• No results found

Fine particle emissions from biomass cookstoves: Evaluation of a new laboratory setup and comparison of three appliances

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Fine particle emissions from biomass cookstoves: Evaluation of a new laboratory setup and comparison of three appliances"

Copied!
46
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Natxo García López 2017 

 

Fine particle emissions from biomass cookstoves 

Evaluation of a new laboratory setup and comparison of three appliances   

Natxo García López

   

(2)

Fine particle emissions from biomass cookstoves   

Evaluation of a new laboratory setup and comparison of three appliances 

 

   

          Natxo García López 

      Umeå University

Supervisor: Christoffer Boman

Co-supervisors: Robert Lindgren and Ricardo Carvalho

(3)

Abstract

 

It is estimated that around three billion people globally rely on traditional usage of biomass to  cover  their  daily  energy  needs,  which  causes  health  and  social  inequality  problems  and  contributes to global warming. Thus, the study of particle emissions from cookstoves provides  important information that can help improve global welfare.   

This study aims to (a) evaluate a new laboratory setup for measurement of particle emissions  from  cookstoves  and  (b)  use  this  setup  to  compare  the  particle  emissions  from  three  cookstove appliances that cover the whole spectra of used technologies, namely a 3-stone  fire, an improved cookstove and a gasifier stove. 

Emissions of total suspended particles (TSP), fine particles (≤ 2500 nm) and other emission  components such as carbon dioxide were measured.  

Results from this study show that the new laboratory setup is appropriate to measure and  investigate fine particle emissions from cookstoves as well as cookstove efficiency. Further, it  also  shows that the  3-stone fire  was the  cookstove  with  the highest emission factor  of  all,  followed  by  the  rocket  stove  and  the  gasifier  stove  respectively.  The  analysis  of  the  data  obtained from the transient particle measurement provided some information on the particle  size and the soot and salt contained in the overall emitted particles.  

Finally, some suggestions such as continuous measurements of background particle and CO2  levels are recommended. Additionally, further research ideas are also proposed.  

     

Key words:  Particulate matter  emissions,  cookstoves,  gravimetric  measurements,  soot  and  salt particles, SMPS.  

   

(4)

Table of Contents

Abstract ... - 2 -

1. Introduction ... - 4 -

2. Material and methods ... - 7 -

2.1 Laboratory setup and test procedure ... - 7 -

2.1.1 Setup description ... - 7 -

2.1.2 Test procedure ... - 8 -

2.1.3 Instrumentation ... - 11 -

2.2 Data analysis ... - 12 -

2.2.1 Mass loss ... - 12 -

2.2.2 Calculation of the dilution factor over the hood ... - 12 -

2.2.3 Offline particle emissions data ... - 14 -

2.2.4 Transient particle emissions data ... - 15 -

3 Results ... - 18 -

3.1 Results from the evaluation of the new laboratory setup ... - 18 -

3.2 Results from the comparison of three cookstove appliances ... - 22 -

3.2.1 Fuel consumption and boiling and simmering times ... - 22 -

3.2.2 Mass loss over time ... - 23 -

3.2.3 Water temperature and CO2 emissions ... - 24 -

3.2.4 Particle emissions based on offline measurements ... - 25 -

3.2.5 Dilution factor calculation ... - 26 -

3.2.6 Particle emissions based on transient measurements ... - 27 -

4. Discussion ... - 33 -

4.1 New laboratory setup and test procedure ... - 33 -

4.2 Comparison of the three cookstove appliances ... - 35 -

5. Conclusions ... - 39 -

6. References ... - 40 - Appendix 1 ... I  

 

(5)

1. Introduction

Biomass combustion for cooking and heating purposes is an ancestral practice still in use by  almost  40  %  of  the  world’s  population  (1).  The  most  widely  used  cooking  technology  in  countries with developing economies is the 3-stone fire arrangement. Nevertheless, during  the  last  decades,  the  development  and  implementation  of  improved  cookstoves  has  been  remarkable.  Although  improved  cookstoves  are  relatively  simple  appliances,  they  can  still  improve the stove efficiency and reduce particle emissions considerably in comparison to the  3-stone arrangement (2). Recently, the usage of small domestic gasifier stoves operated with  processed biomass, mostly in form of pellets, has been proposed as a way to further improve  stove efficiency and reduce its emissions (3). In some countries with developing economies,  such as Kenya, this technology is starting to be implemented and commercialized.   

The  use  of  each  of  the  different  available  technologies  has  implicit  health,  social  and  environmental  consequences.  Emissions  from  traditional  combustion  of  biomass  have  noteworthy health effects on the stove users, who are mostly women and children, which in  turn leads to social inequalities. Moreover, the traditional usage of biomass has environmental  impacts in form of deforestation, soil degradation and increased atmospheric particle and CO2  concentrations. CO2 emissions contribute to higher global concentrations, thus contributing  to  global  warming,  and  particle  emissions  contribute  to  higher  local,  regional  and  global  particle concentrations. Recently, the Global Alliance for Clean Cookstoves claimed that clean  cooking can contribute to achieve 10 of the 17 UN Sustainable Development Goals (SDGs),  that were adopted by 193 nations in 2015 (4). In the last decades, great initiatives have shed  some light on the field of clean cookstoves, but nevertheless there are still some aspects to  be studied more carefully, for instance particle characteristics and not least the toxicology of  the particles emitted by different appliances.  

Fine  (sub-micron)  particle  emissions  (<1  µm)  can  be  classified  into  three  categories,  i.e. 

inorganic  salts,  organic  matter  and  soot  particles.  In  biomass  combustion,  inorganic  salt  particles, which are small particles with diameters ranging between 20 and 70 nm (5,6), are  mainly  composed  of  potassium  salts,  e.g.  KCl  and  K2SO4.  Soot  particles  are  typically  larger  particles, although sub-micron, composed of agglomerates of smaller solid spherical particles,  often unburned carbonaceous particles, in the range of 100-500 nm. The group of particles  that are comprehended in the soot particles usually have different particle characteristics, for 

(6)

instance surface chemistry. Soot can be described by its optical properties as “black carbon”,  which  is  considered  to  contribute  to  global  warming  through  two  main  processes.  First,  particles that are suspended in the atmosphere absorb sun radiation, and second, particles  that are deposited on top of snow and ice surfaces reduce the albedo of those surfaces which  causes an increase in the local temperatures (7).   

The need for standarized methods to test cookstoves made that already in the beginning of  the 80s, the Volunteers in Technical Assistance (VITA) launched the first version of a standard  procedure for testing cookstoves. Since then, the standarized Water Boiling Test (WBT) has  been widely used. The WBT is intended to measure “how efficiently a stove uses fuel to heat  water in a cooking pot” and “the quantity of emissions produced while cooking” (8). Despite  the suitability of the WBT to test cookstove efficiency and to measure the quantity of total  emissions, e.g. as total particulate matter (PMtot), the test is not developed and adjusted to  enable detailed aerosol studies (e.g particle formation and detailed properties). This is mainly  due to the high moisture content of the flue gases into the hood caused by the boiling water. 

Thus, some modifications should be applied to the standard WBT in order to allow for more  specific and advanced aerosol particle studies that can give further information about the gas-  and particle emissions from cookstoves (9).  

The  WBT  is  typically  conducted  in  the  laboratory.  However,  particle  emissions  from  cookstoves  may  be  studied  in  the  field  as  well.  Both  approaches  have  advantages  and  disadvantages. The challenge with a field study on particle emissions is that many parameters  cannot be controlled as accurately as in the laboratory. Nevertheless, results obtained from a  study carried out in the field, under real-operating conditions, are likely more representative  than those obtained in the laboratory. In other words, the strengh of a laboratory study is that  parameters can be better controlled and studied in designed experimental matricies, whereas  its  weakness  is  the  fact  that  the  simulated  cooking  event  is  not  a  real  cooking  event. 

Furthermore, in the nature of a laboratory study, there is an intrinsic search of the ability to  reproduce  experiments.  That  is,  the  repeatability  of  the  experiments.  In  contrast,  field  experiments are very difficult ro repeat under the same experimental conditions. 

   

(7)

Due to the great contribution from many research groups to the field of cookstoves, focusing  on efficiency and emissions, the knowledge in this field has increased considerably in the past  couple  of  decades.  In  adittion,  interdisciplinary  studies  involve  people  from  different  disciplines , applying advanced instrumentation to measure particles, have resulted in some  more detailed studies on particle emissions from biomass cookstoves (5, 10,11,12). In general  fine particles have been defined as PM2.5, i.e. particles with an aerodynamic diameter <2.5 µm,  and ultrafine particles have been defined as PM0.1, i.e. particles with an aerodynamic diameter 

<0.1 µm. However, in this work, fine particles (fine PM) are defined as PM1, which is in line  with what has been discussed earlier for biomass combustion particle emissions (10). Insights  on fine and ultrafine particles emission are of great interest from a human health perspective.  

In contrast to bigger particles, which are deposited before they reach the lungs and that might  be  coughed  out  of  the  body  when  breathed  (Fig.  1)  ,  ultrafine  particles  might  reach  the  alveolus, where they can affect to the actual lung cells or be taken up by the bloodstream (13).  

 

 

 

Figure 1. Illustration of the respiratory system and relation to the deposition regions of different particle sizes (left).

Deposition fraction as function of particle size (right). Reprinted from (13,14).

 

A laboratory study was therefore carried out with the overall aim to gain novel knowledge of  particle  emissions  from  biomass  cookstoves.  The  specific  objectives  of  this  study  are  to:  I)  evaluate a new laboratory setup for studies of efficiency and emissions from cookstoves, and  II) test three different types of cookstove appliances, using wood fuels, with respect to fine  and ultrafine particle emissions. 

   

(8)

2. Material and methods

This study consists of an experimental part followed by a data analysis part. The experimental  part  comprises  an  evaluation  of  a  new  laboratory  setup  to  study  particle  emissions  from  cookstoves as well as an experimental campaign in which three cookstove appliances were  tested. The data analysis part aims to test a methodology to analyse data generated using the  used laboratory setup. 

 

2.1 Laboratory setup and test procedure

The  laboratory  setup  is  a  combination  of  a  fixed  installation,  including  e.g.  hood,  flue  gas  channel  and  fan,  as  well  as  a  number  of  instruments  that  can  also  be  used  in  other  experimental setups if needed.  

 

2.1.1 Setup description

The setup is composed of a flue gas channel provided with a hood and a fan. The flow of flue  gases at the flue gas channel is regulated by a frequency regulator. The system is provided  with a scale to measure the mass loss of fuel during the combustion process.  

Additionally, the temperature of the water, the temperature of the flue gases both under the  pot and at the flue gas channel are also measured and recorded every five seconds. In the  present  study,  only  the  water  temperature  is  reported,  while  the  other  two  temperatures  were used to understand the collected data and to monitor the process while the experiments  were performed.  

Carbone dioxide (CO2) concentrations were measured with a non-dispersive infrared (NDIR)  gas analyser (LI 840A, LI-COR Corp.) that sampled the exhaust gases from the flue gas channel.  

Offline and transient particle emissions were measured using a total dust filter sampling line  and a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) system (TSI Corp.), respectively. The flue gases  were diluted with an ejector dilutor (Dekati Ltd.) previous to be analysed by the SMPS (Fig. 2).  

(9)

 

Figure 2. Schematic illustration of the laboratory setup used in this study.

Filter based offline measurements, e.g. of Total Suspended Particles (TSP), give information  on the overall mass emissions of particulate matter and also allow to make further chemical  analyses  of  the  collected  particles.  In  contrast,  transient  measurements  are  time  resolved  measurements that give information on the dynamic behaviour (changes) of the measured  parameter. In this study, mass loss, water tempertaure, CO2 emissions and particle number  size emissions (by SMPS) were measured. 

 

2.1.2 Test procedure

In  this  study,  a  modification  of  the  standard  Water  Boiling  Test  (WBT)  was  used  to  study  particle emissions from three different cookstove appliances.  

Given  that  some  stoves  have  a  big  thermal  mass,  the  WBT  intends  to  assess  whether  the  emissions from  a stove are affected by the stove temperature. Thereby, the test is comprised  of  three  phases,  i.e.  cold  start,  hot  start  and  simmer  phase.  The  test  starts  with  a  known  amount of water in a standard sized pot which is heated by combusting pre-weighted fuel in  the stove appliance to be tested. The first phase (cold start) starts with the stove and the water  at room temperature and ends once the water reaches the boiling point. Before starting the  second phase, the water in the pot is replaced by new water at room temperature, whereas  the stove remains hot from the previous phase. The third phase (simmer phase) starts once  the water used in the second phase (hot start) starts to boil and lasts for 45 minutes.   

(10)

As previously described, the aims of this study were to gain novel understanding of the particle  emissions from different cookstove appliances and to test a new laboratory set up. Given that  the water boiling test WBT is a test designed to, mainly, test cookstove efficiency (8), the test  was modified in order to be able to also gain insights into particle emissions.  

In indoor cooking,  the emitted gases and particles from the cookstove are progresively diluted  as the flue gases move away from the fireplace, whereas in the herein presented setup, the  emitted gases and particles are gathered by the hood and conducted into the flue gas channel  (100 mm in diameter). When pre-testing the setup, it was seen that when the water started  evaporating, the increment in water content of the flue gases affected the results from the  particle emissions measurements.  

One of the most important modifications of the WBT implemented in this study was therefore  to use a tight lid to cover the pot. Water vapour was then conducted out of the extraction  hood through a teflon tubing connected to the lid. Adittionally, a thermocouple was inserted  on the pot through the lid. The pot used to boil the water is a ‘Sufuria’- the most common  cooking pot used in Sub Saharan Africa- here acquired in a local market in Kenya.  

Another substantial difference between the standard WBT and the test procedure used in this  study was related to the test phases. The WBT divides the test in three phases, i.e. cold start,  hot start and simmering phases with the aim of identifying effects of the stove thermal mass. 

In contrast, and given that the stoves tested in this study are low mass stoves, the test used  in this study was divided into two phases, namely boiling phase and simmering phase (Fig. 4).  

Thus, the water that was already heated during the boiling phase remained in the pot until  the test was completed.  

 

Figure 4. Illustration of the water temperature profile over time in the WBT (left) reprinted from (8), illustration of the water temperature profile over time for the runs carried for this study (right).

   

(11)

Three cookstove appliances were tested:  a 3-stone fire, a rocket stove and a gasifier (Fig. 5).  

         

Figure 5. The tested cookstove appliances. From left to right: the 3-stone fire arrangement, the rocket stove (Zama Zama) and the gasifier stove (ACE 1).

 

The 3-stone fire is the most traditional and extended way to arrange a fireplace for cooking  purposes.  The  arrangement  used  in  this  study  consisted  on  3  stones  (10x10x4  cm)  evenly  distributed around a metal ring of 250 mm in diameter. Once the stones were placed, the ring  was removed and the wood logs were placed. 

The technology known as rocket stove is based on a combustion chamber with an air inlet and  a small “chimney”. There are many different designs but the principle is that the flames are  gathered in the chimney and conducted to the pot. The fact that all flames are conducted to  the pot and that the combustion gases have more time to be combusted than in a 3-stone fire  arrangement,  makes  the  rocket  stove  design  a  more  effective  stove  than  the  former.  The  rocket stove used in this study was a commercially available cookstove known as Zama Zama.  

The fuel supply for the 3-stone and the rocket stove appliances is controlled by the user, which  means that the fuel sticks are added progressively as they are consumed, i.e. a batch-wise  manner. The sticks were obtained from manually chopped wood logs, and the composition of  the used birch fuel is given in Table 1 in Appendix 1.  

The third appliance tested in this study was a biomass gasifier known as ACE 1. In this case,  standard softwood pellets, commercially available on the Swedish market, were used as fuel,  and the composition of the used pellets is given in Table 2 in Appendix 1.  

Cookstoves  dimensions,  fuel  type  and  dimensions  and  pot  characteristics  used  with  the  different appliances are compiled in Table 1.  

(12)

Table 1. Summary of some of the key components of the laboratory setup.

Cookstove Cookstove dimensions [mm]

Fuel Fuel dimensions [cm]

Pot dimensions [mm]

Pot capacity [L]

Water volume [L]

3-stone fire ø 250   height 100 

 

      Birch sticks 

1.5*1.5 to 3*3   by 30 length  

      ø  280  height 180  

      7 liters 

      5 liters  Rocket stove  ø 240  

height 270    

1.5*1.5 to 3*3   by 20 length 

Gasifier stove ø 220   height 240  

 

Spruce/pine  pellets 

  0.8 ø 

   

2.1.3 Instrumentation

The scale used in this study was a KERN DS 60K with a precision of ±0.2 g. Data was recorded  every five seconds. The mass loss data was then used to further calculate mass loss rate (g/s). 

Water temperature was measured with a thermocouple (type-K) located in the centre of the  pot  and  at  50  mm  from  its  bottom  as  defined  in  the  WBT.  Data  was  recorded  every  five  seconds. 

CO2 emissions were measured with the LI-840A instrument and recorded every second.  

In order to quantify  the total mass of the particles emitted during a whole run, a standard  total dust filter setup was used. The total dust setup was provided with two fiber glass filters  of 90 mm in diameter (manufactured by Munktel). The filters were weighed before and after  the  test  with  a    laboratory  scale  with  a  precision  of  ±  0.01  mg.  The  total  dust  setup  was  provided with a pump that sucked the flue gases through the fiber glass filters.  

Transient particle emissions measurements were performed using a Scanning Mobility Particle  Sizer (SMPS) (Fig. 6).  

 

   

Figure 6. The used SMPS instrument (left) and a typical screenshot of the SMPS under operation (right).

(13)

2.2 Data analysis

 

2.2.1 Mass loss

The mass loss data obtained from both the 3-stone and the rocket stove appliances had to be  processed due to the fact that the fuel additions led to large steps in the weight data and also  since the rearrangement of wood sticks by the user led to some deviations.   

Thus, the raw data was first manually processed in Excel to remove the steps corresponding  to  fuel  additions.  The  obtained  data  series  were  then  smoothed  in  MATLAB  using  the  smoothing  function  “smooth”  five  consecutive  times  in  order  to  get  rid  of  the  smaller  deviations corresponding to wood rearrangement and thus obtain a derivative curve with less  noise. Finally, the derivative curve, illustrating the mass loss rate, of the smoothed curve was  calculated.   

For the gasifier stoves, the obtained data from small scale the runs performed did not need to  be processed in the same manner given that the mass loss data was already smooth. 

2.2.2 Calculation of the dilution factor over the hood

Other  laboratory  setups  designed  to  measure  particle  emissions  from  small  scale  biomass  combustion, such as woodstoves or pellet burners, have in general some differences with the  herein presented setup. One peculiarity of this setup is that the hood is open to the laboratory  and therefore the sample becomes diluted before it enters into the flue gas channel (Fig. 7). 

Thus, the dilution occurring over the hood needs to be considered.  

 

Figure 7. Schematic illustration of the laboratory setup with the most relevant flows along the system.

(14)

 

The amount of produced combustion gases was calculated based on the mass loss of fuel per  unit  time  and  the  fuel  composition  (C/H/O,  moisture  and  ash),  assuming  stochiometric  combustion.  From  this  calculation,  the  volume  of  the  total  produced  gases  as  well  as  the  volume of produced CO2 per gram of combusted fuel were obtained.   

Thereafter, the total produced gases and the CO2 flow were calculated according to equations  (1) and (2).  

Flow = Tpg × −

(1)

Where:

= Flow of total produced gasescalc, in Tpgcalc = Total produced gasescalc, in

= Mass increment per increment of time, in

Flow CO = CO × −

    

(2) 

Where:

Flow CO2 calc = Flow of produced CO2 calc, in Prod CO2 calc = Produced CO2 calc, in

= Mass increment per increment of time, in

 

Given that the flow of flue gases is constant and that the flow of the total produced gases  varies over time, the dilution factor over the hood will change over time as well which was  calculated according to equation (3).  

= (3)

Where:

Dil factHood = Dilution factor at the hood Flowfg = Flow at the flue gas channel in

= Flow of total produced gasescalc, in    

Moreover,  the  flow  of  CO2  in  the  flue  gas  channel  was  calculated  by  the  addition  of  the  calculated flow of emitted CO2 plus the atmospheric concentration of CO2 times the flow of  dilution air, according to equation (4). 

(15)

  = Flow CO + 0.0004 × −     (4) 

Where:

c = Calculated flow of CO2 at the flue gas channel Flow CO2 calc = Flow of produced CO2 calc, in

0.0004 = [ ]

FlowTfg calc = Flow of total produced gasescalc, in

Flowfg = Flow at the flue gas channel in

Finally, the flow of CO2 at the flue gas channel was converted to parts per million (ppm)  according to equation (5).  

. = × 106 (5)

Where:

CO2 conc.calc fgc = CO2 concentration at the flue gas channel [ppm]

c = Calculated flow of CO2 at the flue gas channel Flowfg = Flow at the flue gas channel in

 

The calculated time resolved CO2 concentration in the flue gas channel were then compared  with  the  measured  CO2  concentration  in  order  to  evaluate  the  predictive  power  of  these  calculations. 

Furthermore,  and  given  that  there  are  clear  devolatilization  and  char  combustion  phases  during  the  batch-wise  combustion  of  pellets  in  the  gasifier  stoves  (15)  ,  two  different  fuel  compositions

 

were  assumed  when  calculating  the  flow  of  total  produced  gases  and  the  produced CO2.  

The  assumed  fuel  compositions  for  the  devolatilization  and  char  combustion  phases,  respectively, are given in Table 3 in Appendix 1.  

 

2.2.3 Offline particle emissions data

The influence of the background concentration of particles by the dilution air was calculated  and thereafter subtracted from the total sampled mass on the filters by applying the dilution 

(16)

factor for the hood to the total amount of flue gases and assuming a typical indoor background  particle concentration of 10 000 part/cm3 and a particle density of 1 g/cm3

Firstly, the data obtained from the gravimetric analyses performed with the total dust filter  sampler  is  presented  as  milligrams  of  emitted  particles  per  completed  test  (mg/test).  The  emissions from each run were divided by the number of minutes that it took for each run to  be completed, thus obtaining emissions on time basis (mg/min). Additionally, the emissions  were divided by the mass of fuel used to complete the run, which allowed to present the data  as emissions on fuel basis (mg /gfuel). Furthermore, emissions on an energy basis (mg/MJ fuel)  were obtained by dividing the emissions on fuel basis by the heating value of the used fuel. 

Finally, the emitted particle mass per delivered energy (mg/MJdel) was obtained by applying  the thermal efficiency factors (16) compiled in table 2. 

Table 2. Fuel and gross heating values as well as thermal efficiency for the three tested cookstove appliances.

Appliance Fuel Gross heating value [MJ/kg], dry fuel

Thermal efficiency [%]

3-stone fire 

Birch sticks  18.7 

18 

Rocket stove  30 

Gasifier  Pellets  20.3  35 

2.2.4 Transient particle emissions data

The data obtained from the measurements carried with the SMPS is reported in number of  particles per cubic centimetre. However, as showed in Figure 8, the SMPS instrument sampled  after the ejector [Part]Ae, i.e. giving the particle concentration after the ejector. Thus, in order  to obtain the particle concentration of the produced gases, both the ejector and the hood  dilution factors needed to be considered. The ejector had a dilution factor of 1:18. The particle  concentration before the ejector is presented as [Part]Fg, i.e. particle concentration at the flue  gas  channel.  Moreover,  the  fact  that  the  dilution  air  had  a  background  level  of  particles,  [Part]Dil Air was also taken into account in the calculations, i.e. the particle concentration of the  ambient air. Based on the calculated time resolved dilution factor and the assumed particle  concentration  in  the  dilution  air,  the  estimated  particle  contribution  from  the  background  levels to the actual readings was subtracted and therefore the presented results are on a free  background contribution basis.  

(17)

 

 

Figure 8. Schematic illustration of the laboratory setup with the most relevant flows and particle measures along the system as well as the relation from which the particle concentration in the produced gases was calculated.

 

The relationship between the flows and the particle concentrations along the different points of the  setup is represented in equation (6):  

[ ] × = ([ ] × ) + ([ ] × ) (6)

  Where:

[Part]fg = Particle concentration at the flue gas channel, in Flowfg = Flow at the flue gas channel, in

[Part]Tpg calc = Particle concentration at the calculated produced gases, in = Flow of total produced gasescalc, in

[Part]da = Particle concentration at the dilution air, in Flowda = Flow of dilution air, in

 

Based on equation (6), the particle concentration in the produced gases can be calculated according  to equation (7):  

  

(18)

[Part]Tpg calc = [ ] × [ ] × (7) 

Where:

[Part]Tpg calc = Particle concentration at the calculated produced gases, in [Part]fg = Particle concentration at the flue gas channel, in

Flowfg = Flow at the flue gas channel, in

[Part]da = Particle concentration at the dilution air, in Flowda = Flow of dilution air, in

= Flow of total produced gasescalc, in  

 

In this study, and in contrast to other studies in which particle emission data normally has  been  presented  as  typical  overall  size  distributions  of  the  emitted  particle,  it  was  here  considered  of  vital  importance  to  present  the  change  on  particle  emissions  over  time. 

Additionally,  a  “Salt  versus  Soot  mode  analysis”  was  carried  with  the  aim  to  gain  some  understanding on the relationship between the number of different kinds of emitted particles  and the size of those particles and how this relationship changed over time.  

Particles with a mobility diameter between 15 and 70 nm were therefore considered to be  alkali salt particles and particles between 71 and 553 nm were considered to be soot particles.  

The number of emitted particles per volume were then analysed in relation to the particle  emissions in terms of mass per volume. Salt particles were assumed to have a density of 2.5  g/cm3 whereas soot particles were assumed to have a density of 0.8 g/cm3.  

Finally, the change in the relation between particle number and particle mass was determined  by  comparing  the  sum  of  normalized  particle  number  concentration  and  the  sum  of  the  particle mass concentration by using a “bubble plot”.     

 

(19)

3 Results

 

3.1 Results from the evaluation of the new laboratory setup

As described in the material and methods section, the mass loss data was treated with the  aim  to  smooth  the  abrupt  changes  in  mass  caused  by  wood  sticks  being  introduced  or  rearranged  in  the  fire-place.  Figure  9a  shows  the  raw  data  obtained  from  an  experiment  carried with the 3-stone fire arrangement, while Figure 9b shows the mass loss treated curve  after manually  removing  the  original  “jumps”.  In  Figure  9c,  the derivative  of the  mass  loss  treated curve is also included in the graph. Finally, the resulting curves from smoothing the  mass  loss  treated  curve  with  the  smooth  function  in  Matlab  5  consecutive  times,  and  the  derivative of this smoothed curve, are shown in Figure 9d.     

As discussed before, the mass loss data obtained from the gasifier stove did not need to be  processed in this manner.  

 

Figure 9. Illustration of the different steps used to treat the mass loss data obtained from tests performed with 3-stone and rocket stoves appliances.

 

In  order  to  get  a  better  understanding  of  the  system,  the  time  resolved  dilution  factor  calculated with help of equation (3) was further compared with the calculated flow of total  produced gases, as illustrated in Figure 10. 

 

0 300 600

0 20 40 60 80 100

Mass loss [g]

Time [min]

3 s tones

Mass loss raw

a)

0 1000 2000

0 50 100

Mass loss [g]

Time[min]

3 s tones 

Mass loss treated

b)

-1 -0.5 0 0.5 1

0 1000 2000

0 50 100

Mass loss rate [g/s]

Mass loss [g]

Time [min]

3 s tones

Mass loss treated Mass loss rate treated

c)

-1 0 1

0 1000 2000

0 50 100

Mass loss rate [g/s]

Mass loss [g]

Time [min]

3Stones 

Mass loss treated Mass loss Mass loss rate

d)

(20)

 

Figure 10. Typical trend of total produced gasescalc and dilution factor over a run for data obtained from a test carried out with the gasifier stove.

 

Further, the calculated CO2 emissions were compared to the measured CO2 emissions to see  whether the calculated emissions were consistent with the measured, as illustrated in Figure  11. 

In the cases of the 3-stone fire and the rocket stove, the fuel is constantly being added as it is  being consumed, therefore the fuel composition was assumed to be constant over the whole  test.  

   

Figure 11. Calculated CO2 emissions versus measured CO2 emissions for data from the 3-stone fire and the rocket stove appliances.

 

In  contrast  to  the  other  tested  appliances,  the  gasifier  stove  is  operated  as  a  batch-wise  process  with  a  batch  of  pellets  that  lasts  for  the  whole  test.  This  implies  that  the  devolatilization and char combustion phases are much more defined during the conversion  process, than for the other studied appliances (3-stone fire and rocket stove). Nevertheless,  since the batch, i.e. 500 grams, of pellets is in the cylindrical stove compartment, there is a  first  phase  in  which  the  flames  are  not  in  contact  with  the  bed  of  pellets  due  to  the  devolatilization process. And a second phase in which a glowing front moves down as the char  is being combusted.   

0 100 200 300 400

0 0.0005 0.001 0.0015

0 10 20 30 40 50 60

Dil factHood

Tot prod gases [Nm3/s]

Time [min] Tot al produced gases calc Dilution fact or

0 5 000 10  000

0 20 40 60

CO2[ppm]

Time [min]

3-stone fire

Cal cul ated emissi ons Measured  emissions

0 5 000 10  000

0 20 40 60

CO2[ppm]

Time [min]

Rocket stove

Cal cul ated emissi ons Measured  emissions

(21)

In  Figure  12,  it  can  be  seen  how  the  CO2  emissions  are  influenced  by  the  change  in  fuel  composition  during  the  combustion  process,  i.e.  going  from  devolatilization  to  char  combustion. In this study, these two different fuel compositions were used with aim to obtain  more accurate CO2 emissions, based on an assumed fuel composition during the respective  phase.  

   

Figure 12. Comparison between the measured CO2 concentrations and the calculated using the assumed fuel compositions (devolatilization and the char combustion) for the whole combustion cycle (left), and a comparison between measured CO2

composition and combined calculated CO2 concentrations using the adjusted fuel compositions for the respective phases.

 

By knowing the dilution factor over the hood and the dilution factor of the ejector, measured  particle concentration after the ejector [Part]Ae was converted to the particle concentration  at the flue gas channel [Part]Fg and finally to the particle concentration at the produced gases  [Part]Pg calc (fig 13).    

           

0 5 000 10  000 15  000

0 20 40 60

CO2[ppm]

Time [min]

Gasifier stove

Measured Char combustion composition

Devolatilizacion compos ition

0 4 000 8 000

0 20 40 60

CO2[ppm]

Time [min]

Gasifier stove

Combined calc ulated Measured

Devolatilization  composition

Char combustion  composition

(22)

   

   

Figure 13. Typical particle number concentrations (by the SMPS) for one test with the gasifier stove, illustrating both the measured concentrations in the diluted gases and the calculated concentrations in the produced (primary) combustion gases.

 

Once  the  emissions  were  converted  to  particle  concentration  at  the  emitted  gases,  the  evaluation of the particle emissions were divided into salt and soot fractions. Additionally, the  relation  between  particle  number  and  particle  mass  was  estimated  by  calculating  the  cumulative particle mass over time (fig 14).  

   

Figure 14. Typical time-resolved particle number concentration for the estimated salt and soot mode (left), and time- resolved total mass and number concentrations results (right).

 

0 60 000 120 000

0 20 40 60

Part conc [Part/Ncm³]

Time [min]

After ejector

0 1 000 000 2 000 000

0 20 40 60

Part conc [Part/Ncm³]

Time [min]

At flue gas channel

0 70 000 000 140 000 000

0 20 40 60

Part conc [Part/Ncm³]

Time [min]

At calc produced gases

0 60 000 000 120 000 000

0 20 40 60

Part num conc [Part/Ncm3]

Time [min]

[Part]Pg calc

SALT SOOT

0 0.2 0.4

0 60 000 000 120 000 000

0 20 40 60

Part mass conc [µg/Ncm3]

Part num conc [Part/Ncm3]

Time [min]

[Part]Pg calc

[N/cm3 ] [µg/cm3 ]

(23)

Finally, the time resolved relation between the particle number and particle mass was plotted. 

A typical particle mass to number concentration plot corresponding to a test performed with  the gasifier stove is shown in Figure 15.  

 

Figure 15. Illustration of the time resolved relation between particle number concentration and particle size in a typical combustion test.

 

3.2 Results from the comparison of three cookstove appliances

Once  the  evaluation procedure  of  the  set-up and  measurement  systems  was completed,  a  comparison of three cookstove appliances was performed. As mentioned, the used appliances  were; a 3-stone fire arrangement, a rocket stove and a gasifier stove.  

 

3.2.1 Fuel consumption and boiling and simmering times

Fuel consumption and combustion times for the boiling and simmering phases were recorded  for all nine runs, including three replicates for each of the three tested appliances.  

The highest fuel consumption for both the boiling and simmering phases was registered for  the 3-stone fire, followed by the rocket stove and last the gasifier stove. The largest variation  in  fuel  consumption  between  the  experiments  was  registered  for  the  3-stone  fire  as  well,  closely  followed  by  the  one  for  the  rocket  stove,  while  the  gasifier  stove  had  the  lowest  variation in fuel consumption (Fig. 16).  

The “fastest” appliance to complete the WBT, i.e. the cookstove that boiled 5 litres of water  in shortest time was the gasifier stove, followed by the 3-stone fire and finally the rocket stove.  

The  results  of  fuel  consumption  and  the  times  to  complete  the  boiling  and  the  simmering  phases are shown in Figure 16, and the full data given in Table 4 and 5 in Appendix 1. 

 

(24)

3.2.2 Mass loss over time

Mass  loss  and  mass  loss  rate  were  smoother  for  the  gasifier  stove  than  for  the  other  two  tested appliances, as seen in Figure 17.  

The  observed  pattern  in  mass  loss  was  also  very  different  in  the  case  of  the  gasifier  stove  compared to the other two tested appliances.  A more drastic mass loss was observed in the  first part of the test for the gasifier stove which illustrates a clear devolatilization phase of the  biomass in the first part of the conversion process. In contrast, in the case of the 3-stone fire  and  the  rocket  stove,  the  devolatilization  and  char  combustion  phases  took  place  simultaneously, which gives a more constant mass loss rate. 

-1 -0.5 0 0.5 1

0 400 800 1200 1600

0 20 40 60 80

[g/s]

Mass [g]

Time [min]

3-stone fire 

Mass loss Mass loss rate

-1 -0.5 0 0.5 1

0 250 500 750 1000

0 20 40 60 80

[g/s]

Mass [g]

Time [min]

Rocket stove

Mass loss Mass loss rate

   

Figure 16. Average ±SD (n=3) fuel consumption for the three tested appliances for boiling and simmering phases (left).

Average ±SD (n=3) time to complete boiling and simmering phases for the three tested appliances (right).

0 500 1000 1500

3-stone fire n=3

Rocket stove n=3

Gasifier stove n=3

Weight [g]

Fuel consumption

Fuel til l boiling Fuel simmering

0 20 40 60 80 100

3-stone fire n=3

Rocket stove n=3

Gasifier stove n=3

Time [min]

Time  Time to boil Simmering time

(25)

Figure 17. Typical mass loss and mass loss rate for the three tested appliances.

 

3.2.3 Water temperature and CO2 emissions

The overall CO2 concentrations were highest for the 3-stone fire, followed by the rocket stove  and the gasifier stove, which had the lowest emissions of all (Fig. 18). In the case of the 3- stone fire and the rocket stove, it was observed that the CO2 emissions decreased when the  simmering phase started. In contrast, the CO2 emissions for the gasifier stove did not decrease  after the boiling phase ended.  

The pattern of CO2 emissions over time was smoother for the gasifier stove than for the 3- stone fire and the rocket stove. In addition, in the case of the gasifier stove there was a clear  peak in CO2 emissions, which took place approximately in the middle of the boiling phase. 

   

-1 -0.5 0 0.5 1

0 150 300 450

0 20 40 60

[g/s]

Mass [g]

Time [min]

Gasifier stove 

Mass loss Mass loss r ate

0 20 40 60 80 100

0 4000 8000 12000

0 20 40 60

TEMP water [°C]

CO2 [ppm]

Time [min]

3-stone fire

0 20 40 60 80 100

0 4000 8000 12000

0 20 40 60 80

TEMP water C]

CO2[ppm]

Time [min]

Rocket stove

(26)

   

Figure 18. Typical CO2 emissions in the flue gas channel versus water temperature of the three tested appliances.

 

3.2.4 Particle emissions based on offline measurements

The results from the total suspended particulate matter (TSP) collected with the total dust  filter  setup  are  presented  based  on  five  different  parameters  as  illustrated  in  Figure  19. 

Regardless of the unit in which the emitted particles are presented, there was a clear trend in  the amount of particle emissions from the three tested appliances. The 3-stone fire was the  appliance  with  the  highest  emissions,  followed  by  the  rocket  stove  and  the  gasifier  stove,  respectively.  

The standard deviation of the emission values registered for the tested appliances was largest  for the 3-stone fire, followed by those for the rocket stove and the gasifier stove.  

The raw values used in the graphs presented in Figure 19 are compiled in Table 6 in Appendix  1. 

   

0 20 40 60 80 100

0 4000 8000 12000

0 20 40 60

TEMP Water C]

CO2[ppm]

Time [min]

Gasifier stove

0 5000 10000 15000

3-st one fire n=3

Rocket st ove n=3

Gasifier stove

mg/completed test emitted n=3

Emission per completed test

0 40 80 120 160 200

3-st one fire n=3

Rocket stove n=3

Gasifier stove n=3

mgemitted/min

Emissions on time basis

(27)

   

   

Figure 19. Particle emissions (PMtot)for the three tested cookstove appliances given as different emission factors on a test-, time-, fuel- and energy basis.

 

3.2.5 Dilution factor calculation

The calculated vs. measured CO2 concentrations as well as the calculated dilution factor over  the hood for the three appliances are shown in Figure 20.  

As mentioned earlier, in the case of the gasifier stove both the calculated CO2 emissions and  the dilution factor are based on two different assumed fuel compositions.  

The best match between calculated and measured CO2 emissions was for the gasifier stove. 

Nevertheless, the calculated CO2 emissions clearly followed the same trend as the measured  CO2 emissions also for the 3-stone fire and the rocket stove. 

It was obvious that the dilution factor was much lower for the 3-stone fire and for the rocket  stove  than  for  the  gasifier  stove.  In  addition,  the  dilution  factor,  for  the  gasifier  stove,  increased considerably in the second half of the test.  

0 2 4 6 8 10

3-st one fire n=3

Rocket stove n=3

Gasifier stove n=3

mgemitted/gfuel

Emissions on fuel basis

0 200 400

3-st one fire n=3

Rocket st ove n=3

Gasifier stove n=3

mgemitted/MJfuel

Emissions on used energy basis

0 1000 2000 3000

3-st one fire n=3

Rocket st ove n=3

Gasifier stove n=3

mgemitted/MJdel

Emission based on delivered energy

(28)

   

           

   

Figure 20. Typical measured CO2 emissions versus calculated CO2 emissions and dilution factors over the hood for the three tested appliances. In the case of the gasifier stove, two fuel compositions were assumed for the calculations of the CO2

emissions. The vertical purple dashed line indicates the point at which the fuel composition was assumed to change.

 

3.2.6 Particle emissions based on transient measurements

The  particle  number  emissions  (normalized)  in  the  produced  gases  was  found  to  be  much  higher for the 3-stone fire and the rocket stove than for the gasifier stove, as seen in Figure  21.  

   

 

   

0 200 400

0 5000 10000

0 20 40 60

Dil. fact.

CO2[ppm]

Time [min]

3-stone fire

Cal cul ated Measured Dilution fact or

0 200 400

0 5000 10000

0 20 40 60

Dil. Fact.

CO2[ppm]

Time [min]

Rocket stove

Calculated Measured Dilution fact or

0 200 400

0 5000 10000

0 20 40 60

Dil. fact.

CO2[ppm]

Time [min]

Gasifier stove

Calcul ated Measured Dilution fact or

0 400 000 000 800 000 000

0 50 100

Part conc [Part/Ncm³]

Time [min]

[Part]Pg calc

3-stone fire

0 400 000 000 800 000 000

0 50 100

Part conc [Part/Ncm³]

Time [min]

[Part]Pg calc

Rocket stove

(29)

           

Figure 21. Typical normalized particle concentration at the produced gases for the three studied appliances.

 

In order to get an even better understanding on the particle emission properties of the tested  cookstoves and fuels, further analyses of the SMPS data were carried out. In the following, an  assessment of different particle parameters is therefore performed, i.e.; salt and soot mode  particles;  particle  number  compared  to  particle  mass;  particle  mass  as  function  of  CO2  concentrations and finally particle number in relation to particle size over time. 

 

0 400 000 000 800 000 000

0 20 40 60

Part conc [Part/Ncm³]

Time [min]

[Part]Pg calc

Gasifier stove

References

Related documents

Vilhelm Ekelund, who, during the years around 1910, found himself in a transitional phase, that is, he was going from writing poetry to writing essays, was among those who wrote

The particles gets charged by an electric field by powering a wire with a high voltage (∼ kV ) and a low current (∼ mA) to create a corona discharge either between the

Presently, the raw materials for fuel pellet production are mainly stem-wood assortments (&gt;90%) from sawmills and the wood working industry while bark, agricultural residues

Grön färg innebär ”känslig”, röd färg innebär ”resistent”, gul färg innebär ”ATU” och grå innebär att avläsning inte varit möjlig.. Bilaga III Rådata

Här visar styrdokumenten att de sociala skillnader som mellan könen inte är acceptabla och därmed används även här skolan som ett styrmedel för att förebygga att kvinnor

This work aims the functionalization of reduced graphene oxide nanoplatelets with chitosan (G-chitosan) and also with poly(styrenesulfonic acid) (GPSS), thus forming stable,

Although national black carbon emissions in Belarus have been estimated for the first time, statistical data on emissions from certain industrial sources has been

Burning large wood charges in old boilers without water tank can generate PM emissions of over 1300 mg/MJ which are in average 30 folds higher than for modern wood log systems