JET 35 JET Volume 14 (2021) p.p. 35-46 Issue 2, October 2021 Type of article 1.01 www.fe.um.si/en/jet.html A STUDY OF PARTICULATE AND GASE-OUS EMISSIONS OF A DAMAGED TUBU-LAR COMBUSTION CHAMBER IN A PELLET STOVE ŠTUDIJ TRDIH DELCEV IN PLINSKIH EMISIJ V POŠKODOVANI CEVNI IZGOREVALNI KOMORI PELETNE PEČI Zdravko Praunseis R Keywords: particulate matter, small scale pellet boilers, combustion chamber, fine particle emis- sion, pellet burner Abstract Wood-burning boilers are a popular source of heating in Slovenia. However, there has been much de - bate about the potential negative health effects associated with wood smoke in recent years. Wood smoke is increasingly seen as a significant component of airborne particulate matter (PM), especially in the context of the new sort time standard for fine particles in ambient air. Most organic substances will be burnt in the boilers during good combustion conditions with sufficient oxygen supply and high temperature. This study presents the influence of damaged tubular combustion chamber on smoke fine-particle emissions at small scale pellet burners. This research aims to reduce the particulate matter emissions of small scale pellet boilers and contribute to cleaner air. R Corresponding author: Zdravko Praunseis, PhD, Associate Professor, Faculty of Energy Technology, University of Maribor, Tel.: +386 31 743 753, Fax: +386 7 6202 222, Mailing address: Hočevarjev trg 1, Krško, Slovenia, E-mail address: zdravko.praunseis@um.si 36 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Zdravko Praunseis 2  Zdravko Praunseis  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐      Povzetek Kotli na lesno biomaso so priljuljen način ogrevanja v Sloveniji. V zadnjih letih je bilo veliko govora  o  potencialno  negativnem  vplivu  izgorevalnih  plinov  na  zdravje  ljudi.  Glede  na  dovoljene  vrednosti trdih delcev v zraku, ki jih predpisuje novejši standard, je postal izgorevalni plin v pečeh  na lesno biomaso eden od znatnih  onesna ževalcev okolja s trdimi delci. V primeru popolnega  izgorevanja v pečeh pri višjih temperaturah z zadostno količino kisika, večina organskih snovi  izgori.  V tej študiji je predstavljen vpliv poškodovane cevne izgorevalne komore na emisijo trdih delcev  v manjših peletnih pečeh. Glavni namen raziskave je zmanjšati  možnosti pojava trdih delcev v  izgorevalnih plinih peletnih pečeh in s tem prispevati h čistejšemu zraku.  1 INTRODUCTION Residential wood combustion has been identified as one of the main sources of particulate matter  (PM); fine particles are significant because of their adverse effects on human health and the  environment, [1]. Particulate matter is defined as the total mass of suspended particles in the air.  PM is typically divided into three subclasses, i.e., PM10, PM2.5 and PM0.1, which are defined as  particle  matter  with  an  aerodynamic  diameter  smaller  than  10 μ m,  2.5 μ m,  and  0.1 μ m,  respectively. PM2.5 particles are generally called “fine particles”; however, this term can also be  applied to the number or surface area based on particle diameters less than 2.5 μm. In the  atmosphere, particles can be solid or liquid; the mixture of particles and gases is called an  “aerosol”,  [2].  When  particles  from  combustion  sources  are  discussed,  particles  with  aerodynamic diameters less than 1 μm or 2.5 μm (PM1 or PM2.5) are often used, whereas  particles with sizes ranging from 2.5 μm to 10 μm are called “coarse particles”. Examples of coarse  particle sources include road wear and wind‐blown dust, [3]. Fine particles are known to have  adverse effects on human health and to cause respiratory and cardiac symptoms and even  premature death, especially among those with reduced health conditions, e.g., children, the  elderly, and those with chronic diseases.   Small scale combustion appliances are mainly used for residential heating in Slovenia. Different  types of small‐scale combustion appliances, such as wood stoves, pellet burners, pellet boilers,  wood log boilers, and wood chip boilers, are commonly used throughout Europe and in Slovenia.  Different forms of biomass fuels, such as wood logs, wood chips, wood pellets, sawdust, forest  residues, straw, etc., are used as fuel in these appliances.  Wood is the most commonly used biomass fuel in Slovenia due to the large forest base, forest  industry, and relatively easy access to cheap wood for many individuals. The use of wood in heat  and power production is increasing. Wood pellets are primarily used in continuously operated  combustion devices, [4], as an example of renewable energy.  In this study, the influence of a damaged tubular combustion chamber on smoke fine particle  emissions from pellet burners is presented. The purpose is to reduce particulate matter emissions  from the small scale pellet boilers and contribute to cleaner air.      JET 37 A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular Combustion Chamber in a Pellet Stove   A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular  Combustion Chamber in a Pellet Stove   3       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    2 EXPERIMENTAL SECTION Combustion experiments were performed in a laboratory environment with a small‐scale 25 kW  pellet boiler suitable for household heat production. The pellet boiler operates with an overfed  fuel input and includes a Ferroli Sun P7 prefabricated burner (Figure 1). This type of pellet burner  is  the  most  popular  in  Slovenia  due  to  its  reasonable  price.  The  burner  can  be  operated  continuously between loads of 14 and 30 kW. It is equipped with logic‐controlled fans for the  supply of combustion air. The primary air was fed in through holes before the grille at the bottom  of the cylindrical furnace, i.e., a tubular combustion chamber with 3 mm steel wall thickness. The  width of the grille was approximately 100 mm, and the diameter of each hole was approximately  6 mm. Commercial wood pellets originating from Slovenia were used in the study. The primary  pellet raw material was pinewood.  Figure  1: Sketch of the pellet burner used in this study  The  tubular  combustion  chamber  should  be  made  of high‐temperature‐resistant  steel  that  contains a prescribed amount of Cr and Mo due to the high flame temperature, which can exceed  600  ℃ (point M17). The distribution of the flame temperatures was measured with a Testo 890‐ 2 infrared camera, as shown in Figure 2 and Table 1.    Figure  2: Flame temperature measurement at the tubular combustion chamber of pellet burner      38 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Zdravko Praunseis 4  Zdravko Praunseis  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Table  1: Temperature distribution at pellet burner’s flame  Measure point  Temp. [°C]  Emiss.  Refl. Temp.  [°C]  Measure point 1  573.5  0.13  20.0  Measure point 2  514.7  0.13  20.0  Measure point 3  575.8  0.13  20.0  Measure point 4  545.9  0.13  20.0  Measure point 5  513.8  0.13  20.0  Measure point 6  442.0  0.13  20.0  Measure point 7  492.7  0.13  20.0  Measure point 8  418.8  0.13  20.0  Measure point 9  394.2  0.13  20.0  Measure point 10  529.6  0.13  20.0  Measure point 11  460.4  0.13  20.0  Measure point 12  615.2  0.13  20.0  Measure point 13  460.6  0.13  20.0  Measure point 14  413.4  0.13  20.0  Measure point 15  569.8  0.13  20.0  Measure point 16  493.7  0.13  20.0  Measure point 17  643.0  0.13  20.0  Measure point 18  237.7  0.13  20.0  Measure point 19  329.2  0.13  20.0  Measure point 20  386.1  0.13  20.0  Measure point 21  348.9  0.13  20.0  Measure point 22  416.4  0.13  20.0  Measure point 23  322.1  0.13  20.0  Measure point 24  439.1  0.13  20.0  Measure point 25  302.9  0.13  20.0  Measure point 26  391.0  0.13  20.0  Measure point 27  391.2  0.13  20.0  Measure point 28  318.1  0.13  20.0  JET 39 A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular Combustion Chamber in a Pellet Stove   A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular  Combustion Chamber in a Pellet Stove   5       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Measure point 29  327.3  0.13  20.0  Measure point 30  409.9  0.13  20.0  Measure point 31  353.3  0.13  20.0  Measure point 32  424.9  0.13  20.0  Measure point 33  390.3  0.13  20.0  Measure point 34  393.8  0.13  20.0    The shape of the pellet burner’s flame can be seen in Figure 3. The arrow marks the area with the  highest measured temperature (point M17), 643  ℃ (Figure 2 and Figure 3 and Figure 4).  Figure  3: The shape of the flame in the pellet burner  The damage of the steel tube (tubular combustion chamber) and the grille occurred after one  year of the burner operation time, as shown in Figure 4 and Figure 5.  Figure  4: Hole as a damage of the steel tube (tubular combustion chamber)  40 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Zdravko Praunseis 6  Zdravko Praunseis  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    F i g u r e  5: Hot cracks as a damage of the steel grille  Chemical analyses of the steel tube (tubular combustion chamber) and Cr‐Mo steel tube was  performed with X‐ray fluorescence spectrometry (XRF) using an X‐ray fluorescence spectrometer  (Thermo Scientific Niton XL3t GOLD+) and is given in Table 2.   Measurements were carried out manually (Figure 6) with the target points on the steel tube  (Figure 7). Each measurement was repeated three times, and later the average value was  calculated. Each measurement was done for one minute.     Table  2: Chemical composition of steel tube (tubular combustion chamber)   (%)  C  Si  Mn  P  S  Cr  Ni  Mo  Cu  Al  HSLA  Steel  tube  0.17  0.57  0.71  0.021  0.004  0.49  0.08  0.028  0.31  0.027  X11CrM o9  Steel  tube  0.08  0.41  0.63  O.031  0.002  8.23  0.04  0.96  ‐  ‐  The basic mechanical properties of the steel tube were obtained using flat tensile specimens  taken from the steel tube in the rolling direction; they are given in Table 3.    Table  3: Real mechanical properties of steel tube (tubular combustion chamber)  Designation  Rp  (MPa)  Rm  (MPa)  Elongation  (%)  Charpy  toughness (J)  Steel tube  736  817  16.2  79,88,112 at  0  ℃  JET 41 A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular Combustion Chamber in a Pellet Stove   A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular  Combustion Chamber in a Pellet Stove   7       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure  6: Manual measurement of chemical analyses of steel tube (tubular combustion  chamber) with X‐ray fluorescence spectrometry (XRF) using an X‐ray fluorescence spectrometer  Figure  7: Target point (number 2) for manual measurement of chemical analyses of real steel  tube (tubular combustion chamber)  Fine particle measurements were made in the chimney tube at a distance of 20 cm from the boiler  using a fine particle analyser (Figure 8), which measures fine particles, O2 concentration and CO  emissions in real‐time for 15 minutes.   42 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Zdravko Praunseis 8  Zdravko Praunseis  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure  8: Fine particle measurement with the Testo 380 fine particle analyser   3 RESULTS AND DISCUSSION From the results of chemical analyses (Table 2) and real mechanical properties  (Table 3) of the  steel tube (tubular combustion chamber), it is evident that the high‐strength, low‐alloyed (HSLA)  steel is used for the construction of the tubular combustion chamber. This steel is typically HSLA  carbon steel, with a comparatively mild amount of carbon (0.16% to 0.20%) and a low amount of  Cr and Mo, which is less than 0.5% (Table 2). It has ferromagnetic properties. The mild amount of  carbon also makes HSLA steel vulnerable to rust. HSLA steel is used in construction as structural  steel and is not useful for operation at temperatures higher than 100  ℃ due to the low content  of Cr and Mo, as can be seen from Table 2. The characteristic fine‐grain bainitic microstructure of  the HSLA steel tube is shown in Figure 9. The surface of a metallographic specimen is prepared  by polishing and etching. After preparation, it is analysed using a Zeiss Axio A2 optical microscope.  Figure  9:  The characteristic fine‐grain bainitic microstructure of a real HSLA steel tube  The tubular combustion chamber should be made from high‐temperature Cr‐Mo resistance steel,  which contains a prescribed amount of Cr (at least 9%) and Mo (about 1%) due to the high flame  temperature, which can exceed 600  ℃. The improper selection of base material (HSLA steel) leads  to the damage of the steel tube due to the high operating temperatures during the combustion of  pellets (Figure 4). The highest flame temperature of 643  ℃ (Figure 2, point M17, see arrow) was  measured at the surface of the HSLA steel tube end (Figure 3 and Figure 4, see arrow) with an  JET 43 A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular Combustion Chamber in a Pellet Stove   A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular  Combustion Chamber in a Pellet Stove   9       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    infrared camera, as shown in Figure 2 and Table 1. Thus, the tubular combustion chamber must be  made from a high‐temperature Cr‐Mo steel, containing a prescribed amount of Cr and Mo.   The damage appeared at the burner tube as holes, as can be seen from Figure 4. The total  measured amount of damaged tube surface was 22.75 cm².   Because of this, holes with diameters of 11 mm were drilled into the new steel tube (Figure 10  and Figure 11) made of X11CrMo9 high‐temperature‐resistant steel to simulate the damage of  the tube (tubular combustion chamber) measured with a fine particle analyser (Figure 8).   F i g u r e  10 : Cr‐Mo steel tube with damaged surface (16 holes)  Combustion experiments were performed with optimal operational manipulation (loads, primary  combustion air supplies). Normal operation was assumed to obtain a nominal load of 25 kW,  represented as an optimal baseline.   Figure  11 : Cr‐Mo steel tube with damaged surface (6 holes) of 5.70 cm²  Each of the combustion experiments was performed in a preheated pellet boiler. The boiler was  turned on one hour before the start of the experiment, and the warming was performed on full load.   44 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Zdravko Praunseis 10  Zdravko Praunseis  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    The influence of damaged tubular combustion chamber on smoke fine‐particle emissions (FPE),  O2 concentration, and CO emissions at the pellet burner is presented in Table 4 and Figure 12.  Table 4 presents the total values of smoke fine‐particle emissions (FPE), O2 concentration and CO  emissions after 15 minutes of measurements with the fine particle analyser.  By  reviewing  the  results  (Table  4  and  Figure  12)  of  measurements  of  smoke  fine‐particle  emissions (FPE), O2 concentration and CO emissions, it is clear that the highest values were  reached at the largest damaged tube surface at 22.75 cm 2  (24 holes). FPE value is approximately  77% higher than the optimal value at the zero damage surface. The damaged combustion  chamber of the pellet burner influences lower O2 concentration for about 48% and approximately  50% higher CO emissions in comparison with optimal values at the zero damage tube surface.  Table  4: The results of measurements of smoke fine‐particle emissions (FPE), O2 concentration  and CO emissions at the damaged pellet burner chamber  Damage surface  (cm²)  FPE  (mg/Nm³)  O2  (%)  CO  (mg/Nm³)  0.00  16.7  6.2  68  0.95 (1 hole)  16.9  6.1  69  1.90 (2 holes)  17.1  5.8  72  3.80 (4 holes)  17.9  5.1  75  5.70 (6 holes)  18.1  4.9  79  22.75(24 holes)  29.6  3.2  101  The damage effect of the tubular combustion chamber on smoke fine‐particle emissions (FPE),  O2 concentration and CO emissions is insignificant at damage surfaces 0.00 cm², 0.95 cm², 1.90  cm², and 3.80 cm² (4 holes) for which the measured values did not exceed 7% of optimal values.  Figure  12 : The influence of damaged tubular combustion chamber on smoke fine‐particle  emissions (FPE), O2 concentration and CO emissions at the pellet burner  JET 45 A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular Combustion Chamber in a Pellet Stove   A Study of Particulate and Gaseous Emissions of a Damaged Tubular  Combustion Chamber in a Pellet Stove   11       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    The next higher values were reached at the damaged tube surface of 5.70 cm² (6 holes). FPE value  is approximately 10% higher than the optimal value at the zero damage surface. The damaged  pellet burner chamber also influenced lower O2 concentration by about 20% and approximately  13% higher CO emissions in comparison with optimal values at the zero damage tube surface.  4 CONCLUSION Wood is the most commonly used biomass fuel in Slovenia due to the large forest base, forest  industry, and relatively easy access to cheap wood for many individuals. The use of wood in heat  and power production is increasing. Wood pellets are primarily used in continuously operated  combustion appliances. In real applications, combustion conditions are never ideal. Moreover,  fuel and combustion air contain several components that affect the combustion process and  emission formation. The combustion of solid fuel in real‐life applications always require more air  than what is theoretically needed.  The tubular combustion chamber of a pellet burner should be made from high‐temperature‐ resistant Cr‐Mo steel that contains prescribed amounts of Cr and Mo due to the high flame  temperature, which can exceed 600  ℃.   Improper selection of base materials for the construction of steel combustion tubes leads to  damage due to the high operating temperatures during the combustion of pellets.   The damage appeared on the burner tube as holes. A damaged tubular combustion chamber in  the pellet burner significantly influences smoke fine‐particle emissions (FPE), O2 concentrations,  and CO emissions.  The highest values of smoke fine‐particle emissions (FPE), O2 concentration, and CO emissions  were reached at the largest damaged tube surface: 22.75 cm² (24 holes). The FPE value is  approximately 77% higher than the optimal value on the non‐damaged surface. A damaged pellet  burner chamber also influences lower O2 concentration by about 48% and approximately 50%  higher CO emissions in comparison with optimal values at the zero damage tube surface. The  damage effect of the tubular combustion chamber on smoke fine‐particle emissions (FPE), O2  concentrations, and CO emissions is insignificant at damage surfaces 0.00 cm², 0.95 cm², 1.90 cm²  and 3.80 cm² (4 holes) for which measured values did not exceed 7% of optimal values.  Pellet  boilers  save  energy  and  money,  and  they  are  highly  durable;  however,  regular  maintenance, especially of the tubular combustion chambers, is essential to keep them working  efficiently and contributing to cleaner air.  Acknowledgements The authors thank the firm  Žaga Cugmajster d.o.o. Loče, Slovenia for the pellet material supply.           46 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 2 Zdravko Praunseis 12  Zdravko Praunseis  JET Vol. 14 (2021)     Issue 2  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    References [1]  Z. Praunseis and R. Strojko: Energy supply of buildings, University Handbook, Krško:  University of Maribor, 2013  [2]  Z. Praunseis and R. Strojko: Energy renovation of an older house, Science journal of  energy engineering, vol. 2, pp. 47‐52, Aug. 2014  [3]  H.  Lamberg:  Physicochemical  properties  of  fine  particles  from  small‐scale  wood  combustion, Atmospheric Environment, vol. 45, pp. 7635–7643, Feb. 2011  [4]  U. Fernandes and A. Costa: Formation of fine particulate matter in a domestic pellet‐ fired boiler, Energy & Fuels, vol 27, pp. 1081–1092, Jan. 2013