Viljankuivauksen tehostaminen

Transkriptio

1 Viljankuivauksen tehostaminen prof. Jukka Ahokas Maatalous-metsätieteellinen tiedekunta Maataloustieteiden laitos

2 Sisältöä Viljan laadun parantaminen Laadukkaan viljan tuottaminen Kuivurin kapasiteetin lisääminen Nopeampi kuivaus Energiatehokkuuden parantaminen Vähemmän energiaa veden poistamiseen Kuivurityypin vaikutus Viljan säilöminen

3 Viljan laatu ja säilyvyys Viljan pilaantuminen johtuu seuraavista tekijöistä: Mikrobien kehittymisestä (mikrobi = mikro-organismi = pieneliö, joka erottuu mikroskoopilla, esim. sieni, bakteeri, virus) Viljan omasta entsyymitoiminnasta ja hengityksestä Jyvät jatkavat kehitystään puinnin jälkeenkin. Jyvä hengittää, käyttää varastoitunutta hiilihydraattiansa ja luovuttaa hiilidioksidia. Tästä elintoiminnosta syntyy kosteutta ja lämpöä.

4 Mikrobit ja kosteus Tärkein mikrobin kasvuun vaikuttava tekijä on kosteus. Jos se on tarpeeksi alhainen: Muut tekijät eivät pysty vaikuttamaan. Kun ilman kosteus ylittää 62 %, sienten kasvu on mahdollista Kosteuden ylittäessä 90 % myös bakteerien kasvu on mahdollista. Mikrobit käyttävät olemassa oloonsa materiaalin ravinteita ja kosteutta. Ne pystyvät absorboimaan siitä tarvitsemansa veden. Tämä absorbointikyky häviää ja mikrobien kasvu loppuu, jos: materiaali kuivataan niin kuivaksi, etteivät mikrobit pysty irrottamaan siitä vettä vesi jäädytetään materiaaliin lisätään aineita, jotka sitovat veden ja estävät siten mikrobien veden saannin

5 Viljan säilyvyys Kosteus % Pilaantuminen alkaa Teknisten ominaisuuksien muuttuminen alkaa Kuivaus aloitettava yli 30 1 vrk 1 2 vrk 12 h kuluessa vrk 2 3 vrk 25 % 24 h kuluessa 20 % 48 h kuluessa Lundin G. & Jonsson N. Lagring av spannmål i utomhussilor åtgärder för att hindra återfuktning och mögelbildning. JTI informerar nr 108, 2005

6 Hyvälaatuinen vilja

7 Viljan säilytys terässiilossa Ongelma: Vesivuoto, märkä nälli tai huonosti jäähdytetty vilja voi aikaansaada paikallisen viljan homehtumisen ja lämpenemisen, joka leviää koko siiloon! Myös ulkosiilon lämpötilavaihtelut aikaansaavat kostumista. Lundin G. & Jonsson N. Lagring av spannmål i utomhussilor åtgärder för att hindra återfuktning och mögelbildning. JTI informerar nr 108, 2005

8 Terässiilo ulkona Vilja on hyvä lämmöneriste => viljasiilossa voi olla suuret lämpötilaerot Ulkona olevan terässiilon kuoren lämpötila vaihtelee lämpötilan ja auringon paisteen mukaan Lämpötilaero aikaansaa ilman virtauksen siilon sisällä Seurauksena on usein lämpimän ilman nousu siilon kattoon. Vesi tiivistyy kylmään viljaan tai kylmään kattoon ja tippuu viljan päälle => yläpinta lähtee homehtumaan Etenkin suurijyväisillä viljoilla ilma pystyy liikkumaan helposti (maissi) Lundin G. & Jonsson N. Lagring av spannmål i utomhussilor åtgärder för att hindra återfuktning och mögelbildning. JTI informerar nr 108, 2005

9 Lämmin ja kostea ilma tiivistyy kylmään kattoon ja tippuu pisaroina viljan päälle Pilaantuminen alkaa kosteassa viljassa Lämmin ilma nousee ylös Kylmä ilma laskeutuu alas Kylmä ilma laskeutuu alas

10 Viljan pilaantuminen siilossa Viljan pilaantuminen voi alkaa yksittäisistä kohdista ( hot spot ) Vilja alkaa lämpenemään ja pilaantumaan yhdestä pisteestä Pilaantuminen aikaansaa kosteuden ja lämmön tuoton mikä laajentaa pilaantumista. Syinä tähän on: märän viljan laitto kuivan päälle katon vuotaminen lumen tuiskuaminen sisälle kosteuden pääsy siiloon rikkinäisen pohjan kautta ilmassa olevan veden kondensoituminen lämpötilaerojen takia FARMING AHEAD No. 131 November 2002

11 Hyvälaatuinen vilja Märkä ja lämmin vilja on otollinen mikrobien kasvualusta Mikrobit tuottavat toksiineja Toksiineja voidaan torjua kuivaamisella Riskin ollessa suuri kuivaaminen on aloitettava mahdollisimman nopeasti Jos riskialtista viljaa joudutaan välivarastoimaan, varastoinnin aikana viljaa pitää tuulettaa (kylmäilmakuivaus) Ulkona olevien terässiilojen viljan säilymistä kannattaa seurata

12 Lämminilmakuivurin kapasiteetti Kuivurin kapasiteetti pitää laskea kokonaisuutena, jolloin siihen vaikuttavat mm Kuivurin tilavuus Uunin teho Elevaattoreiden tehot Puskurivaraston käyttö Jäähdytyssiilon käyttö Kuivuriautomatiikka Erän kuivausaika/vuorokausirytmi Viljan kosteus Viljelysuunnitelma ja viljojen kypsymisaika Jos ajatellaan koko viljankorjuuketjua, kuivuri ei saisi hidastaa sadonkorjuuta

13 Korjuusää Puinnin kriteeri 80% ilman suhteellinen kosteus Puintipäivän pituus on elokuussa n 10 h/vrk Puintipäivän pituus on syyskuussa n 6 h/vrk Puinnit alkavat Etelä-Suomessa keskimäärin 10. elokuuta 10 % puinneista on alkanut vasta syyskuussa Esim. Korjuujakso elokuun puolivälistä syyskuun loppuun = 45 vrk. Kriteeri 2 ja 80% todennäköisyys => korjuupäiväkerroin on 0,45 => 20 korjuukelpoista päivää. Puintipäivän pituus on 8 h/vrk => 160 h käytettävissä Laine A. Konekapasiteetin mitoitus ja konekustannukset viljan ja nurmirehun tuotannossa. TTS julkaisuja 349

14 Kuivurin koko Kuivauseriä vuorokaudessa on keskimäärin 2 kpl Puintikelpoisia päiviä on keskimäärin 20 kpl korjuukautena Jos kuivurin kapasiteetin pitää olla puintikapasiteetin suuruinen, saadaan esim. 20 pv ja 2 erää/pv = 40 erää/satokausi Koko korjattavan sadon pitäisi siten mahtua 40 erään. Jos sää on huonompi, eriä on myös vähemmän

15 Kuivurin koko toisella tavalla Lähdetään siitä, että kuivurin pitää pystyä kuivaamaan puimurin puima sato vuorokauden aikana. Jos leikkuupuimuri pui keskimäärin 1 ha/h tunnissa, päivässä puidaan 10 ha sato eli märkäsadon ollessa 4 t/ha saadaan päivässä 40 t viljaa. Jos kuivauseriä on kaksi, yhteen erään pitää mahtua 20 t viljaa ja esimerkiksi 60 kg hehtolitrapainon mukaan tämä tarkoittaa 33 m3 kuivurisiiloa yhtä puimuria kohden.

16 Uunin koko Uunin koon valinnassa vaikuttavat seuraavat asiat: Liian suuri nopeus (suuri ilmamäärä) vie jyviä poistoilman mukana Lämpötilan nousu, puhallusilman määrä ja uunin teho ovat toisistaan riippuvia Mitä suurempi ilmamäärä puhaltimella on, sitä nopeammin kosteus poistuu Mitä korkeampi kuivauslämpötila, sitä nopeampi kuivuminen P uuni = q m ΔT c i Uunin teho P uuni riippuu kuivauslämpötilasta ja uunin ilmamäärästä.

17 Kuivurin koko Kuivurin koko vaikuttaa siihen kuinka paljon viljaa saadaan kerralla kuivuriin Uunin koolla vaikutetaan siihen kuinka nopeasti vesi poistuu viljasta Viljan alkukosteus määrittää kuinka paljon vettä on poistettava (kuinka kauan erän kuivaus kestää)

18 Uunin tehon vaikutus 40 m 3 kuivuri ja kuivauslämpötila 70 C Esim. Ilmamäärän lisääminen 30 % lyhentää kuivausaikaa 25 %

19 Viljan jäähdytys 100 Lämpötila C Kuivauslämpötila Viljan lämpötila Poistoilman lämpötila Aika H Kuivausilman lämpeneminen kesti 7 min, kuivaus 7 h ja jäähdytys 1 h. Jäähdytys tarvitsee lähes aina saman ajan, kuivumisaika riippuu viljan alkukosteudesta. Tässä tapauksessa säästettäisiin 1 h aika, jos jäähdytyssiilo olisi erillinen.

20 Kuivauslämpötilan vaikutus Esimerkki viljan kuivumisesta. 130 C lämpötilaa käytettäessä erä kuivunut puolet nopeammin.

21 Loppukosteuden vaikutus Esimerkki viljan kuivumisesta. 16 % kosteuteen 3 h ja 14 % kosteuteen lähes 6 h.

22 Kuivauskapasiteetin nostaminen Kosteuden poistonopeuden lisääminen Suurempitehoinen uuni Korkea kuivauslämpötila Ylikuivaamisen varominen Erillinen jäähdytyssiilo Puskurivarasto Tuuletettu varasto säilyttää viljan laadun

23 Säästömahdollisuuksia Kuivauksen energian kulutusta on teknisesti mahdollista vähentää jopa yli 50% Öljystä voidaan luopua siirtymällä uusiutuviin polttoaineisiin - Vilja voidaan kuivata kokonaan kotimaisella polttoaineella Kuivaamisesta voidaan kokonaan luopua jos käytetään muita säilöntätapoja Hyötyykö viljelijä tästä taloudellisesti Talous on eri asia kuin energiansäästö! Sähkö (8,9 snt/kwh) Polttoöljy (68,9 snt/l) 8 % 10 % 16 % 200 hl 32 % Korko (5%) Poisto (poistoajat: koneisto 15 ja rakennus 25 vuotta) Vakuutus ja kunnossapito (1,5%) Polttoöljy (68,9 snt/l) Sähkö (8,9 snt/kwh) Työ

24 Ohran tuotannon energiapanosten jakauma, kokonaispanos 14 GJ/ha Kasvintuotanto Kuljetus pellolta talouskeskukseen 0 % Puinti 11 % Ruiskutus (2 x) 2 % Kuivaus 11 % Agrokemikaalit 49 % P 3 % K 3 % Kylvö 2 % N 30 % Kalkin levitys 0 % Siemen 7 % Kasvunsääde 1 % Kalkin valmistus 8 % Kylvömuokkaus 5 % Tasausäestys 2 % Kyntö 11 % Tautien torjunta-aine 1 % Rikka-kasvien torjunta-aine 3 %

25 Energian säästö Öljypolttimen säätö, vaikutus 0 15 % Kuivaus hyvän sään aikaan, vaikutus 0 20 % Kuivurin eristäminen, vaikutus % Korkea kuivauslämpötila, vaikutus % Ylikuivaamisen välttäminen, vaikutus 10-20% Poistoilman lämmön talteenotto, vaikutus jopa yli 50 %

26 Polttimen säätäminen Laskentaperuste Vilja-ala 100 ha Puintikosteus 22 % Varastointikosteus 13 % Sato 3500 kg/ha Öljypolttimen säätö, vaikutus 0 15 % Energiansäästö Kustannus 400 Säästö 5,0 % Säästö /v 190 Takaisinmaksuaika v 2,1 Öljypolttimet ovat usein hyvässä kunnossa, suuttimet pitää vain muistaa vaihtaa muutaman vuoden välein.

27 Kuivaaminen hyvän sään aika Ilmaa lämmitettävä 55 C 15 C 70 C 5 C Tässä esimerkissä kylmällä säällä tarvitaan lähes 20% enemmän Ilmaa lämmitettävä 65 C energiaa!

28 Ilman kosteus Ilman kosteus vaikuttaa siihen, kuinka paljon se pystyy sitomaan lisäkosteutta. Lämminilmakuivurissa tällä ei ole kovin suurta merkitystä. Kun ilma lämmitetään 70 C lämpötilaan, sen suhteellinen kosteus on vain muutaman prosentin luokkaa ja kuivauskyky on aina hyvä. Kylmäilmakuivurissa tällä on merkitystä, koska ilmaa ei lämmitetä ja sen suhteellinen kosteus ei muutu. Kostea ilma ei pysty sitomaan vettä ja jo kuivunut vilja voi kostua, jos siihen puhalletaan liian kosteaa ilmaa.

29 Ilman kosteus Esimerkki ilman kosteuden vaikutuksesta - Piste 1:10 C ja 80 % - Piste 4: 10 C ja 95% Kosteus sinänsä ei vaikutua paljoakaan lämminilmakuivuriin Monesti kostea ilma on myös kylmää, jolloin sillä on merkitystä

30 Eristäminen Kuivurin eristäminen, vaikutus % Energiansäästö Kustannus 2000 Säästö 10,0 % Säästö /v 379 Takaisinmaksuaika v 5,3 20 C - 20 C 70 C 10 C Lähde TTS Talo Kuivuri Eristäminen lyhentää myös kuivausaikaa!

31 Pintalämpötiloja Kuivurin puhallusilman puoleisen päädyn pintalämpötilat ovat n C Tästä aiheutuu W/m 2 lämpövirta 10 m 2 peltipinta aiheuttaa 2 3 kw lämpöhäviön Puhallusputken pintalämpötilat ovat C ja lämpövirta on W/m 2 5 m pitkän ja 0,63 m halkaisijaltaan olevan putken vaipan ala on n 10 m 2 ja lämpöhäviö on 4 5 kw

32 Eristäminen

33 Kuivurin lämpöhäviö Heat power 140 Viljan ja kuivurin lämpeneminen Power/Loss kw Kuivurin lämpöhäviö Drying time min Heat loss

34 Tuloksia Syksyn 2011 koetuloksia Erä Alkukosteus [%] Kaasun kulutus eristämättömässä kuivurissa [m3] Kaasun kulutus eristetyssä kuivurissa [m3] Energian säästö [%] , , Keskiarvo 20 %

35 Korkea kuivauslämpötila Korkea lämpötila nopeuttaa kosteuden siirtymistä jyvässä ytimestä pintaan Kuuma ilma pystyy sitomaan enemmän vettä viljasta Lämpötilan nosto Pienentää energian kulutusta Lisää kuivurin kapasiteettia Lisää kuivurin lämpöhäviöitä eristys nousee tärkeäksi Siemenviljaa ja leipäviljaa ei saa kuivata liian kuumalla ilmalla Poistuva vesimäärä

36 Tuloksia kuivausilman lämpötilan noston vaikutuksesta Lähde: Suomi et al Viljan korjuu ja varastointi laajenevalla viljatilalla. Maa- ja elintarvike 31.

37 Viljan lämmönkestävyyteen vaikuttaa Viljan kosteus. Hyvin kostean viljan kuivuessa jyvään syntyy jännityksiä, jotka voivat rikkoa jyvän rakenteen ja aiheuttavat vaurioita Lämmölle altistumisaika. Jyvä lämpenee nopeasti kuivausilman lämpötilaan ja vauriot lisääntyvät, jos altistumisaika pitenee. Huom. Lämpötila on jyvän ytimen lämpötila Liikkuva vilja ei lämpene ytimeen asti Rehuvilja Kuivurin rakenne. Rakenne ja toimintatapa ratkaisevat kuinka kauan jyvä altistuu korkealle lämpötilalle. Viljalaji tai -lajike. Viljalajike vaikuttaa viljan kestävyyteen.

38 Korkea kuivauslämpötila ja viljan lämpötila

39 Kuivauslämpötilan vaikutus ohran itävyyteen Kuivausilman lämpötila 119 C, nopea kierto Korkea lämpötila tuhoaa itävyyden! Lähde: Suomi et al Viljan korjuu ja varastointi laajenevalla viljatilalla. Maa- ja elintarvike 31.

40 Puintikosteus Märkä vilja tarvitsee enemmän energiaa kuivaukseen Voiko sopivaa puintikosteutta odottaa?

41 Kuivauskosteus Kauppaviljan pitää olla alle 14% Takaa pitkäaikaisen säilyvyyden Omaan käyttöön 16% kosteus riittää, jos vilja käytetään talven aikana Viljan pitää olla kylmää Viljan lämpenemistä pitäisi seurata

42 Esimerkki kuivurista Jyvän pinnalla oleva vesi irtoaa nopeasti Kun kosteuden pitää siirtyä ytimestä pintaan kuivuminen hidastuu ja energian tarve lisääntyy Loppupuolella kosteuden poistuminen on hidasta ja energiantarve suurta

43 Kuivauskosteus Esimerkiksi 19% vilja kuivataan 14% kosteuteen => 33 l/ha, 16% kosteuteen 20 l/ha. Säästetään lähes 40%!

44 Kotimainen polttoaine Kotimainen polttoaine ei säästä energiaa mutta voi säästää rahaa Hake Polttoaine pitää varata ennakkoon Vaatii investointeja, uusi uuni, automaattinen polttoaineen syöttö, automaattinen tuhkan poisto Biopolttoöljy Voidaan hyödyntää nykyisiä uuneja Kannattavaa vain jos saadaan rouhe käytettyä Vilja Huonokuntoisen viljan käyttö lämmitykseen Onko viljan poltto eettisesti hyväksyttävää? Lämpökeskuksen hyödyntäminen Kuivurin tehontarve on paljon suurempi kuin rakennusten tehon tarve => lämpökeskuksen lämmöllä voidaan vain auttaa kuivuria Vesipattereiden ja lämpöputkien asentaminen on kallista

45 Hakkeen kannattavuus

46 Energian käytön tehostaminen Kuivurin eristäminen Kustannustehokas toimenpide Energian kulutus pienenee Kuivausaika lyhenee Vilja kuivuu tasaisemmin Ylikuivauksen välttäminen Kauppa- ja siemenvilja < 14% Oma rehuvilja <16 % Korkea kuivauslämpötila Omaan käyttöön menevän rehuviljan kuivaus

47 Kuivurityyppejä Kuumailmakuivuri Eräkuivuri Jatkuvatoiminen kuivuri Kylmäilmakuivuri Kuivaava viljasiilo

48 Kylmäilmakuivaus Kuluttaa 1/4:n lämminilmakuivauksen energiamäärästä Hyvä vastaanotto-kapasiteetti voidaan hyödyntää parhaat puintikelit "Varastokuivuri" Pitkä kuivausaika Vilja ei hiodu alempi hl-paino Vilja ei kierrä jatkuvasti esipuhdistimen kautta enemmän roskia Ei kauppakelpoista viljaa ilman lisälämpöä Soveltuu huonosti, jos on monia lajeja ja lajikkeita Kuivuminen epätasaista

49 Tasapainokosteus Materiaalin ja sitä ympäröivän ilman välillä tapahtuu kosteuden siirtymistä, kunnes tasapaino saavutetaan ja materiaali ei luovuta eikä ota vastaan kosteutta. Saavutettu tasapainokosteus riippuu: Lämpötilasta Ilman suhteellisesta kosteudesta Materiaalin fyysisestä kunnosta

50 Viljan tasapainokosteus Lundin G. & Jonsson N. Lagring av spannmål i utomhussilor åtgärder för att hindra återfuktning och mögelbildning. JTI informerar nr 108, Jyvän kosteus % Vilja Rypsi Ilman kosteus %

51 Esimerkki syksyn säistä Lämpötila Kosteus Tasapainokosteus %

52 Vastapaine ja teho Viljan aiheuttama vastapaine riippuu kerrospaksuudesta Suuri kerrospaksuus merkitsee suurta vastapainetta => tarvitaan keskipakopuhallin

53 Kuivuminen Lämpötila- ja kosteusprofiilit kuivausilman kulkiessa viljakerroksen läpi Lämpötila Ilman kosteus Viljan kosteus Kuivunut vyöhyke Kuivausilma

54 Puhallintyypit Yksinkertaisessa potkuripuhaltimessa ulkokehä on kapea ja se ei pysty antamaan kovin suurta painetta (n Pa) Aksiaalipuhaltimessa voi olla leveä ulkokehä ja myös suuntaussiivistö, jolloin se pystyy antamaan suuremman paineen ja paremman hyötysuhteen Keskipakoispuhaltimilla saadaan aksiaalipuhaltimia suurempia paineita ja koko on pienempi

55 Puhallintyyppi Potkuripuhallin kestää kohtuudella n 700 Pa vastapaineen Paksu kerros ja suuri ilmamäärä tarvitsevat keskipakoispuhaltimen Viljankuivauksen suosituksena on vähintään 600 m 3 /h/m 2 ilmamäärä Mitä suurempi ilmamäärä, sitä nopeampi kuivuminen Vastapaine Pa Potkuri/Keskipakois 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Kerrospaksuus m Ilmamäärä m3/h/m2

56 Kerrospaksuus Paksu kerros lisää kuivausaikaa ja energian kulutusta Toisaalta paksu kerros merkitsee myös suurta viljamäärää kwh/kg vesi 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Energia 500 m3/h/m2 Energia 800 m3/h/m2 Aika 500 m3/h/m2 Aika 800 m3/h/m ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Kerrospaksuus m Kuivausaika h

57 Kuivaava viljasiilo Jos viljakerroksen paksuus > 1m keskipakoispuhallin välttämätön Märkä vilja yli 60 cm kerroksessa kuorettuu ja pintakerros homehtuu Paksuissa kerroksissa viljan sekoittaminen on välttämätöntä ja sen pitää olla tehokasta Suuri kuivuri suuri liitäntäteho Rationaalinen viljan käsittely edellyttää koneistamista investointikustannukset nousevat Korkean kerroksen kuivauksessa ja sekoituksessa rikkaruohonsiemenet heikentävät kuivumista => tarvitaan puhdas vilja Mattila J. KUIVAAVAT VILJASIILOT SUOMESSA, Hämeen Ammattikorkeakoulu Westlin H. Utvärdering av ett silotorksystem för spannmål utrustat med omrörare. SLU Institutionen för biometri ock teknik

58 Jatkuvatoiminen kuivuri Vilja virtaa jatkuvana virtana kuivurin läpi Ylhäältä syötetään märkää materiaalia ja alhaalta poistuu kuivunut materiaali Edut Tehokas Voidaan automatisoida helposti Voidaan käyttää 24 h vuorokaudessa Viljan jäähdytyksestä vapautuva lämpö voidaan hyödyntää Haitat Hyvin märkä vilja voi aiheuttaa ongelmia (ei ehdi kuivua kertaajolla) Viljaa pitäisi olla jatkuvasti saatavilla Lajin vaihto aiheuttaa edellisen prosessin lopetuksen ja uuden aloittamisen Loewer, Bridges & Bucklin. On-Farm Drying and Storage Systems

59 Eräkuivuri Eräkuivurissa kuivataan erä kerrallaan Edut: Yksinkertainen rakenne Kuivattavaa viljaa ei tarvita jatkuvasti Haitat: Tarvitaan aina tietty määrä viljaa erää varten Tarvitsee valvontaa ja työtä kuivaamisen lopetukseen ja täyttöön

60 Muita säilöntätapoja Happosäilöntä Happo aiheuttaa turvallisuus- ja syöpymäriskin Oma työvaihe Murskesäilöntä Vilja murskataan valssimyllyllä Oma työvaihe Toimii parhaiten kostealla viljalla Happo aiheuttaa työturvallisuus ja materiaaliriskin Varastoidaan tiiviisiin siiloihin peitettynä ja painotettuna Ilmatiivis säilöntä Vaatii ilmatiiviin rakenteen ja käsittelyn Edullinen menetelmä suurilla viljamäärillä Suuret pääomakustannukset, pienet käyttökustannukset Ei tarvita säilöntäaineita

61 Muut säilöntätavat Palva R. Tuoresäilöntä on entistä kiinnostavampi vaihtoehto. Teho 5/2008

62 Säilöntätapojen energian kulutus Energian kulutus, kj kg -1 [ka] Polttoaine Sähkö Rakenteet Säilöntäaine Muovi

63 Murskausvaihtoehtoja 500 Energian kulutus, kj kg -1 [ka] Polttoaine Sähkö Rakenteet Säilöntäaine Muovi

64 Lisätietoa