Puun keinokuivauksen perusteet Polttopuuyrittäjyyden teemapäivä Joensuu Jyrki Raitila, erikoistutkija VTT

Transkriptio

1 Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) Puun keinokuivauksen perusteet Polttopuuyrittäjyyden teemapäivä Joensuu Jyrki Raitila, erikoistutkija VTT

2 Johdanto

3 Yleistä Polttopuun ja hakkeen tärkeimmät ominaisuudet käyttäjän kannalta ovat Riittävän alhainen kosteus; pilkkeellä <20 % Sopivat mitat ja palakoko riippuu tulisijasta Puhtaus ei hometta eikä epäpuhtauksia (hiekka, vieraat esineet, ym.) Useissa tutkimushankkeissa (VTT) on seurattu energiapuun kuivumiseen vaikuttavia tekijöitä ja erilaisia kuivaustapoja Pääasialliset lähteet: Lämpöyrittäjyyden ja polttopuuliiketoiminnan kehittäminen (Energiapilke) ja Biolämpöliiketoiminnan laatu- ja kannattavuushanke (Biolämpö) sekä Lähienergialla omavaraisuuteen -hanke

4 Kuivumiseen vaikuttavat tekijät Tärkeimmät kuivausaikaan ja puukappaleiden väliseen kosteuseroon vaikuttavat tekijät: Pilkkeen ominaisuudet Alkukosteus Pilkkeen mitat (tilavuus/pinta-alasuhde, pituus/paksuussuhde) Kuoren peittämä osuus, halkaistun pinnan osuus Puulajikohtaiset ominaisuudet, erityisesti diffusiviteetti, muita: tiheys, lämmönjohtavuus, ominaislämpö) Ympäristö Kuivauslämpötila Ilman suhteellinen kosteus Ilman virtausnopeus Mahdollinen auringon säteily Sade Keinokuivaus: kuivausjärjestelyt Luonnonkuivaus: mm. pilkekasan koko, aluspuut, peittäminen, kuivauspaikka

5 Raaka-aineen vaikutus Puun luontainen kosteus Vaihtelee puulajeittain, kasvupaikoittain ja yksilöittäin Vaihtelee puun sisällä Vaihtelee vuodenaikojen mukaan Raaka-aineen kuivuminen Kuoren rikkominen edistää kuivumista Kuivattaminen osittain kuorittuna jatkaa pilkontaaikaa Lähteet: Sikanen ym. 2008, Routa

6 Polttopuun kuivaustavat Luonnonkuivaus, ulkoilman lämpötila Edullinen, hidas, voi heikentää laatua, sääriippuva Kylmäilmakuivaus, ulkoilman lämpötila Nopeuttaa kuivumista, tasaisempi laatu, sääriippuva Lämminilmakuivaus, T<100 o C Mahdollistaa ympärivuotisen toiminnan ja suuremman volyymin Nopeuttaa raaka-aineeseen sitoutunutta pääoman kiertoa Lämpöenergian kulutus (ilman lämmön talteenottoa) n. 100 kwh/i-m 3, kun ulkolämpötila on +15 n. 160 kwh/i-m 3, kun ulkolämpötila on

7 Kuivauksen teoriaa

8 Kuivauksen aikana irtokuutiosta haihdutettu vesimäärä 1 m 3 w = 45 % 1 m 3 w = 15 % Kokonaismassa 350 kg 226 kg Veden massa 158 kg 34 kg Kuiva-aineen massa 192 kg 192 kg Haihdutettu vesimäärä 124 kg/i-m 3 Tarvittava lämpömäärä (T = 60 C) (ilman häviöitä) 81 kwh/i-m

9 Lämpöarvo, MJ/kg Kosteuden vaikutus puun lämpöarvoon ja energiatiheyteen 25 1,1 20 (koivu, runkopuu) 1 Energiatiheys, MWh/i-m , MJ/kg MWh/i-m3 0,8 0, Kosteus, % 0,6 1 MJ = 0,2778 kwh, 1 MWh = 1000 kwh

10 Ilman lämmitys Lämminilmakuivuri vs. kylmäilmakuivuri Water content (g/kg) Δx = 10 g/kg

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

12 Kuivuriesimerkkejä ja kuivaustuloksia

13 Yli- ja alipainekuivuri Kuivuri Kuivuri Kuivausilman puhallus (ylipainekuivuri) Kuivausilman imu (alipainekuivuri) Kuivuri Kuivuri

14 Kuivausilman kierrätys Kostea ilma ulos Ei ilman takaisinkierrätystä Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Ilman sisäinen takaisinkierrätys, suht.kost. kasvaa Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Ilman sisäinen takaisinkierrätys, suht.kost. pystytään pitämään halutulla tasolla Kuivausilma sisään

15 Jatkuvatoiminen kuivuri Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Uusi pilke-erä sisään Kuiva pilke-erä ulos

16 Pilkkeiden kylmäilmakuivausta

17 Merikontista tehty kuivuri Tässä versiossa myös tuloilman lämmitys auringolla

18 Konttikuivurin pohjaratkaisu

19 Lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista Kuivausilman tulokanava katossa Poistoilman kanavat

20 Latomallinen lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista 2 Ilma imetään pohjasta reikälevyn läpi, jonka alla ilmakanavat Lämmönvaihdin on kuivurin katossa, tuloilma katon raoista

21 Pilkkeen kosteus, % Pilkkeen kosteus, % Kuivaus 80 kuution kylmäilmakonttikuivurissa Kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus huhtikuun alusta., keskiarvokosteus: ,5 % keskihajonta 2,9 %. Kontin 2. koivupilke-erä Kuivaus alkoi 6.6., keskiarvokosteudet: ,7 % ,2 % ,7 % keskihajonnat 1,9 % 2,1 % Pilkkeen kuivamassa, g Puhaltimia käytetään sääolosuhteiden (T, rh) ja kuivumisvaiheen mukaan. Tuloksena tasalaatuiset kuivat pilkkeet. Toisen kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus alkoi , keskiarvokosteus: ,9 % keskihajonta 1,4 % Pilkkeen kuivamassa, g 21

22 Kuivaus latomallisessa kylmäilmakuivurissa Kylmäilmakuivurin rakenne Puhallin 9 kw, tuulitunneli, puusiilo Raaka-aineet Talvella tehtyä sekaklapia Keväällä pilkottua sekaklapia Kylmäilmakuivurin mitta-anturointi Imupuolen seinusta, puhalluskanava, 0,7 m pohjasta, 1,3 m pohjasta, puiden yläpuolella ilmassa Kuivausjaksot anturit Pilkenäytteet 0,5 metrin ja noin 1 metrin syvyydeltä pinnasta Pilkekerroksen paksuus noin 2 metriä

23 Pilkkeiden kuivuminen Kylmäilmakuivurissa kuivausaika 5 viikkoa pilkkeiden alkukosteus %, loppukosteus % Kanavan vieressä kuivui, seinustalla ei, irronnut kuori yms. sälä vaikeuttaa ilman liikkumisen, värimuutoksia C A D E B F

24 Peräkärrykuivuri Kärryn tilavuus 23 i-m 3, pilkkeet etukuormaajalla sisään Lämmin ilma pohjasta sisään, katosta ulos; lämpö maatilan lämpökattilasta Kuivat pilkkeet suoraan asiakkaalle

25 Lämpötila, C Suhteellinen kosteus, % Kuivauksen poistoilman säätö Kuivurin poistoilman lämpötila ja suht. kosteus Poistoilman lämpötila Poistoilman kosteus Tyypillisesti poistuvan ilman kosteus vähenee, kun puut alkavat kuivua Hyötysuhteen parantamiseksi ilman säätöä pitää optimoida

26 Kuivaus lämminilmakuivurissa Lämminilmakuivuri DRY-AIR DA 6 -puutavarakuivaamo Kostean ilman kondensointi (lämpöpumppuperiaate), nimellistäyttö 15 m 3, kuivauslämpötila 60 C, nimellishaihdutusteho 450 litraa/vrk, kiertoilmapuhaltimet 6 kpl 0,55 kw, joissa pyörimissuunnan vaihto, kompressorin teho 5,8 kw Lämmöntuotanto pellettilämpökeskuksesta 26

27 Pilkkeiden valmistus Pilkonta häkkeihin Pilkonnan tehotuntituottavuus (2 hlöä) koivu: 6,8 i-m 3 /h sekapuu: 8,6 i-m 3 /h Punnitus Kesto 3 5 min/häkki (2,4 i-m 3 ) Kuivaus lämminilmakuivurissa 27

28 Pilkkeiden kuivuminen lämminilmakuivurissa koivupilkkeet Raaka-aineen läpimitta kuivamassa 1/2-klapi 1/4-klapi 500 g 9 cm 13 cm 1000 g 13 cm 18 cm 1500 g 16 cm 22 cm

29 Kuivauksen kustannukset Kuivauksen kustannus riippuu Kuivurin kustannuksista (pääomakulut) Kuivurin käyttökustannuksista (muuttuvat kulut) Lämmön hinta Puhallusilman tarve (sähkö) Työ Yksikkökustannus riippuu kuivausvolyymistä, /i-m

30 Kuivauskustannusesimerkki Kuivuri Kapasiteetti 25 m 3 Investointikustannus Käytettävä lämpöenergian hinta 35 /MWh Vertailu: Kylmäilmakuivauksen kustannus jäänee n. 1 /i-m 3 Kuivaus 100 erää vuodessa Kuivauksen energiantarve 340 MWh Kuivauskustannukset yht. n , josta 77 % muuttuvia kustannuksia Eli 6,7 /i-m

31 Aurinkokuivaus

32 VTT:n Jyväskylän toimipisteen aurinkokeräimet. Yhteensä 12m 2 keräinpinta-alalla voidaan saavuttaa noin 10 kw huipputeho. Keräimet on asennettu siten, että niillä voidaan tutkia myös erilaisten suuntausten vaikusta. Kuvan suuntaustavalla on pyritty maksimoimaan tehokas kuivausaika aamusta iltapäivään Aurinkolämpö ohjataan joko kuivausilman lämmitykseen, hiilidioksidin erotukseen tai kaukolämmönvaihtimelle. VTT:llä tutkitaan mallintamalla myös mm. keskittävän aurinkoenergian (CSP) hyödyntämistä sähköntuotannossa. Suomessa keskittävää aurinkoenergiaa on hyödynnetty toistaiseksi makkaran paistamiseen.

33 Uudet aurinkolämmön käyttökohteet Biokuivuri VTT:n kuivauslaitteistolla voidaan kuivata n. 1-2 m 3 haketta kerrallaan. Kuivausilma voidaan lämmittää aurinkokeräimillä tai sähkövastuksilla, joilla voidaan simuloida hallitusti koeajoon halutut olosuhteet. Aurinkokeräimillä tuotettu lämpö soveltuu hyvin pilkkeen kuivaukseen

34 Yhteenveto

35 Yhteenveto Raaka-aine vaikuttaa alkukosteuteen ja kuivumiseen raaka-ainetta voidaan kuivata jo ennen pilkkeiden valmistusta Keinokuivauksella voidaan nopeuttaa puun kuivumista ja hallita kuivausprosessia paremmin kuivaustapa riippuu tuotantovolyymistä, toimintamallista ja investointihalukkuudesta Pilkkeen tuotannon sesonkiluonteisuus vähenee Varaston kierto lyhenee Voidaan vastata paremmin muuttuvaan kysyntään Parempi hinta? Tehokkaan ja toimivan kuivurin voi rakentaa edullisesti, mutta kuivauksen taselaskentaan ja mitoitukseen kannattaa kiinnittää huomiota Kaikilla kuivaustavoilla voidaan saavuttaa hyvää polttopuuta ja kunhan kiinnitetään huomiota koko tuotantoketjuun 35

36 TEKNOLOGIASTA TULOSTA