1. No category

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