fluidized bed gasifier design report public)

31
Coordinator: Dr. Lu Aye Department of Civil and Environmental 18 MAY 2007[Energy from Biomass and Wastes] | 421825 DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA [Vigneswaran KUMARAN] | 277492

Upload: vkumaran

Post on 27-Apr-2015

3.578 views

Category:

Documents


8 download

DESCRIPTION

Fluidized Bed Gasifier design based on researched articles

TRANSCRIPT

Page 1: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

Coordinator: Dr. Lu Aye Department of Civil and Environmental 

18 MAY 2007[Energy from Biomass and Wastes] | 421‐825 

 

 

 

DESIGN  OF  A  LOW  COST  FLUIDIZED  BED 

GASIFIER  FOR SAWDUST GASIFICATION  IN 

RURAL CHINA  

 

 

[Vigneswaran KUMARAN] | 277492

vkurmara
Text Box
----------------------------------------------
Page 2: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

2 | P a g e  

 

Abstract  

The task of designing a low cost gasifier to be applied in rural China had been the motivation 

of  this  report. The  specification of 8 hour per day operation  for 200  kW heat output  for 

heating purpose has been made as  the basis of  the design work. The  feedstock has been 

specified as pine wood sawdust from timber mills  in rural China, and this feedstock  is pre‐

dried  before  feeding  to  the  gasifier. Due  to  the  nature  of  the  feedstock,  a  fluidized  bed 

gasifier  had  been  thought  appropriate  for  the  design  requirement.  A  simple  economic 

analysis  was  performed  for  the  designed  unit  to  determine  the  feasibility  of  the  unit’s 

application.  In addition, some of the barriers related to the  implementation of gasification 

technology in rural China had also been addressed.   

Keywords:  Low  cost  gasifier,  heating,  design work,  rural  China,  fluidized  bed,  feasibility, 

barriers. 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

Page 3: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

3 | P a g e  

 

Aim 

The following objectives are delineated in this design report: 

• A  low  cost  gasifier  design  (exclude  auxiliaries)  is  attempted  for  an  output  of 1600kWht per day  

• The gasifier is to be used for gasification of sawdust in rural society of China for the purpose of heating 

• A simple economic analysis was attempted to verify the applicability of the design 

• An overview of technical and non‐technical barriers are presented 

Page 4: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

4 | P a g e  

 

 

Contents 

  Abstract                    2 

Aim                                3 

1.0   Introduction                  6 

2.0  Gasifier Types                                       7 

3.0  Design Methodology for Fluidized Bed Gasifier        9 

4.0  Gasifier Design Economics              16 

5.0  Technical and Non‐Technical Barriers          18 

6.0  Discussion and Conclusion                           19 

References                                                   20 

Appendix 

A1  Summary of Sawdust Fluidised Bed Gasifier Design          21 

A2  Thermodynamic Properties and Estimates Worksheet        25 

A3  Process Parameters Calculation              27 

A4  Gasifier Sizing WorkSheet                30 

Figures Figure 1  Type of gasifier and elements of operation          8  

Figure 2  Fluidized Bed Gasifier Diagram            15  

 

Tables Table 1 Intermediate values for solving equation (1) to (5)        10 

Table 2 Predicted product gas composition at gasifier bed temperature     11 

Table 3 Higher heating value as a function of product gas temperature      12 

Table 4 Process parameters and other estimates          12 

Page 5: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

5 | P a g e  

 

Table 5 Fluidized bed gasifier design calculation and various author’s design figures  14 

Table 6 Economic data of sawdust gasification and heating system in rural China  16 

Table 7 Sensitivity analysis for sawdust gasification at different operating hours  17 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 6: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

6 | P a g e  

1.0 INTRODUCTION 

There are various technologies for the conversion of biomass to cleaner energy medium. In 

this particular analysis,  the gasification  technology  is  specifically  identified and discussed. 

Biomass constitutes among others,  three major elements which are carbon  (C), hydrogen 

(H) and oxygen (O). Elemental carbon and hydrogen are reactive and are combustibles that 

can produce energy in the form of heat and light when reacted with oxygen. Thus, primarily 

biomass  is  an alternative energy  source  that  can be utilized  to produce useful  secondary 

energy  forms  such as electricity and derived‐fuels. As  shown on  the map of China  in  this 

page,  the  green  fields are  the massive  area of biomass  available  in  this highly populated 

country. 

In  this  large  developing 

country,  gasification 

technology has  been  in  use  in 

many  biomass  related 

industries  such  as  agricultural 

production  and  timber 

industry.  However,  this 

practice  is  not widespread  [8] 

contrary  to  what  could  be 

expected for a country with 38 

million m3 of forest residues and 0.65 billion tones of agricultural residues per annum [1].  

Forest residues in the form of wood waste such as sawdust has been used in rural China [1] 

and this report intends to produce a low cost gasifier unit using sawdust as the solid fuel for 

gaseous fuel production which will be used for heating purposes. 

Source: www.travelchinaguide.com

 

 

 

 

Page 7: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

7 | P a g e  

 

2.0 GASIFIER TYPES  

Gasification  for  this  design  purpose  is  defined  as  a  thermochemical  conversion  process 

whereby biomass is heated in a sub‐stoichiometric oxygen, air or steam to produce gaseous 

fuel. There are various types of gasifiers and the design  is specified by the feedstock type, 

preparation and end‐use of product gas. The four major characteristics of the feedstock [2] 

that has impact on the gasifier operation is described as follows: 

2.1  Moisture content 

High  moisture  content  (above  30  %wt)  in  feedstock  is  not  suitable  for 

gasification due to production of low heating value gaseous fuel. 

2.2  Ash content 

Ash in biomass tends to form solid fuses that blocks feed passage, especially 

at higher combustion temperature.  

2.3  Volatile  compounds  such  as  tar  and  higher  chain  hydrocarbons  that  needs 

further removal or treatment to provide cleaner gaseous fuel. 

2.4  Particle size 

Depending on the type of gasifier, the particles size plays an important role in 

ensuring  proper  flow  of  feedstock  in  the  gasifier  and  gasification  of  the 

feedstock. 

The  following  figure summarizes some of  the common  type of gasifier and  the associated 

elements that could be considered for selection.  

 

 

 

   

Page 8: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

8 | P a g e  

Figure 1: Type of gasifier and elements of operation 

 (Source: www.gasnet.co.uk )  The fluidized type bed is selected for this design study due to the characteristic of the 

feedstock and the ease of control in terms of handling of feedstock in the gasifier. 

 

 

 

   

   

 

 

 

 

 

 

 

Page 9: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

9 | P a g e  

 

3.0  DESIGN METHODOLOGY FOR FLUIDIZED BED GASIFIER 

The  design methodology  uses  a  three  step  approach  whereby  the  thermodynamic  and 

process parameters are estimated from the predicted value of product gas composition as a 

function of process temperature. These estimates are used for the sizing of the fluidized bed 

gasifier for sawdust gasification. 

  3.1  Prediction of product gas composition using thermodynamic properties 

The  composition  of  the  product  gas  is  predicted  using  several  sets  of 

equation as a function of gasifying temperature. The feedstock chosen for the 

design  is Pine Wood sawdust [3] with the physical properties and elemental 

composition given in Appendix 1. The universal gasification reaction equation 

[4] is given below. 

CH aOb + wH2O + mO2 + 3.76mN2    →   x1H2 + x2CO + x3CO2 + x4H2O + x5CH4                                                                       + 3.76mN2

 The elemental mass balance provides the following sets of equation. 

C: 1 = x2 + x3 + x5                  (1) 

H: 2w + a = 2x1 + 2x4 + 4x5             (2) 

O: w +b + 2m = x2 + 2x3 + x4             (3) 

 

The gasification equilibrium constants [4] for methane and shift gas reaction 

are as below: 

Methane formation:  K1 = x5/(x2)2              (4) 

Shift gas reaction (CO and H2): K2 = x1x3/(x2x4)      (5) 

The  values  of  K1  and  K2  are  determined  using  the  following  temperature 

dependent equilibrium equation which  requires  the heat of  formation  and 

standard Gibbs function constants. 

lnK = ‐(J/RT) + ΔA lnT + (ΔB/2)T + (ΔC/6)T2 + ΔD/2T2 + I)    (6) 

ΔH0 = (J/R) + ΔA lnT + (ΔB/2)T2 + (ΔC/3)T3 ‐ ΔD/2T        (7) 

ΔG0 = J ‐ RT(ΔA lnT + (ΔB/2)T + (ΔC/6)T2 + ΔD/2T2 + I)    (8) 

Page 10: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

10 | P a g e  

 

The  calculations  for  above  constants  are  provided  in  Appendix  2.  Thus, 

solving  the  equation  (1)  to  (5)  forms  a  polynomial  function,  that  can  be 

resolved using Excel spreadsheet as shown in the Appendix 2.  

 

The  following  stoichiometric  equation  is  used  to  determine  the 

stoichiometric combustion air required for the Pine sawdust. 

CH aOb  + mstcO2 + 3.76mstcN2 → CO2 + H2O +3.76mstcN2                (9)  The intermediate values for the above sets of equation are provided in Table 1.  Table 1: Intermediate values for solving equation (1) to (5) Moisture content, w (mol)                                     0.120 Gasification oxygen, m (mol)                                 0.336 Stoichiometric combustion air, mstc.air  (mol)   3.864 Gasification air, mair    (mol)                                                      1.264 Bed temperature, TB (

oC)                                         750.00 TB (K)                                                                                1023.15 Equilibrium constant, K1                                          0.076 Equilibrium constant, K2                                          0.199 Hydrogen content in Wood, a (mol)                   1.459 Oxygen content in Wood, b (mol)                       0.676 

 The  temperature dependent product  gas  composition  is  shown  in  Table 2. 

Interestingly,  the  composition  agrees  with most  value  ranges  provided  in 

many referenced literatures. 

         

  

Page 11: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

11 | P a g e  

 

Table 2: Predicted product gas composition at gasifier bed temperature 

Gas Components  VariablesPredicted Values 

Mole fraction  Percentage (%) 

H2 x1 0.5200  0.1693  16.93 

CO  x2 0.7794  0.2537  25.37 

CO2 x3 0.2000  0.0651  6.51 

H2O  x4 0.2885  0.0939  9.39 

CH4 x5 0.0206  0.0067  0.67 

N2 3.76*m  1.2634  0.4113  41.13 Total     3.0719  1.0000  100.00   

3.2  Process parameter calculation and other estimates 

The process parameters are calculated to determine the required air flow for 

the amount of  feedstock  fed  to  the gasifier  to produce 200 kW of  thermal 

output for heating using a gas fired boiler with an assumed thermal efficiency 

of  82  %.  The  gasifier  efficiency  is  assumed  to  be  76  %,  and  complete 

gasification of  sawdust  fed  is anticipated. Also,  since  the  sawdust obtained 

from the timber mill is expected to be wet, it is pre‐dried to a value below 10 

% wt moisture on a wet basis, to allow proper gasification with good heating 

value  of  product  gas.  The  following  equation  [5]  is  used  to  define  the 

gasification efficiency and to derive the values for the feedstock required to 

produce the specified output. 

 

ηth = [(Hg * Qg) + (Qg * ρg * cp * ΔT)]/(Hs * Ms)         (10) 

     

The higher heating value (HHV) for the predicted composition of product gas 

is  calculated  using  the  mole  fraction  and  individual  HHV.  This  value  is 

subsequently converted to lower heating value (LHV) of gas using the rule of 

thumb that LHV is approximately 90 % of the HHV for gaseous combustibles. 

This is shown in Table 3 and the process parameters are tabulated in Table 4. 

The complete calculation steps are shown in Appendix 3. 

 

Page 12: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

12 | P a g e  

Table 3: Higher heating value as a function of product gas composition       

    

Gas Component 

Volume Fraction 

Molecular Weight 

HHV Btu/scf 

Mol. Wgt. Contribution 

Weighted Values 

  (= mole fraction) 

      HHV, Btu/scf 

C1  0.00671  16  1013.2  0.107  6.798 CO2  0.06511  44  0  2.865  0.000 CO  0.25372  28  320.5  7.104  81.316 H2  0.16928  2  325  0.339  55.015 H2O  0.09392  18  0  1.691  0.000 Inerts (N2)  0.41127  28  0  11.515  0.000 Total  1        23.621  143.129 

Using the above table and the  following table, the next step  is approached, 

whereby the fluidized bed gasifier sizing is undertaken. 

 Table 4: Process parameters and other estimates     Design Parameters  Value  Unit Thermal efficiency, η  76 % 

Gasifier output, PD 321 kW 

Heating value of gas, Hg 4763.80 kJ/Nm3

Gas volumetric flow, Qg 0.0641 Nm3/s 

*Gas volumetric flow, Qg 230.7 Nm3/h 

Gas density, ρg 0.2816 kg/m3

Gas Specific Heat, cp 1.391 kJ/kg oC 1Heating value of Solid, Hs 15120 kJ/kg 

Solid Fuel Consumption, Ms    0.0279  kg/s 

*Solid Fuel Consumption, Ms 100.5 kg/h 

Solid Fuel Inlet Temp, Tis 27 oC 

Gas Outlet Temp, Tos 650 oC 2Air Density, ρa 1.171 kg/m3

Air Ratio, ER  0.3271   

Air volumetric flow, Qa 0.0334 Nm3/s 

Sensible Heat Recovered, H  244.06 kJ/Nm3

Specific Consumption, Uc 0.33 kg/kWh Boiler Rated Efficiency  82 % Boiler Output  200 kW 

    1 LHV,  2 @ 27 0C, 101.325 kPa 

 

Page 13: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

13 | P a g e  

 

3.3  Fluidized bed gasifier sizing 

The  sizing of  the  fluidized bed  is established via  several  sets of assumption 

and equations. These assumptions are important to enable a practical design 

of the gasifier. The air flow (and the gas flow) through the bed is assumed to 

be well distributed and homogeneous mixture of product gas  is obtained at 

averaged bed temperature of 750 0C. The minimum fluidization voidage (εmf) 

of  the bed  [6]  is assumed 0.66  (ranging between 0.5  to 0.85). The  fluidized 

bed  is assumed to be operated with silica sand which has a particle density 

(ρp) of 2600  kg/m3  and  average particle diameter  (dp) of 300 microns. The 

bed operates at slightly above atmospheric pressure due to the air delivered 

by the blower above atmospheric pressure. The first step  in sizing activity  is 

the determination of the fluidized bed diameter [7], which uses the following 

correlation: 

mair = ρair * ((π * Dg^2)/4 )* Us                          (11)  

The air flowrate (mair) through the bed is given as a function of bed diameter 

(Dg) and the gas superficial velocity (Us). The following sets of equations are 

required  to  determine  the  superficial  velocity  [7],  which  necessitates  the 

information on the bed minimum fluidization velocity (Umf). 

      Us = 2 * Umf              (12) 

      Umf = [dp^2 / (150* μg)]*[g*(ρp‐ ρg)*(εmf^3)/(1‐ εmf)]   (13) 

Using  the  superficial  value  calculated  from  the  above  equations,  the  bed diameter  is  determined,  whereby  the  air  flow  rate  had  already  been established in previous section. The next step will require the determination of  bed  dynamic  height  (HB),  which  is  the  section  of  the  bed  where  the fluidized  particles  (including  sawdust)  will  rise  when  air  is  injected  for reaction. This is determined using the relationship [8] between bed residence time (t) and U

B

mf. The overall reaction bed height (H) is the sum of the height of sawdust feeding point and dynamic bed height. 

      HB = t * UB mf              (14) 

H = HB + HB f                (15) 

Page 14: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

14 | P a g e  

Table 5: Fluidized bed gasifier design calculation and various authors’ design figures  

D ‐ Design Values; [11] ‐ van de Enden, et al.; [9] ‐ E. Olivares Gomez, et al.; [8] – Yin X.L., et al.; [12] ‐ Li X. T. et al. 

Parameters  ValueD Value[11]   Value[9] Value[8] Value[12]

Type of biomass fuel 

Units 

Sawdust Sugarcane bagasse 

Sugarcane bagasse 

Rice husk  Sawdust

Feeding rate  kg/s  0.0279  0.03  0.0290  0.4167  0.0085 Moisture (d.b.)  % wt  8.9  15        11.7 Feeding point  M  0.26  0.3  0.26  1.8  0.89 Bed section internal diameter  M  0.459  0.57  0.417  1.8  0.1 Dynamic bed height  M  1.549  2  1  7.4  6.5 Freeboard internal diameter  M  0.459  0.75  0.417  ‐  ‐ Freeboard height  M  0.860  3  1  ‐  ‐ Disengaging Zone Diameter  M  0.689  ‐  0.835  ‐  ‐ Disengaging Zone Height  M  1.362  ‐  1.585  ‐  ‐ 

Air volume flow  Nm3/s  0.0334  0.0320  0.0271  ‐  0.0146 

Air volume flow  m3/s  0.1069  0.1366  0.0938  ‐  0.0525 

Bed temperature  0C  750  1000  760  800  800 

Exiting gas flow  Nm3/s  0.064  0.052  0.07  0.917  ‐ 

Exiting gas temperature  0C  650  800  760  527  700 

Gas LHV  kJ/Nm3 4764  4.7  4.3  4.4  4.7 Total thermal output  kW  321  245  280  1000  105 Hot gas efficiency  %  76.0  75  60  65    

Superficial velocity, Us m/s  0.6447  0.535  0.75  2.8  6.681 Air Ratio     0.3271  0.28  0.22  0.25  0.29 

Particle diameter, dp Micron  300  330  379  ‐  ‐ Viscosity  kg/m/s  4.01E‐05  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Gravitational acceleration, g  m/s2 9.81 

Particle density, ρd kg/m3 2600  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Voidage at min. fldzn,  εmf    0.66  ‐  ‐  ‐  ‐ Velocity (min. fluidization)  m/s  0.322  0.268  0.375  1.4  3.340 

Reynolds Number, Remf    0.6783  ‐  ‐  ‐  ‐ Velocity (max. fluidization)  m/s  1.17  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Terminal velocity, Ut m/s  2.15  1.78  2.50  9.33  22.27 

The  freeboard  zone  [9]  is  where  the  bed  particles  with  terminal  velocity 

higher  than  the  gas  superficial  velocity will  leave  the  upper  reaction  bed 

surface.  The  diameter  is  assumed  to  be  equal  to  reaction  bed  diameter, 

however  the  freeboard  height  (Hfb)  is  taken  as  a  function  of  superficial 

velocity ratio (between design, UsD and reference value, Us(ref)). 

 

Page 15: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

15 | P a g e  

      Hfb =  Hfb(ref) * UsD/Us(ref)          (16) 

Disengaging zone  [9]  is defined as  the area above  freeboard where  the gas 

and entrained particles ascend to before their speed is reduced. Most of the 

particles will  fall back  into  the bed zone  [10]. The height  (HZ) and diameter 

(DDZ) is determined using the following functions. 

      HDZ = UtD/Ut(ref) * HDZ(ref)           (17)        DDZ = 1.5 * DB              (18) B

  (Us/Ut) = 0.3              (19) 

The  last  function  is  the  relationship  [6]  between  superficial  velocity  and 

terminal velocity (Ut) for a fluidized bed operation. The major section of the 

above calculations  is shown  in Appendix 4 (as part of Excel worksheet). The 

output of the design calculation is shown in Table 6. 

Disengaging Zone

Freeboard

Reactor

Cyclone

Burner for Boiler

Screw Feeder1.8 m3 (1.3m x 1.3m x 1m) Blower

Ash BarrelAsh Grate

Feeding point m 0.26Bed section internal diameter m 0.459Dynamic bed height m 1.549Freeboard internal diameter m 0.459Freeboard height m 0.860Disengaging Zone Diameter m 0.689Disengaging Zone Height m 1.362Bed temperature 0C 750

Fig 2: Fluidized Bed Gasifier Components

Source: Adapted and enhanced from Gomez EO et al.(10) * Refractory thickness = 160mm

 

The gasifier will be constructed  from carbon  steel of 2‐3mm  thickness, and 

provided with  internal heat  insulation along the bed and freeboard made of 

cement cylinders with thickness at 160mm. The bottom distributor will be of 

bubble‐cap type to prevent clogging of feedstock or sand particles. 

 

Page 16: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

16 | P a g e  

 

4.0   GASIFIER DESIGN ECONOMICS  

The feasibility of sawdust gasifier application in China is very much dependent on the cost of 

biomass  and  comparative  biomass  energy  cost. However,  for  the  purpose  of  this  design 

study, the biomass cost is assumed negligible, as the sawdust available in the vicinity of the 

timber mills  is assumed  to have no other  functional value other  than as waste product. A 

model utilised by Leung YC et al. [1], has been used here for the economic analysis. Table 7 

shows  an  adjusted  economic  value  to  suit  the  capital  cost  and  operational  cost  for  the 

gasifier  specific  to  this design  study. The operating hours had been  set  to 2920 hours on 

annual basis against the actual analysis of 6000 hours/year basis. 

Table 6: Economic data [1] of Sawdust gasification and heating  System in rural China (2004$)1

Capacity  200 kWt

Purpose  Heating 

Capital Cost (103 US$) Gasifier and Fittings  6.2 Control Unit  0.6 Base and Buildings  0.6 Installation  0.6 Design and Regulations  1.3 Total Capital Cost  9.3 Capital Cost US$/kW  46.5 

Operation Cost (103 US$)1

Power consumption  0.5 Maintenance  0.3 Labour Cost  1.2 Total Operation Cost  1.9 

Operation Cost 10‐7 US$/kJ  9.3 

Based on the table, the total capital cost is US$ 9300, and the operation cost is US$1300 per 

year.  The  operations  cost  per  unit  of  energy  output  is  US$  9.3E(‐07)  for  operating  the 

gasifier for 2920 hours annually in southern China. However these figures do not provide a 

valuable perception of the exact economic outcome anticipated. Thus the following simple 

equation [1] had been used to determine the profit of the biomass energy. 

                                                            1 Value for 200kW is for the overall heating system 

Page 17: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

17 | P a g e  

 

    Pr = (P1 ‐ P2/η) ‐ (C1 + C2) 

Pr is defined as the profit of biomass energy, and has to be above zero to enable the project 

to be  feasible. The  sawdust biomass energy  [1]  in China  is  taken as 1.7E(‐06) US$/kJ and 

defined by P1. The  cost  term  for  sawdust  is neglected  in  this analysis due  to  the  reasons 

stated earlier  in  the section of  this  report. A sensitivity analysis was carried out using  the 

above principle and the following table was established. 

Table 7:  Sensitivity  analysis  for  Sawdust  gasification  at different operational hours  in  a year Operational Hours  2920  4380  5840  8760 

Capital Cost (C1) US$/kJ  4.42E‐06  2.95E‐06  2.21E‐06  1.47E‐06 

Operation Cost (C2) US$/kJ  9.26E‐07  6.17E‐07  4.63E‐07  3.09E‐07 Pr  ‐3.65E‐06  ‐1.87E‐06  ‐9.75E‐07  ‐8.31E‐08  

Based on  the  above  analysis,  the project  encounters  loss  even  for  24 hour operation on 

annual basis. However,  the need  to consider  the viability of  the design application will be 

further elaborated in the discussion part of the report. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 18: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

18 | P a g e  

 

 

5.0   TECHNICAL AND NON­TECHNICAL BARRIERS  

The  implementation  of  gasification  in  a  small  scale  such  as  this  design work would  face 

considerable  amount  of  challenges,  technically  and  non‐technically.  The  rural  society  of 

China will have to benefit from the gasification project, however, the initial investment and 

subsequent operations cost will have to be borne by an institution which has the capacity to 

undertake the project. The timber mills  in the rural areas, closer to the  logging area would 

effectively be the suitable owner of such undertakings. However, the technicalities involved 

in defining  the design efficacies, operating conditions and maintenance of  the gasifier will 

be outside  the expertise of  this mill operators. There has  to be an  interface between  the 

engineering, construction and management of the gasifier to enable the society to absorb 

the technology and sustain it. As such, no frill designs need to be developed and marketed 

at the least cost. 

In terms of cost of operation, efficiency of  fluidised bed gasifier will play a vital role since 

biomass consumption would be largely affected by losses in the gasifier in the form of heat 

or carbon  loss. Significant  improvement need  to be seen  in  this area  to make gasifier use 

attractive and  rewarding economically. There has  to be more small‐scale higher efficiency 

gasifiers  developed  cost  effectively  to  suit  particular  need  of  the  rural  society  in  China, 

parallel to the development and construction of medium to large scale gasifiers. 

Apart  from  these  considerations,  the  sustainability of  fluidised bed gasifier utilisation will 

depend  very much  on  the  support  policy  by  the  government  of  China  [1],  especially  to 

provide fund allocation for smaller units, tax reduction or relaxation for major sponsors (or 

timber mill operators),  and  to  focus on  effective use of waste biomass  such  as  sawdust. 

Waste management using small scale gasifier unit (as proposed in this design work) could be 

undertaken by the government to make timber industry cost effective and environmentally 

sustainable. 

 

Page 19: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

19 | P a g e  

 

6.0  DISCUSSION AND CONCLUSION 

The design of a fluidized bed gasifier using sawdust as feedstock had been demonstrated for 

a heating output of 200 kWt to be used for rural society in China. The design output in terms 

of  product  gas  composition,  heating  value  of  gas  and  gasifier  size,  by  large,  agrees with 

design work done by other authors’  referenced. The  conversion of  sawdust produces 3.0 

kWh/kg  of  feedstock  and  consumes  approximately  800  kg  per  8h  operation.  The  overall 

system  efficiency  is  62.3 % when  the  efficiency  of  heating  equipment  is  combined with 

thermal efficiency of the fluidised bed gasifier.  

The economic analysis was complemented with a sensitivity analysis and was found to show 

that the gasifier designed may not be suitable for rural usage in terms of profitability. This is 

largely  due  to  the  cost‐ineffectiveness  of  smaller  scale  gasifiers  (less  than  1000  kWt)  in 

China, whereby  the  total  cost  of  implementation  becomes  larger  and  thus  reduces  the 

profitability  of  biomass  energy  production.  However,  the  benefits  of  pursuing  the 

application  would  allow  cost  savings  in  terms  of  biomass  waste  storage,  transport  and 

pollution  control  which  have  not  been  included  in  the  sensitivity  analysis.  Pragmatism 

makes  this  secondary  factor  as  a  driving  force  for  the  small‐medium  scale  gasifier  to  be 

installed and used in many parts of rural China, as can be proven by the hundreds of small 

scale gasifiers already in use in China since late 20th century. 

The  technical  and  non‐technical  aspects will  be met  by China  as  it  progresses  towards  a 

dynamic nation with large energy consumption bill in coming years. This factor will provide 

the motive force for engineering, construction and operation of low cost small scale gasifiers 

in rural China in future. 

 

 

 

 

 

 

Page 20: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

20 | P a g e  

 

REFERENCES   

[1]  Leung  YC  Dennis,  Yin  XL,  Wu  CZ.  A  review  on  the  development  and commercialization  of  biomass  gasification  technologies  in  China.  Renewable  and Sustainable Energy Reviews 2004; 8: 565‐580 

[2]  McKendry  P.  Energy  production  from  biomass  (part  3):  gasification  technologies. Bioresource Technology 2002; 83: 55‐62 

[3]  Thermodynamic  Data  for  Biomass  Conversion  and  Waste  Incineration,  National Bureau of Standards, Solar Energy Research Institute, US 

[4]  Zainal ZA, Ali R, Lean CH, Seetharamu KN. Prediction of performance of a downdraft gasifier  using  equilibrium  modeling  for  different  biomass  materials.  Energy Conversion and Management 2001;  42: 1499‐1515 

[5]  Wood Gas as Engine Fuel, FAO 

[6]  El‐Mahallawy  F,  El‐Din  Habik  S.  Fundamentals  and  Technology  of  Combustion. Elsevier 2002; 677‐693 

[7]  Venkata Ramayya A, Eyerusalem M, Endalew M, Melaku M. Design and Simulation of Fluidized  Bed  Power  Gasifier  for  a  Coffee  Hulling  Center.  Advances  in  Energy Research 2006; 83‐89 

[8]  Yin XL, Wu CZ,  Zheng  SP, Chen  Y. Design  and operation of  a CFB  gasification  and power generation system for rice husk. Biomass and Bioenergy 2002; 23: 181‐187 

[9]  Gomez  EO,  Cortez  LAB,  Lora  ES,  Sanchez  CG,  Bauen  A.  Preliminary  tests  with  a sugarcane  bagasse  fueled  fluidized‐bed  air  gasifier.  Energy  Conversion  and Management 1999; 40: 205‐214 

[10]  Gomez  EO,  Lora  ES.  Constructive  features,  operation  and  sizing  of  fluidized‐bed gasifiers for biomass. Energy for Sustainable Development 1995; (2) 4: 52‐57 

[11]  van den Enden PJ, Lora ES. Design approach for a biomass fed fluidized bed gasifier using the simulation software CSFB. Biomass and Bioenergy 2004; 26: 281‐287 

[12]  Li XT, Grace  JR,  Lim CJ, Watkinson AP, Chen HP, Kim  JR. Biomass  gasification  in  a circulating fluidized bed. Biomass and Bioenergy 2004; 26: 171‐193 

[13]  El‐Mahallawy  F,  El‐Din  Habik  S.  Fundamentals  and  Technology  of  Combustion. Elsevier 2002; 764‐765 

 

 

 

 

 

Page 21: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

21 | P a g e  

 

Appendix 1:  Summary of Sawdust Fluidized Bed Gasifier Design  

Table S1: Sawdust Composition 

Component  wt%  Normalized  MW  Mole Amount  Mole fraction  C basis 

C  49.25  49.45  12  4.12  0.3190  1 

H  5.99  6.01  1  6.01  0.4655  1.459 

O  44.36  44.54  16  2.78  0.2155  0.676 

Total  99.6  100     12.92  1    Source: Thermodynamic data for biomass conversion and waste incineration, National Bureau of Standards, Solar Energy Research Institute, US   

 

Table S2: Calculated Stoichiometric Component and  

 Equilibrium Constant   Moisture content, w (mol)                                      0.12 Gasification oxygen, m (mol)                                

0.336 Stoichiometric combustion air, mstc.air  (mol)  

3.864 Gasification air, mair    (mol)                                                      1.264 Bed temperature, TB ( C)                                        B

o

750 TB (K)                                                                               

1023.15 Equilibrium constant, K1                                          0.0762 Equilibrium constant, K2                                          0.1986 Hydrogen content in Wood, a (mol)                   1.459 Oxygen content in Wood, b (mol)                       0.676  

Table S3: Sawdust Properties   

Properties of Sawdust  Value  Unit 

Lower Heating Value, Hs 15120  kJ/kg 

Bulk density, ρb 300  kg/m3

Moisture Content (d.b.)  8.9  % wt 

Ash Content  0.4  % wt 

Average Diameter, dave 2  mm 

Source: Thermodynamic data for biomass conversion    

and waste incineration, National Bureau of Standards,    

Solar Energy Research Institute, US    

 

Page 22: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

22 | P a g e  

 

Table S4: Predicted Product Gas Composition         

Gas Components  Variables  Predicted Values 

Mole fraction 

Percentage (%) 

H2 x1 0.5200  0.1693  16.93 

CO  x2 0.7794  0.2537  25.37 

CO2 x3 0.2000  0.0651  6.511 

H2O  x4 0.2885  0.0939  9.392 

CH4 x5 0.0206  0.0067  0.671 

N2 3.76*m  1.2634  0.4113  41.13 

Total     3.0719  1.0000  100  

Table S5: Process Design Parameters     

Design Parameters  Value  Unit 

Thermal efficiency, η  76  % 

Gasifier output, PD 321  kWt

Heating value of gas, Hg 4763.8  kJ/Nm3

AGas volumetric flow, Qg 0.0644  Nm3/s 

Gas density, ρg 0.2816  kg/m3

Gas Specific Heat, cp 1.391  kJ/kg oC 

1Heating value of Solid, Hs 15120  kJ/kg 

BSolid Fuel Consumption, Ms 0.0279  kg/s 

Solid Fuel Inlet Temp, Tis 27  oC 

Gas Outlet Temp, Tos 650  oC 

2Air Density, ρa 1.1714  kg/m3

Air Ratio, ER  0.327    

Air volumetric flow, Qa 0.0334  Nm3/s 

Sensible Heat Recovered, H  244.1  kJ/Nm3

Specific Consumption, Uc 0.3293  kg/kWh 

Boiler Rated Efficiency  82  % 

Boiler Output  200  kW 1 LHV  A 143.8 Nm3/h 2 at 27 0C, 101.325 kPa  B 62.7 kg/h  

 

 

Page 23: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

23 | P a g e  

 

Table S6: Economic data of Sawdust gasification  

and heating system in rural China (2004 $) 

Capacity  200 kWt   

Purpose  Heating   

Capital Cost (103 US$)   

Gasifier and Fittings  6.2   

Control Unit  0.6   

Base and Buildings  0.6   

Installation  0.6   

Design and Regulations  1.3   

Total Capital Cost  9.3   

Capital Cost US$/kW  46.5   

Operation Cost (103 US$)1  

Power consumption  0.5   

Maintenance  0.3   

Labour Cost  1.2   

Total Operation Cost  1.9   

Operation Cost 10‐7 US$/kJ  9.3   

Adapted from D.Y.C. Leung et al. / Renewable  

and Sustainable Energy Reviews 8 (2004) 571 

and adjusted for 12920h operations against 

6000h operations annually      

Table S8: Volume of Sawdust Storage for Screw Feeder   

Daily 8hrly Volume   m3  2.68 

Volume (with 10% Safety Factor)  m3  2.95 

Dimension (L x W x H)  M  1.7 x 1.7 x 1  

 

 

 

 

 

 

Page 24: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

24 | P a g e  

 

 Table S7: Gasifier Design Parameters and Comparative References            

Design Element  Unit  ValueD Value1 Value2 Value3 Value4

Type of biomass fuel  ‐  Sawdust Sugarcane Bagasse 

Sugarcane Bagasse 

Rice Husk  Sawdust 

Total thermal output  kWt 200  245  280  1000  105 

Feeding rate  kg/s  0.0279  0.03  0.0290  0.4167  0.0085 

Moisture (d.b.)  %  8.9  15        11.7 

Feeding point  m  0.26  0.3  0.26  1.8  0.89 

Bed section internal diameter  m  0.459  0.57  0.417  1.8  0.1 

Dynamic bed height  m  1.549  2  1  7.4  6.5 

Freeboard internal diameter  m  0.459  0.75  0.417  ‐  ‐ 

Freeboard height  m  0.860  3  1  ‐  ‐ 

Disengaging Zone Diameter  m  0.689  ‐  0.835  ‐  ‐ 

Disengaging Zone Height  m  1.362  ‐  1.585  ‐  ‐ 

Bed temperature  0C  750  1000  760  800  800 

Exiting gas flow  Nm3/s  0.064  0.052  0.070  0.917  ‐ 

Exiting gas temperature  0C  650  800  760  527  700 

Air volume flow  Nm3/s  0.0334  0.0320  0.0271  ‐  0.0146 

Hot gas efficiency, η  %  76  75  60  65    

Air Ratio  m3/m3 0.327  0.28  0.22  0.25  0.29 

Particle diameter, dp micron  300  330  379  ‐  ‐ 

Particle density, ρd kg/m3 2600  ‐  ‐  ‐  ‐ 

Velocity (at min fluidization)  m/s  0.322  0.268  0.375  1.4  3.34 D ‐ Design Values; 1 ‐ van de Enden, et al.; 2 ‐ E. Olivares Gomez, et al.; 3 ‐ Xiu L. N., et al.; 4 ‐ Li X. T. et al.      

  

 

  

 

Page 25: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

25 | P a g e  

 

Appendix 2:  Thermodynamic Properties and Estimates Worksheet  

A. Prediction of  Product Gas Composition based on Biomass Composition using Universal Gasification Reaction Equation,    

     Reaction Equilibrium Constants' Equation, Gibbs function of Formation  and Heat of Formation Estimation     

A1: Universal Gasification Reaction         

  CH aOb + wH2O + mO2 + 3.76mN2    →   x1H2 + x2CO + x3CO2 + x4H2O + x5CH4 +3.76mN2    

  Mole Balance of Component:         

    C: 1 = x2 + x3 + x5         (1)   

    H: 2w + a = 2x1 + 2x4 + 4x5       (2)   

    O: w +b + 2m = x2 + 2x3 + x4       (3)   

             

A2: Equilibrium Constants in Gasification reaction:         

  A2.1 Methane formation         

    K1 = x5/(x2)2     (4)   

  A2.2 Shift reaction (CO and H2 formation)         

    K2 = x1x3/(x2x4)      (5)   

             

  Solving the simultaneous sets of equations:         

             

    From Eq. (1) x5 = 1 – x2 – x3         (6

    From Eq. (2) x4 = w + 0.5a ‐ x1 ‐ 2x5         (7

    Using x5 from Eq.(1) to Eq. (2) x4 = – x1 + 2x2 + 2x3 + w‐2+a/2       (8

    From Eq. (4) x1 2 K1 = 1 – x2 –x3         (9

    Substituting value of x4 from the Eq. (7) to Eq. (3) – x1 + 3x2 + 4x3 = 2m + 2+b‐a/2     (1

    Substituting x4 in Eq.(7)to Eq.(5) x1x3 = K2 x2 [ – x1 + 2x2 + 2x3 + w –2+a/2]     (1

             

  Generating the Equilibrium Constant equation from the general equations:       

             

    Standard Gibbs Function         

    ΔG0 = J ‐ RT(ΔA lnT + (ΔB/2)T + (ΔC/6)T2 + ΔD/2T2 + I)       

    Heat of Formation         

    ΔH0 = (J/R) + ΔA lnT + (ΔB/2)T2 + (ΔC/3)T3 ‐ ΔD/2T         

    Equilibrium Constant         

    lnK = ‐(J/RT) + ΔA lnT + (ΔB/2)T + (ΔC/6)T2 + ΔD/2T2 + I)       

             

    The values for J and I are determined by substituting the constants A,B,C and D, and     

    the values of standard Gibbs and heat of formation at 298.15K. These values are tabulated   

    as follows:          

Page 26: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

26 | P a g e  

 

           

Component  Condition  ΔG298.15 (kJ/kmol)    Component  Condition 

H2O  l  ‐237129    H2O  l 

H2O  g  ‐228572    H2O  g 

CO2  g  ‐394359    CO2  g 

CO  g  ‐137169    CO  g 

CH4  g  ‐50460    CH4  g 

H2  g  0    H2  g 

N2  g  0    N2  g 

           

Component  A  B   C   D   

CH4  1.702  9.08E‐03  ‐2.164E‐06      

H2  3.249  4.22E‐04     8300   

CO2  3.376  5.57E‐04     ‐3100   

CO  5.457  1.05E‐03     ‐115700   

N2  3.28  5.93E‐04     4000   

H2O  3.47  1.45E‐03     12100   

C  1.771  7.71E‐04     ‐86700   

Source: Z.A.Zainal et al., Energy Conversion and Management, 42 (2001) 1499‐1515        

 

The following intermediate values have been generated to derive the final equilibrium        

constant equation:           

           

  R (kJ/kmol.K)  8.314       

  T (K)  298.15       

  For K1   For K2

  ΔA  ‐6.567    Del A  ‐2.302 

  ΔB  7.47E‐03    Del B  ‐1.52E‐03 

  ΔC  ‐2.16E‐06    Del C  0 

  ΔD  70100    Del D  108800 

           

  ΔH  ‐74520    Del H  ‐41166 

  ΔG  ‐50460    Del G  ‐28618 

           

  ΔH/R  ‐8963.19    ΔH/R  ‐4951.41 

  Alfa (lumped constant)  ‐1880.35   Alfa (lumped constant)  ‐1118.73 

  J  ‐58886.80    J  ‐31864.89 

Page 27: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

27 | P a g e  

 

           

  Gamma (lumped constant)  ‐35.941   Gamma (lumped constant)  ‐12.730 

  I  32.541    I  11.420 

           

  Lambda (lumped constant)  7082.85   Lambda (lumped constant)  3832.68 

  ΔA  ‐6.5670    ΔA  ‐2.302 

  ΔB/2  3.73E‐03    ΔB/2  ‐7.59E‐04 

  ΔC/6  ‐3.61E‐07    ΔC/6  0 

  ΔD/2  35050.00    ΔD/2  54400  

Substituting the above calculated values, the following sets of equilibrium constant         

equations are formed:             

             ln K1 =[ 7082.848/T – 6.567 ln T + 7.466E‐3 T/2 – 2.164E‐6 T2/6 + 0.701E‐5/(2 T2)+32.541]     (12)   ln K2 = [ 3832.679/T ‐ 2.302 ln T – 7.6E‐4 T + 54400/(T2) + 11.42]        (13)   

             The values of a and b in the Gasification Reaction is determined using the Sawdust         

composition from literature:             

             

Component  wt%  Normalized  MW Mole 

Amount Mole 

fraction C 

basis 

C  49.25  49.45  12  4.121  0.319  1.000 

H  5.99  6.01  1  6.014  0.466  1.459 

O  44.36  44.54  16  2.784  0.215  0.676 

Total  99.6  100.00     12.918  1.000    Source: Thermodynamic data for biomass conversion and waste incineration, National Bureau of Standards, Solar Energy Research Institute, US    

The set of equations (7) to (11) can be solved as follows. Firstly, the value of m and w is specified. Then for a known 

temperature T(isothermal), K1 & K2 is determined using Eq. (12) and Eq. (13). Next  x1, x2, & x3 are found  using Eq. (9), (10), & Eq. (11) respectively. Subsequently x4 & x5 are determined using Eq. (6) & Eq. (7) respectively. Solving the above sets of equations will produce polynomial equations. In order to determine the values of x1, x2 and x3, 

a trial‐and‐error method was used via this Excel spreadsheet.       

         Moisture content, w (mol)                                      0.120       Gasification oxygen, m (mol)                                 0.336       

Page 28: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

28 | P a g e  

 

Stoichiometric combustion air, mstc.air  (mol)  3.864       

Gasification air, mair    (mol)                                                      1.264       Bed temperature, TB ( C)                                        B

o

750.00       TB (K)                                                                                1023.15       Equilibrium constant, K1                                          0.076       Equilibrium constant, K2                                          0.199       Hydrogen content in Wood, a (mol)                   1.459       Oxygen content in Wood, b (mol)                       0.676        

 

Gas Components  Variables   Predicted Values  Mole fraction  Percentage (%) 

H2 x1 0.5200  0.1693  16.93 

CO  x2 0.7794  0.2537  25.37 

CO2 x3 0.2000  0.0651  6.51 

H2O  x4 0.2885  0.0939  9.39 

CH4 x5 0.0206  0.0067  0.67 

N2 3.76*m  1.2634  0.4113  41.13 

Total     3.0719  1.0000  100.00 

         

         

Equation No.  Error  LHS  RHS   

Eqn (9)  0.000  0.021  0.021   

Eqn (10)  0.000  2.618  2.618   

Eqn (11)  0.059  0.104  0.045   

Eqn (7)  0.000  0.289  0.289   

Eqn (6)  0.000  0.021  0.021    

 

  

Appendix 3: Process Parameter Calculation  

Page 29: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

29 | P a g e  

 

B1.1: Specific heat of product gas is calculated using the following equation and constants:   

           

cp,I(T) = ai,0 + ai,1*T           

where ai,0 and ai,1 are constants obtained from Fundamentals and Technology    

of Combustion, El‐Mahallawy F., El‐Din Habik S.(p764‐765)       

           

Specific heat calculation           

Gas mixture at Bed Temperature  T= oC  750.00     

    Kelvin  1023.15     

Gas Composition  % vol  Cp  Weighted cp MW  Weighted MW 

CO  25.37  33.252  8.436  28.01  7.107 H2 16.93  30.261  5.122  2.02  0.342 CH4 0.67  35.062  0.235  16.04  0.108 CO2 6.51  43.168  2.810  44.01  2.865 

N2 41.13  32.769  13.477  28.02  11.524 H2O  9.39  29.888  2.807  18.016  1.692 Total  100.00     32.888     23.64 

Gas cp 32.888  kJ/kmole.degC     

Gas cp 1.391  kJ/kg.degC        

B1.2: The Heating Value of Product Gas is calculated using the composition generated from the Thermodynamic  

estimation and the Heating Values of individual component       

             

  Volume Fraction 

Molecular Weight 

HHV  Mol. Wgt. Contribution  Weighted 

Values   

Gas Component (= mole fraction)     Btu/scf     HHV, Btu/scf   

C1  0.00671  16  1013.2  0.107  6.798   

CO2  0.06511  44  0  2.865  0.000   

CO  0.25372  28  320.5  7.104  81.316   

H2  0.16928  2  325  0.339  55.015   

H2O  0.09392  18  0  1.691  0.000   

Inerts (N2)  0.41127  28  0  11.515  0.000   

Total  1        23.621  143.129   

HHV  143.13  Btu/scf         

LHV  128.8  Btu/scf         

Heating Value of Gas (LHV)  4763.8  kJ/Nm3         

Appendix 4: Gasifier Sizing Worksheet  

Page 30: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

30 | P a g e  

 

  The following sets of equation had been used to formulate the sizing of the gasifier     

                 

  A.3 The air flow rate through the gasifier as a function of superficial velocity (Us) and gasifier internal diameter (Dg) 

    mair = ρair * ((π * Dg^2)/4 )* Us            

    Ref: Venkata Ramayya A., et. al; Design and Simulation of Fluidised Bed Power Gasifier for a Coffee Hulling Center 

  A.4 Relation between superficial velocity (Us) and minimum fluidisation velocity (Umf)     

    Us = 2 * Umf            

    Ref: Venkata Ramayya A., et al.; Design and Simulation of Fluidised Bed Power Gasifier for a Coffee Hulling Center 

  A.5 The relationship between minimum fluidisation velocity, minimum dynamic bed height (HB) and residence time (t) 

    HB = t * Umf            

    H = HB + HB f            

    Ref: Yin X. L., et al.; Biomass and Bioenergy 23 (2002) 181 – 187       

  A.6 The determination of minimum fluidisation velocity, Umf        

    Umf = [dp^2 / (150* μg)]*[g*(ρp‐ ρg)*(εmf^3)/(1‐ εmf)]         

    where, μg is gas viscosity             

                ρp is bed fluidising particle density           

                ρg is gas density             

                εmf is bed voidage at minimum fluidization         

    Ref: Venkata Ramayya A., et al.; Design and Simulation of Fluidised Bed Power Gasifier for a Coffee Hulling Center 

  A.7 Maximum fluidisation velocity, Umax            

    Umax = (8/6)*([dp*(ρp‐ ρg)*g/(Cd*ρg)]^0.5)           

    where, Cd is drag coefficient             

    Ref: El‐Mahallawy et al.; Fundamentals and Technology of Combustion, 677 ‐ 693   

  A.8 Drag coefficient determination             

    Remf = (ρg * Umf * dp)/μg   Remf is Reynolds number for minimum fluidization   

    Cd = 24/Re for low Re             

    Cd = 0.44 for Re>= 10^3             

    Ref: El‐Mahallawy et al.; Fundamentals and Technology of Combustion, 677 ‐ 693   

  A.9 Bed pressure drop, DelP             

    ΔP = (ρp ‐ ρg)*g*H*[1 ‐ εmf]             

    Ref: Venkata Ramayya A., et al.; Design and Simulation of Fluidised Bed Power Gasifier for a Coffee Hulling Center 

                 

  A.10 Gas viscosity (μg) for the predicted composition is estimated using on‐line software available at www.firecad.net

    μg  =  4.014E‐05  kg/m.s         

                 

  A.11 The assumed relationship between disengaging zone height and terminal velocity     

    (Us/Ut) = 0.3             

Page 31: Fluidized Bed Gasifier Design Report Public)

DESIGN OF A LOW COST FLUIDIZED BED GASIFIER FOR SAWDUST GASIFICATION IN RURAL CHINA                                    

31 | P a g e  

 

    Ref: El‐Mahallawy et al.; Fundamentals and Technology of Combustion, 677 ‐ 693   

    HDZ = UtD/Ut(ref) * HDZ(ref)            

    where, Ut(ref) is Ut reference from literature(2)          

                HDZ(ref) is HDZ reference from design(2)          

                 

  A.12 The disengaging zone diameter and bed internal diameter         

    Dz = 1.5 * DB             

    Ref: E. Olivares Gomez et al.; Energy Conversion & Management 40 (1999) 205 ‐ 214   

                 

  A.13 The assumed relationship between freeboard height and superficial velocity       

    Hfb =  Hfb(ref) * UsD/Us(ref)              

    where, Us(ref) is Us reference from literature(2)          

                    Hfb(ref) is Hfb reference from literature(2)