Polttopuun luonnonkuivaus, keinokuivaus ja laadun hallinta

Transkriptio

1 Polttopuun luonnonkuivaus, keinokuivaus ja laadun hallinta Jyrki Raitila (VTT), pohjautuu Hillebrandin (VTT) ja Koukin (TTS) tutkimukseen TTS 398 Kehittyvä metsäenergia; pilkepäivä Toholampi ja Alajärvi

2 Tausta Polttopuuta käytetään Suomessa vuosittain milj. i m 3, suurin osa pilkkeinä sekä osa myös hakkeena. Käyttäjän kannalta merkittävin polttopuun laatuun vaikuttava tekijä on polttopuun kosteus. Perinteinen tapa alentaa pilkkeiden kosteutta on luonnonkuivaus (keinokuivaus 10 20%). Haittana on varaston hidas kierto ja siitä aiheutuvat kustannukset. Lisäksi ongelmia aiheuttavat pilkkeiden laadun vaihtelu, home ja ulkonäköhaitat sekä tuotannon kausiluontoisuus. Polttopuun keinokuivauksella ja kunnollisella varastoinnilla polttopuun laatu voidaan varmistaa ja varaston kiertoa nopeuttaa. 2

3 Myyntipilkkeen kuivausmenetelmät Pilkkeiden luonnonkuivaus ulkona aumoissa tai häkeissä Halkojen luonnonkuivaus pinoissa Koneellinen aisaus tai kuorinta ja pinokuivaus Ostettu raaka aine/pilke valmiiksi kuivaa Pilkkeiden kylmäilmakuivaus Pilkkeiden luonnonkuivaus varastokatoksessa Muu kuivausmenetelmä Osuus myydystä pilkkeestä, % Lähde: Työtehoseuran metsätiedote 4/2003 (662) 3

4 Polttopuun raaka aine 4

5 syys Puun kosteuden vuodenaikainen vaihtelu Kosteus, % Kuusi Mänty Koivu Harmaaleppä tammi maalis touko heinä marras 5

6 Polttoaineen kosteus Polttoaineen vesimäärä, kgh2o/kgka Vedestä poistuu 70 % Polttoaineen kosteus, % märkäpainosta 6

7 Kosteuden vaikutus puun lämpöarvoon ja energiatiheyteen Lämpöarvo, MJ/kg MJ/kg 0.60 MWh/i m Kosteus, % Energiatiheys, MWh/i m 3 1 MJ = 0,2778 kwh, 1 MWh = 1000 kwh 7

8 Rankojen kuivuminen varastossa Koivu, moto, peittämätön Koivu, moto, peitto Koivu, moto, kate 40 Kosteus, %

9 Eri tavalla käsiteltyjen rankojen kuivuminen varastossa Kosteus, % Koivuranka, kuorellinen Koivuranka, moto, kate Koivuranka, ositt. kuorittu

10 Homeen esiintyminen rangan päästä eri varastoissa peittämätön peitetty katettu 10

11 Yhteenveto Polttopuun raaka aine Motolla kaadettujen rankojen kosteus alenee ensimmäisen kesän aikana 50 %:sta noin 30 %:iin. Toisen kesän aikana rankojen kosteus alenee edelleen n. 20 %:iin. Rangat, joiden kuori on ehjä (metsurikaato), kuivuvat yhden kesän aikana vain n. 4 % yksikköä. Peitetyt rangat ovat n. 10 % yksikköä kuivempia kuin peittämättömät. Rankojen kuivumista ja siten niiden säilyvyyttä voidaan tehostaa merkittävästi rikkomalla kuorta (motokaato, kuorinta, aisaus). 11

12 Yhteenveto Mikrobit Eniten on esiintynyt Trichoderma ja Penicillium sientä (kohtalaisesti tai runsaasti) sekä rangoissa että pilkkeissä. Trichoderma on mykotoksiinien (homemyrkkyjen) tuottaja. Oireina mm. silmien, kurkun ja nenän ärsytysoireita sekä yleisoireita. Mikrobien määrää ei pysty arvioimaan silmämääräisesti. Alkutalvesta ja talven jälkeen on esiintynyt myös Aureobasidiumia (niukasti tai kohtalaisesti), joka on kosteusvaurioon viittaava mikrobi. Mikrobien määrää pystytään pienentämään oikealla varastoinnilla. 12

13 Polttopuun luonnonkuivaus 13

14 Pilkkeen kuivumisnopeuteen vaikuttavat tekijät Pilkkeen kosteus Pilkkeen mitat (tilavuus/pinta alasuhde, pituus/paksuussuhde) Kuoren peittämä osuus Puulajikohteiset ominaisuudet erityisesti diffusiviteetti (muita: tiheys, lämmönjohtavuus, ominaislämpö) Ympäristön lämpötila Ilman suhteellinen kosteus Ilman virtausnopeus Mahdollinen säteily (suora ja hajasäteily) 14

15 Erikokoisten kuorellisten ja kuorettomien pilkkeiden kuivuminen 50 Kosteus, % kuorellinen, 34 cm kuoreton, 34 cm kuorellinen, 17 cm kuoreton, 17 cm kuorellinen, 34 cm, puolta ohuempi kuoreton, 34 cm, puolta ohuempi Aika, h 15

16 Pilkkeitä varastoitu 1 m 3 ja 2 m 3 kehikoissa, avoin varastopaikka 16

17 Pilkkeiden kuivuminen varastossa 60 Peittämätön, 1 m rankana kuivuminen pilkkeiden teko Peittämätön, 2 m3 Peitto, 1 m3 Peitto, 2 m3 Kate, 1 m3 Kosteus, % 30 Kate, 2 m

18 Pilkkeitä 15 m 3 :n kuivumiskehikoissa 18

19 Pilkkeen kuivuminen ulkona katetussa verkkokehikossa ja kosteuden vuodenaikainen vaihtelu vuosi 2. vuosi 3. vuosi 35 Kosteus, % huhti kesä elo loka joulu helmi huhti kesä elo loka joulu helmi huhti kesä elo loka 19

20 Yhteenveto Pilkkeet (1) Pilkkeen koolla ja kuoren osuudella on huomattava merkitys pilkkeiden kuivumisnopeuteen. Kuivumisnopeuteen vaikuttaa eniten pilkkeen paksuus paksuuden puolittuminen lyhentää kuivumisaikaa noin puoleen. Pilkkeen kuivumista voidaan tehostaa merkittävästi rikkomalla kuorta, esim. pilkkeiden teon yhteydessä. Jo pienikin kuoren rikkominen edistää pilkkeen kuivumista. Pilkkeitten kuivumisnopeus varastossa riippuu voimakkaasti ympäristön lämpötilasta ja ilman suhteellisesta kosteudesta, ei niinkään auringon suorasta säteilystä. 20

21 Yhteenveto Pilkkeet (2) Keväällä tehdyt pilkkeet kuivuvat yhden normaalikesän aikana noin 20 %:iin, mutta talviaikana kastuminen on 10 % yksikön luokkaa, puun tasapainokosteudesta johtuen. Varjopaikassakin pilkkeet kuivuvat yhden kesän aikana 20 %:iin, jos ilman suhteellinen kosteus ja lämpötila ovat normaalikesän mukaiset. Talvella tehdyt pilkkeet kuivuvat katoksessa talven aikana n. 5 % yksikköä (41 % > 36 %). Kuivumisnopeudessa ei ole merkittävää eroa eri kokoisten (1 15 m 3 ) katettujen varastokasojen välillä. Katetut/peitetyt pilkeet ovat noin 7 % yksikköä kuivempia kuin peittämättömät pilkeet. Keinokuivatut pilkkeet pysyvät katoksessa, sateelta suojattuna kuivina ja homeettomina. 21

22 Polttopuun keinokuivaus Kylmäilmakuivaus Kylmäilmakuivaus + lisälämpö Lämminilmakuivaus 22

23 Pilkkeiden kylmäilmakuivausta 23

24 Alkukosteus 41%, loppukosteus 15% 75 i m 3, kuivausaika 34 vrk sähkönkulutus 1350 kwh 24

25 Kylmäilmakuivuri + aurinkoenergia 25

26 Lämminilmakuivuri Klapikeskus Oy 26

27 Eräs mittaustulos lämminilmakuivurista 80,0 30,0 Ilman lämpötila, C 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 Kuivausilman lämpötila sisään Kuivausilman lämpötila ulos Ilman vesipitoisuus, g/m3 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Kuivausilma sisään Kuivausilma ulos Kuivausilma erotus 0,0 0,0 Ilman suhteellinen kosteus, % 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Kuivausilman RH sisään Kuivausilman RH ulos 27

28 Kuivausilman lämpötilan vaikutus kuivausaikaan 60 Pilkkeen kosteus, % C 70 C 90 C 110 C 150 C Aika, h 28

29 Esimerkki erätäyttöisen lämminilmakuivurin lämmönkulutuksen jakautumisesta 1,600 1,400 Lämmönkulutus kwh/kg H2O 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 Häviöt Kuormanlämmitys Ilmanlämmitys Haihdutus 0, Ulkolämpötila 1=15 C ja 2= 15 C 29

30 Yhteenveto Polttopuun kuivaustavat Luonnonkuivaus, ulkoilman lämpötila Edullinen, hidas, voi aiheuttaa ulkonäköön virheitä, sääriippuva Kylmäilmakuivaus, ulkoilman lämpötila Nopeuttaa kuivumista, tasaisempi laatu, sääriippuva Lämminilmakuivaus, T < 100 C Mahdollistaa ympärivuotisen toiminnan Nopeuttaa raaka aineeseen sitoutuneen pääoman kiertoa Lämpöenergian kulutus n. 100 kwh/irto m 3, kun ulkoilman lämpötila +15 C n. 160 kwh/irto m 3, kun ulkoilman lämpötila 15 C (otettu huomioon veden haihduttaminen, ilmanlämmitys, kuormanlämmitys ja häviöt) Sähköenergian kulutus aiheutuu pääosaksi puhaltimista, enimmillään 10 kwh/irto m 3 30

31 Esimerkki koekuivurin rakentamisesta Jyväskylän AMK, Kolkanlahti 31

32 Koekuivuriin käytetty merikontti 32

33 Koekuivurin ulkovuoraus 33

34 Koekuivurin pohjaratkaisu 34

35 Potkuripuhallin 50 cm, 2,2 kw/3000 kierr. moottorilla 35

36 Koekuivurin aurinkokerääjä 36

37 Koekuivuri pilkekuivurina 37

38 Kuivausilman kierto kuivurissa 38

39 39