Abstract Most of the iron in the world is produced using a blast furnace process, which has iron ore (iron oxides) and coke as its raw materials. When pellets are used in a blast furnace, the iron burden material is charged in the form of pellets and fine, iron-rich by-products are charged typically in the form of cold-bonded briquettes at the top of the blast furnace. Coke is the primary fuel and reductant in the blast furnace. Coke reacts with the oxygen of the blast air and forms carbon monoxide in the up-flowing gas, which reduces the descending iron oxide burden. In addition, carbon and hydrogen bearing reductants are injected from the tuyeres in the lower part of the furnace. Hydrogen partially replaces the carbon monoxide as a reducing agent and changes the composition of the reducing gas. The high temperature properties of the burden have a significant effect on the flow of reducing gas and formation of the cohesive zone which markedly affect the furnace efficiency. The raw materials are commonly stored outdoors and therefore include moisture in varying amounts. In addition, the briquette contains chemically bound water. The rate of injected reductants, the high temperature properties and the water content of the raw materials have significant effects on blast furnace performance. They cause various phenomena in the blast furnace which set limitations on the process. The limiting phenomena related to the use of pellets in the blast furnace were studied in this doctoral thesis with the aim of obtaining additional knowledge about the limiting phenomena. The results show that hydrogen increases the reduction rate of iron oxides at temperatures below 850 °C. High water vapour concentration causes a rapid conversion through a catalysed water-gas shift reaction at above 300 °C in a gas mixture similar to the one in the upper part of the blast furnace. The reduction rate of the cold-bonded briquette is higher than pellets due to a self-reducing effect. The phase transformations occurring in the briquette during reduction follow the path of phase equilibria. The softening of the pellet is caused by the formation of melt which initiates wüstite dissolution in the surrounding slag phase. / Tiivistelmä Suurin osa maailmassa valmistettavasta raudasta tuotetaan masuuniprosessilla, jonka pääraaka-aineita ovat rautarikaste eli raudan oksidit ja koksi. Masuunissa, jossa käytetään pellettiä, rautarikaste panostetaan pelletin muodossa ja hienojakeiset rautapitoiset sivutuotteet tyypillisesti kylmäsidottuna brikettinä masuunin huipulta. Koksi on masuunin pääasiallinen polttoaine ja pelkistin, joka masuunin sisään puhallettavan ilman hapen kanssa reagoidessaan muodostaa ylöspäin virtaavaan kaasuun hiilimonoksidia, joka pelkistää masuunin kuilussa vajoavat rautaoksidit. Lisäksi yleensä käytetään hiiltä ja vetyä sisältäviä pelkistysaineita, jotka injektoidaan masuuniin alaosan hormeilta. Vety korvaa osittain hiilimonoksidia rautaoksidien pelkistimenä ja muuttaa pelkistävän kaasun koostumusta. Panosmateriaalien korkealämpötilaominaisuudet vaikuttavat suuresti kuilun kaasuvirtauksiin ja koheesiovyöhykkeen muodostumiseen masuunissa, mitkä vaikuttavat merkittävästi masuunin tehokkuuteen. Suurista määristä johtuen raaka-aineet varastoidaan usein ulkona, joten ne sisältävät kosteutta vaihtelevissa määrin. Lisäksi briketti sisältää kemiallisesti sitoutunutta vettä. Injektoitavien pelkistysaineiden käyttömäärällä, raaka-aineiden korkealämpötilaominaisuuksilla ja vesipitoisuudella on merkittäviä vaikutuksia masuunin toimintaan. Ne aikaansaavat masuunissa erilaisia ilmiöitä, jotka asettavat prosessille rajoituksia. Tässä väitöskirjassa tutkittiin näitä masuunille rajoituksia asettavia ilmiöitä ja pyrittiin lisäämään tietämystä niistä. Tulokset osoittavat, että vety nopeuttaa rautaoksidien pelkistymistä alle 850 °C lämpötilassa. Suuri vesihöyrymäärä johtaa nopeaan konversioon masuunin yläkuilun aluetta vastaavassa kaasuseoksessa yli 300 °C lämpötilassa katalysoidun vesikaasun siirtoreaktion kautta. Kylmäsidottu briketti pelkistyy pellettiä nopeammin itsepelkistymisen vaikutuksesta. Briketin pelkistyessään läpikäymät faasitransformaatiot seuraavat faasien tasapainotiloja. Pelletin pehmenemisen aiheuttaa sulan muodostuminen, joka laukaisee wüstiitin liukenemisen sitä ympäröivään sulaan kuonafaasiin.

Skogen är en förnyelsebar energikälla som möjliggör för ett minskat beroende av fossila bränslen. Ur ett politiskt perspektiv minskar såväl klimatpåverkan som beroendet av importerad energi från oroliga delar av världen genom att ta tillvara skogsbränsle lokalt. I Sverige är sågverkens biprodukter fullt utnyttjade och därför har skogsbränsle i from av grot (GRenar Och Toppar) en av de största potentialerna till ökat uttag. Barrträdens barr är en omstridd fråga i samband med tillvaratagandet av grot. Barren står för en liten del av biomassan, men för en stor del av näringen i ett bestånd. Därför är det önskvärt att så mycket som möjligt av barren lämnas på föryngringsytan. Om barrandel i färsk grot är känd kan den även användas för att beräkna hur mycket barr som egentligen lämnas kvar på hygget. Den energiomvandlande industrin vill inte heller ha för mycket barr i bränslet, då de anses skapa problem i förbränningen. Studien är ett fältexperiment genomförd på tio olika hyggen i södra Sverige under mars och april 2015. En grothög lastades på ett personbilssläp och transporterades till företaget Skogsbränsle Smålands flishugg för sönderdelning. Provmaterialet bearbetades sedan på Linnéuniversitetet där bl.a. fukthalt och barrandel bestämdes. Resultatet i denna studie genomförd i södra Sverige pekar på att medelvärdet för barrandelen i färsk grot från gran är 22,2 %, men där variationen mellan olika hygge kan variera stort (17,5–32,4 %). Medelvärdet ligger dock i nedre delen av det vedertagna intervallet motsvarande 20–30 %. Studien visade på ett medelvärde för fukthalt på 38,7 %, vilket är lägre än vad tidigare studier fastställt. Barrträd har lägst fukthalt under vårvintern, dvs. under genomförandet av denna studie vilket kan förklara en relativt låg fukthalt som annars generellt brukar vara 50–55 %. Denna studie har konstaterat att barrandelen för färsk grot från gran i södra Sverige är lägre än vedertaget intervall för hela Sverige. Det har även kunnat konstateras att det förekommer stora lokala avvikelser i barrandel, varför slutsatsen dras att det inte är rätt att anta ett generellt värde för barrandelen. Ett generellt antagande innebär t.ex. att bedömningen av hur mycket barr som lämnats kvar på föryngringsytan blir missvisade. Den ursprungliga barrandelen har en stor inverkan på hur mycket barr som lämnas kvar. Vidare har denna studie fastställt att fukthalten för grot från gran är lägre under vårvintern. / The forest is a renewable source of energy, enabling a reduction in dependence on fossil fuels. From a political point of view both climate impact as the dependence on imported energy from troubled parts of the world can be reduced by making use of forest fuel locally. In Sweden sawmill byproducts are fully exploited and therefore there is a potential to increase the proportion of forest fuels, particularly the removal of logging residues in form of branches and tops. Needles is a contentious issue in connection with the utilization of logging residues. The needles accounts for a small proportion of the biomass, but for a large part of the nutrients in a forest stand. Therefore, it is desirable that as much needles as possible is left in the harvesting area. If the needle proportion in fresh logging residues is known, it can also be used to calculate how much needles actually is left in the harvesting area. The energy converting industry does not want too much needles in the fuel, as it seems to create problems with combustion. The study is a field experiment conducted on 10 different harvesting areas in southern Sweden during March and April 2015. A pile of logging residues were loaded on a car trailer and then transported to Skogsbränsle Småland's chipper for decomposition. The test material was then processed at Linnaeus University, where needle and moisture content was determined. The results of this study conducted in the south of Sweden indicate that the average value of the needle content in fresh logging residues from spruce in southern Sweden is 22.2 %. The variation between different harvesting areas can vary greatly (17,5–32,4 %). This study showed a mean moisture content of fresh logging residues from spruce in southern Sweden of 38.7 %, which is lower than previous studies found. Softwood has the lowest moisture during early spring, during the implementation of this study, which may explain a relatively low moisture content which otherwise generally tend to be 50–55 %. This study found that the needle content in fresh logging residues from spruce in the south of Sweden is lower than the established range of 20–30 %. It has also been noted that there are large local variations in the needle content, therefore concluded that it is not right to adopt an overall value of the needle content. A general adoption of the needle content means e.g. that the assessment of how much needles left on the harvesting area becomes misleading. The needle content in fresh logging residues has a great impact on how much needles is left. Furthermore, this study found that the moisture content of logging residues from spruce is lower during early spring. / Metsä on uusiutuva energianlähde, jolla on mahdollista vähentää riippuvuutta fossiili polttoaineista. Poliittisesta näkökulmasta metsäpolttoaine vähentää sekä ilmastovaikutusta kuin tuontienergian riippuvaisuutta peräisin levottomista osista maailmaa. Ruotsissa sahan sivutuotteita hyödynnetään täysimääräisesti, siksi on iso mahdollisuus nostaa metsäpolttoaineiden osuutta, erityisesti hakkuutähteiden oksia ja latvoja. Havupuiden neulaset on kiistanalainen kysymys. Neulasten osuus on pieni osa metsän biomassasta, mutta suuri osa ravinteesta. On toivottavaa että niin paljon neulasia kuin mahdollista jätetään hakkuupaikalle. Energiateollisuus ei halua neulasia polttoaineeseen, koska se näyttää luovan ongelmia poltossa. Osuus neulasia tuoreissa hakkuutähteissä käytetään arvioimaan kuinka paljon neulasia todellisuudessa jää hakkuupaikalle. Tutkimus on kenttäkoe suoritettu kymmenellä eri hakkuupaikalla Etelä-Ruotsissa maalis-huhtikuun aikana 2015. Yksi kasa hakkuutähteitä lastattiin auton perävaunuun ja kuljetettiin Skogsbränsle Småland:in hakkurille hajottamista varten. Testimateriaali käsiteltiin sitten Linnaeus yliopistossa, jossa muun muassa osuus neulasia ja kosteuspitoisuus määritettiin. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että osuus neulasia tuoreissa hakkuutähteissä kuusesta Etelä-Ruotsissa on 22,2 %, mutta osuus eri hakkuupaikoilla vaihtelee suuresti (17,5–32,4 %). Yleinen arvo Ruotsissa on 20–30 %. Tämä tutkimus osoittaa myös, että kosteuspitoisuus tuoreissa hakkuutähteissä kuusesta Etelä-Ruotsissa on 38,7 %, joka on vähemmän kuin aiemmissa tutkimuksissa todettu. Havupuilla on alhaisin kosteus kevättalvella, samaan aikaan kun tämän tutkimuksen kenttätyö. Tämä voi selittää suhteellisen alhaisen kosteuspitoisuuden, joka muutoin yleensä pyrkii olemaan 50–55 %. Tutkimuksessa todettiin, että osuus neulasia tuoreissa hakkuutähteissä kuusesta Etelä-Ruotsissa on alempi kuin koko Ruotsin yleinen arvo. On myös todettu, että on olemassa suuria paikallisia vaihteluja hakkutähteiden neulasten osuudessa. Siksi päätellään, ettei ole oikein käyttää yleistä arvoa. Alkuperäisellä neulasosuudella on suuri vaikutus siihen, miten paljon neulasia on jätetty. Lisäksi tässä tutkimuksessa todettiin, että kuusen hakkutähteiden kosteuspitoisuus on alhaisempi kevättalvella.