I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o w er   E ng ineering   ( I J AP E )   Vo l.   9 ,   No .   2 A u g u s t   2020 ,   p p .   1 4 7 ~1 5 2   I SS N:  2252 - 8792 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ap e. v 9 . i2 . p p 1 4 7 - 152           147       J o ur na ho m ep a g e h ttp : //ij a p e. ia esco r e. co m   Si m ula tion o s ma ll - sca le w a ste biom a ss  ga sifica tion  integra ted  po w er productio n a   co m pa ra tive p erfor m a nce ana ly sis     for ti m be r and w o o w a ste       Sa ha Sa f a ria n,  Runa Unntho rss o n,  Chri s t ia a n Ric hte r   F a c u lt y   o f   In d u strial  E n g in e e rin g ,   M e c h a n ica En g i n e e rin g   a n d   C o m p u ter S c ien c e ,   Un iv e rsit y   o f   Ic e lan d ,   Ic e lan d         Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   2 5 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   Feb   1 9 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Ma r   3 ,   2 0 2 0       A   s im u l a t i o n   m o d e l   f o r   i n t e g r a te d   w a s te   b i o m a s s   g a s if i c a t i o n   w i t h   c o g e n e r a t i o n   h e a t   a n d   p o w e r   h a s   b e e n   d e v e l o p e d   u s i n g   A s p e n   P l u s .   T h e   m o d e c a n   b e   u s e d   a s   a   p r e d i c t i v e   t o o l   f o r   o p t i m i z a t i o n   o f   t h e   g a s if i e r   p e r f o rm a n c e .   T h e   sy s t e m   h a s   b e e n   m o d e l e d   i n   f o u r   s t a g e s .   F i r s t ly ,   m o i s t u r e   c o n t e n t   o f   b i o m a s s   is   r e d u c e d .   S e c o n d ly   b io m a s i s   d e c o m p o s e d   i n t o   i t s   e lem e n t b y   s p e c if y i n g   y ie l d   d i s t r i b u t i o n .   T h e n   g a s if i c a t i o n   r e a c t i o n s   h a v e   b e e n   m o d e l e d   u s i n g   G i b b s   f r e e   e n e rg y   m i n im iza t i o n   a p p r o a c h .   F i n a l ly ,   p o w e r   i g e n e ra t e d   t h r o u g h   t h e   i n t e r n a l   c o m b u s t i o n   e n g i n e   a s   w e l l   a s   h e a t   r e c o v e ry   sy s t e m   g e n e ra t o r .   I n   s im u l a t i o n   s t u d y ,   t h e   o p e r a t i n g   p a r a m e te r l i k e   tem p e r a t u re ,   e q u i v a l e n c e   r a t i o   ( E R )   a n d   b i o m a s s   m o i s t u re   c o n t e n t   a r e   v a r i e d   o v e r   w i d e   r a n g e   a n d   t h e i r   e f f e c t   o n   sy n g a s   c o m p o s i t i o n ,   l o w   h e a t i n g   v a l u e   ( L H V)     a n d   e l e c t r i c a l   e f f i c ie n c y   ( E E )   a r e   in v e s t ig a te d .   O v e ra l ly ,   i n c re a s i n g   t e m p e ra t u r e   a n d   d e c r e a s i n g   E R   a n d   M C   l e a d   t o   im p r o v e m e n t   o f   t h e   g a s if i c a t i o n   p e r f o rm a n c e .   H o w e v e r ,   f o r   m a x im u m   e l e c t r ic a l   e f f i c ie n c y ,   i t   i s   im p o r t a n t   t o   f i n d   t h e   o p t i m a l   v a l u e s   o f   o p e r a t in g   c o n d i t i o n s .   T h e   o p t i m u m   t e m p e r a t u r e ,   E a n d   M C   o f   t h e   d o w n   d r a f t   g a s if i e r   f o r   t im b e r   a n d   w o o d   w a s t e   a r e   8 0 0 ˚ C ,     0 . 2 - 0 . 3   a n d   5 % .   A t   s u c h   o p t i m u m   c o n d i t i o n s ,   C O   a n d   H 2   r e a c h   t o   t h e   h i g h e s t   p r o d u c t i o n   a n d   L H a n d   E E   a r e   a ro u n d   7 . 0 6 4   M J   N m - 3   a n d   4 5 % ,   r e sp e c t i v e ly .   K ey w o r d s :   E lectr ical  ef f icie n c y   P o w er   p r o d u ctio n   P r o ce s s   s i m u latio n   W aste b io m a s s   g asi ficatio n   W aste to   en er g y   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sah ar   Sa f ar ian ,   Facu lt y   o f   I n d u s tr ial  E n g in ee r in g ,     Me ch an ical  E n g i n ee r in g   an d   C o m p u ter   Scien ce ,     Un i v er s it y   o f   I ce lan d ,     Hj ar d a r h ag i 6 ,   1 0 7   R ey k j av i k ,   I ce lan d .   E m ail:  s a s 7 9 @ h i.is       1.   I NT RO D UCT I O N   T h f in ite  n atu r o f   co n v e n ti o n al  f o s s il  f u el s ,   in cr ea s i n g   co n ce r n s   d u to   en v ir o n m e n t al  i m p ac t     an d   h ea lt h   a n d   s a f et y   co n s i d er atio n s   ar en co u r a g i n g   to   f i n d   r en e w ab le  en er g y   s o u r ce s   an d   alter n ativ e   tech n o lo g ies  to   p r o d u ce   p o w er   [ 1 ,   2 ] .   I n   th last   d ec ad e s   th in ter es in   b io m as s   h a s   in cr ea s ed   d u to     th g r o w in g   atte n tio n   to   s u s tai n ab le  en er g y .   Un lik e   f o s s il   f u els t h at  ta k s o   m a n y   y ea r s   to   b r ef illed ,   b io m as s   ca n   b r eg en er ated   r elativ el y   q u ick l y   a n d   w h e n   it  b u r n s ,   ca r b o n   d io x id r elea s es  b ac k   to   th at m o s p h er b u th is   b io g e n ic  C O 2   is   n o t c o u n t ed   as a   co n tr ib u to r   to   g lo b al  w ar m in g   [3 - 6] .   C u r r en tl y ,   b io m as s   g as i ca tio n   in te g r ated   p o w er   p r o d u ctio n   u n it  h a s   b ee n   in tr o d u ce d   as  an   ef f icie n t   a n d   en v ir o n m e n tall y   f r ie n d l y   w a y   f o r   ex tr ac ti n g   en er g y   f r o m   d i f f er en o r g an ic  w a s tes.  B io m as s   g asi f icatio n   is   p r o ce s s   o f   co n v er ti n g   b i o m a s s   f u el  i n to   s y n g as  a s   m i x tu r o f   co m b u s tib le  g ases   th r o u g h   s eq u e n ce     o f   th er m o - ch e m ical  r ea ctio n s .   T h p r o d u ce d   g as  th r o u g h   t h b io m as s   g asi f icatio n   ca n   b co n d itio n ed   to   b u r n   clea n l y ,   lik n at u r al  g a s .   T h is   m ea n s   cu s to m er   ca n   i n s tal g asi f ier   s y s te m   i n   a n   ex is ti n g   f ac ilit y   an d   r eu s m u c h   o f   t h s a m b o iler ,   d r y er ,   an d   d u ctin g   eq u ip m en [7 - 9]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l   P o w er   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   2 A u g u s t   2020 :   1 4 7     1 5 2   148   Mu ch   i m p o r ta n t,  w aste   g a s i f icatio n   ca n   b i m p le m e n te d   as  m o r r eliab le  e n er g y   s u p p l y   tech n o lo g y   f o r   p lace s   w h ic h   ar f ar   f r o m   t h ce n tr al  e n er g y   n et w o r k s   an d   r eq u ir d is tr ict  h ea a n d   p o w er   s y s te m s .   Mo s o f   I ce la n d   m u n icip alities   al s o   co n tain   s e v er al  d is p ar ate  to w n s /citie s   w it h   t h p o p u latio n   lo w er   th an   1 0   th o u s an d   s ettle m e n ts   [ 5 ] .   Hen ce ,   in   t h i s   p ap er ,   w s tu d y   t h p o ten tia o f   g as if icatio n   f o r   en er g y   p r o d u ctio n   f o r   s m all  co m m u n ities   i n   I ce lan d .   Or g an ic  w ast p r o d u ce d   f r o m   h o u s eh o ld ,   i n d u s tr y   a n d   s er v ice   s ec to r s   is   an   a v ailab le  o p tio n   f o r   b io f u el s   p r o d u ctio n   in   I ce lan d .   A   g e n er al  esti m atio n   s h o w s   th a t   ap p r o x im a tel y   6 0 o f   th to tal  w aste  is   o r g a n ic  m ater ial  w h ic h   4 3 ,   4 1   an d   1 6 %   o f   th at  ar p ap er   m i x ed ,   ti m b er   an d   w o o d   a n d   g ar d en   w a s tes  [ 1 0 ] .   Sa f ar ia n   e t   al.   [ 1 1 ]   f o u n d   th at   a m o n g   t h v ar io u s   I ce la n d ic  w ast e   b io m a s s   g a s i f icatio n   s y s te m s ,   ti m b er   an d   w o o d   w aste   is   th m o s b en e f icial  f r o m   t h p er f o r m a n ce     an d   en v ir o n m e n tal  p er s p ec ti v es.  T h p r o d u ctio n   o f   1   k W h   el ec tr icit y   f r o m   t i m b er   th r o u g h   t h g a s i f icatio n   w o u ld   lead   to   g lo b al   w ar m i n g   p o ten tial  o f   0 . 0 7   k g   C O 2eq ,   ac id if icatio n   p o ten tial   o f   0 . 0 9   k g   SO 2eq   an d   eu tr o p h icatio n   p o ten tial o f   0 . 3 6   k g   NO 3eq .   T h p r im ar y   ai m   o f   t h i s   w o r k   is   to   d ev elo p   s tead y   s ta te  c o m p u ter   m o d el  f o r   p er f o r m a n ce   an al y s i s   o f   w aste   b io m as s   g asi f ier   i n te g r ated   w it h   C HP   u s i n g   Asp en   P lu s .   T h ca s s tu d y   i s   i n   I ce l an d   to   ass e s s   p o w er   p r o d u ctio n   f r o m   1   to n   o f   ti m b er   an d   w o o d   w aste  as  ap p r o x i m atel y   m o s ex i s ti n g   a n d   g r ea test   en v ir o n m e n tal   b en e f icia b io m a s s   f ee d   s to ck   in   th i s   co u n tr y .   Fi n all y ,   t h ef f ec o f   o p er atin g   p ar a m eter s   li k te m p er atu r e,   eq u iv ale n ce   r atio   ( E R )   an d   b io m a s s   m o i s t u r co n ten ( MC)  o n   s y n g a s   co m p o s itio n ,   lo w   h ea ti n g   v a lu e     ( L HV)   an d   elec tr ical  e f f icien c y   ( E E )   ar in v esti g ate d   to   f i n d   th o p ti m u m   co n d itio n s   m ak in g   h ig h e s L H V     an d   elec tr ical  ef f icie n c y .       2.   M AT E RIAL   A ND  M E T H O DS   An   eq u ilib r i u m   s i m u lat io n   m o d el  h as  b ee n   d ev elo p ed   f o r   w a s te  b io m as s es  g a s i f icatio n   in te g r ated   w it h   C HP   b y   u s i n g   Asp en   P lu s .   P en g e   R o b in s o n   eq u ati o n   o f   s tate  w i th   B o s to n - Ma t h ias  alp h f u n ctio n     ( P R - B M)   w a s   ap p lied   to   ca l cu late  p h y s ical  p r o p er ties   o f   th co n v e n tio n al   co m p o n e n ts   in   t h g as i ca tio n   p r o ce s s .   HC O AL GE N   an d   D C O AL I GT   m o d els  w er al s o   e m p lo y ed   f o r   en th alp y   a n d   d en s it y   o f   b io m a s s     an d   ash   w h ic h   ar n o n - co n v e n tio n al  co m p o n e n ts .   M C I NC P SD  s tr ea m   co m p r i s i n g   th r ee   s u b s tr ea m s     o f   MI XE D,   C I P SD  an d   NC P SD  class ,   w a s   also   co n s id er e d   to   d efi n th b io m a s s   s tr u ct u r an d   ash   s tr ea m s   w h ic h   ar n o av a ilab le  i n   As p en   P lu s   co m p o n e n d atab ase   [ 7 ] .   T h o w   c h ar o f   th e   s y s te m   s i m u lated   b y   u s i n g   A s p e n   P lu s   i s   s h o w n   in   Fig u r 1 .   T h B I OM SS   s tr ea m   w as  d e f i n ed   as  n o n co n v e n tio n al  s tr ea m   an d   i t   w a s   cr ea ted   b y   s p ec if y i n g   t h ele m en ta an d   g r o s s   co m p o s itio n s   o f   f ee d s to c k   o b tain ed   f r o m   p r o x i m ate     an d   ele m e n tal  a n al y s es  g i v en   i n   T ab le  1   [ 1 1 ] .           Fig u r 1 .   Flo w   c h ar t o f   g a s i c atio n   s i m u latio n   i n   A s p e n   P lu s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       S imu la tio n   o f sma ll - s ca le  w a s te   b io ma s s   g a s ifica tio n   in teg r a ted   p o w er p r o d u ctio n … ( S a h a r   S a fa r ia n )   149   T ab le  1 .   Ultim a te  an d   p r o x i m ate  an al y s is   o f   ti m b er   &   w o o d   w as te  [ 1 1 ]   P r o x i mat e   a n a l y si s     P r o x i mat e   a n a l y si s ( w t %)     M o i st u r e   5 . 0 1   V o l a t i l e   mat t e r   ( V M )   9 3 . 0 6   F i x e d   c a r b o n   ( F C )   6 . 3 8   A sh   0 . 5 6   U l t i mat e   a n a l y si s     El e me n t a l   a n a l y si s ( w t % -   d r y   b a si s)     C   5 6 . 8   H   7 . 28   N   0. 18   Cl   0. 82   S   0. 07   O   3 4 . 29       Dr y in g   o cc u r s   at   1 0 0 °C   to   ac h iev t h m o is t u r r ed u ctio n   to   5   w t. % o f   th e   o r ig i n al  s a m p le.   T h is   s te p   is   d ir ec ted   b y   th s to ic h io m etr ic  r ea cto r   R ST OI C   in   th A s p en   P lu s .   T h is   p ar ticu lar   m o d u le  is   u s ed   to   p er f o r m   c h e m ical  r ea ctio n s   o f   k n o w n   s to ich io m etr y   [ 1 2 ] .   Af ter   d r y i n g ,   R YI E L D,   th y iel d   r ea cto r   is   b r o u g h t   to   s i m u la te  t h f ee d   p y r o l y s is .   I n   t h is   s tep ,   t h f ee d s to ck   is   co n v er ted   to   v o latile   m a ter ials   ( VM )   a n d   ch ar .   VM   co n tain s   ca r b o n ,   h y d r o g en ,   o x y g e n   an d   n itro g en C h ar   is   also   co n v er ted   in to   a s h   a n d   ca r b o n ,   b y   s p ec if y in g   t h p r o d u ct  d is tr ib u tio n   b ased   o n   t h p r o x i m ate   an d   u lti m ate  a n al y s i s   o f   t h f ee d s to ck   [ 7 ] .   T h en   R Gib b s   is   u s ed   to   s i m u late  th b io m as s   g asi f icat io n .   T h r ea cto r   ca lcu lates  th s y n g as  co m p o s i tio n   b y   m i n i m izi n g   t h G ib b s   f r ee   e n e r g y   a n d   ass u m es  co m p lete  c h e m ical  eq u ilib r iu m .   T h d ec o m p o s ed   f ee d   an d   air   en ter   to   th R Gib b s   r ea cto r   wh er p ar tial  o x id atio n   a n d   g a s i f icatio n   r ea ctio n s   o cc u r .   A n o t h er   R Gib b s   r ea cto r   is   also   s i m u lated   f o r   co m b u s ti o n   s ec tio n   w i th   m i n i m u m   air   m i x in g .   P r in cip all y ,   t h i s   p r o ce s s   i s   al s o   b ased   o n   m i n i m izatio n   o f   Gib b s   f r ee   en er g y .   T h co m b u s tio n   ch a m b er   is   f o llo w ed   b y   g as  tu r b in [ 1 3 ,   1 4 ]   T h th er m al  co n te n o f   t h g a s ,   o b tain ed   as  th co m b u s tio n   h ea is   r e m o v ed   an d   co n s u m ed   to   co n v er w ater   to   h ig h   p r ess u r s tea m   th o u g h   HE A T E R .   T h g en er ated   s t ea m   n all y   d r iv es  s tea m   tu r b in an d   p r o d u ce s   ad d itio n al  p o w er   [ 1 5 ,   1 6 ] .   T h s o lid   lin e s   i n   t h F ig u r 1   s t an d   f o r   t h m as s   s tr ea m s   w h er ea s   th e   d ash ed   l in e s   ar f o r   th h ea s tr ea m s .   T h s y s te m   is   ass u m ed   to   b e   au to - th er m al  s o   th at  p ar o f   th b i o m a s s   is   co m b u s ted   in s id t h g a s i er   i n   o r d er   to   p r o v id th h ea r eq u ir ed   i n   s i tu .   Hea is   a ls o   p r o v id ed   b y   t h h o p r o d u ct  g as  a s   w ell  a s   th co m b u s tio n   c h a m b er   an d   u tili ze d   w h er e v er   n ee d e d .       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O   T h d ev elo p ed   m o d el  f o r   w a s te  b io m as s   g asi f ica tio n   is   u s ed   to   in v esti g ate  t h g asi f icatio n   p er f o r m a n ce   o f   ti m b er   an d   w o o d   w aste.  T h ef f ec o f   g asi er   te m p er at u r e,   eq u iv alen ce   r atio n   ( E R )     an d   m o i s tu r co n te n t ( MC)  o n   s y n g as c o m p o s itio n ,   lo w er   h e atin g   v a lu ( L H V)   o f   p r o d u ce d   g as a n d   elec tr ical   ef cie n c y   ( E E )   ar in v esti g ate d .   T h lo w er   h ea ti n g   v al u o f   p r o d u ct  g as is   ca lc u lated   as  [ 1 7 ,   1 8 ] :     24 3 ( ) 4 . 2 ( 3 0 2 5 . 7 8 5 . 4 ) s y n g a s C O H C H kj L H V y y y Nm     ( 1 )     w h er y   i s   th m o le  f r ac tio n   o f   g ass   p ec ies i n   t h s y n g as ( d r y   b asis ) .   T h m ai n   g o al  is   f i n d i n g   o p ti m al  o p er atin g   co n d itio n s   to   m ak t h h i g h est  elec tr ical  e f f icien c y .     T h elec tr ical  ef f icie n c y   is   t h e   in d ex   o f   t h p o w er   g en er ated   f r o m   t h s y s te m   co m p ar ed   to   th o r ig i n al  en er g y   co n tain ed   i n   th b io m a s s   f ee d   an d   is   d e n ed   b y   [ 1 2 ] :        g a s t u r b i n e s t e a m t u r b i n e c o m p r e s s o r e l e c t r i c a l b i o m a s s b i o m a s s W W W M L H V            ( 2 )     3 . 1 .   E f f ec t   o f   t em pera t ure  o n sy s t e m   perf o r m a nce   T h ef f ec o f   g as if ier   te m p er a tu r o n   s y n g a s   m o le  f r ac tio n s   p r o d u ce d   th r o u g h   t h ti m b er   an d   w o o d   w a s te  g a s i f icatio n ,   i s   s h o w n   i n   Fi g u r 2 .   Fi g u r 3   also   s h o w s   th L H o f   s y n g a s   an d   t h e   elec tr ical  ef f icie n c y   o f   th g a s i f ier   s y s te m   a s   f u n ctio n   o f   te m p er atu r e.   T h s en s it iv i t y   r es u lts   i n   Fi g u r es  2   an d   3   ar s tu d ied   at   s tan d ar d   co n d itio n s   o f   1 - to n   i n p u b io m as s ,   0 . 2 5   air   eq u iv al en ce   r atio   a n d   g a s if ier   te m p er atu r i n   t h w i n d o w   o f   5 0 0 - 1 5 0 0 ˚ C .     B ased   o n   Fig u r 2 ,   th p r esen ca r b o n   in   th tim b er   an d   w o o d   w as te  is   n o u s ed   co m p let el y   at  lo w   te m p er atu r ( 5 0 0 ˚ C ) ,   s o   th s y n g as  p r o d u ctio n   co u ld   n o b in   an   ac ce p tab le  r ate.   A s u c h   lo w   te m p er at u r e,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l   P o w er   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   2 A u g u s t   2020 :   1 4 7     1 5 2   150   m et h an a n d   u n b u r n ed   ca r b o n   w ill  s tan d   i n   s y n g as  w h ile  b y   in cr ea s i n g   te m p er atu r m o r ca r b o n   is   o x id ized   an d   co n v er ted   to   ca r b o n   m o n o x id b ased   o n   p ar tial  co m b u s tio n   r ea ctio n .   Me th a n is   a ls o   tr an s f er r ed   i n to   h y d r o g e n   b y   r ev er s e   m e th a n a tio n   r ea ctio n .   W ater   g as   r ea ct io n   also   g o es  to w ar d   t h p r o d u ctio n   o f   b o th   C an d   H 2   at   h i g h   te m p er atu r e.   H en ce ,   i n cr ea s i n g   th e   g a s i f ier   te m p er at u r f av o r s   h y d r o g en   an d   ca r b o n   m o n o x id e   p r o d u ctio n ,   lead s   to   th i m p r o v e m e n o f   h ea ti n g   v al u o f   s y n g a s   as  s h o w n   i n   Fi g u r 3 .   Ho w e v er ,   at  s p ec if ic   te m p er atu r e,   y ie ld   o f   H 2   an d   C r ea ch   to   an   ap p r o x im atel y   co n s ta n v al u es  t h at  th is   p o in is   ca lled     th o p ti m u m   g a s if ier   te m p er atu r e.   T h o p tim u m   o p er atin g   te m p er atu r o f   th d o w n   d r af g asi f ier   f o r   ti m b er   an d   w o o d   w aste  is   8 0 0 ˚ C .   M eth an p r o d u ct io n   also   d ec r ea s es  s h ar p l y   at  te m p er at u r es  ab o v 6 0 0 ˚ C .   L HV  v alu e   f o r   ti m b er   an d   w o o d   w a s te   at  o p ti m u m   te m p er atu r i s   ab o u 7 . 0 5 4   M j   Nm - 3 .   I m p r o v i n g   L HV  o f   s y n g as   lead s   to   en ter i n g   g a s es  a h ig h   te m p er at u r to   t h g as  tu r b in e.   R aisi n g   t h t u r b in e   in let   te m p er at u r e   a m elio r ates  o u tp u p o w er   f r o m   t h at  as  w ell  as  th s tea m   t u r b in e.   I is   b ec au s o f   t h at  m o r s tea m   is   p r o d u ce d   th r o u g h   th h ea r ec o v er y   f r o m   t h h o f lu g as.  E lectr ical   ef f icie n c y   a ls o   i n cr ea s es  in   g r ad u al  w a y   n ea r     th o p ti m u m   te m p er at u r e,   it  r ea ch es   ab o u t 4 5 % a r o u n d   8 0 0 ˚ C .               Fig u r 2 .   E f f ec t o f   te m p er at u r o n   s y n g a s   m o le  f r ac tio n   ( d r y   b asis ,   E R : 0 . 2 5 )   Fig u r 3 .   E f f ec t o f   te m p er at u r o n   s y n g a s   L HV   an d   elec tr ical  ef f icie n c y   ( E R 0 . 2 5 )       3 . 2 .     E f f ec t   o f   E o n sy s t e m   perf o r m a nce   E q u iv ale n ce   r ati o   ( E R )   as  th r atio   o f   th ac tu a air   v alu s u p p lied   to   th g a s i fier   to   th s to ich io m etr ic  air   is   s i g n if ican f ac to r   f o r   s h o w i n g   t h e   r o le  o f   o x id izin g   a g en t.  At   lo w   E R ,   b io m a s s   r ea ctio n s   w ill   ap p r o ac h   to   th p y r o l y s i s ,   h o w e v er   at  h i g h er   v a lu e s   o f   E R   t h ex ce s s   a m o u n o f   o x y g e n   is   co m b u s ted   w h ic h   lead s   to   th e   d ec lin in g   o f   s y n g as  p r o d u cti o n .   Hen ce ,   it  i s   i m p o r tan to   f in d   th ap p r o p r iate  r an g o f   E R   f o r   b io m a s s   g as i ficatio n   th a t is i n v esti g ated   i n   o u r   w o r k .   Fo r   ti m b er   an d   w o o d   w a s te  g a s i f icati o n ,   E R   is   v ar ied   f r o m   0 . 2 - 0 . 6 5   an d   its   i n f lu e n ce   o n   t h s y n g a s   co m p o s itio n s   is   s h o w n   i n   F ig u r 4 .   T h H 2   an d   C m o le  f r ac tio n s   d ec r ea s w it h   i n cr ea s i n g   E R   b u an   o p p o s ite  tr en d   f o r   C O 2   is   ex h ib ited .   T h is   is   d u to   w h e n   E R   r i s es,  m o r o x y g e n   i s   s u p p lied   f o r   b io m as s   r ea ctio n s ,   s o   f u el  g o es  to w ar d   th f u l co m b u s tio n .   T h e   o p tim u m   E R   lie s   b et w ee n   0 . 2 - 0 . 3 ,   till   m o le  f r ac tio n s   o f   C O   an d   H 2   ar h ig h er   th a n   2 5 %.  B y   i n cr ea s i n g   E R ,   th h ea ti n g   v al u o f   th s y n g a s   an d   elec tr ical  ef f icie n c y   als o   d ec r ea s as  s h o w n   in   Fi g u r e   5 .   A s   w h o le,   th e   L HV  o f   th p r o d u ct  g as  an d   elec tr ical  ef f icien c y   d ep en d   s tr o n g l y   o n   E R   an d   E R   is   f u n ctio n   o f   s y n g a s   co m p o s i tio n s   in   ( 1 ) .   A o p tim u m   s p an   o f   E R ,   L HV  a n d   elec tr ical  ef f icie n c y   f r o m   ti m b er   an d   w o o d   w a s te   g asi f icatio n   ar ar o u n d   7 . 0 6 4   M J   Nm - 3   an d   4 5 %.               Fig u r 4 .   E f f ec t o f   E R   o n   s y n g as  m o le  f r ac tio n   ( d r y   b asis   an d   g a s i f ier   te m p er at u r is   9 0 0 ˚ C )   Fig u r 5 .   E f f ec t o f   E R   o n   s y n g as  L HV  a n d   elec tr ical  ef f icien c y   ( g a s i f ier   te m p er at u r is   9 0 0 ˚ C )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       S imu la tio n   o f sma ll - s ca le  w a s te   b io ma s s   g a s ifica tio n   in teg r a ted   p o w er p r o d u ctio n … ( S a h a r   S a fa r ia n )   151   3 . 3   E f f ec t   o f   M o n sy s t e m   perf o r m a nce   T h m o is t u r co n te n o f   t h b io m ass   is   v ar ied   f r o m   5   to   3 5 to   in v esti g ate  its   ef f ec o n     th p er f o r m a n ce   o f   t h g asi f ie r   in teg r ated   w it h   C HP .   Fig u r 6   s h o w s   t h ef f ec o f   b io m as s   m o is tu r co n te n t   o n   s y n g as  co m p o s itio n s .   Mo r eo v er ,   i m p ac o f   MC  o n   s y n g as  L HV  a n d   elec tr ical  ef f icie n c y   o f   th s y s te m   i s   d ep icted   o n   Fig u r 7 .   Mo is tu r co n ten h a s   r e m ar k ab le  ef f ec o n   g a s if ier   p er f o r m an c e.   I is   k n o w n   t h at     h ig h   MC  co n te n is   r esp o n s i b le  f o r   th r ed u ctio n   o f   H 2   an d   C in   th p r o d u ce d   g as  an d   f o r   t h in cr ea s in   CO 2   m o le  f r ac tio n .   A s   co n s eq u en ce ,   t h h ea t in g   v a lu o f   th s y n g as  d ec r ea s es  w h ile  th MC  i n cr ea s es.   A cc o r d in g   to   eq u ilib r i u m   m at h e m a tical  m et h o d   f o r   d o w n d r af g asi f ier s ,   t h i n cr ea s i n   b i o m a s s   M C   o f   3 5 %   r esu lt s   in   t h r ed u ctio n   o f   t h e   L HV  o f   t h s y n g as  b y   ab o u t   1 . 8   M J   Nm - 3 .   I n cr ea s i n g   m o is tu r co n te n also   s tr o n g l y   d eg r ad es  t h s y s te m   elec tr ical  ef f ic ien c y .   T h in cr ea s in   b io m ass   M C   o f   3 5 r esu lts   i n     th d ec lin i n g   o f   t h elec tr ical  ef f icien c y   b y   3 2 %.               Fig u r 6 .   E f f ec t o f   MC o n   s y n g as  m o le  f r ac tio n   ( d r y   b asis ,   g asi f ier   te m p er at u r e:  9 0 0 ˚ C   an d   E R 0 . 2 5 )   Fig u r 7 .   E f f ec t o f   MC o n   s y n g as  L HV  a n d   elec tr ical  ef f icie n c y   ( g asi f ier   t e m p er atu r e:  9 0 0   ˚ C   an d   E R : 0 . 2 5 )       4.   CO NCLU SI O   A   s tead y   s tate  eq u ilib r i u m - b a s ed   m o d el  w as  d ev elo p ed   f o r   w a s te  b io m as s   g asi f icat io n   u s in g   Asp en   P lu s   s i m u lato r .   T h m o d el  w a s   u s ed   f o r   co m p ar ativ a n al y s is   o f   th g asi ficatio n   p er f o r m a n ce   o f   ti m b er   an d   w o o d   w a s te  i n   I ce la n d .   I n   t h e   m o d el,   s en s iti v it y   a n al y s i s   was  p er f o r m ed   an d   t h i m p ac o f   v ar y in g   g asi fier   te m p er atu r e,   E R   a n d   MC  o n   s y n g as  co m p o s itio n ,   L H o f   s y n g as  a n d   elec tr ical  e f f icie n c y   w as  i n v est ig ated .   R aise  i n   te m p er atu r i m p r o v es  th g as i er   p er f o r m an ce ,   i in cr ea s es  t h p r o d u ctio n   o f   C an d   H 2   w h ic h   lead s   to   h ig h er   L HV  a n d   elec tr i ca ef f icien c y .   Ho w e v er ,   I n cr ea s in g   E R   d eg r ad es  th C O   an d   H 2   p r o d u ctio n   w h ic h   r es u lt s   i n   r ed u ctio n   o f   g as if ica tio n   p er f o r m an ce .   M o is tu r co n ten t   h a s   al s o   s i g n i f ica n e f f ec o n   g asi f ier   p er f o r m an ce .   h ig h   MC  co n ten t   is   r esp o n s ib le  f o r   th r ed u ctio n   o f   H 2   a n d   C O   in   t h p r o d u ct  g as.   C o n s eq u en tl y ,   t h i n cr ea s i n   b io m a s s   M C   o f   3 5 r es u lt s   in   t h r ed u ctio n   o f   t h L HV   o f   th s y n g as  a n d     th s y s te m   e lectr ical  ef f icie n c y   b y   ab o u 1 . 8   MJ   Nm - 3   an d   3 2 %,  r esp ec tiv el y .   T h h ig h e s v alu e s   o f   C an d   H 2   m o le  f r ac tio n ,   L HV  a n d   E E   o f   th e   g a s i f icatio n   s y s te m - b ased   ti m b er   a n d   w o o d   w a s t lo ca ted   at  8 0 0 ˚ C ,     0 . 2 0 - 0 . 3   o f   E R   an d   5 o f   M C .   I n   th ese  co n d itio n s ,   L HV  an d   elec tr ical  ef f icie n c y   ar ar o u n d   7 . 0 6 4   MJ  Nm - 3   an d   4 5 %,  r esp ec tiv el y .       ACK NO WL E D G E M E NT   T h is   p ap er   w a s   p ar t   o f   th p r o j ec t   f u n d ed   b y   I ce lan d i R esear ch   Fu n d   ( I R F),   ( in   I ce lan d ic:   R an n s o k n a s j o d u r )   an d   th g r a n t n u m b er   i s   1 9 6 4 5 8 - 0 5 1 .       RE F E R E NC E S     [1 ]   S .   Be g u m ,   M .   Ra su l   a n d   D.   A k b a r,   " A   n u m e rica in v e stig a ti o n   o f   m u n icip a so li d   w a ste   g a si f ica ti o n   u sin g   a sp e n   p lu s,"   Pro c e d i a   e n g i n e e rin g ,   v o l.   9 0 ,   p p .   7 1 0 - 7 1 7 ,   2 0 1 4 .   [2 ]   S .   S a f a rian ,   P .   K h o d a p a ra st   a n d   M .   Ka teb ,   " M o d e li n g   a n d   tec h n i c a l - e c o n o m ic  o p ti m iza ti o n   o f   e le c tri c it y   su p p ly   n e tw o rk   b y   th re e   p h o t o v o lt a i c   s y ste m s,"   J o u rn a o f   S o la En e rg y   En g in e e rin g ,   v o l.   1 3 6 ,   n o .   2 ,     p p .   0 2 4 5 0 1 - 1 - 0 2 4 5 0 1 - 5 ,   2 0 1 4 .   [3 ]   S .   S a f a rian ,   S .   S a tt a ri   a n d   Z.   H a m id z a d e h ,   " S u sta in a b il it y   a ss e s s m e n o f   b io d ies e su p p ly   c h a in   f ro m   v a rio u s   b io m a ss e s a n d   c o n v e rsio n   tec h n o l o g ies , "   Bi o Ph y sic a Eco n o mic s a n d   Res o u rc e   Qu a l it y ,   v o l.   3 ,   n o .   2 ,   2 0 1 8 .   [4 ]   S .   S a f a r ian ,   S .   S a tt a ri ,   R.   Un n th o rss o n   a n d   Z.   Ha m id z a d e h ,   " P ri o ri ti z a ti o n   o f   Bio e t h a n o P r o d u c ti o n   S y ste m f ro m   Ag ricu lt u ra a n d   W a ste   A g ricu lt u ra Bio m a ss   Us in g   M u lt i - c rit e ria  De c isio n   M a k in g , "   Bi o p h y sic a E c o n o mic a n d   Res o u rc e   Qu a li ty,   v o l.   4 ,   n o .   1 ,   p p .   1 - 16 ,   2 0 1 9 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l   P o w er   E n g ,   Vo l.   9 ,   No .   2 A u g u s t   2020 :   1 4 7     1 5 2   152   [5 ]   S .   S a f a rian   a n d   R.   Un n th o rss o n ,   " A n   a ss e s s m e n o f   th e   su sta in a b il it y   o f   li g n o c e ll u lo sic   b i o e th a n o p ro d u c ti o n   f ro m   w a ste s in   Ic e lan d , "   En e rg ies ,   v o l .   1 1 ,   n o .   6 ,   p .   1 - 16 ,   2 0 1 8 .   [6 ]   T .   L .   T .   Ng u y e n ,   J.  E.   He rm a n s e n   a n d   R.   G .   Nie lse n ,   " En v iro n m e n tal  a ss e ss m e n o f   g a sif ic a ti o n   tec h n o l o g y   f o b io m a ss   c o n v e rsio n   to   e n e rg y   in   c o m p a riso n   w it h   o t h e a lt e rn a ti v e s:  th e   c a se   o f   w h e a stra w , "   J o u rn a o c lea n e r   p ro d u c ti o n ,   v o l .   5 3 ,   p p .   1 3 8 - 1 4 8 ,   2 0 1 3 .   [7 ]   S .   S a f a rian ,   C.   Ric h ter  a n d   R .   Un n th o rss o n ,   " W a ste   Bio m a s G a si f ic a ti o n   S im u latio n   Us in g   As p e n   P lu s:   P e rf o rm a n c e   Ev a lu a ti o n   o f   W o o d   C h i p s,  S a w d u st  a n d   M ix e d   P a p e r   W a ste s,"   J o u rn a o f   Po w e a n d   E n e rg y   En g i n e e rin g ,   v o l.   7 ,   n o .   6 ,   p p .   1 2 - 3 0 ,   2 0 1 9 .   [8 ]   S .   S a f a rian ,   R.   Un n þ ó rss o n   a n d   C.   Rich ter,   " A   re v ie w   o f   b io m a s g a si f ica ti o n   m o d e ll in g , "   Ren e wa b le   a n d   S u sta in a b le E n e rg y   Rev iews ,   v o l.   1 1 0 ,   p p .   3 7 8 - 3 9 1 ,   2 0 1 9 .   [9 ]     S .   S a f a rian b a n a ,   R.   Un n t h o rss o n   a n d   C.   Rich ter,  " De v e lo p m e n o f   a   Ne w   S to ich io m e tri c   Eq u il i b ri u m - B a se d   M o d e f o W o o d   Ch ip a n d   M ix e d   P a p e W a ste G a si f ic a ti o n   b y   A S P EN   P lu s,"   i n   A S M 2 0 1 9   I n ter n a ti o n a l   M e c h a n ica l   En g i n e e rin g   C o n g re ss   a n d   Exp o s it io n :   Ame ric a n   S o c iety   o M e c h a n ica E n g in e e rs   Dig it a C o ll e c ti o n 2 0 1 9 .     [1 0 ]   M .   S u n d b e rg ,   J.  G u ð m u n d ss o n   a n d   M .   G u ð m u n d ss o n ,   " Bio f u e l   p ro d u c ti o n   i n   Ic e lan d s u rv e y   o f   p o ten ti a ra m a teria ls an d   y ield s to   2 0 3 0 , "   M a n n v it   E n g in e e rin g ,   Rey k ja v ik,  2 0 1 0 .   [1 1 ]   S .   S a f a rian ,   R.   Un n th o rss o n   a n d   C.   R ich ter,  " P e rf o rm a n c e   a n a l y s is  a n d   e n v iro n m e n tal  a ss e ss m e n o f   sm a ll - sc a le   w a ste   b io m a ss   g a si f ica ti o n   in teg ra ted   CHP  in   Ic e lan d , "   En e rg y ,   v o l.   1 9 7 ,   1 1 7 2 6 8 ,   2 0 2 0 .   [1 2 ]   T .   Da m a rtzis,  S .   M ich a il o a n d   A .   Zab a n io to u ,   " En e rg e ti c   a ss e ss m e n o f   a   c o m b in e d   h e a t   a n d   p o w e in teg ra ted   b io m a ss   g a si f ica ti o n in tern a l   c o m b u stio n   e n g in e   sy ste m   b y   u si n g   A sp e n   P l u s®,"   Fu e l   p r o c e ss in g   tec h n o l o g y ,     v o l.   9 5 ,   p p .   3 7 - 4 4 ,   2 0 1 2 .   [1 3 ]   S .   S a f a rian   a n d   M .   Ba ra rz a d e h ,   " Ex e rg y   a n a l y sis  o f   h ig h - p e rf o rm a n c e   c y c l e f o g a tu rb in e   w it h   a ir - b o tt o m in g , "   J o u rn a o M e c h a n ic a E n g i n e e rin g   Res e a rc h ,   v o l.   5 ,   n o .   2 ,   p p .   3 8 - 4 9 ,   2 0 1 2 .   [1 4 ]   S .   S a f a rian ,   Y.  S a b o o h i   a n d   M .   Ka teb ,   " Ev a lu a ti o n   o f   e n e rg y   re c o v e r y   a n d   p o ten ti a o f   h y d ro g e n   p r o d u c ti o n   i n   Ira n ian   n a t u ra g a s tr a n sm issio n   n e tw o rk , "   En e rg y   p o l icy ,   vo l.   6 1 ,   p p .   6 5 - 7 7 ,   2 0 1 3 .   [1 5 ]   S .   S a f a rian   a n d   M .   Ba ra rz a d e h ,   " Ex e rg y   Re c o v e r y   in   Ga P re ss u re   C o m p re ss io n   S tatio n s   (G P CS s),"   Ga s   Pro c e ss in g ,   v o l .   3 ,   n o .   1 ,   p p .   1 1 - 1 8 ,   2 0 1 5 .   [1 6 ]   S.  S a f a rian   a n d   M .   M o u sa v i,   " Im p ro v e m e n o f   Ov e r a ll   Eff icie n c y   in   th e   Ga T r a n s m issio n   Ne two rk s:  Em p lo y in g   En e rg y   Re c o v e r y   S y ste m s,"   Ga s P ro c e ss in g   J o u rn a l v o l .   3 ,   n o .   2 ,   p p .   1 - 2 4 ,   2 0 1 5 .   [1 7 ]   P. - C.   K u o ,   W .   W u   a n d   W . - H.  C h e n ,   " G a si f ic a ti o n   p e rf o rm a n c e o ra w   a n d   t o rre f ied   b io m a ss   in   a   d o w n d ra f f i x e d   b e d   g a sif ier u sin g   th e rm o d y n a m i c   a n a ly sis, "   Fu e l,   v o l.   1 1 7 ,   p p .   1 2 3 1 - 1 2 4 1 ,   2 0 1 4 .   [1 8 ]   P .   L v ,   Z.   X i o n g ,   J.  C h a n g ,   C.   W u ,   Y.   Ch e n   a n d   J .   Z h u ,   " A n   e x p e rim e n tal  stu d y   o n   b io m a ss   a ir ste a m   g a si f ica ti o n   in   a   f lu id ize d   b e d , "   Bi o re so u rc e   t e c h n o l o g y ,   v o l .   9 5 ,   n o .   1 ,   p p .   9 5 - 1 0 1 ,   2 0 0 4 .       B I O G RAP H I E S O F   AUTH O RS        S a h a r   S a f a r ia n ,   g r a d u a ted   b a c h e lo o f   c h e m ic a e n g in e e rin g   a n d   m a ste in   e n e rg y   s y ste m s   e n g in e e rin g .   Cu rre n tl ly ,   d o i n g   P h o n   w a ste   b io m a ss   g a si f ica ti o n   f o e n e rg y   p ro d u c ti o n   in   Un iv e rsit y   o f   Ic e lan d .   M a in   f ield a re   sim u latio n ,   p e rf o rm a n c e   a n a ly sis,  tec h n o - e c o n o m ic  a n d   e n v iro n m e n tal  a ss e ss m e n t,   g a si f ic a ti o n   i n teg ra ted   p o w e g e n e ra ti o n   a n d   w a ste   to   p o w e r.           Run a r   U n n t h o r ss o n   re c e i v e d   th e   B. S c . ,   M . S c . ,   a n d   P h . D.  d e g re e in   m e c h a n ica e n g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsit y   o f   Ic e lan d .   No h e a d   o f   e n g in e e rin g   f a c u lt y   a n d   h e a d   o f   b io m a ss   g a si f ic a ti o n   g ro u p   i n   De p a rtm e n o f   In d u str ial,   M e c h a n ica a n d   C o m p u ter  En g in e e rin g   a Un iv e rsity   o Ic e lan d .   A re a o f   e x p e rti se   a re   re n e w a b le  e n e rg y ,   g a si f ica ti o n   in teg ra ted   p o w e g e n e ra ti o n   tec h n o l o g y ,   e n e rg y   e ff ic ien c y ,   p e rf o r m a n c e   e n g in e e rin g   a n d   e tc.             Ch r isti a a n   Ric h te r   r e c e i v e d   B .   A .   in   m a th e m a ti c s a n d   B. S c .   (Ho n s) i n   a p p li e d   m a th e m a ti c s a n d   e d u c a ti o n   a U n iv e rsity   o f   P re to r ia,  S o u t h   A f rica .   G ra d u a ted   M . S .   in   c h e m ica e n g in e e rin g   a n d   a p p li e d   m a th e m a ti c f ro m   Un iv e rsit y   o f   N e b ra sk a - L in c o ln   a n d   P h in   c h e m ica e n g in e e rin g   f ro m   No rth e a ste rn   Un iv e rsity .   C u re n tl ly ,   h e   is  p r o f e ss o in   F a c u l ty   o f   In d u strial  M e c h a n ica &   Co m p u ter  En g in e e rin g   a U n iv e rsit y   o f   Ic e lan d .   A re a o f   e x p e rti se   a re   e lec tro - c a tal y sis,  e lec t ro c h e m i c a s y n th e sis,  b io m a s s g a si f ica ti o n ,   sim u latio n   a n d   e tc.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.