Reactor network analysis of biomass gasification in fluidized beds

With the increasing environmental concerns, utilization of clean energy sources and reduction of pollutants have become a vital issue. Due to its high availability and integrability to existing infrastructure, biomass is an important alternative that can be used in gasification and combustion units. However, predictive modelling of these reactors is challenging due to various phenomena occurring simultaneously at different scales. CFD simulations are employed for predicting main gas species, but pollutant predictions require detailed kinetic mechanisms and application of these mechanisms in CFD simulations become usually unfeasible due to required computation times. Equivalent reactor network models are a viable option in these cases. With this approach, reactor networks are created by using simple reactor models and directing the flow between each reactor. The fluid dynamics are simplified, but detailed chemical kinetic mechanisms can be used with much more feasible computation times, allowing also the prediction of pollutants. In this work, an efficient reactor network solver, NetSMOKE, was developed in C++, which is capable of managing networks with both solid and gas reactors. The developed solver was compared with other solvers and its improvements were analysed and discussed. Model equations of units were reviewed, and various network solution strategies were examined. NetSMOKE was found to be fast with improved functionality and flexibility over the previous reactor network solvers. Finally, reactor network analysis was done on some case studies in which fluidized bed reactors were used for biomass gasification. Networks were created by either utilizing CFD data or using fluidization models, and then solved with NetSMOKE. In some cases, good agreement between experimental data and simulation results were observed, while in others, significant differences were present. Effects of various parameters on reactor network model were also discussed.

A causa delle questioni ambientali sempre più rilevanti, l’adozione di sorgenti di energia pulita e la riduzione degli inquinanti sono diventate delle questioni di importanza vitale. Per via della sua elevata disponibilità e dell’integrabilità nell’infrastruttura esistente, la biomassa è un’importante alternativa che può essere sfruttata nelle unità di gasificazione e di combustione. Tuttavia, una modellazione di tipo predittivo di tali reattori non è immediata, a causa dei vari fenomeni fisici che avvengono alle differenti scale. Simulazioni CFD sono utilizzate per predire le principali specie gassose, ma la predizione delle sostanze inquinanti richiede l’uso di meccanismi cinetici dettagliati, e l’applicazione di questi meccanismi in simulazioni CFD diventa solitamente infattibile a causa dei tempi di calcolo richiesti. Modelli di reti di reattori equivalenti sono un’opzione praticabile in questi casi. Con questo approccio, reti di reattori sono create utilizzando semplici modelli di reattori e regolando i flussi tra i vari reattori. La fluidodinamica è semplificata, ma meccanismi cinetici dettagliati possono essere utilizzati con tempi di calcolo molto più praticabili, permettendo così anche la predizione degli inquinanti. In questo lavoro, un efficiente risolutore di reti di reattori, NETSMOKE, è stato sviluppato in C++, in grado di gestire reti di reattori in fase sia gas che solida. Il risolutore sviluppato è stato confrontato con altri risolutori, e i miglioramenti ottenuti sono stati analizzati e discussi. Le equazioni dei modelli delle varie unità sono state riviste, e diverse strategie per la soluzione delle reti sono state esaminate. NETSMOKE si è rivelato particolarmente efficiente, con funzionalità e flessibilità migliorate rispetto ai risolutori precedenti. Infine, una analisi della rete di reattori è stata eseguita in alcuni casi di studio in cui letti fluidi sono stati utilizzati per la gasificazione di biomassa. Le reti sono state create o utilizzando i dati CFD o utilizzando modelli di fluidizzazione, e quindi risolte con NETSMOKE. In alcuni casi, un buon accordo tra dati sperimentali e risultati delle simulazioni è stato ottenuto, mentre in altri, differenze significative sono state osservate. Gli effetti dei vari parametri sui modelli di reti di reattori sono stati infine discussi.