Design, modeling and comparison of two innovative power-biomass-to-liquid processes

Considering the urgent requirement of reducing the emissions of greenhouse gases into the atmosphere, particularly for the transportation sector, which is one of the most polluting one, the production of hydrocarbon biofuels starting from renewable carbon and energetic sources is particularly appealing as a short-term mitigation strategy. In this view, Power-Biomass-to-Liquid (PBtL) processes, which are based both on the thermochemical conversion of lignocellulosic biomass into liquid biofuels and on water electrolysis as hydrogen production strategy, can play a key role. The aim of this thesis is to design and compare two PBtL concepts for the production of Fischer-Tropsch fuels, which differ for the biomass pretreatment, in order to investigate how the gasification step, but especially the overall processes performance are affected by this difference. With respect to the state-of-the-art PBtL designs, the flowsheets proposed in this thesis are greatly simplified by removing both the reverse-water-gas-shift reactor and the acid gas removal section. This is possible by operating the gasification in specific conditions that can optimize the syngas composition, i.e. with a reduced concentration of CO2. Both design concepts were developed in detail from a technical point of view and were modeled by means of the process simulation software Aspen HYSYS V10, considering also major economic constraints. The two PBtL configurations show promising results, reaching carbon efficiencies in the order of 97 % and energy efficiencies of 60 %. The processes were also investigated from an energetic point of view, by performing the pinch analysis, from which it was possible to quantify the excess heat that can be potentially exported. Taking this into account, it is possible to further increase the energy efficiencies till a range of 73-75 %.

Considerando la richiesta urgente di ridurre le emissioni di gas a effetto serra nell'atmosfera, soprattutto per il settore dei trasporti, che è uno dei più inquinanti, la produzione di combustibili idrocarburici a partire da fonti di carbonio ed energia rinnovabili rappresenta una strategia di mitigazione a breve termine molto interessante. In questa prospettiva, i processi Power-Biomass-to-Liquid (PBtL), che si basano sia sulla conversione termochimica di biomassa lignocellulosica in combustibili liquidi sia sull'elettrolisi dell'acqua come strategia per produrre idrogeno, possono svolgere un ruolo chiave. L'obiettivo di questa tesi è di progettare e confrontare due processi PBtL per la produzione di combustibili Fischer-Tropsch, che differiscono per il pretrattamento della biomassa, così da valutare come lo step di gassificazione, ma specialmente le performance generali dei processi vengono influenzate da questa differenza. Rispetto allo stato dell'arte dei processi PBtL, i design proposti in questa tesi sono altamente semplificati, rimuovendo sia il reattore relativo alla reazione inversa di spostamento del gas d'acqua sia la sezione di rimozione dei gas acidi. Questo è possibile operando la gassificazione in specifiche condizioni che permettono di migliorare la qualità del syngas prodotto, che ha un ridotto contenuto di CO2. Entrambi gli impianti sono stati sviluppati nel dettaglio da un punto di vista tecnico e sono stati modellati attraverso il software Aspen HYSYS V10, specifico per la simulazione di processi chimici, considerando anche i più importanti vincoli economici. Le due configurazioni PBtL mostrano risultati promettenti, raggiungendo efficienze al carbonio fino al 97 % ed efficienze energetiche del 60 %. I processi sono stati anche esaminati da un punto di vista energetico, effettuando la pinch analysis, grazie alla quale è stato possibile fare una valutazione quantitativa del calore in eccesso che può essere potenzialmente esportato. Considerando questo aspetto, è possibile aumentare le efficienze energetiche fino a valori del 73-75 %.