Puun keinokuivauksen perusteet ja aurinkoenergian käyttö kuivauksessa Jyrki Raitila, erikoistutkija VTT

Transkriptio

1 Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) Puun keinokuivauksen perusteet ja aurinkoenergian käyttö kuivauksessa Jyrki Raitila, erikoistutkija VTT

2 Johdanto

3 Yleistä Polttopuun ja hakkeen tärkeimmät ominaisuudet käyttäjän kannalta ovat Riittävän alhainen kosteus; pilkkeellä <20 %, hakkeella kattilasta riippuen % Sopivat mitat ja palakoko riippuu tulisijasta, kattilasta ja siirtoruuveista 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), Biolämpöliiketoiminnan laatu- ja kannattavuushanke (Biolämpö) ja Lähienergiahanke

4 Kuivumiseen vaikuttavat tekijät Tärkeimmät kuivausaikaan ja puukappaleiden väliseen kosteuseroon vaikuttavat tekijät: Pilkkeen tai hakkeen ominaisuudet Alkukosteus Puukappaleiden mitat (tilavuus/pintaalasuhde, 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 ja hakkeen kuivaustavat Luonnonkuivaus, ulkoilman lämpötila Edullinen (ei laitteita), hidas, voi heikentää laatua, sääriippuva Vain hakkeen raaka-aine kuivataan ja haketetaan suoraan välivarastosta Kylmäilmakuivaus, ulkoilman lämpötila Nopeuttaa kuivumista (puhaltimet), tasaisempi laatu, sääriippuva Lämminilmakuivaus, T<100 o C Mahdollistaa ympärivuotisen toiminnan 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 Hakkeen ja pilkkeen kuivauksen erot Hakkeesta irtoaa vettä kuivausilmavirtaukseen enemmän, koska kuivauspinta-alaa on pienemmän palakoon vuoksi moninkertaisesti enemmän samansuuruisessa kasassa Pilke kuivuu hitaammin Pilkkeellä kuivausilman kierrätystä tarvitaan enemmän Paine-ero samankorkuisen hakekasan yli on suurempi kuin pilkkeellä Puhallin kuluttaa enemmän energiaa Hakkeen joukossa oleva hienoaines vielä lisää paine-eroa Varsinkin hakkeella kerroksen tulisi olla mahdollisimman tasapaksuinen kuivausilman kanavoitumisen välttämiseksi 7

8 Kuivauksen teoriaa

9 Kuivauksessa poistettava veden määrä Kosteussuhde, kgh2o/kgka Vedestä poistuu 70 % Polttoaineen vesipitoisuus, % märkäpainosta

10 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

11 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

12 Kuivauksen lähtökohta - kuivurikuivaus Kuivausilman lämmitys Kuivuri Kuivausilma sisään Kosteuden haihtuminen Kuivausilma ulos Lämpötila Lämpötila Suht. kosteus Suht. kosteus Ilman tilavuusvirta Kuivurin koko Ilman tilavuusvirta Kuivurin kapasiteetti

13 Lämminilmakuivuri vs. kylmäilmakuivuri

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

15 Ilman lämpötila, C Esimerkki Kuivuriin tulevan ja kuivurista poistuvan ilman lämpötila 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 Kuivausilman lämpötila sisään Kuivausilman lämpötila ulos 30,0 20,0 10,0 0, Kuivausaika, h

16 Ilman suhteellinen kosteus, % Esimerkki Kuivuriin menevän ja kuivurista poistuvan ilman suhteellinen kosteus 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 Kuivausilman RH sisään Kuivausilman RH ulos 30,0 20,0 10,0 0, Kuivausaika, h

17 Kuivauksen energiatarve 1. Puussa olevan jään lämmittäminen, P1 2. Puussa olevan jään sulattaminen, P2 3. Puussa olevan veden lämmittäminen veden höyrystymislämpötilaan, P3 4. Puuaineen (kuivan) lämmittäminen kuivurin loppulämpötilaan, P4 5. Veden höyrystäminen, P5 6. Kuivurin lämpöhäviöt ympäristöön, P6 7. Kuivuriin tuotu energia, P7 Kuivurin hyötysuhde η = (P1+P2+P3+P4+P5)/P7 * 100 % = (1 P6/P7) * 100 %

18 Lämmitys Kuivurin laskentaa Syöttöarvo lihavoitu sininen T2 T3 h 2 Δx23 Haihdutus 3 z Lähtötiedot Veden ominaislämpökapasiteetti 4,19 kj/kgk Vesihöyryn ominaislämpökapasit. 1,87 kj/kgk T1 1 Ilman ominaislämpökapasiteetti 1,008 kj/kgk Kuivurin ominaisenergiankulutus 4,2 MJ/kg H2O Lämpöhäviöt kuivurista 5 % Haihduntanopeus 124 kg H2O /h = vesihöyryn massavirta Ilmanpaine 1 bar x sis. lämpöhäviöt ominaisenergiankulutuksen mukaan 119 Ilman lämmitys, kw 151 Haihdutus Ulkoilma Kuivausilma Höyrystetty vesi Lämpötila T1 20 C T2 30 C T3 22,2 C Ilman suht. kosteus z1 0,70 - z2 0,39 - z3 0,799 - (Huom! On oltava < 1) Ilman absol. kosteus x1 0, kg H2O /kgki x2 0, kg H2O /kgki x3 0,0136 kg H2O /kgki Kostean ilman entalpia h1 46,4 kj/kgki h2 56,6 kj/kgki h3 56,73 kj/kgki 56,73265 Ilman tilavuusvirta Q m 3 /h Q m 3 /h Q m 3 /h Kostean ilman tiheys ρk1 1,181 kg/m 3 ρk2 1,142 kg/m 3 ρk3 1,170 kg/m 3 Kostean ilman massavirta m' kg/h m' kg/h m'3 124 kg/h Kuivan ilman massavirta mi' kg/h mi' kg/h mi'3 122 kg/h e 124 kg H2O /h Haihduntanopeus Δx23 0,0032 kg H2O /kgki Abs. Kosteuden muutos Δh23 0,13 kj/kgki Entalpian muutos Märkä raaka-aine Kuivattu raaka-aine 45 w-% 15 w-% Kuivuri 350 kg/h 226 kg/h 193 kg ka /h 193 kg ka /h 158 kg H2O /h 34 kg H2O /h 10 C

19 Keinokuivauksen laskentamenetelmä Esimerkki Lähtötiedot Polttoaineen kosteus ennen kuivausta 55 % Polttoaine halutaan kuivata 30 % kosteuteen Kuivattavan polttoaineen määrä 25 i-m 3 Kuivausilman tilavuusvirta 3000 m 3 /h Kuivurin hyötysuhde 70 % Kuivausaika 48 h Tulokset Kuivauksella poistetun veden määrä 3190 kg Kulunut energiamäärä 4120 kwh, tarvittu teho 86 kw Kuivausilman lämpötila lämmityksen ja kuivauksen jälkeen 74/16 O C jne. 19

20 Kuivuriesimerkkejä ja kuivaustuloksia

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

22 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

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

24 Pilkkeiden kylmäilmakuivausta

25 Merikontista tehty kuivuri Tässä versiossa myös tuloilman lämmitys auringolla

26 Konttikuivurin pohjaratkaisu

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

28 Lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista Kuivausilman tulokanava katossa Poistoilman kanavat

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

30 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 30

31 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

32 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

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

34 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

35 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 35

36 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 36

37 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

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

39 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

40 Aurinkokuivaus

41 Aurinkolämmöllä tehostettu biomassan kuivaus TARVE Useat biomassalle sopivat termo-kemialliset konseptit vaativat lähes kuivan syötteen. Nykyinen tapa kuljettaa ja polttaa märkää biomassaa on monessa mielessä tehoton. Lisäksi tarve edullisille energian varastointiratkaisuille on jo olemassa ja jatkuvassa kasvussa. RATKAISU Tehostamalla biomassan kuivausta aurinkoenergialla, rajallisia kestävän bioenergian resursseja voidaan lisätä Tuotantopaikoille hajautettuna, kuivaus mahdollistaa energian tehokkaan kausivarastoinnin HYÖTY Kustannustehokas energian kausivarastointi kesästä talveen Uusille termo-kemiallisille prosesseille sopiva kuiva syöte Kustannustehokkaampi logistiikkaketju Parempi hyötysuhde ja pienemmät päästöt sekä kuljetuksissa että loppukäytössä

42 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.

43 Uudet aurinkolämmön käyttökohteet Biokuivuri VTT:n kuivauslaitteistolla voidaan kuivata n. 1-2 m3 haketta kerrallaan. Kuivausilma voidaan lämmittää aurinkokeräimillä tai sähkövastuksilla, joilla voidaan simuloida hallitusti koeajoon halutut olosuhteet. CO 2 :n erotus ilmasta (DAC) Aurinkolämpöä voidaan hyödyntää myös suoraan ilmasta tehtävässä hiilidioksidin erotuksessa

44 Yhteenveto

45 Yhteenveto Raaka-aine vaikuttaa alkukosteuteen ja kuivumiseen raaka-ainetta voidaan kuivata jo ennen pilkkeiden/hakkeen 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 Saadaan lämpöarvoltaan parempaa haketta enemmän tehoa kattilasta, tarvitaan kokonaisuudessaan vähemmän haketta Parempi hinta? Tehokkaan ja toimivan kuivurin voi rakentaa edullisesti, mutta kuivauksen taselaskentaan ja mitoitukseen kannattaa kiinnittää huomiota Kaikilla kuivaustavoilla voidaan saavuttaa hyvää polttopuuta ja haketta kunhan kiinnitetään huomiota koko tuotantoketjuun Energiasisältöön perustuva pilkekauppa mahdollistaa paremman laadun ja määrän kontrollin 45

46 TEKNOLOGIASTA TULOSTA