Project

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Clean Technologies for Wood Combustion from 500 kW to 50 MW

Applicant Nussbaumer Thomas
Number 136667
Funding scheme NRP 66 Resource Wood
Research institution Hochschule Technik+Architektur Luzern
Institution of higher education Lucerne University of Applied Sciences and Arts - HSLU
Main discipline Mechanical Engineering
Start/End 01.04.2012 - 31.12.2016
Approved amount 699'033.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Mechanical Engineering
Fluid Dynamics
Other disciplines of Environmental Sciences
Other disciplines of Engineering Sciences

Keywords (10)

Wood combustion; Staged combustion; Solid fuel conversion; Combustion modeling; NOX reduction; Primary measures; Computational Fluid Dynamics (CFD); PM reduction; Particle Image Velocimetry (PIV); Combustion design

Lay Summary (German)

Lead
Optimierte Rostfeuerungen für Holzbrennstoffe Im Projekt untersuchen die Forschenden zusammen mit einem Industriepartner die Möglichkeiten zur Optimierung von Rostfeuerungen für Holzbrennstoffe. Dafür kombinieren sie einen sektoriell aufgebauten Vorschubrost mit einer modularen Nachbrennzone. Nebst Messungen an der Feuerung untersuchen sie die Strömung an Modellen und entwickeln eine numerische Simulation der mehrstufigen Verbrennung.
Lay summary

Hintergrund
Um Holzenergie vermehrt zu nutzen, kommen auch Brennstoffsortimente mit hohem Aschegehalt und variabler Feuchtigkeit zum Einsatz. Heutige Rostfeuerungen erzielen bei stationärem Betrieb zwar eine hohe Ausbrandqualität, setzen aber vergleichsweise hohe Mengen Stickoxide frei. Beeinflusst werden die Ausbrandqualität und die Höhe der Stickoxidemissionen durch den Wasser- und Aschegehalt und durch die Stückigkeit der Brennstoffe sowie durch die Auslastung der Anlagen. Im Projekt entwickeln die Forschenden Massnahmen, um Rostauslegung und Rostbetrieb für eine hohe Ausbrandqualität und für geringe Stickoxidemissionen auch bei Teillastbetrieb zu optimieren.

Ziel
Im Mittelpunkt des Projekts steht die Konstruktion einer Vorschubrostfeuerung mit modularer Nachbrennzone, wobei die einzelnen Rostsektoren separat steuerbar sind. Ziel ist ein homogenes Brennstoffbett, in welchem möglichst keine lokal erhöhte Temperaturen (Hot-Spots) und Schadstoffkonzentrationen auftreten. Dazu setzen die Forschenden Low-NOx-Luftstufung ein, die mit einer Optimierung des Feststoffausbrands auf dem Rost kombiniert wird. Parallel dazu simulieren sie die Verbrennung in einem zweiteiligen Modellansatz, der zum einen die Umwandlung des Feststoffs auf dem Rost und zum anderen die Gasphasenreaktionen im Feuerraum berücksichtigt. Für die Untersuchung der Fluiddynamik führen die Forschenden begleitende Experimente mittels dreidimensionaler Particle Image Velocimetry (PIV) an Modellen durch.

Bedeutung
Die Verbesserung der Rostfeuerungstechnik ermöglicht es, auch qualitativ minderwertige Sortimente von biogenen Reststoffen schadstoffarm zu nutzen und so den Anteil erneuerbarer Energien am Gesamtenergieverbrauch zu erhöhen. Gleichzeitig können die in diesem Projekt optimierte Anlagentechnik und die neu entwickelten Auslegungsmethoden dazu beitragen, die beteiligten Industriezweige technologisch voranzubringen und so Arbeitsplätze im Inland zu sichern.

Direct link to Lay Summary Last update: 25.01.2013

Lay Summary (French)

Lead
Chaudières à grille optimisées pour combustibles ligneux En partenariat avec l’industrie, les chercheurs de ce projet envisagent des solutions afin d’optimiser les chaudières à grille pour combustibles ligneux. A cette fin, ils combinent une grille mobile, comportant plusieurs secteurs, à une zone de postcombustion modulaire. Les chercheurs procèdent à des mesures de la combustion, examinent le flux sur des modèles.
Lay summary

Contexte
Pour augmenter le recours à l’énergie-bois, on fait appel à des assortiments de combustibles à teneur en cendres élevée et d’une humidité variable. En utilisation stationnaire ils libèrent aussi des quantités comparativement élevées d’oxydes d’azote. La qualité de combustion et le niveau d’émissions d’oxydes d’azote dépendent de la teneur en eau et en cendres, de la fragmentation des combustibles et de la saturation des installations. Dans le cadre du projet, les chercheurs développent des mesures visant à optimiser la conception et le fonctionnement de la grille pour obtenir une haute qualité de combustion et de faibles émissions d’oxydes d’azote.

But
Le projet est axé sur l’élaboration d’une chaudière à grille mobile munie d’une zone de postcombustion modulaire et d’une commande séparée des différents secteurs. L’objectif est l’obtention d’un lit de combustible homogène ne présentant idéalement ni pic de température local, ni concentrations en substances nocives. A cette fin, les chercheurs emploient un étagement de l’air "Low-NOx" combiné à une combustion optimisée des substances solides sur la grille. En parallèle, ils simulent la combustion dans un modèle bipartite tenant compte, d’une part, de la transformation de la substance solide sur la grille et, d’autre part, des réactions des phases gazeuses dans la chambre de combustion. Pour examiner la dynamique des fluides, les chercheurs réalisent parallèlement des expériences sur modèles à l’aide de la vélocimétrie tridimensionnelle par images de particules.

Portée
L’amélioration des techniques de chauffage à grille permet d’employer des résidus biogènes de qualité inférieure, et ce en dégageant de faibles quantités de substances nocives, augmentant ainsi la part des énergies renouvelables sur la consommation d’énergie globale.

Direct link to Lay Summary Last update: 25.01.2013

Lay Summary (English)

Lead
Optimised grate furnaces for wood fuels In this project, the researchers and their industry partner study options for optimising grate furnaces for wood fuels. For this purpose, they combine a sectoral moving grate with a modular afterburning zone. Alongside measurements of the furnace, they also study the current with the help of models and develop a numerical simulation of the multistage combustion.
Lay summary

Background
A range of fuels with high ash content and variable humidity are used as a means of increasing the use of wood. While today's grate furnaces achieve a high burnout quality in stationary operation, they also release relatively high amounts of nitrogen oxides. The burnout quality and the amount of nitrogen oxide emitted are influenced by the water and ash content and the size of the pieces as well as by the working load of the plants. The researchers will develop measures for optimising grate design and grate operation in order to achieve a high burnout quality and low nitrogen oxide emissions even during partial load operation.

Aim
The project focuses on the construction of a moving grate furnace with a modular afterburning zone, whereby the individual grate sectors can be manipulated separately. The aim is for a homogenous fuel bed in which there are no locally higher temperatures (hot spots) and pollutant concentrations. For this purpose, the researchers use low-NOx air staging, which is combined with an optimised burnout of solids on the grate. In parallel, they will simulate the combustion in a two-part model approach which takes into account, on the one hand, the transformation of the solids on the grate and, on the other hand, the gas phase reactions in the combustion chamber. The fluid dynamics are studied in supporting experiments by means of three-dimensional particle image velocimetry (PIV) on models.

Significance
Improving grate furnace technology allows also for low-quality ranges of biogenous waste products to be used with low pollutant emissions. This increases the share of renewable energies in the overall energy consumption. At the same time, plant technology optimised in this project and the newly developed design methods can help to technologically advance the industry sectors involved and thereby secure jobs in Switzerland.

Direct link to Lay Summary Last update: 25.01.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
14. Holzenergie-Symposium: Verwendungsoptionen und neue Entwicklungen
Nussbaumer Thomas (Hrsg.) (2016), 14. Holzenergie-Symposium: Verwendungsoptionen und neue Entwicklungen, Verenum, Zürich.
Energie aus Biomasse: Verwendungsoptionen und neue Entwicklungen
Nussbaumer Thomas (2016), Energie aus Biomasse: Verwendungsoptionen und neue Entwicklungen, in HK-Gebäudetechnik, 11, 30-37.
Erneuerbare Energien in schwierigem Umfeld
Nussbaumer Thomas (2016), Erneuerbare Energien in schwierigem Umfeld, in Holz-Zentralblatt, 142(39), 947-948.
A One-Dimensional Transient Solid Fuel Conversion Model for Grate Combustion Optimisation
Martinez-Garcia Jorge, Nussbaumer Thomas (2015), A One-Dimensional Transient Solid Fuel Conversion Model for Grate Combustion Optimisation, in Combustion Science & Technology, 187, 1208-1228.
Fluiddynamic optimization of grate boilers with scaled model flow experiments, CFD modeling, and measurements in practice
Nussbaumer Thomas, Kiener Martin, Horat Pascal (2015), Fluiddynamic optimization of grate boilers with scaled model flow experiments, CFD modeling, and measurements in practice, in Biomass and Bioenergy, 76, 11-23.
13. Holzenergie-Symposium: Entwicklungen für Wärme, Kraft und Fern¬wärme aus Holz
Nussbaumer Thomas (2014), 13. Holzenergie-Symposium: Entwicklungen für Wärme, Kraft und Fern¬wärme aus Holz, Verenum, Zürich.
Brennstoffkonversion auf dem Rost – Modellierung und Betriebseinflüsse
Kiener Martin, Martinez Jorge, Nussbaumer Thomas (2014), Brennstoffkonversion auf dem Rost – Modellierung und Betriebseinflüsse, in Nussbaumer Thomas (ed.), Verenum press & Bundesamt für Energie, Zürich & Bern, 129-148.
Emissionsfaktoren von Holzfeuerungen
Nussbaumer Thomas, Hälg Léonore (2014), Emissionsfaktoren von Holzfeuerungen, Verenum press & Bundesamt für Umwelt, Zürich & Bern.
Fossile Energie substituieren – Prognostizierter Trend zur vermehrten Wärme-Kraft-Kopplung mit Holz
Nussbaumer Thomas (2014), Fossile Energie substituieren – Prognostizierter Trend zur vermehrten Wärme-Kraft-Kopplung mit Holz, in Umwelt Perspektiven, 1, 20-23.
Optimierung der Mischung von Sekundärluft und Gasen in Holzfeuerungen
Schwingruber Patrick, Horat Pascal, Nussbaumer Thomas (2014), Optimierung der Mischung von Sekundärluft und Gasen in Holzfeuerungen, in Nussbaumer Thomas (ed.), Verenum press & Bundesamt für Energie, Zürich & Bern, 149-164.
Optimierung der Strömungstechnik und Konzept des Zonen-Vorschubrostes
Nussbaumer Thomas (2014), Optimierung der Strömungstechnik und Konzept des Zonen-Vorschubrostes, Schmid energy solutions, Eschlikon.
Wärme, Strom und Fernwärme aus Holz
Nussbaumer Thomas (2014), Wärme, Strom und Fernwärme aus Holz, in Holz-Zentralblatt, 39, 939-940.
Wie kann Holz zur Energiewende beitragen
Nussbaumer Thomas (2014), Wie kann Holz zur Energiewende beitragen, in SVG Journal, 1 2014, 17-21.
Beitrag von Holz zur Energiewende
Nussbaumer Thomas (2013), Beitrag von Holz zur Energiewende, in Holz-Zentralblatt, 139(40), 984-985.
Chaufferies automatiques au bois et particules fines
Nussbaumer Thomas (2013), Chaufferies automatiques au bois et particules fines, in Bioénergie International, 28(Décembre), 12-17.
Emisión de partículas por combustión de madera: Influencia del tipo de combustión sobre la generación de partículas y sus efectos
Nussbaumer Thomas (2013), Emisión de partículas por combustión de madera: Influencia del tipo de combustión sobre la generación de partículas y sus efectos, in Bioenergy International Español, Nº17 - 4º Trimestre 2012, 20-21.
Energieholz für Wärme und Strom wird in der Energiestrategie 2050 unterschätzt – Beitrag von Holz zur Energiewende
Nussbaumer Thomas (2013), Energieholz für Wärme und Strom wird in der Energiestrategie 2050 unterschätzt – Beitrag von Holz zur Energiewende, in HK Gebäudetechnik, 12, 54-61.
Entwicklungstrends der Holzenergie und ihre Rolle in der Energiestrategie 2050
Nussbaumer Thomas (2013), Entwicklungstrends der Holzenergie und ihre Rolle in der Energiestrategie 2050, in Schweiz Z Forstwes, 12, 389-397.
Fluiddynamische Optimierung mit CFD und PIV
Nussbaumer Thomas, Kiener Martin (2013), Fluiddynamische Optimierung mit CFD und PIV, in Brennstoff Wärme Kraft, 65(5), 29-33.
La Combustione del Legno in Piccolie Apparecchie e Caldaie
Nussbaumer Thomas (2013), La Combustione del Legno in Piccolie Apparecchie e Caldaie, in Agriforenergy, Rivista Tecnica, Anno IV N. 3/Luglio 2012, 22-26.
Optimierung von Rostfeuerungen
Nussbaumer Thomas, Kiener Martin (2013), Optimierung von Rostfeuerungen, in Holz-Zentralblatt, 139(40), 932-933.
12. Holzenergie-Symposium – Holzenergie-Nutzung in der Energiestratgie 2050
Nussbaumer Thomas, 12. Holzenergie-Symposium – Holzenergie-Nutzung in der Energiestratgie 2050, Verenum, Zürich.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Dr. Bernhard Peters, Université du Luxembourg Luxembourg (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
W. Haslinger, Bioenergy 2020+, Wieselburg Austria (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
SCHMID AG Holzfeuerungen, Switzerland Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Prof. Dr. Thomas Rösgen, ETH Zürich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
IEA Bioenergy Task 33 Workshop Gas sampling and analysis in thermal gasification processes Talk given at a conference Gasification and Combustion:Comparison of the Potential 26.10.2016 Horw, Switzerland Nussbaumer Thomas;
IEA Bioenergy Task 33 Workshop Gas sampling and analysis in thermal gasification processes Talk given at a conference Synergies in Gas Sampling Research of Bio¬energy Task 32 and Task 33 26.10.2016 Horw, Switzerland Nussbaumer Thomas; Roth Simon; Barroso Gabriel;
IEA Bioenergy Conference Talk given at a conference Optimal design of biomass fired district heating net¬works 27.10.2015 Berlin, Germany Nussbaumer Thomas;
IEA Networking Event Switzerland Talk given at a conference District Heating in selected IEA Countries and Sensitivity of System Design on Heat Distribution Costs 25.09.2015 Fribourg, Switzerland Nussbaumer Thomas;
23rd European Biomass Conference and Exhibition Talk given at a conference Sensitivity of System Design on Heat Distribution Cost in Biomass Fired District Heating 01.06.2015 Wien, Austria Nussbaumer Thomas;
23rd European Biomass Conference and Exhibition Talk given at a conference Status of Biomass Fired District Heating Systems in IEA Countries 01.06.2015 Wien, Austria Nussbaumer Thomas;
23rd European Biomass Conference and Exhibition Talk given at a conference Monitoring the availability of electrostatic precipitators (ESP) in automatic bio¬mass combustion 01.06.2015 Wien, Austria Nussbaumer Thomas;
13. Holzenergie-Symposium Talk given at a conference Einfluss von Auslegung und Betrieb auf die Wirtschaftlichkeit von Fernwärmenetzen 12.09.2014 Zürich, Switzerland Nussbaumer Thomas;
13. Holzenergie-Symposium Talk given at a conference Brennstoffkonversion auf dem Rost – Modellierung und Betriebseinflüsse 12.09.2014 Zürich, Switzerland Nussbaumer Thomas; Martinez Garcia Jorge; Kiener Martin;
13. Holzenergie-Symposium Talk given at a conference Ist-Analyse von Fernwärmenetzen 12.09.2014 Zürich, Switzerland Nussbaumer Thomas;
13. Holzenergie-Symposium Talk given at a conference Prognosen 2050 – Biotreibstoffe statt Wärme aus Holz? 12.09.2014 Zürich, Switzerland Nussbaumer Thomas;
13. Holzenergie-Symposium Talk given at a conference Betriebsüberwachung von Holzfeuerungen mit Elektroabscheider 12.09.2014 Zürich, Switzerland Nussbaumer Thomas;
18th ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles Poster Monitoring of Electrostatic Precipitators in Automatic Biomass Combustion Plants 22.06.2014 Zürich, Switzerland Nussbaumer Thomas;
20th European Biomass Conference and Exhibition Talk given at a conference Influence of uneven fuel distribution on a grate on gas flow conditions and combustion quality 18.06.2013 Milano, Italy, Italy Kiener Martin; Nussbaumer Thomas;
21st European Biomass Conference and Exhibition Talk given at a conference Moving Grate Combustion Optimisation with CFD and PIV 03.06.2013 Copenhagen, Denmark Kiener Martin; Nussbaumer Thomas;
21st European Biomass Conference and Exhibition Poster A One-Dimensional Transient Solid Fuel Conversion Model for Grate Com¬bustion Optimisation 03.06.2013 Copenhagen, Denmark Nussbaumer Thomas; Martinez Garcia Jorge;
International Conference: Black Carbon – Cutting across climate and air quality issues Talk given at a conference Black carbon emissions from wood combustion 21.03.2013 Paris, France Nussbaumer Thomas;
Colloque „bois-énergie collectif et industriel, Comité Interprofessionnel du Bois-Energie Talk given at a conference Technologies des chaufferies automatiques au bois et aspects environnementaux dans la recherche 10.10.2012 Dijon, France Nussbaumer Thomas;
12. Holzenergie-Symposium, ETH Zürich Talk given at a conference Strömungsoptimierung einer Vorschubrostfeuerung mit CFD und PIV 14.09.2012 Zürich, ETH, Switzerland Kiener Martin; Nussbaumer Thomas;
12. Holzenergie-Symposium Talk given at a conference Strömungsoptimierung einer Vorschubrostfeuerung mit CFD und PIV 14.09.2012 ETH Zurich, Switzerland, Switzerland Nussbaumer Thomas; Kiener Martin;
16th ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles Talk given at a conference Health Effects of Aerosols from Wood Combustion 24.06.2012 ETH Zurich, Switzerland, Switzerland Nussbaumer Thomas;


Self-organised

Title Date Place
13. Holzenergie-Symposium, ETH Zürich 12.09.2014 Zürich, Switzerland

Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
Disruptive Geschäftsmodelle im Energiesektor Performances, exhibitions (e.g. for education institutions) 12.11.2015 Horw, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Jahrestagung QM Holzheizwerke® Schweiz Talk 24.09.2015 Horw, Switzerland Barroso Gabriel; Roth Simon; Nussbaumer Thomas; Good Jürgen;
Holzenergie Schweiz, Vereinsversammlung 2015 Talk 12.06.2015 Horw, Switzerland Good Jürgen; Nussbaumer Thomas; Barroso Gabriel; Roth Simon;
8. Tagung Holzenergie Talk 11.02.2015 Biel, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Wintertagung, Swiss Wood Innovation Network Talk 11.02.2015 Dübendorf, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Holzenergie-Tagung Baden Württemberg Talk 12.01.2015 Rottenburg, Germany Good Jürgen;
BENETZ-Jahrestagung Talk 12.01.2015 Horw, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Bau Holz Energie Messe Talk 15.11.2014 Bern, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Biomasse-Tag Talk 24.09.2014 Graz, Austria Nussbaumer Thomas;
Energiewende am Hottingerplatz Talk 04.09.2014 Zürich, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Wintertagung, Swiss Wood Innovation Network S-WIN Talk 23.01.2014 Dübendorf, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Bau Holz Energie Messe Talk 23.11.2013 Bern, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Berner Oberländer Holztag Talk 18.01.2013 Spiez, Switzerland, Switzerland Nussbaumer Thomas;
Schweizer Bau- und Energie-Messe Talk 24.07.2012 Berne, Switzerland, Switzerland Nussbaumer Thomas;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: radio, television Echo der Zeit - 15.10.13 SRF 4 German-speaking Switzerland 2013
Media relations: radio, television Echo der Zeit, 15.10.2013: Echo aus dem Hörsaal SRF 4 News, Echo der Zeit German-speaking Switzerland 2013
Media relations: radio, television Heizmethode Tele Top - TOP NEWS - 19.9.2013 German-speaking Switzerland 2013
Media relations: radio, television Kontrovers - 6.6.13 Tele 1 German-speaking Switzerland 2013

Abstract

A conversion to energy is the dedicated final step in a cascade of the wood chain which enables maximizing the economical and ecological benefit. Hence, conversion systems for different wood resources are needed, which achieve high conversion efficiencies into useful energy as heat and power and which are specifically suited for low-grade wood categories such as wood residues and waste wood. To meet environmental standards and to fulfill the requirements of a sustainable wood chain, it is crucial to achieve low pollutant emissions on CO, organic compounds, particulate matter (PM10), and NOX, since nowadays wood combustion systems contribute significantly to these groups of highly health relevant pollutants. To fulfill the specific needs of wood industry which covers both large as well as small and medium-sized enterprises (SME), conversion systems in different size ranges and for various applications are needed. However, for the wood chain in Switzerland, the medium-scale size range from 500 kW to 50 MW is most relevant to fulfill the needs of wood industry. Since nowadays systems do not fulfill all requirements with respect to feedstock, efficiency, and pollutant emissions, a new standard of grate combustion system combining primary measures to reduce CO and organic compounds, PM10 and NOX will be developed. Specific attention is given on the influence of different combustion sectors on the grate as a basis for a consequent application of multi stage combustion conditions. In addition, the concept of a consequent combination of air staging and low-particle conditions as developed as individual measures in earlier projects will be investigated. The project covers three tasks: 1.The realisation and experimental evaluation of a modularly designed grate boiler enabling combustion modes for combinations of primary measures, i.e., the earlier developed concepts for low-NOX and low-PM. However, contrary to earlier approaches, the combustion is optimised for low organic PM and low precursors of secondary aerosols instead of low inorganic PM.2. The process modeling as a tool to assist combustion optimisation in this project and to be used for future applications and which consists of two independent simulation steps, i.e., the solid fuel conversion on the moving grate and the subsequent gas-phase reactions.3. Experimental 3-dimensional model investigations on the fluid dynamics by Particle Image Velocimetry (PIV) to assist the combustion design and to validate the process modeling. The laboratory boiler is the main project task and it is carried out in cooperation with the leading manufacturer of grate boilers in Switzerland. Tasks 2 and 3 cover assisting research which is carried out in cooperation with international partners based on a scientific exchange.
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