<div dir="ltr">Hello All;<br><div><br><br>At the 2015 and 2016 meetings of ETHOS, we got a tantalizing preview of the research being done at Colorado State University on TLUD functioning.  I am bringing these conference papers to the attention of the “Stoves” discussion list, because they give us an idea of the current state of the art for forced draft TLUDs.<br><br>Jessica Tryner (1, 2) and James Tillotson (3) presented papers on their thesis research.  Their work was part of a $10M fund (Elliott Levine, 2016) distributed over five years among various institutions by the US Department of Energy for research on various improved cookstoves and their testing.   These TLUD presentations show us what we might expect in forthcoming papers.  For the moment, we have to wait patiently for the full story, because there is a limit to what someone can say in a 12-minute talk, and because graduate students should present their work at a thesis defense before they publish.<br><br>(1) Tryner, J. 2015.  Achieving Tier 4 Emissions and Efficiency in Biomass Cookstoves.  ETHOS Conference Proceedings, January 25, 2015, Kirkland, Washington<br><a href="http://www.ethoscon.com/wp-content/uploads/2015/04/DOE-Jessica-Tryner-Achieving-Tier-4-Emissions-and-Efficiency-in-Biomass-Cookstoves.pdf">http://www.ethoscon.com/wp-content/uploads/2015/04/DOE-Jessica-Tryner-Achieving-Tier-4-Emissions-and-Efficiency-in-Biomass-Cookstoves.pdf</a><br><br>(2) Tryner, J; Marchese, AJ.  2016.  Achieving Tier 4 Emissions and Efficiency in Biomass Cookstoves.   ETHOS Conference Proceedings, January 29 -31, 2016, Kirkland, Washington.  The talk was called "When is a TLUD not a TLUD"<br><a href="http://ethoscon.com/pdf/ETHOS/ETHOS2016/Tryner.pdf">http://ethoscon.com/pdf/ETHOS/ETHOS2016/Tryner.pdf</a><br><br>(3) Tillotson, J; Tryner, J; Marchese, AJ.  2016.  Effects of stove design and fuel bed properties on TLUD operation and performance.   ETHOS Conference Proceedings, January 29 -31, 2016, Kirkland, Washington<br><a href="http://ethoscon.com/pdf/ETHOS/ETHOS2016/Tillotson.pdf">http://ethoscon.com/pdf/ETHOS/ETHOS2016/Tillotson.pdf</a><br><br>I was in the audience for (1), and heard (2) via a webinar.  Below I have added a brief description of some slides and made a few comments.<br><br>MATERIALS AND METHODS<br><br>We see a photo of the experimental TLUD plus some fuels and gas burners in Tryner 2015: slide_6, and Tillotson2016: slide_5.  Treatments: <br>a) They are using a forced draft TLUD that allows for independent adjustment of measured primary and secondary air flow rates. <br>b) There is an array of syngas burners with secondary air holes of different sizes, that apparently can create a swirl angle and downward angle.  There is also a concentrator ring that can be placed on the top of the fuel chamber (reactor) or the top of the burner, and a gap for secondary air.<br>c) There are four different fuels: chips of corn cobs, eucalyptus, and Douglas fir; and lodgepole pine pellets.<br>d) A 3-phase sequential  operating regime of Phase_1 normal TLUD mode, then Phase_2 refueling onto the residual char, then Phase_3 char burnout (Tryner2016: slide_6, Tillotson2016: slide_7)<br>They measured: <br>a) CO, H2 and the hydrocarbon composition of non-condensable gases rising out of the fuel bed.  (From Ms. Tryner’s webinar, I believe that tars were condensed out of the syngas, but not measured.) <br>b) CO and PM2.5 emissions in the exhaust.<br>c) heat accumulation in water contained in a cooking pot<br>d) mass loss from the fuel<br>e) fuel bed temperature.<br><br>RESULTS<br><br>A temperature regime for the fuel bed (Tillotson2016: slide_9) shows the flaming pyrolytic front (FPF) moving down through a fuel bed.  The FPF reaches the top thermocouple, then the middle thermocouple, then the bottom thermocouple during the first 20 minutes of Phase_1 (TLUD mode).  At the end of Phase_1, the ignition front (FPF) has hit the grate.  Phase_2 starts when 200 grams of fuel are added on top of the char, and causes a switch from TLUD mode to updraft gasifier mode, that is, with the hot-zone of combustion at the bottom with the heat rising upward through the newly added biomass.  Because there is no flame at the top to the new fuel, a new Top-Lighting is done but there is no downward Migratory Pyrolytic Front because there is no oxygen remaining in the gases that are being created.  After 40 minutes, Phase_3 char burnout starts.  From my own experience with TLUD temperatures, I think that they are presenting data for a TLUD operating at high power in Tillosen2016: slide_9 (higher rates of primary air are possible, but the stove starts to emit fly ash).   I think that we can assume that all the subsequent figures in Tillosen2016 are at high power.<br><br>Tillosen2016: slide_11 (Tryner2016: slide_7) show the concentrations of non-condensable gases in the syngas for the TLUD at high power.  It is interesting to see the importance of CO, and the increase in H2 with pellets for Phase_1 TLUD-mode.  These are not soot forming gases.  The potential soot-making hydrocarbons are not in high concentrations.  There was not a great increase in hydrocarbons for Phase_2 Updraft-mode, yet other slides in these presentations show an increase in PM2.5 soot for Phase_2 compared to Phase_1.  The answer could be in the tars which were not measured (?), because we know that updraft gasifiers are tar-makers.  Is the ‘Devil’ in the minor syngas components?  Initially in Phase_2, water will be evaporated adding difficulty to maintaining the new flame at the top of the new fuel.<br><br>People building TLUDs are of necessity interested in the design of syngas burners.  Jessica Tryner mentioned in her webinar that for the various forced draft burners, some designs were better than others for Phase_1 TULD mode, however, burner design could not correct problems in PM2.5 emissions in Phase_2 updraft mode (see Tillotson: slide_15).  Tillotson_2016: slides_12-14 show treatments on burner design and secondary air flow, and I think they are self-explanatory.   Note that these are forced-draft burners that rely on syngas entrainment into fast-moving, fine jets of secondary air.  Thus, the conclusions in these slide may not extrapolate to low pressure, nor to natural draft burners that use concentrators and downward air jets to get mixing of syngas and secondary air. <br> <br>We can’t talk about the CFD modeling yet, because that is still a work in progress.<br><br>The optical work conducted at the University of Toronto is quite interesting.  Tryner 2016: slide_14 shows OH radical chemiluminescence, which shows us the location of rapid chemical reactions and high heat.  According to her webinar, simulated syngas is introduced through glass beads in the bottom of the box, and secondary air is introduced through narrow slots in the side walls.  We can see traces of the OH in secondary air streams, but it is interesting how the hot gases collide in the middle of the burner, and move both upwards and downward.  This downward movement could direct syngas to the sides of the burner.   The bottom video of Tryner 2016: slide_15 shows a planar laser induced fluorescence (PLIF) pattern produced by seeding the syngas with 5% acetone.  The acetone is a tracer for unburned syngas, which we see moving toward the sides of the burner, and into the underside of the secondary air jets.   This movement of syngas could be driven both by entrainment into the high momentum secondary air, as well as being pushed aside by the hot gases as seen in the OH image above.  This is interesting work, because it corroborates what some of us working TLUDs have seen; a ring-shaped cloud of ‘smoke’ rising from the fuel bed, and a clear view to the fuel bed down the middle of the burner.  This is why it is possible to build a gas burner slightly wider than the TLUD, to gain more horizontal space for flame.  (To see the videos in the slides, I had to install the freeware “Foxit Reader” (<a href="http://www.foxitsoftware.com">www.foxitsoftware.com</a>), which is a good program for pdf viewing and annotations.)<br><br>These presentations show that a lot of interesting work has been done by the Colorado State U. team.  These presentations are the tip of the iceberg of what they must have found, so we must wait patiently for the papers (which we are told will be open access).<br><br>What we need for the future is research on burners for natural draft TLUDs, the role of tars in producing soot in syngas flames, and the inclusion of minimally processed fuels (that can be tar-makers).   How does tar composition and combustion change with gasification temperature?  ND-TLUDs turn down to lower gasification temperatures than FD-TLUDs.  Pellets and ‘cubic’ chips are great fuels for creating paradigmatic TLUD gasification.  Thicker fuels (e.g. >2 cm) and planar wood chips can produce gasification conditions that are more complex than 6 mm pellets.<br><br><br clear="all"></div><div>(Thanks to Paul Anderson for editing my text, and adding a few clarifications)<br><br></div><div>Cheers,<br></div><div>Julien<br></div><div>-- <br><div class="gmail_signature"><div dir="ltr"><div><div dir="ltr"><div><div dir="ltr">Julien Winter<br>Cobourg, ON, CANADA<br></div></div></div></div></div></div>
</div></div>