Development of a CFD-based computational framework for the multiscale simulation of biomass pyrolysis in packed beds

Nowadays, the energy transition is a pivotal issue for reducing the environmental impact caused by GHG emissions. To support this shift, innovative processes using renewable energy and sustainable raw materials are essential. This is even more crucial for developing countries, where the transition is complicated by limitations in accessing modern energy services. Bioenergy, derived from renewable raw materials through clean and efficient thermal processes like pyrolysis, is widely recognized as a promising technological solution. However, biomass pyrolysis is a complex process where multiple phenomena, spanning a broad range of different scales, occur simultaneously. At the molecular scale, biomass composition and diversity play a crucial role in devolatilization chemistry. At the particle scale, transport processes determine the local thermochemical conditions and depend on biomass particle size, physical properties, shape, and topology. At the reactor scale, particle shrinking, movement and transport phenomena influence the system's performance. The development of innovative process solutions requires a deep understanding of the interactions between chemistry, transport, and the system's geometrical properties. Multiscale Modeling is widely acknowledged as a promising route to gaining detailed insights into reactor and process behavior, achieved through a first-principles approach based on the fundamental governing equations at each scale. This work aims to develop a Computational Fluid Dynamics-based framework for detailed multiscale simulations of biomass pyrolysis in packed bed reactors. The block-off method is employed to account for the fluid and solid phases in the simulations according to a single-field approach. Biomass chemistry is described using the operator-splitting technique. The numerical framework has been assessed through direct comparison with analytical solutions, experimental data, and simulations available in the literature. As a result, the framework is able to accurately describe the intricate coupling between transport and chemistry in biomass pyrolysis. The framework was then employed for preliminary calculations during the design of a household pyrolysis furnace in the context of the CHAR:ME project, based in Madagascar, which aims to develop sustainable biochar production using locally produced biomass pellets made from sawdust and woodworking waste. Initially, the framework was used to simulate a single biomass pellet of arbitrary shape to observe its behavior under varying operating conditions, providing guidelines on pyrolysis duration and product distribution. It was then applied in the preliminary analysis of furnace geometry, helping to elucidate the effect of the technological solution on the process. In conclusion, this work develops a robust and assessed numerical framework for multiscale biomass pyrolysis simulations, capturing the complex interplay of chemistry and transport. Its application within the CHAR:ME project demonstrates its potential for real-world use while laying the groundwork for future model improvements, including the consideration of pellet shrinking and falling, as well as the implementation of both gas-phase homogeneous and heterogeneous chemistry.

Oggi, la transizione energetica è più che mai un tema cruciale per ridurre l'impatto ambientale delle emissioni di gas serra. Per facilitare questo processo, sono necessari metodi innovativi basati su fonti di energia rinnovabile e materie prime sostenibili, soprattutto nei paesi in via di sviluppo, dove l'accesso ai servizi energetici moderni è spesso limitato. La bioenergia, prodotta da materie prime rinnovabili tramite processi termici puliti ed efficienti come la pirolisi, è considerata una soluzione tecnologica promettente. Tuttavia, la pirolisi della biomassa è un processo complesso che coinvolge fenomeni su diverse scale. A livello molecolare, la composizione e la varietà della biomassa condizionano le reazioni chimiche durante la devolatilizzazione. A livello di pellet, i processi di trasporto regolano le condizioni termochimiche locali e dipendono dalle dimensioni, dalle proprietà fisiche, dalla forma e dalla topologia della biomassa. Infine, su scala di reattore, la riduzione e il movimento dei pellets, insieme ai fenomeni di trasporto, influenzano le prestazioni del sistema. Per sviluppare soluzioni innovative, è fondamentale comprendere a fondo le interazioni tra chimica, trasporto e proprietà geometriche. La modellazione multiscala rappresenta un'opzione promettente per comprendere a fondo il comportamento del reattore e del processo, grazie a un approccio fondato sui principi primi, ovvero sulle equazioni fondamentali che governano ogni scala. Questo lavoro ha l'obiettivo di sviluppare un framework basato sulla fluidodinamica computazionale (CFD) per simulazioni multiscala dettagliate della pirolisi di letti impaccati di biomassa. Il metodo 'block-off' viene utilizzato per gestire le fasi gassosa e solida nelle simulazioni, seguendo un approccio 'single-field'. La chimica della decomposizione della biomassa è gestita attraverso la tecnica dell'operator-splitting. Il framework numerico è stato validato attraverso un confronto diretto con soluzioni analitiche, dati sperimentali e simulazioni presenti in letteratura. I risultati dimostrano che il framework è in grado di descrivere accuratamente l'intricato rapporto tra trasporto e chimica nella pirolisi della biomassa. Successivamente, è stato utilizzato per calcoli preliminari durante la progettazione di un forno domestico per pirolisi nell'ambito del progetto CHAR:ME, con sede in Madagascar, il cui obiettivo è sviluppare una produzione sostenibile di biochar utilizzando pellet di biomassa locale a base di segatura e scarti di lavorazione del legno. In una prima fase, il framework è stato impiegato per simulare il comportamento di un singolo pellet di biomassa in diverse condizioni operative, fornendo indicazioni sulla durata del processo e sulla distribuzione dei prodotti di pirolisi ottenibili. Successivamente, è stato utilizzato per l'analisi preliminare della geometria del forno, andando a chiarire l'impatto delle soluzioni tecnologiche sul processo. In conclusione, questo lavoro ha portato allo sviluppo di un framework numerico robusto e validato per le simulazioni multiscala della pirolisi della biomassa, in grado di cogliere la complessa interazione tra chimica e trasporto. L'applicazione nel progetto CHAR:ME evidenzia il suo potenziale per impieghi concreti, aprendo la strada a futuri miglioramenti del modello, come la considerazione della riduzione e caduta dei pellet e l'implementazione della chimica omogenea in fase gassosa ed eterogenea.