EKOPELLETTI T&K KUIVAUKSEN OPTIMOINTI JA MALLINTAMINEN

Transkriptio

1 EKOPELLETTI T&K KUIVAUKSEN OPTIMOINTI JA MALLINTAMINEN Projektiraportti Oulun yliopisto Kemian laitos / Kuitu- ja partikkelitekniikan laboratorio Matti Kuokkanen * 2012 * Oulun yliopisto, kemian laitos, PL 3000, FI-90014, Oulu, matti.kuokkanen@oulu.fi

2 1 JOHDANTO Pellettien kysynnän lisääntyessä ja pellettimarkkinoiden laajentuessa pellettien perinteistä raakaainetta, puu- ja metsäteollisuudesta saatavaa kuivaa sahanpurua ja kutterinlastua ei ole saatavilla enää riittäviä määriä. Tällöin pellettituotannossa on joko otettava käyttöön erinäisiä muita raakaainemateriaaleja seospellettien valmistamiseksi tai vaihtoehtoisesti pellettituotantoon soveltuvan kuivan sahanpurun määrää voidaan kasvattaa ottamalla käyttöön järkeviä ja taloudellisia kuivausmenetelmiä pellettilaitoksen yhteyteen tai hankkimalla raaka-aine pellettilaitokselle valmiiksi kuivattuna. Kutterilastun kuivaaminen ei ole tarpeellista, koska se kuivempana raakaaineena soveltuu yleensä suoraan pellettituotantoon ja sitä voidaan myös sekoittaa hieman kosteamman purun joukkoon. Tällä hetkellä käytettävissä olevalla tekniikalla raaka-aineen kosteuden on oltava alle 15 %, jotta pelleteistä syntyy puristettaessa laatuvaatimukset täyttäviä. On huomioitavaa, että puun kuivausvaihe on selvästi merkittävin energiankuluttaja mekaanisen metsäteollisuuden perusprosesseissa, edustaen % koko toimialan energiankäytöstä. Tämän vuoksi kuivauksesta saatava hyöty ja sen edullisuus sekä kuivauksen optimiolosuhteet on arvioitava tarkkaan ennen kuivausprosessin yhdistämistä pellettilaitoksen yhteyteen. Termogravimetria (TG) on erinomainen menetelmä kuivauksen mallintamiseen pellettituotantoa kehitettäessä ja optimoitaessa. Nykypäivänä pelletintuotannossa käytetty kostea materiaali voi sisältää vettä jopa %. Teollista tuotantoa varten raaka-aine kuivataan 8-12 % kosteuspitoisuuteen ennen pelletin valmistusprosessia. Kostean purun polton ja siitä puristetun pelletin energiakäytön välillä merkittävimmät erot ovat lämpöarvossa ja polttoaineen käytettävyydessä ja prosessoitavuudessa. Pellettien ekologisuus, varastoitavuus ja logistiset ominaisuudet ovat ylivertaisia verrattaessa niitä esim. lajittelemattoman puujätteen tai öljyn polttamiseen. Kun puujätemateriaali kuivatetaan ja puristetaan pelleteiksi, saavutetaan merkittäviä hyötyjä. Pelletille saavutetaan määrätty kosteuspitoisuus, korkeampi energiatiheys ja sen kuljettaminen on helpompaa. Myös sen varastoitavuus paranee huomattavasti, koska tällöin materiaali vie vähemmän tilaa ja on varastoinnin aikana vähemmän alttiina negatiivisille ilmiöille kuten puumateriaalin lahoamiselle ja biohajoamiselle [Ståhl et al., 2003; Eilavaara, 1999]. Kuivauksella tarkoitetaan nesteen tai kosteuden poistamista jostain toisesta kiinteästä materiaalista. Kosteutta voidaan poistaa useilla eri menetelmillä, kuten mekaanisesti puristamalla tai adsorption avulla. Muita kuivausmenetelmiä ovat mm. säteily-, alipaine-, kontakti-, pakkas- ja kaikkein tavanomaisimpana konvektiokuivaus. Usein kuivaus rajataankin tarkoittamaan ainoastaan viimeksi mainittua eli kosteuden poistamista kiintoaineesta joko kuuman kaasuvirran tai muun

3 lämmittämisen avulla. Kuivaaminen voi tapahtua esimerkiksi seuraavissa eri olosuhteissa: liikkumattoman kaasun tai ilman vaikutuksesta, kaasuvirtauksen avulla, tyhjiössä tai alipaineen vaikutuksesta. Jotta kuivuminen tapahtuisi, on kuivattavaan materiaaliin tuotava nesteen höyrystymiseen tarvittava lämpömäärä kosteuden poistamiseksi [Lydersen, 1985]. Keskeisintä teollisessa kuivauksessa on kuivurin soveltuvuus käyttökohteeseensa, syötön kuiva-ainepitoisuus ja kuivauslämpötila. 2 KUIVAUKSEN TEORIAA Teoreettisten kuivausmallien avulla on laskettavissa ns. prosessimuuttujien arvot (kuivausaika, loppukosteus, hetkelliset energiantarpeet, kuivumisnopeudet, kokonaisenergiankulutus jne.) erilaisten tekijöiden funktiona (kuivauskaava, alkukosteus, puulaji, dimensio, kuivaajan pituus ym.). Koska kuivauksen aiheuttamat laatutappiot voivat olla merkityksellisemmät kuin esimerkiksi energiakustannukset, on laadittu myös teoreettisia malleja sille, kuinka nämä muutokset voitaisiin laskennallisesti ennustaa [Salin, 1989]. Raaka-aineen konventionaalisessa kuivauksessa poistetaan kosteutta ei-mekaanisella menetelmällä eli höyrystämällä. Tällöin kiintoaineen kuivaus sisältää yhtäaikaisen lämmön- ja aineensiirron. Lämmönsiirron mekanismeja tarvitaan höyrystämiseen ja aineensiirtomekanismit edesauttavat höyrystyneen veden kuljettamisessa partikkelin sisällä nesteenä tai höyrynä ja partikkelin pinnasta höyrynä tavallisesti kuumaan kantokaasuun. Lämmönsiirto kiintoaineen pintaan voi tapahtua konvektiolla (kaasuvirtaus) kuumasta ilmasta, johtumalla jostain kuumasta pinnasta, säteilylämmönsiirtona tai näiden kaikkien yhdistelmänä. Kiintoaineen pinnasta lämpö kulkee johtumalla kiintoaineeseen. Nesteen siirtyminen kiintoaineessa tapahtuu monilla eri mekanismeilla, kuten diffuusiolla homogeenisessa kiintoaineessa, kapillaarivirtauksena huokoisessa tai kiteisessä kiintoaineessa sekä kutistumisen tai painegradienttien aiheuttamana virtauksena. Eri mekanismit ovat vallitsevia eri kuivumisvaiheissa ja ne voivat seurata toinen toistaan [Lydersen, 1985]. Kontrolloivan vastuksen tunnistaminen on tärkeä, koska kontrolloivan vaiheen nopeuttamisella voidaan parhaiten tehostaa kuivumista. Kuivattaessa märkää kiintoainetta voidaan kuvaajasta tarkasteltaessa kosteuspitoisuutta kuivausajan funktiona (Kuva 1a) erottaa tyypilliset kuivausnopeusalueet. Saman kuvaajan derivaattamuoto (Kuva 1b) esittää kuivausnopeuden kuivausajan funktiona. Siitä havaitaan selkeämmin eri kuivausnopeuden muuttuminen kiintoaineen kuivausprosessin edistyessä.

4 Kuva 1. (a) Kosteuspitoisuus ajan funktiona, (b) kuivausnopeus ajan funktiona tyypillisessä kuivausprosessissa. Kuvaajissa väli A-B esittää lämmitysaluetta. Lämmitysalueella kuivausnopeuteen vaikuttavia tekijöitä ovat kaasusta kiintoaineeseen tapahtuva lämmönsiirto, kaasun lämpötila ja virtausnopeus. Kuvaajasta nähdään, että kuivauksen alkuvaiheessa kuivausnopeus ei saavuta vielä huippuaan, koska tällöin suurin osa kuivaukseen käytettävästä energiasta kuluu lämpötilan nostamiseen ja kuivattavan materiaalin lämmittämiseen. Kuvaajan väli B-C kuvaa vakiokuivausnopeuden aluetta. Tällöin kiintoaineen kosteus alenee lähes lineaarisesti ja kuivausnopeus on maksimissaan, koska tarvittava kuivauslämpötila on saavutettu. Vakiokuivausnopeusalueella kuivausnopeutta kontrolloivia tekijöitä ovat kaasun nopeus ja kosteus. Kuvaajan väli C-D puolestaan on ns. alenevan kuivumisnopeuden aluetta, jolloin kuivausnopeus laskee kuivattavan materiaalin pinnan alkaessa kuivua. Osa raaka-aineen sisältämästä kosteudesta on kemiallisesti sitoutuneena vetenä ja siksi onkin selvää, ettei kaikkea kosteutta saada materiaalista mitenkään poistettua. Tämän vuoksi mitä pidemmälle kuivuminen etenee haluttua loppukosteutta, sitä vaikeammaksi ja hitaammaksi kosteuden poistaminen lopussa muodostuu. Alenevan kuivausnopeuden alueella kuivausnopeutta kontrolloivat materiaalin sisäiset aineensiirto-ominaisuudet, lämpötila ja partikkelikoko.

5 Kuva 2. Kuivausnopeus kosteuspitoisuuden funktiona tyypillisessä kuivausprosessissa. Kuvassa 2 kosteuspitoisuutta C kutsutaan kriittiseksi kosteuspitoisuudeksi. Sen suuruus on kullekin aineelle ominainen ja riippuu siis kuivattavasta aineesta. Kriittinen kosteuspitoisuus kasvaa kiintoaineen paksuuden ja kuivausnopeuden kasvaessa. Pisteessä E kuivattava aine on saavuttanut vaiheen, jossa sen pinta on kyllästymätön. Tällöin aineen sisäinen kosteuspitoisuus alkaa kontrolloida kuivausnopeutta. Kuivauksessa lämpöä kuluu moneen eri tarkoitukseen.. Lämpöä kuluttavia tekijöitä ovat kosteuden lämmittäminen ja haihduttaminen, kuiva-aineen lämmittäminen sekä rakenteiden lämmittäminen. Myös kuivuri vie oman osansa lämmöstä, jolloin lämpöä kuluu säteily- ja konvektiohäviöihin, kuivurin tuloilman lämmittämiseen, poisto- ja vuotoilmahäviöihin sekä lämmön tuotantohäviöihin. Kuivauksen integroiminen pellettilaitoksen yhteyteen vaatii tarkkaa suunnittelua, jotta turha energiankulutus saadaan minimoitua ja kussakin yksikköprosessissa muodostuva hukkalämpö saadaan johdettua laitoksen jossakin toisessa yksikköprosessissa hyödynnettäväksi, esimerkiksi raaka-ainesiiloon raaka-ainemateriaalin lämmittämiseen ja kuivaamiseen varsinkin talviolosuhteissa. Kuivurin energiankulutus jakautuu tyypillisesti kuvan 3 mukaisesti.

6 Kuva 3. Tyypillisen kuivurin energiankulutuksen jakautuminen. Kuivurin energiankulutukseen keskeisimmin vaikuttaviksi tekijöiksi voidaan eritellä tuloilman lämpötila, poistoilman kierrätys ja kosteus, syötettävän aineen lämpötila ja kuiva-ainepitoisuus. Tuloilman lämpötilan nostaminen vähentää lämmönkulutusta ja pienentää tarvittavaa ilmavirtaa kuivurissa. Kierrättämällä poistoilmaa osa sitoutuneesta lämmöstä saadaan palautettua takaisin prosessiin. Koska kierrätetty ilma on jo esilämmitettyä, säästetään tuloilman lämmityksessä. Mitä kosteampaa poistoilma on, sitä vähemmän kuluu energiaa, mutta samalla tosin kasvaa kuivausaika. Syötettävän aineen esilämmityksellä ja syötön kuiva-ainepitoisuuden nostamisella, esimerkiksi moniportaisen puristuksen avulla, on myös mahdollista vähentää kuivauksen energiankulutusta. Kostean sahanpurun, kuoren tai metsätähteen käyttö pellettien raaka-aineena vaatii aina kuivausta. Aikaisemmin puuraaka-aineen kuivauksessa käytettiin korkeampia lämpötiloja ( ºC), mutta nykyisin suositaan matalia kuivauslämpötiloja ( ºC). Tällöin kuivauksessa tarvittava energiamäärä on pienempi, mutta toisaalta saman loppukosteuden saavuttamiseksi viipymää kuivauksessa on vastaavasti kasvatettava. Koska raaka-aineen kuivaus on hyvin paljon energiaa kuluttava prosessi, onkin tärkeää että raaka-aineen kosteuspitoisuus on määritetty optimaaliseksi tuotteen ominaisuuksien kannalta, eli toisin sanoen kuivataan vain sen verran kuin se on valmiin pelletin laatuvaatimusten täyttämiseksi järkevää. Liian pitkälle viety kuivaus aiheuttaa sekä turhia energiakustannuksia että kasvattaa kuivauksen yhteydessä syntyviä päästöjä.

7 Esikäsittelystä aiheutuu päästöjä ja muutoksia raaka-aineeseen. Kuivauksen aiheuttamia kemiallisia ja biologisia muutoksia ei vielä täysin tunneta, kuten ei myöskään raaka-aineen vaikutuksia kuivauspäästöihin. Kuivauksen tarkemmassa suunnittelussa tehokkaampaa prosessia varten tarvitaan tietoja muodostuvista päästöistä. Kuivauksen päästöille olisi tätä varten hyvä olla tulevaisuudessa omat laskentamallinsa. Kuivattaessa puusta vapautuu orgaanisia yhdisteitä haihtumisen ja termisen hajoamisen johdosta. Puusta haihtuvia VOC-yhdisteitä kuivauksessa ovat mm. mono- ja seskviterpeenit ja terpenoidit. Kuivauksen aikana puun terpeeneistä haihtuu noin %. Termistä hajoamista alkaa tapahtua noin 150 ºC:n lämpötilassa. Hajoaminen on aluksi vähäistä ja lisääntyy lämpötilan noustessa. Alle 200 ºC:ssa termistä hajoamista tapahtuu kuitenkin ainoastaan lähinnä raaka-ainepartikkelien pinnoilla [Ståhl et al., 2003; Fagernäs, 2004]. Tuotantomäärien kasvu tulevaisuudessa saattaa lisääntyneistä VOC -päästöistä johtuen aiheuttaa tiukentuneita vaatimuksia lupaehtoihin. Aiemmissa tutkimuksissa on todettu vähäpäästöisen kuivausprosessin edellytyksiksi puupolttoaineen petikuivaus, kuivauskaasun alhainen tulolämpötila ( 180 ºC), ja ettei kuivauksessa vapautuvaa vesihöyryä lauhduteta. Kokeiden pohjalta todettiin, että puuraaka-aineen teollinen kuivaaminen on mahdollista toteuttaa päästämättä haitallisissa määrin haihtuvia orgaanisia yhdisteitä ympäristöön. Voidaankin perustellen todeta, ettei päästökaasujen erillinen kerääminen talteen myöskään pelletöinnin yhteydessä ole tarpeellista. Alhaisessa lämpötilassa tapahtuvassa teollisessa kuivauksessa orgaanisten yhdisteiden päästöt vastaavat tasoa, joka yleisesti hyväksytään kyseisen puupolttoaineen luonnonkuivaukselle [Fagernäs, 2004]. 3 ERILAISET KUIVAUSMENETELMÄT PELLETOINNIN YHTEYDESSÄ Pyörivä rumpukuivain, jossa väliaineena käytetään savukaasuja, on yleisimmin käytetty menetelmä sahanpurun kuivauksessa. Konvektioon perustuvissa kuivaajissa kaasun avulla sekä tuotetaan kuivauksessa tarvittava energia että kierrätetään syntyvät päästökaasut kuivauskaasuun emittoituneena esimerkiksi laitoksen muiden yksikköprosessien lämmöntarpeeksi [Ståhl et al., 2003]. Kiintoaineen kuivausongelman ratkaisu aloitetaan tavallisesti siten, että ensiksi tarkastellaan niitä vaihtoehtoja, joiden avulla veden määrää voidaan vähentää ennen turvautumista hyvin energiaintensiiviseen termiseen kuivaukseen. Tällaisia vaiheita ovat esimerkiksi mekaaninen puristus tai linkous. Varsinaiset termiset kuivauslaitteet voidaan jakaa monella tavalla. Yhden luokitteluperusteen mukaan ne jaetaan sen perusteella, onko kyseessä suora vai epäsuora kuivaus. Suorassa kuivauksessa lämpö siirretään kuivattavaan materiaaliin kuumasta kaasusta. Suoran

8 kuivaussysteemin investointikustannukset ovat merkittävästi pienemmät kuin epäsuorassa kuivauksessa. Suorassa kuivauksessa käytetään yleensä savukaasuja suoraan tai niiden avulla lämmitetään kaasuja, joilla kuivattavan materiaalin lämmittäminen tapahtuu. Lämmön talteenotto suorassa kuivauksessa on kuitenkin huomattavasti vaikeampaa mahdollisen pölyämisongelman vuoksi. Tästä syystä suorassa kuivauksessa ei voida saavuttaa yhtä korkeaa lämpötehokkuutta kuin epäsuoran kuivauksen kohdalla. Myös kuivattavan materiaalin pilaantumista voi esiintyä joissakin tapauksissa suoran kuivauksen kohdalla. Kuivurit voidaan luokitella kuivauksessa käytettävän väliaineen perusteella. Sahanpurua kuivattaessa tavallisesti väliaineena käytetään joko kuumaa ilmaa tai savukaasua. Mujumdarin mukaan [Mujumdar, 1995] tulistettua höyryä väliaineena käyttävissä kuivaajissa on joitakin ratkaisevia etuja verrattuna kuivaajiin, joissa väliaineena on lämmitetty ilma. Tulistettua höyryä väliaineena käyttävissä kuivaajissa kielteisten hapetus- ja pelkistysreaktioiden tapahtuminen on poissuljettu vaihtoehto. Höyrykuivaajien kuivausnopeus on korkeampi kuin ilma- ja kaasukuivaajissa. Tulipalojen ja räjähdysten tapahtumisen riski on niin ikään pieni höyrykuivauksen yhteydessä ja se mahdollistaa myös myrkyllisten tai arvokkaiden nesteiden erottamisen lauhduttamalla. Kuitenkin höyrykuivaukseen perustuva kuivaus vaatii paljon monimutkaisemman kuivaussysteemin rakentamisen ja pienikin vuoto aiheuttaa höyrykuivaajan energiahyötysuhteen merkittävän heikkenemisen. Käytettävän kuivaintyypin valinta voi perustua prosessin toimintatapaan eli siihen onko kyseessä jatkuvatoiminen vai panoskuivaus. Jatkuvatoimiset kuivaimet voidaan helpommin integroida muun prosessin yhteyteen alhaisempien yksikkökustannusten vuoksi. Kuivattavan materiaalin ominaisuudet ja määrä ovat myös ratkaisevia kriteerejä kuivaajan valinnassa. Käsiteltävän materiaalin määrän tullessa pienemmäksi jatkuvatoimisen prosessin korkeammat investointikustannukset ovat merkittävin osa kokonaiskustannuksista, jolloin panosprosessin suhteellinen edullisuus on määräävä tekijä laitevalinnassa. Lisäksi panostyyppiset kuivaimet ovat joustavampia erilaisten materiaalien käytön suhteen. Panoskuivaimen etuihin kuuluu myös, että siinä kuivattavan materiaalin kosteutta voidaan kontrolloida prosessin aikana. Yleisesti pelletointiin parhaiten sopivia kuivausmenetelmiä ovat rumpukuivurit sekä pneumaattiset flash-kuivurit. Lisäksi puupolttoaineen kuivaukseen soveltuvat tietyin rajoituksin peti- ja hihnakuivurit sekä useista lautaskuivaimista koostuvat varastokuivurit. Puuta voidaan kuivata myös kemiallisesti. Kemiallisessa kuivauksessa vesi poistetaan kuivattavasta materiaalista orgaanisen nesteen avulla. Puun kemiallinen kuivaus tapahtuu kahdella eri tavalla: korvaamalla puussa oleva vesi orgaanisella polaarisella liuottimella, jolloin kyseessä on liuotinkuivaus tai keittämällä vesi puusta pois nostamalla orgaanisen kuivausnesteen lämpötila yli

9 veden kiehumispisteen. Jälkimmäisessä tapauksessa on erotettavissa kolme erilaista menetelmää: öljykuivaus, atseotrooppinen kuivaus ja höyrykuivaus [Pajunen et al., 1988]. Puun kemiallista kuivausta on tutkittu melko paljon laboratorio-olosuhteissa, mutta menetelmän teollisia sovellutuksia on käytössä erittäin vähän. Käytön esteeksi ovat muodostuneet menetelmän vaatimat laitteistot sekä prosessissa käytettävien liuottimien suhteellisen korkea hinta. Myös ympäristönäkökohdat huomioon ottaen kemiallisten kuivausmenetelmien käyttö puuraaka-aineen laajamittaisessa kuivauksessa on poissuljettu ratkaisu. 3.1 RUMPUKUIVAUS Rumpukuivaajia (Kuva 4) käytetään jatkuvatoimiseen kuivaukseen ja ne voidaan jakaa kahteen perustyyppiin. Rotary dryer -tyyppisissä kuivaimissa kuivattava materiaali kulkee pyörivän rummun läpi. Kuivaus tapahtuu puhaltamalla kuivauskaasua joko vastavirta- tai myötävirtaperiaatteella. Kuivauskaasuna käytetään usein savukaasuja ja niiden lämmittämää kuivausväliainetta, esimerkiksi ilmaa. Pyörivät kuivaajat soveltuvat parhaiten rakeisen materiaalin kuivaamiseen. Rumpu asennetaan jonkin verran vinoon asentoon, jolloin materiaali valuu painovoiman vaikutuksesta alempana olevaa päätä kohden rummun hitaasti pyöriessä. Rummun sisällä olevat listat nostavat pyörimisliikkeen vaikutuksesta kuivattavaa ainetta ylöspäin ja pudottavat sen kaasuvirtaan. Ne myös työntävät kiinteää ainetta eteenpäin rummussa. Rummun pyörimisnopeus on yleensä 4-5 r/min ja kaasun virtausnopeus 1,5-2,5 m/s. Kiinteän aineen viipymäaika kuivurissa on yleensä 5-60 min ja kuivurin kapasiteetti voi olla jopa 200 t/h. Kuivaajan tehokkuutta voidaan lisätä sijoittamalla rummun sisään höyryputkia. Kuva 4. Rumpukuivuri.

10 Drum dryer -tyyppisessä rumpukuivaajassa kuivattava materiaali syötetään lämmitetyn rummun pinnalle. Kuivaaja koostuu yhdestä tai useammasta lämmitetystä hitaasti pyörivästä metallirummusta, joiden pinnalta neste haihtuu. Jäljelle jäävä kiintoaine kaavitaan irti rummun sisäpinnalta. Kiintoaine on kontaktissa kuuman pinnan kanssa vain lyhyen aikaa (6-15 s), joten tämä kuivaajatyyppi soveltuu myös sellaisille tuotteille, jotka hajoavat helposti lämpötilan vaikutuksesta. Drum dryer -tyyppisiä rumpukuivaajia käytetään erityisesti liuosten, lietteiden ja pastojen kuivaukseen [Lydersen, 1985]. 3.2 PNEUMAATTINEN KUIVAUS Flash-kuivuri on tavallisin pneumaattinen kuivurityyppi (Kuva 5). Pneumaattisella kuivurilla tarkoitetaan laitetta, jossa kostea kiinteä aine kuivuu kulkiessaan suspendoituneena kuuman kaasuvirran mukana. Pneumaattisen kuivurin toiminta perustuu siihen, että kaasun nopeuden tulee olla suurempi kuin suurimpien kuivattavien kiintoainepartikkelien vapaan putoamisen nopeus. Kaasu on tavallisesti ilmaa tai savukaasua. Yksinkertaiseen flash-kuivuriin kuuluu pystysuora kuivausputki, jossa liikkuvaan kaasuvirtaan syötetään kuivattava aine putken alapäästä sopivalla syöttölaitteella. Joissakin kuivureissa saattaa olla erillinen materiaalin murskain ennen syöttöä, joka hajottaa partikkelit pienemmiksi. Putken yläpäästä kaasuvirta joutuu sykloniin, jossa suurin osa kiinteästä aineesta eroaa kaasusta ja edelleen multisyklonin kautta piippuun. Multisyklonin sijasta voidaan käyttää myös pussi- tai sähkösuodinta. Suurissa kuivureissa on tavallisesti puhallin ennen kiinteän syöttökohtaa ja toinen syklonien ja suotimien jälkeen. Tämän avulla syöttökohdan paineeroa saadaan laskettua halutulle tasolle [Tapanainen, 1982]. Kuva 5. Flash-kuivuri.

11 Viipymäaika on tämäntyyppisissä flash-kuivureissa yleensä erittäin lyhyt, ainoastaan 0,5-3,0 s. Käsiteltäessä erityisen kosteaa tai vaikeasti kuivattavaa materiaalia voidaan käyttää kierrätystä. Kuivauskaasun sisäänmenolämpötila on tapauksesta riippuen C ja ulostulolämpötila C. Kuivauskaasun nopeus on yleensä m/s poistumislämpötilassa. Kuivattavan materiaalin lähtökosteusprosentti saa olla korkeintaan 70 %. Kaasun suhteellinen kosteus ulostulossa ylittää harvoin 35 %, ehdottomana ylärajana pidetään 70 %. Pneumaattisella kuivurilla voidaan käsitellä helposti kuivuvia, ei-huokoisia materiaaleja. Muita käyttöä rajoittavia tekijöitä ovat partikkelikoko (yleensä 2 mm) ja juoksevuusominaisuudet [Lydersen, 1985]. 3.3 PETIKUIVAUS Peti- eli leijukerroskuivauksessa sovelletaan leijutuksen periaatetta. Lämmitetty ilma tai kuuma kaasu johdetaan reikälevyn läpi leijupetiin, josta se poistuu pölynerottimen kautta. Reikälevyn tarkoitus on estää häiriötilanteissa kiintoaineen putoaminen tornin pohjalle. Kuivattava kiintoainemateriaali syötetään suoraan kuumaan leijukerrospetiin, jota kannattelee alapuolelta kuuma ilmavirta. Kuivan materiaalin pääosa poistuu ylivuotona laskuputken kautta. Leijukerroskuivaus soveltuu ainoastaan 0,05 15 mm partikkelikoon omaaville materiaaleille. Lisäksi kuivattavan materiaalierän partikkelikokojakauman on oltava suhteellisen tasainen, jotta haluttu kuivaustulos saadaan aikaan. Leijukuivaajan merkittävimpänä negatiivisena puolena nouseekin esiin kuivatun materiaalin kosteuspitoisuuden huomattava vaihtelu kuivatun materiaalierän sisällä, joten se ei sovellu kuivausmenetelmäksi sellaisissa prosesseissa, joissa kuivatulta tuotteelta vaaditaan tasaista laatua [Lydersen, 1985]. 3.4 HIHNAKUIVAUS Hihnakuivaus on tyypillinen terminen kuivausprosessi, jossa kuivattava materiaali syötetään liikkuvalle hihnalle ja kuivaus tapahtuu puhaltamalla sen läpi kuumaa ilmaa. Viirakuivain on tästä hyvin tyypillinen esimerkki. Viirakuivaajassa kuivattava materiaali kulkee liikkuvan viiran päällä pitkässä kuivauskammiossa tai tunnelissa. Viira on yleensä valmistettu metallista. Kuivaaja on jaettu useisiin osiin, joilla on oma puhallin ja ilman lämmitys. Kuivaajan alkupäässä ilma kulkee yleensä alhaalta ylöspäin. Loppupäässä materiaalin ollessa jo kuivaa ja mahdollisesti pölyävää, ilma ohjataan kulkemaan alaspäin. Viirakuivaimella kuivataan rakeisia, hiutalemaisia ja kuitumaisia

12 materiaaleja. Viirakuivaajat ovat erityisen käyttökelpoisia, kun kuivausolosuhteiden tulee muuttua materiaalin kuivumisen edistyessä [Lydersen, 1985]. 3.5 VARASTOKUIVAUS Varastokuivaukseen perustuvien laitteiden perusyksikkönä toimii yleensä kerroksittain asetetut lautaskuivaimet (Kuva 6). Lautaskuivausta käytetään yleensä arkojen ja kalliiden raemaisten materiaalien kuivaamiseen. Lautaskuivaimessa kuivattava materiaali asetetaan alustoille, joita lämmitetään höyrykierukoilla kuivauksen tapahtuessa kierrättämällä ilmaa materiaalin päällä. Lautaskuivainten käyttö on kannattavaa, kun tuotantomäärät ovat pieniä. Käyttökustannukset nousevat korkeiksi, koska kuivaimen täyttö ja tyhjennys tapahtuvat manuaalisesti. Kuivausaika on myös suhteellisen pitkä 4-48 h. Lautaskuivaimen toimintalämpötilaa saadaan alennettua alipaineen avulla. Niitä voidaan käyttää myös pakastekuivauksessa [Lydersen, 1985]. Kuva 6. Lautaskuivaimen toimintaperiaate. 4 MITTAUKSET 4.1 TERMOGRAVIMETRISET MÄÄRITYKSET Useimmissa aineissa tapahtuu fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia lämpötilan noustessa tai laskiessa. Nämä muutokset ovat käytetyissä olosuhteissa ominaisia kyseiselle aineelle ja niitä voidaan käyttää aineen kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen tutkimiseen [Kivalo, 1980]. Tätä

13 tutkimusmenetelmää kutsutaan termoanalyysiksi (TA). Lähes aina kun näytettä kuumennetaan, sen painossa tapahtuu muutoksia. Painon muuttumisen voivat aiheuttaa terminen hajoaminen, hapettuminen, haihtuminen, sublimoituminen, desorptio jne. Termogravimetria (TG) tutkii juuri painon muuttumista lämpötilan funktiona. Pelletoinnin yhteyteen sovellettuna termogravimetrisilla määrityksillä on mahdollista havaita raaka-ainemateriaalin massan muutos lämpötilan noustessa, viipymän vaikutus kuivauksen yhteydessä, kuivauksessa haihtuvat epäorgaaniset ja orgaaniset komponentit, maksimilämpötila tietyllä viipymällä jne. EkoPelletti T&K hankkeen aikana tehtiin termogravimetriset määritykset kuivauksen optimointia ja mallintamista varten Oulun yliopiston metallurgian laboratoriossa kahdeksalle eri pellettiraaka-aineelle: purulle, hakkeelle, turpeelle, ruokohelvelle, kauran oljelle, ohran oljelle, sanomalehtipaperille ja kiiltopaperille. Raaka-aineet oli keinotekoisesti kosteutettu ennen termogravimetrisia määrityksiä noin 40 % kosteuspitoisuuteen. Kuva 7. Purun termogravimetrinen massakäyrä. Kuvassa 7 on esitetty purun termogravimetrinen massakäyrä. Kuvaajasta havaitaan, että kuivauslämpötilan nostaminen ensimmäisessä vaiheessa poistaa purun seasta pelkästään kosteutta, mikä ilmenee kuvaajasta massaa ilmentävän käyrän laskuna. Tämä tapahtuu purulle noin 100 C

14 lämpötilaan asti tämän tutkimuksen olosuhteissa. Seuraava jyrkkä lasku massakäyrässä puolestaan kertoo sen lämpötilan, mitä kuivauksen aikana ei olisi suotavaa ylittää, koska tällöin pururaaka-aine syttyy palamaan. Purulle tämä saavutetaan noin 250 C lämpötilassa. Termogravimetrisen massakäyrän kuvaajan perusteella kuivauksessa käytettävä maksimilämpötila kostealla purulla olisi tässä mittauksessa siis noin 200 C. Toisaalta optimaalinen kuivauslämpötila tälle purulle olisi noin 100 C, jolloin suurin osa kosteudesta häviää, mutta pururaaka-aine ei vielä syty palamaan, eikä täten menetetä hyvän lämpöarvon omaavia haihtuvia yhdisteitä. Kuva 8. Hakkeen termogravimetrinen massakäyrä. Kuvassa 8 on esitetty hakkeen termogravimetrinen massakäyrä. Jälleen havaitaan, että kuivauslämpötilan nostaminen ensimmäisessä vaiheessa poistaa hakkeen seasta vain kosteutta, mikä ilmenee kuvaajasta massaa ilmentävän käyrän lähes lineaarisena laskuna. Tämä tapahtuu hakkeelle noin 120 C lämpötilaan asti tämän tutkimuksen olosuhteissa. Seuraava jyrkkä lasku massakäyrässä puolestaan kertoo sen lämpötilan, mitä kuivauksen aikana ei olisi suotavaa ylittää, koska tällöin hakeraaka-aine syttyy palamaan. Hakkeelle tämä saavutetaan noin 250 C lämpötilassa. Termogravimetrisen massakäyrän kuvaajan perusteella kuivauksessa käytettävä maksimilämpötila

15 kostealla purulla olisi tässä mittauksessa siis noin 220 C. Toisaalta optimaalinen kuivauslämpötila tälle purulle olisi noin 120 C, jolloin suurin osa kosteudesta häviää, mutta pururaaka-aine ei vielä syty palamaan. Kuva 9. Turpeen termogravimetrinen massakäyrä. Kuvassa 9 on esitetty turpeen termogravimetrinen massakäyrä. Kuivauslämpötilan nostaminen ensimmäisessä vaiheessa poistaa hakkeen seasta kosteutta, mikä ilmenee kuvaajasta massaa ilmentävän käyrän lähes lineaarisena laskuna. Tämä tapahtuu turpeelle noin 145 C lämpötilaan asti tämän tutkimuksen olosuhteissa. Seuraava jyrkkä lasku massakäyrässä puolestaan kertoo sen lämpötilan, mitä kuivauksen aikana ei olisi suotavaa ylittää, koska tällöin hakeraaka-aine syttyy palamaan. Turpeelle tämä saavutetaan noin 240 C lämpötilassa. Termogravimetrisen massakäyrän kuvaajan perusteella kuivauksessa käytettävä maksimilämpötila kostealla turpeella olisi tässä mittauksessa siis noin 205 C. Toisaalta optimaalinen kuivauslämpötila tälle turpeelle olisi noin 145 C, jolloin suurin osa kosteudesta häviää, mutta turveraaka-aine ei vielä syty palamaan.

16 Kuva 10. Ruokohelven termogravimetrinen massakäyrä. Kuvassa 10 on esitetty ruokohelven termogravimetrinen massakäyrä. Kuvaajasta havaitaan, että kuivauslämpötilan nostaminen ensimmäisessä vaiheessa poistaa ruokohelven seasta pelkästään kosteutta, mikä ilmenee kuvaajasta massaa ilmentävän käyrän lähes lineaarisena laskuna. Tämä tapahtuu ruokohelvelle noin 140 C lämpötilaan asti tämän tutkimuksen olosuhteissa. Seuraava jyrkkä lasku massakäyrässä puolestaan kertoo sen lämpötilan, mitä kuivauksen aikana ei olisi suotavaa ylittää, koska tällöin ruokohelpiraaka-aine syttyy palamaan. Ruokohelvelle tämä saavutetaan noin 250 C lämpötilassa. Termogravimetrisen massakäyrän kuvaajan perusteella kuivauksessa käytettävä maksimilämpötila kostealla ruokohelvellä olisi tässä mittauksessa siis noin 220 C. Toisaalta optimaalinen kuivauslämpötila tälle ruokohelvelle olisi noin 140 C, jolloin suurin osa kosteudesta häviää, mutta ruokohelpiraaka-aine ei vielä syty palamaan.

17 Kuva 11. Kauran oljen termogravimetrinen massakäyrä. Kuvassa 11 on esitetty kauran oljen termogravimetrinen massakäyrä. Kuvaajasta havaitaan, että kuivauslämpötilan nostaminen ensimmäisessä vaiheessa poistaa kauran oljen seasta vain kosteutta, mikä ilmenee kuvaajasta massaa ilmentävän käyrän lähes lineaarisena laskuna. Tämä tapahtuu kauran oljelle noin 135 C lämpötilaan asti tämän tutkimuksen olosuhteissa. Seuraava jyrkkä lasku massakäyrässä puolestaan kertoo sen lämpötilan, mitä kuivauksen aikana ei olisi suotavaa ylittää, koska tällöin kauranolkiraaka-aine syttyy palamaan. Kauran oljelle tämä saavutetaan noin 250 C lämpötilassa. Termogravimetrisen massakäyrän kuvaajan perusteella kuivauksessa käytettävä maksimilämpötila kostealla kauran oljella olisi tässä mittauksessa siis noin 215 C. Toisaalta optimaalinen kuivauslämpötila tälle kauran oljelle olisi noin 135 C, jolloin suurin osa kosteudesta häviää, mutta kauranolkiraaka-aine ei vielä syty palamaan.

18 Kuva 12. Ohran oljen termogravimetrinen massakäyrä. Kuvassa 12 on esitetty ohran oljen termogravimetrinen massakäyrä. Kuvaajasta havaitaan, että kuivauslämpötilan nostaminen ensimmäisessä vaiheessa poistaa ohran oljen seasta vain kosteutta, mikä ilmenee kuvaajasta massaa ilmentävän käyrän lähes lineaarisena laskuna. Tämä tapahtuu ohran oljelle noin 120 C lämpötilaan asti tämän tutkimuksen olosuhteissa. Seuraava jyrkkä lasku massakäyrässä puolestaan kertoo sen lämpötilan, mitä kuivauksen aikana ei olisi suotavaa ylittää, koska tällöin ohranolkiraaka-aine syttyy palamaan. Ohran oljelle tämä saavutetaan noin 250 C lämpötilassa. Termogravimetrisen massakäyrän kuvaajan perusteella kuivauksessa käytettävä maksimilämpötila kostealla ohran oljella olisi tässä mittauksessa siis noin 220 C. Toisaalta optimaalinen kuivauslämpötila tälle ohran oljelle olisi noin 120 C, jolloin suurin osa kosteudesta häviää, mutta ohranolkiraaka-aine ei vielä syty palamaan.

19 Kuva 13. Sanomalehtipaperin termogravimetrinen massakäyrä. Kuvassa 13 on esitetty sanomalehtipaperin termogravimetrinen massakäyrä. Kuvaajasta havaitaan, että kuivauslämpötilan nostaminen ensimmäisessä vaiheessa poistaa sanomalehtipaperin seasta vain kosteutta, mikä ilmenee kuvaajasta massaa ilmentävän käyrän lähes lineaarisena laskuna. Tämä tapahtuu sanomalehtipaperille noin 105 C lämpötilaan asti tämän tutkimuksen olosuhteissa. Seuraava jyrkkä lasku massakäyrässä puolestaan kertoo sen lämpötilan, mitä kuivauksen aikana ei olisi suotavaa ylittää, koska tällöin sanomalehtipaperiraaka-aine syttyy palamaan. Sanomalehtipaperille tämä saavutetaan noin 260 C lämpötilassa. Termogravimetrisen massakäyrän kuvaajan perusteella kuivauksessa käytettävä maksimilämpötila kostealla sanomalehtipaperilla olisi tässä mittauksessa siis noin 230 C. Toisaalta optimaalinen kuivauslämpötila tälle sanomalehtipaperille olisi noin 105 C, jolloin suurin osa kosteudesta häviää, mutta sanomalehtipaperiraaka-aine ei vielä syty palamaan.

20 Kuva 14. Kiiltopaperin termogravimetrinen massakäyrä. Kuvassa 14 on esitetty kiiltopaperin termogravimetrinen massakäyrä. Kuvaajasta havaitaan, että kuivauslämpötilan nostaminen ensimmäisessä vaiheessa poistaa kiiltopaperin seasta vain kosteutta, mikä ilmenee kuvaajasta massaa ilmentävän käyrän lähes lineaarisena laskuna. Tämä tapahtuu kiiltopaperille noin 110 C lämpötilaan asti tämän tutkimuksen olosuhteissa. Seuraava jyrkkä lasku massakäyrässä puolestaan kertoo sen lämpötilan, mitä kuivauksen aikana ei olisi suotavaa ylittää, koska tällöin kiiltopaperiraaka-aine syttyy palamaan. Kiiltopaperille tämä saavutetaan noin 260 C lämpötilassa. Termogravimetrisen massakäyrän kuvaajan perusteella kuivauksessa käytettävä maksimilämpötila kostealla kiiltopaperilla olisi tässä mittauksessa siis noin 225 C. Toisaalta optimaalinen kuivauslämpötila tälle kiiltopaperille olisi noin 105 C, jolloin suurin osa kosteudesta häviää, mutta kiiltopaperiraaka-aine ei vielä syty palamaan. 4.2 KUIVAUSKÄYRÄN LAATIMINEN ERI RAAKA-AINEILLE EkoPelletti T&K -hankkeessa laadittiin lämpöuunikokeilla Oulun yliopiston Kemian laitoksella kuivauskäyrät kuivausajan optimoimiseksi kuivausta vaativille pelletoinnin raaka-aineille: purulle,

21 hakkeelle, turpeelle ja kauran oljelle. Kuivauskäyrien avulla selvitettiin kuinka pitkän kuivausajan eri pelletoinnin raaka-ainemateriaalit tarvitsevat matalassa kuivauslämpötilassa. Kuvassa 7 on esitetty eri raaka-aineiden kuivauskäyrät eli kosteuspitoisuuden muutos ajan funktiona kuivauksen edetessä kuivauslämpötilan ollessa T = 105 ± 2 C. Tulokset havaittiin asymptoottisina käyrinä jokaiselle tarkastellulle raaka-ainemateriaalille. Turpeelle ja kauran oljelle käyrä oli lähes lineaarinen. Kosteaa sahanpurua (kosteuspitoisuus 51.5 %) piti kuivata 60 minuuttia tarvittavan pelletointikosteuden saavuttamiseksi. Vastaavasti tuoretta haketta (kosteuspitoisuus 54.4 %) piti kuivata 150 minuuttia tarvittavan pelletointikosteuden saavuttamiseksi. Turpeelle pelletoinnin vaatima kosteuspitoisuus saavutettiin 300 minuutissa ja kauran oljelle noin 90 minuutissa. Kuva 7. Pelletoinnin raaka-aineiden kuivauskäyrät ajan funktiona. 5 LÄHTEET Eilavaara, E. (1999) Nykytilanne puupellettien tuotannossa ja käytössä. Työtehoseuran metsätiedote, 13/ s. Fagernäs, L. (2004) Puuenergian teknologiaohjelman päätösseminaari Jyväskylässä Luentomateriaali. VTT Prosessit. 45 s. Kivalo, P. (1980) Instrumenttianalytiikka 3. Kromatografia. Termoanalyysi, Teknillisten tieteiden akatemia, Gummerus, Jyväskylä. s

22 Lydersen, A. (1985) Mass transfer in engineering practice, 2 nd edition. John Wiley & Sons, New York. 321 s. Mujumdar, A. S. (1995) Superheated steam drying, Handbook of industrial drying. Marcel Dekker Inc., New York. s Pajunen J., Salin J.-G. & Vihavainen T. (1988) Puun kemiallinen kuivaus. Valtion tieteellinen tutkimuskeskus, VTT Tutkimuksia 523, Espoo. 40 s. + liitt. 10 s. Salin, J.-G. (1989) Sahatavaran kuivauksen mallien ja laskentarutiinien kehittäminen. Kauppa- ja teollisuusministeriö, energiaosasto, Ekono Oy, Helsinki. 147 s. Ståhl, M., Granström, K., Berghel, J. & Renström, R. (2004) Industrial processes for biomass drying and their effects on the quality properties of wood pellets. Biomass and Bioenergy, Vol. 27, s Tapanainen, J. (1982) Turpeen ja puubiomassan kuivaus. Kirjallisuuskatsaus. Valtion tieteellinen tutkimuskeskus, VTT Tiedotteita 107, Espoo. 40 s.