Modelling of electrified biomass gasifier for Biomass-to-X processes

Following a literature review that identified biomass gasifier electrification as an innovative and emerging research topic, it was found that studies in this field, particularly those focused on modeling and industrial-scale applications, are notably scarce. Dealing with modelling, simulation and analysis of technologies for the conversion of biomass into syngas through gasification, this thesis seeks to address that gap by evaluating the potential benefits of integrating electrification into biomass gasification, specifically in the framework of Biomass-to-X applications. Through detailed 1D modelling and simulation, this research study explores the electrification of CFB biomass gasifiers, achieved by incorporating resistive heating elements inside the walls to satisfy the requested thermal load, as an alternative to the combustion of part of the biomass feed, granting significant biomass savings. Comparative analysis with traditional gasifiers shows enhanced syngas quality, higher energy efficiency, and higher syngas module suited for methanol synthesis. Even operating in a low-oxygen environment, the electrified CFBBG achieves high values of char conversion due to a prolonged residence time obtained by exploiting the solid recirculation. 1D profiles of gas species molar fractions, rates of the main reactions and many physical properties are studied, improving the data analysis to understand the peculiarities of the e-gasifier. Simulations indicate that the e-gasifier operates efficiently across nominal and partial loads (up to 50%) with minimal efficiency loss, if temperature remains near nominal levels (850 °C). Flexibility is evaluated under limited biomass availability or electricity constraints, thus enabling dual partialization. The range considered is 50-100 MWth of biomass feed and 9.5-21 MWel of electric power. Several layouts of electrical resistive heaters are explored, suggesting that concentrating heating in the bottom section, where bed density and reaction activity are highest, optimizes temperature profiles and reaction rates. Nevertheless, technological constraints of high-temperature heating elements pose challenges. A reconciliation of data from the 1D model with Aspen Plus® process modelling is achieved obtaining similar syngas compositions and electrical heating power inputs. Further electrification of the process is proposed including an electrically heated reformer to complete the conversion of CH₄, C₂H₄ and tar to useful products for Biomass-to-X processes.

L’elettrificazione di gassificatori alimentati a biomasse è un tema di ricerca innovativo, su cui si è riscontrato un esiguo numero di studi in letteratura. Il presente lavoro di tesi, comprendente attività di modellazione, simulazione ed analisi delle tecnologie per la conversione della biomassa in gas di sintesi, si propone di inserirsi in questo contesto fornendo una valutazione dei potenziali benefici di un’elettrificazione del processo di gassificazione delle biomasse, in particolare nell’ambito Biomass-to-X. L’elettrificazione del gassificatore, di tipo CFB, è ottenuta incorporando nelle pareti delle resistenze elettriche, che soddisfano il carico termico sostituendosi alla combustione di parte della biomassa come fonte di energia, garantendo un significativo risparmio di biomassa. L’analisi comparativa con il gassificatore convenzionale dimostra maggiore efficienza energetica e migliore qualità del gas di sintesi, espressa da un valore del modulo più prossimo a quello richiesto dalla sintesi del metanolo. Nonostante l’ambiente anossico, il gassificatore elettrificato permette di raggiungere elevate conversioni del char grazie ai tempi di residenza prolungati dovuti al ricircolo dei solidi caratteristico della tecnologia CFB. I profili 1D delle specie gassose, delle velocità di reazione e di altri parametri sono riportati e analizzati nella tesi, migliorando anche l’analisi dei dati per caratterizzare le peculiarità del gassificatore elettrificato, che dalle simulazioni risulta rispondere positivamente a parzializzazioni del carico fino al 50%, con perdite di efficienza minime, purché la temperatura resti prossima alla nominale (850°C). La flessibilità è valutata in ambo i casi di limitata disponibilità di biomassa ed energia elettrica, proponendo una duplice parzializzazione nel range 50-100 MWth di biomassa e 9.5-21 MWel di potenza elettrica. Tra le configurazioni analizzate per la disposizione delle resistenze elettriche, la concentrazione della potenza nella sezione inferiore del reattore, dove la potenza assorbita dalle reazioni e la densità del letto sono maggiori, ottimizza profili di temperatura e velocità delle reazioni. Tuttavia, il basso livello di maturità di questa tecnologia pone dei problemi di temperature massime e scambio termico. Integrando i dati del modello 1D nella modellazione di processo su Aspen Plus®, si sono ottenute composizioni del gas e consumi di potenza elettrica simili. Un’ulteriore elettrificazione del processo è proposta introducendo un reformer elettrificato per completare la conversione di CH₄, C₂H₄, tar in prodotti utili ai processi Biomass-to-X.