Process simulation of a plant for dimethyl ether production from biomass through a sorption enhanced gasification system

The use of biomass is currently gaining interest in the perspective of reducing the environmental impact of the transportation sector. In the present work, its exploitation for the production of a fuel alternative to diesel, dimethyl ether (DME), has been analyzed. A gasification process is required in order to convert wood chips into a producer gas, named syngas, to be used as feed for the DME synthesis reactor. In this thesis, a novel dual fluidised bed gasification system, based on the use of calcium oxide as CO2 sorbent in bed material, has been taken into consideration to directly adjust syngas composition. A nitrogen free syngas is obtained by using an additional fluidised bed reactor as combustor to heat bed material, before it is recirculated to the first reactor. Literature data have been reviewed to select a proper drying system for wood chips and cleaning technologies to remove particulate matter and pollutants from syngas. After conditioning, syngas is converted to DME. A distillation process is necessary to recover DME with the purity required for fuel application. ASPEN Plus software has been used to develop a model and predict DME production, in order to evaluate the performance of the biomass to liquid process. Syngas composition is calculated by assuming a certain approach to the equilibrium of water gas shift reaction; experimental data have been used to estimate the amount of unconverted carbon that will be used as heat supply in the combustor. A CaO conversion model from literature has been implemented to account for captured CO2. In DME synthesis, an approach to chemical equilibrium has been used to calculate products distribution. Three plant layouts have been considered regarding different syngas conditioning processes and utilisation of unconverted syngas from synthesis section. A recovery steam cycle has been implemented for electricity co-production. Gasification behaviour has been evaluated at different operating conditions: resulting cold gas efficiency ranges from 60 to 70%. Regarding DME production, efficiencies are 30-45% of biomass LHV, the highest one being obtained when unconverted syngas is recycled to the synthesis reactor.

Nel presente lavoro, si valuta l’efficacia di un processo di produzione di DME, un combustibile alternativo al diesel, da biomassa. È necessario un processo di gassificazione per convertire la biomassa in gas di sintesi. È stato considerato un sistema di gassificazione a due letti fluidi che sfrutta ossido di calcio come sorbente per sottrarre CO2 dalla fase gassosa e influenzare direttamente la composizione del gas. Il ricircolo di materiale solido, riscaldato nel secondo letto, permette di sostenere termicamente il processo e ottenere un gas privo di azoto. Una ricerca bibliografica è stata condotta per selezionare un appropriato sistema di asciugatura della biomassa e tecnologie adatte a rimuovere gli inquinanti presenti nel gas. Quindi, il gas viene inviato nel reattore di sintesi e convertito in DME. È necessario un processo di distillazione per ottenere DME con una purezza adeguata all’utilizzo come combustibile. Il software ASPEN Plus è stato utilizzato per sviluppare un modello e stimare la produzione di DME, al fine di valutare la prestazione del processo. La composizione del syngas viene determinata assumendo una certa distanza dall’equilibrio chimico per la reazione di water gas shift. Per calcolare la conversione dell’ossido di calcio e determinare la quantità di CO2 catturata è stato utilizzato un modello proposto in letteratura. La distribuzione dei prodotti nella sintesi del DME è stata calcolata assumendo una certa distanza dall’equilibrio chimico per le reazioni coinvolte. Sono state analizzate tre diverse configurazioni di impianto per quanto concerne il processo di condizionamento del gas ottenuto e l’utilizzo dei reagenti non convertiti nel reattore di sintesi. Un ciclo a vapore è stato implementato per sfruttare le sorgenti termiche di scarto e produrre elettricità. Il comportamento del gassificatore è stato valutato in differenti condizioni operative: la CGE ottenuta varia tra il 60 e il 70%. Per l’intero impianto, l’efficienza di produzione del DME è pari al 30-45% del contenuto energetico della biomassa; il risultato più alto è stato ottenuto quando il gas non convertito viene ricircolato al reattore di sintesi.