Energiapuun kuivaaminen - Erilaiset menetelmät Ismo Makkonen, Metsäenergiatutkija
JOHDANTO Yleisesti energiapuun laadun merkittävimpänä laatutekijänä pidetään kosteutta Energiapuun kosteudella on monia kannattavuuteen ja laatuun vaikuttavia tekijöitä Mitä kuivempaa energiapuu on sitä taloudellisempaa sen käyttö on (Hakkila 2004)
Miksi energiapuuta kuivataan? Vettä ei kannata kuljettaa metsästä laitokselle Alennetaan kuljetuskustannuksia Korkea kosteusprosentti lisää hiilimonoksidi-, hiilivety- ja hiukkaspäästöjä Vettä ei ole kannattavaa polttaa laitoksella Parannetaan energiapuun tehollista lämpöarvoa Energiapuun tehollinen lämpöarvo laskee, mitä enemmän kosteuden haihduttamiseen kuluu energiaa puuta poltettaessa (Hakkila 2004)
Kosteus heikentää varastoitavuutta Kemialliset ja biologiset prosessit aiheuttavat puumateriaalissa kuiva-ainetappioita sekä mikrobikasvustoja Liian kostea hake jäätyy ja aiheuttaa ongelmia hakekuljetuksissa ja laitoksilla Energiapuuta voidaan kuivata luonnonkuivauksella ja keinokuivauksella Keinokuivaus on kallista! (Hakkila 2004)
Miten energiapuuta voi kuivata? Tässä esityksessä käsitellään: Asfalttikentällä Erilaisissa puupinossa tienvarressa Puristamalla Kaulaamalla
Hakkeen asfalttikenttäkuivaus Pohjautuu Jussi Laurilan ja Risto Lauhasen selvitykseen. Hakkeen asfalttikenttäkuivaus on jo käytössä oleva menetelmä erityisesti paljon haketta käyttävillä maatiloilla. Koe tehtiin yhteistyössä menetelmää hyödyntävän maatilan kanssa. Kuva: Jussi Laurila
Koejärjestely Kokeessa käytettiin kahta päivää aikaisemmin haketettua mäntyhaketta. Hake levitettiin kuivikkeenlevittimellä asfalttikentälle 3 4 cm paksuksi patjaksi. Patjan leveys 2,5 m. Haketta kuivattiin yhden päivän verran n. 12 h. Päivän päätteeksi otettiin näytteet edustavasti useasta kohtaa hakepatjaa. Näytteet analysoitiin uunikuivausmenetelmällä. Koe suoritettiin Lapualla 21.6.2012. Kuva: Enni Kangas
Sääolosuhteet ja kuivumistulos Päivä oli aurinkoinen (ylin lämpötila oli 17 ºC ja tuuli 4 m/s). Hake kuivui päivän aikana tuoreesta 23 % kosteuteen. Erittäin todennäköisesti helteellä päästäisiin alle 20 % kosteuteen. Erinomainen tulos! Kuvat: Enni Kangas
Rangan kuivuminen tienvarressa ja terminaalissa Pohjautuu Tuomas Hakosen ja Ismo Makkosen selvitykseen. Energiapuukasan rakenteella ja kasan sijoituspaikalla on vaikutusta kuivumistulokseen. Rakenteen kannalta merkittäviä alus- ja välipuut sekä lippa. Kasan sijoituspaikka mielellään avoin, ympäröivää maastoa korkeammalla oleva (aurinkoisuus, tuulisuus) ja kuivapohjainen. Kuva: Tuomas Hakonen
Koejärjestely 1/2 Kolme varastopaikkaa: 2 tienvarsivarastoa (Isokyrö, Orisberg) terminaalivarasto (Laihia, Jukaja) Yhteensä 8 koekasaa: karsittua rankaa valtaosin mäntyä osin kuitupuun kokoluokkaa Puut korjattiin 15.5.2013 31.5.2013 välisenä aikana ja ne kuivuivat kasoissa 24. 26.3.2014 asti eli kuivumisaika oli n. 10 kk. Koekasat olivat peittämättömiä lukuun ottamatta terminaalissa sijainneita kasoja, jotka peitettiin 13.11.2013.
Koejärjestely 2/2 Tienvarsivarasto 1 oli kaksi varastoa: Aluspuilla sekä ilman alus- ja välipuita Kuivapohjainen mutta ympäröivän metsän varjostama notkopaikka Huono paikka energiapuuvarastolle Tienvarsivarasto 2 oli kolme varastoa: Aluspuilla, alus- ja välipuilla sekä ilman alus- ja välipuita Kuivapohjainen ja avoin mäenrinne Hyvä paikka energiapuuvarastolle Terminaalissa oli kolme varastoa: Aluspuilla, alus- ja välipuilla sekä ilman alus- ja välipuita Avoin asfalttipohjainen kenttä peltoaukean vieressä Paras paikka energiapuuvarastolle
Kuivumistulokset Tienvarsivarastossa 1 rankojen kosteus selkeästi muita varastoja korkeampi. Tienvarsivarastossa 2 puu kuivui lähes yhtä hyvin kuin terminaalissa. Terminaalissa kaikki kasat oli lähestulkoon samassa kosteudessa.
Tarkastelua Varastopaikalla suuri vaikutus kuivumisen kannalta -> suosittava avoimia, kuivapohjaisia ja mielellään ympäröivää maastoa korkeammalla olevia paikkoja. Kun varastopaikka on hyvä, pinon rakenteen merkitys vähenee. Myöhään tehdyllä (13.11.2013) terminaalikasojen peittämisellä korkeintaan vähäinen vaikutus kuivumistuloksiin. Mikäli peittämisellä halutaan vaikuttaa kuivumiseen, tulisi se tehdä aiemmin ennen syyssateita.
Energiapuun puristuskuivaus Pohjautuu Jussi Laurilan, Mikko Havimon ja Risto Lauhasen selvitykseen. Johdanto Puussa oleva vesi Vettä on puussa kahdessa paikassa: soluseinämissä ja soluonteloissa (ns. vapaa vesi). Soluseinämissä vesi on tiukasti vetysidoksilla kiinni -> vaikeampi poistaa. Vapaa vesi voidaan poistaa puristamalla kunnes solurakenne rikkoutuu. Puun kuivuessa ensimmäisenä poistuu soluonteloiden vapaa vesi. Puun rakenne (David Kretschmann. 2003. Nature Materials 2, 775 776.)
Aineisto ja menetelmät -näytteet Näytteet vastakaadetusta männystä (60 %), kuusesta (63 %) ja hieskoivusta (45 %). Moottorisahan tuottamaa sahanpurua ilman puun kuorta. Jokaisessa puristuskuivauskokeessa käytettiin 14 g tuoretta sahanpurua. Sahanpurua kokeita varten. Kuva: Jussi Laurila.
Aineisto ja menetelmät Puristusvoima ja aika Tutkimuksessa tehtiin 6 hetkellistä ja 3 jatkuvaan pitoon perustuvaa puristuskoetta Hetkellisissä puristuskokeissa puristus vapautettiin heti, kun maksimivoima oli saavutettu. Jatkuvissa puristuskokeissa maksimivoima pidettiin 30 tai 60 sekuntia. Kaikki testit tehtiin 3 kertaa, joten yhteensä 27 testiä/puulaji. Hetkelliset puristuskokeet Testinumero Puristusvoima, N Puristusvoima, Mpa Pitoaika, s 1. 2000 6 0 2. 4000 13 0 3. 6000 19 0 4. 8000 26 0 5. 10000 32 0 6. 12000 38 0 Jatkuvat puristuskokeet Testinumero Puristusvoima, N Puristusvoima, Mpa Pitoaika, s 7. 4000 13 30 8. 4000 13 60 9. 12000 38 30
Tulokset Hetkelliset puristuskokeet Matalin kosteus saatiin koivulle (33 %) 38 Mpa voimalla. Havupuut kuivuivat koivua enemmän puristamalla. Moisture content, % 65 60 55 50 45 40 35 Scots pine Norway spruce Downy birch Regression, pine Regression, spruce Regression, birch 30 0 10 20 30 40 50 Compression pressure, MPa
Tulokset - jatkuvat puristuskokeet Jatkuva puristus paransi puun kuivumista 1 2 %-yksiköllä verrattuna hetkellisiin puristuskokeisiin. Puristusajan nostamisella 30 sekunnista 60 sekuntiin oli vain marginaalinen merkitys kuivumiseen. Matalimmat kosteudet kaikille puulajeille saatiin 38 MPa voimalla ja 30 sekunnin pitoajalla. Kosteus, % Puulajit 13 Mpa 38 Mpa Alkuperäinen 0 sekuntia 30 sekuntia 0 sekuntia 30 sekuntia Mänty 60 42 41 36 34 Kuusi 63 43 41 37 35 Hieskoivu 45 38 37 33 30
Johtopäätökset Kuivumiseen vaikutti pääasiassa puristusvoima. Puristusvoiman nostaminen lisäsi puun kuivumista merkittävästi 30 MPa tasolle asti. Puristusajan nostaminen 0 sekunnista (hetkellinen puristus) 30 sekuntiin (jatkuva puristus) lisäsi kuivumista vain 1 2 %-yksikköä. Pitoajan tuplaamisella 30 sekunnista 60 sekuntiin ei ollut vaikutusta kuivumiseen.
Havupuut reagoivat puristuskuivaukseen samalla tavoin. Samoihin kuivumistuloksiin pääsemiseksi oli hieskoivun puristamiseen käytettävä enemmän energiaa kuin havupuiden puristamiseen. Puristuskuivaus on nopea ja tehokas menetelmä puun kuivaamiseen. Puristuskuivauksessa tarvittava energiamäärä on murto-osa energiamäärästä, joka tarvitaan saman kosteuden haihduttamiseen lämpöenergiaa hyödyntäen. Suuren mittakaavan puristuskuivauslaitteiden kehittämistä ja testaamista tarvitaan.
Energiapuun kuivaaminen kaulaamalla Pohjautuu Jussi Laurilan selvitykseen Puiden kaulaaminen on ikivanha keksintö Roskapuiden hävittäminen ja vesakon torjunta Hedelmäpuiden sadon ja laadun parantaminen Metsien harvennus Puun kosteuden alentaminen Tukkien kelluvuuden parantaminen Siperiassa Pystykuivaus polttopuuksi Afrikassa Suomessa yleisimmin kaulattu haapaa Kansallispuistossa käytetty lahopuun lisäämiseen
Kaulaus voidaan tehdä monella eri tavalla Kirveellä, vesurilla, puukolla, jyrsimellä, kuorimaraudalla, sahalla Puun kuori, nila ja jälsi poistetaan puuaineeseen saakka Kaulauksen seurauksena puu lopulta kuolee Yleisesti puut kuolevat 1-2 vuoden kuluessa kaulaamisesta Haapojen on todettu kuolevan 1-6 vuoden kuluttua kaulaamisesta Tutkimustietoa kaulauksen vaikutuksesta puuaineen kosteuteen on niukasti saatavilla Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kaulauksen vaikutusta pieniläpimittaisten pystypuiden kosteuteen männyllä, kuusella ja koivulla
Aineisto ja menetelmät Kaulauskoeala nuori kasvatusmetsä Ähtärissä 31.5.2011 Puita kaulattiin yhteensä 146 kpl Puuston keskiläpimitta 10 cm ja keskipituus 10 m Kokonaistilavuus 103 m3/ha ja runkoluku 2161 r/ha Puulajijakauma: koivu 38 %, mänty 31 %, kuusi 30 %, haapa 1 % Kasvupaikkatyyppi: tuore kangas ja keskikarkea kangasmaa Kaulaus rinnankorkeudelta noin 30 cm pituiselta matkalta Kosteusnäytteet ennen kaulausta ja 2 kk välein kaulauksen jälkeen 5 runkoa/puulaji/näytteenottokerta 2,5 m korkeudelta tyvestä ja 5 cm läpimitan kohdalta latvasta Kosteusmääritykset ISO 589 standardin mukaan
Tulokset Kosteudet ajan funktiona
Johtopäätökset Kosteus ei laske vielä ensimmäisen kasvukauden aikana Havupuilla kosteus jopa hieman nousee Toisena kasvukautena kuusen (23%) ja koivun (33%) kosteudet romahtivat Mäntyjen kosteus (50%) toisena kasvukautena edelleen korkealla Latvan ja tyven välillä keskimäärin 3,2 % -yksikön kosteusero Koivulla havaittiin värivikaa ja alkavaa lahoa syksyllä 2012 Puuaineen lämpöarvo? Kaulauskoealalla ei havaittu silmämääräisesti hyönteis- eikä sienituhoja Perusteellinen selvitys tarpeen! Erittäin sateinen vuosi 2012 Kaulauksen hyödyntäminen energiapuuntuotannossa on mahdollista
KIITOKSIA MIELENKIINNOSTA!