Abstract Industrial ecology provides the scientific and technological understanding upon which the increased environmental, economic and social efficiencies necessary to progress towards sustainability can be based. Industrial ecosystem is the creation of synergies between various industries, agriculture, and communities to profitably convert waste into valuable products or feedstock. Copper and nickel flash smelters developed by Outokumpu form the heart of the Harjavalta industrial ecosystem, which consists of thirteen different firms. The ideas found in Harjavalta industrial ecosystem consideration can be applied to carbon steelmaking and other related industry sectors to add product efficiency, improve energy utilization and start new local business, when different firms can concentrate to their own core know-how areas. When planning to add the amount of recycled material in steel production the waste oxides from steel industry, pyrite roasting residues and slags from the copper and nickel smelters are rich iron sources. When processing dusts, scales and sludge in the separate treatment plant, the main thing is that the primary production of the steel plant is not disturbed. The big problem when using secondary iron raw materials will be the contamination of steel by tramp elements similar to scrap based steel manufacture. Today's industry is facing significant change from the process related environmental thinking towards product based environmental thinking seen in the EU product policy. This will mean need for the research covering raw material acquisition, production, products, in-use phase, recycling and disposal. Steel has very unique properties, which can be improved, if steel manufacturers can concentrate on their core know-how area. The essential difference between the technical and natural systems is the human control. Based on the experiences of Harjavalta industrial ecosystem the occupational safety and accident security risk prevention should be included into the metaphor of industrial ecology. If we consider the human control in global scale the future development will depend on the ethical decisions made by humankind. / Tiivistelmä Teollisessa ekologiassa pyritään aine- ja energiavirtojen tutkimiseen siten, että jäljitellään luontoa lopullisena tavoitteena jätevirtojen eliminointi tai ainakin minimointi, jolloin se on osa kestävälle kehitykselle välttämätöntä ekologista, taloudellista ja sosiaalista toimintaa. Teollinen ekosysteemi on teollisuuslaitosten ja yhteiskunnan sekä mahdollisesti maatalouden synerginen liittymä, jonka avulla integroidaan tuotannon ja kulutuksen lohkot yhteen tavoitteena vähentää sekä raaka-aineiden kulutusta että ympäristöpäästöjä. Harjavallan teollinen ekosysteemi on syntynyt ja kehittynyt Outokummun kehittämän liekkisulatusmenetelmään perustuvien kupari- ja nikkelisulattojen ympärille. Harjavallan Suurteollisuuspuistosta saatuja ajatuksia ja kokemuksia voidaan soveltaa luovasti hiiliteräksen valmistukseen ja muihin vastaaviin teollisuuden haaroihin. Eri yritysten keskittyessä omalle ydinosaamisalueelleen voidaan parantaa raaka-aine- ja energiatehokkuutta sekä perustaa uutta paikallista teollisuutta. Terästeollisuuden hyödyntämättömät jäteoksidit, pyriitin pasuttamisesta saatavat pasutteet sekä nikkelin ja kuparin valmistuksen kuonat ovat potentiaalisia uusioraaka-aineita. Uusioraaka-aineille on kehitettävä hiiliteräksen valmistuksen pääprosessin viereen omat käsittelyratkaisut, sillä muuten rautapohjaisten poisteiden kierrätyksen ekologiset ja taloudelliset säästöt saatettaisiin menettää pääprosessin tuottavuuden laskuna. Ongelmallista on myös teräksen laatua haittaavien harmeaineiden kumuloituminen teräkseen, mitä tapahtuu myös käytettäessä romua uusioraaka-aineena. Kestävää kehitystä tavoiteltaessa täydennetään EU:n perinteistä prosessi- ja tuotantoyksikköperusteista ympäristölainsäädäntöä tuotelähtöisellä ympäristölainsäädännöllä. Säädöksissä huomioidaan laajemmin koko tuotteen elinkaari, jolloin tutkimuksen on katettava raaka-aineen hankinta, tuotanto, tuotteet, käyttö ja käytöstä poistoon liittyvä kierrätys tai sijoittaminen takaisin luontoon. Teräksen ainutkertaisia ominaisuuksia voidaan entisestään parantaa, jos teräksen valmistajat saavat keskittyä omalle ydinosaamisalueelleen. Teknisen järjestelmän sisältä löytyy aina ihminen suorittamassa tietoisen ohjauksen, mitä ei luonnonjärjestelmissä löydy. Harjavallan Suurteollisuuspuistosta saatujen kokemusten perusteella voidaan todeta, että työturvallisuus ja teollisuusonnettomuuksia ehkäisevä turvallisuustyö on otettava teollisen ekologian viitekehykseen. Jos tarkastellaan ihmisen vaikutusta globaalissa viitekehyksessä, voidaan todeta, että ihmisen vaikutus riippuu tulevaisuudessa tehtävistä eettisistä päätöksistä ja päätösten edellyttämistä toimenpiteistä.

Abstract Most of the steel produced in the world is based on the integrated blast furnace-converter route, which is based on the use of virgin raw materials. Large amounts of fossil-based, carbon containing reductants are used in blast furnaces, which results in carbon dioxide emissions into the atmosphere. Fossil carbon dioxide emissions from steel production can be reduced by new technologies or moving from non-renewable to renewable energy sources. Biomass-based reductants could be one way to reduce the specific emissions from blast furnace-based steel production. The aim of this thesis was to examine the techno-economic and CO₂ mitigation potentials of using bioreducers in blast furnace ironmaking. Bioreducer feasibility was analyzed in the Finnish context, but the research methods used can be applied more widely. The metallurgical properties of bioreducers were evaluated and compared to fossil-based reductants. The impact of bioreducers on blast furnace behavior and on other steel plant processes was evaluated, with an emphasis on the reductions achieved in CO₂ emissions at the plant scale. The CO₂ emissions, energy consumption and production costs of bioreducers were evaluated, as was the availability of energy wood for bioreducer production. The results show that solid, liquid and gaseous bioreducers can be produced with thermochemical conversion technologies. However, their suitability for blast furnace use varies greatly. The highest substitution of fossil-based reductants in a blast furnace is achieved with charcoal injection. The carbon footprint of torrefied wood, charcoal and Bio-SNG is moderate compared to fossil-based reducing agents and their production is energetically feasible. The economic feasibility of bioreducers is currently weak in comparison to fossil-based reducing agents, but competitive when compared to other CO₂ emission reduction measures such as carbon capture and storage. The biomass availability assessment revealed that sufficient amount of energy wood could be available for bioreducer production in the areas where Finnish steel plants are situated. The feasibility of bioreducer production could be improved by producing a number of products from the biomass and taking advantage of the process of integration possibilities. / Tiivistelmä Suurin osa maailmassa tuotetusta teräksestä valmistetaan integroidulla masuuni-konvertteri reitillä, joka perustuu neitseellisten raaka-aineiden käyttöön. Masuuniprosessissa käytetään suuri määrä fossiilisia, lähinnä hiilipohjaisia pelkistimiä, jotka aiheuttavat hiilidioksidipäästöjä ilmakehään. Fossiilisia hiilidioksidipäästöjä voidaan teräksenvalmistuksessa vähentää uusilla teknologioilla tai siirtymällä uusiutumattomista energialähteistä uusiutuviin. Biomassasta valmistetut pelkistimet voisivat olla yksi mahdollinen keino alentaa masuunipohjaisen teräksenvalmistuksen ominaispäästöjä. Tämän työn tavoitteena oli tarkastella biopelkistimien käytön teknistaloudellista potentiaalia masuunikäytössä ja aikaansaatavia hiilidioksidipäästövähenemiä eri systeemirajauksilla. Työssä keskityttiin tarkastelemaan biopelkistimien hyödynnettävyyttä lähinnä Suomen tasolla, vaikka käytetyt tutkimusmetodit ovat sovellettavissa myös laajemmin. Työssä arvioitiin biopelkistimien metallurgisia ominaisuuksia, niiden vaikutusta masuuniprosessiin ja laajemmin muihin terästehtaan prosesseihin, pääpainon ollessa saavutettavan CO₂ päästövähenemän tarkastelussa. Työssä tarkasteltiin biopelkistimien valmistuksen CO₂ päästöjä, energiankulutusta ja tuotantokustannuksia sekä energiapuun saatavuutta biopelkistimien tuotantoon. Tulokset osoittavat, että biomassasta voidaan valmistaa kiinteitä, nestemäisiä ja kaasumaisia pelkistimiä termokemiallisilla konversioteknologioilla, joiden soveltuvuus masuunikäyttöön vaihtelee suuresti. Masuuniprosessissa suurin fossiilisten pelkistimien korvaavuus saavutetaan käyttämällä puuhiili-injektiota. Torrefioidun puun, puuhiilen ja Bio-SNG:n hiilijalanjälki on varsin maltillinen verrattuna fossiilisiin pelkistimiin ja niiden tuotanto on energeettisesti järkevää. Biopelkistimien taloudellinen kannattavuus verrattuna fossiilisiin pelkistimiin on tällä hetkellä heikko, mutta kilpailukykyinen verrattuna muihin CO₂ päästöjen vähennyskeinoihin, kuten hiilidioksidin talteenottoon ja -varastointiin. Energiapuun saatavuus biopelkistimien valmistukseen on suurin alueilla, jotka sijaitsevat lähellä Suomen terästehtaita. Biopelkistimien tuotannon kannattavuutta voitaisiin parantaa tuottamalla useita tuotteita ja hyödyntämällä prosessi-integraatiota.