Wood pellets combustion in a fixed bed combustor

Abstract

The development of biomass as a future sustainable energy resource, requires the continuous development of technologies that improve its efficiency of conversion and the reduction of harmful emissions to the environment. Biomass can be burned directly from the environmental state or processed through densification in the form of wood pellets. The combustion behavior of pine wood pellets was investigated in this study. The decomposition of wood particles under different heating and air flow rates were analyzed using the TGA device. The wood pellets burning in a small scale reactor were investigated under different temperatures and time. The wood pellets combustion in a fixed bed combustor with the boiler capacity of 20 kW were tested with several parameters including Power, excess air (EA), the split ratio (SR) and grate area (GA). In this work, the Taguchi method was applied to conduct the experiments. From these experiments, several parameters were evaluated including the mass loss and elemental analysis of wood pellets, kinetic parameters, gas emissions (CO), fuel bed temperature, efficiency, the ashes agglomeration, and the combustion instability. The results obtained from TGA showed that the heating rate affects the heat flow, ignition temperatures, burnout temperatures, and mass loss rate value and different kinetic parameters. But there was no significant influence of the air flow rates on the thermal decomposition of wood particles. The results of the experiment in a small scale reactor revealed that the mass losses increase for any specific temperature and the higher the temperature, the faster the pellets volatilize, and the mass loss occurs at a very slow rate for very low temperature. The reaction rate increased with the temperature and the higher the combustion temperature applied the higher the mass loss of all substances observed. The remaining mass as fixed carbon and ashes or unburned substances was about 3%. The residence time and temperature influenced the species concentration of wood pellets. The wood pellets combustion in a fixed combustor showed that the highest temperature in fuel bed was observed at 15 mm followed by 25 mm, 5 and 60 mm. The lower CO emission or higher efficiency was obtained at a medium thermal load. The results obtained from the ANOVA analysis showed that the SR and the Power are the most important parameters contributing to CO reduction and also the fuel bed temperature. In addition, the parameters that may change the temperature mean value in the core of fuel bed is Power, followed by GA. The combustion instability resulted from the accumulation of unburned wood pellets on the grate, which caused low combustion rate and generated the vortex and oscillation in the air flow rate, thus creating noise and disturbances, and increasing the CO emission.

O desenvolvimento da biomassa como fonte energética sustentável para o futuro requer o desenvolvimento de tecnologias que melhorem a sua eficiência de conversão e a redução de emissões. A biomassa pode ser queimada diretamente no seu formato original, com apenas algumas operações de recolha e processamento, ou através de um conjunto de processos de densificação no formato de pellets de madeira. Neste projeto investigou-se o comportamento da combustão de pellets de madeira de pinho. Utilizou-se um equipamento TGA para analisar a decomposição de partículas de madeira sobre diferentes condições de taxas de aquecimento e de caudais de ar. Investigou-se também a combustão de pellets de madeira num reator de pequena escala, variando a temperatura e o tempo de reação. Utilizou-se uma caldeira de 20 kW com grelha fixa para investigar a combustão de pellets, nomeadamente a influência de vários parâmetros, incluindo: potência de queima, excesso de ar, relação de ar primário/secundário e área da grelha. Utilizou-se o método de Taguchi para o planeamento das experiências. Foram avaliados diversos parâmetros como: perda de massa e análise elementar dos pellets, cinética de reação, emissões gasosas (CO), temperatura no leito, eficiência, aglomeração de cinzas e instabilidades no processo de combustão. Os resultados dos ensaios TGA demonstraram que as taxas de aquecimento afetam o escoamento de calor, temperatura de ignição e extinção, taxa de perda de massa e vários parâmetros da cinética de reação. No entanto, verificou-se que não há qualquer influência dos caudais de ar na decomposição térmica das partículas de madeira. Os resultados das experiências no reator de pequena escala revelaram que as perdas de massa aumentam para qualquer valor de temperatura e que quanto maior a temperatura, maior a taxa de volatilização dos pellets, e que para temperaturas baixas a perda de massa ocorre a uma taxa reduzida. As taxas de reação aumentam com a temperatura, assim como se observou que para todas as substâncias, a perda de massa aumentava com o aumento da temperatura. A massa final na forma de carbono fixo, cinzas e inqueimados foi de cerca de 3%. Na combustão de pellets em grelha fixa verificou-se que a temperatura mais elevada se situava a 15 mm, seguida por 25, 5 e finalmente a 60 mm de altura. Na potência média obtiveram-se os níveis de emissões mais baixos de CO e os valores mais elevados de eficiência de combustão. Os resultados de aplicação da análise ANOVA permitiram concluir que os parâmetros que mais contribuem para a redução de emissão de CO e para o valor da temperatura, foram ao potência e a relação ar primário/secundário. Para além disso, os parâmetros que mais influenciam o valor médio da temperatura no leito são a potência, seguida da área de grelha. Conclui-se que as instabilidades resultam da acumulação de pellets não queimados na grelha, que provocam uma redução na taxa de combustão, geram vórtices e oscilações no escoamento de ar, provocando assim ruído, aumentando a emissão de CO.