A reduced order model for predicting the impact of residence time distribution and unmixedness of thermochemical energy conversion systems

Today's primary energy supply is still dominated by the fossil fuels, even if investments on renewable sources are increasing and energy policies are becoming stricter. The aim of this work is to produce a dynamic reduced order model (ROM) flexible and accurate to analyse the impact of a residence time distribution and unmixedness on the most popular thermochemical energy conversion systems: gas turbine combustor, partial oxidation reactor and only with future researches on biomass gasification. This model uses the GRImech3.0 in a Cantera network of CSTRs. The analysis starts with the prediction of the NOx and CO emission behaviour for a gas turbine combustor modifying inlet parameters (temperatures, pressure, residence time, equivalence ratio), then wet and dry emissions controls are simulated. After this first analysis, the impact of a residence time distribution and a grade of unmixedness is studied. Similar analysis has been made on high temperature and pressure partial oxidation where the subject of study has been the efficiency H2/CO and the methane conversion, as in the previous case, modifying the reactants inlet parameters and the distribution residence time and the grade of unmixedness. A synthetic investigation is given for the case of gasification where the kinetic mechanism and the issues with the software are studied. The possibility to set-up a large variety of parameters and, consequently, to elaborate a large number of results at near real-time, makes this ROM a powerful tool for the design of a reactor and it suggest the kinetic-optimum conditions for the transformations involved.

L'approvvigionamento di energia primaria odierna è ancora dominato dai combustibili fossili, anche se gli investimenti in materia di fonti rinnovabili sono in aumento e le politiche energetiche stanno diventando sempre più severe. Lo scopo di questo lavoro è quello di creare un modello di ordine ridotto (ROM) flessibile e preciso che analizzi l'impatto della distribuzione del tempo di residenza e del grado di non-miscelamento nei sistemi di conversione termochimica dell'energia più diffusi: ovvero in un bruciatore di una turbina a gas, in un reattore di ossidazione parziale e, dopo futuri sviluppi, in un gassificatore per biomassa. Questo modello utilizza il GRImech3.0 sfruttando una rete di CSTR sul software Cantera. L'analisi inizia con la previsione del comportamento delle emissioni di NOx e CO in un combustore modificando i parametri in ingresso (temperatura, pressione, tempo di residenza, rapporto di equivalenza), dopodiché sono simulate le configurazioni per il controllo delle emissioni (sia wet che dry). Dopo questa prima analisi viene studiato l'impatto di una distribuzione dei tempi di residenza e del grado di non-miscelamento. Allo stesso modo è stata poi effettuata un'analisi nel caso di ossidazione parziale ad alta pressione e temperatura, dove l'oggetto di studio è il parametro H2/CO sul gas prodotto e la conversione del metano. Come nel caso del combustore, si è iniziato modificando i parametri in ingresso, dopodiché è stato studiato l'impatto dellla distribuzione del tempo di residenza e del grado di non-miscelamento. . Un'indagine sintetica è stata svolta per il caso della gassificazione, nella quale viene selezionato il meccanismo cinetico integrabile col modello e i problemi derivanti dal limite di Cantera e le possibili soluzioni. La possibilità di configurare una grande varietà di parametri e, conseguentemente, di elaborare un gran numero di risultati quasi in tempo reale, rende questo ROM un flessibile strumento per la progettazione di un reattore, attraverso il quale vengono suggerite le condizioni cinetiche ottimali per le trasformazioni studiate.