Puun keinokuivauksen perusteet

Transkriptio

1 Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) Puun keinokuivauksen perusteet Puun kuivauksen teemapäivä, Biolämpöhanke, Saarijärvi Jyrki Raitila, erikoistutkija VTT Veli-Pekka Heiskanen, johtava tutkija 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) ja Biolämpöliiketoiminnan laatu- ja kannattavuushanke (Biolämpö)

4 Kuivumiseen vaikuttavat tekijät Tärkeimmät kuivausaikaan ja puukappaleiden väliseen kosteuseroon vaikuttavat tekijät: Pilkkeen (hakkeen) 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 2014) 5

6 Polttopuun ja hakkeen kuivaustavat Luonnonkuivaus, ulkoilman lämpötila Edullinen, hidas, voi heikentää laatua, sääriippuva Vain hakkeen raaka-aine kuivataan ja haketetaan suoraan välivarastosta Kylmäilmakuivaus, ulkoilman lämpötila Nopeuttaa kuivumista, 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 Kuivauksen teoriaa

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

9 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

10 Kosteuden vaikutus puun lämpöarvoon ja energiatiheyteen 25 1,1 Lämpöarvo, MJ/kg MJ/kg MWh/i-m3 1 0,9 0,8 0,7 Energiatiheys, MWh/i-m 3 (koivu, runkopuu) Kosteus, % 0,6 1 MJ = 0,2778 kwh, 1 MWh = 1000 kwh

11 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

12 Kostean ilman Mollier-diagrammi Water content (g/kg)

13 Kylmäilmakuivurissa tapahtuva veden haihtuminen Water content (g/kg) x = 2,0 g/kg

14 Kylmäilmakuivuri + aurinkokerääjä Water content (g/kg) x = 3,5 g/kg Yhden asteen kuivauslämpötilan nosto lisää ilman vedensitomiskykyä noin 0,3 g/kg kuivaa ilmaa

15 Lämminilmakuivuri Water content (g/kg) Ilman lämmitys x = 12 g/kg

16 Lämminilmakuivuri vs. kylmäilmakuivuri Water content (g/kg) x = 10 g/kg

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

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

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

20 Esimerkki Kuivausilman ja poistuvan ilman vesipitoisuus 30,0 25,0 Ilman vesipitoisuus, g/m3 20,0 15,0 10,0 5,0 Kuivausilma sisään Kuivausilma ulos Kuivausilma erotus 0, Kuivausaika, h

21 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 = (P1+P2+P3+P4+P5)/P7 * 100 % = (1 P6/P7) * 100 %

22 Kuivureiden toiminnan mallintaminen Ei ilman takaisinkierrätystä

23 Kuivurin laskentaa Syöttöarvo lihavoitu sininen 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 k1 1,181 kg/m 3 k2 1,142 kg/m 3 k3 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 x23 0,0032 kg H2O /kgki Abs. Kosteuden muutos h23 0,13 kj/kgki Entalpian muutos T2 T3 h 2 Lämmitys x23 Haihdutus 3 z Märkä raaka-aine Kuivattu raaka-aine 45 w-% 15 w-% 350 Kuivuri kg/h 226 kg/h 193 kg ka /h 193 kg ka /h 158 kg H2O/h 34 kg H2O/h 10 C

24 Keinokuivauksen laskentamenetelmä Laskentamenetelmällä mm. voidaan laskea, miten paljon energiaa tarvitaan annetun suuruisen polttoaine-erän kuivaamiseen, kun käytetyn kuivurityypin hyötysuhde tiedetään Laskennassa tarvitaan 15 lähtötietoa Polttoaineen kosteus alussa ja haluttu kosteus kuivauksen jälkeen Kuivausilman lämpötila ja suhteellinen kosteus ennen lämmitystä Kuivurin hyötysuhde Haluttu kuivausaika jne

25 Keinokuivauksen laskentamenetelmä 1 Laskennan tuloksena saadaan: Kuivausilman lämpötila ja suhteellinen kosteus lämmityksen jälkeen Kuivausilman lämpötila ja kosteus kuivauksen jälkeen Materiaalista poistettu vesimäärä Kuivaukseen tarvittava energiamäärä ja teho jne. 25

26 Keinokuivauksen laskentamenetelmä 2 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. 26

27 Laskennan lähtöarvoja Kuivattavan polttoaineen määrä Vpa 25i-m3 Polttoaineen irtotiheys 357kg/i-m3 Polttoaineen alkukosteus wpa1 55% Polttoaineen haluttu loppukosteus wpa2 30% Polttoaineen sisäänmenolämpötila Tpa1-5C Polttoaineen ulostulolämpötila Tpa2 40C Kuivausilman lämpötila ennen lämmitystä Ti1-5C Kuivausilman suht.kost. ennen lämmitystä 1 80% Vesihöyryä ilmassa ennen lämmitystä (T = Ti1) xi1 2.96g/m 3 Kuivurin pituus 4.9m Kuivurin korkeus 2.3m Kuivurin leveys 2.3m Kuivurin tilavuus 25.9m 3 Kuivurin poikkipinta-ala 11.27m 2 Kuivurin vaipan pinta-ala 55.66m 2 Kuivurin lämmönläpäisykerroin kW/m 2 C Kuivausilman tilavuusvirta (lämpötila Ti1) 3000m 3 /h Kuivurin hyötysuhde 70% Haluttu kuivausaika vrk 2 = 27

28 Lasketut arvot Polttoaineen ominaislämpö (puu) kj/kgc 1.14 Höyrystymislämpö kj/kg 2459 Kuivausilman keskimääräinen ominaislämpö kj/kgc 1.01 Kostean polttoaineen massa kg Kuivatun polttoaineen massa kg Polttoaineessa vettä ennen kuivausta kg Polttoaineessa vettä kuivauksen jälkeen kg Kuivauksessa poistunut vettä kg Kuivauksessa lämpöä kuluu: 1. Polttoaineessa olevan jään lämmittäminen kwh Polttoaineessa olevan jään sulaminen vedeksi kwh Polttoaineessa olevan veden lämmittäminen kwh Kuivan polttoaineen lämmittäminen ulosmenolämpötilaan kwh Veden höyrystäminen kwh Johtumishäviöt ympäristöön kwh 24.0 YHTEENSÄ ILMAN JOHTUMISHÄVIÖITÄ kwh Kuivausilman lämmittäminen: Vesihöyryn massavirta kuivausilmassa kg/h 8.88 Kuivan ilman massavirta kuivausilmassa kg/h Kuivausilman lämmitykseen tarvittava lämpömäärä kwh Kuivausilman lämmitykseen tarvittava teho kw 85.9 Kuivausilman lämpötila lämmityksen jälkeen Ti2 C 73.8 Kuivausilman lämpötila kuivauksen jälkeen Ti3 C 15.6 Kuivausilman nopeus polttoainekerroksen pohjalla m/s 0.10 Vesihöyryä ilmassa lämmityksen jälkeen (T=Ti2) xi Kuivausilman suht.kost. lämmityksen jälkeen

29 Hakkeen ja pilkkeen kuivauksen erot Hakkeesta irtoaa vettä kuivausilmavirtaukseen enemmän, koska kuivauspinta-alaa on pienemmän palakoon vuoksi moninkertaisesti enemmän samansuuruisessa kasassa Pilke kuivaa hitaammin Paine-ero samankorkuisen hakekasan yli on suurempi kuin pilkkeellä Puhallin kuluttaa enemmän energiaa Hakkeen joukossa oleva hienoaines vielä lisää paine-eroa Pilkkeellä kuivausilman kierrätystä tarvitaan enemmän Varsinkin hakkeella kerroksen tulisi olla mahdollisimman tasapaksuinen kuivausilman kanavoitumisen välttämiseksi 29

30 Kuivuriesimerkkejä ja kuivaustuloksia

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

32 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

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

34 Pilkkeiden kylmäilmakuivausta

35 Merikontista tehty kuivuri Tässä versiossa myös tuloilman lämmitys auringolla

36 Konttikuivurin pohjaratkaisu

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

38 Lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista Kuivausilman tulokanava katossa Poistoilman kanavat

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

40 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 kosteus, % 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 kosteus, % Pilkkeen kuivamassa, g 40

41 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

42 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

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

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

45 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 45

46 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 46

47 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

48 Havaittuja hyötyjä Laukaan vankilan tilalla Valmistusketjun logistiikka kehittynyt sujuvammaksi, ei turhia raaka-aineen ja pilkkeiden siirtelyjä Laadun varmistus alkaa jo pilkkeen teon yhteydessä alkukosteus ja punnitus Kuivumisen kontrollointi kuivurin mittaustiedoista kuivausilman suhteellinen kosteus yhteydessä pilkkeiden kosteuteen Loppupunnituksen avulla voidaan laskea energiasisältö Asiakkaalle voidaan antaa tuoteseloste Verkostoitumisessa myös jakelun hoitaja tietää vievänsä kuivia pilkkeitä Laadukasta toimintaa koko valmistus- ja toimitusketjussa Tyytyväiset asiakkaat 48

49 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 49

50 TEKNOLOGIASTA TULOSTA