Abstract

Pyrometallurgical processes in the iron and steel industry are energy intensive. Therefore, sustainability in terms of CO₂ emissions is highly dependent on the choice of fuel. Large quantities of carbon are used in pyrometallurgical processes, for example in slag foaming, iron oxide reduction or as an alloying element. Currently, the majority of the used carbon originates from fossil sources.

The most important properties that are generally required from carbonaceous materials in pyrometallurgical applications are mechanical strength, sufficient apparent density and suitable reactivity. The properties of industrially produced metallurgical coke works as a great reference for evaluation of these properties, since metallurgical coke is used in multiple pyrometallurgical applications in different forms: coke dust is used as a foaming agent and carburiser in the electric arc furnace (EAF) process, and coke lumps are used as a reducing agent and structural bed material in the blast furnace (BF) process and as a reducing agent in submerged arc furnace (SAF) process.

This thesis focuses on the utilisation of hydrolysis lignin as a raw material for the production of biocarbon that could be utilised as a carbonaceous material in pyrometallurgical applications to substitute fossil-based carbon. Based on the results of this thesis, it was discovered that the structure of lignin-based biocarbon can be modified using the chosen treatment methods, briquetting and high pyrolysis temperature. With these treatment methods, the important properties (mechanical strength, apparent density and reactivity) were improved and modified, with the compressive strength property of biocarbon even surpassing that of metallurgical coke.

Tiivistelmä

Terästeollisuuden pyrometallurgiset prosessit ovat energiaintensiivisiä. Sen vuoksi terästeollisuuden ekologisuus CO₂ päästöjen osalta on erittäin riippuvainen polttoainevalinnasta. Suuria määriä hiiltä käytetään pyrometallurgisissa prosesseissa, esimerkiksi kuonan kuohutuksessa, raudan oksidien pelkistyksessä tai seosaineena. Nykyään suurin osa käytetystä hiilestä on lähtöisin fossiilisista lähteistä.

Pyrometallurgisissa prosesseissa käytettäviltä hiilimateriaaleilta vaadittuja tärkeimpiä ominaisuuksia ovat mekaaninen lujuus, riittävä näennäistiheys ja sopiva reaktiivisuus. Teollisesti valmistetun metallurgisen koksin ominaisuudet sopivat hyvin näiden ominaisuuksien vertailukohdaksi, sillä koksia käytetään useissa eri sovelluksissa eri muodoissa: koksipölyä käytetään kuonan kuohutusaineena ja hiilen tuojana valokaariuuniprosessissa, palakoksia pelkistimenä ja rakenteellisena petimateriaalina masuunissa sekä pelkistimenä uppokaariuunissa.

Tämä työ keskittyy hydrolyysiligniinin hyötykäyttöön raaka-aineena biohiilen ja biokoksin valmistuksessa, joita voidaan käyttää hiilen tuojana pyrometallurgisissa sovelluksissa korvaamaan fossiilista lähteistä tuotettua hiiltä. Tämän työn tulosten perusteella hydrolyysiligniini-pohjaisen biohiilen rakennetta pystyttiin muokkaamaan valituilla käsittelymenetelmillä, briketoinnilla ja korkealla pyrolyysilämpötilalla. Näillä menetelmillä biohiilen tärkeitä ominaisuuksia (mekaaninen lujuus, näennäistiheys ja reaktiivisuus) saatiin parannettua siten, että biohiilen puristuslujuus oli jopa suurempi kuin metallurgisella koksilla.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Koskela, A., Suopajärvi, H., Mattila, O., Uusitalo, J., & Fabritius, T. (2019). Lignin from bioethanol production as a part of a raw material blend of a metallurgical coke. Energies, 12(8), 1533. https://doi.org/10.3390/en12081533

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Koskela, A., Heikkilä, A., Bergna, D., Salminen, J., & Fabritius, T. (2021). Effects of briquetting and high pyrolysis temperature on hydrolysis lignin char properties and reactivity in CO-CO2-N2 conditions. Minerals, 11(2), 187. https://doi.org/10.3390/min11020187

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Koskela, A., Suopajärvi, H., & Fabritius, T. (2022). Interaction between coal and lignin briquettes in co-carbonization. Fuel, 324, 124823. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124823

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Koskela, A., Suopajärvi, H., Uusitalo, J., & Fabritius, T. (2023). Evolution of biocarbon strength and structure during gasification in CO2 containing gas atmosphere. Fuel Communications, 14, 100082. https://doi.org/10.1016/j.jfueco.2022.100082

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version