Testing, modeling and performance evaluation of a sewage sludge fluidized bed gasifier

Biomass is one of the main alternative sources of energy and its use has been gaining more attention in the last decades. Sewage sludge, in particular, is produced at a fast pace by wastewater treatment plants; a good way to process it consists in gasification for syngas production. Fluidized bed gasifiers are appropriate for this purpose, as they achieve conditions comparable to perfect mixing, between biomass and gasifying agent, thus allowing for a good heat and mass transfer. By performing experiments on a laboratory scale plant, it was possible to collect data and information to develop a model of the process. This study focuses on equilibrium-based modeling, which uses Gibbs free energy minimization to calculate the syngas composition. By dividing the process in multiple steps, also taking account for non-equilibrium corrections, a simulation of the system capable of reflecting reality was elaborated. Validation against experimental data sets and an extensive sensitivity analysis were carried out. Predictions of the overall performance and efficiency of sewage sludge gasification helped in the evaluation of the optimal operating conditions, in order to produce high quality syngas.

La biomassa è una delle principali fonti alternative di energia e il suo utilizzo ha suscitato via via più attenzione negli ultimi decenni. I fanghi da acque reflue, in particolare, sono prodotti in grande quantità dagli impianti di depurazione e possono essere sfruttati in modo vantaggioso tramite gassificazione, per la produzione di syngas. I gassificatori a letto fluido risultano particolarmente adatti a tale scopo, poiché operano a condizioni paragonabili a miscelazione perfetta, fra biomassa e agente gassificante, permettendo un buon trasferimento di massa e energia. Eseguendo esperimenti su di un impianto in scala di laboratorio, è stato possibile ottenere dati e informazioni per sviluppare un modello per questo tipo di processo. Il presente studio si concentra sulla modellazione basata sull’approccio di equilibrio, che fa uso della minimizzazione dell’energia libera di Gibbs per calcolare la composizione del syngas. Suddividendo il processo in molteplici stadi, anche tenendo conto di correzioni di non equilibrio, si è elaborata una simulazione del sistema di gassificazione, in grado di riflettere la realtà. Sono state effettuate una validazione del modello con più set di dati sperimentali e un’estesa analisi di sensitività. Le predizioni della performance e dell’efficienza della gassificazione di fanghi da acque reflue hanno aiutato nella valutazione delle condizioni operative ottimali, per una produzione di syngas di alta qualità.