Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) Puun keinokuivauksen perusteet Polttopuuyrittäjyyden teemapäivä Joensuu 10.11.2017 Jyrki Raitila, erikoistutkija VTT
Johdanto 13.11.2017 2
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 13.11.2017 3
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 13.11.2017 4
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 13.11.2017 Lähteet: Sikanen ym. 2008, Routa 2014 5
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 -15 13.11.2017 6
Kuivauksen teoriaa 13.11.2017 7
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 3 13.11.2017 8
Lämpöarvo, MJ/kg Kosteuden vaikutus puun lämpöarvoon ja energiatiheyteen 25 1,1 20 (koivu, runkopuu) 1 Energiatiheys, MWh/i-m 3 15 0,9 10 5 MJ/kg MWh/i-m3 0,8 0,7 0 0 10 20 30 40 50 60 Kosteus, % 0,6 1 MJ = 0,2778 kwh, 1 MWh = 1000 kwh 13.11.2017 9
Ilman lämmitys Lämminilmakuivuri vs. kylmäilmakuivuri Water content (g/kg) 0 5 10 15 20 25 30 35 Δx = 10 g/kg 13.11.2017 10
Pilkkeen kosteus, % Kuivausilman lämpötilan vaikutus kuivausaikaan 60 50 40 30 45 C 70 C 90 C 110 C 150 C 20 10 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 Aika, h 13.11.2017 11
Kuivuriesimerkkejä ja kuivaustuloksia 13.11.2017 12
Yli- ja alipainekuivuri Kuivuri Kuivuri Kuivausilman puhallus (ylipainekuivuri) Kuivausilman imu (alipainekuivuri) Kuivuri Kuivuri 13.11.2017 13
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 13.11.2017 14
Jatkuvatoiminen kuivuri Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Uusi pilke-erä sisään Kuiva pilke-erä ulos 13.11.2017 15
Pilkkeiden kylmäilmakuivausta 13.11.2017 16
Merikontista tehty kuivuri Tässä versiossa myös tuloilman lämmitys auringolla 13.11.2017 17
Konttikuivurin pohjaratkaisu 13.11.2017 18
Lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista Kuivausilman tulokanava katossa Poistoilman kanavat 13.11.2017 19
Latomallinen lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista 2 Ilma imetään pohjasta reikälevyn läpi, jonka alla ilmakanavat Lämmönvaihdin on kuivurin katossa, tuloilma katon raoista 13.11.2017 20
Pilkkeen kosteus, % Pilkkeen kosteus, % Kuivaus 80 kuution kylmäilmakonttikuivurissa Kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus huhtikuun alusta., keskiarvokosteus: 31.5. 19,5 % keskihajonta 2,9 %. Kontin 2. koivupilke-erä Kuivaus alkoi 6.6., keskiarvokosteudet: 4.7. 21,7 % 27.10. 17,2 % 4.11. 20,7 % keskihajonnat 1,9 % 2,1 %. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Pilkkeen kuivamassa, g Puhaltimia käytetään sääolosuhteiden (T, rh) ja kuivumisvaiheen mukaan. Tuloksena tasalaatuiset kuivat pilkkeet. Toisen kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus alkoi 20.7.2011., keskiarvokosteus: 14.12. 19,9 % keskihajonta 1,4 %. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Pilkkeen kuivamassa, g 21
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 10.5. 14.6. anturit Pilkenäytteet 0,5 metrin ja noin 1 metrin syvyydeltä pinnasta Pilkekerroksen paksuus noin 2 metriä
Pilkkeiden kuivuminen Kylmäilmakuivurissa kuivausaika 5 viikkoa pilkkeiden alkukosteus 45 59 %, loppukosteus 15 43 % Kanavan vieressä kuivui, seinustalla ei, irronnut kuori yms. sälä vaikeuttaa ilman liikkumisen, värimuutoksia C A D E B F
Peräkärrykuivuri Kärryn tilavuus 23 i-m 3, pilkkeet etukuormaajalla sisään Lämmin ilma pohjasta sisään, katosta ulos; lämpö maatilan lämpökattilasta Kuivat pilkkeet suoraan asiakkaalle
Lämpötila, C Suhteellinen kosteus, % Kuivauksen poistoilman säätö 40 35 Kuivurin poistoilman lämpötila ja suht. kosteus 100 90 30 25 20 15 80 70 60 50 40 10 5 Poistoilman lämpötila Poistoilman kosteus 30 20 10 0 0 14.6. 16.6. 18.6. 20.6. 22.6. 24.6. 26.6. 28.6. 30.6. 2.7. Tyypillisesti poistuvan ilman kosteus vähenee, kun puut alkavat kuivua Hyötysuhteen parantamiseksi ilman säätöä pitää optimoida
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
Pilkkeiden valmistus Pilkonta häkkeihin Pilkonnan tehotuntituottavuus (2 hlöä) 27.4. koivu: 6,8 i-m 3 /h 23.5. sekapuu: 8,6 i-m 3 /h Punnitus Kesto 3 5 min/häkki (2,4 i-m 3 ) Kuivaus lämminilmakuivurissa 27
Pilkkeiden kuivuminen lämminilmakuivurissa 27.4.-4.5.2011 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 13.11.2017 28
Kuivauksen kustannukset Kuivauksen kustannus riippuu Kuivurin kustannuksista (pääomakulut) Kuivurin käyttökustannuksista (muuttuvat kulut) Lämmön hinta Puhallusilman tarve (sähkö) Työ Yksikkökustannus riippuu kuivausvolyymistä, /i-m 3 13.11.2017 29
Kuivauskustannusesimerkki Kuivuri Kapasiteetti 25 m 3 Investointikustannus 30.000 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. 17.000, josta 77 % muuttuvia kustannuksia Eli 6,7 /i-m 3 13.11.2017 30
Aurinkokuivaus 13.11.2017 31
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 13.11.2017 32 toistaiseksi makkaran paistamiseen.
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. 13.11.2017 33
Yhteenveto 13.11.2017 34
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
TEKNOLOGIASTA TULOSTA