Modello CFD multiregione per termovalorizzazione di una particella di biomassa lignocellulosica con cinetica dettagliata

A more evolved industry, hungry of chemicals and energy, and the developing of a bigger ecological sensibility, considering the possible depletion of fossil raw materials, boost more and more the quest for renewable raw materials, both for energy and chemicals production. This Master Thesis work will take part in the fervid research for a more efficient and cheap exploitation of high energetic density materials derived from non-foody biomasses, in particular through thermal processes (pyrolysis, gasification, combustion). There are some computing complication, due specifically to characterizing biomass composition and reactivity and to the interactions between chemistry and transport phenomena. These two sights do not allow easy numerical solving because a wholly coupled system would need unacceptable computing times unless one dramatically reduces the kinetic scheme. As well as properly reducing kinetics (lumping), is thus necessary to find a strategy for the correct solving of kinetics and fluid dynamics ensuring the shortest computing times possible. The novelty of this work, compared to already developed models for biomass pyrolysis, regards the study of fluid dynamic conditions and reactivity that can be seen in the gas phase around the solid particle during pyrolysis. This demands to study and impose suitable boundary conditions on gas-solid interface and to add a specific kinetic scheme for fluid phase. Therefore, this novelty will allow rigorous study of reactions like partial and total oxidation, which happen only in the gas phase when mixing with an oxidizing compound. OpenFOAM® (Field Operations And Manipulations), an open source software for CFD, will be the selected computational environment; the OpenSMOKE++ framework will manage chemistry and transport properties.

Un’industria sempre più evoluta, sempre più affamata di prodotti chimici e energia, e lo sviluppo di una sempre maggiore sensibilità ecologica, anche a fronte di un paventato esaurimento delle risorse fossili, incentivano sempre più la ricerca di fonti rinnovabili e sostenibili sia di energia, sia di materie prime per chemicals. Il presente lavoro di Tesi si inserisce nella fervida ricerca per uno sfruttamento sempre più efficiente e economico di prodotti ad alta densità energetica provenienti da biomasse non alimentari, in particolare per via termica (pirolisi, gassificazione, combustione). Vi sono alcune complicazioni computazionali, relative in particolare alla caratterizzazione della composizione e della reattività della biomassa e alle interazioni tra cinetica chimica e fenomeni di trasporto. I due aspetti non si prestano a semplice risoluzione numerica poiché il sistema integralmente accoppiato richiederebbe tempi di calcolo insostenibili a meno di ridurre drasticamente lo schema cinetico. Oltre a semplificare opportunamente la cinetica (lumping) è dunque necessario individuare una strategia per risolvere correttamente cinetica e fluidodinamica con tempi di calcolo quanto possibile ridotti. La novità di questo lavoro, rispetto a modelli già sviluppati per pirolisi di biomasse, consiste in particolare nello studio del regime fluidodinamico e della reattività che si instaurano in fase gas intorno alla particella in esame, che non può prescindere dallo studio e dall’imposizione di opportune condizioni al contorno sull’interfaccia tra solido e gas e dall’inserimento di una cinetica specifica per la fase fluida. Tale novità renderà dunque possibile studiare rigorosamente anche le reazioni di ossidazione parziale e totale, radicaliche, che avvengono solo e soltanto in fase gas a contatto con un agente ossidante. L’ambiente di calcolo impiegato è il software CFD open source OpenFOAM® (Field Operations And Manipulation), impiegando però il framework OpenSMOKE++ per la gestione della cinetica e delle proprietà di trasporto.