KUIVURITEKNIIKAN SELVITYS Laatinut: Pekka Pääkkönen Dokumentti nro: Status: Julkinen 1
1. Käytössä olevia hakkeen kuivausratkaisuja 2. Hakkeen kuivaukseen soveltuvia kuivureita 3. Kapasiteetti ja tekniset vaatimukset 4. Taloudellinen tarkastelu 5. Kustannukset 6. Kuivurin hankintaprosessin kuvaus 7. Hakkeen kuivauksesta tehtyjä tutkimuksia ja opinnäytetöitä 2
1. Käytössä olevia hakkeen kuivausratkaisuja Lämpölaitosten polttoaineena käytettävän metsähakkeen kuivausta on kokeiltu muutamilla lämpölaitoksilla Suomessa. Tällä hetkellä hakkeen kuivausta tehdään Kokkolan Energian Ykspihlajan laitoksella aumakuivauksena. Kuivaus tehdään polttoainekentälle rakennetussa aumassa, jossa auman alle on rakennettu kolmestatoista merikontista ilmakanava. Ilmakanavaan puhalletaan n. +50 o C ilmaa kahdella 22kW puhaltimella. Ilman lämmitys tehdään vedellä, jonka lämmitykseen käytetään Kokkolan Kemiran rikkihappotehtaan sekundäärilämpöä. Auman koko on maksimissaan 140 metriä pitkä, 40 metriä leveä ja 15 metriä korkea. Poikkileikkaus muodoltaan auma on kolmio. Toinen kuivausta käyttävä lämpölaitos on Kokemäen Lämpö Oy. Kokemäen Lämpö Oy:n käyttämästä aumakuivauksesta ei kirjallista aineistoa ole saatavilla. Puhelinkeskustelussa (Pekka Pääkkönen Business Oulu 14.10.2011) saatujen tietojen mukaan Kokemäen lämpö kuivaa varastokentällä haketta laitoksen savukaasuista otetulla hukkalämmöllä. Kuivausilman lämpötila +25...+30 o C alimmillaan ja korkeimmillaan välillä +50 o C...+60 o C. Kuivaus tukee lämpölaitoksen toimintaa ja energia tehokkuutta. Muita tiedossa olevia laitoksia jossa kuivausta käytetään tai suunnitellaan, on Kuhmo Oy:n saha Kuhmossa. Kuhmo Oy:llä sahanpurun kuivaus tehdään sahan yhteydessä olevan Kuhmon lämpö Oy:n lämmöllä. Kuivauksen jälkeen sahapuru jatkojalostetaan puupelletiksi. Kuivaukseen käytettävän viirakuivurin on toimittanut Urbas Maschinenfabrik GmbH Itävallasta. Oy Finnpellets Ab:lla Kaustisella on hakekäyttöinen lämpökeskus, joka tuottaa kuumaa kuivausilmaa yhtiön pelletöintilaitoksen rumpukuivaajalle. Valkealan Hyötypaperi Oy on aloittanut koivuklapin tuotannon keväällä 2011. Hyötypaperin koivupilke eli HyötyKlapi on alipainekuivatuksella kuivattua kotimaista koivua. Alipainekuivauksella on saavutettu 16 %:n kosteus. Uusi Rauman Voima Oy:n voimalaitos tuottaa sähköä 76 megawatin, prosessihöyryä 140 megawatin ja kaukolämpöä 50 megawatin teholla. Voimalaitokselta toimitetaan prosessihöyryä ja sähköä UPM:n Rauman tehtaalle, sekä kaukolämpöä ja sähköä Rauman Energialle. Voimalaitoksen pääpolttoaineina ovat kuori ja hakkuutähteet. Lisäksi käytetään turvetta, biolietettä ja pieniä määriä kierrätyspolttoainetta. Laitos otettiin käyttöön vuoden 2006 lopussa. Uusi laitos korvasi tehtaalla yli 40 vuotta toimineen voimalaitoksen. Voimalaitoksen yhteydessä on biopolttoaineen kuivaamo, jolla paperi- ja sellutehtaalta saatava kuori ja liete kuivataan 60 prosentin kuiva-ainepitoisuuteen. Pohjolan Voima omistaa Rauman Voimasta 72 prosenttia ja Rauman Energia 28 prosenttia. Työ- ja elinkeinoministeriö (TEM) on myöntänyt kouvolalaiselle Umacon Oy:lle vuoden 2011 joulukuussa 560.000 euroa energiatukea puupolttoaineiden raaka-aineen kuivauslaitosprojektiin. Hankkeen kustannusarvio on runsaat kaksi miljoonaa euroa. Valmistettavat puupolttoaineet ovat klapeja, brikettiä ja pellettiä eri variaatioina. Lopullinen päätös projektin toteuttamisesta tehdään vuoden 2012 aikana. Kuivauslaitos sijoittuu Umacon Oy:n Luumäen Puukylässä omistaman pellettitehtaan yhteyteen. Ympäristölupa laitokselle myönnettiin heinäkuussa 2011. Metso Biomass Wood and Pulp Handling liiketoiminta yksikön yhtenä liiketoimintana on biomassan kuivaus. Toteutettuja kuivuriprojekteja Metsolla on Suomessa Lahden Energialle toimitettu kuivuri jossa jätteenpolttolaitoksessa kaasutukseen ja polttoon menevä jäte kuivataan. Vapon Vilppulan sahalla on kuivuri jolla kuivataan pellettitehtaan raaka-aineena käytettävää sahanpurua. Vaasaan on rakenteilla Vaskiluodon voimalle 140 megawatin biokaasutuslaitos, jossa kaasutettava metsähake kuivataan. Vaskiluodon voiman kapasiteetti on 600 m 3 tunnissa, kuivuri käyttää hakkeen 3
kuivaukseen kaukolämpöverkon paluuveden lämpöenergiaa. Veden lämpötila on kesällä + 75 o C ja talvella + 65 o C. Kuivauksessa polttoaineesta haihdutetaan n. 10 tonnia vettä tunnissa, ja polttoaineen loppukosteus ennen kaasutusta on 20%. Muita Metson toimittamia kohteita on Varkauden Stora Enson tehtaalle rakennettu kuivuri ja Joensuun pyrolyysiöljylaitokselle suunnitteilla oleva kapasiteetiltaan 80 m 3 /h kuivuri. Joensuun kuivurin kuivausilman esilämmitys tehdään +35 o C vedellä ja varsinainen kuivaus + 100 o C matalapainehöyryllä. Laitetoimittajia hakkeen kuivaukseen on edellä mainittujen lisäksi oulunsalolainen CCM-Power Oy jolla on koelaite käytössä Shinshowa Finland Ltd Kellon sahalla. Sekä Sievin Biohake Oy joka on saanut Kauppa ja teollisuusministeriön myöntämän avustuksen biopolttoaineen kuivauslaitoksen rakentamiseen Raaheen Rautaruukki Oy:n yhteyteen. Kuivauslaitoksen tarkoituksena on hyödyntää Rautaruukin hukkalämpöä. Ulkomaisia kuivauslaitteita välittää ainakin Condens Heat Recovery Oy Hämeenlinnassa. Kuivurivalmistajia ja toimittajia Valmistaja ja yrityksen toimipaikat Kuivaimen tyyppi Suomeen toimitettuja kohteita Internet osoite STELA Laxhuber GmbH, Saksa Valmistaa sekä suuria viirakuivureita että pieniä lavakuivaimia. Suomessa ei ole yhtään Stelan toimittamaa kuivuria. Stela on toimittanut maailman laajuisesti 140 isoa biomassakuivainta. www.stela-dryingtechnology.de/en/ Bruks, Saksa ja Ruotsi Valmistaa metsäteollisuuteen ja energian tuotantoon soveltuvia viirakuivureita. Ei ole toimittanut Suomeen yhtään kuivuria. http://www.bruks.com/en/p roducts/bed-dryer1/ Amandus Kahl, Saksa Valmistaa viirakuivureita pelletin tuotantoon. Ei tiettävästi yhtään toimitusta Suomeen. http://www.akahl.de/akahl/ en/products/biomass_pellet ing/fabric_belt_drier_wood / Zhengzhou Taida Mining And Metallurgy Equipment Co., Ltd, Kiina Valmistaa rumpukuivureita sahanpurun kuivaukseen. Ei tiettävästi yhtään toimitusta Suomeen. http://zztaida.en.alibaba.co m/productgrouplist- 210328855/Drying_machin e.html Metso Oyj, Suomi KUVO viirakuivuri, Swiscombin lisenssi. Useita toimituksia Suomessa. mm. Vaasan Vaskiluodon voimalle ja Lahden Energialle toimitettu kuivuri. Vilppulan sahalla on kuivuri jolla kuivataan http://www.metso.com/pul pandpaper/mpwarticles.nsf/web WID/WTB-080626-2256F- 2F981?OpenDocument 4
pellettitehtaan raaka-aineena käytettävää sahanpurua. Muita kohteita on Varkauden Stora Enson tehtaalle rakennettu kuivuri ja Joensuun pyrolyysiöljylaitokselle suunnitteilla oleva kuivuri. Andritz, Itävälta Valmistaa viira ja rumpukuivureita Joutsenon Metsä Botnian tehdas kaasutuslaitoksen biomassan kuivaus. http://www.andritz.com/pro ducts-and-services/pfdetail.htm?productid=24494 Swisscombi Valmistaa metsäteollisuuteen ja energian tuotantoon soveltuvia viirakuivureita. VAPO Oy löytyy yhtiön referenssi listalta. http://www.swisscombi.ch/ en/home/ Torkapparater, Ruotsi Valmistaa rumpukuivureita Ei tiettävästi yhtään toimitusta Suomeen. http://www.torkapparater.s e/default.asp?languageid= 2 GEA Barr Rosin, Englanti, Kanada Ei tiettävästi yhtään toimitusta Suomeen. Valmistaa rumpu-, leijukerroskuivaimia ja siilokuivaimia. http://www.barrrosin.com/products/columndryer.asp Mabarex tork Dry-RexTM, Kanada Markkinoi viira- ja rumpukuivaimia lietteen, hakkeen ja erilaisten biomassojen kuivaukseen. Ei tiettävästi yhtään toimitusta Suomeen. http://www.enviroaccess.ca /expertconseil/en/directory-ofcompanies-offeringenvironmentalsolutions/mabarex-inc/ Bühler, Sveitsi Valmistaa metsäteollisuuteen ja energian tuotantoon soveltuvia rumpu- ja kuljetinkuivureita. Ei tiettävästi yhtään toimitusta Suomeen. http://www.buhlergroup.co m/northamerica/downloads /AG_Wood-Biomass- Brochure.pdf Huber, Saksa Valmistaa rumpukuivureita lietteen kuivaukseen Ei tiedossa olevia toimituksia Suomeen. http://www.huber.de/produ cts/sludgetreatment/drying/huberbelt-dryer-bt.html Swedish Exergy AB, Ruotsi Ei tiedossa olevia toimituksia Suomeen. Valmistaa rumpu-, leijukerroskuivaimia ja siilokuivaimia. http://www.exergyconsult.se/beddryer.htm SaimaTec, Valmistaa lava- Pilottilaitoksia toimitettu http://www.saimatec.fi/inde x.php?pid=31&lg=en 5
Suomi kuivaimia. Opcon (SRE), Ruotsi Vastavirtakuivuri Ei tiedossa olevia toimituksia Suomeen. www.sre.se/eng/torksystem.html Raumaster Oy, Suomi Valmistaa kuljettimia ja viirakuivureita metsäteollisuuteen. Rauman Voiman UPM:n tehtaalla. http://www.raumaster.fi/en/ home/ Urbas Maschinenfabrik GmbH, Itävalta Valmistaa metsäteollisuuteen ja energian tuotantoon soveltuvia viirakuivureita. Kuhmo Oy Pelletöintilaitos, Kuhmo http://www.urbas.at/index.p hp?id=53&l=1 Fliegel GmbH, Saksa Valmistaa pieniä lavakuivaimia. Ei tiedossa olevia toimituksia Suomeen. http://www.fliegl.com/inde x.cfm?cid=1954 Lauber GmBH, Saksa Valmistaa pieniä lavakuivaimia. Volter Oy:llä käytössä Oulussa. http://volter.bonsait.fi/resou rces/public/pdf//l- ENZ%20kuivuriesite.pdf Gasek Oy, Suomi Vastavirtakuivuri Pilottilaitoksia rakenteilla http://www.gasek.fi/en/ 2. Hakkeen kuivaukseen soveltuvia kuivureita Rumpukuivurit ovat erittäin tavallisia teollisuudessa ja suuremmissa pellettejä valmistavissa laitoksissa. Rumpukuivureita käytetään etupäässä kuoren ja hakkeen kuivaukseen (kuva 1). Rumpukuivurissa biomassa syötetään kuivurin rummun toiseen päähän annostelukuljettimella. Kuumaa ilmaa puhalletaan ja imetään biomassan läpi kuivausrumpuun. Kuivuriin sisään puhallettavan ilman lämpötila on useimmiten välillä +80 o C +180 C. Kuivausrummussa materiaali siirtyy kuivauksen aikana hitaasti eteenpäin rummun pyöriessä. Rummun pyöriessä hake sekoittuu, ja sekoittuminen saa aikaan tasaisen kuivumisen. 6
Kuva 1. Pyörivä rumpukuivuri (Grannö 2007) Kuljetinkuivureissa, hihna- tai patjakuivurissa (kuva 2) märkä kuori tai hake syötetään sisään hihnan alkupäästä. Syöttöpäässä olevan tasoitusruuvin avulla biomassa hajautuu koko kuivurin leveydelle. Hihnalle levitetty kuori tai hakepatja kulkeutuu hitaasti eteenpäin kuivauksen aikana. Kuumaa kuivausilmaa, lämpötilaltaan noin +80 o C +120 C puhalletaan alhaalta päin kuivaustasoon kuori/hakepatjan läpi. Ilmaa voidaan myös imeä patjan läpi ylhäältä alaspäin. Kuivuminen alkaa alaosasta, ja hakkeen ulostulossa ylin, kostea kerros kuoritaan pois ja kierrätetään takaisin kuivurin alkupäähän uudelleen kuivattavaksi. Alempi haluttuun loppukosteuteen kuivunut hake tai kuori siirretään kuljettimella suoraan polttoon, varastoon tai jatkokäsittelyyn. Kosteaa kuorta tai haketta annostelevan syöttöruuvin korkeutta säädetään sopivaan korkeuteen sen mukaan mikä on materiaalin kosteuspitoisuus. Kuva: Bruks-Klöckner Kuva 2. Hihna- tai patjakuivuri (esimerkki kuljetinkuivurista) (Granö 2007) 7
Siilokuivuri, Hyvin rakennetussa siilokuivurissa voidaan kuivata puuhaketta edellyttäen että siilo, hakkeen ulostulo ja kuljettimet on mitoitettu niin, ettei hake pääse pakkautumaan ja muodostamaan holvia. Mikäli hakkeen kuivaukseen käytetään viljakuivuria, pitää rakennetta muuttaa siten, ettei hakkeen holvaantuminen aiheuta toimintahäiriöitä. Siilokuivurin periaatekuva. Kuljettimen avulla kostea hake siirtyy kuivurin yläosaan ja hajaantuu ruuvien avulla koko siilokuivurin leveydelle. Kuivattu hake poistuu siilon alaosan kautta. Kuuma kuivausilma puhalletaan hakkeen läpi ja kostea ilma imetään ulos. Se, miten nopeasti kuiva hake kulkeutuu ulos, riippuu hakkeen kosteuspitoisuudesta. Kuivausprosessia seurataan ulosmenon kohdalla. Vastavirtakuivuri, Isoissa pelletöintilaitoksissa voi olla useita erilaisia kuivauslaitteistoja. Svensk Rökgasenergi on tuottanut uudentyyppisen esikuivurin. Se on rakennettu kuten siilokuivuri, jossa kuivailma kulkee hakkeen liikkumissuuntaa vastaan. Jotta kuivausilma ei menisi oikotietä hakekuivurin läpi, on käytössä sekoitin, joka hajottaa hakkeen muodostamat ilmakanavat. LTK kuivurin periaatekuva. Kuva: Svensk Rökgasenergi 8
Metso Kuvo kuivuri Metson kuvo kuivuri on kaksivaiheinen viirakuivain. Kuivaimen pinta-ala on n. 150 m 2 ja se pystyy haihduttamaan 8,3 tonnia vettä tunnissa, kun kuivausilman lämpötila on n. +100 o C. Kuivausilman lämmitys tehdään glykoli-vesi lämmönvaihtimilla. Kuivurin tarvitsema lämpö voidaan tuottaa hukkalämmöllä tai matalapainehöyryllä. Kuivattavan materiaalin, kuori tai puuhake, lähtökosteus on 75%...45%. Kuivauskapasiteetti on 30 80 i-m 3 /tunti ja polttoaineen loppukosteus 25%. Lähde: http://www.metso.com/mp/marketing/vault2mp.nsf/bywid2/wid-091023-2256e- 116AF/$File/Page4041from209results_pp.pdf?openElement 9
Metson kuivuri perustuu Sveitsiläisen Swiscomp yhtiön tekniikkaan, johon Metso on hankkinut valmistusoikeudet. Kuivuri on viirakuivuri, jossa kuivaukseen käytettävä ilma lämmitetään nesteestä ilmaan lämmönvaihtimella. Lämmönvaihtimen kierrossa käytetään vesi-glykoli seosta. Kuivausilman lämmitys voidaan tehdä kahdessa vaiheessa, jossa esilämmitys voidaan tehdä matalammalla lämmöllä, alimmillaan + 35 o C vedellä. Toisen vaiheen lämmityksessä käytettävän kiertoveden lämpötila pitää olla +60 +70 o C, jotta kuivurin koko pysyy järkevissä mitoissa. Optimaalinen lämpötila olisi + 120 o C. Kuivausenergiana kannattaa käyttää yleensä vain sekundääri energiaa. Kuivattavan materiaalin palakoko pitää olla alle 50mm. Kuivattavaa materiaalia levitetään viiralle kahdella ruuvipurkaimella 50 200 mm paksu kerros, riippuen kuivattavasta materiaalista. Kuivuriviiran nopeus on 1 3 metriä minuutissa. Viiraleveydet ovat 6m ja 7,2 m ja viiran pituus 25m ja 45 m:ä. Kuivauksen säätö tehdään säätämällä viiran nopeutta ja materiaalin läpi menevän kuivausilman määrää. Kuivauksen säätö on täysin automaattinen, ohjaukseen käytetään biomassan kosteuden mittausta kuivurin jälkeen. Kuivauksen aikana massan lämpötila nousee n. + 50 o C, haihtuvia VOC päästöjä on alle 20 mg/m 3. /Lähde: Neuvottelumuistio Metson kuivuripalaverista Stora Enson Oulun tehtaalla 14.5.2012/ Lavakuivuri, Saksalainen Fliegel GmbH valmistaa alun perin maatalouden tarpeisiin suunniteltua lavakuivuria, jonka rakenne on hyvin yksinkertainen. Kuivauskontin pohja on reijitetty, kuivausilma johdetaan kontin pohjan läpi puhaltimella hakepatjaan altapäin. Toisella poistopuhaltimella imetään hakepatjan läpäissyt kostunut kuivausilma yläpuolelta pois. Kuivausta nopeutetaan sekoittamalla kuivattavaa haketta kuivauskontissa olevilla lamelleilla joita liikutetaan edestakaisin hydraulisylinterin avulla. Fliegel GmbH:n antamat tekniset tiedot ja kapasiteetti kuvan mukaiselle lavakuivurille: Vakiolavakuivurin lavakoko on 27m 3. Kuivuria voidaan valmistaa myös asiakkaan mitoilla tai vaihtoehtoisesti asentaa useampia kuivureita rinnakkain. Kuivauskapasiteetti riippuu käytettävän kuivausilman lämpötilasta ja kuivattavan materiaalin kosteudesta. Fliegelin kokemuksen mukaan puuhaketta, jonka kosteus on 45% saadaan kuivattua 15%...18% loppukosteuteen n. 30m 3 tunnissa, kun kuivausilman lämpötila on +70 o C. Sähkön kulutus tämän kapasiteetin kuivurilla on yhteensä 18 kw. Tästä tehosta puhaltimien osuus on 9kW painepuolella (puhallus hakepatjan alta) ja 4kW imupuolella 10
(poistaa ilmaa hakepatjan päältä). Hydraulikoneiston teho on 5kW. Fliegelin vakio toimitus ei sisällä lämmönvaihtimia. CCM-Power Oy:n hakekuivuri Oulunsalolainen CCM-Power Oy on kehittänyt pienille lämpölaitoksille soveltuvan hakkeenkuivauslaitteen. CCM-Power Oy:n hakekuivuri on kondensoiva vastavirtakuivuri, ja sitä on saatavilla kahta mallia. Konttikuivurin (kuva alla) kuivattava polttoaine on rankahake, palakoon pituus 30-60mm, paksuus 5mm. Käyttäjä syöttää kuivurin järjestelmään arvioidun lähtökosteuden ja halutun loppukosteuden. Kuivurin ajotapa perustuu matemaattiseen malliin, ja sitä voidaan korjata optiona olevalla hakkeen kosteusmittauksella. Kuivauskapasiteetti: lähtökosteus 55% (tuore mänty) 25% loppukosteuteen n. 2,7 irtokuutiota tunnissa. Lähtökosteus 45% (tuore koivu) loppukosteus 25%, n. 4,2 irtokuutiota tunnissa. Kuivausilman lämpö tuotetaan vesi-ilma lämmönvaihtimella, veden lämpötila tässä laskelmassa on +115 o C. Kuivattava materiaali syötetään kuivurin sulkusyöttimelle, syöttävän kuljettimen tulee olla n.12 irtokuution nettokapasiteetille mitoitettu. Pienkuivurin (kuva alla) kuivausvolyymi on 0,2 irtokuutiota haketta tunnissa, kun lähtökosteus 45 % ja loppukosteus 15 %, mekaaninen kuljetuskyky on noin yksi irtokuutio tunnissa. Kuivattava polttoaine on rankahaketta, palakoko 20-60mm, paksuus 5mm. Käyttäjä syöttää kuivurin järjestelmään arvioidun lähtökosteuden, ja halutun loppukosteuden samalla tavalla kuin konttikuivurissa. Lämpöenergiana voidaan käyttää hukkalämpöä, tai se otetaan lämpöverkosta. Veden lämpötilavaatimus yli +80 C. Kuivurissa on vesi/ilma lämmönvaihdin ja putkiyhteet lämmitysveden liitynnälle. Stela GmbH Biomassakuivurit Saksalainen Stela GmbH valmistaa laajan valikoiman erilaisten biomassojen kuivaukseen tarkoitettuja kuivureita. Pienimmät laitteet ovat rakennettu perävaunuun ja niitä voi siirrellä sen mukaan missä kuivausta tehdään. Tyypillisesti pieniä kuivureita käytetään maataloudessa mm. sipulien kui- 11
vaukseen, mutta samaa tekniikkaa voidaan soveltaa myös biopolttoaineiden, kuten metsähakkeen kuivaukseen (kuva alla Stelan valmistamasta mobili kuivurista). Stelan lavakuivuri tyyppi HS Lavakuivurin osat: 1. lämmönvaihdin 2. ilmanohjain 3. puhallin 4. kuivattavan materiaalin syöttökartio 5. reijitetty kuivurin pohja 6. syöttö ja kääntöyksikkö, sekoittaa kuivattavaa massaa 7. pölynpoisto 8. poistoilma Stela GmbH:n Viirakuivuri Stela valmistaa myös mm. metsäteollisuuteen ja energian tuotantoon soveltuvia suuren kapasiteetin viirakuivureita. Kuivureita käytetään mm. puupellettien raaka-aineena käytetyn sahanpurun kuivaukseen. 12
Stela on toimittanut muun muassa Södra Mönsteråsin tehtaalle ja Mondille Itävaltaan viirakuivurin, joka haihduttaa 16,5 tonnia vettä tunnissa. Kuivausilman lämpötila laskee kuivauksen aikana 28 o C. Kuivuri on rakennettu kahdella viiralla, kuivuri on tyyppiä BT 1/6200-42 (kuva alla). Jos kuivattavan kuoren lähtökosteus on 60% kuivuri pystyy kuivaamaan sitä 49,5 tonnia tunnissa. Kuivauksen jälkeen kuoren massa on 33 tonnia ja loppukosteus 40%. Kuivurin ottoteho on 22 MW ja sähkön kulutus n. 650 kwh. Samanlainen kuivuri on rakenteilla myös Chilen Araucon. Stelan viirakuivuri on modulirakenteinen, yhden modulin pituus on 1,5m. Viiran leveys standardiratkaisussa on 6.2 metriä ja pituus määräytyy sen mukaan, miten suuri kuivauskapasiteetti halutaan rakentaa. Kuivuri rakennetaan tyypillisesti suoraan ulkoilmaan. Pintamateriaalina kuivurissa on alumiini mineraalivilla (sandwich) panelointi, joka estää lämmönhaihtumisen ja pienentää myös melua. Tyypillisiä käyttökohteita Stelan viirakuivurille ovat sahat, joissa kuivataan sahanpurua. Pellettitehtaat, joissa kuivuria käytetään puupelletin raaka-aineen kuivaukseen ja biopolttoainevoimalat. Viirakuivurissa kuivattava materiaali kuivataan lämmitetyllä ilmalla, joka imetään kuivattavan materiaalin ja viiran läpi ylhäältä alaspäin. Ilman lämmitys on taloudellisinta toteuttaa ylijäämä lämmöllä. Jos lämmitykseen käytetään ns. primäärienergiaa, ei kuivaus useimmissa tapauksissa ole taloudellisesti kannattavaa. Kuivurin lämmönlähteenä voidaan käyttää jätevesistä talteen otettua lämpöä, savukaasujen lämpöä tai höyryä. 13
Kuivurin alkupäässä on syöttöasema jossa kuivattava materiaali levitetään viiralle kahdella ruuvipurkaimella tasaiseksi matoksi. Maton paksuus on 70 140 mm, riippuen kuivattavasta materiaalista, sen palakoosta ja kosteudesta. Kuivattava biomassa kulkee viiran päällä ja sitä sekoitetaan kuivurin keskellä olevalla sekoitusrummulla. Viiran toisesta päästä kuivattu hake tai muu biomassa puretaan kuljettimelle. Materiaalin poistamisen jälkeen viira puhalletaan puhtaaksi paineilmalla. Lisäksi viira pestään automaattisesti vesipesulla kerran viikossa. Viiran puhtautta tarkkaillaan mittaamalla kuivausilman painetta sekä viiran päältä että alta. Kuivausilman lämmitys voidaan tehdä yhdessä tai useammassa vaiheessa riippuen siitä millaista lämpöä kuivaukseen on käytettävissä. Jos lämpöjakeita on useampia, käytetään kylmempi lämpö ensin kuivausilman esilämmitykseen. Sen jälkeen kuivausilman lämpötilaa nostetaan lisää joko yhdessä tai useammassa vaiheessa. Jokainen lämmitysvaihe tarvitsee oman lämmönvaihtimen ja lämmityspiirinsä sen mukaan millaista lämpöä se käyttää. Stelan viirakuivuri toimii lähes miehittämättömänä, käyttö ja huoltotarve on n. 0,1 henkilötyövuotta. /Lähde: Stela Laxhuber GmbH vierailu Stora Enson Oulun tehtaalla ja Technopolis Oy 25.2.2013 Pekka Pääkkösen muistiinpanot Sales manager Bernhard Stummer esityksestä / 3. Kapasiteetti ja tekniset vaatimukset Terminaalien tuotantovolyymin arviointiin on vertailukohtana käytetty Raahen suunnitteilla olevaa haketerminaalia, jonka tarkoituksena on hyödyntää Rautaruukin Raahen tehtaiden ylijäämälämpöä. Nykyisellään Rautaruukin ylijäämä lämmöstä 10 20 MW menee mereen. Tällä lämpömäärällä Raahen Bioterminaalikuivauslaitoksen käsittelemä ja tuottama hakemäärä olisi noin 200 000 kiintokuutiometriä vuodessa, mikä energiana on runsaat 400 gigawattituntia (GWh). 14
Raahen laitoksessa tuore metsähake kuivataan noin 50 % kosteudesta 20 prosenttiin. Kuivattu hake säilyy paremmin ja sen lämpöarvo on korkea. Kuivalla hakkeella saadaan polttokattiloista irti suurempi teho ja sen avulla parannetaan heikkolaatuisempaa polttoainetta. Terminaaliin suunniteltu kuivuri on tekniikaltaan viirakuivuri, viiranpituus 60m ja leveys 8m. Yhtään vastaavankokoista laitosta ei Sievin Biohake Oy ole rakentanut, mutta omassa käytössä heillä on pieni protolaitos jolla kuivauksen toimivuutta on testattu. Toimitusjohtaja Vilen kertoi, että hakkeen kuivauksella puun energiasisältöä saadaan nostettua 13% ja kattilahyötysuhdetta jopa 80%. /Lähde: puhelinkeskustelu 4.10.2011 Pekka Pääkkönen / toimitusjohtaja Risto Vilen Sievin Biohake Oy/ /Lähde: http://www.tem.fi/index.phtml?105033_m=105027&s=4760 Tiedotteet: 201130.12.2011 13.54 Energiatukea Raahen haketerminaalille ja Kokkolan biokaasulaitokselle / Rauman Voiman kuivuri on viiratyyppinen kuivain, ja se on otettu käyttöön vuonna 2005. Kuivuri on valmistettu yhteistyössä Raumaster Oy:n kanssa ja UPM:llä on siihen liittyviä patentteja. Uusi Rauma kaupunkilehden 14.1.2012 artikkelin mukaan on kuivaustekniikan koko investointi maksanut seitsemänmiljoonaa euroa (7 milj. ), kuivurin osuus investoinnista on 2,5 milj.. Lisähintaa investoinnille on tullut mm. 1000 metriä pitkästä putkilinjasta, jolla hukkalämpö siirretään kuivurille. Kuivurin tekniikka: Kuivurissa on kolme 40 metriä pitkää ja 4 metriä leveää kuljetin viiraa, jotka ovat päällekkäin siten että kuivattava kuori putoaa aina ylemmältä viiralta alaspäin. Kuivattavaa kuorta ladataan viiralle n. 30cm paksuinen kerros, kuivattava polttoaine kiertää viiralla n. tunnin ajan. Kuivausilma imetään kuorikerroksen läpi ylhäältä alaspäin, tällä vähennetään polttoaineen pölyämistä ja pienennetään paloriskiä. Kuivausilma lämmitetään jätevedestä lämmönvaihtimella saatavalla lämpöenergialla. - Jäteveden lämpötila on n. +55 +65 o C - Kuivausilman lämpötila on n. +40 o C +50 o C - Kuivurin kuivauskapasiteetti on karkeasti 100 i-m 3 /tunti - Polttoaineen kosteudesta saadaan n.15% poistettua - Lähtökosteus polttoaineella on n. 60% ja loppukosteus 45%...50% Raumalla toimiva Raumaster Oy on ollut mukana toimittamassa kuivurin tekniikkaa ja kuljettimia. Kuivauskokemukset Raumalla ovat olleet varsin hyviä ja tekniikka on toiminut 15
/Lähde: Pekka Pääkkösen puhelinkeskustelu UPM-Rauman Timo Pitkäsen kanssa 3.2.2012 ja Rauman voiman esite http://www.pohjolanvoima.fi/filebank/253-4064-rauman_voiman_voimalaitos.pdf/ Kokkolan energia kuivaa CHP laitoksen, jonka lämpöteho on 50 MW ja sähköteho 20MW käyttämästä hakkeesta osan asfalttikentälle rakennetulla aumakuivaimella. Kuivaus tehdään ns. panostuskuivauksella, kertapanoksen suuruus on 2000-3000 i-m 3. Kuivuri on rakennettu peräkkäin liitetyistä merikonteista joiden sisään puhalletaan Kokkolan rikkihappotehtaan sekundäärilämmöllä lämmitettyä ilmaa. Ilman lämpötila on n. +50 o C. /Lähde: Pekka Pääkkösen puhelinkeskustelu Kokkolan energian kanssa 4.10.2011/ Kuhmo Oy tuottaa polttoprikettiä sahaustoiminnassa syntyvistä sahatavaran tasauspätkistä ja sahanpurusta. Lisä raaka-aineena käytetään alueella toimivan höyläämön lastuja. Prikettejä tuotetaan kolmella puristinlinjalla joiden kapasiteetti on 1100kg 1200kg tunnissa. Kokonaisvolyymi on n. 3600kg/tunti. Priketin raaka-aine kuivataan n. 40% lähtökosteudesta 10% loppukosteuteen Itävaltalaisen Urbas Maschinenfabrik GmbH toimittamalla viirakuivurilla. Kuivausilman lämmittämiseen käytetään savukaasulauhduttimen lämpöenergiaa n. 2.8 MW teholla ja lämpökeskuksen kaukolämmön paluuvirrasta otettua energiaa 4 MW teholla. Viirakuivurin teknisiä arvoja: - kapasiteetti 33 m 3 /tunti - kuivausilman lämpötila +68 o C - alkukosteus n. 40%, raaka-aineena sahanpuru, kuivan puutavaran tasauspätkät ja höyläämön lastut - loppukosteus 10%, priketin tuotanto vaatii kuivan raaka-aineen jotta puun sisältämä lingniini sulaa ja sitoo puupartikkelit yhteen. 16
Kuhmon lämpö Oy käyttää lämmön tuotannossa polttoaineena Kuhmo Oy:n kuorijätettä. Polttoaineen kosteus vaihtelee 55%...65% välillä. Kuhmon Lämpö Oy:llä ei ole käytössä polttoaineen kuivausta. /Lähde: Pekka Pääkkösen vierailu ja neuvottelu Kuhmon Lämpö Oy, Kuhmo 21.2.2012/ Vihreäsaaren terminaali Vihreäsaaren terminaalin vuosivolyymiksi on alustavasti arvioitu 100 000 150 000 k-m 3 suuruista hakkeen ja energiapuun käyttömäärää. Kuivaukseen olisi Stora Enson Oulun tehtaalta mahdollista siirtää putkea pitkin 59 MW 123MW:n suuruinen lämpöteho. Käytettävän lämpötehon määrään vaikuttaa suuresti myös se, miten paljon Oulun tehtaan kuorikattilan yhteyteen suunniteltu kuorikuivuri käyttää vesijakeiden lämpöjä. Jonas Arolan tekemässä diplomityössä (Oulun Yliopisto 2011) on selvitetty Stora Enson Nuottasaaren tehtaan prosessien poistovesien hukkalämpöjä. Alla olevassa taulukossa on Arolan diplomityössään listaamat vesijakeiden lämmöt ja tehot kesällä ja talvella. Tässä laskelmassa on arvioitu kuinka Stora-Enso Oy:n Oulun nuottasaaren tehtaalta saatavia hukkalämpöjä voitaisiin hyödyntää mahdollisessa Vihreäsaaren bioterminaalissa hakkeen kuivaukseen. Arviossa on laskettu saatavilla oleva kuivausilma, tuotettava hake ja arvio viirakuivurin koolle. Oletuksena on kuivata tuoretta haketta, jonka kosteus on metsästä tuotuna 55 %. Haluttu tavoitekosteus hakkeella on 30 %. 17
Kaaviokuva kuivuri-lämmönvaihdinsysteemistä Lähtöarvot: Esimerkissä kuivaukseen käytetään virtaa 1, eli lämminvesisäiliön ylikaatoa. Talvella: Lämpötila 51,3 C, virtaus 15,1 l/s Kesällä: 57,3 C ja virtaus 91.1 l/s keväällä ja syksyllä virtauksen keskiarvo 53,1 l/s. Oletettu käyttöaika kuivurille vuodessa 100 % tuotantokapasiteetilla on 350 päivää. Vuosi on jaettu kolmeen osaan saatavilla olevan kuivausilman lähtölämpötilan mukaan ja tuotantopäivien on oletettu jakautuvan tasaisesti jokaiselle neljälle vuodenajalle. Lähtöilman kosteus 80% on lähellä vuotuista keskiarvoa Oulun alueella (taulukko 1.). Lämmönvaihdinsysteemin tehokkuutta on arvioitu seuraavien oletusten avulla: noin 500 m pitkä siirtoputki Nuottasaaresta Vihreäsaareen aiheuttaa arviolta kahden asteen lämpöhäviöt, tällöin ΔT2 = 14 C. Lisäksi oletetaan, että ΔT1 = 25 C 18
Taulukko 1. Lähtötietojen ja oletusten perusteella on laskettu taulukossa 2. esitetty kuivaukseen saatavilla oleva kuivausilman määrä. 19
Taulukko 2. Tuloksena saadaan käytössä olevan kuivausilman tiedot, kun kuivauslämpötilana käytetään +40 C. Kuivausilman määrä on talvella hyvin pieni verrattuna kesätilanteeseen. Sellutehtaalta saatavan lämmitysveden virtaus on talvella 15,1 l/s ja kesällä 91,1 l/s. Tästä johtuen on kuivauskapasiteetti talvella paljon huonompi kuin kesällä. Vedensitomiskyky on taas paras talvella, koska talvella ulkoilman kosteus pieni. Hukkalämmöistä saatava lämmitysenergia on Kesällä 9,54 MW Talvella 1,58 MW Keväällä ja syksyllä 5,56 MW Näillä arvoilla on laskettu miten paljon haketta voitaisiin maksimissaan kuivata haluttuun loppukosteuteen. Taulukossa 3. on laskettu hakkeen tuotanto vuodessa tonneina (kuivattu hake) ja energiasisältönä (tehollinen lämpöarvo). Tuotantopäivät on jaettu vuodenaikojen mukaan ja lisäksi on laskettu viirakuivurin pinta-ala eri mitoitusperusteilla. Pinta-alaan vaikuttaa suoraan se, kuinka paljon kuivausilmaa on saatavilla. Vuodenajan mukaan laskettu mitoitusperuste vaikuttaa merkittävästi koko kuivauslaitoksen tuotantoon. Talvella maksimituotantoon päästään pienemmällä kuivurilla, mutta kesän maksimituotantoon se ei riitä ja osa kesällä käytettävissä olevasta lämpöenergiasta jää silloin hyödyntämättä. 20
Laskennassa on käytetty kolmea eri mitoitusperustetta: Mitoitusperuste 1: Kesän maksimikapasiteetin mukaan, saadaan maksimituotanto kesällä, talvella, syksyllä ja keväällä. Mitoitusperuste 2: Talven maksimikapasiteetin mukaan, saadaan maksimituotanto vain talvella. Mitoitusperuste 3. Kevään ja syksyn maksimikapasiteetin mukaan saadaan maksimituotanto keväällä, syksyllä ja talvella. Kesällä saadaan vain kevään ja syksyn mukainen tuotanto. Sähkönkulutus eri kuivurimitoitusten mukaan. Maksimipuhalluksen teho eri ilmamäärälle Muu sähköteho arviolta 9 % Hyötysuhteen ja painehäviön suhde = 1370 Pa Hukkalämmöistä otettu lämmitysenergia on Kesällä 9,54 MW Talvella 1,582 MW Muulloin 5,56 MW Tuotettavan hakkeen määrä: Taulukko 3. Viirakuivurin arvioitu koko Viirakuivurin sähkön kulutus 21
Tuotantoarviot eri kuivurin käyttöasteilla: Realistisempi kuva terminaalin tuotannosta saadaan kun maksimituotannon, (100%) lisäksi lasketaan tuotanto myös pienemmillä käyttöasteilla. 100 % tuotannolla kaikki ilma hyödynnetään ja kuivuri käy maksimi ajan. 80 % tuotannolla vain 80 % saatavilla olevasta lämmöstä hyödynnetään, tai kuivurin käyttöaika on vain 80 % vuodesta. Vastaavasti 50% käyttöasteella puolet saatavilla olevasta lämmöstä on käytössä tai käyttöaika on 50%. Pienin tarkastelu on tehty 30% käyttöasteella. Laskennan tuloksena saadaan hakkeen määrä tonneina kuivaa haketta, jonka kosteus on 30 %. Kuivan hakkeen energiasisältö MWh, sekä tehollinen lämpöarvo kun kosteus 30 %. Kuivurin mitoitusperuste vaikuttaa maksimituotannon määrään, vuodenaikojen erot on otettu laskelmissa huomioon. Mitoitusperusteet: Mitoitusperuste 1: Kesän maksimikapasiteetin mukaan Mitoitusperuste 2: Talven maksimikapasiteetin mukaan Mitoitusperuste 3. Kevään ja syksyn maksimikapasiteetin mukaan. Lopuksi on tehty vertailu siitä, miten paljon tavanomaista luonnossa kuivattua, kosteudeltaan 45 % haketta tarvittaisiin, jotta saataisiin sama energiamäärä, kuin kosteudeltaan 30 % hakkeesta. Tuotannon käyttöasteeksi on oletettu 100 %. 22
Kemira Chemicalsin tehdasalue Laanila Kemira Chemicalsin Oulun tehtaan hakkeen kuivaukseen soveltuvista hukkalämpöjakeista paras on muurahaishappo-vesihöyry, jota olisi käytettävissä n. 2 tonnia tunnissa. Tämän energian hyödyntäminen vaatii hapon kestävän lämmönvaihtimen. Kuumien vesijakeiden lämpötilat ja tilavuusvirrat on listattu alla olevaan taulukkoon. Tässä tarkastelussa on kuivauslaitoksen kapasiteettiarviot tehty vain vesijakeiden hukkalämpöjen hyödyntämiselle. Oletuksena on kuivata tuoretta haketta, jonka toimituskosteus on sama 55 %, kuin mitä Vihreäsaaren laskelmissa on käytetty. Myös loppukosteuden tavoite on 30 % kuten Vihreäsaaressa. Lähtöarvot: Esimerkissä kuivaukseen käytetään yhdistettynä virtoja 1 ja 2: Lämpötila +102 C, virtaus 18,1 l/s Muita lähtöarvoja: Oletettu käyttöaika kuivurille vuodessa 100 % kapasiteetilla on 350 päivää. Vuosi on jaettu kolmeen osaan saatavilla olevan vesivirran lähtölämpötilan mukaan. Tuotantopäivien on oletettu jakautuvan tasaisesti jokaiselle neljälle vuoden ajalle. Lähtöilman kosteus 80% on lähellä vuotuista keskiarvoa. Lämmönvaihdinsysteemissä on tehty samat oletukset kuin aiemmassa Vihreäsaaren terminaalissa, ΔT1 = 25 C ja ΔT2 = 12 C. 23
Tuloksena saadaan käytössä olevan kuivausilman määrä ja lämpötila. Laskelmissa kuivauslämpötilana on käytetty aina +90 C. Kuivausilmaa saadaan eniten kesällä, mutta vedensitomiskyky ilmalla on taas paras talvella, koska ulkoilman kosteus on pieni. Hukkalämmöistä hyödynnettävissä oleva lämmitysenergia on 18,95 MW. Näillä oletuksilla on laskettu paljonko kosteudeltaan 55% haketta tonneina voitaisiin maksimissaan kuivata haluttuun 30% loppukosteuteen. 24
Käytettävissä oleva kuivausilman määrä: Taulukossa on laskettu hakkeen tuotanto vuodessa tonneina (kuivattu hake) ja energiasisältönä (tehollinen lämpöarvo). Tuotantopäivät on jaettu vuodenaikojen mukaan samalla tavalla kuin Vihreäsaaren laskelmassa. Haketuotannon lisäksi on laskettu viirakuivurin oletettu pinta-ala kolmella eri mitoitusperusteella sekä kuivurin sähkönkulutus. Hukkalämmöistä otettu lämmitysenergia on 18,95 MW. Laskelmassa käytetyt kolme mitoitusperustetta: Mitoitusperuste 1: Kesän maksimikapasiteetin mukaan saadaan maksimituotanto kesällä, talvella, syksyllä ja keväällä. Mitoitusperuste 2: Talven maksimikapasiteetin mukaan saadaan maksimituotanto vain talvella. Mitoitusperuste 3. Kevään ja syksyn maksimikapasiteetin mukaan maksimituotanto keväällä, syksyllä ja talvella. Kesällä saadaan vain kevään ja syksyn mukainen tuotanto. Sähkönkulutus: Maksimipuhallukselle ja ilmamäärälle Muu sähkönkulutus arviolta 9 % Hyötysuhteen ja painehäviön suhde = 1370 Pa 25
Tuotettavan hakkeen määrä: Viirakuivurin arvioitu koko: Viirakuivurin sähkön kulutus: Myös Kemira Chemicalsin alueen terminaalin kuivauksesta saadaan realistisempi näkemys, kun maksimituotannon (100%) lisäksi lasketaan tuotanto eri käyttöasteilla. Laskentaperusteena on käytetty samoja oletuksia kuin Vihreäsaaren laskelmissa, eli kuivaus 100 % tuotannolla kun kaikki ilma hyödynnetään ja kuivuri käy maksimiteholla koko ajan. 80 % tuotannolla vain 80 % saatavilla olevasta ilmasta hyödynnetään tai kuivuria käytetään vain 80 % tuotantoajasta. Puolella tuotannolla 50% hyödynnettävästä lämmöstä tai tuotantoajasta on käytössä ja 30% tuotannolla noin kolmasosa. Tuloksena saadaan hakkeen määrä tonneina kuivaa haketta, kosteus on 30 %. Kuivan hakkeen energiasisältö MWh, sekä tehollinen lämpöarvo kun kosteus 30 %. Kuivurin mitoitusperuste vaikuttaa maksimituotannon määrään, vuodenaikojen erot on otettu laskelmissa huomioon. Mitoitusperusteet: Mitoitusperuste 1: Kesän maksimikapasiteetin mukaan Mitoitusperuste 2: Talven maksimikapasiteetin mukaan Mitoitusperuste 3. Kevään ja syksyn maksimikapasiteetin mukaan. 26
Myös Kemiran alueen terminaalista on tehty vastaavanlainen vertailu siitä, miten paljon kosteudeltaan 45 %, luonnossa kuivattua haketta tarvitaan, jotta saadaan sama energiamäärä, kuin kosteudeltaan olevasta 30 % hakkeesta. Tuotannon käyttöasteeksi on oletettu 100 %. 27
Kemiran terminaalissa talvikauden mitoituksen perusteella voitaisiin tuoretta, kosteudeltaan 55% haketta kuivata 30 % loppukosteuteen maksimissaan 24909,5 tonnia vuodessa. Kuivatun hakkeen energiasisältö olisi 87928,5 MWh. Vastaavasti kosteudeltaan 45 % luonnon kuivaamaa haketta tarvitaan 33849 tonnia eli vuodessa n. 8900 tonnia enemmän, jotta vastaava energiasisältö saavutettaisiin. Kesäkauden mitoituksella voitaisiin haketta kuivata 30264,2 tonnia eli 106830,2 MWh. Tähän verrattuna 45 % haketta tarvittaisiin yli 10000 tonnia enemmän. Kevät ja syyskauden mukaan 45 % hakkeen tarve olisi yli 10000 tonnia enemmän. Stela Laxhuber GmbH:n ehdotus Kemira Chemicalsin alueen terminaaliin on viirakuivuri. Kuivurin kuivauskapasiteetti Kemiran tapauksessa on 17.8 tonnia tunnissa kosteudeltaan 60% haketta loppukosteuteen 20%. Kuivan hakkeen tuotantomäärä on n. 8,9 tonnia/tunti. Lämpöenergiaa kuivaukseen tarvitaan 9,4 MW ja kuivaukseen tarvittava sähkönkulutus on 120 kw puhaltimille ja 80 kw moottoreilla ja muille toimilaitteille. Kuivurin pinta-ala (viira) on 168 m 2. Budjetti hinta-arvio 1,2 M. /Lähde: Stela Laxhuber GmbH vierailu Stora Enson Oulun tehtaalla ja Technopolis Oy 25.2.2013 Pekka Pääkkösen muistiinpanot Sales manager Bernhard Stummer esityksestä/ Kuivaniemen terminaali Kuivaniemen asemakylä Kuivaniemen asemakylälle on suunniteltu haketerminaalia ja 2 MW:n lämpölaitoksen laitoskokonaisuutta. Tässä ratkaisussa on konekuivaukseen Kuivaniemen terminaalissa käytettävissä kesäaikana kolmen kuukauden ajan kaukolämpövettä 2 MW:n teholla, veden lämpötila +75 o C +120 o C. Syksy ja kevätkuukausina kuivaustehoa on käytettävissä keskimäärin 0,5 MW viidestä kuuteen kuukautta vuodessa. Kylmimpinä talvikuukausina tammi- ja helmikuussa ei kuivaukseen riitä lämpöenergiaa. Pöyry Finland Oy laati Kuivaniemen lämpölaitos/chp selvityksen yhteydessä arvion lämpölaitoksen yhteydessä kuivattavasta polttoainemäärästä eri toteutusvaihtoehdoilla. Taulukossa 1. on esitetty kuivattavissa olevat polttoainemäärät kullakin tarkasteluvaihtoehdolla Haketta kuivataan 45 % kosteudesta 22 % kosteuteen. 28
Oletuksena on hakkeen kuivauksessa 100 % hyötysuhde. Todellisuudessa hyötysuhde on huomattavasti tätä heikompi. Todellinen kuivattava polttoainemäärä saadaan jakamalla laskettu määrä hyötysuhteella. Suurin kuivatettava määrä saadaan vaihtoehdolla VE 1 Taulukko 1. Luvussa 2. esitellyistä kuivurivalmistajista CCM-Power Oy:n ja Fliegel GmbH:n tekniikka soveltuisi kapasiteetiltaan ja mitoitukseltaan Kuivaniemen terminaaliin. 3.1 Hukkalämmön talteenottotekniikoita Lämmön talteenoton toteutustavat Yleisesti kolme kohdetta jäteveden lämmön talteenottoon: 1. Kiinteistön sisällä ennen jäteveden päätymistä viemäriverkostoon a. teollisuuskiinteistö / -prosessi; b. liike-/asuinkiinteistö 2. Viemäriverkosto 3. Jätevedenpuhdistamo / puhdistusprosessin jälkeen Tyypillisiä kriteereitä ja ohjearvoja - Viemärin minimihalkaisija 800 mm (400 mm uudet viemärit) - Jäteveden virtaama putkessa min. 12-15 l/s; jatkuva virtaus - Lämmönsiirtimen pituus putkessa 9-200 m - Minimi lämmöntarve, 80 kw (aktiivinen) / 10 kw (passiivinen) - Matka viemäristä lämmön käyttökohteeseen enintään 200-300 m (tapauksia, joissa jopa 0,5-1 km) - Jäteveden lämpötilan lasku max 2,0 C (max. 0,5 C 24 h aikana) puhdistamolle virtaavan veden lämpötila >8 C. - Tehokkuuteen vaikuttaa mm. veden määrä, virtausnopeus (viemärin gradientti) /Lähde: Tekes VESI-ohjelma: Anne Salminen Ohjelman koordinaattori Pöyry Finland Oy Lämpöenergiaa jätevedestä teemapäivä, Oulu 8.2.2011 Lämpöä jätevesiputkistoista kokemuksia Keski-Euroopasta/ 29
Rauman Voiman Viirakuivurin käyttämä lämmön talteenotto tekniikka Rauman Voiman kuorikuivurin lämmitykseen käytettyjen jätevesien lämpöjä on ohjattu kuivurille kahdella putkella, joista toinen on tullut sellutehtaalta ja toinen paperitehtaalta. Paperitehtaan jätevesistä kuumimpia jakeita on ohjattu välisäiliöön, josta ne on edelleen pumpattu kuivurin lämmönvaihtimeen, missä lämmönvaihtimena on vedestä glykoliin levylämmönvaihdin. Lämpötilat sellun vesissä ovat olleet +60 +80 o C. Sellutehtaalta lämmöt otetaan Raumalla valkaisuviemäristä ja ohjataan kuivurin lämmönvaihtimelle sellaisenaan. Kuivauksessa pitää veden lämpötilan olla vähintään +60 o C asteista. Tätä matalammilla veden lämpötiloilla joudutaan kuivausilmaa puhaltamaan niin suuria määriä, ettei kuivaus enää ole järkevää koska puhaltimien vaatima sähkön kulutus nousee suureksi. Raumalla on lämmönvaihtimet toimittanut Tapiro Oy. Toinen toimittaja jolta löytyy vastaavia tuotteita, on Alfa Laval. Lämmönvaihtimien kestävyyteen ja materiaalivalintoihin vaikuttaa jätevesien happamuus tai lipeäpitoisuus. /Lähde: Pekka Pääkkösen puhelinkeskustelu Juhani Kinnusen kanssa 20.2.2012/ 4. Taloudellinen tarkastelu Energian kulutuksista hakkeen kuivauksessa on saatu tietoja eri kuivurivalmistajilta. Kuivausenergian sähkönkulutus viirakuivureissa on keskimäärin 20,26 kwh /kuivattu haketonni. Lämmönkulutus on vastaavasti 0,58 MWh/kuivattu haketonni. Yhteensä viirakuivurin energiakulutus (sähkö ja lämpö) on keskimäärin 0,60 MWh/kuivattu haketonni. Toisenlaiseen tekniikkaan perustuvilla kuivureilla sähkönkulutus on 10kWh/tonni ja lämmönkulutus 0,35 MWh/kuivattu haketonni. Energian kulutuksen keskiarvoksi tulee 0,36 MWh/tonni. Lasketut energiankulutukset perustuvat vain muutamaan kuivuriin ja kuivurinvalmistajan antamaan energian kulutukseen. Tulosten epävarmuutta lisää vielä se, ettei ole tiedossa millaisissa olosuhteissa kulutusarvot on mitattu, tai ovatko ne pelkkiä arvioita. Ville Kankaan diplomityössä (Oulun Yliopisto 2012) saadaan viirakuivurille 0,245 MW sähkötehon tarve ja 9,53 MW lämpöteho. Kuivauksen volyymi on 90 i-m 3 /tunti (36 tonnia/tunti) lähtökosteudesta 60% loppukosteuteen 40%, mikä tarkoittaa n. 24 tonnia kuivaa haketta tunnissa. Tuotetun polttoaineen vaatima sähkön kulutus on 0,01MWh/tonni ja lämpöenergian tarve 0,4 MWh/tonni. Näiden kahden eri tarkastelun tuloksena kokonaisenergian kulutus viirakuivurissa on välillä 0,4 MWh 0,60MWh/tuotettu haketonni. Toinen tapa tarkastella energian kulutusta on laskea lämmön ja sähkön kulutus per haihdutettu vedenmassa (MWh/haihdutettu vesitonni). Tällä laskutavalla voi vertailla kuivaukseen tarvittavaa energiamäärää riippumatta siitä, mikä on lähtökosteus ja haluttu loppukosteus. Kuivurivalmistajilta saatujen tietojen perusteella viirakuivureiden energiankulutus haihdutettua vesitonnia kohti on keskimäärin 1,32 MWh. Sähkön kulutuksen keskiarvo on 44,34 kwh/haihdutettu vesitonni ja lämmöntarve 1,28 MWh/haihdutettu vesitonni. Toisenlaiseen tekniikkaan perustuvien konttikuivurien energiankulutus on 1,55 MWh/haihdutettu vesitonni, josta sähkön osuus on 77,4 kwh/haihdutettu vesitonni. Tarkastelun kohteena on ollut vain kahden toimittajan kuivurista saatavilla olevat tiedot, mikä lisää tulosten epävarmuutta. Vedenhaihdutus maksaa viirakuivurissa keskimäärin 11,27 /haihdutettu vesitonni ja muissa kuivureissa 16,27 /haihdutettu vesitonni. Sähkön osuus on 4,88 (viirakuivuri) ja 8,51 (muu tekniikka). Vastaavasti lämpö on 6,39 (viira) ja 7,75 (muut kuivurit). Sähkön ja lämmön kulutustietoja ei kaikista kuivureista ollut saatavilla. 30
Kuivurivalmistajien antamien tietojen perusteella näyttäisi hakkeen kuivauskustannus energiayksikköä kohti laskettuna olevan 1,63 /MWh ja 4,53 /MWh välillä tuotettua hake megawattituntia kohti. Laskennassa sähkön hintana on käytetty 110 /MWh ja lämmönhintana 5 /MWh. 5. Kustannukset Kuivan hakkeen tuotantokustannuksia ei olemassa olevista terminaaleista ole saatavilla. Oulun seudulle, joko Kemiralle tai Vihreäsaareen rakennettavan terminaalin kuivan hakkeen tuotantokustannukset on arvioitu hankkeen aikana tehdyllä laskentamallilla. Kustannukset on laskettu ja arvioitu Oulun seudun energiapuun hinta, kuljetus ja tukioletuksilla: 31
Niin kuin laskelmasta käy ilmi, pitää kosteudeltaan 25% hakkeesta maksettava asiakashinta olla vähintään 25 /MWh jotta toiminta olisi kannattavaa. Tällä hinnalla kate jää vielä alle 3%:n. Kuivauksen osuus kokonaiskustannuksista on keskimääräisellä kuivauskustannuksella 8,1%, eli samaa luokkaa kuin hakkeen kuljetus ja haketuskustannus. Merkittävin kuluerä haketuotannossa on raakapuun hankinta ja kuljetus n. 36% kuluista sekä pääomakulut 18,8%. Kuivauskustannuksissa pitää muistaa että laskelma perustuu siihen oletukseen että kuivauksessa käytettävä lämpöenergia on hukkalämpöä. Verkosta ostettavalla kaukolämmöllä ei hakkeen kuivausta saada kannattavaksi. Jo lämmönhinnalla 10 /MWh, nousee kuivauskustannuksen osuus 3,66 /MWh. Hakkeen nollakatehinta on silloin 26,4 /MWh ja kuivauksen osuus kuluista 10,1%. 6. Kuivurin hankintaprosessin kuvaus Tarvekartoitus Biopolttoaineen kuivauksen tärkein kysymys on, miksi kuivausta kannattaa tehdä? 1. Mikä on kuivattavan biopolttoaineen määrä? 2. Mitä varten kuivausta halutaan tehdä? Tehostetaanko kuivauksella oman energiatuotannon hyötysuhdetta vähentämällä polttoaineen käyttöä? Lisätäänkö kuivauksella laitoksen energiatehokkuutta ottamalla hukkalämmöt käyttöön? Saadaanko jokin jätemateriaali käytettyä energialähteeksi kuivaamalla? Onko kuivaus kaupallista toimintaa? 3. Taloudellinen tarkastelu Miten suuren investoinnin kuivauksella säästetyillä polttoainekustannuksilla pystyy kattamaan? Paljonko enemmän markkinoilla ollaan valmiita maksamaan laadukkaammasta polttoaineesta jos kuivausta tehdään kaupalliseen käyttöön? Käytettävissä oleva energia Miten kuivaukseen käytettävä energia tuotetaan? 1. Kuivaukseen on käytettävissä hukkalämpöä, selvitä: Miten paljon ja minkä lämpöistä energiaa on saatavilla? (m 3 /h, o C) Täytyykö hukkaenergiasta maksaa? Onko lämpöenergia vedessä vai ilmassa? Ovatko lämpöjakeet puhtaita, vai sisältävätkö ne hankalia epäpuhtauksia, kuten rikkiä, suoloja, happoja, nokea tms. Saadaanko koko energia yhdestä lähteestä, vai joudutaanko eri lähteitä yhdistelemään? 2. Kuivaus tehdään primäärienergialla, selvitä: Energian hinta? Tuotetaanko energia pelkästään kuivausta varten, vai saadaanko osa siitä yhteistuotannon kautta? Voidaanko energia tuottaa kuivattavalla biopolttoaineella? Laitevalinnat Kuivuritekniikan valintakriteerit: 1. Käytettävissä oleva energia (määrä ja laatu). 2. Kuivattavan bioenergian määrä/vuosi. 32
3. Tarve, tuleeko kuivuri omaan käyttöön vai kaupalliseen käyttöön. 4. Onko olemassa olevaa laitekantaa mahdollista hyödyntää kuivauksessa. 5. Investoinnin takaisinmaksuaika. Kuivauskapasiteetti 1. Kuivauskapasiteetti käytettävissä olevalla energialla? Kapasiteettiin vaikuttavat tekijät: Biopolttoaineen lähtökosteus Polttoaineen haluttu loppukosteus Ulkoilman lämpötila Paljonko käytettävissä olevalla energialla voi haihduttaa vettä tunnissa (tonni/h) Käytettävissä olevalla energialla tuotettavan kuivausilman määrä (kg/h) 2. Kuivauslaitoksen käyttöaste? Toimiiko laitos koko ajan (24/7) vai osan aikaa vuorokaudesta. Miten paljon energiaa on saatavilla eri vuodenaikoina. Kuivauslaitteen (kuivurin) määrittely 33
Materiaalin käsittelyn rajapinnat 34
7. Hakkeen kuivauksesta tehtyjä tutkimuksia ja opinnäytetöitä Kokkolan Energian aumakuivauksesta on tehty diplomityö, Tero Haikonen Teknillisen Korkeakoulun energiatekniikan ja talouden osasto 2005. Työn tilaajana on ollut Kokkolan Energia ja teollisuusministeriö Motiva Oy:n kautta. http://www.motiva.fi/files/247/tutkimus_biopolttoaineiden_aumakuivauksesta.pdf Metsähakkeen jalostusarvon nostaminen eri kuivausmenetelmillä: Diplomityö tehtiin Hyötypaperi Oy:lle, jonka liiketoimintaan kuuluvat materiaalien kierrätys ja uusiokäyttöön toimittaminen sekä kiinteiden bio- ja kierrätyspolttoaineiden valmistus. https://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/37417/nbnfi-fe200804171245.pdf?sequence=3 Diplomityö aloitettiin kesällä 2007 ja se saatiin valmiiksi marraskuussa 2008. Lappeenrannan teknillinen yliopisto Konetekniikan osasto Jarno Föhr Biopolttoaineen kuivauksen mahdollisuudet parantaa energiatehokkuutta metsäteollisuuden CHP-tuotannossa: Väitöstyössä esitetään tuloksia ja johtopäätöksiä tutkimusprojektista, jossa on tutkittu yhdistetyn sähkön ja lämmöntuotannon (CHP tuotanto) energiatehokkuuden parantamista biopolttoaineen kuivauksen avulla integroidussa sellu- ja paperitehtaassa. Teknillinen korkeakoulu, Konetekniikan osasto, Energiatalouden ja voimalaitostekniikan laboratorio 2007 Henrik Holmberg http://lib.tkk.fi/diss/2007/isbn9789512286492/isbn9789512286492.pdf Biomassan energia-arvon nostaminen sekundäärilämmöllä kuivaamalla: Tämä tutkimus aloitettiin syksyllä 2009 ja se kuului osana Stora Enson toimeksiannosta biopolttoaineiden kuivaushanke-projektiin ja sen esiselvitystyövaiheeseen. Pro gradu tutkielma https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/26479/ahtila.pdf?sequence=1 Olli Ahtila Helsingin yliopisto Maataloustieteiden laito Helsinki 2010 Biomass Drying and Dewatering for Clean Heat & Power September 2008 Carolyn J. Roos, Ph.D. WSU Extension Energy Program http://www.chpcenternw.org/nwchpdocs/biomassdryinganddewateringforcleanheatandpower. pdf Biopolttoaineen kuivaus voimalaitoksessa Jussi Alpua, diplomityö Tampereen Yliopisto Konetekniikan koulutusohjelma 2011 http://dspace.cc.tut.fi/dpub/bitstream/handle/123456789/20875/alpua.pdf?sequence=3 Hukkalämpöjen hyödyntäminen biomassan kuivauksessa Ville Kangas, diplomityö Oulun Yliopisto Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto 2012 35