 prosentin kuiva-ainepitoisuus. Tätä lähestyttäessä ilmanvaihtoa voidaan lisätä voimakkaasti, jolloin biomassan lämpötila saadaan kuivauksen loppuvaiheessa nousemaan jopa 80 °C:een tai sen ylikin. Tällä tavalla kuivuminen saadaan jatkumaan tehokkaana myös biomassaseoksen jäähtyessä, etenkin jos kuivausilma on erittäin kuivaaja viileää verrattuna biomassan lämpötilaan, ja voidaan päästä jopa mainittuun 70 prosentin kuiva-ainepitoisuuteen. Loppuvaiheen lämpötilapulssilla on myös sellainen edullinen vaikutus, että se samalla hygienisoi biomassaseosta.

Keksinnön mukaista prosessia, jossa passiivisia biomassoja voidaan kuivata aktiivisilla tai aktiivisiksi käsitellyillä biomassoilla, voitaisiin määritellä myös termillä biologinen väli-ainekuivaus. Aktiivinen biomassa toimii väliaineena, jossa käynnistyvä mikrobitoiminta saa prosessin edetessä hajoamisen ja mikrobitoiminnan käynnistymään myös passiivisessa biomassassa. Passiivista biomassaa käytetään prosessin loppuvaiheessa hyväksi samalla tavoin kuin aktiivistakin biomassaa, ja alunperin märkä passiivinen biomassa kuivuu kuten aktiivi-nenkin biomassa.

Biomassaseoksen kuivausta voidaan jatkaa edelleen tarpeen mukaan esimerkiksi pulssi-kuivauksella, jossa massan lämpötila nostetaan lyhyellä termisellä lämmitysjaksolla esimerkiksi noin 80 °C:een, jonka jälkeen massan läpi puhalletaan hitaasti viileää kuivaa ilmaa, esimerkiksi ilmaa, jonka lämpötila on 10 -15 °C ja kosteuspitoisuus edullisesti esimerkiksi luokkaa 5 prosenttia. Kuivuminen jatkuu, kunnes massa on jäähtynyt ilman lämpötilaan eikä höyrynpaine-eroa enää ole. Tällaisia kuivauspulsseja voidaan toistaa tarvittaessa niin, että biomassan kuiva-ainepitoisuudeksi saadaan vähintään 95 prosenttia. Jos biomassa on rakeistettua tai murskattua, niin todennäköisesti yksi lisäkuivauspulssi riittää.

Useisiin biomassan käyttösovelluksiin riittää mainittu 70 - 80 prosentin kuiva-ainepitoisuus, mutta myös sanotun luokkaa 95 prosenttia olevan kuiva-ainepitoisuuden omaavaa biomassa-ainesta tarvitaan varsinkin polttoainesovelluksissa.

Biomassan loppukuivaus voidaan luonnollisesti tehdä termisesti muullakin tavoin kuin pulssikuivauksen avulla.

Kun biomassassa sitä edellä kuvatulla tavalla kuivattaessa samalla hajotetaan vaikeasti hyödynnettäviä hiiliyhdisteitä erityisesti termofiilisen alueen sädesienten avulla, niin voidaan puhua myös biomassan eräänlaisesta termofiilisestä biohiiltämisestä. Helposti hyödynnettävissä olevan hiilen määrä lisääntyy biomassassa voimakkaasti ja voi olla käsittelyn lopussa jopa 60 - 70 %. Näin tapahtuu, koska happea hyödyntävä mikrobitoiminta nostaa biomassan lämpötilaa ja saa siinä aikaan hiiliyhdisteiden hajoamista ja hiiltymistä.

Kuviossa 1 esitetään laitos, jossa passiiviseen biomassaan 1 sekoitetaan lietettä 2 tai muuta aktiivista kosteaa biomassaa ja lisäksi prosessista takaisin kierrätettyä, kuivattua ja rakeistettua biomassaa 3. Sekoitus esitetään tässä kaavamaisesti tapahtuvaksi syöttämällä materiaaleja siiloista kuljettimelle 4, joka syöttää ne sekoittuneen 5, jossa seokseen voidaan lisätä nuolen 6 osoittamalla tavalla vielä esimerkiksi ureaa tai typpeä muulla tavalla massan C:N-suhteen parantamiseksi. Käytännössä eri ainesosien annosteluja sekoitus jäljestetään kulloinkin sopivaksi katsotulla tavalla. Sopiva ohje sekoituksessa on saada massan kuiva-ainepitoisuus alueelle 40 - 45 %. Aerobinen mikrobitoiminta on mahdollista saada käyntiin märemmässäkin massassa, mutta kun kosteus on tällä tasolla, niin se saadaan käynnistymään nopeasti. Kuten edellä on jo todettu, seosmassaan voidaan tässäkin vaiheessa lisätä myös esimerkiksi sopivia entsyymejä, katalyyttejä tai biologisesti hyödynnettävää hiiltä lisääviä tai pH:ta säätäviä aineksia, ensisijaisesti tähän tarkoitukseen sopivia, saatavilla olevia jäte-materiaaleja.

Sekoittimesta massa 7 johdetaan sopivan kuljettimen 8 avulla seosmassakasaan tai kasoihin 9, jotka ovat tarpeen vaatiessa sopivasti suojattuja sekä kastumista vastaan että ilmastuksen säätämistä varten. Massakasassa käynnistetään aerobinen mikrobitoiminta, jota ohjataan niin, että lämpötila nousee mahdollisimman nopeasti termofiiliselle alueelle eli yli 50 °C:n, mielellään noin 60 °C:een.

Seosmassa kuivataan tällä tavalla noin 60 prosentin kuiva-ainepitoisuuteen, jonka jälkeen lämmin massa syötetään rakeistusrumpuun 10. Säätämällä sopivasti nuolen 11 osoittamaa ilmanpuhallusta samaan tapaan kuin yleensä teollisissa kuivaustiloissa, massan lämpötila saadaan edullisesti pysymään alueella 60 - 80 °C, jolloin rakeissa tapahtuu myös aerobista biologista hiiltymistä samalla kun ne edelleen kuivuvat. Tuloksena on siten rakeita, joiden kuiva-ainepitoisuus 70 - 90 % ja joissa biologisesti helposti hyödynnettävissä olevan hiilen pitoisuus on korkea.

Massaan voidaan myös rakeistusvaiheessa lisätä nuolen 12 osoittamalla tavalla tuotettavia rakeita edelleen aktivoivia lisäaineita, kuten katalyytteja, entsyymejä, glykolia, alkoholia tai sokeripitoisia aineita.

Tuotettuja rakeita voidaan hyödyntää monin tavoin, esimerkiksi sellaisenaan peltojen ja muiden kasvualustojen maanparannusaineena, perusmateriaalina biolannoitteissa tai kiihdyttävänä lisäaineena kompostoinnissa tai yhtä hyvin mädätyslaitoksissa biokaasun tuotannossa. Rakeiden koko voi olla esimerkiksi alueella 2-30 mm.

Osa rakeista otetaan varastoon 15 käytettäväksi kuiva-aineena 3, jota annostelemalla säädetään prosessin alussa seosmassan kuiva-ainepitoisuus halutulle alueelle 40 - 45 % ja samalla saadaan seosmassaan lisää prosessin käynnistämisessä tärkeää biologisesti hyödynnettävää hiiltä.

Kuviossa 2 esitetään laitos, jossa prosessin alkupää sekoittimeen 5 ja mahdolliseen urean tai typen lisäämiseen 6 asti on samanlainen kuin kuvion 1 laitoksessa. Sekoittimelta massa syötetään nyt palapuristimeen 16, jolta tulevat palat 17 johdetaan sopivan kuljettimen 18 avulla seosmassakasaan tai -kasoihin 19, jotka ovat tarpeen vaatiessa sopivasti suojattuja sekä kastumista vastaan että ilmansyötön säätämisen mahdollistamiseksi. Palakasassa käynnistetään aerobinen mikrobitoiminta, jota ohjataan niin, että lämpötila nousee mahdollisimman nopeasti termofiiliselle alueelle samaan tapaan kuin kuvion 1 massakasan tapauksessakin.

Biomassaseokset on edullista kuivata paloina tai briketteinä, sillä kuivumisessa voidaan silloin hyödyntää parhaiten biomassan kutistumista. Monissa tapauksissa paloiksi puristaminen kuivausta varten voi olla välttämätöntäkin esimerkiksi seosmassan tiiviin koostumuksen takia, joka estää kuivumisessa tarvittavaa riittävää ilmanvaihtoa. Palat kuivuvat tasapainoisesti, koska niiden väliin jäävä ilmamäärä riittää ylläpitämään mikrobitoimintaa tasaisesti palojen joka puolella. Palojen halkaisija voi olla esimerkiksi alueella 50 - 250 mm.

60 - 70 prosentin kuiva-ainepitoisuuteen kuivatut palat ovat jo sellaisenaan hyödynnettävissä esimerkiksi polttoaineena (nuoli 20). Toisaalta käsittelyä voidaan jatkaa samaan tapaan kuin kuvion 1 tapauksessa, jolloin palat syötetään ensiksi murskaimeen 21 ja murske sitten rakeistusrumpuun 22, jossa ilmastus 23 ja mahdollinen aktivoivien lisäaineiden 24 käyttö ovat kuvion 1 laitosta vastaavia. Saadut rakeet tai murske ovat samoin hyödynnettävissä nuolen 25 osoittamalla tavalla eri käyttötarkoituksiin, ja toisaalta niitä voidaan ottaa varastoon 26 seosmassassa kuiva-aineena 3 käytettäväksi.

Vielä eräs mahdollisuus on ottaa paloja nuolen 27 osoittamalla tavalla hiillettäväksi esimerkiksi siilossa 28 voimakkaan sopivan ilmastuksen 29 avulla. Hiillettyjä rakeita 30 voidaan käyttää tiettyihin erityisempiin käyttötarkoituksiin, kuten jäteveden puhdistukseen tai biopolttoaineiden valmisukseen.

Seosmassa voidaan rakeistamisen sijasta myös pelletöidä, jolloin on edullista puristaa pelletit matriisipuristimella lämpötilaltaan termofiilisellä alueella olevasta biomassaseok-sesta ja kuivata ne rummussa 60 - 80 °C:n lämpötilassa alhaisella pyöritysnopeudella. Massaan on edullista lisätä jossain sopivassa muodossa rautaioneja sen hydrofobisuuden parantamiseksi ja jotta estetään kosteuden imeytymistä takaisin pelletteihin. Tällä käsittelyllä myös pelleteissä saadaan kuivauksen yhteydessä aikaan kutistuminen, ja tuotetut pelletit ovat tiiviydeltään, koossapysyvyydeltään ja lämpöarvoltaan omaa luokkaansa verrattuna tavanomaisilla prosesseilla tuotettuihin puu- tai turvepelletteihin. Biomassaseos voidaan puristaa pelleteiksi myös aikaisemmassa vaiheessa biomassojen sekoittamisen jälkeen ja kuivata sitten esimerkiksi edellä kuvatulla tavalla hitaasti pyörivässä rummussa, jossa lämpötilan annetaan nousta termofiiliselle alueelle. Pellettien koko voi olla alueella 5-50 mm.

Käsittely rakeistus- tai pelletöintirummussa on myös helppo automatisoida niin, että lämpötila pidetään prosessissa esimerkiksi alueella 60 - 80 °C. Pellettituotantoon tarkoitettu lähtömateriaali voidaan joutua murskaamaan tai hienontamaan muuten 0-5 mm:n murskeeksi.

Murskaamisessa tai mahdollisesti tarpeellisessa seulonnassa sivuun jäävä biomassama-teriaali voidaan käyttää edellä mainittuun tapaan biomassojen käsittelyn sisäisessä kierrossa lisäämällä se ensimmäisessä sekoituksessa biomassaseokseen.

Usein jo biologisen kuivaus vaiheen jälkeen 70 prosentin luokkaa olevaan kuiva-ainepitoisuuteen saatu biomassa on esimerkiksi palamuodossa tai murskattuna hyvä polttoaine. Palamuodossa se sopii käytettäväksi arinapohjaisissa polttolaitoksissa, ja murskattuna ja seulottuna esimerkiksi 4 -10 tai 4 - 20 mm:n murskeeksi se soveltuu hyvin stokerityyppisten laitosten polttoaineeksi.

Myös murskeen kuivauksessa edelleen pulssikuivauksella rumpu on edullinen käsittelylaite. Kuivattavasta murskeesta on kuitenkin edullista seuloa pois 0-4 mm:n pölymäinen hieno aines, koska sillä tavalla parannetaan kuivausilman pääsyä murskerakeiden väliin. Hieno aines on mahdollista hyödyntää paitsi käsittelyn sisäisessä kierrossa myös esimerkiksi maanparannusaineena, jolla lisätään mikro-organismien peltomaassa tarvitsemaa hiililäh-dettä.

Lämpötila-alueella 60 - 80 °C mikrobien ja sädesienten avulla suoritetussa biologisessa kuivauksessa ja termofiilisen alueen biohiillossa sekä esimerkiksi pulssiperiaatteella suoritetussa jälkikuivauksessa lämpötila ei ole missään vaiheessa noussut yli 90 °C:n. Biomassasta ei siksi ole myöskään haihdutettu nestemäisiä tai kaasumaisia ainesosia, jotka ovat tärkeitä käytettäessä menetelmällä käsiteltyä biomassaa maanparannukseen, toisin sanoen solumassojen kasvattamiseen uudelleen peltoon kosteuden ja ravinteiden sitomiseksi siihen paremmin.

Biologisella kuivauksella ja sopivalla jälkikuivauksella biomassan kuiva-ainepitoisuus voidaan siis saada yli 95 prosenttiin haihduttamatta ja kuluttamatta siitä tärkeitä ainesosia. Näin käsitelty biomassa, joka sinänsä on aivan erinomainen polttoaine, on myös erinomainen raaka-aine moniin jatkojalostussovelluksiin.

Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi uuden teknologian biokaasun tuotanto, nestemäisten polttoaineiden valmistus, tuotekaasun tuotanto erilaisten biokemikaalien valmistamisen välivaiheena sekä biohiilen tuotanto maanparannusaineeksi, polttoaineeksi tai suodattimien aktiivihiileksi hiiltomenetelmästä ja -lämpötilasta riippuen.

Tällaisen lämpökäsittelyn etuna on myöskin se, että biomassa samalla hygienisoituu käytännössä täysin, eikä sen hyödyntämisessä jatkossa tarvitse huolehtia esimerkiksi hajuhaitoista. Lisäksi biomassan hiiltyminen ja hiiliyhdisteiden hajoaminen jatkuu, jolloin para nevat sekä biomassan käyttöominaisuudet biologisissa sovelluksissa että polttoarvo. Tällä on suuri merkitys, koska käytännössä biomassan käyttö polttamalla energian tuotannossa on usein taloudellisesti edullisin hyödyntämistapa.

Biologisesti ja mahdollisesti vielä täydentävällä termisellä kuivauksella hyvin kuivatun biomassan edellä kuvattu lievä torrefiointi tai sentapainen käsittely tehostuu, koska hiilto-kaasu ja lämpö tunkeutuvat nopeammin hiillettävään biomassaan, kun kosteutta ei ole sitä estämässä. Energiaa säästyy, koska ylimääräistä vettä ei tarvitse lämmittää ja haihduttaa käsittelyn yhteydessä.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista kehittää erilaisten aktiivisten ja passiivisten biomassojen hyödyntäminen laajassa mitassa kokonaan uudelle pohjalle. Hyödynnettäviä biomassoja voidaan kerätä sopivilta alueilta teollisten laitosten tasolle kehitettyihin käsittelykeskuksiin, joissa niitä sekoitetaan, esikäsitellään ja kuivataan biologisesti sekä mahdollisesti vielä jatkokuivataan ja käsitellään muuten tiettyjen spesifikaatioiden mukaisiksi lopputuotteiksi tai raaka-aineiksi jatkojalostusta varten. Nykyisiin biomassatuot-teisiin ja raaka-aineisiin verrattuna erittäin kuivina paloina, briketteinä, pelletteinä tai murskeina nämä lopputuotteet ja raaka-aineet ovat helposti ja edullisesti käsiteltäviä, varastoitavia ja kuljetettavia. Samalla niissä on toisaalta hajotettu vaikeasti hyödynnettäviä hiiliyhdis-teitä helposti hyödynnettävään muotoon ja kuitenkin säilytetty hyvin suurelta osin biomassojen kaikki hyödyntämiskelpoiset ainesosat.

Keksintö voi vaihdella oheen liitettyjen patenttivaatimusten sallimissa rajoissa.

Claims (10)

1. Menetelmä biomassojen käsittelemiseksi hyödyntämistä varten ja nimenomaan passiivisten biomassojen käsittelemiseksi yhdessä aktiivisten biomassojen kanssa, tunnettu siitä, että hiili-, ravinne- ja kosteuspitoisuudeltaan erilaisia biomassoja kerätään järjestelmällisesti laitosmaiseen käsittelyyn, jossa: sekoitetaan toisiinsa ainakin yhtä passiivista ja yhtä aktiivista biomassaa (1,2, 3) ja saadun biomassaseoksen (7) ominaisuuksia parannetaan tarvittaessa lisäaineilla siten, että kuiva-ainepitoisuus on noin 40 %, C:N-suhde on alueella 20 - 35:1, pH on alueella 5,5 -8 ja mikrobeille helposti käytettävissä olevan hiilen määrä on riittävä aerobisen mikrobitoi-minnan käynnistämiseen; mikrobitoimintaa biomassaseoksessa (9,19) ylläpidetään ilmanvaihtoa ja lämmön säilymistä säätämällä ja ohjataan mikrobitoiminnan lämmittäessä biomassaa siirtymään mesofiiliseltä termofiiliselle alueelle (ohjeellisesti 50 - 60 °C) ja lopuksi lämpötila-alueelle 60 - 80 °C seoksen kuivaamiseksi biologisesti kehitetyn lämmön avulla 60 - 70 %:n kuiva-ainepitoisuuteen ja pitkäketjuisten hiiliyhdisteiden hajottamiseksi lyhytketjuisiksi eli biologisesti helposti hyödynnettävissä olevaksi hiileksi ohjeellisesti 1-3 vuorokaudessa; ja biomassaseos loppukäsittellään 60 - 80 °C:n lämpötilassa pääasiassa ilmastusta säätämällä joko rakeistuksen yhteydessä tai käsittelemällä biomassaseos ensin murskeeksi tai pelleteiksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että loppukäsittelyssä 60 - 80 °C:n lämpötilassa biomassaseos kuivataan rakeistusrummussa (10,22) 70 - 90 %:n kuiva-ainepitoisuuteen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biomassaseos pelletöi-dään loppukäsittelyä varten.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biomassaseos puristetaan sekoituksen jälkeen paloiksi (5, 16) mikrobitoiminnan käynnistämiseksi ja ylläpitämiseksi palakasassa (19) ennen loppukäsittelyä.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biomassaseoksen ominaisuuksia parannetaan lisäämällä siihen hydrolyyttisiä entsyymejä mikrobitoiminnan käynnistämisen nopeuttamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biomassaseoksen ominaisuuksia parannetaan lisäämällä siihen pitkäketjuisten hiiliyhdisteiden, kuten selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin, hajoamista nopeuttavia entsyymejä.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biomassaseoksen ominaisuuksia parannetaan lisäämällä siihen typpeä, esimerkiksi ureaa jauhemuodossa tai nestemuodossa vesiliuoksena.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biomassaseoksen ominaisuuksia parannetaan lisäämällä siihen pH:ta nostavaa ainetta, kuten lipeää, kalkkia tai korkean pH:n jätevesilietteestä valmistettua kuivattua biomassaa.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biomassaseoksen ominaisuuksia parannetaan lisäämällä siihen lyhytketjuisia hiiliyhdisteitä, kuten sokereita, etanolia tai aerobisella mikrobitoiminnalla hajotettuja hiiliyhdisteitä.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmällä kuivattua biomassaa kierrätetään biomassojen sekoitusvaiheeseen riittävän kuiva-ainepitoisuuden aikaansaamiseksi.