MILD combustion of biomass

The present thesis focuses on the experimental investigation of the MILD (Moderate or Intense Low-oxygen Dilution) combustion technology applied to biomass fuels. The main objective is to perform a detailed experimental analysis to gain a deeper understanding of the burning characteristics and the in-furnace special distribution of the reaction under MILD conditions. MILD combustion is a specific technology that allows a substantial abatement of the NOx emission in combination with a potential reduction in the exergy deterioration. The basic concept is to recirculate hot combustion products into the combustion chamber to obtain a highly diluted environment that allow a semi-uniform temperature distribution and a better spreading of the reaction zone within the combustion chamber volume. Specifically, three are the major aims defined throughout this thesis. Namely, examine the effects of the fuel particles size, evaluate the influence of the carrier gas chemical specie and analyse the effects of changing the oxygen content in the diluted combustion environment. The experimental work was carried out at the Thebarton research laboratory of the University of Adelaide. Besides the reported experiments, additional experimental cases were investigated even if they are not analysed in this thesis. The thesis structure can be divided into two main parts. The first one aims at presenting an overview of the topic and a description of the experiments. After a short introduction into the MILD combustion technology and the statement of its advantages (Chapter 1) a brief literature review is reported (Chapter 2). The main challenges to be faced for better combustion technologies are stated and then the main conditions and features of the MILD technology are presented. The major works on the MILD combustion of solid fuels and their finding are also reported. Chapter 3 gives a detailed description of the experimental apparatus and the MILD combustion furnace employed for this study. The experimental conditions and the diverse operational cases investigated are defined. Information about the methodology and the procedures followed in the experimental campaign is also presented. The second part of the thesis focuses on the presentation and analysis of the data collected during the experiments (Chapter 4). The results are divided into three main comparison. Namely, the study of the influence of the fuel particle sizes, the investigation on the effects of the carrier gas chemical specie and the analysis of the effects of increasing the oxygen molar fraction inside the combustion chamber. The main outcomes of the work are then summarised in Chapter 5. The novelty of this work stays in the application the MILD combustion to the biomass. This aspect has been explored only marginally in the literature. The burning characteristics of grape marc under MILD conditions were investigated. Specifically, the reaction structure - in-furnace thermal field and chemical species distribution - and the generated pollutant emissions were discussed and analysed. Stable MILD combustion conditions were achieved for all the experimental cases investigated. No visible flame was observed in any of the experiments. Furthermore, a semi-uniform thermal field with in-furnace temperature gradient below 150 K was measured for each case. The increase of the fuel particles sizes was found to have a positive effect in the carbon burnout rate. Moreover, it seems that, as expected, bigger particles diameters result in a delayed devolatilisation and combustion reaction, that moves upwards inside the furnace. The unexpected result is that, due to the delayed devolatilisation process, larger particles remain trapped inside the furnace for a longer time leading to a higher fuel conversion compared to the small particles. No significant influence of the particles size was found on the NOx emissions. The chemical species of the carrier gas was found to influence the fuel conversion rate. Ar seems to enhance the reaction compared to the CO2 while N2 acts as an extinguish agent for the reaction process. However, a strong influence is believed to come from the change in the central jet linear momentum. A higher fuel conversion was found to be achievable with an increase of the oxygen molar fraction provided. Another effect of a higher oxygen content was a supposed substantial enlargement of the reaction zone. However, the results are believed to be significantly affected by the increase in the excess air necessary for higher oxygen inputs. The establishment of a presumed NO-reburning mechanism is thought to be stimulated by an increase in the oxygen molar fraction. A strong abatement on the NO emission was measured. Worth stating that the presented work is based on a qualitative analysis only. The obtained outcomes need for further verification and are to be thought as a starting point for additional analyses. More detailed experimental investigations of the fluid-dynamics and numerical CFD simulations are necessary to be carried out to gain a better understanding.

Il presente lavoro di tesi consiste in un’analisi sperimentale della combustione MILD (Moderate or Intense Low-oxygen Dilution) di biomassa. Lo scopo principale è fornire una dettagliata base sperimentale per lo studio delle caratteristiche della combustione MILD di biomassa. La combustione MILD è una particolare tecnologia che consente l’abbattimento delle emissioni di NOx parallelamente ad una, potenziale, minore degradazione di exergia. Il concetto su cui si basa è il ricircolo di parte dei gas combusti in camera di combustione per diluire i gas ossidanti ed ottenere una distribuzione di temperatura quasi uniforme. Tre obiettivi principali sono stati definiti riguardo questo lavoro di tesi, ossia, studiare l’impatto della dimensione delle particelle di combustibile solido, stabilire gli effetti del tipo di gas impiegato per trasportare le particelle e valutare l’influenza della quantità di ossigeno introdotto in fornace. L’analisi sperimentale è stata condotta nel laboratorio di Thebarton della University of Adelaide. Ulteriori casi sperimentali sono stati analizzati oltre quelli riportati anche se non discussi in questa tesi. La tesi è strutturata in due parti principali, la prima introduce l’argomento e descrive l’apparato sperimentale, la seconda si incentra sull’analisi e la discussione dei risultati. Dopo una breve introduzione della tecnologia MILD e dei suoi vantaggi (Capitolo 1) la MILD combustion è presentata e descritta da un punto di vista più teorico. I principali risultati ottenuti e riportati in letteratura sono quindi riassunti (Capitolo 2). Nel Capitolo 3 è poi descritto il set-up sperimentale e la fornace utilizzata per gli esperimenti. Sono, inoltre, definite tutte le condizioni operative, i parametri variabili e vengono descritte le procedure di misura. L’analisi dei risultati (Capitolo 4) è strutturata in tre sezioni principali, ognuna incentrata su un singolo obiettivo tra quelli definiti per questo lavoro di tesi. Nel Capitolo 5, infine, i principali risultati sono stati riassunti e schematizzati. Il contributo innovativo di questo lavoro risiede nell’applicazione della tecnologia MILD alla biomassa. Questa applicazione è, infatti, stata studiata solo marginalmente fin ora. In particolare, lo studio si incentra sulla combustione di vinacce e lo studio della struttura della reazione ottenuta. Il campo di temperatura in camera di combustione, la distribuzione delle varie specie chimiche come anche la composizione dei gas esausti prodotti sono misurati e analizzati. Condizioni stabili di combustione MILD sono state raggiunte in tutti i casi studiati. Nessun fronte di fiamma è stato evidenziato in nessuno degli esperimenti. Inoltre, in tutti i casi analizzati è stato misurato un gradiente di temperatura lungo la camera di combustione inferiore ai 150 K. È stato verificato come l’aumento della dimensione delle particelle di combustibile permetta una migliore conversione e un maggior completamento della reazione. Inoltre, come atteso, sembra che le particelle di diametro maggiore ritardino il rilascio di volatili e la successiva combustione, che si sposta, quindi, più in alto dentro la fornace. Il risultato inaspettato è la maggiore permanenza delle particelle più grandi in camera di combustione, dovuta al ritardo della devolatilizzazione e successivo ricircolo, che consente di ottenere una maggiore conversione del combustibile. La dimensione delle particelle non sembra avere effetti significativi sulle emissioni di NOx. Anche la tipologia di carrier gas impiegato sembra influenzare il completamento della reazione. È stato verificato che l’Ar stimoli la reazione rispetto alla CO2 mentre l’N2 si comporta da estinguente. È però da sottolineare la possibile forte influenza su queste modifiche della variazione del momento lineare del getto centrale. L’aumento della percentuale di ossigeno fornita tramite il co-flow, invece, sembra anch’esso stimolare il completamento della combustione. Inoltre, un effetto secondario sembra essere l’allargamento della zona di reazione. Comunque, i risultati sono con molta probabilità influenzati dalla variazione di eccesso d’aria tra i casi considerati. Si evince, inoltre, che l’aumento della percentuale di ossigeno stimoli un processo di re-burning degli NOx. Una forte riduzione delle emissioni di NO è stata infatti misurata per alte concentrazioni di ossigeno. È importante sottolineare che i risultati ottenuti si basano solo su di un’analisi qualitativa e necessitano ulteriori verifiche. Più nel dettaglio, un’accurata analisi sperimentale del campo di moto e una successiva simulazione CFD permetterebbero una migliore e più approfondita giustificazione degli andamenti osservati.