Modelling and simulation of food waste matrices subjected to gasification conditions

Food waste is one of the most common by-products of modern society. When disposed of in landfills, it decomposes under anaerobic conditions and releases methane, a greenhouse gas with high climate impact. However, food waste contains valuable chemical energy in carbohydrates, fats, and proteins that can be recovered through thermochemical conversion. This thesis investigates the feasibility of converting food waste into syngas using an updraft gasifier modelled in GASDS. The work was conducted using GASDS simulation software, which was originally developed mostly for plant-based biomass using standard pseudocomponents (CELL, LIGH, LIGC), but which cannot accurately represent food waste. The main challenge was adapting the simulation framework to handle food waste's high moisture, diverse biochemical composition, and variable characteristics. Three new pseudocomponents were developed to represent food waste: FOOD1 for carbohydrates, FOOD2 for fats, and FOOD3 for proteins. Two decomposition pathways were tested to determine, which approach provided results closer to the experimental data, particularly in terms of cold gas efficiency and syngas composition. Three representative waste types were analysed: fat-rich, carbohydrate-rich, and protein-rich food waste. Each was first simulated under a baseline configuration, then optimized individually to achieve stable gasification to enable fair comparison of gasification performance, syngas quality, and carbon conversion efficiency. Fat-rich waste showed the most stable and complete conversion. By contrast, carbohydrate-rich waste required increased feed temperature and radiant heating to achieve stable operation, while protein-rich waste required both higher feed rate and reduced air flow to establish fuel-rich gasification conditions. The results show that feedstock composition, particularly carbon and ash content have a strong influence on gasification stability and syngas yield. The pseudocomponent approach successfully captured gasification behaviour across diverse food waste compositions, demonstrating that updraft gasification offers an effective pathway for converting food waste into energy, while simultaneously reducing landfill methane emissions.

I rifiuti alimentari sono uno dei sottoprodotti più comuni della società moderna. Smaltiti in discarica, si decomposono in condizioni anaerobiche rilasciando metano, un gas serra ad alto impatto climatico. Tuttavia, i rifiuti alimentari contengono preziosa energia chimica in carboidrati, grassi e proteine, recuperabile tramite conversione termochimica. Questa tesi indaga la fattibilità della conversione di rifiuti alimentari in syngas mediante un gassificatore updraft modellato in GASDS. Il software GASDS era stato sviluppato principalmente per biomassa vegetale, utilizzando pseudocomponenti standard (CELL, LIGH, LIGC), che non rappresentano accuratamente i rifiuti alimentari. La sfida principale consisteva nell'adattare il sistema di simulazione per gestire l'elevata umidità, la composizione biochimica diversificata e le caratteristiche variabili dei rifiuti alimentari. I risultati della simulazione sono stati validati utilizzando dati sperimentali da letteratura su gassificatori updraft. Sono stati sviluppati tre nuovi pseudocomponenti: FOOD1 per i carboidrati, FOOD2 per i grassi e FOOD3 per le proteine. Due percorsi di decomposizione sono stati testati per determinare quale approccio fornisse risultati più vicini ai dati sperimentali, in particolare in termini di efficienza del gas freddo e composizione del syngas. Tre tipologie rappresentative di rifiuti sono state analizzate: ricchi di grassi, di carboidrati e di proteine. Ciascuna è stata prima simulata in una configurazione di base, poi ottimizzata individualmente per raggiungere una gassificazione stabile, al fine di consentire un confronto equo delle prestazioni. I rifiuti grassi hanno mostrato la conversione più stabile e completa. Al contrario, i rifiuti carboidratici hanno richiesto un aumento della temperatura di alimentazione e il riscaldamento radiante per raggiungere condizioni stabili, mentre quelli proteici hanno richiesto una maggiore portata di alimentazione e una riduzione del flusso d'aria. I risultati mostrano che la composizione della materia prima, in particolare il contenuto di carbonio e ceneri, influenza fortemente la stabilità della gassificazione e la resa in syngas. L'approccio con pseudocomponenti ha catturato con successo il comportamento di gassificazione di diverse composizioni di rifiuti alimentari, dimostrando che la gassificazione updraft rappresenta una via efficace per convertire i rifiuti alimentari in energia, riducendo allo stesso tempo le emissioni di metano dalle discariche.