Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Experimental investigation of the effect of using retarders on thermal efficiency in pellet-fired burners and boilers

Document Type : Original Article

Authors
Hamidreza Rahmani 1
Afshin Emami Barsari 2
Javad Latifi Poshtahani 2
Hadi Babaei 2
1 Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Takestan Branch, Iran
2 Islamic Azad University, Takestan Branch, Iran
10.22034/jfnc.2025.518556.1424
Abstract
With the increasing demand for heating systems as alternatives to fossil fuels, pellet-fired boilers have gained attention due to their high efficiency and environmental compatibility. In this study, the effects of using a retarder as a resistance element in the exhaust gas passage on the thermal efficiency and combustion quality of an industrial pellet-fired hot water boiler are experimentally investigated.
 The experiments were conducted under three different conditions involving the installation of 1, 2, and 3 retarders, and variables such as flue gas temperature, thermal efficiency, carbon monoxide and carbon dioxide concentrations, and pressure drop in the system were measured. The results showed that using three retarders reduced the exhaust gas temperature from 250°C to 190°C and increased thermal efficiency from 70% to 73%. Furthermore, carbon monoxide concentration was reduced by up to 55%. The innovation of this research lies in presenting a simple and industrial method to improve efficiency using mechanical equipment that can be implemented in thermal industries. Statistical analysis of the results and evaluation of performance stability were also carried out to enhance the generalizability of the findings.
Keywords
Pellet burner and thermal boiler
increased thermal efficiency
retarder

Subjects

امروزه استفاده از دیگ‌ها و مشعل‌های پلت سوز در مناطقی که با کمبود منبع فسیلی روبرو هستد رو به افزایش است این دیگ و مشعل ها با توجه به سهولت استفاده و همچنین حمل و نقل آسان و استفاده در هر منطقه و بدون نیاز به آب‌، گاز و برق در بساری از مناطق دارای کاربرد زیادی است همچنین سوخت ارزان این تجهیزات باعث استفاده مقرون به‌صرفه شده است. این پژوهش به تاثیر استفاده از ریتادرها1 در افزایش راندمان حرارتی دیگ‌های پلت‌سوز می‌پردازد.

مشعل‌های پلت‌‌سوز نوعی از مشعل‌های گرمایشی هستند که به‌جای سوخت‌های فسیلی مانند گاز یا گازوئیل، از پلت‌های زیستی[1] به‌عنوان منبع سوخت استفاده می‌کنند. پلت‌ها معمولاً از ضایعات فشرده‌شده چوب، کشاورزی یا سایر مواد زیست‌توده‌ای تولید می‌شوند و به دلیل دارا بودن چگالی انرژی مناسب، سوختی مقرون‌به‌صرفه و دوستدار محیط زیست به شمار می‌روند.

این مشعل‌ها از مکانیزم خاصی برای تغذیه خودکار پلت، احتراق کنترل‌شده و تنظیم دمای شعله برخوردارند و در انواع سیستم‌های گرمایشی مانند دیگ‌های آب گرم، بخاری‌ها و کوره‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از مهم‌ترین مزایای مشعل‌های پلت‌‌سوز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، کاهش تولید آلاینده‌ها، قابلیت استفاده در مناطق فاقد گاز یا برق و هزینه عملیاتی پایین‌تر در بلند مدت. با توجه به شرایط زیست ‌محیطی و اقتصادی، این مشعل‌ها گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی با مشعل‌های سنتی در صنایع و ساختمان‌ها محسوب می‌شوند.

ریتاردر[2] به تجهیزاتی گفته می‌شود که در مسیر گازهای داغ خروجی دیگ‌های آب گرم قرار می‌گیرند تا سرعت جریان گاز را کاهش داده و تبادل حرارت را بهبود بخشند. استفاده از این تجهیزات می‌تواند تأثیرات قابل توجهی بر راندمان دیگ آب گرم داشته باشد. ریتاردرها باعث افزایش زمان تماس گازهای داغ با سطح داخلی دیگ می‌شوند. این امر به انتقال بیشتر حرارت از گازهای احتراق به آب داخل دیگ منجر شده و راندمان حرارتی را افزایش می‌دهد. با کاهش سرعت جریان گازهای داغ، زمان بیشتری برای انتقال حرارت به آب فراهم می‌شود. در نتیجه، دمای گازهای خروجی کاهش یافته و میزان هدررفت انرژی به محیط کمتر می‌شود. با افزایش راندمان حرارتی، میزان انرژی مورد نیاز برای گرم کردن آب کاهش می‌یابد. این امر موجب کاهش مصرف سوخت و در نتیجه صرفه‌جویی اقتصادی و کاهش تولید آلاینده‌ها می‌شود. ریتاردرها با بهبود فرآیند تبادل حرارت، عملکرد مبدل حرارتی دیگ را ارتقا داده و باعث یکنواخت‌تر شدن دمای آب گرم خروجی می‌شوند.

مطالعات متعددی در حوزه بهینه‌سازی عملکرد حرارتی و زیست‌محیطی دیگ‌ها و مشعل‌های پلت‌سوز انجام شده‌اند. تمرکز این پژوهش‌ها عمدتاً بر بهبود احتراق، کاهش آلاینده‌ها، و افزایش راندمان از طریق تغییر در طراحی مشعل، تنظیم نسبت هوا به سوخت، یا اعمال سامانه‌های کنترلی پیشرفته بوده است. در ادامه به مهم‌ترین یافته‌ها اشاره می‌شود. باکا و همکاران در سال 2025 به بررسی احتراق پلت‌های کشاورزی در یک مشعل خانگی ۱۸ کیلوواتی پلت سوز پرداختند و تأثیر تنظیم هوا بر عملکرد، آلایندگی CO، NOx، SO2  و رفتار خاکستر را ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که تنظیم جریان هوا به‌تنهایی قادر به جلوگیری کامل از ذوب خاکستر نیست، اما نقش مهمی در بهینه‌سازی عملکرد و کاهش آلایندگی دارد. اندازه‌گیری‌هایی در زمینه انتشار گازهای‌CO،‌NOx  و SO2 و دماهای بستر سوخت و شعله انجام شد. تغییر در میزان هوا منجر به کاهش قابل توجه عملکرد سیستم، به‌ویژه در پلت صنوبر (کاهش تا 6/2 کیلووات) شد. پلت یونجه با افزایش قابل توجه CO از ۷۹۴۴ به ۱۲۷۶۴ و NOx از ۳۰۷ به ۸۵۱ میلی‌گرم بر نرمال متر مکعب مواجه شد. در پلت شبدر نیز افزایش تأمین هوا موجب افزایش SO2 از ۱۴۷۹ به ۱۶۸۳ میلی‌گرم بر نرمال متر مکعب شد‌ [1]. سارابون و همکاران در سال 2025 به بررسی سوزاندن زباله شهری پیش‌تفکیک‌شده (PMSW) همراه با پلت چوب در یک گازی‌ساز نوآورانه پایلوت با فناوری بازسوزی گاز سنتز پرداختند دمای منطقه احتراق به حدود ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد رسید که نشان‌دهنده بهینه‌سازی فرآیند احتراق است. گاز سنتز تولیدی حاوی CO₂  بالا و CO پایین بود و ارزش حرارتی پایینی بین ۲.۷۸–۴.۵۵ MJ/Nm³ داشت. ترکیب PMSW و پلت چوب موجب کاهش هیدروکربن‌های آلیفاتیک، افزایش ترکیبات معطر تک‌حلقه‌ای و افزایش دمای ذوب خاکستر شد. ذرات معلق و CO در محدوده مجاز باقی ماندند و انتشار کربن 9/7 برابر کمتر از سوزاندن روباز گزارش شد. این سیستم گازی‌سازی پتانسیل خوبی برای مدیریت پایدار پسماند دارد. [2] بیلال و باسار در سال 2023 تأثیر طراحی محفظه مشعل با تغییر موقعیت ورودی هوای احتراق در سه نسبت هوای اضافی و سه توان حرارتی مختلف بر عملکرد حرارتی و آلایندگی در اجاق پلت به‌صورت تجربی بررسی کردند. چهار فاصله مختلف برای ورود هوا (۱۵، ۳۰، ۶۰ و ۷۵ میلی‌متر از کف محفظه) طراحی و آزمایش شدند. نتایج نشان داد بهترین عملکرد حرارتی و آلایندگی در توان ۶–۹ کیلووات، نسبت هوای اضافی λ = 1.7–2.2 و فاصله ۳۰ میلی‌متر به دست آمد. [3] استانیستاوسکی و همکاران در سال 2022 رویکردی نوین برای کاهش انتشار CO در گازهای خروجی دیگ‌های پلت‌سوز کوچک‌مقیاس ارائه دادند. با استفاده از کنترل پیش‌بین غیرخطی مبتنی بر مدل و کنترل دقیق جریان هوا، بدون نیاز به تغییر در طراحی دیگ، کاهش ۳۵ تا ۵۰ درصدی CO حاصل شد. این روش با هزینه پیاده‌سازی پایین، قابلیت کاربرد صنعتی دارد. [4] ون و همکاران در سال 2021 به مطالعه‌ای پرداختند که، با بهبود جریان و کیفیت هوای ورودی به دیگ پلت چوبی، راندمان حرارتی افزایش یافت. از نازل‌های مخصوص و مولد گردابه برای بهینه‌سازی هوای اولیه و ثانویه استفاده شد و سامانه‌ای برای رطوبت‌زدایی و گرم‌کردن هوای ورودی با محلول لیتیوم بروماید طراحی شد. نتایج آزمایش‌ها نشان دادند که راندمان حرارتی بین 81/2 درصد تا 78/5 درصد نسبت به دیگ‌های معمولی افزایش یافت و کارایی سامانه بهبود یافته تأیید شد ‌[5]. کاردوزو و همکاران در سال 2014 عملکرد تجربی یک سامانه ترکیبی از مشعل پلت چوبی ۲۰ کیلوواتی با موتور استرلینگ ۱ کیلوواتی بررسی کردند. گرمای جذب‌نشده توسط موتور برای تولید آب گرم استفاده می‌شود. نتایج نشان داد موقعیت قرارگیری موتور استرلینگ نقش کلیدی در جذب گرمای تابشی دارد؛ جابجایی ۵ سانتی‌متری می‌تواند دمای سمت گرم موتور را تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد افزایش دهد. همچنین، پلت‌های Ø8 میلی‌متری گرمای بیشتری به موتور می‌رسانند نسبت به پلت‌های Ø6 میلی‌متری. راندمان کلی سیستم به ۷۲ درصد رسید، اما با یکپارچه‌سازی موتور استرلینگ، تلفات حرارتی و شیمیایی کمی افزایش یافت [6].

مطالعات پیشین به بررسی تغییر طراحی مشعل، نسبت هوا به سوخت، و کنترل کیفیت هوا پرداخته‌اند، اما تاکنون پژوهش جامع تجربی بر تأثیر تعداد ریتاردرها بر عملکرد حرارتی و زیست‌ محیطی دیگ‌های پلت‌ سوز صنعتی انجام نشده است. پژوهش حاضر، با هدف پر کردن این خلأ، به ارزیابی دقیق تأثیر نصب یک تا سه عدد ریتاردر بر متغیرهای کلیدی همچون دمای دودکش، بازده حرارتی، و ترکیب گازهای خروجی می‌پردازد.

در این مقاله تلاش شده است تا با ارائه داده‌های تجربی قابل اتکا، و تحلیل فنی پارامترهای مؤثر، راهکاری عملی و صنعتی برای ارتقاء راندمان و کاهش آلاینده‌های احتراقی معرفی کند.

مواد و روش‌ها

این پژوهش در آزمایشگاه تحقیق و توسعه شرکت صنعتی شوفاژ کار انجام گرفته است. شرکت صنعتی شوفاژ کار بزرگترین طراح و سازنده دیگ‌های آب گرم در ایران است. در این آزمایش از مشعل پلت سوز مدل B-home ساخت شرکت بی مکس ایتالیا استفاده شده است ( شکل1). این مشعل دارای مکانیزم کنترل شعله و تغذیه خودکار پلت است.  مشخصات فنی آن در جدول (1) ذکر شده است.

 

[1] Biomass Pellets

[2] Retarder

[1] A. Backa, N. Čajová Kantová, R. Nosek, and M. Patsch, "Evaluating the combustion of various biomass pellets in a small heat source with underfeed pellet burner: Heat output, gas emission and ash melting behavior," Journal of the Energy Institute, vol. 118, p. 101936, Feb. 2025.
[2] P. Sarabhorn, et al. "Community-scale co-incineration of pre-sorted MSW with wood pellet using a decoupling gasifier and integrated burner for syngas combustion," Journal of Cleaner Production, vol. 487, p. 144588, Jan. 2025.
[3] B. Sungur and C. Basar, "Experimental investigation of the effect of supply airflow position, excess air ratio and thermal power input at burner pot on the thermal and emission performances in a pellet stove," Renewable Energy, vol. 202, pp. 1248–1258, Jan. 2023.
[4] R. Stanisławski, R. Junga, and M. Nitsche, "Reduction of the CO emission from wood pellet small-scale boiler using model-based control," Energy, vol. 243, p. 123009, Mar. 2022.
[5] J. W. Eo, M. J. Kim, I. S. Jeong, L. Cho, S. J. Kim, S. Park, and D. H. Kim, "Enhancing thermal efficiency of wood pellet boilers by improving inlet air characteristics," Energy, vol. 228, p. 120475, Aug. 2021.
[6] E. Cardozo, C. Erlich, A. Malmquist, and L. Alejo, "Integration of a wood pellet burner and a Stirling engine to produce residential heat and power," Applied Thermal Engineering, vol. 73, no. 1, pp. 671–680, Dec. 2014.
[7] Iran National Standard ISIRI 4472, Test Method for Capacity and Thermal Efficiency of Boilers for Central Heating and Domestic Hot Water, Institute of Standards and Industrial Research of Iran, 1998.
[8] Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 9th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2019.
[9] L. J. R. Nunes, J. C. O. Matias, and J. P. S. Catalão, "Mixed biomass pellets for thermal energy production: A review of combustion models," Applied Energy, vol. 127, pp. 135–140, Aug. 2014.
[10] A. Arifjanov and K. Kurbonov, “Increasing the thermal efficiency of water heating boilers by improving design parameters,” IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., vol. 1210, 012005, 2023.
[11] W. Eo, M. J. Kim, I. S. Jeong, L. Cho, S. J. Kim, S. Park, and D. H. Kim, “Enhancing thermal efficiency of wood pellet boilers by improving inlet air characteristics,” Energy, vol. 228, p. 120475, Aug. 2021.
[12] F. Kokalj, T. Zadravec, A. Jovovic, and N. Samec, “Small wood pellet boiler 3-D CFD study for improved flue gas emissions employing flue gas recirculation and air staging,” Thermal Science, vol. 27, no. 1, pt. A, pp. 89–101, Jan. 2023.
[13] M. Krishnamoorthi, R. Malayalamurthi, Z. He, and S. Kandasamy, "A review on low temperature combustion engines: Performance, combustion and emission characteristics," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 116, p. 109404, Dec. 2019.
[14] P. Zlateva, A. Terziev, K. Krumov, M. Murzova, and N. Mileva, “Research on the combustion of mixed biomass pellets in a domestic boiler,” Fuels, vol. 6, no. 2, p. 40, May 2025.
[15] R. W. Haines and M. E. Myers, HVAC Systems Design Handbook, 5th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2010