Effektiviseringspotential för värmesystem med sol och pellets : Parameterstudier, emissionsfaktoreroch simuleringsresultat

Syftet med denna studie är att hitta driftsbetingelser som sänker pelletsförbrukning och utsläpp och därmed även de totala kostnaderna för ett värmesystem. Värmesystemet har två huvudsakliga energikällor; sol och pellets. En elpatron används också, för att täcka upp med värme när solen lyser med sin frånvaro och pelletsystemet inte har hunnit börja leverera värme,till exempel i samband med start av brännaren. Lasten utgör värme till ett småhus av dagens standard och tappvarmvattenbehov.

Emissions from realistic operation of residential wood pellets heating systems

Emissions from residential combustion appliances vary significantly depending on the firing behaviours and combustion conditions, in addition to combustion technologies and fuel quality. Although wood pellet combustion in residential heating boilers is efficient, the combustion conditions during start-up and stop phases are not optimal and produce significantly high emissions such as carbon monoxide and hydrocarbon from incomplete combustion. The emissions from the start-up and stop phases of the pellet boilers are not fully taken into account in test methods for ecolabels which primarily focus on emissions during operation on full load and part load. The objective of the thesis is to investigate the emission characteristics during realistic operation of residential wood pellet boilers in order to identify when the major part of the annual emissions occur. Emissions from four residential wood pellet boilers were measured and characterized for three operating phases (start-up, steady and stop). Emissions from realistic operation of combined solar and wood pellet heating systems was continuously measured to investigate the influence of start-up and stop phases on total annual emissions. Measured emission data from the pellet devices were used to build an emission model to predict the annual emission factors from the dynamic operation of the heating system using the simulation software TRNSYS. Start-up emissions are found to vary with ignition type, supply of air and fuel, and time to complete the phase. Stop emissions are influenced by fan operation characteristics and the cleaning routine. Start-up and stop phases under realistic operation conditions contribute 80 – 95% of annual carbon monoxide (CO) emission, 60 – 90% total hydrocarbon (TOC), 10 – 20% of nitrogen oxides (NO), and 30 – 40% particles emissions. Annual emission factors from realistic operation of tested residential heating system with a top fed wood pelt boiler can be between 190 and 400 mg/MJ for the CO emissions, between 60 and 95 mg/MJ for the NO, between 6 and 25 mg/MJ for the TOC, between 30 and 116 mg/MJ for the particulate matter and between 2x10-13 /MJ and 4x10-13 /MJ for the number of particles. If the boiler has the cleaning sequence with compressed air such as in boiler B2, annual CO emission factor can be up to 550 mg/MJ. Average CO, TOC and particles emissions under realistic annual condition were greater than the limits values of two eco labels. These results highlight the importance of start-up and stop phases in annual emission factors (especially CO and TOC). Since a large or dominating part of the annual emissions in real operation arise from the start-up and stop sequences, test methods required by the ecolabels should take these emissions into account. In this way it will encourage the boiler manufacturers to minimize annual emissions. The annual emissions of residential pellet heating system can be reduced by optimizing the number of start-ups of the pellet boiler. It is possible to reduce up to 85% of the number of start-ups by optimizing the system design and its controller such as switching of the boiler pump after it stops, using two temperature sensors for boiler ON/OFF control, optimizing of the positions of the connections to the storage tank, increasing the mixing valve temperature in the boiler circuit and decreasing the pump flow rate. For 85 % reduction of start-ups, 75 % of CO and TOC emission factors were reduced while 13% increase in NO and 15 % increase in particle emissions was observed.

Eldningsresultat för pellets med tillsats av magnesium

Vid förbränning av biobränslen såsom träpellets bildas partiklar som orsakar avsättningar på ytor i pannans konvektionsparti. Det som leder till försämrad effektivitet och kräver sotning. Dessutom sker utsläpp av partiklar till uteluften som kan ge hälsoeffekter. Vid förbränning kan alkalimetaller, som till exempel kalium, frigöras från bränslet och de kan bilda klibbiga avsättningar tillsammans med klor, svavel eller kisel, som i sin tur samlar in mer partiklar och det bygger på avsättningar i konvektionspartiet. Det förväntas att magnesi-um reagerar (huvudsakligen med klor, svavel och kisel) så att sammansättningar med högre smältpunkter erhålls, vilket kan minska avsättningar i konvektionspartiet. Karlstads Universitet har producerat tre olika typer av träpellets; en referenspellet utan tillsat-ser, en pellet med magnesiumoxid (MgO) och en pellet med magnesiumhydroxid (Mg(OH)2). Kortare eldningsprov med de olika bränslena har genomförts i en 20 kW pelletspanna och uppkomna avsättningar i konvektionspartiet och emissioner har registreras. Avsättningarna i konvektionspartiet kvantifierades med en gravimetrisk metod och analyserades med SEM, vilket gör det möjligt att se vilka grundämnen som förekommer i avsättningarna. Gasformiga emissioner som CO, NO och TOC registrerades liksom partikelutsläpp. Motsvarande försök gjordes också med en kommersiellt tillverkad pellet. Tillsats av MgO och Mg(OH)2 ökade mängden flygaska och partikelutsläpp (PM 2,5). Massan av fasta beläggningar i konvektionspartiet ökade också jämfört med referenspellets utan dessa tillsatser. Dessutom bildades stora mängder flygaska i fallen med magnesiumtillsats. Att tillsatserna bildade flygaska kan förklaras av den normalt mycket låga askhalten i träpel-lets och därmed är också halten av alkalimetaller låg jämfört med pellets som tillverkas av spannmål. Magnesiumtillsatsen syftar till att reagera med alkalimetaller och bilda föreningar med så hög smältpunkt att de inte fastnar i pannans konvektionsparti. Troligen är magnesium-tillsatsen för hög jämfört med mängden alkali i pelletsen. Från SEM-analysen kan man se att mängden kalium minskar med magnesiumtillsatserna och det verkar som att principen fungerar. Dock hamnade stora mängder flygaska med hög andel magnesium i konvektionspartiet (lös flygaska har avlägsnats före den gravimetriska mätning-en och före SEM-analysen av substraten). Detta kan ha förhindrat substraten från att få högre andel fasta avsättningar från bland annat kalium och klor under denna korta mätperiod som genomfördes. Det kan dock inte uteslutas att de minskade avsättningarna av kalium och klor berodde på just tillsatsen av magnesium.