Process design of a novel process for food residues treatment for biomethane production

The rising volume of food waste (FW) presents significant environmental and economic challenges. Gasification offers a possible pathway to convert FW into valuable products. This thesis investigates the feasibility of biomethane production from FW through gasification, leveraging on an introductory literature review to characterize food waste gasification pilot plants and relevant coal and biomass gasification plants for methane production. Within the study, a conceptual design of a low maturity FW-to-Biomethane process has been carried out and characterized in Aspen Plus® environment. Two scenarios have been analyzed, the first one using 100% FW and the second one based on a feedstock which accounts for 60% biomass and 40% FW. Starting from the same inlet mass flow rate (6250 kg/h), the first scenario produced 2464 kg/h of biomethane – more than the 1522 kg/h from the mixed-feed case – while the CH4 concentration in the product gas was higher for the mixed-feed scenario (85% vs. 80%). Energy consumption was also evaluated, with total electric demand reaching 0.51 MWh/t of feedstock for the 100% FW scenario and 0.46 MWh/t of feedstock for the biomass+FW scenario in the absence of heat integration. Respective energy yields have been accounted, and they are equal to 75.3% for 100% FW scenario and 72% for biomass+FW scenario, confirming the strict dependence with feedstock composition.

L’aumento dei rifiuti alimentari (FW) rappresenta una sfida ambientale ed economica significativa. La gassificazione offre un'opportunità per convertire i FW in prodotti di valore. Questa tesi indaga la fattibilità della produzione di biometano dai FW tramite gassificazione, basandosi su una revisione della letteratura per caratterizzare gli impianti pilota di gassificazione dei FW e i principali impianti di gassificazione di carbone e biomassa destinati alla produzione di metano. All'interno dello studio, è stato sviluppato e caratterizzato un progetto concettuale di un processo FW-to-Biometano a bassa maturità, simulato nell’ambiente Aspen Plus®. Sono stati analizzati due scenari: il primo utilizza il 100% di FW, mentre il secondo prevede una miscela composta dal 60% di biomassa e dal 40% di FW. Partendo dallo stesso flusso di massa in ingresso (6250 kg/h), il primo scenario ha prodotto 2464 kg/h di biometano – più dei 1522 kg/h del caso misto – mentre la concentrazione di CH4 nel gas prodotto era maggiore nello scenario misto (85% contro 80%). È stato inoltre valutato il consumo energetico: la domanda elettrica totale ha raggiunto 0,51 MWh/t di materia prima per il 100% di FW e 0,46 MWh/t di materia prima per lo scenario biomassa+FW, in assenza di integrazione termica. I rispettivi rendimenti energetici sono stati calcolati e risultano pari al 75,3% per lo scenario 100% FW e al 72% per lo scenario biomassa+FW, confermando la stretta dipendenza dalla composizione del carico.