Valorisation of pulp and paper mill waste streams in Kymenlaakso region : effect of heterogenous zeolite catalyst on hydrothermal liquefaction of pulp and paper mill mixed sludge

Abstract

In this thesis Kymenlaakso waste data is reviewed to find waste streams with potential for valorisation. Pulp and paper mills are the largest producers of waste in Kymenlaakso with largest singular waste type being sludge. Pulp and paper mills also produce inorganic wastes like green liquor dregs and ashes, which are landfilled and utilization rates for these types of wastes are low overall. Sludge is used as solid fuel for energy recovery with low benefit due to high moisture content of sludge and alternative ways of utilization are desired. Use of sludge as soil conditioner is becoming more common but can't be adopted for all mills due to Finnish Government decree 2023/964/FI on fertilizer products limiting specific metals concentration on soil conditioners.

Hydrothermal liquefaction (HTL) was found as suitable thermochemical conversion process for wet biomass like sludge to produce bio-fuel constituents and chemicals as it doesn't require drying and is not limited by elevated metal concentration. In this thesis experimental design is applied to evaluate HTL yields of pulp and paper mill sludge with low-cost heterogenous catalyst. Result showed that protonated zeolite had positive effect on bio-oil yield and quality at low treatment temperatures and negative effect at higher temperatures. Yields were found to be low at design space indicating that zeolite as a catalyst is infeasible and higher treatment temperature or other catalyst should be studied.

Tässä opinnäytetyössä Kymenlaakson jätevirtoja tarkasteltiin, jotta löydettäisiin hyödynnettäviä jätevirtoja. Sellu- ja paperitehtaat osoittautuivat Kymenlaakson suurimmiksi jätteen tuottajaksi, joiden suurin yksittäinen jätelaji on liete. Sellu- ja paperitehtaat tuottavat myös epäorgaanisia jätteitä, kuten soodasakkaa ja tuhkaa, mitkä sijoitetaan kaatopaikalle ja omaavat yleisesti ottaen alhaisen käyttöasteet. Lietettä käytetään kiinteänä polttoaineena energian talteenottoon, jonka hyöty on vähäinen lietteen korkean kosteuspitoisuuden vuoksi ja vaihtoehtoisia hyötykäyttötapoja toivotaan. Lietteen käyttö maanparannusaineena yleistyy, mutta sitä ei voida soveltaa kaikkiin tehtaisiin johtuen Suomen valtioneuvoston asetuksesta 2023/964/FI lannoitetuotteista, jotka rajoittavat tiettyjä metallipitoisuuksia maanparannusaineissa.

Hydroterminen nesteytys (HTL) todettiin sopivaksi termokemialliseksi konversioprosessiksi biopolttoaine aineosien ja kemikaalien tuottamiseksi märästä biomassasta kuten liete, koska se ei vaadi kuivausta eivätkä kohonneet metallipitoisuudet rajoita prosessia. Tässä opinnäytetyössä kokeellista suunnittelua sovelletaan sellun ja paperitehtaan lietteen nesteytys saantojen arvioimiseen edullisella heterogeenisella katalyytillä. Tulos osoitti, että protonoidulla zeoliitilla oli positiivinen vaikutus bioöljyn saantoon ja laatuun matalissa käsittelylämpötiloissa ja negatiivinen vaikutus korkeammissa lämpötiloissa. Saantojen havaittiin olevan alhaisia suunnittelualueella, mikä osoittaa, että zeoliittia ei voida käyttää katalyyttinä ja korkeampaa käsittelylämpötilaa tai muuta katalyyttiä tulisi tutkia vaihtoehtoisesti.