Hake pelletin korvaajana keskuslämmityskattilassa
Metatiedot
Nimeke: Hake pelletin korvaajana keskuslämmityskattilassa
Tekijä: Hilli Anu; Kylmänen Erkki; Härkönen Mikko; Uutela Teemu
Aihe, asiasanat: bioenergia, hake, lämmitys, puutavara, uusiutuvat energialähteet
Tiivistelmä: Suomessa yksi tärkeä bioenergianlähde on puu ja lämmöntuotantoon tarkoitettujen puuperäisten polttoaineiden käyttöä voidaan lisätä nykyisestä. Suuret ja keskisuuret lämpölaitokset voivat käyttää tuorekosteaa puuraaka-ainetta, mutta pienkiinteistöissä ja pienissä lämpölaitoksissa käytettävän puuraaka-aineen kosteuspitoisuuden tulisi olla noin 25 %. Tässä työssä selvitettiin kahteen palakokoon seulotun ja noin 10-30 % kosteuspitoisuuteen kuivatun hakkeen käyttömahdollisuuksia pelletin tilalla keskuslämmityskattilassa. Hakkeen polttokokeet suoritettiin 60 kW kattilalla.
Hakkeen keskikulutus polttokokeissa vaihteli 13-20 kg/h ja keskikulutus kasvoi kosteuspitoisuuden noustessa. Keskuslämmityskattilan tavoiteltu nimellisteho 60 kW saavutettiin kummallakin palakoolla ja keskimääräinen tehontuotto oli 59,6-59,9 kW. Kattilan hyötysuhteet olivat korkeita. Hyötysuhteeseen vaikuttavat savukaasussa poistuvat epätäydellisen palamisen reaktiotuotteet, poistuvan savukaasun lämpötila ja ilmakerroin. Näiden tulosten perusteella hakkeen kosteuspitoisuuden tulee olla alle 30 %, jotta se palaa puhtaasti ja tuottaa riittävästi tehoa pienkattilassa.
Julkaisija: Oulun ammattikorkeakoulu, Oamk
Aikamääre: Julkaistu 2016-12-15
Pysyvä osoite: http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2016121431395
Kieli: suomi
Suhde: http://urn.fi/URN:ISSN:1798-2022, ePooki - Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut
Oikeudet: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Näin viittaat tähän julkaisuun
Hilli, A., Kylmänen, E., Härkönen, M. & Uutela, T. 2016. Hake pelletin korvaajana keskuslämmityskattilassa. ePooki. Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut 32. Hakupäivä 3.10.2023. http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2016121431395.
Kansainvälisissä sopimuksissa ja ohjelmissa on asetettu tavoitteita uusiutuvan energian käytön lisäämiselle. Bioenergia on uusiutuvaa energiaa, jota saadaan muun muassa erilaisista biomassoista, kuten puusta, peltokasveista ja bioperäisistä jätteistä. Suomessa uusiutuvan energian painopiste on puussa ja bioperäisissä kierrätyspolttoaineissa. Ensisijaisesti lämmöntuotantoon tarkoitettujen puuperäisten polttoaineiden käyttöä voidaan maassamme lisätä.
Klapeja eli polttopuita, puupohjaisia pellettejä, brikettejä ja metsähaketta poltetaan pientalojen, maatilojen ja suurten kiinteistöjen erilaisissa lämmityskattiloissa ja tulisijoissa. Metsähaketta käytetään myös aluelämpölaitoksissa ja kaupunkien sekä teollisuuden lämpö- ja voimalaitoksissa. Pienkiinteistöissä puuta ja puupohjaisia pellettejä ja brikettejä käytetään päälämmitysmuotona tai jonkun toisen lämmitysmuodon lisänä. Motiva. 2016. Puulämmitys kiinteistöissä. Hakupäivä 30.9.2016. http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/bioenergia/puulammitys_kiinteistoissa
Suuret lämpölaitokset voivat käyttää jopa tuorekosteaa puuraaka-ainetta. Suomessa kasvavien puulajien kosteuspitoisuus tuoreena vaihtelee 45–60 % Lepistö, T. (toim.) 2010. Laatuhakkeen tuotanto-opas. 2. p. Metsäkeskus. Vammalan kirjapaino, Sastamala. Hakupäivä 18.11.2016. http://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/laatuhakkeen_tuotanto-opas_2.painos.pdf Routa, J. 2014. Energiapuuvarastojen kosteusmallit. Laava-seminaari. Vantaa 19.2.2014.. Sen sijaan pienet lämpölaitokset ja kotitaloudet tarvitsevat puuraaka-ainetta, jonka kosteuspitoisuus on tuorekosteutta selkeästi alhaisempi. Näissä pienissä käyttökohteissa puuraaka-aineen kosteuspitoisuuden tulisi olla alle 25 %. Lepistö, T. (toim.) 2010. Laatuhakkeen tuotanto-opas. 2. p. Metsäkeskus. Vammalan kirjapaino, Sastamala. Hakupäivä 18.11.2016. http://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/laatuhakkeen_tuotanto-opas_2.painos.pdf
Suurin osa energiaksi käytettävästä puusta kuivataan luonnonolosuhteissa. Esimerkiksi hakkeeksi käytettävän puun annetaan kuivua tienvarsivarastossa tai terminaalikentällä ennen haketusta. Keinokuivauksessa puun kuivumista yritetään nopeuttaa lisäenergian avulla. Lepistö, T. (toim.) 2010. Laatuhakkeen tuotanto-opas. 2. p. Metsäkeskus. Vammalan kirjapaino, Sastamala. Hakupäivä 18.11.2016. http://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/laatuhakkeen_tuotanto-opas_2.painos.pdf
Omakotitalo- ja maatilakokoluokan lämpökattiloissa käytettävän hakkeen tulee lisäksi olla tasalaatuista. Tällöin hakkeen raaka-aineeksi soveltuvat parhaiten sahaustuotteet, karsittu ranka sekä kokopuuhake. Riittävän tasalaatuista haketta saadaan tuotettua erilaisilla haketustavoilla: kartioruuvi-, laikka- tai rumpuhakkurilla, jos käytetään tiheää seulaa. Lepistö, T. (toim.) 2010. Laatuhakkeen tuotanto-opas. 2. p. Metsäkeskus. Vammalan kirjapaino, Sastamala. Hakupäivä 18.11.2016. http://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/laatuhakkeen_tuotanto-opas_2.painos.pdf
Tässä työssä selvitettiin hakkeen käyttömahdollisuuksia pelletin tilalla biopolttoaineiden polttoon tarkoitetussa keskuslämmityskattilassa.
Aineisto ja menetelmät
Tuoreesta, helmikuussa kaadetusta ja karsitusta koivurangasta valmistettu hake (30 mm x 30 mm) seulottiin minkkiverkosta tehdyllä seulalla, jonka silmäkoko oli 10 mm*17 mm (kuva 1). Hake seulottiin kahteen eri palakokoon, jotka olivat 10 mm*17 mm seulan läpäisevä palakoko ja tätä suurempi hake. Seulonnan yhteydessä suurimmat hakepalat ja oksat poistettiin. Hake kuivattiin lavakuivurilla Norrkniivilä, M. 2011. Biopolttoaineiden kuivauslaitteisto. Oulun seudun ammattikorkeakoulu. Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma. Opinnäytetyö. Hakupäivä 30.9.2016. https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/29432/Norrkniivila_Matti.pdf?sequence=1. Kosteuspitoisuudet, joihin hake kuivattiin, olivat pienellä palakoolla 10,5 %, 18,5 % ja 20,6 % sekä isolla palakoolla 14,1 %, 20,5 % ja 30,0 %. Hakkeesta määritettiin irtotiheys, kosteuspitoisuus uunikuivausmenetelmällä sekä lämpöarvot pommikalorimetrillä ja laskennallisesti. SFS-Käsikirja 35-1. 2015. Kiinteät biopolttoaineet. Osa 1: Terminologia, luokitusjärjestelmät ja laadunvarmistus sekä analyysitulosten muuntaminen eri ilmoittamisperustoille. Suomen standardoimisliitto SFS RY. SFS-Käsikirja 35-2. 2012. Kiinteät biopolttoaineet. Osa 2: Terminologia, näytteenotto ja näytteen esikäsittely, fysikaaliset ja mekaaniset testimenetelmät sekä analyysitulosten muuntaminen eri ilmoittamisperustoille. Suomen standardisoimisliitto SFS RY. Uutela, T. & Härkönen, M. 2016. Pelletin korvaaminen hakkeella biopolttokattilassa. Oulun ammattikorkeakoulu. Maaseutuelinkeinojen koulutusohjelma. Opinnäytetyö. Hakupäivä 30.9.2016.https://www.theseus.fi/handle/10024/110535
KUVA 1. Seulottua haketta laatikossa (iso palakoko) ja seulan alla (pieni palakoko) (kuvaaja: Teemu Uutela)
Pommikalorimetrillä määritettiin eri kosteuspitoisten hakkeiden kalorimetrinen eli ylempi lämpöarvo (Qgross) ja tehollinen eli alempi lämpöarvo (Qnet) (taulukko 1). Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa Qnet.ar laskettiin pommikalorimetrillä saaduista tehollisista lämpöarvoista yhtälön (1) mukaan:
Hakkeen irtotiheyksien ja lämpöarvojen perusteella laskettiin (yhtälö 2) kullekin näytteelle energiasisältö litrassa (Elitra) näytettä ja sitä verrattiin pelletin energiasisältöön. Tämän suhdeluvun perusteella laskettiin teoreettinen syöttöruuvin tehoasetus hake-erille (taulukko 1).
Hakkeen poltto suoritettiin 60 kW Artiermin BioComp-kattilalla, johon on asennettu MultiJet-biopoltin. MultiJet-polttimessa on liikkuva porrasarina, jota voidaan säätää käytettävän polttoaineen mukaan. Polttimelle soveltuvat polttoaineiksi puusta, turpeesta ja muusta biopolttoaineista valmistetut pelletit Imppola, R., Takalo-Kippola, H., Pakonen, E., Kylmänen, E., Jokinen, H. & Kuokkanen, M. 2013. Pelletöinti- ja polttokokeet. EkoPelletti – T&K –hanke. Hankeraportti. Hakupäivä 30.9.2016. http://www.oamk.fi/hankkeet/ekopelletti/docs/EkoPelletti_Pelletointi-%20ja%20polttokokeet_raportti.pdf, hake, palaturve sekä peltobiomassa. Kattilan syöttöruuvi on halkaisijaltaan 115 mm.
Ennen koepolttojen aloittamista kattila, arina ja tuhkapesä puhdistettiin ja kattila esilämmitettiin sähkövastuksella. Kattilaveden lämpötila-asetus säädettiin 80 asteeseen. Tavoitteena polttokokeiden aikana oli kattilaveden lämpötilan säilyminen 80 asteessa ja kuormitus nimellistehon mukainen 60 kW. Tasapainotilanteen saavuttaminen kesti noin tunnin. Tasapainotilan saavuttamiseen tarvittavaan aikaan vaikuttivat poltettavan hake-erän ominaisuudet. Palamiseen vaikuttavat säädöt, kuten polttoaineen syöttö, palamisilman määrä ja arinan liikkuminen asetettiin ennen polttokokeen alkamista. Varsinainen koepoltto kesti tunnista lähemmäs kahteen tuntiin.
Kattilan hyötysuhteet hakkeen eri palakoolla ja kosteuspitoisuuksilla laskettiin yhtälön (3) mukaisesti:
Hyötysuhteet laskettiin suoralla menetelmällä (taulukko 2). Kattilaan viiden minuutin jaksoissa syötetty polttoainemäärä punnittiin. Qhyöty saatiin suoraan kattilan energianmittauslaitteelta ja Qtuotu laskettiin poltetusta hakemäärästä lämpöarvojen perusteella.
Savukaasuanalysaattorilla määritettiin savukaasujen lämpötila, jäännöshappi O2 (%), CO2 (%), CO (ppm), CO (mg/m3), NO (ppm) ja NO (mg/m3) sekä lambda. Tavoitteena oli mahdollisimman puhdas palaminen ja korkea hyötysuhde. Savukaasuanalysaattorilla pitoisuudet määritettiin viiden minuutin välein.
Taulukko 1. Irtotiheys, lämpöarvot ja laskennalliset syöttöruuvin tehoasetukset
| Irtotiheys kg/l |
Ylempi lämpö-arvo J/g |
Alempi lämpö-arvo J/g |
Lämpöarvo saapumis-kosteudessa MJ/kg |
Lämpö-arvo MJ/l |
Kerroin |
Laskennallinen syöttöruuvin tehoasetus % |
|
| Pelletti | 0,65 | 16,92 | 11,00 | 1 | 4 | ||
| Hake pieni 10,5 % | 0,20 | 19716 | 19460 | 17,42 | 3,48 | 3,2 | 12,6 |
| Hake pieni 18,5 % | 0,21 | 19741 | 18432 | 15,74 | 3,12 | 3,5 | 14,1 |
| Hake pieni 20,6 % | 0,23 | 19323 | 18816 | 14,48 | 3,33 | 3,3 | 13,2 |
| Hake iso 14,1 % | 0,20 | 19134 | 18675 | 16,04 | 3,21 | 3,4 | 13,7 |
| Hake iso 20,5 % | 0,22 | 19132 | 18529 | 14,73 | 3,24 | 3,4 | 13,6 |
| Hake iso 30,0 % | 0,22 | 21131 | 18432 | 14,06 | 3,23 | 3,4 | 13,6 |
Tulokset ja tulosten tarkastelu
Syöttöruuvin lopulliset tehoasetukset säädettiin sopivaksi kullekin hake-erälle koepolttojen yhteydessä (taulukko 2). Apuna käytettiin laskennallista tehoasetusta. Hakkeella syöttöruuvin tehoasetus oli huomattavasti pellettiä korkeampi, vaihdellen 9–20 %:iin. Hakkeen pienelle palakoolle, jonka kosteuspitoisuus oli keskimäärin 20,6 %, oli vaikea löytää optimaalisia syöttöasetuksia. Tämä todennäköisesti johtui siitä, että hake jäätyi ennen kuivausta ja kosteuspitoisuus tässä kuivauserässä vaihteli.
Hakkeen keskikulutus polttokokeissa vaihteli 13–20 kg/h, eikä kuivan hakkeen (kosteuspitoisuus 10,5 %) kulutus eronnut pelletin keskikulutuksesta. Hakkeen kosteuspitoisuuden noustessa sen keskikulutus kasvoi. (Taulukko 2.) Suuremman kosteuspitoisuuden takia hakkeen lämpöarvo on pienempi, jolloin polttoainetta kuluu enemmän saman tehon saamiseksi. Hakkeen palakoolla on myös merkitystä polttoaineen syöttöön, sillä suuremmalla palakoolla haketta kului enemmän. Tässä työssä kyseistä asiaa ei kuitenkaan selvitetty tarkemmin. Myös hakkeen palakoon jakautuminen voi vaikuttaa syöttöruuvin siirtokapasiteettiin ja sitä kautta hakkeen kulutukseen. Pieni palakoko siirtyi syöttöputkessa ja ruuvikuljettimessa ongelmitta, mutta suuremmalla palakoolla havaittiin syöttöputkessa holvaantumista ja tukkeumia kuljettimessa.
Tavoiteltu nimellisteho 60 kW saavutettiin kummallakin palakoolla ja keskimääräinen tehontuotto oli 59,6–59,9 kW (taulukko 2). Hakkeen kosteudella oli selkeä merkitys palamiseen ja kattilan tehon tuottoon. Viikon kattilahuoneessa kuivunut hake (33 %) paloi huonosti ja tehon tuotto jäi vain 20–40 kW. Tämän vuoksi tulokosteaa (46 %) haketta ei edes yritetty polttaa. Hakkeilla, joiden kosteuspitoisuudet olivat noin 10 %, 20 % ja 30 %, saavutettiin kattilan nimellisteho 60 kW.
Kattilan hyötysuhteet olivat korkeat (taulukko 2). Tuloksiin vaikuttaa polttokokeen lyhytaikaisuus ja mahdolliset vaihtelut hakkeen kosteuspitoisuudessa. Erityisesti 94–96 % hyötysuhteet ovat korkeat tällaiselle kattilatyypille. Näissä hake-erissä kuivuminen on todennäköisesti tapahtunut epätasaisesti ja hake on ollut pääasiassa kuivempaa. Esimerkiksi 96 % hyötysuhteen uunikuivaustulokset vaihtelivat 17,5–24 %. Todennäköisesti erä oli kokonaisuudessaan kosteuspitoisuudeltaan lähempänä 17 % kuin 20 %. Hyötysuhteeseen vaikuttavat savukaasussa poistuvat epätäydellisen palamisen reaktiotuotteet (hiilimonoksidi), poistuvan savukaasun lämpötila ja ilmakerroin. Poltettiinpa pellettiä tai haketta sen eri kosteuspitoisuuksilla, savukaasujen lämpötilassa ei ollut suurta vaihtelua ja ilmakerroin vaihteli 1,8–2,4 (taulukko 3).
TAULUKKO 2. Hakkeen polttokokeen tulokset ja syöttöruuvin lopulliset tehoasetukset
| Palakoko ja kosteus-prosentti | Hyötysuhde % |
Keskiteho (kW) |
Keskikulutus kg/h |
Syöttöruuvin tehoasetus % |
| Pelletti | 92 | 60,2 | 13,68 | 4 |
| Hake pieni 10,5 %, 1. poltto | 95 | 59,8 | 13,44 | 9 |
| Hake pieni 10,5 %, 2. poltto | 94 | 59,7 | 13,56 | 9 |
| Hake pieni 18,5 % | 86 | 59,6 | 16,08 | 10 |
| Hake pieni 20,6 %, 1. poltto | 90 | 59,8 | 16,58 | 11 |
| Hake pieni 20,6 %, 2. poltto | 91 | 59,6 | 16,59 | 11 |
| Hake iso 14,5 % | 89 | 59,8 | 15,12 | 13 |
| Hake iso 20,5 % | 96 | 59,9 | 15,41 | 13.5 |
| Hake iso 30,0 % | 77 | 59,7 | 20,04 | 20 |
Pellettiin verrattuna hakkeen polton hiilimonoksidipäästöt vaihtelivat enemmän johtuen polttoaineen suuremmasta laadun vaihtelusta. Pääosin hiilimonoksidipäästöt hakkeen poltossa vaihtelivat 100–250 ppm ja vain polton alussa havaittiin korkeampia arvoja. Myös typenoksidipäästöt olivat haketta poltettaessa selkeästi korkeammat näillä kosteuspitoisuuksilla kuin pellettiä poltettaessa. Sen sijaan hake-erien hiilidioksidipäästöt pääosin olivat hieman alhaisempia verrattuna pellettiin. (Taulukko 3.)
TAULUKKO 3. Savukaasujen pitoisuuksien keskiarvot
| T-kaasu |
T-ilma |
O2 (%) |
CO2 (%) |
CO (ppm) |
CO (mg/m3) |
Lambda |
NO (ppm) |
NO (mg/m3) |
|
| Pelletti | 119,66 | 18,63 | 9,46 | 9,38 | 82,75 | 103,25 | 1,84 | 75,85 | 155,75 |
| Pieni 10,5 % | 119,10 | 21,76 | 10,15 | 8,60 | 221,75 | 277,25 | 1,98 | 117,66 | 242,00 |
| Pieni 10,5 % | 116,73 | 19,16 | 11,65 | 7,40 | 220,25 | 277,00 | 2,28 | 94,05 | 193,00 |
| Pieni 18,5 % | 122,45 | 21,79 | 9,70 | 9,40 | 148,89 | 185,94 | 1,88 | 123,61 | 165,55 |
| Pieni 20,6 % | 121,11 | 17,98 | 9,60 | 9,26 | 156,20 | 195,40 | 1,85 | 121,14 | 248,80 |
| Pieni 20,6 % | 121,44 | 18,66 | 9,34 | 9,52 | 139,80 | 174,60 | 1,81 | 133,72 | 274,40 |
| Iso 14,1 % | 121,92 | 18,04 | 10,49 | 8,76 | 207,40 | 259,00 | 2,02 | 96,42 | 198,20 |
| Iso 20,5 % | 121,43 | 18,15 | 10,97 | 7,78 | 163,50 | 204,25 | 2,10 | 104,33 | 214,25 |
| Iso 30,0 % | 125,08 | 21,73 | 11,88 | 7,40 | 466,28 | 424,07 | 2,42 | 120,28 | 132,57 |
Johtopäätökset
Pienkattiloissa käytettävän hakkeen tulee olla mahdollisimman tasalaatuista niin palakooltaan kuin kosteuspitoisuudeltaankin. Hakkeen palakoon tulee olla noin 20 mm tai alle, jos polttokattilan syöttöruuvin halkaisija on 115 mm. Tässä tutkimuksessa pienellä palakoolla ei havaittu ongelmia hakkeen syötössä, eikä kulkeutumisessa arinalle. Sen sijaan suurempaa palakokoa oleva hake ei kulkenut ongelmitta arinalle johtavassa ruuvikuljettimessa, jossa tapahtui tukkeutumista. Lisäksi syöttöputkessa havaittiin holvaantumista.
Hakkeen kosteuspitoisuuden tasalaatuisuus helpottaa kattilan syöttöruuvin tehoasetuksien säätämistä ja vaikuttaa siten palamisen puhtauteen. Mikäli hake-erä on epätasaisesti kuivunutta, kattilalle voi olla vaikea löytää sopivia asetuksia tai niitä joudutaan säätämään usein. Tällöin kattilan tehontuotto ja palamisen puhtaus kärsivät. Hakkeen kosteuspitoisuuden tulee olla alle 30 %, jotta polttoaine palaa puhtaasti ja tuottaa riittävästi tehoa pienkattilassa.
Artikkeli on laadittu osana PUUTA-hanketta (Puuraaka-aineen hyödyntäminen Utajärven kunnassa). Hanketta rahoittaa Pohjois-Pohjanmaan liitto ja Euroopan aluekehitysrahasto. Yksityisrahoitus tulee alueen yrityksiltä. Hanke toteutetaan yhteistyössä Utajärven kunnan, Oulun yliopiston kauppakorkeakoulun ja Oulun ammattikorkeakoulun kanssa.
