Keski-Pohjanmaan energiaosuuskuntien
28.9.2010 Keski-Pohjanmaan energiaosuuskuntien lämpölaitokset: kartoitus ja mittauksia Yliopettaja, TkT Martti Härkönen, CENTRIA Kaustinen 22.9.2010 Halsua 700 kW Kälviä 2 x 2000 kW Energiaosuuskuntien omistamia tai ylläpitämiä hakelämpölaitoksia on 6 kpl (kaikissa vierailtu) Lohtaja 300 kW Maakunnassa on energia- ja hakeosuuskuntia yhteensä 7+1=8 kpl Toholammilla on energiaosuuskunta, muttei lämpölaitosta Lestijärvellä on hakkeen kaasutukseen perustuva pieni CHPlaitos (noin 1 MW) Energia- ja Osakeyhtiöitä 2 kpl (Kaustisen ja Vetelin hakeosuuskuntien turvelaitokset, molemmissa on vierailtu) sijainti kartalla 1 28.9.2010 Jokaisesta lämpölaitoksesta on laadittu erilliset datakortit (suomeksi ja englanniksi) • Veteli • Lohtaja • Perho • Halsua • Eskola • Lestijärvi - • Kälviä • Kaustinen CHP-plant no data card • Toholampi - no plant at all no data card Energiaosuuskuntien lämpölaitokset (click) 2 28.9.2010 Laitos Vuosi Nimellisteho Hakkeen ja palaturpeen käyttö Tuotettu lämpö Perho 1994 1400 kW hake 8000 i-m3/a turve 1000 i-m3/a 5500 MWh/a Eskola 2001 120 kW hake 600 i-m3/a 420 MWh/a Lohtaja 2002 300 kW hake 1200 i-3/a 750 MWh/a Halsua 2003 700 kW hake 3500 i-m3/a 2600 MWh/a Kälviä 1 Kälviä 2 2003 2006 2000 kW 2000 kW hake 14000 i-m3/a (yhteensä) 8000 MWh/a (yhteensä) Veteli (osakeyhtiö) 2008 1500 kW hake + puubriketti yhteensä 1900 i-m3/a turve 1000 t/a 3870 MWh/a Kaustinen 1 Kaustinen 2 (osakeyhtiö) 1999 2004 2000 kW 2000 kW turve 15000 i-m3/a hake 1000 i-m3/a 16600 MWh/a 6,52 MW (EOK) hake 27000 i-m3/a 16-17 GWh/a YHTEENSÄ Laitos Nimellisteho Savukaasujen puhdistus Tuhkan poisto Jäännöshapen mittaus Perho 1400 kW ei märkä kyllä Lohtaja 300 kW ei kuiva ei Halsua 700 kW sykloni kuiva kyllä Eskola 120 kW ei kuiva ei Kälviä 4000 kW ei märkä kyllä Veteli 1500 kW sykloni kuiva kyllä Kaustinen 4000 kW sykloni märkä kyllä 3 28.9.2010 Pysyvyyskäyrä huipunkäyttöaika sopiva kattila Tämä osa (eli 300 h ja 150 MWh) on tuotettava muulla Vuodessa ontavalla 300 h, jolloin tehoa pitää olla vähintään 400 kWHuipun käyttö ajan olisi on 1200 OtetaanVuodessa 400 kW kattila, hyväh, jolloin tehontarve jolloin sen Keskiteho 145huipunkW riittää ollaon 200 kW käyttöaika on 3188 h/a. 8760 – vähintään 3200 = 5560 h/a noin Kattilalla voidaan tuottaa tuottamaan kaiken lämmön 2500 – noin 88 77 % tarvittavasta eli noin % tarvittavasta 3500 lämpöenergiasta! lämmitysenergiasta!h/a Sopivan kokoinen kattila löytyy, kun Huipun käyttöaika saadaan vuodessa tarvittava todellinenjakamalla lämmöntarve jaetaan kattilan ns. lämpöenergia kattilan huipunkäyttöajalla. Huipunkäyttöajan tulisi nimellisteholla eli tässä olla 2500 … 3500 h/a 1275 MWh/0,4 MW = 3188 h/a tässä 1275000 kWh / (2500 h … 3500 h) = 360 kW – 510 kW valitaan 400 kW Pysyvyyskäyrän alle jäävä pinta-ala vastaa asiakkaiden lämmöntarvetta vuoden aikana. Vuodessa on 5600 h, jolloin Tässä lämmitystehon tarve on esimerkissä vähintään 100 kW1275 MWh/a 1275 – 150 = 1125 MWh, mikä on 88,2 % lämmöntarpeesta! 8760 h/a 4 28.9.2010 Mittauksia tehty Kälviän 2 MW lämpölaitoksella syksyn 2009 ja kevään 2010 aikana Mitä ovat päästöt (kaasumaiset ja kiinteät) ja mikä on lämpölaitoksen hyötysuhde? (click) T T P,T 2000 kW hakekattila T T T Mittaukset jatkuvat vielä syksyllä 2010 ja keväällä 2011 loppuyhteenveto syksyllä 2011 5 28.9.2010 PERHO 1994 1400 kW LAKA-kattila • osuuskunnassa jäseniä 58 Hake + turve 8000 i-m3/a lämpöenergiaa 5500 MWh/a 3930 h/a ESKOLA 2001 120 kW Arimax-kattila • osuuskunnassa jäseniä 30 Haketta kuluu 600 i-m3/a lämpöenergiaa 420 MWh/a 3500 h/a 1 28.9.2010 LOHTAJA 2002 300 kW Arimax-kattila • osuuskunnassa jäseniä 41 Haketta kuluu 1200 i-m3/a lämpöenergiaa 750 MWh/a 2500 h/a HALSUA 2003 700 kW LAKA-kattila • osuuskunnassa jäseniä 27 Haketta kuluu 3500 i-m3/a lämpöenergiaa 2600 MWh/a 3715 h/a 2 28.9.2010 KÄLVIÄ 2003, 2006 2 x 2000 kW Arimax-kattila • osuuskunnassa jäseniä 65 Haketta 14000 i-m3/a lämpöenergiaa 8000 MWh/a 2000 h/a VETELI 2008 • K & V osuuskunnassa jäseniä 60 1500 kW Calortec-Kyrö-kattila Turvetta 1000 tonnia/a Turve + hake 1500 i-m3/a lämpöenergiaa 3870 MWh/a 2580 h/a 3 28.9.2010 2 x 2000 kW Termopoint-kattila KAUSTINEN 1999, 2004 • K & V osuuskunnassa jäseniä 60 Turvetta 15000 i-m3/a Haketta 1000 i-m3/a Turve + hake 16000 i-m3/a lämpöä 16600 MWh/a 4150 h/a 4 28.9.2010 Hakelämpölaitoksen hyötysuhde- ja päästömittaukset Kälviällä sekä kostean hakkeen eräitä ominaisuuksia Kaustinen 22.9.2010 Martti Härkönen, CENTRIA Kälviä 2,0 MW On osattava laskea (ilman mittauksia), että paljonko hakekuormassa on energiaa hakkeen tuojan ja toisaalta hakkeen polttajan kannalta? Lohtaja 0,3 MW Paljonko hakkeessa sitten on energiaa per kilo tai per irtokuutio? • Hakkeeseen sitoutunut energiamäärä riippuu monista seikoista: – hakeraaka-aine (puulaji): • koivu, mänty, kuusi, leppä… – haketyyppi: • kokopuuhake, rankahake, hakkuutähdehake… – hakekattila: • ajotapa, lämpöpintojen puhtaus, säädöt… Hakkeen kosteus on tärkein yksittäinen tekijä lämpöarvo ja irtotiheys Hakkeen kosteus vaihtelee noin välillä 25 – 50 % Mittausten analysointia ja tulevia simulointilaskelmia varten täytyy hakkeen tärkeimmät ominaisuudet osata mallintaa eli on kehitettävä laskentakaavat mm. hakkeen irtotiheydelle ja lämpösisällölle kosteuden funktiona – kaikkeahan ei voi aina mitata!!! 1 28.9.2010 1. Puun tai hakkeen kosteus • Hakkeen kosteus määritellään ”normaalisti” vertaamalla hakkeen sisältämää vesimäärää hakkeen kokonaismassaan • • kosteus • • kosteus X annetaan usein prosentteina välillä 0 -100 %, mutta myös desimaalilukuna välillä 0 – 1. Esimerkiksi 100 kg kosteudeltaan 40 % haketta sisältää vettä 0,40 x 100 = 40 kg • • • • Kosteus voidaan kuitenkin määritellä ja ilmoittaa myös toisella tavalla eli vertaamalla vesimäärää hakkeessa olevan kuivan puun massaan kosteusuhde kosteussuhde U annetaan useimmiten desimaalilukuna, koska voi olla, että U > 1 tärkeä kuivauslaskelmissa ! Esimerkiksi 100 kg kosteudeltaan 40 % haketta sisältää vettä 40 kg ja kuivaa puuta 60 kg, jolloin hakkeen kosteussuhde on 40/60 = 0,67 eli 67 % Kosteuden X ja kosteussuhteen U välinen riippuvuus: X = U/(1 + U) kg vettä / kg kosteaa puuta U = X/(1 – X) kg vettä / kg kuivaa puuta Esimerkki: Kuivataan 100 kg märkää haketta alkukosteudesta X1 = 50 % loppukosteuteen X2 = 30 %. Paljonko vettä pitää poistaa? Alussa hakkeessa on vettä 0,50 x 100 = 50 kg ja kuivaa puuta loput 50 kg. Kuivan puun massa ei kuivauksessa muutu. Lopussa kosteussuhde on U2 = 30 /(100 - 30) = 0,429 eli hakkeessa on vettä jäljellä 0,429 x 50 = 21,4 kg, joten vettä pitää poistaa 50 – 21,4 = 28,6 kg. Tarkistus: Lopputilassa hakkeessa on siis vettä 21,4 kg ja kuivaa puuta 50 kg eli kokonaismassa on enää 71,4 kg. Kosteus X2 = 21,4/71,4 = 0,30 eli 30 % (oikein). Huomaa, että poistettavaa vesimäärää ei todellakaan voi laskea suoraan kaavalla: 100 x (0,50 – 0,30) = 20 kg! 2 28.9.2010 Esimerkki: Ote Laatuhakkeen tuotanto-oppaasta Metsäkeskus Etelä-Pohjanmaa / Tanja Lepistö • Sivulla 33 sanotaan: ”Jos kylmäilmakuivurilla kuivataan 35 % kosteudessa oleva hake 20 % kosteuteen, haihtuu 300 irtokuutiosta haketta noin 11000 litraa (11000 kg) vettä…” • 300 i-m3 haketta, kosteudeltaan 35 %, painaa noin 240 x 300 = 72000 kg • Tästä on vettä 0,35 x 72000 = 25200 kg ja kuivaa puuta tietysti loput eli 46800 kg • • Hakkeen loppukosteus on 20 %, mikä on kosteussuhteena U = 20/(100-20) = 0,25. Kuivauksen jälkeen hakkeessa on vettä jäljellä 0,25 x 46800 = 11700 kg ja kuivaa puuta siis edelleen 46800 kg. Vettä siis poistettiin kuivauksessa 25200 – 11700 = 13500 kg eli noin 23 % enemmän kuin mitä oppaassa kerrotaan! Kuivausenergiana ero olisi vieläkin suurempi… 2. Veden sitoutuminen puuhun • Kun puun kosteus X on alle ns. PSK-rajan eli noin 23 %, niin puussa oleva vesi on fysikaalisesti ja/tai kemiallisesti sitoutuneena puun syiden soluseinämiin. • Kosteuden ollessa yli 23 %, puun syiden soluseinämät ovat täysin vedellä kyllästyneet ja lisävesi on puun syiden soluonteloissa ja seinämien pinnoilla • sidottu vesi: • vapaa vesi: – vesi on hyvin ”tiukassa” ja sen pois saaminen vaatii paljon enemmän energiaa (kWh/kg vettä) kuin pelkkä veden höyrystäminen – mitä kuivemmaksi puu tulee, sitä enemmän energiaa tarvitaan veden poistamiseen eli tarvittava energia riippuu kosteudesta X – vapaa vesi on ”helppo” poistaa, koska tarvittava energia vastaa veden höyrystymislämpöä täytetäytetäytetäytetäytetttttttttttt t – veden poistamiseen tarvittava energia (kWh/kg vettä) ei riipu kosteudesta X – tarvittava energia on keskimäärin 1,18 kWh/kg vettä – tarvittava energia on 0,63 kWh/kg vettä 3 28.9.2010 Energian tarve on suurempi kuin 0,63 kWh/kg vettä PSK-rajana on käytetty arvoa U = 0,30 kg vettä/kg kuivaa puuta, mikä vastaa kosteutta X = 23 % 0,63 kWh/kg vettä Sidottua vettä Vapaata vettä 3. Puun turpoaminen / kutistuminen • Puu turpoaa kostuessaan ja kutistuu kuivuessaan, mutta vain kun kosteus on PSK-rajan alapuolella. • PSK-raja: U = 30-33 % kosteus X = 23-25 % • PSK-rajaa suuremmilla kosteuksilla puun (hakkeen) tilavuus ei enää riipu kosteudesta X. • Turpoaminen ja/tai kutistuminen on suurinta koivulla ollen maksimissaan noin 15 %, männyllä maksimi on noin 12 %. • Turpoaminen ja kutistuminen ovat keskenään likimain yhtä Puun turpoaminen/kutistuminen otettava huomioon suuria.esimerkiksi, kun määritetään hakkeen lämpöarvoa yksikössä kWh/i-m3 4 28.9.2010 Esimerkki: mäntypuun todellinen tiheys (kg/m3) Veden tiheys 1000 kg/m3 Kaatotuoreen männyn tiheys- ja kosteusalue Jos turpoamista ei ole huomioitu Puuaineksen turpoaminen kostuessaan on otettu huomioon Männyn kuivatiheys on noin 460 kg/m3 ja kuivatuoretiheys 405 kg/m3 4. Kostean hakkeen irtotiheys (kg/i-m3) • Irtotiheys riippuu mm. puulajista, ohessa on joitakin kuivatuoretiheyksiä: – koivu 490 kg/m3 – mänty 405 kg/m3 – leppä 400 kg/m3 – kuusi 395 kg/m3 – haapa 375 kg/m3 (kuiva-tuoretiheys on puun kuivamassa per puun tuoretilavuus) • • • • • Hakekasan tiiviys (v) määritellään hakkeen kiinteän puuaineksen osuutena sen irtotilavuudesta. 22 kg Usein käytetään vakioarvoa v = 0,40 m3/i-m3 eli 1 k-m3 puuta - 25 kg tuottaa 2,5 i-m3 haketta. Käytännössä tiiviys kuitenkin vaihtelee, ollen välillä 0,36 – 0,44, jolloin 1 irto-m3 sisältääkin 0,36 – 0,44 kiinto-m3 puuta. Mitä suurempi tiiviys, sitä suurempi on hakkeen irtotiheys: Paljonko painaa 100 litraa kosteudeltaan 27 % haketta? irtotiheys = tiiviys x märkätiheys Irtotiheys riippuu luonnollisesti myös kosteudesta X 5 28.9.2010 Mittaustulos riippuu liikaa mittausastian ravistelusta epävarmuutta! 5. Hakkeen energiasisältö • • Puun kuiva-aineen kalorimetrinen eli ylempi lämpöarvo (qcal) on kaikilla puulajeilla suunnilleen sama eli 19,520,5 MJ/kg ka. eli noin 5,6 kWh/kg ka. Puun tuhkattoman ja vedettömän kuivaaineen alkuainekoostumus on hakkeilla keskimäärin: – – – – – Hiili C: Vety H: Rikki S: Typpi N: Happi O: 51 - 52 % 6,0 – 6,2 % 0,003 % 0,3 % 41 - 42 % (loput) • Tuhkaa on lisäksi noin 0,6 – 1,0 % ka:sta • Kuiva-aineen tehollinen eli alempi lämpöarvo ottaa huomioon puun sisältämän vedyn palaessaan muodostaman veden höyrystämiseen kuluvan energian – qalempi = qcal – 0,2197 x H% – qalempi = 18,7 MJ/kg ka. = 5,2 kWh/kg ka. Kosteus alentaa hakkeesta saatavaa todellista lämpöenergiaa, koska kaikki hakkeen sisältämä vesi täytyy höyrystää vesihöyryksi ja tämä vaatii paljon energiaa Standardikaava (+25 C): qstd = qalempi * (100 – X)/100 – 0,02443X (jossa X = kosteusprosentti) Kaava ei kuitenkaan ota huomioon: • turpoamista eikä kutistumista • sidottua ja vapaata vettä • hakkeen ja pal. ilman alkulämpötilaa 6 28.9.2010 Hakkeen lämpösisältö hakekiloa kohti Kalorimetrinen lämpösisältö per hakekilo Alempi lämpösisältö per hakekilo Hakkeen todellinen lämpösisältö ARINALLA per hakekilo (kesä/talvi) Hakkeen lämpösisältö irtokuutiota kohti 7 28.9.2010 Esimerkki kuorman energiasisällöstä • • • • • Kuormassa on 15 i-m3 kosteudeltaan 42 % haketta hakkeen irto-tiheys on 285 kg/i-m3, jolloin kuorman massa on 4275 kg. Lavalla on ”periaatteessa” energiaa alemman lämpöarvon mukainen määrä eli 858 kWh/i-m3 x 15 i-m3 = 12,9 MWh (tämä arvo ei riipu kosteudesta, jos X > 23 %) Hakkeen tuojalle maksetaan standardimallin mukaisesti 775 kWh/i-m3 eli 11,6 MWh perusteella! Kattilassa poltettuna tästä saadaan kuitenkin ”arinalla irti” vain 742 kWh/i-m3 x 15 i-m3 = 11,1 MWh ja tästäkin vielä osa menee kattilan savukaasu-, tuhka- ym. häviöihin. KL-veden lämmittämiseen jää ehkä noin 9,0 MWh ja vain tästä asiakas maksaa energiaosuuskunnalle !!! 4275 kg x 2,72 kWh/kg = noin 11,6 MWh energiaa tästä maksetaan hakkeen tuojalle 4275 kg x 2,61 kWh/kg = noin 11,1 MWh energiaa tämän verran lämpöä irtoaa arinalla Lämpölaitokselle tulee 15 i-m3 haketta (Ko2Mä98 ja T = +2 C). Hakkeen kosteus on 42 % (0,42 kg vettä per kg haketta). Tiiviys v = 0,40. Mittaussuunnitelmia Kälviän 2,0 MW lämpölaitos Savukaasujen O2 ja H2O, hiukkas- ja kaasumaiset (CO, CO2, SO2) päästöt Hake: • koostumus • elem. analyysi • poltettu määrä • kosteus • tiheys • lämpösisältö Ulkoilman olosuhteet: p, T, kosteus, tuulisuus jne… T Kaukolämpöveden massavirta, meno- ja paluuveden T T P,T 2000 kW hakekattila T T T Ensiö- ja toisioilmamäärät 23.9.2009 Tuhka- ja kuonamittaukset (arina, konvektioosa) Tuotettu (toimitettu) lämpöenergia ja lämpöteho 8 28.9.2010 Mittausjärjestelyt Kälviällä 3/2010 • Poltettiin noin 3,9 i-m3 pääasiassa mäntypohjaista +2 C haketta (kosteus 27 %) – – • • • • • • Hake-erän lämpösisältö: kosteus 27 % STD:n mukaan 816 kWh/i-m3 ja todellisuudesssa 784 kWh/i-m3 kattilaan syötettiin hakkeen mukana energiaa 3,9 x 816 = 3182 kWh mittausjakson aikana (STD) KL-energiamittarin mukaan hakkeesta saatiin KL-energiaa 2596 kWh mittausjakson aikana. Kattilan hyötysuhteeksi tuli näin ollen: h = 2596/3182 = 81,5 % happipitoisuutta ei mitattu Muita mitattuja asioita: – – – • hakkeen irtotiheys mitattiin punnitsemalla hakkeen tiiviys v = 0,40 k-m3/i-m3 (arvio) Hake syötettiin ruuville traktorin lavalta käsin lapioimalla. Kattilassa tuotettu energia mitattiin lukemalla lämpölaitoksen KL-energiamittaria. Mittausjakson pituus oli noin 2 tuntia (116 min). Saman aikaisesti mitattiin GASMETkaasuanalysaattorilla savukaasujen erilaisia kaasukomponenttien pitoisuuksia: H20, CO2, CO, CH4, SO2 jne… – • • hakkeen ja palamisilman lämpötila kattilahuoneen lämpötila hakevaraston lämpötila, ulkolämpötila Näytteet hakkeen kosteuden ja tuhkan hehkutusjäännöksen mittaamista varten – mittaukset CENTRIAn laboratoriossa 9
© Copyright 2024