Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) Pilkkeiden keinokuivaus Pilkepäivä, Energiametsä-hanke Oulu 10.12.2014 Jyrki Raitila, erikoistutkija VTT
Johdanto 11.12.2014 2
Yleistä Polttopuun tärkeimmät ominaisuudet käyttäjän kannalta ovat Riittävän alhainen kosteus <20 % Sopivat mitat riippuu tulisijasta Puhtaus ei hometta Useissa tutkimushankkeissa (VTT) on seurattu polttopuun kuivumiseen vaikuttavia tekijöitä ja erilaisia kuivaustapoja Pääasialliset lähteet: Lämpöyrittäjyyden ja polttopuuliiketoiminnan kehittäminen (Energiapilke) ja Biolämpöliiketoiminnan laatu- ja kannattavuushanke (Biolämpö) 11.12.2014 3
Kuivumiseen vaikuttavat tekijät Tärkeimmät kuivausaikaan ja pilkkeiden väliseen kosteuseroon vaikuttavat tekijät: Pilkkeen ominaisuudet Alkukosteus Pilkkeen mitat (tilavuus/pinta-alasuhde, 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 11.12.2014 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 11.12.2014 Lähteet: Sikanen ym. 2008, Routa 2014 5
Polttopuun kuivaustavat Luonnonkuivaus, ulkoilman lämpötila Edullinen, hidas, voi heikentää laatua, sääriippuva Kylmäilmakuivaus, ulkoilman lämpötila Nopeuttaa kuivumista, 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 11.12.2014 6
Kuivauksen teoriaa 11.12.2014 7
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 11.12.2014 8
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 11.12.2014 9
Kosteuden vaikutus puun lämpöarvoon ja energiatiheyteen 25 1,1 Lämpöarvo, MJ/kg 20 15 10 5 MJ/kg MWh/i-m3 1 0,9 0,8 0,7 Energiatiheys, MWh/i-m 3 (koivu, runkopuu) 0 0 10 20 30 40 50 60 Kosteus, % 0,6 1 MJ = 0,2778 kwh, 1 MWh = 1000 kwh 11.12.2014 10
Kuivauksen lähtökohta Kuivausilman lämmitys Kuivuri Kuivausilma sisään Kosteuden haihtuminen Kuivausilma ulos Lämpötila Lämpötila Suht. kosteus Suht. kosteus Ilman tilavuusvirta Kuivurin koko Ilman tilavuusvirta Kuivurin kapasiteetti 11.12.2014 11
Kostean ilman Mollier-diagrammi Water content (g/kg) 0 5 10 15 20 25 30 35 11.12.2014 12
Kylmäilmakuivurissa tapahtuva veden haihtuminen Water content (g/kg) 0 5 10 15 20 25 30 35 x = 2,0 g/kg 11.12.2014 13
Kylmäilmakuivuri + aurinkokerääjä Water content (g/kg) 0 5 10 15 20 25 30 35 x = 3,5 g/kg Yhden asteen kuivauslämpötilan nosto lisää ilman vedensitomiskykyä noin 0,3 g/kg kuivaa ilmaa. 11.12.2014 14
Lämminilmakuivuri Water content (g/kg) 0 5 10 15 20 25 30 35 Ilman lämmitys x = 12 g/kg 11.12.2014 15
Lämminilmakuivuri vs. kylmäilmakuivuri Water content (g/kg) 0 5 10 15 20 25 30 35 x = 10 g/kg 11.12.2014 16
Kuivausilman lämpötilan vaikutus kuivausaikaan 60 Pilkkeen kosteus, % 50 40 30 20 45 C 70 C 90 C 110 C 150 C 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 11.12.2014 17
Esimerkki 1 Kuivuriin tulevan ja kuivurista poistuvan ilman lämpötila 80,0 70,0 Ilman lämpötila, C 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 Kuivausilman lämpötila sisään Kuivausilman lämpötila ulos 10,0 0,0 0 10 20 30 40 Kuivausaika, h 11.12.2014 18
Esimerkki 2 Kuivuriin menevän ja kuivurista poistuvan ilman suhteellinen kosteus 100,0 90,0 Ilman suhteellinen kosteus, % 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Kuivausilman RH sisään Kuivausilman RH ulos 0 10 20 30 40 Kuivausaika, h 11.12.2014 19
Esimerkki 3 Kuivausilman ja poistuvan ilman vesipitoisuus 30,0 25,0 Ilman vesipitoisuus, g/m3 20,0 15,0 10,0 5,0 Kuivausilma sisään Kuivausilma ulos Kuivausilma erotus 0,0 0 10 20 30 40 Kuivausaika, h 11.12.2014 20
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 = (P1+P2+P3+P4+P5)/P7 * 100 % = (1 P6/P7) * 100 % 11.12.2014 21
Kuivureiden toiminnan mallintaminen Ei ilman takaisinkierrätystä 11.12.2014 22
Kuivurin laskentaa Syöttöarvo lihavoitu sininen 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 k1 1,181 kg/m 3 k2 1,142 kg/m 3 k3 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 x23 0,0032 kg H2O /kgki Abs. Kosteuden muutos h23 0,13 kj/kgki Entalpian muutos T2 T3 h 2 Lämmitys x23 Haihdutus 3 z Märkä raaka-aine Kuivattu raaka-aine 45 w-% 15 w-% 350 Kuivuri kg/h 226 kg/h 193 kg ka /h 193 kg ka /h 158 kg H2O/h 34 kg H2O/h 10 C 11.12.2014 23
Kuivuriesimerkkejä ja kuivaustuloksia 11.12.2014 24
Yli- ja alipainekuivuri Kuivuri Kuivuri Kuivausilman puhallus (ylipainekuivuri) Kuivausilman imu (alipainekuivuri) Kuivuri Kuivuri 11.12.2014 25
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 11.12.2014 26
Kuivausilman kierrätys ja LTO 1 2 Ei ilman takaisinkierrätystä 3 KUIVURI 4 5 1 2 Ilman takaisinkierrätys/sekoitus 4 3 KUIVURI LTO 5 1 2 Ilman takaisinkierrätys/sekoitus ja lämmön talteenotto (LTO) 3 KUIVURI 11.12.2014 27
Jatkuvatoiminen kuivuri Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Uusi pilke-erä sisään Kuiva pilke-erä ulos 11.12.2014 28
Pilkkeiden kylmäilmakuivausta 11.12.2014 29
Merikontista tehty kuivuri 11.12.2014 30
Konttikuivurin pohjaratkaisu 11.12.2014 31
Potkuripuhallin 50 cm, 2,2 kw/3000 kierr. moottorilla 11.12.2014 32
Lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista Kuivausilman tulokanava katossa Poistoilman kanavat
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 %. Pilkkeen kosteus, % 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 %. Pilkkeen kosteus, % 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Pilkkeen kuivamassa, g 34
Kuivaus latomallisessa kylmäilmakuivurissa Kylmäilmakuivurin rakenne Puhallin 9 kw, tuulitunneli, puusiilo Raaka-aineet Talvella ja keväällä tehtyä sekaklapia Kylmäilmakuivurin anturit 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
Kuivauksen poistoilman säätö 40 35 Kuivurin poistoilman lämpötila ja suht. kosteus 100 90 Lämpötila, C 30 25 20 15 10 5 Poistoilman lämpötila Poistoilman kosteus 80 70 60 50 40 30 20 10 Suhteellinen kosteus, % 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 39
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 40
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 11.12.2014 41
Pilkkeiden kuivuminen lämminilmakuivurissa Laukaa: Lämminilmakuivurissa kuivausaika oli keväällä 5 vrk Pilkkeiden alkukosteus 45 50 %, loppukosteus 15 20 % Vettä poistui 100 kg/irtokuutio, 250 kg/häkillinen, yhteensä 1 500 litraa Häkillisen energiasisältö kuivauksen jälkeen noin 2 100 kwh Kesän aikana yksi pilke-erä viikossa, kuivausaika 3 vrk pilkonta torstaina, kuivauksen käynnistys perjantaina, purku maanantaina 11.12.2014 42
Havaittuja hyötyjä Laukaan vankilan tilalla Valmistusketjun logistiikka kehittynyt sujuvammaksi, ei turhia raaka-aineen ja pilkkeiden siirtelyjä Laadun varmistus alkaa jo pilkkeen teon yhteydessä alkukosteus ja punnitus Kuivumisen kontrollointi kuivurin mittaustiedoista kuivausilman suhteellinen kosteus yhteydessä pilkkeiden kosteuteen Loppupunnituksen avulla voidaan laskea energiasisältö Asiakkaalle voidaan antaa tuoteseloste Verkostoitumisessa myös jakelun hoitaja tietää vievänsä kuivia pilkkeitä Laadukasta toimintaa koko valmistus- ja toimitusketjussa Tyytyväiset asiakkaat
Yhteenveto Raaka-aine vaikuttaa alkukosteuteen ja kuivumiseen raaka-ainetta voidaan kuivata jo ennen pilkkeiden 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 Parempi hinta? Tehokkaan ja toimivan kuivurin voi rakentaa edullisesti, mutta kuivauksen taselaskentaan ja mitoitukseen kannattaa kiinnittää huomiota Kaikilla kuivaustavoilla voidaan saavuttaa hyvää polttopuuta kunhan kiinnitetään huomiota koko tuotantoketjuun
TEKNOLOGIASTA TULOSTA