Catalytic partial oxidation of ethanol for small scale applications : effect of flue gas recycling

Catalytic partial oxidation (CPO) of ethanol-water-CO2 mixture is studied as a representative of flue gas recycling for a small-scale distributed production of syngas. Experiments are performed on an adiabatic reactor on honeycomb monoliths coated with Rh/α-Al2O3 catalyst. In order to understand the behavior of the homogenous and the heterogeneous reactions taking place in the CPO, the gas and the solid phases temperatures are measured to evaluate the temperature profiles along the catalytic monolith. Moreover, axial composition profiles are measured by analyzing samples collected in situ using a capillary tube. By comparing the temperature and composition profiles resulting from different feed conditions with the benchmark profiles obtained by using methane as a reference fuel, a solid understanding of the process and the deactivation of the catalyst is possible. Moreover, temperature programmed oxidation (TPO) test is used to identify the degradation mechanisms of the catalysts. The effect of tail gas recycling is studied also through a computational analysis performed a on solid oxide fuel cell auxiliary power unit (SOFC-APU) modelling the effect of different working conditions.

Durante questo lavoro di tesi, l’ossidazione parziale catalitica (CPO) di una miscela di etanolo, acqua e anidride carbonica è studiata per rappresentare l’effetto di ricircolo di gas di scarico sulla produzione distribuita di gas di sintesi su piccola scala. Le prove sperimentali sono condotte in un reattore adiabatico su monoliti a nido d’ape ricoperti da uno strato catalitico di Rh/α-Al2O3. Per comprendere il comportamento delle reazioni omogenee ed eterogenee che avvengono durante la CPO, sono effettuate misure di temperatura della fase gassosa e di quella solida, delineando il profilo termico lungo il catalizzatore monolitico. Sono inoltre determinati i profili assiali di composizione delle specie presenti in fase gas, analizzando campioni estratti in situ con l’utilizzo di un capillare. Tramite il confronto dei profili di temperatura e composizione provenienti da diverse miscele reagenti e differenti catalizzatori con i profili ottenuti utilizzando il metano come combustibile di riferimento, è possibile caratterizzare nel dettaglio il processo di CPO e di disattivazione del catalizzatore. Infine, prove di ossidazione a temperatura programmata (TPO) sono svolte allo scopo di identificare il meccanismo di degradazione dello strato catalitico. Il ricircolo dei gas di scarico è studiato anche attraverso un’analisi computazione su una unità di potenza ausiliaria combinata ad una cella combustile a ossidi solidi, valutando l’impatto di differenti condizioni di lavoro.