Preliminary measurements of the influence of air control in particulate matter concentration in a biomass boiler

The thesis has been developed in Slovakia, in the laboratories of University of Zilina during Erasmus program. This work is supported by the financial assistance of the project ITMS 22410320106, focusing on the professional development of graduates and researchers and it’s in the cross-border cooperation program between Slovak Republic and Czech Republic. I was supported and helped by the teacher Peter Pilat from energy engineering department and the PhD student Jana Chabadovà that made measurements with me and helped me with elaboration. Air quality significantly affect human health, as well as individual ecosystems. One of the biggest problem of air quality is currently the pollution due to particulate matter (PM particles). The thesis deals with a preliminary assessment of the impact of the amount of primary and secondary air combustion, as well as of fan control setting, in PM emissions and concentration of a biomass boiler. The boiler is a 25 kW unit (Verner A251) intended primarily for residential or small industrial use, fed with wood pellet. The work discusses the experimental equipment, the measurement methodology, measured results and analysis of the achievements are also described. In particular, the primary and secondary air are set to different values, indicated by the size of the levers that control the pass dampers. The primary air control is set at 6.8 cm and 8.2 cm, in which the greater length means a greater flow of air; the secondary air has been set with levers at 2.6, 2.85, 3.1 and 4.6 cm and the fan was used in setting 3, 6 and 7 (where the highest setting corresponds to a higher fan speed, and a higher air mass flow). Before starting measurements in the boiler, it has been measured the mass flow of air at different settings of primary and secondary air and different fan speed (see table 7.1 and 7.2); the table 6.2 shows the correspondent air mass flow for each fan speed. The amount of fed combustion air is measured by anemometers method, which measures the speed of intake secondary air and the speed of the flue gas. The known diameter allows to calculate the mass flow of the primary and secondary air to the combustion chamber. In the first case at primary air setting 6.8, the best condition is found at fan setting 6, while at fan setting 3 the PM concentration is higher, probably because of a too low air excess. At fan setting 3 the production of PM is always high, although at secondary air control position 4.6 cm and with the fan speed 7 (when the total air supply is greatest) dust concentration is high it means that even a large supply of combustion air is not good in terms of emission. In addition, at secondary air control position 3.1 and 4.6, there is a bigger concentration of PM10 and PM10-2.5. In term of emissions of PM (mg/h) the figure 7.1 shows that best condition is at secondary air control position 4.6 and fan speed 6. In second case at primary air setting 8.2 cm, at fan setting 3 the mass flow is lower and PM concentration higher because there is less excess of air. The analysis at fan setting 7 shows that the PM concentration is growing almost linearly because of the large quantity of primary air. The trend of PM concentration is the same as above: the highest concentration is obtained at the lowest secondary air control position and the highest fan speed. After evaluation of the concentration of particles collected at the same setting it shows that at higher settings of primary air, are produced more particles with larger diameter, and also in condition with same fan speed and secondary air control position from 2.6 to 4.6. At first analysis at primary air control position of 8.2 the best condition is again setting 6. In term of emissions of PM (mg/h) the figure 7.7 shows that the best condition is at secondary air control position 4.6 and fan speed 3. The final result is that PM emissions are effected from the combustion process and are higher at incorrect setting of primary and secondary air. From this perspective is important to deal with redistribution and intensity of combustion air and its effect on combustion process. By the way these are only the preliminary analysis that will be used for further study.

La tesi è stata sviluppata in Slovacchia, nei laboratori della Università di Zilina durante il programma Erasmus. Questo lavoro è sostenuto dai fondi del progetto ITMS 22410320106, concentrandosi sullo sviluppo professionale dei laureati e ricercatori ed è nel programma di cooperazione transfrontaliera tra Repubblica Slovacca e Repubblica Ceca. Sono stata affiancata e supportata per tutto il periodo di tesi dal professore Peter Pilat dal dipartimento di ingegneria energetica e la dottoranda Jana Chabadovà che mi ha seguita durante le misurazioni e mi ha aiutato nell'elaborazione dei dati. La qualità dell'aria influisce in modo significativo sulla salute umana, così come sui singoli ecosistemi. Uno dei più grandi problemi della qualità dell'aria è attualmente l’inquinamento da particolato (particelle PM o ‘particulate matter’). La tesi riguarda una valutazione preliminare dell'impatto della quantità di aria di combustione primaria e secondaria sulle emissioni di PM di una caldaia a biomassa, controllando il setting del ventilatore. La caldaia è un'unità da 25 kW (modello Verner A251) destinata principalmente ad uso residenziale o per piccoli usi industriali, alimentata con pellet. Il lavoro descrive l'apparato sperimentale, ed esamina l’effetto della quantità di aria di combustione sulle emissioni. Sono inoltre descritti la metodologia di misurazione, i dati rilevati e l'analisi dei risultati. In particolare, l'aria primaria e secondaria sono state impostate a valori diversi, indicati dalle dimensioni di leve di controllo di serrande di passaggio. L’aria primaria è stata regolata con set point a 6.8 cm e 8.2 cm, in cui la lunghezza maggiore significa una maggiore portata di aria; l’aria secondaria è stata impostata con leve a 2.6, 2.85, 3.1 e 4.6 cm ed il ventilatore è stato utilizzato a setting 3, 6 e 7 (dove il setting più alto corrisponde ad una velocità del ventilatore più alta, ed una portata d'aria maggiore). Prima di iniziare le vere e proprie misurazioni sperimentali nella caldaia, è stata misurata la portata di aria, senza fiamma, a diverse impostazioni di aria primaria e secondaria e diversa velocità del ventilatore (tabella 7.1 e 7.2) con un metodo anemometrico. Gli anemometri misurano la velocità di aspirazione dell’aria secondaria e la velocità dei fumi. Il diametro è noto e questo permette di calcolare il flusso di massa dell’aria primaria e secondaria entrante in camera di combustione. La tabella 6.2 mostra la portata di aria corrispondente ad ogni velocità del ventilatore. Nel primo caso, posizione della leva dell’aria primaria a 6.8 cm, la migliore condizione si trova con il ventilatore al setting 6, mentre con ventilatore al setting 3, la concentrazione di PM è superiore, probabilmente a causa di un eccesso d'aria troppo basso. In corrispondenza del valore 4.6 cm dell’aria secondaria e velocità del ventilatore 7, la concentrazione di PM è elevata, questo significa che anche una grande quantità di aria di combustione non va bene in termini di emissioni. La figura 7.1 mostra che la condizione migliore è con regolazione dell’aria secondaria a 4.6 cm e setting del ventilatore 6. Inoltre, in posizione di controllo dell'aria secondaria 3.1 e 4.6, vi è una maggiore concentrazione di PM10 e PM10-2.5. In termini di emissioni di PM (mg/h) la figura 7.1 mostra che migliore condizione è in posizione di controllo dell'aria secondaria 4.6 e la velocità della ventola 6. Nel secondo caso, posizione della leva dell’aria primaria a 8,2 cm e ventilatore a livello 3, la portata d’aria è minore e la concentrazione di PM è superiore perché c'è un minore eccesso d'aria. D'altra parte con setting del ventilatore 6, le concentrazioni di PM sono più basse. L'andamento della concentrazione PM è identico al precedente: la maggiore concentrazione si ottiene con aria secondaria 3.1 e la massima velocità del ventilatore. Dopo la valutazione della concentrazione delle particelle, si nota che confrontando i valori a pari setting, quando l’aria primaria è 8.2 vengono prodotti più particelle con diametro maggiore, e anche a pari velocità del ventilatore e aria secondaria a 2.6 al 4.6. In prima analisi, con regolazione dell’aria primaria ad 8.2 cm, la condizione migliore è ancora una volta il ventilatore a setting 6. In termini di emissione di PM (mg/h), la figura 7.7 mostra che la condizione migliore è con regolazione dell’aria secondaria in posizione 4.6 cm e velocità 3 del ventilatore. Il risultato finale è che le emissioni di PM vengono influenzate dal processo di combustione e sono superiori se si imposta in maniera non corretta l’aria primaria e secondaria. In questa prospettiva è importante esaminare la distribuzione e la quantità dell’aria comburente ed il suo effetto sul processo di combustione. In ogni caso, questo lavoro è solo un’analisi preliminare che verrà utilizzata per studi successivi.