Multi-scale modelling and optimization of a biomass to liquid plant

Nowadays the worlds energy demand depends mostly on fossil fuels, especially crude oil. These fuels, however, release in the atmosphere a high amount of carbon dioxide and other pollutants, increasing the greenhouse effect and acid rain; for this reason, and due to the high price of crude oil, other sources of energy are currently under study. In this thesis a Biomass-To-Liquid plant is considered. In the first section of the plant the biomass is gasified with steam and oxygen, obtaining syngas. This flow is then fed to a Fischer-Tropsch plant, where liquid hydrocarbons are produced. The Fischer-Tropsch reaction takes place in a multi-tubular fixed bed reactor, whose model includes the evaluation of catalytic pellet’s effectiveness factor and the eventual formation of a liquid phase. These calculations are performed in each point along reactor’s axial coordinate. A non-linear regression is performed in order to optimize kinetic parameters inside the reactor's model, using data from experiments carried out at laboratory scale. The simulation of the whole plant is performed connecting MATLAB R2013a and HYSYS V8.4. Eventually, the staging of the Fischer-Tropsch reactor is taken into consideration, and three different plant configurations are compared. Heuristic rules available in literature are used to perform a techno-economic analysis of each plant considered, producing a non-discounted cash flows diagram needed to find the most convenient option.

Al giorno d'oggi la richiesta mondiale di energia è soddisfatta principalmente da combustibili fossili, in particolare dal petrolio. Questi carburanti, comunque, rilasciano nell'atmosfera una grande quantità di anidride carbonica e altri inquinanti, aumentando l'effetto serra e il fenomeno delle piogge acide; inoltre, anche a causa del costo elevato del petrolio, altre fonti di energia sono al momento sotto studio. In questa tesi è preso in considerazione un impianto Biomass-To-Liquid. Nella prima sezione dell'impianto la biomassa è gassificata con vapore e ossigeno, ottenendo syngas. Questa portata è alimentata ad un impianto Fischer-Tropsch, dove sono prodotti idrocarburi liquidi. La reazione di Fischer-Tropsch avviene in un reattore multitubolare a letto fisso, il cui modello include il calcolo del fattore di efficienza del granulo di catalizzatore e l'eventuale formazione di una fase liquida. Questi calcoli sono effettuati in ogni punto lungo la coordinata assiale del reattore. Sulla base di dati sperimentali, ottenuti in scala di laboratorio, è stata effettuata una regressione non lineare per ottimizzare i parametri cinetici contenuti nel modello. La simulazione dell'intero impianto è stata svolta collegando MATLAB R2013a a HYSYS V8.4. Lo staging del reattore Fischer-Tropsch è stato infine preso in esame, confrontando tre diverse configurazioni di impianto. Utilizzando regole euristiche disponibili in letteratura è stata effettuata una valutazione tecno-economica di ogni impianto considerato attraverso un calcolo di non-discounted cash flows, valutandone quindi la relativa convenienza.