HAKKEEN KUIVAUS; YHTEENVETOA ERI KOE- JA TUTKIMUSTOIMINNASTA

HAKKEEN KUIVAUS; YHTEENVETOA ERI KOE- JA TUTKIMUSTOIMINNASTA PUUENERGIATOIMISTO-HANKE Vesa Niemitalo/ Ammattiopisto Lappia 2011 1

Tausta Hakkeen tekninen kuivaustarve perustuu sekä polttoaineen lämpöarvon parantamiseen että polttoaineen siirtomekanismin (purkaimet, siirtoruuvit) toimintahäiriöiden sekä hakkeen jäätymisestä aiheutuvien holvaantumistaipumusten aikaansaamien ongelmien minimointiin. Ehkä tärkeimpinä hakkeen pienkäyttöä rajoittavina tekijöinä tulevat kostean hakkeen säilytyksen ja käsittelyn ongelmat hakemassassa lisääntyvien homeitiöiden takia. Kosteuden aiheuttamat säilytysongelmat estävät hakkeen pakkaamisen pelletille yleisesti käytettyihin erikokoisiin säkkeihin. Pakkausongelmien ja ulkokuivatussa hakkeessa aina mukana olevien homeitiöiden takia hakkeen käyttö esim. omakotitalojen pellettitakkatyyppisessä lämmityksessä ei ole ollut realistista. Uutena potentiaalisena hakeraaka-aineen hyödyntämiskohteena on rankahakkeen pelletointi, mikä edellyttää suoraan poltettavaksi käytettävän hakkeen (tavoite pienkäytössä noin 30 % kosteus) pidemmälle menevää kuivaamista (noin 12 15 % kosteus). Samoin rankahakkeen noin 10 mm raekokoisen ja tasalaatuisen lajitteen kuivaus puun sisältämän ns. vapaan veden kosteusprosentin alapuolelle (alle 20 %, jolloin ei ole myöskään polttoaineen homehtumisongelmaa) ja käyttö sellaisenaan pellettijärjestelmissä on yksi mahdollinen hyödyntämistapa. Tässä kirjallisuustarkastelussa kuivaamistarve jaetaan omiksi kokonaisuuksiksi kuivausprosessin intensiivisyyden mukaan, vaikka mm. pelletoitavaksi kuivattavan hakkeen teollinen kuivauskalusto soveltuu ja on pääosin myös edellytys myös ns. laatuhakkeen kaupalliseen kuivaustoimintaan. Samoin itse haketustapahtumassa tapahtuva puumassan kostuminen jätetään tarkastelun ulkopuolelle: Kokemusperäisesti on kuitenkin havaittu, että esim. laikkahakkurin syöttökuljettimen lyhyys aiheuttaa puissa olevan pakkaslumen karisemisen pääosin maahan ennen hakkuriin joutumista. Toisaalta puumassan pieni viipymä hakkurin sisällä ei sulata mahdollisesti hakkuriin menevää lunta siinä määrin kuin tehokkaissa rumpuhakkureissa, vaan lumipöly erottuu hakkeesta suhteellisen tehokkaasti lietsopuhalluksen jälkeisessä ilmalennossa. Tästä syystä laikkahakkurilla hakatun polttohakkeen kosteus ei lisäänny haketuksen aikana. Em. mekanismi ei kuitenkaan toimi jäisten ja märän lumen kostuttamien puiden haketuksessa. 2

Rumpuhakkurissa syöttöjärjestelmä siirtää useissa tapauksissa hakattavan puumassan mukana tulevaa lunta/ jäätä ja tällöin kostuttaa koko hakemassan. Ns. sulan maan aikaisessa haketuksessa tätä ongelmaa ei luonnollisesti ole. 1. Kylmäkuivaus pienkäyttäjille Kylmäkuivauksella tarkoitetaan ympäristön omassa lämpötilassa tapahtuvaa hakkeen kuivausta, missä voidaan hyödyntää passiivista aurinkoenergiaa. Hakeraaka-aineen varastokasojen kuivaaminen maastossa joko kokopuuna tai rankoina on useimmissa tapauksissa pienkäyttäjiäkin ajatellen riittävä polttoaineen kuivausmenetelmä. Eri toimijoilta saatujen kokemusperäisten tietojen mukaan avoimelle paikalle sijoitettu varastokasa kuivaa kevään ja kesän aikana jopa alle 25 % kosteuteen ilman peittämistä; edellytyksenä on kuitenkin kasan tuulettuvuus altapäin ja haketus poutajakson jälkeen ennen syyssateita. Toisaalta kuumakaan kesä ei takaa puiden kuivumista, mikäli ilmankosteus pysyy poikkeuksellisen korkeana (esimerkkinä kesä 2010), vaikka muut puitteet olisivatkin suotuisat. Olennaisinta pienten stokerikattiloiden toiminnan kannalta on kuitenkin hakkeen tasalaatuisuus: itse kattilan toiminnalle ei ole (pienentynyttä lämmitystehoa lukuun ottamatta) kosteuden pienellä nousulla juurikaan merkitystä. Pienten kattilajärjestelmien kohdalla varsinaiseksi ongelmaksi tulee tässäkin tapauksessa lämmityskauden pituuden ajalle mitoitetun kostean hakemassan lämpiäminen ja aiemmin mainitut homehtumisongelmat. Erilaiset hakkeen laadun parantamiseksi tehdyt kuivauskokeet ovat osoittautuneet monessa tapauksessa yksittäisille pienkäyttäjille teknisesti riittäviksi ja olemassa oleviin erityyppisiin hakevarastoratkaisuihin sopiviksi, joskin kuivauksen teho ja taloudellisuus on vaihdellut ulkolämpötilan mukaan. Näissä tapauksissa ei ole ollut tarvetta miettiä hakemassan viipymää kuivaamossa, koska käytännössä kuivattavana on ollut aina ko. käyttäjän vuoden hakemäärä. Useimmissa ratkaisuissa hakevaraston lattia on korotettu esim. syrjällään olevien 5 lankkujen avulla hakkeen ja varaston pohjan välisten ilmakanavien muodostamiseksi. Itse lattiaritilä voidaan rakentaa noin 1 cm:n raoilla olevista lankuista tai erikseen tätä tarkoitusta varten valmistetuista ritilälevyistä. Oleellista on riittävän ilmanvaihdon saavuttaminen kuivattavan hakkeen läpi; mm. 3

lattian pohjapinta-alaan suhteutetulle kuivatusilman puhalluksen lattian reikäpinta-alalle on myös laadittu ohjeellisia arvoja. Mikäli kuivausilma puhalletaan lattian alta hakepatjan läpi, tulee kuivaus jaksottaa hakkeen kuivumisen mukaan -puhallustarpeen voi nähdä hakepatjan pintaosien ja puhalluksen aloituksen jälkeisenä poistoilman silminnähtävänä kosteuden nousuna. Ongelmana puhalluskuivauksessa on varaston yläosiin kohoavan kostean ilmamassan puhaltaminen ulos, ilman, että kosteus kondensoituu mahdollisesti kylmiin kattorakenteisiin ja palaa takaisin hakemassaan. Imuperiaatteella toimivassa kuivauksessa kosteus kulkeutuu raskaampana painovoimaisesti hakepatjan läpi poistoilmaan, joskin hakkeen säännönmukainen lämpiäminen kasassa ja sitä kautta ilmavirran taipumus nousta ylöspäin voi paksun hakepatjan ja hakkeen pienen raekoon kyseessä ollen vaikeuttaa kuivatusta, etenkin, mikäli kuivauksessa on jouduttu pitämään taukoa sääolojen (vesisade, sumu) takia. Samoin molemmissa kuivaustavoissa hakkeen lämpiämisestä aiheutuu (hakepatjan sisällä olevan) ilman vedensitomiskyvyn huomattava kohoaminen eli vesi siirtyy hakkeesta ilmaan. Tästä on sekä hyötyä että haittaa: Mikäli sääolot sallivat tehokkaan puhalluksen/ imukuivauksen, kuivauksen jaksottamisella voidaan hyödyntää lämpiämisen aikaansaamaa ilman vedensidontakyvyn huomattavaa tehostumista. Mikäli tuuletus jää heikoksi esim. hakepatjan paksuuden tai pienen raekoon takia, seurauksena on johonkin hakekerrokseen tapahtuvaa veden selvästi erottuvaa tiivistymistä märäksi linssiksi. Tällöin puhalluksen/ imuvirtauksen vastapaine kohoaa huomattavasti, mistä voi olla seurauksena joko ilmavirtauksen loppuminen tai erittäin epätasainen jakautuminen. Toisin sanoen puhallusvoima ei hakkeesta ja säätilasta johtuen riitä. Teollisissa hakekuivureissa kuivumisen tasaisuus on pyritty varmistamaan hakkeen liikuttelulla kuivauksen ajan (esim. rumpukuivuri, kaskadikuivuri) tai pitämällä kuivattava hakepatja riittävän ohuena (hihnakuivurit). Osassa hakevarastokuivaajia on hyödynnetty kuivausilman lämmityksessä aurinkoenergiaa joko erillisillä keräimillä tai passiivisesti seinä- ja kattorakenteita hyväksi käyttäen, joskin esim. peltikatteen ja -seinän lämmönvaihdinominaisuudet ovat suhteellisen heikot suhteessa tarvittavaan puhallusilmamäärään. Samoin puhaltimilla tehostettua aumakuivausta ja erilaisia kenttäkuivauksia on myös testattu. Erilaisissa kylmäilmakuivauksissa käytettävien puhaltimien tehokkuudelle, 4

puhaltimien siipien koolle suhteessa kierroslukuun ja kuivausilmavirran nopeudelle on kokeellisesti löydetty ohjeellisia optimiarvoja (yksi lähtökohtana käytetty ohjearvo on alle 5 m/s oleva ilmavirran nopeus), missä olennaisena lähtökohtana on kosteuden riittävä siirtymisaika hakkeesta ilmaan. Käytännössä kylmäilmakuivauksessa kyseessä on aina kompromissi hakepatjan paksuuden ja ilman vedensitomiskyvyn välillä: kosteuden siirtymisaika on oltava puun ja ilman välillä riittävä ja toisaalta vastapaineen vaikutus edellyttää puhallustehon kasvattamista. Tehokkaimmillaan kuivaus edellyttää ohutta hakekerrosta ja tarvittaessa useassa erässä tapahtuvaa haketusta ja kuivausta. Pienten, hakelämmitykseen käytettävien kattiloiden, käytön ongelmat eivät ole niinkään kattiloiden hakkeen polton ohjauksen toiminnassa, vaikka jäännöshapen pitoisuuteen perustuvaa ohjausta ei pidetä mm. lambda-antureiden toimintalämpötilavaatimusten (suhteellisen kapea lämpötilaoptimi) takia erityisen tarkkoina, vaan nimenomaan polttoaineen syötön epätasaisuudessa. Epätasaisuus johtuu sekä hakkeen heterogeenisyydestä raekoon (puhallusilman läpäisevyys palopäässä) että kosteusvaihteluiden suhteen. Luotettava syöttöjärjestelmän toiminta myös talviaikaan edellyttää hakkeen laadulta paitsi riittävää kuivausta (joko varastokasoissa tai keinollisesti), myös hakkeen palakoon suhteen riittävää laatua. Stokerikattiloiden polttoaineen siirtojärjestelmät eivät käytännössä häiriinny liian pienestä (jauhomaisesta) puumassasta, koska seassa olevat normaalikokoiset hakepalaset estävät puujauhon sementoitumisen kuljettimiin. Ainoaksi ongelmaksi tulevat useimmiten pitkät tikkumaiset puupalaset, mitkä aiheuttavat kuljettimien ilmahyppyosaan tukoksia tai sitovat hakkeen varastossa huonosti vyöryväksi massaksi (holvaantuminen). Sidontataipumusta lisää vielä hakkeessa oleva kosteus, mikä mahdollisesti haketta liikuteltaessa (esim. lastaus syöttösiiloon) saa aikaan lumen liikuttelua vastaavan ilmiön hakkeen pinnassa olevien jääkiteiden sulamisena ja edelleen jäätymisenä ja tästä johtuvana hakepartikkeleiden välisenä takertumisena siilossa. Hakepurkain voi syöttää paksunkin hakeläjä alaosan ontoksi ilman, että muodostunut holvimainen rakenne romahtaa ilman ulkoista voimaa. Mm. Keski-Euroopassa yleiset ja osin suomalaisissakin stokerikattiloissa optiona saatavat hakkeen automaattisytytyslaitteet edellyttävät toimiakseen nykyistä keskimäärin kuivemman hakkeen so. keinollisen kuivauksen. Keski-Euroopassa hakkeen varastokassa tapahtuvaa kuivatusta ei 5

käytännössä tunneta, vaan haketus tapahtuu tuoreella materiaalilla, minkä jälkeen pienkäyttäjien hake kuivataan ja märkä hake menee suurten lämpölaitosten polttoaineeksi sellaisenaan. Tuoreena haketuksella vältetään myös puun lämpöarvon varastointiaikainen lasku ja homeongelmat maastovarastoinnin aikana. Veden koneellinen haihduttaminen hakemassasta vaatii nyrkkisääntönä yhden kilowattitunnin energiamäärän kutakin vesikiloa kohden. Tämän lisäksi tulee myös erilaisten kuljettimien ja puhaltimien viemä sähköenergia. Varsinaisen veden höyrystämisen lisäksi kuivausprosessi vaatii usein hakemassan lämmittämisen ja jään sulatuksen ennen varsinaista kuivausta. Ominaislämpökapasiteetin mukaan laskettuna jään lämmittäminen tilanteessa, missä kuivausprosessi ajoitetaan kylmimmän talvikauden ulkopuolelle, ei ole kokonaisuuteen verrattuna merkittävä kustannuserä (kuva 1). HAKKEEN KUIVAUS (2000 kg ->18 %) 5000 Energiankulutus kwh 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Q höyrystys Qj sulatus Qj lämm 500 0 50 % 40 % 30 % Lähtökosteus Kuva 1. Laskennallinen jäätyneen (lämpötila -5 C) ja 2 000 kg painoisen, lähtökosteudeltaan 30 50 %, hakemassan kuivauksen energiankulutus jaoteltuna eri komponentteihin (tulokset eivät sisällä toiminnan vaatimaa sähkön kulutusta). Kuivatun hakkeen loppukosteus on laskelmissa 18 %. 6

Koska kuivausilman vedensitomiskyky on suoraan riippuvainen lämpötilasta (Moullierin käyrästönmukaisesti), voidaan samaan kuivaustulokseen päästä sekä lämpötilaa nostamalla että ilman tilavuusvirtausta nostamalla (kuva 2). Yleensä ratkaisu tehdään vaadittavien sähköpuhaltimien investointi- ja käyttökustannusten sekä käytettävissä olevan lämpöenergian välisenä kompromissina. Puuenergialla tuotetun ja lämmönvaihtimen kautta ilmaan siirretyn lämmön hyödyntämisessä puhallusilmamäärä nousee kuvan 2 mukaisella (alle 100 C) lämpötiloilla 50-100 m3 välille kutakin haihdutettavaa vesikiloa kohden. KUIVAUSLÄMPÖTILA VS. ILMAMÄÄRÄ Ilmamäärä m3/poistettava vesikilo 120 100 80 60 40 20 0 y = 9042,6x -1,161 R 2 = 0,9936 0 50 100 150 200 250 Lämpötila C Kuva 2. Yhden vesikilon haihduttamiseen tarvittavan kuivausilmamäärän ja kuivausilman lämpötilan välinen riippuvuus (lähtötiedot: Kärsämäen kehityskeskus Oy:n Pohjois-Pohjanmaan pellettihankkeen 2003-2005 loppuraportti). 7

1.1 Yksittäisistä kirjallisuusselvityksistä kerätyt hakkeen kylmäkuivauskokeiden tiivistetyt tulokset/ johtopäätökset. Föhr, J. 2008 (Metsähakkeen jalostusarvon nostaminen eri kuivausmenetelmillä, Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Diplomityö, konetekniikan osasto): -Lämmittämättömän ulkoilman puhallus tulee olla 400-500 m 3 /h hakekuutiota kohden. -ohut (5 cm) hakekerros kuivui tehokkaasti ns. lavakuivauksessa, missä hakkeen pohjakosteus pääsi haihtumaan myös alakautta lavojen pohjareikien kautta -kenttäkuivauksessa (hake levitetään ohueksi kerrokseksi asfaltille ja käännellään koneellisesti) päästiin noin 30 % alenemaan kosteudessa neljän päivän aikana, mikäli sääolot olivat suotuisat -laskennallisesti 60% lähtökosteudella ja hehtaarin kokoisella kentällä (hakemäärä noin 760 tonnia) hakkeen kosteuden alentuessa 40%:iin, energiahyöty on noin 1200 euroa (kuivauskustannuksiin on laskettu noin 1700 euroa kone- ja miestyökustannusta) vajaan viikon aikana - ulkoilman puhallus ritiläpohjalla olevan hakkeen läpi sai pohjakerrokset kuivumaan, mutta aiheutti myös märkien linssien muodostumisen hakepatjaan -aumassa puhaltimen avulla tapahtuva hakkeen kanaalikuivaus oli kaikissa koejärjestelyissä taloudellisesti tappiollista ja ongelmana oli erittäin epätasainen kuivuminen: osa hakkeesta pysyi puhalluksesta huolimatta lähes lähtökosteudessaan. 8

Rahikainen 2005 (Hakkeen kuivaus bioenergiakeskuksen monikäyttökuivurissa auringon energiaa lisälämmönlähteenä hyödyntäen, Jyväskylän AMK, Bioenergiakeskuksen julkaisusarja Nro 17): -Kokeessa käytettiin samanaikaisesti (eri kuivausosastot) sekä tuoretta lehtipuuhaketta (lähtökosteus 43 %) että ylivuotisesta mäntyrangasta (lähtökosteus 35 %) tehtyä haketta -imuperiaatteella tehtävässä kuivauksessa esiintyi kuivauksen aikana märkiä kerroksia, jotka kuitenkin siirtyivät kuivauksen aikana painovoimaisesti kohti pohjaa ja hävisivät -viikon kuivauksella päästiin ylivuotisen puun kuivauksessa noin 9 % kosteuteen; kuivuminen 20 % kosteuteen (pienkattiloihin sopiva) vei aikaa kaksi vuorokautta -aurinkolämpöä kerättiin puusta ja mustasta muovista tehdyn 30 m2: n kokoisen tuloilmaa lämmittävän aurinkokeräimen avulla. Heinola R. ym. 2007 (Hakkeen kuivaus osana lämpöyrittäjyyttä -PUUT41/ Puuenergian teknologiaohjelman vuosikirja 2003, VTT Symposium 231. Espoo 2004): -Hakkeen kosteuden muutos voitiin mitata kuivauksen aikana (käytännössä) luotettavasti sekä aikaa vievällä uunikuivaus-punnitusmenetelmällä että nopeasti poistuvan ilman suhteellisen kosteuden ja lämpötilan muutosten avulla -20 000 kuutiometrin myynti vuodessa edellyttää laskelmien mukaan 5 000-7 000 m3 varastotilaa -kierrätettävän ilman osuuden kasvattaminen nollasta noin 60 %:iin, pienensi ominaisenergiantarvetta 3 550 kj/kg H2O (= 1 kwh) hieman yli 3 400 kj/kg H2O-lukemaan (=0,94 kwh). Kierrätysilman määrän lisäämisestä aiheutuva lämmitysilmatarpeen pieneneminen kompensoituu kuitenkin hakkeen läpi puhallettavan ilmamäärän kasvulla, mikä kasvattaa investointikustannuksia (kuivurin koko, puhallinmoottorit, sähkönkulutus) Oma laskelma: So. jokaista haihdutettavaa vesikiloa kohden säästyy 0,6 senttiä kuivauskustannuksissa (sähkö 10 s/kwh). Tällöin 20 000 kg eli 44 k-m3 hakemäärän kuivauksessa 40 % kosteudesta 10 % säästää puhaltimien sähkökustannuksissa noin 240 ; tällöin kuivattua lopputuotetta on noin 13 300 kg. Itse puhaltimien hankintakustannusten 9

selvittämisen jälkeen voidaan laskea laitteiden käyttöiälle jakautuvat kiinteät ja muuttuvat kustannukset ja edelleen lämmönvaihtimen investoinnin kannattavuus. Rinne, S. 2002. (Puupolttoaineiden kuivausmenetelmien kartoitus, Lappeenrannan Teknillinen korkeakoulu, Energiatekniikan osasto): - Hakekerroksen maksimipaksuudelle on määritelty ohjearvot hakkeen palakoon mukaan vaakakuivurissa kuivattaessa (2-3 cm -> 1,5-2 m, 3-5 cm -> 2-2,5 m). - jos ilmankosteus estää kuivauksen, on haketta kuitenkin tuuletettava siten, että poistuvan ilman lämpötila on lähellä ulkoilman lämpöä - aksiaalipuhaltimilla on kuivatuskustannus ollut keskimäärin 10 kwh/i-m3 ja keskipakopuhaltimilla 15 25 kwh/i-m3 (oma laskelma: aksiaalipuhaltimilla kustannus on siis 1,25 /MWh ja keskipakopuhaltimilla 1,88-3,13 /MWh eli 7-17 % energian hinnasta (18 /MWh)) - mitä suuremman vastapaineen hakemassa aiheuttaa, sitä kannattavampaa kuivausilman lämmittäminen on - aurinkokeräinten käytössä kuivausilman lämmittämisessä on käytetty mitoituksen nyrkkisääntönä kaksi kertaa varaston pohjapinta-alaista keräintä, jotta tehonlisäys olisi tuntuva. (Oma arvio: so. kustannus-hyöty suhde on erittäin heikko saavutettavaan etuun nähden). 10

2. Kaupallisessa/ teollisessa mittakaavassa tehtävä kuivaus Kuivauksen teollisuusmittakaavaisessa toteutuksessa käytetään yleisesti rumpu- tai hihnakuivuria ja kuivausenergiana joko lämmintä (<100 C) tai kuumaa ilmaa tai tulistettua höyryä (> 100 C). Energia voidaan ottaa talteen esim. lämpökattilan savukaasuista (mm. kondenssilämpö) tai erillisellä lämmönvaihtimella sekä tuottaa erillisellä lämmönlähteellä. Tulistetun höyryn käyttö kuivauksessa on paloturvallisuuden ja potentiaalisen pölyräjähdyksen kannalta turvallinen, joskaan itse höyryn tuottaminen ei onnistu perinteisissä lämpökattiloissa (lupakysymykset?) ja on rakenteeltaan monimutkaisempi kuin lämpimän ilman käyttäminen. Toisaalta, mikäli tarkastellaan veden ja ilman ominaislämpökapasiteettia (vedellä c= 4,182 ja ilmalla c=1 kj/(k kg), tuloksista on nähtävissä ilman lämmönsidontakyvyn olevan vain neljäsosa veteen nähden. Periaatteena kuivauksessa on havaittu lämpötilan nostamisen kuivumista tehostava vaikutus paitsi veden haihdutuskyvyn ja toisaalta kuivausilman vedensidontakyvyn kasvaessa ns. Moullierin käyrästön mukaisesti, myös taloudellisessa mielessä kuivaukseen laitetun kokonaisenergiakulutusta pienentämällä. Lämpötilan nostaminen aiheuttaa kuitenkin jossain määrin puusta haihtuvien kaasujen määrän lisääntymisen (ja samalla energia-arvon pienenemisen) ja edelleen haihtuvien kaasujen syttymisvaaran. Kuivauslämpötilaa tarkastellessa on kuitenkin muistettava, että mm. rumpukuivauksessa sisään puhallettavan ilman lämpötila voi olla huomattavasti itse puun syttymislämpötilaa korkeampi. Oleellista on veden haihduttamisesta johtuva puumateriaalin lämpötilan lasku, joten itse puuaines ei korkeillakaan puhalluslämpötiloilla heti kaasuunnu. Kuumailmakuivaus edellyttää kuitenkin prosessin jatkuvaa kontrollointia. Kuivattava materiaali kannattaa lajitella ennen kuivausprosessia, jotta kuivausenergiaa ei hukata heikkolaatuiseen lopputuotteeseen (ohut aines, suuret kappaleet ja kuori siirretään suoraan polttoon). Rumpukuivauksen ongelmana on ns. kuivan pään puuaineksen mahdollinen liiallinen lämpeneminen, mikä edellyttää tarkkaa ja osin vaikeaakin läpi virtaavan ilman lämpötilan kontrollointia ja säätöä. 11

Ns. kylmäilmakuivaus ei käytännössä tule volyymin kasvaessa mahdolliseksi, ja esim. annoksittain tehtävässä panoskuivauksissa on ongelmana lopputuotteen epätasainen kuivuminen, koska kuivausilma virtaa aina helpointa reittiä kuivattavan materiaalin läpi. Eli jonkin kohdan vastapaineen pieneneminen (harva rakenne, muuta massaa nopeampi kuivuminen) saa aikaan yhä voimistuvan ilmavirtauksen ko. alueen läpi, mikä edelleen aiheuttaa kuivaustulokseen epätasaisuutta. Jossain tapauksessa em. ongelmaa voidaan pienentää kuivattavan hakemassan tasalaatuisuudella (seulonta). Hihnakuivureissa hake levitetään kuivausalustana toimivalle rei itetylle hihnalle tasapaksuksi kerrokseksi, jolloin myös kuivumistuloksesta saadaan tasainen. Samalla lämpötilan kontrollointi on rumpukuivausta helpompaa. Lopullista kuivausastetta säädellään hihnan siirtonopeudella eli samalla hakkeen viipymällä kuivauslaitteessa. Osassa kaupallisia kuivureita tilankäyttöä on tehostettu asettamalla kuivaushihnoja eri kerroksiin, jolloin alimpana on pisimpään kuivurissa ollut hake. Koska ilman puhallus kuivuriin tapahtuu alhaalta ylöspäin, toimii kuivuri ns. vastavirtaperiaatteella ja kuivin ilma kohtaa aina kuivimman hakkeen (kosteusero pysyy koko kuivausajan maksimaalisena ilman ja hakkeen välillä). Ulkomailla on kaupallisina kuivureina markkinoitu myös erittäin suureen ilmavirtaan perustuvia puhalluskuivureita (viileä kuivausilman pieni yksikkökohtainen vedensitomiskyky korvataan ilmavirran volyymillä). Tällöin kuivattava materiaali on oltava erittäin hienojakoista, joten se ei sovellu yleensä perinteiseen hakekattilaan polttoaineeksi, vaan sen käyttö olisi joko pelletoinnissa tai briketoinnissa. Osaan em. kuivureista on liitetty murskain, jolloin kuivattava materiaali on aina riittävän pienijakoista. Uusimpana kotimaisena innovaationa on CCM Power -yhtiön hakekuivuri (koeajossa Haukiputaalla Kellon sahalla); kuivurin kehittely on kuitenkin vielä kesken. Toisaalta kuivuri on ideoitu tuoreen hakkeen kuivaukseen ja se vaatii omanlämminilmakehittimen, joten laitteistoa ei käytännössä voida käyttää olemassa olevien lämpölaitosten lämpöverkon ylijäämälämmön hyödyntämisessä/ lämpökuorman tasaajana. Hiukan vastaavia siilokuivureita on myös ulkomaisilla valmistajilla, joskin toimintaratkaisuissa on eroja. VTT on mallintanut hakkeen kuivausta ns. ristivirtaperiaatteella toimivalla siilokuivurilla, 12

missä ylhäältä alaspäin valuva hake kuivaa sivusta vaakasuunnassa puhallettavan lämpimän ilman vaikutuksesta. Menetelmällä päästään suhteellisen ohueen hakekerrokseen ilmavirran läpimenosuunnassa, jolloin kuivumistuloksesta saadaan tasainen. Chydenius-instituutin käynnissä olevassa HighBio-hankkeessa on tehty mm. laitevalmistajaselvitys, mistä löytyvät myös tärkeimmät hakkeen kuivaukseen laitteita valmistavat yritykset (valitse INFO 44)(http://www.chydenius.fi/yksikot/luonnontieteet/julkaisut-ja-raportit/highbio/) (ks. liite). 2.1 Tiivistettyjä tuloksia eri kirjallisuuslähteistä poimituista hakkeen lämminilmakuivauksista Kärsämäen kehityskeskuksen toteuttamassa pellettihankkeessa (Pohjois-Pohjanmaan pellettihanke 2003 2005, loppuraportti) on selvitetty mm. aluelämpökeskusten lämpöenergian hyödyntämistä pelletin puuraaka-aineen kuivauksessa. Raportissa oli päädytty mm. seuraaviin johtopäätöksiin: - savukaasukuivaus on lämmönvaihtimen kautta vedestä ilmaan siirrettävää lämpöenergiaa tehokkaampi kuivausmenetelmä (syynä energian lämmönvaihdintappiot, korkean kuivauslämpötilan käyttömahdollisuus savukaasukuivauksessa) - kaukolämmön paluulämmön käyttö kuivaukseen kasvattaa puumateriaalin läpi puhallettavan ilman määrää matalan lämpötilan takia eli lisää sekä investointikustannuksia että käyttökustannuksia - yhden vesikilon haihduttaminen tarvitsee 100 m3 lämpötilaltaan 50 C ilmaa, 100 C noin 40 m3 ja 200 C noin 20 m3 - kuivattavan puumateriaalin (hakeaineksen) paksuus on oleellisin kuivumisaikaan vaikuttava tekijä; lisäksi puusyiden suunnassa tapahtuva kosteuden siirtyminen on yli kaksinkertainen verrattuna poikkisyyhyn tapahtuvaan kulkeutumiseen -viiltohaketus oli kuivumisen kannalta tehokas alkukäsittelymenetelmä - sahanpurun ja kuoren ulkovarastointi nosti 50 % materiaalin kosteuden noin 70 %, eli lopputuotteen puukiloa kohden oli kuivattava kaksi kiloa vettä 13

Lostec, B. ym. 2007: Wood chip drying an absorption heat pump, ScienceDirect 33(2008) 500-512. Kanadalaisten tutkijoiden selvitys lämpöpumpputekniikan hyödyntämisestä hakkeen kuivaamiseen: - Hakkeen kuivaus lämpöpumppua käyttäen (lämmönlähteenä puukattila tai teollisuuden hukkalämpö) oli harkittavissa vain, mikäli kuivauslämpötila on alle 60 C - korkeammissa lämpötiloissa oli käytettävä kaksivaiheista lämpöpumppusysteemiä - kokonaisuutena lämpöpumppujen käyttäminen kuivausprosessissa todettiin erittäin kalliiksi ratkaisuksi. Yrjölä, J. Moelling and experimental study on wood chips boiler system with fuel drying and with different heat exchangers (TKK Dissertations 48. 2008) - kuivausilman lämpötila tulisi olla alle 100 C, mikäli ilma johdetaan ulos kuivurista, koska yli sadassa asteessa kuivausilman mukana ulos pääsevien hiilivetyjen määrä kohoaa nopeasti - biokattilan energiantuoton optimointi edellyttää kattilan mitoitusta noin 60 % huipputehosta - kattilan arinaa on kasvatettava noin 120 %, kun hakkeen kosteus kohoaa 30 %:sta noin 60 %:iin - kuivauksen mallintamisessa todettiin, että kuivauslämpötilan lasku sadasta asteesta seitsemäänkymmeneen asteeseen lisää kuivatun hakkeen määrää yli viidenneksen kun kuivaukseen käytettiin kolmasosa kattilan huipputehosta - kuivausilman lämpötilan kohottaminen kasvattaa lämmönvaihtimen kokoa mutta puolestaan pienentää kuivausaikaa ja kuivurin kokoa - ristivirtauskuivauksessa kuivausilman tulopuolen hake saattoi olla kuivaa, kun vastapuolella hake oli osin jäässä (hake valui ylhäältä alas ja puhallus oli vaakasuunnassa hakemassan läpi) 14

Haikonen T. Tutkimus biopolttoaineen aumakuivauksesta. (Motiva Oy 2005). - auman muodolla ja korkeudella voidaan vaikuttaa hakkeen kuivumiseen, vaikka korkeudella ei ole vaikutusta kostuneen pintakerrosten paksuuteen - korkean auman itsesyttymisriski kasvaa verrattuna matalaan - auman peittäminen aiheuttaa kosteuden lisääntymisen (haihtuminen estyy) - hakkeen alkukosteus ja vihermassan määrä lisäävät kuiva-ainetappioita - kuiva-ainetappiot ovat suurimmat ensimmäisen varastointikuukauden aikana - ilman vedensitomiskyky kasvaa 1-2 g/kg ilmaa lämpötilan noustessa noin 10 C; vedensidonta vaihtelee tuloilman suhteellisen kosteuden mukaan - hakkeen kuivauksessa kuivaus tehostuu lisäämällä haihdutuspintaa, suurentamalla aineensiirtokerrointa kuivausilman nopeutta nostamalla ja kuivausilman lämmittämisellä - auman alapuolelta puhallettavan ilman aikaansaama kuivuminen oli epätasaista; auman tiivistyminen vaikuttaa läpäisevyyteen - tilavuusvirran nostaminen on tulosten perusteella lämpötilan nostoa tehokkaampi keino kuivumisajan lyhentämisessä Holmberg, H. Biofuel drying as a concept to improve the energy efficiency of an industrial CHP plant. (TKK Dissertations 63, Espoo 2007). Mm. yhteenvetotaulukko eri kuivurityyppien eduista ja heikkouksista ja energiankulutuksesta: - rumpukuivaus: lämmönlähteenä savukaasu (200 600 C), sopii heterogeeniselle materiaalille, pienet ylläpitokustannukset, heikkoutena pöly ja savuongelma, palovaara, suurikokoinen, lämpöä 3,5-4,2 MJ/kg vettä (1,2 kwh), sähköä 10-50 kwh/ tonni kuivattua materiaalia (mm. GEA, Torkapparater, DryCo) - patjakuivaus: lämmönlähteenä ilma (30 150 C), sopii heterogeeniselle materiaalille, sopii matalalämpökuivaukseen, hyvä laadunhallinta, suurikokoinen, palovaara (?) (mm. Swiss Combi, Bruks Klöckner, Mabarex, Andriz Fiber Drying) - kaskadikuivuri: lämmönlähteenä savukaasu (160 280 C), sopii heterogeeniselle materiaalille, koko pieni suhteessa muihin kuivureihin, korroosio-ongelma, palovaara, ei 15

sovellu pitkille kuorenkappaleille, lämpöä 5,8 MJ/kg vettä (1,6 kwh), sähköä 10 15 kwh/ tonni kuivattua materiaalia - pneumaattiset kuivurit: lämmönlähteenä savukaasu (150 700 C) tai höyry (>150 C), pienikokoinen suht. muihin kuivureihin, höyrykuivauksessa lämmöntarve pieni, ei sovi suurille partikkeleille, korroosio-ongelma -ylläpitokustannukset korkeat, palovaara kuivurin jälkeen, materiaalinsiirto-ongelmat, lämpöä 1 (höyry)- 3,7 MJ/kg vettä (0,3-1 kwh), sähköä 60-120 kwh/ tonni kuivattua materiaalia (pneumaattinen) (mm. GEA, DryCo, Einco) Fagernäs, L. ym. Puupolttoaineiden esikäsittelyn kemialliset vaikutukset -PUUT37 (Puuenergian teknologiaohjelman vuosikirja 2003, VTT Symposium 231, Espoo 2004) - Kuivauttavan raaka-aineen laatu ja varastointiaika vaikuttivat kuivausprosessin lauhteiden orgaaniseen kuormitukseen; varastoitu aiheutti suuremman kuormituksen kuin tuore ja kuorimateriaali suuremman kuin viherhake - tavoitellulla loppukosteudella 25-1 % ei ollut suurta merkitystä syntyviin päästöihin alle 200 C lämpötilassa, mikäli materiaalia ei kuivattu täysin kuivaksi - ylikuivaamisen vaaraa ei käytännössä ole, niin kauan kuin osassa materiaalista on kosteutta jäljellä. Hakekuivureiden budjettitarjouspyyntöjen vastauksien (3 kpl) perusteella saatiin alustava kuva teollisen mittakaavan hakekuivureiden kapasiteeteista ja lämpöenergian tarpeesta. Keskieurooppalainen Riela-hihnakuivurin tuotto on arviolta 750 kg/h ja se vaatii noin 500 kw:n lämmönlähteen. Toiminta perustuu kuumalla vedellä lämmönvaihtimen avulla tuotettavaan kuivausilmaan. Laitteiston hinta on lämmityskattiloineen ilman asennusta noin 160 000 euroa (ALV 0%??). Ved Systems Oy:n maahantuoma Muhlböck-tärysekoitteinen kuivuri edellyttää sulassa tilassa olevan raaka-aineen. Laitteiston tuotto on 50 % hakkeella noin 2300 kg/h. Kuivuri vaatii lämpöenergiaa noin 780 kwh ja sähköä noin 13 kwh. Laitteiston hinta on ilman lämmönlähdettä ja siihen kuuluvia putkistoasennuksia lukuun ottamatta paikalleen asennettuna käyttökoulutuksineen noin 131 000 euroa (ALV 0%). 16