KOELAITE BIOMASSAN TORREFIOINTIIN BIOTULI-hankkeen tutkimusraportti 2013

Hannu Sarvelainen Niko Töyrylä KOELAITE BIOMASSAN TORREFIOINTIIN BIOTULI-hankkeen tutkimusraportti 2013 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu University of Applied Sciences 2013 Nro: 102 ISSN: 1239-9094 Tutkimuksia ja raportteja B-sarja

KYMENLAAKSON AMMATTIKORKEAKOULU Energiatekniikan laboratorio KYMENLAAKSON AMMATTIKORKEAKOULU Energiatekniikan laboratorio KOELAITE BIOMASSAN TORREFIOINTIIN BIOTULI-hankkeen tutkimusraportti 2013 HANNU SARVELAINEN, Pt. tuntiopettaja, Kymenlaakson ammattikorkeakoulu NIKO TÖYRYLÄ, titteli HANNU SARVELAINEN, tutkimusinsinööri, Kymenlaakson ammattikorkeakoulu NIKO TÖYRYLÄ, projekti-insinööri, Kymenlaakson ammattikorkeakoulu KOELAITE BIOMASSAN TORREFIOINTIIN BIOTULI-hankkeen tutkimusraportti 2013 Kotka 2013 Kymenlaakson ammattikorkeakoulun julkaisuja. Sarja B. Nro 102

Copyright: Kymenlaakson ammattikorkeakoulu Kustantaja: Kymenlaakson ammattikorkeakoulu Taitto ja paino: Kopijyvä Oy, Kouvola 2013 ISBN (NID.): 978-952-5963-96-0 ISBN (PDF.): 978-952-5963-97-7 ISSN: 1239-9094 ISSN: (verkkojulkaisu) 1797-5972

Sisällysluettelo TIIVISTELMÄ... 4 1 Johdanto... 5 2 KOELAITE... 6 2.1 Suunnittelu... 6 2.2 Rakentaminen... 8 2.3 Sähköistys ja automatisointi... 12 2.4 Koekäyttö... 16 3 LAITTEEN KÄYTTÖKOKEMUKSET... 19 3.1 Käyttö... 19 3.2 Huolto... 21 3.3 Torrefioidun hakkeen tuotantokustannukset... 22 4 LAITTEEN JATKOKEHITYSSUUNNITELMAT... 26 5 YHTEENVETO... 29 LÄHTEET... 30 Kymenlaakson ammattikorkeakoulun julkaisusarjassa B. ilmestyneet julkaisut... 31

TIIVISTELMÄ Tässä BIOTULI-hankkeen tutkimusraportissa on käsitelty biomassan lämpökäsittelyyn (torrefiointiin) käytettävää koelaitetta. Biomassan torrefioinnin tarkoituksena on muuttaa sen ominaisuuksia siten, että kivihiilen käyttöä voitaisiin korvata biomassalla. Koelaite on suunniteltu, rakennettu ja testattu hankkeen aikana 2010 2013 ja sillä on ollut tarkoitus tutkia torrefioinnin vaikutusta biomassan ominaisuuksiin. Koelaite on suunniteltu hankkeessa asetettujen vaatimuksien mukaisesti. Laitteen suunnittelu perustui muista vastaavanlaisista laitoksista etsittyihin tietoihin sekä kirjallisuustietoon. Koelaitteiston avulla on ollut myös tarkoitus selvittää biomassan lämpökäsittelyn edellytyksiä suuren mittakaavan laitoksena. Laitteen suunnittelu ja rakentaminen on toteutettu pääosin opiskelijatyönä. Opiskelijat ovat työskennelleet hankkeessa muutamien opintojaksojen ja projektitöiden kautta. Opiskelijoiden keskeisimpiin tehtäviin on kuulunut lämpötekninen suunnittelu, rakentaminen sekä laitteen sähköistys. Koulun laboratoriohenkilökunta on ollut ohjaamassa opiskelijoiden työtä. Laitteen automatisointi toteutettiin opinnäytetyönä. Koelaitteella on pystytty suorittamaan onnistuneita kokeita ja myös toistamaan niitä. Laitetta on käytetty erilaisilla toiminta-arvoilla ja toiminta-arvoista on pyritty etsimään sellaisia, joilla torrefioidun biomassan ominaisuudet olisivat optimaalisia kivihiilen korvaajaksi. Kokeiden aikana laitteen toiminnasta on saatu myös käytännön tietoa, jota voidaan hyödyntää vastaavanlaisten laitteiden suunnittelussa. Laitteella saadut tulokset eivät kuitenkaan välttämättä vastaa täysin muita vastaavanlaisia tutkimuksia, koska tulokset on saatu tällä kyseisellä laitteella. Lisäksi samanlaisia rinnakkaisia kokeita olisi tehtävä enemmän luotettavien tuloksien varmistamiseksi. Tutkimuksen tavoitteet koelaitteen rakentamisen osalta onnistui, mutta torrefioidun biomassan ominaisuuksien tutkimiseen näyte-eriä olisi pitänyt tehdä enemmän. Tutkimustyötä on osittain vaikeuttanut koelaitteessa useasti toistuvat vikatilanteet. Näiden vikatilanteiden estämiseksi laite olisi vaatinut tarkempaa suunnittelua. Hankkeen aikana laitteen toiminnasta on tullut esille jatkokehitysideoita, joilla laitteen luotettavuutta ja energiatehokkuutta voitaisiin lisätä. Myös laitteen kokoluokan kasvattaminen suuremmaksi on mahdollista.

1 Johdanto Kivihiilivoimalaitokset ovat kohteita, joissa uusiutuvan biomassan käyttöä voitaisiin lisätä. Yleinen kivihiilen polttotekniikkana käytetty pölypoltto ei kuitenkaan sovellu kunnolla biomassan polttamiseen ja biomassaa voidaan polttaa vain pieniä määriä kivihiilen seassa. Lämpökäsittelymenetelmä torrefiointi tarkoittaa biomassan lämmittämistä noin 200 300 C lämpötilassa hapettomissa olosuhteissa. Lämpökäsittelyn seurauksena biomassan ominaisuudet muuttuvat tavalliseen biomassaan verrattuna muun muassa energiatiheyden, kosteuden sitoutumisen ja jauhautuvuuden osalta. Torrefioitu biomassa on ominaisuuksiltaan lähes kivihiilen kaltaista, jolloin sitä voidaan sekoittaa kivihiilen joukkoon huomattavasti enemmän kuin käsittelemätöntä biomassaa. Torrefioitua biomassaa voidaan käyttää kivihiilen korvaajana kivihiilivoimalaitoksissa. Lappeenrannan teknillinen yliopisto on toteuttanut BIOTULI-hankkeen (2010 2013) yhdessä kaakkoissuomalaisten innovaatio- ja kehittämisorganisaatioiden, alueen ammattikorkeakoulujen sekä alan yritysten kanssa. BIOTULI-hanke on jaettu neljään työpakettiin. Hankkeen työpaketeissa on käsitelty puuperäisistä raaka-aineista saatavia antibakteerisia yhdisteitä, niiden liiketoimintamahdollisuuksia, markkinoita ja liiketoimintamalleja sekä innovaatioprosesseja. Lisäksi hankkeessa on tutkittu jalostusprosessien tuotteiden käyttöä energianlähteenä sekä perehdytty materiaalivirtojen ohjaukseen ja logistiikkaan. Kymenlaakson ammattikorkeakoulun osuus hankkeen työpaketissa 4 oli rakentaa koelaite biomassan (puuhake) torrefiointiin. Tässä raportissa käsitellään biomassan torrefiointiin käytettävän laitteen suunnittelua, rakentamista ja testausta. Lopussa on esitetty lyhyesti laitteen käyttökokemuksia ja kehitysideoita jatkotutkimuksia varten. Koelaitteeseen liittyviin tietoihin on tehty tämän raportin lisäksi kaksi muuta raporttia. Laitteen automatisointiin on tehty opinnäytetyö Biomassan lämpökäsittelyprosessin koelaitteen automatisointi. Laitteella tehtyjen biomassan torrefiointikokeiden tuloksia käsittelee hankkeessa tehty raportti Erilaisten biomassojen soveltuvuus torrefiointiin. Raportit löytyvät BIOTULI-hankkeen verkkosivuilta. 5

2 KOELAITE 2.1 Suunnittelu Koelaitteen suunnittelu aloitettiin etsimällä tietoa jo olemassa olevista koelaitteista ja laitoksista ympäri maailmaa. Torrefiointi voidaan toteuttaa monilla eri tavoilla, 5 mutta hankkeessa oli annettu joitakin rajoituksia ja ohjearvoja laitteen käytännön 2 KOELAITE toteutukseen. Ratkaisevimmat tekijät laitteen suunnittelussa ja mitoituksessa muodostuivat seuraavista vaatimuksista: 2.1 Suunnittelu tuotantokapasiteetti jatkuvatoimisesti noin 25 kg/h Koelaitteen suunnittelu aloitettiin etsimällä tietoa jo olemassa olevista koelaitteista ja laitoksista ympäri maailmaa. Torrefiointi voidaan toteuttaa monilla eri tavoilla, mutta käsittelylämpötila 200 350 C hankkeessa oli annettu joitakin rajoituksia ja ohjearvoja laitteen käytännön toteutukseen. Ratkaisevimmat tekijät laitteen suunnittelussa ja mitoituksessa muodostuivat pitoaika tavoitelämpötilassa 5 60 min seuraavista vaatimuksista: kostean hakkeen kuivausmahdollisuus tuotantokapasiteetti jatkuvatoimisesti noin 25 kg/h käsittelylämpötila 200 350 C pitoaika tavoitelämpötilassa 5 60 min kostean hakkeen kuivausmahdollisuus lämmöntuonti polttoaineen palamisen avulla (jokin muu kuin sähkövastus) Laitteen tuotantokapasiteetti lämmöntuonti polttoaineen on niin palamisen pieni, avulla että hakkeen (jokin muu kuin kuljetus sähkövastus) päätettiin toteuttaa ruuvikuljettimilla. Yksinkertaistettuna laite toimii kuvan 1 periaatteella. Haketta syötetään ruuvikuljettimella putken sisällä ja putkea lämmitetään ulkopuo- Laitteen tuotantokapasiteetti on niin pieni, että hakkeen kuljetus päätettiin toteuttaa ruuvikuljettimilla. Yksinkertaistettuna laite toimii kuvan 1 periaatteella. Haketta syötetään ruuvikuljettimella putken sisällä ja putkea lämmitetään ulkopuolelta savukaalelta savukaasulla. Savukaasut ja hake eivät ole suorassa kosketuksessa toisiinsa, vaan savukaasu virtaa kahden sisäkkäisen putken muodostamassa rengaskanavassa. Polttoaineeksi valittiin nestekaasu, koska sen palamisen hallinta on helppoa. sulla. Savukaasut ja hake eivät ole suorassa kosketuksessa toisiinsa, vaan savukaasu virtaa kahden sisäkkäisen putken muodostamassa rengaskanavassa. Polttoaineeksi valittiin nestekaasu, koska sen palamisen hallinta on helppoa. Lisäksi poltossa muodos- Lisäksi poltossa muodostuvat savukaasut koostuvat puhtaista palamistuotteista, jotka eivät nokea kanavia. tuvat savukaasut koostuvat puhtaista palamistuotteista, jotka eivät nokea kanavia. Kuva 1. Jatkuvatoimisen Kuva 1. Jatkuvatoimisen torrefioinnin torrefioinnin periaate periaate 6

6 Lämpöteknisessä mitoituksessa oleellisin asia oli määrittää tarvittava putken pituus. Putki- Lämpöteknisessä ja ruuvihalkaisijat mitoituksessa määritettiin oleellisin asia tuotantokapasiteetin oli määrittää tarvittava putken mukaan. pituus. Putkipituus määritettiin Putki- ja ruuvihalkaisijat keskeisimpien määritettiin lämmönsiirtoteknisten tuotantokapasiteetin mukaan. yhtälöiden Putkipituus ja lainalaisuuksien mukaan. tettiin keskeisimpien Lämpöteknisen lämmönsiirtoteknisten mitoituksen yhtälöiden perusteella ja lainalaisuuksien teoreettinen mukaan. putkipituus määri- muodostui niin suureksi, että lämmitys oli järkevintä jakaa useaan eri vaiheeseen. Lämpöteknisen mitoituksen perusteella teoreettinen putkipituus muodostui niin Koelaiteen toimintaperiaate kokonaisuudessaan on esitetty kuvassa 2. suureksi, että lämmitys oli järkevintä jakaa useaan eri vaiheeseen. Koelaiteen toimintaperiaate kokonaisuudessaan on esitetty kuvassa 2. Kuva 2. Laitteen toimintaperiaate Kuva 2. Laitteen toimintaperiaate Hake syötetään ensimmäiseen vaiheeseen, jossa suurin osa hakkeen sisältämästä kosteudesta poistuu. Toisessa vaiheessa haketta lämmitetään edelleen, jolloin hakkeen sisältämät haihtuvat ainesosat alkavat poistua. Kolmannessa vaiheessa haketta pidetään haluttu aika tavoitelämpötilassa. Hake jäähdytetään neljännessä vaiheessa ja valmis tuote poistetaan jäähtyneenä ulos. 7

.2 Rakentaminen Kuvassa olevat keltainen ja ruskea linja kuvaavat hakkeen kulkua eri vaiheiden läpi. Savukaasut kulkevat harmaassa linjassa ja punaisissa vaiheissa lämpöä siirtyy savukaasuista hakkeeseen. Sinisellä kuvatussa jäähdytysvaiheessa on myös kahden putken muodostama rengaskanava, jossa vesi-glykoliseos jäähdyttää haketta. Jäähdytysnestettä kierrätetään pumpulla jäähdytyskennon ja laitteen välillä. Ensimmäisen vaiheen putkessa on lisäksi pieniä reikiä, joista hakkeen kosteus pääsee poistumaan savukaasujen mukana. Torrefioinnissa syntyvät haihtuvat ainesosat poistuvat myös samalla. Laitteessa voidaan säätää kuljetinruuvien pyörimisnopeuksia, jolla voidaan vaikuttaa tuotantokapasiteettiin ja hakkeen lämmitysaikaan. Savukaasun arvoja säädetään nestekaasupolttimella sekä laitteen savukaasu-ulostulossa olevalla savukaasupuhaltimella. Polttimen ja puhaltimen säädöillä voidaan vaikuttaa hakkeen lämpötilaan. 8 2.2 Rakentaminen Laitteen tarkka mitoitus ja suunnittelu tehtiin opiskelijaprojektina syksyn 2011 aikana. Noin Laitteen 10 opiskelijan tarkka mitoitus ryhmä ja jaettiin suunnittelu muutamaan tehtiin opiskelijaprojektina pieneen työryhmään, syksyn joissa 2011 työryhmien aikana. Noin tehtävät jakautuivat 10 opiskelijan laitteen ryhmä suunnitteluun, jaettiin muutamaan mallinnukseen, pieneen tarvittavien työryhmään, osien etsimiseeen osien ja laitteen etsimiseen rakentamiseen. ja laitteen Laite rakentamiseen. suunniteltiin Laite ja mallinnettiin suunniteltiin tarkasti ja mallinnettiin SolidWorks joissa työryhmien tehtävät jakautuivat laitteen suunnitteluun, mallinnukseen, tarvittavi- ja tarkasti Autodesk SolidWorks Inventor ja -suunnitteluohjelmilla. Autodesk Inventor -suunnitteluohjelmilla. Kuva 3. Laitteen 3d-malli Kuva 3. Laitteen 3d-malli 8 Syksyn 2011 aikana laitteen kaikki ruuvivaiheet saatiin rakennettua valmiiksi. Yksittäisten vaiheiden toimintaa testattiin kuljettamalla haketta putken läpi. Laitteen raken-

Syksyn 2011 aikana laitteen kaikki ruuvivaiheet saatiin rakennettua valmiiksi. Yksittäisten vaiheiden toimintaa testattiin kuljettamalla haketta putken läpi. Laitteen rakentamisen vaiheita on esitetty kuvissa 4-7. Laite rakennettiin kokonaan valmiiksi talven 2012 aikana ja siirrettiin 20 merikonttiin. 9 9 Kuva 4. Ruuvivaiheen testausta konetekniikan laboratoriossa Kuva 4. Kuva Ruuvivaiheen 4. Ruuvivaiheen testausta testausta konetekniikan konetekniikan laboratoriossa laboratoriossa Kuva 5. Ruuvikuljetin putken sisällä Kuva 5. Ruuvikuljetin putken sisällä Kuva 5. Ruuvikuljetin putken sisällä 9

10 Ruuvivaiheet on lievästi kallistettu hakkeen kulkusuuntaan nähden alaspäin, koska näin voidaan on lievästi erottaa kallistettu hakkeesta hakkeen irtoavien kulkusuuntaan nesteiden ja kaasujen nähden alaspäin, kulkusuunnat. koska Ruuvivaiheet Nesteet kulkevat hakkeen mukana pois alaspäin, kun taas kaasut virtaavat ylöspäin näin voidaan erottaa hakkeesta irtoavien nesteiden ja kaasujen kulkusuunnat. Nesteet savukaasujen mukana pois. Kuvassa 6 olevassa tilanteessa ensimmäinen ruuvivaihe puuttuu. hakkeen mukana pois alaspäin, kun taas kaasut virtaavat ylöspäin savukaasu- kulkevat jen mukana pois. Kuvassa 6 olevassa tilanteessa ensimmäinen ruuvivaihe puuttuu. Kuva 6. Laitteen kokoonpanoa talvella 2012 Kuva 6. Laitteen kokoonpanoa talvella 2012 Lämpöeristetty kontti on sisäpuolelta tavallista eristämätöntä konttia matalampi, joten laitteen suunnittelussa oli huomioitava riittävä huoltotila ruuvivaiheiden ympärillä. Alla olevassa kuvassa on näkyvissä ensimmäisen ruuvivaiheen ympärillä oleva laatikko, jonka avulla hakkeesta voidaan erottaa hiekkaa ja vesihöyryä. Hiekka ja lauhtunut vesi voidaan poistaa laatikon alaosasta. 10

ko, jonka avulla hakkeesta voidaan erottaa hiekkaa ja vesihöyryä. Hiekka ja lauhtunut vesi voidaan poistaa laatikon alaosasta. Kuva 7. Laite siirretty konttiin Kuva 7. Laite siirretty konttiin 11

12.3 Sähköistys ja automatisointi 2.3 Sähköistys ja automatisointi Laitteen sähköjärjestelmä muodostuu moottoreista, lämpötila-antureista sekä ohjausjärjestelmästäjausjärjestelmästä. Moottoreiden Moottoreiden käyttöä käyttöä varten varten konttiin konttiin laitettu on laitettu sähkökaappi, sähkökaap- joka si- Laitteen sähköjärjestelmä muodostuu moottoreista, lämpötila-antureista sekä ohsältäpi, joka sähköiset sisältää ohjaukset. sähköiset ohjaukset. Mittauksia Mittauksia ja automaatiota ja automaatiota varten on toinen varten sähkökaappi, on toinen sähkökaappi, johon on sijoitettu kyseiset toiminnot mahdollistavat laitteet, kuten johon on sijoitettu kyseiset toiminnot mahdollistavat laitteet, kuten logiikkayksikkö. logiikkayksikkö. Sähköistys ja automatisointi olivat edellytyksenä torrefioinnin Sähköistys lämpötilan ja automatisointi käsittelyajan säädettävyyteen. olivat edellytyksenä Seuraavassa torrefioinnin kuvassa lämpötilan on esitetty ja käsittelyajan laitteen säädettävyyteen. sähkökaapit. Ylempi Seuraavassa kaappi on kuvassa automaatiota on esitetty ja laitteen mittauksia sähkökaapit. varten ja Ylempi alempi sähkömoottoreiden ohjausta ja laitteen tehonsyöttöä varten. kaappi on automaatiota ja mittauksia varten ja alempi sähkömoottoreiden ohjausta ja laitteen tehonsyöttöä varten. Kuva 8. Sähköjärjestelmä. Kuva 8. Sähköjärjestelmä. Laitteen ohjaukset ja toimilaitteet on liitetty logiikkayksikköön, jolloin niiden automaattinen Laitteen ohjaukset ohjaus on ja mahdollista. toimilaitteet Logiikkayksikköä on liitetty logiikkayksikköön, tarvitaan mittauksia jolloin niiden ja ohjauksia automaattinen ohjaus on mahdollista. Logiikkayksikköä tarvitaan mittauksia ja ohjauksia varten. Kaikkien varten. Kaikkien ruuvien moottorit ruuvien moottorit sekä savukaasupuhallin sekä savukaasupuhallin on varustettu on varustettu taajuusmuuttajalla, taajuusmuuttajalla, joten niiden kierrosluvun joten niiden kierrosluvun säätäminen on säätäminen mahdollista. on Logiikkayksikköä mahdollista. Logiikkayksikköä voidaan ohjata myös erillisellä tietokoneella sekä etäkäyttönä kontin voidaan ohjata myös erillisellä tietokoneella sekä etäkäyttönä kontin ulkopuolelta. ulkopuolelta. Sähköistys ja automatisoinnin alkuvaihe 12 suoritettiin opiskelijatyönä. Laitteen automatisointia ja kehittämistä jatkettiin edelleen opinnäytetyönä kesän 2012 aikana. Syksyllä

Sähköistys ja automatisoinnin alkuvaihe suoritettiin opiskelijatyönä. Laitteen automatisointia ja kehittämistä jatkettiin edelleen 13 opinnäytetyönä kesän 2012 aikana. Syksyllä 2012 laitteeseen lisättiin myös hakkeen syöttöjärjestelmä, joka automatisoitiin laitteeseen osana lisättiin opinnäytetyötä. myös hakkeen Seuraavassa syöttöjärjestelmä, kuvassa on joka esitetty automatisoitiin alkuvaiheessa osana 2012 tehty näyttö, josta oli mahdollista seurata ainoastaan laitteen lämpötiloja. opinnäytetyötä. Seuraavassa kuvassa on esitetty alkuvaiheessa tehty näyttö, josta oli mahdollista seurata ainoastaan laitteen lämpötiloja. Kuva 9. Alkuperäinen näyttö Kuva 9. Alkuperäinen näyttö Lämpötilan hallinta muodostuu kahdesta erillisestä säätimestä, jotka ovat toiminnallisesta itsenäisiä. Polttimen tehoa säädetään nestekaasulinjassa olevan säätöventtiilin avulla, Lämpötilan jonka hallinta ohjaus on muodostuu toteutettu kahdesta lämpötilasäätimellä. erillisestä säätimestä, Kyseinen jotka säädin ovat saa toiminnallisesta tietokoneen itsenäisiä. käyttöliittymästä Polttimen tehoa tai säädetään kosketuspaneelin nestekaasulinjassa käyttöliittymästä. olevan Asetusarvo säätö- asetusarvonsventtiilin avulla, jonka ohjaus on toteutettu lämpötilasäätimellä. Kyseinen säädin on käyttäjän asetettavissa. saa asetusarvonsa tietokoneen käyttöliittymästä tai kosketuspaneelin käyttöliittymästä. Asetusarvo on käyttäjän asetettavissa. Toinen säätimistä ohjaa puhaltimen kierrosnopeutta, joka puolestaan vaikuttaa polttimen polttimen jäljessä jäljessä oleviin oleviin myöhempien myöhempien vaiheiden vaiheiden lämpötiloihin. lämpötiloihin. Lämpötilat Lämpötilat pysyvät py- ase- Toinen säätimistä ohjaa puhaltimen kierrosnopeutta, joka puolestaan vaikuttaa tusarvoissaan syvät asetusarvoissaan noin yhden noin asteen yhden tarkkuudella. asteen tarkkuudella. Seuraavassa Seuraavassa kuvassa on kuvassa esitetty säädettävien lämpötilojen on esitetty säädettävien lämpötilojen mittauspisteet. mittauspisteet. 13

14 Kuva 10. Säätöpiirien mittauspisteet Kuva 10. Säätöpiirien mittauspisteet Ensimmäisen mittauspisteen tarkoituksena on saada hake lämmitettyä haluttuun lämpötilaan. Ensimmäisen Toisessa mittauspisteen mittauspisteessä tarkoituksena varmistetaan, on saada että hake hake pysyy lämmitettyä halutun haluttuun ajan tässä lämpötilassa. lämpötilaan. Laite Toisessa toimii mittauspisteessä lähes täysin automaattisesti varmistetaan, ja että sillä hake voidaan pysyy tuottaa halutun tasalaatuista torrefioitua haketta. Nestekaasupolttimen sytytys ja liekinvalvonta sekä torrefi- ajan tässä lämpötilassa. Laite toimii lähes täysin automaattisesti ja sillä voidaan tuottaa tasalaatuista torrefioitua haketta. Nestekaasupolttimen sytytys ja liekinvalvonta oidun sekä hakkeen torrefioidun keräysjärjestelmä hakkeen keräysjärjestelmä kuitenkin puuttuu kuitenkin toistaiseksi. puuttuu toistaiseksi. 14

15 Laitteen käyttöä käyttöä varten varten on on tehty tehty tietokoneelle tietokoneelle käyttöliittymä käyttöliittymä kosketuspaneelin kosketuspaneelin käyttö- käyttöliittymän lisäksi. lisäksi. Tietokone Tietokone on yhdistetty on yhdistetty logiikkayksikköön, logiikkayksikköön, johon lähetetään johon lähetetään ohjauskäskyt. Laitteen tilaa voidaan lukea tietokoneen näytöltä. Tietokoneen ohjauskäskyt. Laitteen tilaa voidaan lukea tietokoneen näytöltä. Tietokoneen käyttöliittymä käyttöliittymä on toteutettu InTouch -sovelluksella. Kuvassa 11 on näkyvissä käytettävä toteutettu tietokone InTouch ja sovelluksen -sovelluksella. käyttönäkymä. Kuvassa 11 Käyttöliittymä on näkyvissä käytettävä toimii valvomona tietokone ja on sovelluksen ja sille saadaan käyttönäkymä. kaikki laitteen Käyttöliittymä lämpötilat ja toimii tarvittavat valvomona ohjaukset ja sille laitteen saadaan käyttöä kaikki varten. Käyttöliittymä ei sisällä varsinaista automaatiota, vaan säädöt ja ohjaukset laitteen lähtevät lämpötilat logiikkayksiköltä. ja tarvittavat ohjaukset laitteen käyttöä varten. Käyttöliittymä ei sisällä varsinaista automaatiota, vaan säädöt ja ohjaukset lähtevät logiikkayksiköltä. Kuva 11. Valvomo Kuva 11. Valvomo Kuvassa 12 on esitetty käyttöliittymän näkymä. Näytölle on otettu laitteen kannalta tärkeät Kuvassa lämpötilat 12 on esitetty näkyviin, käyttöliittymän lämpötilaero, näkymä. asetusarvo Näytölle hakkeen on otettu loppulämpötilalle, laitteen kannalta asetusarvo pitolämpötilalle ja toimilaitteiden ohjausarvot prosentteina (puhallin ja venttii- tärkeät lämpötilat näkyviin, lämpötilaero, asetusarvo hakkeen loppulämpötilalle, asetusarvo pitolämpötilalle ja toimilaitteiden ohjausarvot prosentteina (puhallin li). ja venttiili). Trendinäytöt Trendinäytöt on mitoitettu on mitoitettu niin, että ne niin, piirtävät että ne kuvaajat piirtävät reaaliajassa kuvaajat reaaliajassa 10 tunnin ajalta. 10 tunnin ajalta. Suuremmassa trendinäytössä näkyy laitteen lämpötiloja eri kohdissa. Esimerkiksi Suuremmassa vihreällä on kuvattu trendinäytössä laitteeseen näkyy sisään laitteen tulevien lämpötiloja savukaasujen eri kohdissa. lämpötilaa Esimerkiksi ja sinisellä vihreällä on kuvattu laitteeseen sisään tulevien savukaasujen lämpötilaa ja sinisellä en- ensimmäisen vaiheen loppulämpötilaa. Torrefioinnin loppulämpötila ja pitolämpötila, ovat yhteydessä säätöpiireihin, joilla ohjataan venttiilin ja savukaasupuhalsimmäisen vaiheen loppulämpötilaa. Torrefioinnin loppulämpötila ja pitolämpötila, ovat yhteydessä säätöpiireihin, joilla ohjataan 15 venttiilin ja savukaasupuhaltimen toimintaa. Kuvan oikeassa alakulmassa olevassa trendinäytössä on näkyvissä toimilait-

16 timen toimintaa. Kuvan oikeassa alakulmassa olevassa trendinäytössä on näkyvissä toimilaitteiden teiden prosentuaaliset prosentuaaliset ohjaukset 10 tunnin ohjaukset ajalta 10 (venttiili tunnin vihreällä ajalta (venttiili ja puhallin vihreällä punaisella). ja puhallin Puhallinta punaisella). varten näytölle Puhallinta on varten sijoitettu näytölle on / off on sijoitettu -kytkin, josta on / puhallin off -kytkin, saadaan josta puhallin saadaan myös tarvittaessa käsin päälle tai pois päältä. myös tarvittaessa käsin päälle tai pois päältä. Kuva 12. Näkymä erään kokeen ajalta Kuva 12. Näkymä erään kokeen ajalta 16.4 Koekäyttö 2.4 Koekäyttö Laitteen koekäyttö aloitettiin testillä, jossa kokeiltiin onko tarvittavia lämpötiloja mahdollista saavuttaa. Laitteessa olevan polttimen koko, putkien eristepaksuudet mahdollista saavuttaa. Laitteessa olevan polttimen koko, putkien eristepaksuudet ja ja puhaltimen säädöt olivat vasta tässä vaiheessa arvioitu sopiviksi. Kokeessa havaittiin, että säädöt lämpötilat olivat nousivat vasta tässä helposti vaiheessa tarvittavan arvioitu suuriksi. sopiviksi. Kokeessa havaittiin, puhaltimen että lämpötilat nousivat helposti tarvittavan suuriksi. Hakkeen syöttöä kokeiltiin muutaman tunnin jatkuvalla käytöllä, jossa ruuvikuljettimiin laitettiin märkää haketta. Tällöin voitiin todeta, toimivatko ruuvikuljettimet huonoissa syöttöä olosuhteissa. kokeiltiin muutaman Testi suoritettiin tunnin jatkuvalla ilman lämmitystä. käytöllä, jossa Hakkeen ruuvikuljettimiin laitettiin märkää haketta. Tällöin voitiin todeta, toimivatko ruuvikuljettimet huonoissa olosuhteissa. Testi suoritettiin ilman lämmitystä.

17 Ensimmäinen torrefiointikoe tehtiin siten, että että ensimmäinen lämmitysvaihe täytettiin täytettiin hakkeella ja hakkeen ja hakkeen syöttöaukko syöttöaukko suljettiin. suljettiin. Laite lämmitettiin Laite lämmitettiin ja haketta ja alettiin haketta siir- hakkeella alettiin siirtää ruuveilla eteenpäin. Ulostuloaukkoon laitettiin eristetty ämpäri, tää jonne ruuveilla hiiltynyt eteenpäin. hake tippui. Ulostuloaukkoon Koe tehtiin niin laitettiin suurilla eristetty lämpötiloilla ämpäri, jonne (n. 300 hiiltynyt 350 hake C), tippui. että hiiltymistä Koe tehtiin varmasti niin suurilla tapahtuisi. lämpötiloilla (n. 300 350 C), että hiiltymistä varmasti tapahtuisi. Kuva 13. Valmista hiiltä Kuva 13. Valmista hiiltä Hiiltyminen onnistui hyvin ja kokeen perusteella voitiin siirtyä matalampiin lämpötiloihin. Ilman pääsy ruuvivaiheiden sisään oli ongelmana koekäytöissä. Jos pienikin Hiiltyminen onnistui hyvin ja kokeen perusteella voitiin siirtyä matalampiin lämpötiloihin. Ilman pääsy ruuvivaiheiden sisään oli ongelmana koekäytöissä. Jos pienikin määrä happea happea pääsi kuuman pääsi kuuman hakkeen hakkeen sekaan, hake sekaan, syttyi hake palamaan syttyi palamaan ja tuli levisi ja tuli hel- määrä posti levisi jokaiseen helposti jokaiseen ruuvivaiheeseen. ruuvivaiheeseen. Hake ei tällöin Hake pala ei tällöin kokonaan, pala mutta kokonaan, valmis mutta tuote on valmis tuote on hiiltynyt kokonaan. hiiltynyt kokonaan. 17

18 Kuva 14. Hake syttynyt palamaan Kuva 14. Hake syttynyt palamaan Muutamien testikertojen jälkeen ilman pääsyä saatiin rajoitettua niin, että valmis hake oli Muutamien ruskean väristä. testikertojen 200 300 jälkeen C lämpötilassa ilman pääsyä käsitelty saatiin hake rajoitettua on väriltään niin, että tyypillisesti valmis hake oli ruskean väristä. 200 300 C lämpötilassa käsitelty hake on väriltään tyypillisesti Koekäytöt ruskeaa. Koekäytöt tehtiin täysin tehtiin manuaalisesti täysin manuaalisesti ilman mitään ilman automatiikkaa. mitään automatiik- Edelli- ruskeaa. sessä kaa. Edellisessä luvussa esitettyä luvussa automatisointia esitettyä automatisointia ei ollut vielä ei koekäytön ollut vielä aikana koekäytön laitteessa. aikana laitteessa. 18

3 LAITTEEN KÄYTTÖKOKEMUKSET 3.1 Käyttö Laitteella tehtäviä kokeita varten hake on seulottava tasalaatuiseksi noin 10 40 mm palakokoon. Parhaisiin testaustuloksiin koelaitteella on päästy, kun hake on seulottu tähän kokoon. Käyttökokemuksien perusteella tämän laitteen ruuvikuljettimet eivät toimi kunnolla, jos palakoko on alle 10 mm tai yli 40 mm. Ruuvikuljettimet siirtävät myös helpommin murskattua palamaista haketta kuin lastumaista haketta. Laitteen lämmityksen alkuvaiheessa haketta on syötettävä koko ajan pieni määrä ruuvien läpi. Kuumaan laitteeseen syötetty hake syttyy palamaan, jos ruuvit ovat täysin tyhjänä. Tuli leviää tässä tapauksessa helposti hakkeen syöttöaukkoon asti. Toisaalta haketta ei voida syöttää lämmitysvaiheessa vielä suurta määrää, koska märkä hake saattaa aiheuttaa tukoksia ruuvikuljettimiin. Laitteen käyttö on helppoa automatisoinnin takia. Laitteen käyttäjän tehtäväksi jää ainoastaan torrefioidun hakkeen keräys sekä laitteen valvonta. Torrefioitu hake tippuu ilmatiiviiseen ämpäriin ja käyttäjä vaihtaa ämpäriä määräajoin. Käyttäjän muita tehtäviä ovat haluttujen lämpötila-arvojen, ruuvikuljettimien kierrosnopeuksien ja hakkeen syöttömäärän asettaminen sekä nestekaasupolttimen valvonta. Toiminta-arvot voidaan yleensä asettaa heti alkuvaiheessa. Kuvissa 15 ja 16 on esimerkki hakkeen lämpötilan muutoksista laitteen ruuvikuljettimissa. Hakkeen lämpötiloja voidaan arvioida pisteissä 2-4 olevien savukaasun lämpötilojen mukaan. Suuremman kokoisilla torrefiointilaitteilla ja -laitoksilla lämpötilojen hallinta on helpompaa kuin pienellä laitteella. Tämän takia koelaitteella tehtyjen torrefiointien tulokset eivät todennäköisesti vastaa suuremmilla laitteilla tehtyjä torrefiointeja. 19

20 20 Kuva 15. Lämpötilan mittauspisteet Kuva 15. Lämpötilan mittauspisteet Kuva 15. Lämpötilan mittauspisteet Alla olevassa yhtenäinen viiva kuvaa lineaarista lämpötilan muutosta ruuvivaiheid Alla Alla olevassa olevassa yhtenäinen aikana. viiva Katkoviivalla kuvaa lineaarista on esitetty lämpötilan arviota muutosta muutosta todellisesta ruuvivaiheiden ruuvivaiheiden aikana. Katkoviivalla on esitetty arviota todellisesta tilanteesta. Kuvasta näh- tilanteesta. Kuvasta nähdään, aikana. Katkoviivalla laite on ei esitetty pidä lämpötilaa arviota todellisesta kolmannessa tilanteesta. vaiheessa Kuvasta (väli nähdään, 3-4) että vakiona, vaan lämpötila l dään, että laite ei pidä lämpötilaa kolmannessa vaiheessa (väli 3-4) vakiona, vaan lämpötila laite ei laskee pidä lämpötilaa jonkin kee verran. jonkin kolmannessa Toisaalta verran. vaiheessa Toisaalta toisessa (väli toisessa vaiheessa 3-4) vakiona, vaiheessa (väli vaan 2-3) lämpötila (väli lämpötila 2-3) laskee tavoitetta jonkin verran. jo ennen Toisaalta lämpötila on on lähellä tavoi lähellä ta jo ennen vaiheen toisessa vaiheen loppua. vaiheessa loppua. Pitoaika (väli 2-3) Pitoaika lähes lämpötila lähes vakiolämpötilassa on lähellä tavoitetta jo perusteella ennen vaiheen noin loppua. 25 minuuttia Pitoaika lähes (ajanhetki vakiolämpötilassa 25 min 50 olisi min). tämän perusteella vakiolämpötilassa olisi olisi tämän perusteell tämän noin 25 minuuttia (ajanhetki 25 min 50 min). noin 25 minuuttia (ajanhetki 25 min 50 min). Lämpötila [ C] 300 250 200 150 100 Lämpötila [ C] 300 250 200 150 2 100 50 1 50 5 0 1 5 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0 Aika 10 [min] 20 30 40 50 60 70 Kuva 16. Hakkeen lämpötilan muutos eri vaiheissa Aika [min] Kuva 16. Hakkeen lämpötilan muutos eri vaiheissa Kuva 16. Hakkeen lämpötilan muutos eri vaiheissa 3 2 4 Lineaarinen 3 sk-tmukaan Arvio todellisesta 4 Lineaarinen sk-tmukaan Arvio todellisesta 20

nen ruuvin ympärille, jolloin muodostuu tukos. Ruuvia on yritetty muuttaa esimerkik viistoamalla ruuvin lehden loppuosaa ja teroittamalla lehden reunoja. Muutoksien jäl keen kuivausvaiheen ruuvi toimii hyvin muutamien testien ajan, jonka jälkeen aikaisemmin Huolto ilmenneet viat alkavat toistua. Tukokset on kuitenkin saatu pääasiallisesti pu 3.2 Laitteessa rettua ajamalla ilmenneet ruuvia vikatilanteet edestakaisin, ovat jolloin olleet pääasiassa ruuvi on avautunut. kuivausvaiheen ruuvikuljettimessa. Kuivausvaiheessa on muodostunut ongelmaksi kostean hakkeen pakkaantuminen ruuvin ympärille, jolloin muodostuu tukos. Ruuvia on yritetty muuttaa Laitteessa esimerkiksi muodostuvat viistoamalla palavat ruuvin kaasut lehden ovat loppuosaa räjähtäneet ja teroittamalla joitakin kertoja lehden ruuvivaiheide reunoja. sisällä. Laitteen Muutoksien ensimmäisen jälkeen kuivausvaiheen ruuvivaiheen ruuvi kotelossa toimii hyvin on luukku, muutamien jonka testien ajan, jonka jälkeen aikaisemmin ilmenneet viat alkavat toistua. Tukokset on kautta räjähdyksen aiheuttama saatu pääasiallisesti paine tasaantuu. purettua ajamalla Räjähdys ruuvia tapahtuu edestakaisin, helposti, jolloin kun ruuvi laitteen lämpöti kuitenkin on avautunut. lat nousevat yli 300 C lämpötilaan. Laitteessa muodostuvat palavat kaasut ovat räjähtäneet joitakin kertoja ruuvivaiheiden sisällä. Laitteen ensimmäisen ruuvivaiheen kotelossa on luukku, jonka 3.5 Huolto ja kautta korjaus räjähdyksen aiheuttama paine tasaantuu. Räjähdys tapahtuu helposti, kun laitteen lämpötilat nousevat yli 300 C lämpötilaan. Laitteen Laitteen kuivausvaiheen kuivausvaiheen tukkeutumisen tukkeutumisen vuoksi vuoksi laitetta laitetta on jouduttu on jouduttu huoltamaan huoltamaan usein usein. Laitteelle Laitteelle on vaikeaa on vaikeaa tehdä tehdä ennakoivaa huoltoa ja laite toimii pääasiallisesti ilman ilman huoltotöitä. Laitetta ei tarvitsisi huoltaa kovin paljon, jos kuivausvaiheen tukosongelmat huoltotöitä. saataisiin Laitetta ei ratkaistua. tarvitsisi Kuivausvaiheen huoltaa kovin moottorinpuoleinen paljon, jos kuivausvaiheen laakerointi rikkoutui erään tukoksen aikana, koska laakeri ei kestänyt pitkittäistä voimaa. tukosongel mat saataisiin ratkaistua. Kuivausvaiheen moottorinpuoleinen laakerointi rikkoutui erään tukoksen aikana, koska laakeri ei kestänyt pitkittäistä voimaa. Kuva 17. Rikkoutunut laakeripesä. Kuva 17. Rikkoutunut laakeripesä. 21

Kuivausvaiheen laakereiksi vaihdettiin kestävämmät laakerit, jotka kestävät myös pitkittäistä voimaa. Laite on toiminut tämän muutoksen jälkeen paremmin ja pienet tukokset ovat avautuneet helposti. 3.3 Torrefioidun hakkeen tuotantokustannukset Seuraavassa on esitetty koelaitteella tuotetun torrefioidun hakkeen tuotantokustannuksien muodostuminen. Suurin osa laitteen toimintaan ja kustannuksiin liittyvistä lukuarvoista perustuvat todellisiin tietoihin laitteen käyttökokemuksista. Kustannukset on kuitenkin jouduttu arvioimaan vuositasolle, koska pisimmät yhtäjaksoiset koekäytöt ovat olleet vain 8 tunnin mittaisia. Henkilökuluja on vaikea arvioida, koska laite vaatii toistaiseksi melko paljon valvontaa. Tietoja kustannuksista sekä laitteen toiminnasta: investointi yhteensä 30 000 huolto (tarvikkeet) 2000 /a henkilökulut 25 /h raaka-aineen (hakkeen) hinta 20 /MWh polttoaineen (nestekaasun) hinta 2 /kg sähkön hinta 0,15 /MWh torrefioidun hakkeen tuotanto 10 kg/h arvioitu tuotantoaika 7000 h/a käytön valvonta tuotantoajasta 20 % arvioitu huoltoaika 1500 h/a nestekaasun kulutus 1 kg/h (0,1 kgkaausa/kgtorr. haketta) sähkönkulutus keskimäärin 5 kw hakkeen lämpöarvo 15,7 MJ/kg torrefioidun hakkeen lämpöarvo 20,6 MJ/kg hakkeen energiasta jää 65 % torrefioituun hakkeeseen 22

hakkeen energiasta jää 65 % torrefioituun hakkeeseen Lasketaan näillä tiedoilla torrefioidun hakkeen tuotantokustannukset vuositasolla. Investointi Lasketaan oletetaan jaettavaksi näillä tiedoilla 10 vuoden torrefioidun ajalle 23 5 % hakkeen vuotuisella tuotantokustannukset korolla. vuositasolla. 23 Investointi Vuosittainen oletetaan energia jaettavaksi torrefioidusta 23 10 vuoden hakkeesta: ajalle 5 % vuotuisella korolla. Vuosittainen energia torrefioidusta hakkeesta: 23 Vuosittainen Vuosittainen torrefioidun energia hakkeen torrefioidusta tuotanto: 23 hakkeesta: Vuosittainen Vuosittainen energia torrefioidusta torrefioidun 70 000 / hakkeesta: hakkeen 23 20,6 tuotanto: / = 1 442 000 / = 400,6 h Vuosittainen energia 70 000 torrefioidusta / 20,623 hakkeesta: / = 1 442 000 / = 400,6 h Vuosittainen energia torrefioidusta 70 000 / hakkeesta: 20,6 / = 123442 000 / = 400,6 h Vuosittainen energia 70 000 torrefioidusta Haketta / tarvitaan: 20,6 hakkeesta: / = 1 442 000 / = 400,6 h Haketta 70 Vuosittainen tarvitaan: 000 / energia 20,6 / torrefioidusta = 1 442 hakkeesta: 000 / = 400,6 h Vuosittainen Haketta 70 000 tarvitaan: / energia 20,6 torrefioidusta / = 1 442 hakkeesta: 000 / = 400,6 h Haketta 70 tarvitaan: 000 / 20,6 / = 1 442 000 400,6 / h = 400,6 h Haketta tarvitaan: 70 000 / 400,6 20,6 h / = 1 442 = 616,2 000 / h = 400,6 h Haketta tarvitaan: 400,6 h = 0,65 616,2 h 0,65 Haketta tarvitaan: 400,6 h = 616,2 h Haketta Haketta tarvitaan: 400,6 h = 0,65 616,2 h Kustannus hakkeesta: 0,65 400,6 h = 616,2 h Kustannus hakkeesta: 0,65 400,6 h = 616,2 h Kustannus hakkeesta: 0,65= 616,2 0,65 400,6 h Kustannus hakkeesta: 616,2 h h 20 = 616,2 / h h = 12 325 Kustannus hakkeesta: 616,2 h 200,65 / h = 12 325 Kustannus hakkeesta: 616,2 h 20 / h = 12 325 Kustannus hakkeesta: Kustannus Kustannus hakkeesta: 616,2 nestekaasusta: h 20 / h = 12 325 Kustannus Kustannus nestekaasusta: hakkeesta: 616,2 h 20 / h = 12 325 Kustannus nestekaasusta: 616,2 h 20 / h = 12 325 Kustannus nestekaasusta: 616,2 h 20 / h 1 /h = 12 7000 325 h 2 / = 14 000 Kustannus nestekaasusta: 1 /h 616,2 7000 h h 2 / 20 / h = 14 000 = 12 325 Kustannus Kustannus nestekaasusta: nestekaasusta: 1 /h 7000 h 2 / = 14 000 Kustannus nestekaasusta: Kustannus 1 /h sähköstä: 7000 h 2 / = 14 000 Kustannus Kustannus sähköstä: nestekaasusta: 1 /h 7000 h 2 / = 14 000 Kustannus sähköstä: 1 /h 7000 h 2 / = 14 000 Kustannus sähköstä: 1 /h 7000 h 2 / 5 = 7000 14 000 h 0,15 / h = 5250 Kustannus Kustannus sähköstä: sähköstä: 5 7000 1 /h h 0,15 7000 / h h 2 / = 5250 = 14 000 Kustannus sähköstä: 5 7000 h 0,15 / h = 5250 Kustannus sähköstä: Investointikustannukset 5 7000 h 0,15 annuiteettimenetelmällä: / h = 5250 Investointikustannukset Kustannus 5 sähköstä: annuiteettimenetelmällä: 7000 h 0,15 / h = 5250 Investointikustannukset 5 7000 annuiteettimenetelmällä: h 0,15 / h = 5250 Investointikustannukset 5 annuiteettimenetelmällä: 70000,05(1 h 0,15 annuiteettimenetelmällä: + / h 0,05) = 5250 Investointikustannukset 0,05(1 annuiteettimenetelmällä: + 0,05) 5 7000 h 0,15 / h = 5250 (1 + 0,05) Investointikustannukset (1 + 0,05(1 0,05) annuiteettimenetelmällä: Investointikustannukset annuiteettimenetelmällä: + 0,05) 30 1 30 000 = 0,13 30 000 = 3885 000 1 = 0,13 30 000 = 3885 0,05(1 + (1 0,05) + Investointikustannukset 0,05(1 + 0,05) 0,05) annuiteettimenetelmällä: + 0,05) 0,05(1 + 0,05) + 0,05) 30 1 30 000 = 0,13 30 000 = 3885 000 1 = 0,13 30 000 = 3885 Henkilökulut (tuotantoajan 0,05(1 (1 + 0,05) 0,05) 30 000 = ja 0,13 huoltoajan 30 000 mukaan): = 3885 Henkilökulut (tuotantoajan 1 ja ja (1 + 0,05) 1 30 huoltoajan 000 = mukaan): 0,13 30 000 = 3885 Henkilökulut (tuotantoajan 1 0,05(1 30 000 + ja 0,05) = huoltoajan 0,13 30 000 mukaan): = 3885 Henkilökulut (tuotantoajan ja huoltoajan (0,20 mukaan): 7000 (1 + 0,05) 30 h 000 + 1500 = 0,13 h) 25 30 /h 000 = 72 = 500 3885 Henkilökulut (tuotantoajan (0,20 ja huoltoajan 7000 h + 1 mukaan): 1500 h) 25 /h = 72 500 Henkilökulut (tuotantoajan ja (0,20 huoltoajan 7000 mukaan): h + 1500 h) 25 /h = 72 500 Henkilökulut (tuotantoajan Kustannukset (0,20 ja huoltoajan 7000 yhteensä h + mukaan): 1500 (tarvikekulut h) 25 /h edellä = 72 olevien 500 lisäksi): Kustannukset Henkilökulut yhteensä (0,20 yhteensä (tuotantoajan 7000 (tarvikekulut h (tarvikekulut + 1500 ja edellä huoltoajan h) 25 olevien edellä /h mukaan): = lisäksi): olevien 72 500 lisäksi): Kustannukset (0,20 yhteensä 7000 h (tarvikekulut + 1500 h) edellä 25 /h olevien = 72 500 lisäksi): Kustannukset (0,20 yhteensä 7000 (tarvikekulut h + 150024 (12 325 + 14 h) edellä 000 25 + olevien /h 5250 = + lisäksi): 723885 500 + 72500 + 2000) = 109 960 Kustannukset (12 yhteensä 325 + (tarvikekulut 14 000 (0,20 + 5250 edellä 7000 + 3885 olevien h + + 1500 lisäksi): 72500 h) + 252000) /h = = 72109 500960 Näiden Kustannukset kustannuksien yhteensä (12 perusteella 325 (tarvikekulut + 14 torrefioidun 000 edellä + 5250 hakkeen olevien + 3885 kokonaishinnaksi lisäksi): + 72500 + 2000) energiayksikköä kohti Näiden (12 yhteensä = 109 960 Kustannukset muodostuu 325 kustannuksien + (tarvikekulut 14 noin 000 275 + /MWh. 5250 edellä perusteella + olevien 3885 + lisäksi): torrefioidun 72500 + 2000) hakkeen = 109 kokonaishinnaksi 960 energiayksikköä (12 325 + 14 kohti 000 + muodostuu 5250 + 3885 noin + 72500 275 /MWh. + 2000) = 109 960 Kustannukset yhteensä (tarvikekulut edellä olevien lisäksi): (12 325 + 14 000 + 5250 + 3885 + 72500 + 2000) = 109 960 (12 325 + 14 000 + 109 5250960 + 3885 + 72500 + 2000) = 109 960 (12 325 + 14 000 + 5250 + 3885 + 72500 + 2000) = 109 960 00 6 Kuvassa 18 on esitetty kustannusten jakautuminen eri kustannuslajeihin. Kuvasta nähdään henkilökustannuksien olevan merkittäviä tämän kokoluokan 23 laitteessa.

109 960 00 6 Kuvassa 18 on esitetty kustannusten jakautuminen eri kustannuslajeihin. Kuvasta nähdään Kuvassa henkilökustannuksien 18 on esitetty kustannusten olevan merkittäviä jakautuminen tämän eri kokoluokan kustannuslajeihin. laitteessa. Kuvasta nähdään henkilökustannuksien olevan merkittäviä tämän kokoluokan laitteessa. 13,1 9,7 5,0 henkilökulut 30,8 nestekaasu raaka-aine 35,0 sähkö 181,0 investointikulut vuodessa huolto- ja kunnossapito Kuva 18. Kustannuslajien jakauma ( /MWh) Kuva 18. Kustannuslajien jakauma ( /MWh) Laitteessa on kuitenkin joitakin muutettavia asioita, joilla torrefioidun hakkeen hintaa Laitteessa on kuitenkin joitakin muutettavia asioita, joilla torrefioidun hakkeen hintaa saataisiin saataisiin pienemmäksi. pienemmäksi. Nämä Nämä muutokset muutokset voitaisiin voitaisiin toteuttaa toteuttaa kehittämällä kehittämällä laitteen automaatiota, koska tällöin laitteen käytön valvonnan tarve pienenisi laitteen automaatiota, koska tällöin laitteen käytön valvonnan tarve pienenisi ja tuotantokapasiteetti olisi suunnitellulla ja halvempaa tasolla. haketta Tällöin raaka-aineena. voitaisiin myös käyttää huonelaatuisempaa ja ja tuotantokapasiteetti olisi suunnitellulla tasolla. Tällöin voitaisiin myös käyttää huonelaatuisempaa halvempaa torrefioidun haketta hakkeen raaka-aineena. tuotanto 10 kg/h 25 kg/h arvioitu tuotantoaika 7000 h/a 7500 h/a torrefioidun hakkeen tuotanto 10 kg/h 25 kg/h arvioitu arvioitu huoltoaika tuotantoaika 1500 h/a 7000 1000 h/a h/a7500 h/a arvioitu huoltoaika 1500 h/a 1000 h/a käytön valvonta tuotantoajasta 20 % 5 käytön valvonta tuotantoajasta 20 % 5 % raaka-aineen raaka-aineen hinta hinta 20 /MWh 20 /MWh 12 /MWh 12 /MWh energiatehokkuuden parantaminen, nestekaasu 1 kg/h 0,8 kg/h energiatehokkuuden parantaminen, nestekaasu 1 kg/h 0,8 kg/h 24

25 Nämä muutokset aiheuttaisivat arviolta seuraavanlaisia muutoksia alkuperäisiin Nämä kustannuksiin: muutokset aiheuttaisivat arviolta seuraavanlaisia muutoksia alkuperäisiin kustannuksiin: investointi yhteensä 30 000 40 000 nestekaasun kulutus 1 kg/h 1,5 kg/h investointi yhteensä 30 000 40 000 sähkönkulutus nestekaasun keskimäärin kulutus 5 kw 1 kg/h 6 kw1,5 kg/h sähkönkulutus keskimäärin 5 kw 6 kw huolto (tarvikkeet) 2000 /a 3000 /a huolto (tarvikkeet) 2000 /a 3000 /a Muutoksien perusteella torrefioidun hakkeen kokonaishinnaksi energiayksikköä Muutoksien kohti muodostuisi perusteella noin 76 torrefioidun /MWh. hakkeen kokonaishinnaksi energiayksikköä kohti muodostuisi noin 76 /MWh. 6,3 4,8 2,8 henkilökulut nestekaasu 32,0 raaka-aine sähkö 18,5 investointikulut vuodessa huolto- ja kunnossapito 11,2 Kuva 19. Kustannuslajien jakauma uudessa tilanteessa ( /MWh) Kuva 19. Kustannuslajien jakauma uudessa tilanteessa ( /MWh) Henkilökulut ovat edelleen suurin osa torrefioidun hakkeen hinnan muodostumisessa. Henkilökulut ovat edelleen suurin osa torrefioidun hakkeen hinnan muodostumisessa. henkilökuluja Jos henkilökuluja ei huomioida, ei huomioida, torrefioidun hakkeen hinta hinta olisi olisi noin 44 44 /MWh. Jos MWh. 4 LAITTEEN JATKOKEHITYSSUUNNITELMAT 4.1 Kuivausvaiheen muutokset 25

4 LAITTEEN JATKOKEHITYSSUUNNITELMAT Laitteessa ilmenneiden ongelmien poistamiseksi on mietitty erilaisia jatkokehityssuunnitelmia. Kuivausvaiheen tukosten muodostumisen estämiseksi laitteeseen on suunniteltu uudenlainen hakkeen virtauskanava. Nykyisessä laitteessa virtauskanavan poikkileikkaus on ympyrän muotoinen, 26 jolloin hake saattaa jäädä pyörimään ruuvin ja putken seinämän väliin. Uudessa suunnitelmassa virtauskanava olisi poikkileikkaukseltaan neliön muotoinen, jolloin hake ei tarttuisi ruuviin putken seinämän väliin. Uudessa suunnitelmassa virtauskanava olisi poikkileikkaukseltaan neliön muotoinen, jolloin hake ei tarttuisi ruuviin kiinni. kiinni. Kuvassa 20 on malli uudesta ratkaisusta, joka voisi poistaa ongelmat tukosten muodostumisessa. Tällaisessa ratkaisussa hakkeen palakoolla ei olisi suurta merkitystä. Kuvassa Kuivausvaiheen 20 on malli uudesta ruuvikuljetin ratkaisusta, pilkkoisi joka haketta voisi pienemmäksi. poistaa ongelmat tukosten muodostumisessa. Tällaisessa ratkaisussa hakkeen palakoolla ei olisi suurta merkitystä. Kuivausvaiheen ruuvikuljetin pilkkoisi haketta pienemmäksi. Kuva 20. Uudenlaisia ratkaisuja kuivausvaiheeseen Kuva 20. Uudenlaisia ratkaisuja kuivausvaiheeseen Toinen mahdollisesti hyvä ratkaisu kuivausvaiheen ruuvikuljettimen virtauskanavaksi voisi olla U-mallinen virtauskanava, jonka alaosa on puoliympyrän muotoinen ja yläosa suorakulmainen. Tässä ratkaisussa kiilautuneet hakkeen palaset irtoaisivat yläosan Toinen mahdollisesti hyvä ratkaisu kuivausvaiheen ruuvikuljettimen virtauskanavaksi voisi olla U-mallinen virtauskanava, jonka alaosa on puoliympyrän muotoinen vapaassa ja yläosa tilassa suorakulmainen. ja alaosassa haketta Tässä ei ratkaisussa jäisi kanavan kiilautuneet kulmiin. hakkeen Tämä palaset voisi olla toiminnallisesti voisi paras olla toiminnallisesti ratkaisu. Neliskanttisessa paras ratkaisu. kanavassa Neliskanttisessa haketta kanavassa jää jonkin haketta verran kulmiin irtoaisivat yläosan vapaassa tilassa ja alaosassa haketta ei jäisi kanavan kulmiin. Tämä jää ja tämä jonkin vaikuttaa verran kulmiin lämmönsiirto-ominaisuuksiin. ja tämä vaikuttaa lämmönsiirto-ominaisuuksiin. Torrefioidun hakkeen keräämiseksi voitaisiin kehittää kuljetinratkaisu, jolla torrefioitu hakkeen hake voitaisiin kerääminen siirtää esimerkiksi ruuvikuljettimella suureen keräysastiaan 2 Torrefioidun kontin ulkopuolelle. Kuljettimeksi voisi sopia spiraalikuljetin, koska torrefioitu Torrefioidun hakkeen keräämiseksi voitaisiin 26 kehittää kuljetinratkaisu, jolla torrefioitu hake voitaisiin siirtää esimerkiksi ruuvikuljettimella suureen keräysastiaan kontin ul-

hake on haurasta ja spiraalikuljetin saattaisi toimia hyvin hakkeen siirrossa. Suuremman mittakaavan laitteessa hakkeen keräys olisi helpommin toteutettavissa, kun hakkeen keräys otettaisiin paremmin huomioon jo suunnitteluvaiheessa. Automaation jatkokehityksellä, kuten turva-automaation lisäämisellä, voitaisiin lisätä merkittävästi laitteen käyttövarmuutta ja turvallisuutta. Näitä automaationlisäyksiä voisivat olla esimerkiksi liekinvalvonta ja hakkeen keräyksen automatisointi. Liekinvalvonta olisi oleellinen parannus laitteen automatisointiin ja se mahdollistaisi kokonaan automatisoidun laitteen, jota voitaisiin valvoa esimerkiksi etäyhteyden avulla. Liekinvalvonta ja nestekaasun syötön turvajärjestelmä takaisi laitteen turvallisen käytön merkittävästi vähäisemmällä valvonnan tarpeella. Tällaisessa ratkaisussa laitteen käyttö voitaisiin hoitaa käytännössä pelkästään tietokoneen käyttöliittymän kautta. Mikäli kyseisestä koelaitteesta tehtäisiin kaupallinen versio, vaatisi tämä edellä mainittujen automatisointien toteuttamista. Laitteen tarkempaan hallintaan vaadittaisiin mittaukset hakkeen virtaukselle, polttoaineen määrälle sekä mahdollisesti sekoitusilman määrälle. Kyseinen laite olisi kuitenkin mahdollista toteuttaa itsenäisesti toimivaksi, jolloin laitteen käyttöön ei tarvittaisi suurta henkilötyömäärää suuremmassakaan laitoksessa. Laitteen energiatehokkuutta voitaisiin parantaa savukaasuja kierrättämällä. Samalla voitaisiin vähentää laitteesta syntyviä päästöjä. Kierrätys tapahtuisi siirtämällä lämpöä siirtävää savukaasua puhaltimella nestekaasupolttimelle. Tehokas savukaasujen poltto edellyttää polttimen kotelointia ja puhaltimella säädeltyä savukaasujen takaisinvirtausta. Seuraavassa kuvassa on esitetty kuinka savukaasujen kierrätys laitteessa voitaisiin toteuttaa. Samalla voidaan saada aikaan ilmatiiviimpi laite ja laitteessa kulkevan hapen määrä pienenisi. 27

28 Kuva 21. Savukaasujen takaisinkierrätys Kuva 21. Savukaasujen takaisinkierrätys 5 Ilmatiiviyden parantaminen Torrefioinnin laatua voitaisiin parantaa, jos laitteen sisälle pääsevän hapen määrää Torrefioinnin laatua voitaisiin parantaa, jos laitteen sisälle pääsevän hapen määrää saataisiin vähennettyä. Laitteen sisällä on jonkin verran alipainetta ympäröivään saataisiin paineeseen vähennettyä. verrattuna, joten Laitteen ilmaa sisällä pääsee on vuotamaan jonkin verran laitteen alipainetta sisälle pieniä ympäröivään määriä. Tavoitteena olisi saada aikaan hapeton tila, jolloin hakkeen palamiselle ei olisi paineeseen mitään edellytyksiä. verrattuna, joten Yhtenä ilmaa vaihtoehtona pääsee vuotamaan voitaisiin käyttää laitteen typpeä sisälle hapen pieniä syrjäyttäjänä. olisi saada aikaan hapeton tila, jolloin hakkeen palamiselle ei olisi mitään määriä. Tavoitteena edellytyksiä. Laitteessa olevaa Yhtenä hapen vaihtoehtona määrää voitaisiin voitaisiin pienentää käyttää myös typpeä ilman hapen typpeä, syrjäyttäjänä. mikäli laitteesta rakennettaisiin tiiviimpi. Tämä edellyttäisi ilmatiivistä syöttösiiloa ja keräyssiiloa. Tämä ratkaisu edellyttäisi luvussa 4.3 esitettyjen ratkaisujen toteuttamista, jotta laitetta voitaisiin käyttää luotettavasti. Laitteessa olevaa hapen määrää voitaisiin pienentää myös ilman typpeä, mikäli laitteesta rakennettaisiin tiiviimpi. Tämä edellyttäisi ilmatiivistä syöttösiiloa ja keräyssiiloa. Tämä ratkaisu edellyttäisi luvussa 4.3 esitettyjen ratkaisujen toteuttamista, jotta 28 laitetta voitaisiin käyttää luotettavasti.