Biomassan lämpökäsittelyprosessin koelaitteen automatisointi

Abstract

Tässä opinnäytetyössä käsitellään biomassan lämpökäsittely-prosessin automatisointia. Prosessissa tutkitaan torrefioinnin vaikutuksia biomassan ominaisuuksiin. Lämpökäsiteltyä biomassaa voidaan käyttää korvaamaan kivihiiltä kivihiilivoimalaitoksilla. Työn toimeksiantajana oli Kymenlaakson ammattikorkeakoulun BIOTULI tutkimushanke. Koelaitteiston suunnittelu ja rakentaminen perustuvat hankkeessa tehtyihin laboratoriokokeisiin. Koelaite on prototyyppi, joka on rakennettu konttiin ja sen avulla on tarkoitus tutkia torrefiointi-prosessin toimintaa ja sen toimintamahdollisuuksia suuren mittakaavan laitoksena.

Työn tavoitteena on saada prosessilaitteisto toimimaan automaattisesti, jotta laitteistolla pystyttäisiin suorittamaan siltä vaadittuja tutkimustyössä tehtäviä testejä sekä toistamaan niitä. Tarkoituksena on saada prosessille tarkka lämpötilan säätö sekä helppo ja toimiva moottoreiden säätö. Pääpaino työssä on hakkeen tasaisella syötöllä ja lämpötilan hallinnalla.

Automatisointi on suoritettu pääasiallisesti jo olemassa olevalla laitteistolla ja ohjelmilla. Toteutus on tehty Siemens S7-1200 logiikkayksiköllä, jolla tarvittavat ohjaus, mittaus- ja säätöpiirit on voitu toteuttaa. Toteutus on tehty työn toimeksiantajan vaatimusten mukaisesti. Työn toteutuksessa on toiminut apuna myös alan kirjallisuus sekä projektissa mukana olleet henkilöt. Toteutusten toimivuutta testattiin vaiheittain halutun lopputuloksen varmistamiseksi.

Prosessilta vaaditut automatisoinnit ovat työssä onnistuneet riittävän hyvin, jotta laitteistolla on mahdollista tehdä siltä vaadittuja testejä. Laitteiston automatisointia olisi mahdollista lisätä, mahdollistaen vieläkin tarkemman lämpötilan hallinnan. Vaikkakin työssä on saavutettu riittävä tarkkuus ja toiminnan tasaisuus säätöpiireille, olisi niistä voitu saada tarkempia sekä tasaisemmin toimivia jollakin muulla säätöalgoritmilla tai tarkemmalla säätimien virityksillä.

This thesis is about heat treatment of biomass. This process is called torrefaction. Process machinery is used to examine effects of heat treatment on wood chips. The benefit of heat treatment is that heat- treated wood chips can be used to replace coal in coal power plants. The process machinery was designed and built with the knowledge based on the laboratory research done in the project.

The process equipment is a prototype that aims to provide information on how the torrefaction process works in reality while wood chips are constantly fed into the process, making the process constantly working. The aim of this thesis was to provide automation that is required to run the process in a stable state providing a final product that can be created on constant flow.

Automation of the process was made possible with the Siemens S7-1200 programmable logic controller with its accessories, electric drivers, temperature gauges comprising PT-100 heat measuring elements, as well as a valve with an electric actuator.

The study was successfully completed and almost all the objectives were achieved, the temperatures of the process can now be controlled very precisely. The feeding of wood chips was also automated successfully allowing user to determine how much wood chips flows into the process. This allows constant flow of wood chip to be torrefied in a controlled environment, thus keeping the quality of the final product unaltered through the process. The final product can be pelletized, which results in a more energy-dense fuel.