Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) Puun keinokuivauksen perusteet ja aurinkoenergian käyttö kuivauksessa Jyrki Raitila, erikoistutkija VTT
Johdanto 20.12.2016 2
Yleistä Polttopuun ja hakkeen tärkeimmät ominaisuudet käyttäjän kannalta ovat Riittävän alhainen kosteus; pilkkeellä <20 %, hakkeella kattilasta riippuen 35-45 % Sopivat mitat ja palakoko riippuu tulisijasta, kattilasta ja siirtoruuveista Puhtaus ei hometta eikä epäpuhtauksia (hiekka, vieraat esineet, ym. Useissa tutkimushankkeissa (VTT) on seurattu energiapuun kuivumiseen vaikuttavia tekijöitä ja erilaisia kuivaustapoja Pääasialliset lähteet: Lämpöyrittäjyyden ja polttopuuliiketoiminnan kehittäminen (Energiapilke), Biolämpöliiketoiminnan laatu- ja kannattavuushanke (Biolämpö) ja Lähienergiahanke 20.12.2016 3
Kuivumiseen vaikuttavat tekijät Tärkeimmät kuivausaikaan ja puukappaleiden väliseen kosteuseroon vaikuttavat tekijät: Pilkkeen tai hakkeen ominaisuudet Alkukosteus Puukappaleiden mitat (tilavuus/pintaalasuhde, pituus/paksuussuhde) Kuoren peittämä osuus, halkaistun pinnan osuus Puulajikohtaiset ominaisuudet, erityisesti diffusiviteetti, muita: tiheys, lämmönjohtavuus, ominaislämpö) Ympäristö Kuivauslämpötila Ilman suhteellinen kosteus Ilman virtausnopeus Mahdollinen auringon säteily Sade Keinokuivaus: kuivausjärjestelyt Luonnonkuivaus: mm. pilkekasan koko, aluspuut, peittäminen, kuivauspaikka 20.12.2016 4
Raaka-aineen vaikutus Puun luontainen kosteus Vaihtelee puulajeittain, kasvupaikoittain ja yksilöittäin Vaihtelee puun sisällä Vaihtelee vuodenaikojen mukaan Raaka-aineen kuivuminen Kuoren rikkominen edistää kuivumista Kuivattaminen osittain kuorittuna jatkaa pilkontaaikaa 20.12.2016 Lähteet: Sikanen ym. 2008, Routa 2014 5
Polttopuun ja hakkeen kuivaustavat Luonnonkuivaus, ulkoilman lämpötila Edullinen (ei laitteita), hidas, voi heikentää laatua, sääriippuva Vain hakkeen raaka-aine kuivataan ja haketetaan suoraan välivarastosta Kylmäilmakuivaus, ulkoilman lämpötila Nopeuttaa kuivumista (puhaltimet), tasaisempi laatu, sääriippuva Lämminilmakuivaus, T<100 o C Mahdollistaa ympärivuotisen toiminnan Nopeuttaa raaka-aineeseen sitoutunutta pääoman kiertoa Lämpöenergian kulutus (ilman lämmön talteenottoa) n. 100 kwh/i-m 3, kun ulkolämpötila on +15 n. 160 kwh/i-m 3, kun ulkolämpötila on -15 20.12.2016 6
Hakkeen ja pilkkeen kuivauksen erot Hakkeesta irtoaa vettä kuivausilmavirtaukseen enemmän, koska kuivauspinta-alaa on pienemmän palakoon vuoksi moninkertaisesti enemmän samansuuruisessa kasassa Pilke kuivuu hitaammin Pilkkeellä kuivausilman kierrätystä tarvitaan enemmän Paine-ero samankorkuisen hakekasan yli on suurempi kuin pilkkeellä Puhallin kuluttaa enemmän energiaa Hakkeen joukossa oleva hienoaines vielä lisää paine-eroa Varsinkin hakkeella kerroksen tulisi olla mahdollisimman tasapaksuinen kuivausilman kanavoitumisen välttämiseksi 7
Kuivauksen teoriaa 20.12.2016 8
Kuivauksessa poistettava veden määrä 1.6 1.4 Kosteussuhde, kgh2o/kgka 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Vedestä poistuu 70 % 0.25 0.82 0.2 0.0 0 10 20 30 40 45 50 60 70 Polttoaineen vesipitoisuus, % märkäpainosta 20.12.2016 9
Kuivauksen aikana irtokuutiosta haihdutettu vesimäärä 1 m 3 w = 45 % 1 m 3 w = 15 % Kokonaismassa 350 kg 226 kg Veden massa 158 kg 34 kg Kuiva-aineen massa 192 kg 192 kg Haihdutettu vesimäärä 124 kg/i-m 3 Tarvittava lämpömäärä (T = 60 C) (ilman häviöitä) 81 kwh/i-m 3 20.12.2016 10
Lämpöarvo, MJ/kg Kosteuden vaikutus puun lämpöarvoon ja energiatiheyteen 25 1,1 20 (koivu, runkopuu) 1 Energiatiheys, MWh/i-m 3 15 0,9 10 5 MJ/kg MWh/i-m3 0,8 0,7 0 0 10 20 30 40 50 60 Kosteus, % 0,6 1 MJ = 0,2778 kwh, 1 MWh = 1000 kwh 20.12.2016 11
Kuivauksen lähtökohta - kuivurikuivaus Kuivausilman lämmitys Kuivuri Kuivausilma sisään Kosteuden haihtuminen Kuivausilma ulos Lämpötila Lämpötila Suht. kosteus Suht. kosteus Ilman tilavuusvirta Kuivurin koko Ilman tilavuusvirta Kuivurin kapasiteetti 20.12.2016 12
Lämminilmakuivuri vs. kylmäilmakuivuri 20.12.2016 13
Pilkkeen kosteus, % Kuivausilman lämpötilan vaikutus kuivausaikaan 60 50 40 45 C 70 C 90 C 110 C 150 C 30 20 10 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 Aika, h 20.12.2016 14
Ilman lämpötila, C Esimerkki Kuivuriin tulevan ja kuivurista poistuvan ilman lämpötila 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 Kuivausilman lämpötila sisään Kuivausilman lämpötila ulos 30,0 20,0 10,0 0,0 0 10 20 30 40 Kuivausaika, h 20.12.2016 15
Ilman suhteellinen kosteus, % Esimerkki Kuivuriin menevän ja kuivurista poistuvan ilman suhteellinen kosteus 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 Kuivausilman RH sisään Kuivausilman RH ulos 30,0 20,0 10,0 0,0 0 10 20 30 40 Kuivausaika, h 20.12.2016 16
Kuivauksen energiatarve 1. Puussa olevan jään lämmittäminen, P1 2. Puussa olevan jään sulattaminen, P2 3. Puussa olevan veden lämmittäminen veden höyrystymislämpötilaan, P3 4. Puuaineen (kuivan) lämmittäminen kuivurin loppulämpötilaan, P4 5. Veden höyrystäminen, P5 6. Kuivurin lämpöhäviöt ympäristöön, P6 7. Kuivuriin tuotu energia, P7 Kuivurin hyötysuhde η = (P1+P2+P3+P4+P5)/P7 * 100 % = (1 P6/P7) * 100 % 20.12.2016 17
Lämmitys Kuivurin laskentaa Syöttöarvo lihavoitu sininen T2 T3 h 2 Δx23 Haihdutus 3 z Lähtötiedot Veden ominaislämpökapasiteetti 4,19 kj/kgk Vesihöyryn ominaislämpökapasit. 1,87 kj/kgk T1 1 Ilman ominaislämpökapasiteetti 1,008 kj/kgk Kuivurin ominaisenergiankulutus 4,2 MJ/kg H2O Lämpöhäviöt kuivurista 5 % Haihduntanopeus 124 kg H2O /h = vesihöyryn massavirta Ilmanpaine 1 bar x sis. lämpöhäviöt ominaisenergiankulutuksen mukaan 119 Ilman lämmitys, kw 151 Haihdutus Ulkoilma Kuivausilma Höyrystetty vesi Lämpötila T1 20 C T2 30 C T3 22,2 C Ilman suht. kosteus z1 0,70 - z2 0,39 - z3 0,799 - (Huom! On oltava < 1) Ilman absol. kosteus x1 0,010354 kg H2O /kgki x2 0,010354 kg H2O /kgki x3 0,0136 kg H2O /kgki Kostean ilman entalpia h1 46,4 kj/kgki h2 56,6 kj/kgki h3 56,73 kj/kgki 56,73265 Ilman tilavuusvirta Q 34010 m 3 /h Q 34010 m 3 /h Q 34010 m 3 /h Kostean ilman tiheys ρk1 1,181 kg/m 3 ρk2 1,142 kg/m 3 ρk3 1,170 kg/m 3 Kostean ilman massavirta m'1 40164 kg/h m'2 38840 kg/h m'3 124 kg/h Kuivan ilman massavirta mi'1 39753 kg/h mi'2 38441 kg/h mi'3 122 kg/h e 124 kg H2O /h Haihduntanopeus Δx23 0,0032 kg H2O /kgki Abs. Kosteuden muutos Δh23 0,13 kj/kgki Entalpian muutos Märkä raaka-aine Kuivattu raaka-aine 45 w-% 15 w-% Kuivuri 350 kg/h 226 kg/h 193 kg ka /h 193 kg ka /h 158 kg H2O /h 34 kg H2O /h 10 C 20.12.2016 18
Keinokuivauksen laskentamenetelmä Esimerkki Lähtötiedot Polttoaineen kosteus ennen kuivausta 55 % Polttoaine halutaan kuivata 30 % kosteuteen Kuivattavan polttoaineen määrä 25 i-m 3 Kuivausilman tilavuusvirta 3000 m 3 /h Kuivurin hyötysuhde 70 % Kuivausaika 48 h Tulokset Kuivauksella poistetun veden määrä 3190 kg Kulunut energiamäärä 4120 kwh, tarvittu teho 86 kw Kuivausilman lämpötila lämmityksen ja kuivauksen jälkeen 74/16 O C jne. 19
Kuivuriesimerkkejä ja kuivaustuloksia 20.12.2016 20
Yli- ja alipainekuivuri Kuivuri Kuivuri Kuivausilman puhallus (ylipainekuivuri) Kuivausilman imu (alipainekuivuri) Kuivuri Kuivuri 20.12.2016 21
Kuivausilman kierrätys Kostea ilma ulos Ei ilman takaisinkierrätystä Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Ilman sisäinen takaisinkierrätys, suht.kost. kasvaa Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Ilman sisäinen takaisinkierrätys, suht.kost. pystytään pitämään halutulla tasolla Kuivausilma sisään 20.12.2016 22
Jatkuvatoiminen kuivuri Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Uusi pilke-erä sisään Kuiva pilke-erä ulos 20.12.2016 23
Pilkkeiden kylmäilmakuivausta 20.12.2016 24
Merikontista tehty kuivuri Tässä versiossa myös tuloilman lämmitys auringolla 20.12.2016 25
Konttikuivurin pohjaratkaisu 20.12.2016 26
Potkuripuhallin 50 cm, 2,2 kw/3000 kierr. moottorilla 20.12.2016 27
Lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista Kuivausilman tulokanava katossa Poistoilman kanavat 20.12.2016 28
Latomallinen lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista 2 Ilma imetään pohjasta reikälevyn läpi, jonka alla ilmakanavat Lämmönvaihdin on kuivurin katossa, tuloilma katon raoista 20.12.2016 29
Pilkkeen kosteus, % Pilkkeen kosteus, % Kuivaus 80 kuution kylmäilmakonttikuivurissa Kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus huhtikuun alusta., keskiarvokosteus: 31.5. 19,5 % keskihajonta 2,9 %. Kontin 2. koivupilke-erä Kuivaus alkoi 6.6., keskiarvokosteudet: 4.7. 21,7 % 27.10. 17,2 % 4.11. 20,7 % keskihajonnat 1,9 % 2,1 %. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Pilkkeen kuivamassa, g Puhaltimia käytetään sääolosuhteiden (T, rh) ja kuivumisvaiheen mukaan. Tuloksena tasalaatuiset kuivat pilkkeet. Toisen kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus alkoi 20.7.2011., keskiarvokosteus: 14.12. 19,9 % keskihajonta 1,4 %. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Pilkkeen kuivamassa, g 30
Kuivaus latomallisessa kylmäilmakuivurissa Kylmäilmakuivurin rakenne Puhallin 9 kw, tuulitunneli, puusiilo Raaka-aineet Talvella tehtyä sekaklapia Keväällä pilkottua sekaklapia Kylmäilmakuivurin mitta-anturointi Imupuolen seinusta, puhalluskanava, 0,7 m pohjasta, 1,3 m pohjasta, puiden yläpuolella ilmassa Kuivausjaksot 10.5. 14.6. anturit Pilkenäytteet 0,5 metrin ja noin 1 metrin syvyydeltä pinnasta Pilkekerroksen paksuus noin 2 metriä
Pilkkeiden kuivuminen Kylmäilmakuivurissa kuivausaika 5 viikkoa pilkkeiden alkukosteus 45 59 %, loppukosteus 15 43 % Kanavan vieressä kuivui, seinustalla ei, irronnut kuori yms. sälä vaikeuttaa ilman liikkumisen, värimuutoksia C A D E B F
Peräkärrykuivuri Kärryn tilavuus 23 i-m 3, pilkkeet etukuormaajalla sisään Lämmin ilma pohjasta sisään, katosta ulos; lämpö maatilan lämpökattilasta Kuivat pilkkeet suoraan asiakkaalle
Lämpötila, C Suhteellinen kosteus, % Kuivauksen poistoilman säätö 40 35 Kuivurin poistoilman lämpötila ja suht. kosteus 100 90 30 25 20 15 80 70 60 50 40 10 5 Poistoilman lämpötila Poistoilman kosteus 30 20 10 0 0 14.6. 16.6. 18.6. 20.6. 22.6. 24.6. 26.6. 28.6. 30.6. 2.7. Tyypillisesti poistuvan ilman kosteus vähenee, kun puut alkavat kuivua Hyötysuhteen parantamiseksi ilman säätöä pitää optimoida
Kuivaus lämminilmakuivurissa Lämminilmakuivuri DRY-AIR DA 6 -puutavarakuivaamo Kostean ilman kondensointi (lämpöpumppuperiaate), nimellistäyttö 15 m 3, kuivauslämpötila 60 C, nimellishaihdutusteho 450 litraa/vrk, kiertoilmapuhaltimet 6 kpl 0,55 kw, joissa pyörimissuunnan vaihto, kompressorin teho 5,8 kw Lämmöntuotanto pellettilämpökeskuksesta 35
Pilkkeiden valmistus Pilkonta häkkeihin Pilkonnan tehotuntituottavuus (2 hlöä) 27.4. koivu: 6,8 i-m 3 /h 23.5. sekapuu: 8,6 i-m 3 /h Punnitus Kesto 3 5 min/häkki (2,4 i-m 3 ) Kuivaus lämminilmakuivurissa 36
Pilkkeiden kuivuminen lämminilmakuivurissa 27.4.-4.5.2011 koivupilkkeet Raaka-aineen läpimitta kuivamassa 1/2-klapi 1/4-klapi 500 g 9 cm 13 cm 1000 g 13 cm 18 cm 1500 g 16 cm 22 cm 20.12.2016 37
Kuivauksen kustannukset Kuivauksen kustannus riippuu Kuivurin kustannuksista (pääomakulut) Kuivurin käyttökustannuksista (muuttuvat kulut) Lämmön hinta Puhallusilman tarve (sähkö) Työ Yksikkökustannus riippuu kuivausvolyymistä, /i-m 3 20.12.2016 38
Kuivauskustannusesimerkki Kuivuri Kapasiteetti 25 m 3 Investointikustannus 30.000 Käytettävä lämpöenergian hinta 35 /MWh Vertailu: Kylmäilmakuivauksen kustannus jäänee n. 1 /i-m 3 Kuivaus 100 erää vuodessa Kuivauksen energiantarve 340 MWh Kuivauskustannukset yht. n. 17.000, josta 77 % muuttuvia kustannuksia Eli 6,7 /i-m 3 20.12.2016 39
Aurinkokuivaus 20.12.2016 40
Aurinkolämmöllä tehostettu biomassan kuivaus TARVE Useat biomassalle sopivat termo-kemialliset konseptit vaativat lähes kuivan syötteen. Nykyinen tapa kuljettaa ja polttaa märkää biomassaa on monessa mielessä tehoton. Lisäksi tarve edullisille energian varastointiratkaisuille on jo olemassa ja jatkuvassa kasvussa. RATKAISU Tehostamalla biomassan kuivausta aurinkoenergialla, rajallisia kestävän bioenergian resursseja voidaan lisätä Tuotantopaikoille hajautettuna, kuivaus mahdollistaa energian tehokkaan kausivarastoinnin HYÖTY Kustannustehokas energian kausivarastointi kesästä talveen Uusille termo-kemiallisille prosesseille sopiva kuiva syöte Kustannustehokkaampi logistiikkaketju Parempi hyötysuhde ja pienemmät päästöt sekä kuljetuksissa että loppukäytössä 20.12.2016 41
VTT:n Jyväskylän toimipisteen aurinkokeräimet. Yhteensä 12m 2 keräinpinta-alalla voidaan saavuttaa noin 10 kw huipputeho. Keräimet on asennettu siten, että niillä voidaan tutkia myös erilaisten suuntausten vaikusta. Kuvan suuntaustavalla on pyritty maksimoimaan tehokas kuivausaika aamusta iltapäivään Aurinkolämpö ohjataan joko kuivausilman lämmitykseen, hiilidioksidin erotukseen tai kaukolämmönvaihtimelle. VTT:llä tutkitaan mallintamalla myös mm. keskittävän aurinkoenergian (CSP) hyödyntämistä sähköntuotannossa. Suomessa keskittävää aurinkoenergiaa on hyödynnetty 20.12.2016 42 toistaiseksi makkaran paistamiseen.
Uudet aurinkolämmön käyttökohteet Biokuivuri VTT:n kuivauslaitteistolla voidaan kuivata n. 1-2 m3 haketta kerrallaan. Kuivausilma voidaan lämmittää aurinkokeräimillä tai sähkövastuksilla, joilla voidaan simuloida hallitusti koeajoon halutut olosuhteet. CO 2 :n erotus ilmasta (DAC) Aurinkolämpöä voidaan hyödyntää myös suoraan ilmasta tehtävässä hiilidioksidin erotuksessa. 20.12.2016 43
Yhteenveto 20.12.2016 44
Yhteenveto Raaka-aine vaikuttaa alkukosteuteen ja kuivumiseen raaka-ainetta voidaan kuivata jo ennen pilkkeiden/hakkeen valmistusta Keinokuivauksella voidaan nopeuttaa puun kuivumista ja hallita kuivausprosessia paremmin kuivaustapa riippuu tuotantovolyymistä, toimintamallista ja investointihalukkuudesta Pilkkeen tuotannon sesonkiluonteisuus vähenee Varaston kierto lyhenee Voidaan vastata paremmin muuttuvaan kysyntään Saadaan lämpöarvoltaan parempaa haketta enemmän tehoa kattilasta, tarvitaan kokonaisuudessaan vähemmän haketta Parempi hinta? Tehokkaan ja toimivan kuivurin voi rakentaa edullisesti, mutta kuivauksen taselaskentaan ja mitoitukseen kannattaa kiinnittää huomiota Kaikilla kuivaustavoilla voidaan saavuttaa hyvää polttopuuta ja haketta kunhan kiinnitetään huomiota koko tuotantoketjuun Energiasisältöön perustuva pilkekauppa mahdollistaa paremman laadun ja määrän kontrollin 45
TEKNOLOGIASTA TULOSTA