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Design of a 50 kWE fluidized bubbling bed biomass gasification plant

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2 TABLE OF CONTENT 1. INTRODUCTION ....................................................................................................................9 2. BIOMASS GASIFICATION PLANT .........................................................................................11 3. STORAGE SYSTEM ...............................................................................................................11 3.1. Hopper .......................................................................................................................11 3.1.1. Calculation Procedure ........................................................................................12 3.1.1.1. Total Volume of the hopper........................................................................12 3.1.1.2. Mass of woodchip/pellet ............................................................................12 3.1.1.3. Consumption time ......................................................................................13 3.1.2. Results ................................................................................................................13 3.2. Gear motor .................................................................................................................13 3.3. Screw ..........................................................................................................................14 3.3.1. Calculation procedure ........................................................................................14 4. Reactor ...............................................................................................................................18 4.1. Initial information .......................................................................................................20 4.2. Calculation Procedure ................................................................................................20 4.2.1. Biomass consumption and gas generation rate ..................................................22 4.2.2. Cross sectional area calculation ..........................................................................23 4.2.2.1. Required air quantity ..................................................................................23 4.2.3. Minimum Fluidizing Velocity ..............................................................................26 4.2.4. Cross sectional area ............................................................................................27 4.2.5. Bed Volume calculation ......................................................................................28 4.2.5.1. Char production ..........................................................................................28 4.2.5.2. Bed Porosity ................................................................................................29 4.2.6. Bed Volume ........................................................................................................29 4.2.7. Bed Height ..........................................................................................................30 4.2.8. Results of reactor calculation .............................................................................31 4.2.9. Material to be used in the reactor ......................................................................32 4.2.10. Bed Materials .....................................................................................................33 4.2.10.1. The sand characterization. ..........................................................................36 4.2.11. Air distribution grid.............................................................................................39 3 4.2.11.1. Fluidization .................................................................................................40 4.2.11.2. Pressure drop in a fluidized bed. ................................................................43 4.2.12. Heat recovery system to torrefat the biomass ...................................................50 5. Gas cleaning system ...........................................................................................................51 5.1. Cyclone .......................................................................................................................51 5.1.1. Initial information ...............................................................................................52 5.1.2. Calculation Procedure ........................................................................................52 5.1.3. Results ................................................................................................................53 5.2. Heat Exchanger #1 ......................................................................................................54 5.2.1. Step 1: To define fluids involved in the heat exchange process. To obtain the input and output fluids thermos-physical properties. ........................................................56 5.2.2. Step 2: To do the energy balance and calculate the amount of heat to be transferred from the hot fluid to cold fluid (Q). .................................................................57 5.2.3. Step 3: . ..............................................................................................59 5.2.4. Step 4: Choose the number of steps on the side of the shell (Ns) and the number of tube-side steps (Np). Determine the logarithmic mean temperature (LMTD) ...............61 5.2.5. Step 5: To calculate the minimum required heat transfer area ( ); .................62 5.2.6. Step 6: Choose the type of pipe material, outer and inner diameter, thickness (BWG), and tube length. .....................................................................................................63 5.2.7. Step7: Choosing the tube bundle arrangement (square or triangular) and calculate the diameter of the tube bundle and the shell. ..................................................65 5.2.7.1. Calculate the diameter of the pipes bundle ................................................66 5.2.7.2. Calculation of step between pipes (center distance) and Clearence between tubes. ..............................................................................................................66 5.2.7.3. Calculate the diameter of the shell .............................................................67 5.2.8. Step 8: Choose type of baffles, size and distance ...............................................67 5.2.9. Step 9: Determine film coefficients on the tube side and the shell. ...................68 5.2.9.1. Calculating coefficients of the tube side film ..............................................68 5.2.9.2. Calculation of film coefficients shell side ...................................................70  Calculation of the equivalent diameter ......................................................................70  Calculation of the Reynolds number of the cold fluid flowing through the shell. .......71  Determination of Prandtl number of the fluid of the shell: ........................................71  Determination of Nusselt number of the fluid of the shell .........................................71  Correction coefficients film ........................................................................................72 5.2.10. Step 10: Obtain the overall heat transfer coefficient U fouling coefficients, thermal resistance and overall heat transfer for each component. ...................................74 4 5.2.10.1. Calculating the resistance of soiling of the hot fluid (syngas containing tars) - Rdc (m 2 K/W) ................................................................................................................76 5.2.11. Step 11: Check the validity of the overall mass transfer coefficient for the design of heat taken. .....................................................................................................................81 5.2.12. Step 12: Overdesign heat exchanger ..................................................................84 5.2.13. Step 13: Calculate the pressure drop on the tube side. ......................................84 5.2.14. Step 14: Calculate the pressure drop across the shell. .......................................85 5.3. Heat Exchanger #2 ......................................................................................................86 5.4. Filter ...........................................................................................................................90 5.4.1. Initial Information ...............................................................................................90 5.4.2. PARAMETERS REQUIRED TO START THE DESIGN ................................................90 5.4.2.1. Density and dynamic viscosity ....................................................................91 5.4.2.2. CALCULATION OF EQUIVALENT PARTICLE DIAMETER .................................91 5.4.3. C ALC U LAT IO N O F T H E F ILT ER MAT ER IA L’S P O RO S IT Y ........................................93 5.4.4. MINIMUM AND MAXIMUM SET DESIGN ............................................................94 5.4.4.1. Number of stages in which the filter is divided...........................................94 5.4.4.2. Dimensions .................................................................................................94 5.4.4.3. Maximum pressure drop ............................................................................95 5.4.5. FILTER DESIGN CALCULATION .............................................................................95 5.4.6. THE STEP AREA, THE SYNGAS SPEED AND THE LENGTH OF BED .........................96 5.4.7. REYNOLDS NUMBER ...........................................................................................98 5.4.8. WORM FILTER .....................................................................................................99 5.5. Mattress foam filter .................................................................................................102 6. Vacuum generation system ..............................................................................................102 6.1. Vacuum pump ..........................................................................................................102 7. Energy generation system ................................................................................................102 7.1. Inlet gas system ........................................................................................................102 7.2. Internal combustion engine .....................................................................................104 8. Conclusions ......................................................................................................................108 9. Annexes ............................................................................................................................109 10. References ....................................................................................................................133
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Design of a 50 kWE fluidized bubbling bed biomass gasification plant

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Informazioni tesi

  Autore: Stefano Silvestrini
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2015-16
  Università: Università degli Studi di Napoli - Federico II
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria gestionale
  Relatore: Rita Maria Antonia Mastrullo
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 135

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