Energitekniskt centrum i Piteå 1 Strömningsteknisk modellering och konstruktion av pelletsbrännare och kaminer Henrik Wiinikka 1, Stefan Westerlund 1, Roger Hermansson 2, Lars Westerlund 2, Ida-Linn Nyström 2 och Marcus Öhman 2 STEM programkonferens Energitekniskt centrum, 2 Luleå Tekniska Universitet (Energiteknik)

Energitekniskt centrum i Piteå 2 Målsättning Demonstrera CFD (Computational Fluid Dynamics) som praktiskt verktyg för förbränningsoptimering av småskalig pelletsteknik (brännare och kaminer) Demonstrera generella konstruktionslösningar för småskalig pelletsteknik som möjliggör minimal skötsel (enkel askutmatning) och estetiskt tilltalande flamma som fortfarande ger låga emissioner

Energitekniskt centrum i Piteå 3 Industripartner SWEBO Bioenergy Piteå Kaminen

Energitekniskt centrum i Piteå 4 Genomförande

Energitekniskt centrum i Piteå 5 Numerical and Experimental Investigation of Ash Transport during Wood Pellets Combustion 5 Stefan Westerlund (ETC) and Ida-Linn Näzelius (LTU)

Energitekniskt centrum i Piteå 6 Background Furnaces does not have automatic ash removal –Leads to disposal issues Is it possible to design the internal fluid flow for automatic ash removal? CFD is a tool to investigate this. –Combined with experiments for validation 6

Energitekniskt centrum i Piteå 7 CFD model, geometry 7

Energitekniskt centrum i Piteå 8 CFD model, geometry 8 Total length: 1695 mm 30 ° slice Burner cup Insulated wall

Energitekniskt centrum i Piteå 9 CFD model, boundary conditions 9 T = 600 °C Tertiary inlets Secondary inlet Primary inlet Ash trap Periodic interface

Energitekniskt centrum i Piteå 10 CFD model, mesh ° slice # of Nodes: # of Elements:

Energitekniskt centrum i Piteå 11 Simulation cases Parametric study = 7 cases –In order to determine the controlling parameters for particle carryover One-way coupled particles introduced at the grate 11

Energitekniskt centrum i Piteå 12 Simulation conditions Operating conditions Power output[kW]47*11 Distribution of air supply secondary/tertiary [%]0/10050/50*100/0 Oxygen fraction in flue gas[%]47*11 12 Simulations are performed with two different settings for the particle introduction: –Zero slip velocity; particles are given the initial velocity equal to the gaseous phase. –Fixed velocity particles are given higher initial velocity than the gaseous phase (5 m/s).

Energitekniskt centrum i Piteå 13 Simulated cases Thermal power4 kW7 kW11 kW Fuelkg h -1 0,8251,4442,269 Primary airkg h -1 1,3582,3763,733 Secondary airkg h -1 2,6954,7167,411 Tertiary airkg h -1 2,6954,7167, Oxygen in flue 7 kW4 %7 %11 % Fuelkg h -1 1,444 Primary airkg h -1 2,376 Secondary airkg h -1 3,6744,7167,077 Tertiary airkg h -1 3,6744,7167,077 Air 7 kW100/050/500/100 Fuelkg h -1 1,444 Primary airkg h -1 2,376 Secondary airkg h -1 9,4324,716 Tertiary airkg h -1 4,7169,432

Energitekniskt centrum i Piteå 14 Global Reactions (Jones-Lindstedt) 14 Tar Modeling (Klason, Bai, 2007) Mathematical Models

Energitekniskt centrum i Piteå 15 Mathematical Models Combustion Model –EDCM (Magnusen and Hjerthager) –EDC coefficient A = 2.5 (default = 4) Turbulence Model –k-epsilon Radiation –P1 Thermal radiation model (Ansys) Heat transfer –Thermal energy Particles –Lagrangian particle transport, one-way coupled 15

Energitekniskt centrum i Piteå 16 General aerodynamics Streamlines Particle tracks Temperatures/Ignition 16

Energitekniskt centrum i Piteå 17 General aerodynamics Streamlines 17

Energitekniskt centrum i Piteå 18 General aerodynamics Temperatures 18

Energitekniskt centrum i Piteå 19 General aerodynamics particles 19 Ash tray openings Grate

Energitekniskt centrum i Piteå 20 Results 20

Energitekniskt centrum i Piteå 21 Results 21

Energitekniskt centrum i Piteå 22 Results 22

Energitekniskt centrum i Piteå 23 Results Exp 23

Energitekniskt centrum i Piteå 24 Results Exp 24

Energitekniskt centrum i Piteå 25 Results Exp 25

Energitekniskt centrum i Piteå 26 Conclusions The simulation with no secondary air shows that no particles are trapped in the ash tray. Increased oxygen content in the flue gas result in improved performance of trapping particles in the ash tray. Particles trapped in the ash tray increases with increased power output. Simulation and experiments generally show the right trends 26