Optimal design of a zero-residue biomass to liquid process

The world energy demand is continuously increasing and the human footprint influence over the climate change is a rooted knowledge. The attention to pollutant emission together with the continuous search for non-fossil sources of energy, are the driving forces of the newest studies in the chemical and energy field. In this thesis, an unconventional Biomass-To-Liquid process will be presented for the production of biofuels with a zero-solid-residue as target. The first part of the plant is the gasification section. Syngas is produced from biomass and then it is fed to a Fischer-Tropsch plant, where liquid hydrocarbons are produced. One issue regarding syngas production from biomass is the disposal of the solid waste: here a new approach is proposed to overcome this problem. Given the new borne interest of the market into biochar, an integration between gasification and pyrolysis is adopted, avoiding solid waste production. The gasification section of the plant consists in a gasifier for the syngas production and a pyrolysis unit in which the fresh biomass is in contact with a portion of the hot syngas coming from the gasification equipment. In this way pyrolysis occurs increasing the amount of syngas produced and producing as a side product a char rich solid. This solid is then mixed with the ashes coming from the gasification unit and sold as biochar for agricultural and soil amendant purpose or as solid fuel for energy production. The Fischer-Tropsch reactor is a multi-tubular fixed bed reactor cooled by water boiling. The model of the reactor includes the evaluation of the effectiveness factor and the vapour-liquid equilibrium to account for the presence of a liquid phase. The catalyst used for the Fischer-Tropsch reaction is a cobalt based ruthenium promoted new catalyst developed by Università degli Studi di Milano. A non-linear regression is carried out in order to find the kinetic parameters, using data coming from a laboratory scale reactor. Cleaning and sweetening of the syngas is also considered in the simulation of the plant. The simulation of the plant is done via an integration between MATLAB®, GASDS and HYSYS®V8.8. Given the high detail of the simulations of the gasification unit, a regression is performed over the results of the GASDS simulations in order to reduce the computational time. An economical analysis is conducted over the plant considering also the staging of the Fischer-Tropsch reactor, four plant configurations are compared in order to define the most convenient option. This project future outlooks will be a revamping study of the equipment already present in the Mantova Chemical District and a detailed comparison with other bio processes candidates for the redevelopment of the site according to the BioMAN project directories.

La richiesta globale di energia è in continuo aumento e l’influenza dell’uomo sui cambiamenti climatici è riconosciuta. L’attenzione verso l’emissione di inquinanti assieme alla ricerca di fonti energetiche non fossili sono il motore dei più recenti studi nel campo chimico e energetico. In questa tesi un impianto non convenzionale di Biomass-To-Liquid è preso in considerazione con l’obbiettivo di produrre bio-carburanti senza scarti solidi, secondo le indicazioni del progetto BioMAN per la riqualificazione del polo chimico di Mantova. La prima sezione dell’impianto è rappresentata dalla sezione di gassificazione. Il gas di sintesi viene prodotto dalla biomassa nella prima sezione e poi viene alimentato ad un impianto Fischer-Tropsch attraverso il quale sono prodotti idrocarburi liquidi. Un fattore da tenere in considerazione per la sezione di gassificazione è rappresentato dalle spese di smaltimento del residuo solido, in questa tesi è proposto un nuovo approccio che risolve questo problema. Dato il crescente interesse del mercato nei confronti del biochar, è impiegato un impianto che prevede l’integrazione tra gassificazione e pirolisi evitando la produzione di rifiuto solido. La sezione di gassificazione consiste quindi in un’unità di gassificazione per la produzione del gas di sintesi e in un’unità di pirolisi in cui la biomassa è messa in contatto con una parte del syngas proveniente dall’unità di gassificazione. In questo modo nella seconda apparecchiatura si ha la pirolisi della biomassa, aumentando il quantitativo di syngas prodotto e producendo un solido ricco in char. Questo solido viene poi miscelato con le ceneri provenienti dall’unità di gassificazione e venduto come biochar per uso agricolo come ammendante o come combustibile per la produzione di energia. Il reattore di Fischer-Tropsch consiste in un reattore multitubulare a letto fisso. Il modello matematico del reattore include il calcolo del fattore di efficienza del pellet di catalizzatore e dell’equilibrio liquido-vapore per considerare la presenza di un’eventuale fase liquida. Il catalizzatore utilizzato per la sintesi di Fischer-Tropsch è stato sviluppato dall’Università degli Studi di Milano ed è a base di cobalto e promosso con rutenio. È stata effettuata una regressione non lineare sui dati provenienti da prove di laboratorio per stimare i parametri cinetici di questo nuovo catalizzatore. Le sezioni di lavaggio, addolcimento e compressione del syngas sono considerate all’interno dell’impianto. L’impianto completo viene simulato sfruttando la connessione tra MATLAB®, GASDS and HYSYS®V8.8. Dato l’elevato dettaglio della simulazione della sezione di gassificazione, viene proposta una regressione sui risultati delle simulazioni per ridurre i tempi di calcolo. Una valutazione tecno-economica è condotta sull’impianto considerando il possibile staging del reattore di Fischer-Tropsch. Quattro configurazioni vengono confrontate al fine di determinare quella più conveniente. Futuri sviluppi di questo lavoro possono essere lo studio della possibile conversione degli impianti già presenti nel distretto chimico di Mantova e il confronto con altri processi bio candidati per la riqualificazione del sito secondo le direttive del progetto BioMAN.