Towards carbon-negative future of the pulp and paper industry : possibilities of harnessing BECCUS in Finnish chemical pulp mills

Abstract

This thesis covers different aspects of harnessing carbon capture at Finnish chemical pulp mills. The thesis was done for the Finnish Recovery Boiler Committee, and in the committee, there is total of 14 pulp mills, each having a kraft recovery boiler. Between 2018 and 2020 the total annual CO2 emissions of these pulp mills was about 21 million tonnes. The main source of CO2 at the mill is the recovery boiler, power boiler being the second largest source. Lime kiln is the third largest CO2 source, with flue gas CO2 concentration being higher.

The literature review goes through carbon capture technologies in general and examines aspects that make it special to have the carbon capturing at a chemical pulp mill. New technologies for carbon capture are researched, and even though for example using membranes in the capture is a promising technology, using an amine solution is still the only commercial-scale technology available. The captured CO2 can be either stored underground or under the seabed to remove it from the atmosphere or it can be used together with hydrogen in synthetic fuel refining. The hydrogen generation needs large investments, it has a great electricity demand, and the fact that carbon dioxide capture from biogenic sources doesn’t give any benefits through the European Union emission trading system makes it very likely unprofitable to capture the CO2 of a pulp mill.

With IPSEpro modelling was done to see, whether there are suitable heat streams to power the carbon capturing system. It was found out that in an integrated pulp and paper mill a system capturing less than 6.8% of the recovery boilers carbon dioxide emissions is a possible solution, and the system also is in a reasonable scale. Also, a pulp-only mill was inspected, and there is enough heat to capture 66% of the CO2, which is way beyond a reasonable scale, what comes to for example hydrogen generation.

Tässä diplomityössä käsitellään eri näkökulmia hiilidioksidin talteenoton mahdollisuuksista suomalaisissa sellutehtaissa. Työ tehtiin Suomen Soodakattilayhdistykselle, johon kuuluu 14 jäsentehdasta, joissa jokaisessa on soodakattila. Näiden tehtaiden vuosittaiset hiilidioksidipäästöt vuosien 2018 ja 2020 välillä olivat keskimäärin 21 miljoonaa tonnia. Sellutehtaan suurin yksittäinen päästölähde on soodakattila, voimakattilan ollessa toisena. Kolmanneksi suurin päästönlähde on meesauuni, jonka savukaasuissa on edellisiä suurempi hiilidioksidipitoisuus.

Kirjallisuuskatsauksessa paneuduttiin hiilidioksidin talteenottoteknologioihin yleisesti ja tarkasteltiin, mitkä ovat sellutehtaiden erityispiirteet talteenoton kannalta. Uusia talteenottoteknologioita kehitetään jatkuvasti, ja esimerkiksi membraanien käyttö kaasun erotuksessa nähdään lupaavana, mutta ainoa kaupallisen kokoluokan teknologia perustuu amiiniliuoksen käyttöön. Talteen otettu hiilidioksidi voidaan säilöä maan tai merenpohjan alle tai se voidaan jatkojalostaa yhdessä vedyn kanssa synteettisiksi polttoaineiksi. Vedyn tuotanto vaatii suuria investointeja sekä suuren määrän sähköä, ja biogeenisen hiilidioksidin talteenoton hyödyttömyys EU:n päästökaupan kannalta aiheuttavat sen, että hiilidioksidin talteenotto sellutehtaalta on todennäköisesti kannattamatonta.

IPSEpro-ohjelmistoa käytettiin mallintamaan talteenottolaitteiston käyttöön sopivia lämpövirtoja. Sellu- ja paperitehdasintegraatissa korkeimmillaan 6,8 % soodakattilan savukaasujen hiilidioksidista voitiin talteen ottaa, joka on kokoluokaltaan mahdollisessa mittakaavassa. Pelkkää sellua valmistavan tehtaan kohdalla vastaava luku oli 66 %, jolloin esimerkiksi vedyntuotannon mittakaava nousi saavuttamattomaksi nykymenetelmin.