𝐂𝐎𝟐 enhanced gasification of rice straw

Gasification of biomass plays a key role in the energy scenario nowadays. This process proceeds transforming low value feedstock into a gaseous mixture whose applications are very wide both in energetical and industrial applications. Gasification aims to maximize the production of carbon monoxide and hydrogen. It is traditionally performed through steam and air or oxygen: many studies and industrial applications highlight the positive impact of steam in terms of yield in CO and H_2. This thesis work is focused on the possibility to use CO_2 as enhancement for the gasification process. Gasification of rice straw has been studied with a thermodynamic model at first and then with a kinetic model. Gasifying agents are steam and CO_2 as enhancement. Feedstock is rice straw biomass and its flow is equal to 40.000 Kg/h; steam/biomass ratio is equal to 0.3 and carbon-dioxide/biomass is equal to 0.25. First, a thermodynamic study of the gasification of rice straw biomass through carbon dioxide and steam shows up that the mass yield in CO and H_2 is higher than performing the gasification through O_2 and steam. Thermodynamic model has been computed in MATLAB and then confirmed by a POLIMI software, DSMOKE. This approach has been useful to understand if CO_2 enhanced gasification can provide better results than the conventional gasification. A kinetic approach has been studied as well: the software is GASDS, a POLIMI software able to describe gasification taking into consideration the heterogenous and homogeneous reactions and the transport phenomena inside the reactor. Gasification has been simulated using an updraft countercurrent reactor which works at adiabatic condition externally. The first set of simulations has been performed exploiting steam and carbon dioxide as gasifying agents: the mass yield in carbon monoxide and hydrogen is higher than zero at inlet temperature higher than 1000K and the yield increases soaring the inlet temperature. At inlet temperature equal to 1500K, the SYN gas yield is equal to 6.26%. The influence of carbon dioxide in terms of the productivity of CO and H_2 has been checked performing a new simulation with N_2 instead of CO_2 as gasifying agent: the flow of the biomass is kept constant and inlet temperature is equal to 1500K. Simulation provides the mass SYN gas yield equal to 5.69%. The difference is not so much, it means that CO_2 is not very active at the operative temperature. A new set of simulation has been performed adding oxygen as gasifying agent. O_2 has been added in the gaseous stream to increase temperature inside the reactor: the goal is increasing the activity of the system, particularly the activity of the Boudouard reaction. The reactor is the same of the previous simulations but the inlet temperature of the gaseous stream is equal to 500K at steady state conditions. At O_2 is equal to 40% of stoichiometric O_2.the mass yield of CO and H_2 is equal to 39%. If the gasification is conventional (through steam and oxygen), the yield is equal to 36%. The result highlights that the use of CO_2 is positive in the gasification of the rice straw biomass but it is necessary to add oxygen as gasifying agent with carbon dioxide and steam.

La gassificazione delle biomasse svolge un ruolo importante nel panorama energetico odierno. Questo processo prevede la trasformazione di un feedstock di basso valore economico in una miscela gassosa le cui applicazioni sono molte varie sia in ambito energetico che industriale. La gasificazione ha lo scopo di massimizzare la produzione di monossido di carbonio e idrogeno per il loro elevato valor economico sul mercato. Questo processo è tradizionalmente prodotto con vapore e aria oppure ossigeno: molti studi hanno sottolineato l’impatto positivo del vapore sulla resa di CO e H_2. In questo lavoro la biomassa è paglia di riso e la sua portata è pari a 40.000 Kg/h; il rapporto Vapore/Biomassa è pari a 0.3 e il rapporto CO_2 /Biomassa è pari a 0.3. Il lavoro di tesi presente analizza la possibilità di usare anidride carbonica per migliorare il processo di gasificazione. La gasificazione della paglia di riso è stata studiata con un modello termodinamico prima e poi con un modello cinetico. Il modello termodinamico evidenzia che la gasificazione con vapore e diossido di carbonio fornisce una resa massiva in CO e H_2 maggiore rispetto al caso di gassificazione con O_2 e vapore. Il modello termodinamico è stato definito in MATLAB e confermato dal modello DSMOKE, un modello del POLIMI. Un modello cinetico è stato poi utilizzato per simulare la gassificazione in un reattore industriale: il software è il GASDS, un software POLIMI in grado di descrivere il processo considerando reazioni omogenee ed eterogenee così come i fenomeni di trasporto nel reattore stesso. Il gassificatore è un reattore updraft che lavora controcorrente. Diverse simulazioni sono state svolte. Il primo set di simulazioni è stato svolto sfruttando solo anidride carbonica e vapore come agenti gassificanti: la resa massiva in monossido di carbonio ed idrogeno è maggiore di zero per temperature superiori a 1250K: ad esempio a temperatura di ingresso pari a 1500K la resa in CO e H_2 è pari al 6.2%. Aumentando la temperatura in ingresso, ho un aumento della resa. L’influenza dell’anidride carbonica in termini di produttività di CO e H_2 è stata osservata svolgendo due ulteriori simulazioni con N_2 invece di CO_2 come agente gassificante: la portata di biomassa è mantenuta costante e la temperatura di ingresso è pari a 1500K. La resa massiva in SYN gas è pari a 5.69%- La differenza in produttività non è notevole, ciò significa che la CO_2 non è molto attiva alle condizioni operative. Un nuovo set di simulazioni è stato svolto aggiungendo ossigeno come nuovo agente gassificante. O_2 è stato aggiunto per aumentare la temperatura nel reattore: l’obbiettivo è quello di aumentare l’attività del sistema, in particolare l’attività della reazione di Boudouard. Il reattore è lo stesso delle precedenti gassificazioni e la temperatura di ingresso degli agenti gassificanti è pari a 500K allo stato stazionario. Aggiungendo una quantità di ossigeno pari al 40% dello stechiometrico alla miscela di anidride carbonica e vapore, ho una resa massiva in CO e H_2 pari al 39%. Se la gassificazione è convenzionale (con vapore e ossigeno) la resa massiva è pari al 36%. Il risultato sottolinea che l’uso di CO_2 è positivo per la gassificazione della paglia di riso ma che è necessario utilizzare anche ossigeno come agente gassificante assieme ad H_2 O e CO_2.