Harvesterin sahauspurun kaasutus Teemu Vilppo (UEF), Hannu Vilkkilä (JAMK) 20.3.2013 Raportti harvesterin sahauspurun termisestä kaasuttamisesta myötävirtakaasuttimella.
Sisällysluettelo 1. Yleistä... 3 2. Raaka-aine... 3 3. Menetelmät... 4 3.1 Kaasuttimen käyttöparametrit... 5 3.2 Lyhyt kuvaus käytöstä... 6 4. Tulokset... 6 4.1 Tuotekaasun ominaisuudet... 8 4.2 Muut tuotteet... 14 4.3 Saanto... 14 4.4 Kosteus... 15 5. Yhteenveto... 16 6. Jatkokokeet... 16 Tuotekaasu dualfuel polttoaineena diesel moottorissa... 16 Viitteet... 20 2
1. Yleistä Harvesterin sahauspurua syntyy kaatosahauksesta ja puunrungon katkonnasta n. 0,5 % rungon tilavuudesta. Tämä tarkoittaa yhdellä motoketjulla noin 350 kiinto-m 3 /v puumäärää joka on raportissa kuvattavilla tavoilla hyödynnettävissä. Purun saantoa lisää, mutkien poistot, tyvilahon lumppaukset ja lyhyen puutavaralajien katkonta. Kun harvesterin tuntituotos on 20 m 3 /h ja sahaussauma on 10 mm, niin purua syntyy 0,1 m 3 /h (n. 0,3 im 3 ) kaatosahauksesta ja puunrungon katkonnasta. Puuta ja muuta hiilipitoista materiaali on muutettu kaasumaiseen muotoon jo toista vuosisataa. Edellinen suuri käyttötrendi liikennepolttoaineina oli 1940-luvulla[1], joka hiipui edullisten fossiilisten polttoaineiden saatavuuden parantuessa. Kaasutusta käytetään polttolaitosmittakaavassa lähinnä lämmöntuotantoon ja jätteiden hävityksessä[2]. Nyttemmin on herännyt mielenkiinto pienen kokoluokan kaasuttimiin hiilineutraalin, tai jopa hiiltä sitovan, pienen kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Mikäli käytetään polttomoottoriteknologiaa, nämä ratkaisut ovat tyypillisesti kipinäsytytteisiä yksipolttoaine ratkaisuja. Kaasutuksen tuotekaasu soveltuu myös dieselmoottoreihin dualfuel ratkaisuna, jossa pieni dieselmäärä tarvitaan polttoaineseoksen sytyttämiseen. 2. Raaka-aine Kaasutuskokeessa kaasutettiin Ponsse harvesterin ketjusahan purua joka oli kuivattu JAMK Hannu Vilkkilän patentoimalla purukuivurilla[3]. Kuva 1. Purunsynty Autio Heikki 3
Mekrijärven kaasutustutkimuksessa käytössä oleva kaasutin on Leader+ Bioenergiaa kaasutuksesta hankkeessa kehitetty, Ilomantsin kunnan kaasutustutkimuskäyttöön lainaama pellettikäyttöön mitoitettu myötävirtakaasutin. Harvesterin sahauspuru (puunrungon katkaisu teräketjulla) on puun putkisolujen poikkipinnan mukaisesti leikattu lastu. Partikkelin koko ja muoto on edullinen kuivata nopeasti tehokkaasti jatkuvatoimisella vastavirtauskuivausmenetelmällä. Partikkeli on lastumainen ja lastujen väliin jää runsaasti ilmaa, mikä edesauttaa kosteuden sitoutumista kuivausilmaan sekä virtausta purupatjan läpi. Purun tilavuuspaino on n. 200 kg/m3 ja on kuivattavissa vastavirtauskuivausmenetelmällä kasvukosteudesta (n. 50 %) nopeasti alle 20 % kosteuteen. Harvesterin hukkaenergiassa on paljon kuivauspotentiaalia, dieselmoottorin hyötysuhde n. 40 % ja loppu on lämpöenergiaa, hydrauliikka tuottaa myös lämpöä. Kuva 2. Harvesteripää purunkeräimellä ja kuivurilla kaivurikokoonpanossa. Hannu Vilkkilä 2013 3. Menetelmät JAMK Hannu Vilkkilä toi kokeeseen harvesterin katkonnassa syntynyttä ja edellä kuvatulla menetelmällä kuivattua lehtipuu harvesterin sahauspurua (kuvassa 2 vasemmalla), jossa pääosa oli haapaa ja leppää. Toinen erä oli kosteudessa 18% ja toinen kosteudessa 32% 4
Kuva 3. Erilaisia puruja, vasemmalta oikealla harvesterin 10mm sahauspurua, keskellä käsimoottorisahan purua ja oikealla sirkkelin purua. Hannu Vilkkilä 2013 Kaasutus tehtiin Mekrijärven tutkimuskaasuttimella (Kuva 3), joka on pelletin käyttöön mitoitettu myötävirtakaasutin kaasun puhdistus ja lauhdutuslinjastolla ja FTIR kaasuanalysaattorilla. Kaasutuksen perusteisiin voi tutustua FAOn raportissa kaasutuksesta [1] 3.1 Kaasuttimen käyttöparametrit Kaasutinta käytettiin ilmansyötöllä 150l/min ja lyhyesti testattiin syöttöä 120l/min erän 2 ja 3 kohdalla ja 300l/min erän 3 kohdalla. Sähköhäiriö katkaisi käytön testin 4 kohdalla jota ajettiin 150l/min syötöllä. Muutoin kaasutinta käytettiin normaalisti työohjeen mukaan. Kaasun koostumusta mitattiin Gasmet DX-4000 FTIR analysaattorilla jossa on ZrO 2 happianturi ja mittausputkesta tuotekaasusta mitattiin kosteutta ja lämpötilaa. Ulkolämpötila oli noin -8 C ja tuulta oli jonkin verran (Kuva3). 5
Kuva 4: Kaasutus laitteisto Alpo Hassinen 3.2 Lyhyt kuvaus käytöstä Kaasutin sytytettiin pienellä mäntyhake panoksella ja tuohella. Sytytyksen jälkeen lisättiin noin ½ polttoainepanosta harvesteripurua kosteudessa 18%. Kaasuttimen toiminta jatkui ongelmitta, mutta polttoainetta riitti vain lyhyeen toimintaan. Polttoaineen pienen irtotiheyden vuoksi polttoaine paloi arinaan saakka, ennen kuin polttoainepesän kannen lämpötilasensori ehti reagoida tähän. Polttoainetta lisättiin täysi panos ja toisen kerran kun ensimmäinen oli palanut arinaan saakka. Lisäksi testattiin polttoainetta kosteudessa 32%, mutta kontissa ilmeni sähköhäiriö ennen kuin kaasutus saatiin loppuun. Laitteisto toimi ilmansyötön alarajalla ja 120l/min syötön tasaisuudessa oli ongelmia. Paine pysyi hyvin käyttöparametreissa ja eikä tukkeumia ilmennyt. Polttoaine virtasi ongelmitta kaasuttimessa. 4. Tulokset Kaasutus tehtiin 5:erässä erilaisilla ilman syöttönopeuksilla. Koska harvesterin sahauspurun irtotiheys on noin 1/3 pelletin irtotiheydestä, jouduttiin panosta täyttämään huomattavasti useammin kuin pellettiä polttoaineena käytettäessä. Taulukossa 1 on kuvattu polttoaineen ja ilman kulutustietoja ja prosessi on yksityiskohtaisemmin tarkasteltavissa Kuvaajasta 1. 6
1,6kg / 13 min 10s (790 s), ilmaa 140 l/min keskimäärin (asetus 150l/min) 2,6kg /12min 50s min (770 s), ilmaa 130l/min keskimäärin (asetuksia 150l/min ja 120l/min) 1,75kg / 15min 37s (937 s), ilmaa 130 l/min keskimäärin (asetuksia 120l/min ja 150l/min) 2,65kg / 10min, 38s (638 s), ilmaa 198l/min keskimäärin (asetuksia 300l/min, 150l/min ja 120l/min) 2,9kg / 10 min 6s (606 s), ilmaa 140l/min keskimäärin (asetus 150l/min, mittaustiedot häiriöön saakka) Taulukko 1: Polttoaineen(PA) kulutustietoja Polttoaine (kg) 1 Aika (s) 2 Keskim. ilmaa l/min 3 Ilmaa kg PA l ilmaa / (total l) 4 /h 5 kg PA 6 Huom 1.6 790 140 1843 7.29 1152 Sytytyserä 2.6 770 130 1668 12.16 642 1.75 937 130 2030 6.72 1160 2.65 638 198 2105 14.95 794 2 606 140 1414 11.88 707 Todellinen PA erä 2,9 kg, ajo kesketyi sähköhäiriöön 1 Erässä syötetyn polttoaineen määrä 2 Aika joka erän kaasuttamiseen kului 3 Erän aikana keskimäärin minuutissa kuluneen ilman määrä 4 Montako litraa ilmaa polttoaine-erän kaasuttamiseen kului 5 Polttoaineen kulutuksen vertailuun erien välillä polttoaineen kulutus on muutettu muotoon montako kiloa polttoainetta kuluisi tunnissa kyseisen erän asetuksilla jos kaasutus kestäisi tunnin 6 Ilman kulutuksen vertailuun erien välillä ilman kulutus on muutettu yhden kilon polttoaineen kaasuttamisen vaatamaksi ilmamääräksi. Taulukossa 1 ilmamäärien erilaisuus selitty erän sisällä vaihtelevilla syöttöilman nopeuksilla, joka merkittävästi vaikuttaa prosessin kuluttamaan ilmamäärään. Kuvaaja 1: Syöttöilman ja tuotekaasun perustiedot 7
4.1 Tuotekaasun ominaisuudet Kaasutuksessa muodostuu tuotekaasua joka on palava, häkäpitoinen kaasuseos. Pääkomponentit, ilmoitettuna kuivassa kaasussa, ovat typpi (N 2 ), häkä (CO), Vety (H 2 ), hiilidioksidi (CO 2 ) joita on kaasussa tyypillisesti kymmeniä prosentteja joiden lisäksi pääkomponentteihin on syytä lukea happi (O 2 ) ja metaani(ch 4 ) joita on kaasussa muutamia prosentteja. Lisäksi kaasussa on muita hiilivetyjä yhteensä 1%. Kaasu ei ole kuitenkaan kuivaa vaan se on kyllästetty vedellä, eli kosteutta voi olla kymmeniä prosentteja, ja siitä tiivistyy kosteutta aina kun sitä jäähdytetään. FTIR analysaattorin laimennetussa kaasussa on pääkomponenttianalyysin osalta laimennoksesta johtuvia teknisiä ongelmia, joiden tausta on selvityksen alla. Hapen, häkäkaasun hiilidioksidin pitoisuudet eivät ole luotettavia. Tuloksia voi vertailla keskenään ja hiilivetydata on luotettavaa, johtuen riittävän alhaisesti todellisesta mitatusta pitoisuudesta. Laimennoskerrointa mitataan aktiivisesti mittaamalla tuotekaasun syöttöpainetta laimentimella. Laimennos kertoimen, joka on noin 1:8, vaikutusta voi tarkastella kuvaajien 2 ja 3 erossa, huomaa asteikko. Happi mittaus soveltuu vain hyvin mataliin CO pitoisuuksiin, koska suuressa hakäpitoisuudessa, erityisesti pieni, mutta myös laimennosilman happi palaa 600 C ZrO2 kennon pinnalla hiilidioksidiksi ja antaa täten harhaisen alhaisen happipitoisuuden. Kuvaajassa 2 on katkoviivoilla kuvattu hapen mitattu ja laimennossuhteesta laskettu pitoisuus. 8
Kuvaaja 2: Laimennoskertoimella korjatut pääkomponentit ja happi (%) Kuvaaja 3: Mitatut pääkomponenttien pitoisuudet ilmalla laimennetusta kaasusta (%) 9
Taulukoissa 2 ja 3 on ensimmäisen, 1152l ilmaa / kg polttoainetta, erän pääkomponenttien ja hiilivetyjen pitoisuuksia. Kuvaajassa 2 sivulla 8 ja kuvaajissa, 4 ja 5 sivulla 12 on merkittynä Erä 1. Taulukko 2: Erästä 1, 1,60 kg polttoainetta tuotetun tuotekaasun pääkomponentti koostumus pääkomponentti siis viitannee noihin mitä aineita kaasussa oli (hiilidioksidi, hiilimonoksidi ja metaani)? Hiilidioksidi CO 2 (vol-%) Hiilimonoksidi, häkä CO (vol- %) Mediaani 6.68 3.58 0.32 Metaani CH 4 (vol- %) Keskiarvo 6.76 3.47 0.30 Tasattu 1 keskiarvo (- 20%) 6.76 3.47 0.30 SD 2 0.292 0.191 0.061 CV% 3 4.3 % 5.5 % 20.3 % Min 4 6.49 3.09 0.24 Max 5 7.24 3.66 0.41 Mittauksia 6 7 7 7 1 Tasattu keskiarvo jossa 10% kummankin ääripään (pienistä ja suurista)arvoista on poistettu ennen keskiarvon laskentaa 2 SD; keskihajonta (Standard deviation) 3 CV%; Suhteellinen keskihajonta (Coefficient of variation) ilmoitettuna prosenttina 4 Min; pienin arvo mittauksista 5 Max: Suurin arvo mittauksista 6 Mittausten lukumäärä (1 mittaus minuutissa) Taulukko 3: 1, 1,60 kg polttoainetta tuotetun tuotekaasun hiilivetykomponentti koostumus Etaani C 2 H 6 ppm Etyleeni C 2 H 4 ppm Asetyleeni C 2 H 2 ppm Bentseeni C 6 H 6 ppm Mediaani 431 2226 596 297 195 Keskiarvo 444 2105 594 327 177 Tasattu 1 keskiarvo (- 20%) 444 2105 594 327 177 SD 2 76 219 86 201 134 CV% 3 0.2 0.1 0.1 0.6 0.8 Min 4 375 1786 455 0 0 Max 5 603 2288 735 681 386 Naftaleeni C 10 H 8 ppm Mittauksia 6 7 7 7 7 7 1 Tasattu keskiarvo jossa 10% kummankin ääripään (pienistä ja suurista)arvoista on poistettu ennen keskiarvon laskentaa 2 SD; keskihajonta (Standard deviation) 3 CV%; Suhteellinen keskihajonta (Coefficient of variation) ilmoitettuna prosenttina 4 Min; pienin arvo mittauksista 10
5 Max: Suurin arvo mittauksista 6 Mittausten lukumäärä (1 mittaus minuutissa Taulukoissa 4 ja 5 on tasaantuneen 18% kosteudessa olevan polttoaineen erien 2,3 ja 4, 642, 1160, ja 794 l ilmaa / kg polttoainetta tuotetun tuotekaasun, erien yhdistetyt pääkomponenttien koostumus. Kuvaajassa 2 sivulla 8 ja kuvaajissa, 4 ja 5 sivulla 12 merkittynä on Erät 2-4. Taulukko 4: Erien 2, 3 ja 4, yhteensä 7,1kg pääkomponentti data Hiilidioksidi CO 2 (vol-%) Hiilimonoksidi, häkä CO (vol- %) Metaani CH 4 (vol- %) Mediaani 6.89 4.57 0.49 Keskiarvo 6.91 4.61 0.46 Tasattu 1 keskiarvo (- 20%) 6.93 4.67 0.49 SD 2 0.62 1.13 0.15 CV% 3 0.09 0.24 0.32 Min 4 4.71 0.98 0.00 Max 5 8.07 6.39 0.65 Mittauksia 6 29 29 29 1 Tasattu keskiarvo jossa 10% kummankin ääripään (pienistä ja suurista)arvoista on poistettu ennen keskiarvon laskentaa 2 SD; keskihajonta (Standard deviation) 3 CV%; Suhteellinen keskihajonta (Coefficient of variation) ilmoitettuna prosenttina 4 Min; pienin arvo mittauksista 5 Max: Suurin arvo mittauksista 6 Mittausten lukumäärä (1 mittaus minuutissa Taulukko 5: Erien 2, 3 ja 4, yhteensä 7,1kg polttoainetta tuotetun tuotekaasun hiilivetykomponentti koostumus Etaani C 2 H 6 ppm Etyleeni C 2 H 4 ppm Asetyleeni C 2 H 2 ppm Bentseeni C 6 H 6 ppm Mediaani 498 2445 559 439 153 Keskiarvo 500 2450 505 423 173 Tasattu 1 keskiarvo (- 20%) 507 2553 514 427 152 SD 2 203 755 220 171 166 CV% 3 0.4 0.3 0.4 0.4 1.1 Min 4 0 34 15 13 0 Max 5 993 3705 976 756 738 Mittauksia 6 29 29 29 29 29 Naftaleeni C 10 H 8 ppm 1 Tasattu keskiarvo jossa 10% kummankin ääripään (pienistä ja suurista)arvoista on poistettu ennen keskiarvon laskentaa 2 SD; keskihajonta (Standard deviation) 3 CV%; Suhteellinen keskihajonta (Coefficient of variation) ilmoitettuna prosenttina 4 Min; pienin arvo mittauksista 11
5 Max: Suurin arvo mittauksista 6 Mittausten lukumäärä (1 mittaus minuutissa Taulukoissa 6 ja 7 on viimeisen 32% kosteudessa olevan polttoaine erän, noin 700 l ilmaa / kg polttoainetta, pääkomponenttien ja hiilivetyjen pitoisuuksia. Kuvaajassa 2 sivulla 8 ja kuvaajissa, 4 ja 5 sivulla 12 on merkittynä Erä 5. Erän 5 käyttö keskeytyi kontissa ilmanneeseen sähköhäiriöön (vikavirtasuojan laukeaminen). Taulukko 6: Erän 5, 2,9kg, kosteus 32% pääkomponetti data Hiilidioksidi CO 2 (vol-%) Hiilimonoksidi, häkä CO (vol- %) Metaani CH 4 (vol- %) Mediaani 9.72 5.75 0.51 Keskiarvo 10.07 5.75 0.51 Tasattu 1 keskiarvo (- 20%) 9.98 5.78 0.49 SD 2 1.952 1.564 0.226 CV% 3 19.6 % 27.1 % 45.7 % Min 4 7.66 3.58 0.23 Max 5 13.17 7.70 0.91 Mittauksia 6 10 10 10 1 Tasattu keskiarvo jossa 10% kummankin ääripään (pienistä ja suurista)arvoista on poistettu ennen keskiarvon laskentaa 2 SD; keskihajonta (Standard deviation) 3 CV%; Suhteellinen keskihajonta (Coefficient of variation) ilmoitettuna prosenttina 4 Min; pienin arvo mittauksista 5 Max: Suurin arvo mittauksista 6 Mittausten lukumäärä (1 mittaus minuutissa Taulukko 7: Erän 5, 2,9kg, kosteus 32% hiilivetykomponetti data Etaani C 2 H 6 ppm Etyleeni C 2 H 4 ppm Asetyleeni C 2 H 2 ppm Bentseeni C 6 H 6 ppm Mediaani 960 2454 380 595 366 Keskiarvo 1000 2817 493 702 297 Tasattu 1 keskiarvo (- 20%) 927 2769 471 693 306 SD 2 531 903 268 355 201 CV% 3 0.6 0.3 0.6 0.5 0.7 Min 4 423 1867 229 252 0 Max 5 2161 4155 934 1228 526 Mittauksia 6 10 10 10 10 10 Naftaleeni C 10 H 8 ppm 1 Tasattu keskiarvo jossa 10% kummankin ääripään (pienistä ja suurista)arvoista on poistettu ennen keskiarvon laskentaa 2 SD; keskihajonta (Standard deviation) 12
3 CV%; Suhteellinen keskihajonta (Coefficient of variation) ilmoitettuna prosenttina 4 Min; pienin arvo mittauksista 5 Max: Suurin arvo mittauksista 6 Mittausten lukumäärä (1 mittaus minuutissa Kuten kuvaajista 2, 4 ja 5 voidaan todeta, kun kaasuttimen toiminta keskeytyy, laskee häkä, vety ja hiilidioksidi pitoisuudet nopeasti, mutta matalammassa lämpötilassa muodostuvien happea sisältävien pienten hiilivetyjen pitoisuudet alkavat nopeasti nousta. Tämä on viittaa myös tervojen muodostumiseen. Tätä voisi yhteenvedossa pohtia onko hyvä vai paha asia Kuvaaja 4: Hiilivetyjen pitoisuudet ilmalla laimennetusta kaasusta (ppm) 13
Kuvaaja 5: Happea sisältävät hiilivedyt ja ammoniakki (ppm) 4.2 Muut tuotteet Tuotekaasun lisäksi kaasutuksessa muodostuu kaasua jäähdytettäessä lauhdetta, joka on pääosin vettä, mutta sisältää myös pieniä vesiliukoisia hiilivetyjä, kuten etikkaa. Kaasutustuhkassa on huomattava määrä hiiltä, tyypillisesti noin 50-80% kaasutustuhkasta. Lentotuhka on kaasun mukana sykloniin lentänyttä tuhkaa. Lauhdetta 1,4l Tuhkaa arinan alla 338,54g Lentotuhkaa 131,30g 4.3 Saanto Saanto, eli mitä sisään syötetyistä polttoaineesta ja ilmasta saadaan. Polttoaine koostuu energiaa sisältävästä kuiva-aineesta, tuhkasta joka sisältyy kuiva-aineeseen ja polttoaineen kosteutena olevasta vedestä. Kaasutuksessa vesi kuitenkin reagoi (kaava 1 mukaisesti) pelkistävässä hehkuvassa hiilivyöhykkeessä hiilen kanssa jossa muodostuu pääosa häkä ja vetykaasuista.. Ilma on käsitelty Taulukossa 1 ja tuotekaasua laajemmin kappaleessa 4.1. Kaava 1 C + H 2 O CO + H 2 14
Syötetty polttoaine Syötetty kuiva puru (18%) 1,6kg 2,6kg 1,75kg 2,65 Polttoainetta kosteudessa 18% yhteensä 8,6 kg josta kuiva-ainetta 7,05kg. Syötetty kosteampi puru (32%) Polttoainetta kosteudessa 32% 2,9kg, josta kuiva-ainetta 1,97kg. Yhteensä kaikkiaan polttoainetta 11,50kg, josta kuiva-ainetta 9,02kg ks. edellä Kaasutusjäännökset harvesteripurusta - tulipesä tuhka 338,54 g - sykloni tuhka 131,30 g - jäähdyttimen näyte pullo < 1,4l PH 4,47 Polttoaineesta jäänyt kiinteä ja nestemäinen aines yhteensä 1870g. Tuhkaa 469,84g 4,1% tuhkaa polttoaineesta 5,2% tuhkaa kuiva-aineesta Kokeessa muodostui suhteellisen paljon hiiltä sisältävää kaasutustuhkaa, koska kaasutinta ei ole optimoitu purulle. Määrä ei kuitenkaan ole häiritsevän suuri. Muodostunut kaasutustuhka sisältää käytetyn puuaineen ravinteet jonka lisäksi siinä on hiiltä joka tyypillisesti parantaa maaperän ominaisuuksia, joten se kannattaa palauttaa maaperään. 4.4 Kosteus Polttoaine sisälsi kaikkiaan 2,48kg vettä kosteutena. Kaasutuksessa lauhdetta muodostui 1,4l. Syöttöilmassa ja tuotekaasussa kosteutta poistui vain joitakin grammoja ja se voidaan jättä käytännössä huomiotta. Kadonnut vesi on muuttunut vedyksi ja hiililimonoksidiksi reagoidessaan Kaavan 1 mukaisesti hiilen kanssa kaasuttimen pelkistysvyöhykkeessä. 2,48 kg kosteutta polttoaineessa - Syöttöilmassa kosteutta kaasutukseen noin 0,010 kg (10 g) Lauhdetta <1,4kg Kosteuspoistuma kaasussa 0,033 kg (33 g) 15
Lauhdetta muodostuu vähemmän kuin polttoaineessa on kosteutta. Harvesterin tapauksessa muodostuva ylijäämäkosteus kannattaa hyödyntää tuhkan tukahduttamisessa. 5. Yhteenveto Harvesteripuru toimi odotuksiin nähden erinomaisesti pelletille mitoitetulla kaasuttimella. Yleisenä havaintona harvesteripurun virtaavuus polttoainetilassa oli erinomainen ja kaasutus tapahtuma eteni tasaisesti ja tuotti hyvin palavaa kaasua. Materiaalin pieni irtotiheys johti hieman pelletistä poikkeavaan toimintaan polttoaineen loppuessa, koska materiaali kului nopeammin, ei kannen lämpötilasensori ehtinyt reagoida polttoaineen loppumiseen, vaan polttoainepatja paloi puhki. Muodostunut kaasu oli palavaa, joskin liekin väristä (keltainen) päätellen ja FTIR analyysiin perustuen se sisälsi jonkin verran hiilivetyjä. Tämä ei kuitenkaan ole yllättävää, koska laitteiston mitoitus ei ollut täysin optimaalinen harvesteripurupolttoaineelle. Myönteinen havainto oli, että tervakomponentteja ei muodostunut. Kaasuttimen parametrien hienosäädöllä kaasutuksen tulosta voitaneen tästä vielä olennaisesti parantaa, koska perustoiminnallisuus oli hyvä. 6. Jatkokokeet Kaasutuskokeet harvesteripurulla kaasuttimen erilaisilla käyttöparametreilla FTIR analysaattorin O 2 /CO/CO 2 ongelman ratkettua antaa perusteet harvesteripurun käyttöominaisuuksilla kaasutuksessa. Lisätutkimusta vaatii harvesteripurun poikkeaminen merkittävästi sekä pelletistä että tyypillisestä hakkeesta mm. palakokonsa ja erityisesti sekä irto-, että kiintotiheytensä osalta pelletistä, joilla on merkitystä kaasutus käytössä. Tuotekaasu dualfuel polttoaineena diesel moottorissa Harvesterin vuotuinen hakkuumäärä on 70 000 m 3 [4], jopa 80 000 m 3 100 000 m 3 [8,9] teoreettinen purun synty tuosta hakkuumäärästä on 350 m 3 ja purun energiasisältö 700 MWh/v. Polttoaineen kulutus harvesterilla on uudistushakkuulla 0,7 l/ m 3. Harvesteri kuluttaa polttoainetta n. 12l /h [4], jonka energiasisältö on 477 MWh/v. Isolla harvesterilla kulutus on 18-22l/h [8,9]. Harvesterin dieselmoottorin hyötysuhde on n. 40 %. Kaasutuksen ja kaasun hyötysuhde on testattavia asioita. Dual Fuel moottoritekniikalla on kaasun osuus merkittävä moottorin käyttämästä energiasta [5]. Purun energialla voidaan korvata huomattava määrä polttoöljystä, kaasutuksen hyötysuhteesta riippuen (Taulukko 8). Tällä on olennaista merkitystä kannattavuuteen, koska polttoainekustannus on lähes yhtä suuri kuluerä kuin kuljettajan palkka. 16
Taulukko 8: Polttoaineen korvaavuus Tuntituotto (k-m 3 ) Purua (k-m 3 ) Purua (i-m 3 ) Purua 20% kosteudessa (kg) 1 Energiaa 20% kosteudessa (kwh) 2 Energiaa kaasussa (kwh) 3 Polttoaineessa (kwh) 4 Pa kulutus (l/h) 5 Puru pelletöitynä (i-m 3 /8h) 6 10 0.050 0.15 28.2 119 77 180 10 0.34 20 0.100 0.30 56.3 238 154 200 5 0.69 23.3 0.117 0.35 65.6 277 180 200 2 0.80 a 25.9 0.130 0.39 72.9 308 200 200 0 0.89 b 40 0.200 0.60 112.6 475 309 220-9 1.37 20 0.100 0.30 56.3 238 154 120-3 0.69 c 1 Kiintotiheys vaihtelee 410 kg/k-m 3 ja 490 kg/k-m 3 välillä, käytetty arvoa 450 kg/k-m 3 [6] 2 Tuorekosteassa tyypillisesti 55% kosteutta, kuivaus vähintään 20% kosteuteen 4,22 kwh/kg [7] 3 Kiinteä-kaasu muuntohyötysuhteella 0,65 4 Käytetty kevyelle polttoöljylle arvoa 10kWh/l [10] 5 Diesel polttoaineen kulutus kun tuntituotosta saatu kaasumainen polttoaine on hyödynnetty 6 Laskettu 700kg/i-m 3 mukaan a Dual fuel tarvitsee noin 10% energiasta diesel sytytykseen puristesytytteisessä koneessa b Riittävä kipinäsytyttiselle ratkaisulle c Viitteen [4] mukaiselle kulutukselle 200 kw moottorille 150kWh tunnissa tuotettu kaasumaisen polttoaineen energiamäärä riittää korvaamaan kuormituksesta ja hyötysuhteesta riippuen merkittävän osan tarvittavasta diesel polttoaineesta. Tuotekaasun käyttö duelfuel polttoaineena dieselin rinnalla tuottaa seuraavia etuja - Ilmainen polttoaine - Edullinen vaikutus päästöihin sekä NOx, SOx ym., mutta myös CO2 jalanjälki - Terra preta jäännös, jolloin ravinne- ja hiilivarastopoistumaa ei (harvesteripurun osalta) tapahdu Hajautetut biojalostamot infokortti 2, http://www.forestenergy.org/openfile/233 - Olemassaolevaa laitekantaa on mahdollista päivittää, koska laitteisto joudutaan rakentamaan dualfuel tyyppisenä Rajoituksia: - Diesel moottoria (puristusytytteistä) joudutaan ajamaan DualFuel ratkaisuna[5]. - Puristussuhde ei saa olla liian kova, johtaa nakutukseen (suoraruiskutus?) - Todennäköinen tehon alenema - Likaantumis -> lisähuoltoriskit kaasuttimen toimintahäiriössä, tekniikalla ratkaistavissa Urea injektion Euro 6 päästövaatimusten vuoksi voisi korvata kaasuttimella, mutta; - Dieselin osuus tehosta voi olla jopa vain 10 %:sta (sytytys) 100 %:in - Puhdistetusta tuotekaasusta ei muodostu juurikaan hiukkasia (kaasuseos palaa) - Palolämpötila on alhaisempi tuotekaasulla kuin dieselillä - 17
- Palotapahtuma on hitaampi kuin hiilivetypolttoaineella, (tuotekaasu)polttoaine jäämää pakokaasussa -> Ilman syöttö+katalysaattori TCH+CO alennukseen - Vaikutus on todennäköisesti hieman samantyyppinen kuin pakokaasun takaisinsyöttöjärjestelmällä - Kaasuttimen polttoaineeseen voidaan seostaa ureaa ilman jäätymisongelmia, esim. jauheena kuivaamisen yhteydessä, ja kaasutuksessa muodostuu NH3 joka reagoi katalysaattorissa NOx kanssa (kuten pakokaasuinjektiossa). Lisätietoja Lisätietoja harvesteripurun kuivauksesta Hannu Vilkkilä, Jyväskylän AMK Puh. 040 550 2391 hannu.vilkkilä@jamk.fi Lisätietoja kaasutuksesta Teemu Vilppo, Itä-Suomen yliopisto, Hajautetut Biojalostamot -hanke Puh. 050 407 0193 teemu.vilppo@uef.fi http://hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org/ 18
Kuvat Kuva 1: Purun synty s. 3 Kuva 2: Harvesteripää purunkeräimellä ja kuivurilla kaivurikokoonpanossa s. 4 Kuva 3. Erilaisia puruja, vasemmalta oikealla harvesterin 10mm sahauspurua, keskellä käsimoottorisahan purua ja oikealla sirkkelin purua. s. 5 Kuva 4: Kaasutus laitteisto s. 6 Taulukot Taulukko 1: Polttoaineen(PA) kulutustietoja s. 7 Taulukko 2: Erän 1, 1,60 kg pääkomponentti data s. 10 Taulukko 3: Erän 1, 1,60 kg hiilivetykomponentti data s. 10 Taulukko 4: Erien 2, 3 ja 4, yhteensä 7,1kg pääkomponentti data s. 11 Taulukko 5: Erien 2, 3 ja 4, yhteensä 7,1kg hiilivetykomponentti data s. 11 Taulukko 6: Erän 5, 2,9kg, kosteus 32% pääkomponentti data s. 12 Taulukko 7: Erän 5, 2,9kg, kosteus 32% hiilivetykomponentti data s. 12 Taulukko 8: Polttoaineen korvaavuus s. 17 Kuvaajat Kuvaaja 1: Syöttöilman ja tuotekaasun perustiedot s. 7 Kuvaaja 2: Laimennoskertoimella korjatut pääkomponentit ja happi (%) s. 9 Kuvaaja 3: Mitatut pääkomponenttien pitoisuudet ilmalla laimennetusta kaasusta (%) s. 9 Kuvaaja 4: Hiilivetyjen pitoisuudet ilmalla laimennetusta kaasusta (ppm) s. 13 Kuvaaja 5: Happea sisältävät hiilivedyt ja ammoniakki (ppm) s. 14 Kaavat Kaava 1 s.14 19
Viitteet [1] FAO. Wood Gas as Engine Fuel - Forestry Paper 72. FAO Forestry paper: FAO; 1986, p. 139. [2] McKendry P. Energy production from biomass (part 3): gasification technologies. Bioresour Technol 2002;Volme:55. [3] Maaseudun Tulevaisuus 15.10.2012, sivu 15 [4] Metsätehon raportti 148. 19.5.2003 [5] Wärtsilä. viitattu 8.3.2013. http://www.youtube.com/watch?v=qv8hqvrkdrk [6] KOSTEAN PUUN TIHEYS JA HAKKEEN IRTOTIHEYS (Centria, Martti Härkönen, 19.9.2011) [7] Kosteuden vaikutus energiapuun polton kannattavuuteen (SAMK, Tuomas Hakonen, Maataloustieteen Päivät 2012) http://www.smts.fi/maatalouden%20tuottavuus/hakonen%20kosteuden%20vaikutus.pdf [8] Haastattelu Ponsse Oyj Risto Vidgren (Vieremä, 13.3.2013) [9] Puhelinhaastattelu Veljekset Lehtomäki Oy Pertti Lehtomäki (20.3.2013) [10] Energiatehokkuussopimukset - Polttoaineiden lämpöarvot, hyötysuhteet ja hiilidioksidin ominaispäästökertoimet sekä energian hinnat (Motiva Oy 19.4.2012)