Progressi nel condizionamento del gas di sintesi per impianti di gassificazione di piccola taglia

The transition towards sustainable energy development involves the efficiency improvement of the processes, the current technologies, and the ever increasing use of renewable energy sources. In this scenario, biomasses have the potential to constitute a low environmental impact energy reservoir that can be used in the combined production of electrical and thermal energy. Among the different methods of energy conversion of lignocellulosic biomass, gasification applied to CHP gensets emerges due to the high electrical efficiency and scalability, which make it applicable also outside purely industrial contexts. The key to large-scale using of small-scale gasification plants lies in the ability to produce simple and effective filtration systems with a low maintenance cost. In order to pursue these objectives it is essential to have a deep knowledge of the phenomena of multiphase fluid dynamics, as well as of the thermal exchanges that take place in gasification plants. To this end, this thesis work is divided into two sections: the first in which the theoretical frame of reference is constructed, aimed at defining the thermo-fluid dynamic variables at stake, and a second operative part in which a series of solutions are proposed, ranging from hot filtration, up to the use of biological means to reduce pollutants. Specifically, the first chapter will introduce the different processes and technologies available for the energy conversion of biomasses, including them in the broader European renewable energy scenario. The gasification process of woody biomasses for the production of electricity will be described, reviewing the main components common to this type of plant. The key theme of this thesis will therefore be anticipated by describing the currently available techniques for the filtration of the syngas, focusing on the methods of conditioning its physical properties. The second chapter will deal with the effects of pollutants, present in the syngas, on the mechanical parts of internal combustion engines thus fueled. The psychrometric approach, supported by computational methods, will allow to know the optimal conditions for a safe operation of these generators. The third chapter will describe the experimental characterization of a filter made with biochar from gasification, carried out on a micro biomass CHP plant. This study will lay the foundations for what will be discussed in the next chapter, namely the design and study, both experimental and numerical, of a heat exchanger for synthesis gas. The fifth and sixth chapters will finally describe the most recent research activities that led to both the experimentation of polymer filter bags for a commercial small-scale gasifier, and the investigation in the field of micro-algae for the realization of a syngas water scrubbing system aimed at eliminating the pollutants present therein. During the discussion, the critical issues and potentialities encountered in the use of the various syngas conditioning systems will be exposed. The definition of key thermo-fluid dynamic parameters will result in the simplification of the initial multiphase system, building a solid starting point for the continuous improvement of these technologies.

La transizione verso uno sviluppo energetico sostenibile passa attraverso l’efficientamento dei processi, delle tecnologie presenti, e il sempre più largo impiego di fonti energetiche rinnovabili. In questo scenario, le biomasse hanno il potenziale di costituire un serbatoio di energia a basso impatto ambientale che può essere impiegato nella produzione combinata di energia elettrica e termica. Tra i diversi metodi di conversione energetica delle biomasse lignocellulosiche, la gassificazione applicata a gruppi cogenerativi emerge per gli elevati rendimento elettrico e scalabilità, che la rendono applicabile anche al di fuori di contesti prettamente industriali. La chiave per l'impiego su larga scala di impianti di gassificazione di piccola taglia risiede nella capacità di produrre sistemi di filtrazione semplici, efficaci e dal costo di gestione contenuto. Per poter perseguire tali obiettivi è fondamentale avere una profonda conoscenza dei fenomeni di fluidodinamica multifase, così come degli scambi termici che avvengono negli impianti di gassificazione. A tal fine questo lavoro di tesi si articola in due parti: la prima in cui si costruisce il quadro teorico di riferimento, volto a definire le variabili termofluidodinamiche in gioco, e una seconda parte operativa in cui vengono suggerite una serie di soluzioni che spaziano dalla filtrazione a caldo, fino all'impiego di mezzi biologici per l'abbattimento degli inquinanti. Nello specifico, il primo capitolo introdurrà i diversi processi e tecnologie disponibili per la conversione energetica delle biomasse, inserendole nel più ampio scenario europeo delle energie rinnovabili. Sarà descritto il processo di gassificazione delle biomasse legnose per la produzione di energia elettrica, passando in rassegna le principali componenti comuni a questo tipo di impianti. Verrà quindi anticipato il tema cardine di questa tesi descrivendo le tecniche attualmente disponibili per la filtrazione del gas di sintesi, soffermandosi sui metodi di condizionamento delle proprietà fisiche del gas. Il secondo capitolo tratterà gli effetti degli inquinanti, presenti nel gas di sintesi, sugli organi meccanici dei motori alternativi così alimentati. L’approccio psicrometrico, supportato da metodi computazionali, permetterà di conoscere le condizioni ottimali per un funzionamento in sicurezza di tali generatori. Nel terzo capitolo si descriverà la caratterizzazione sperimentale di un filtro realizzato con biochar da gassificazione, condotta su un micro cogeneratore a biomassa. Questo studio getterà le basi per quello che sarà trattato nel capitolo successivo, ovvero la progettazione e lo studio, sia sperimentale che numerico, di uno scambiatore di calore per gas di sintesi. Nel quinto e sesto capitolo verranno infine descritte le più recenti attività di ricerca che hanno portato sia alla sperimentazione di uno stadio filtrante a sacchi in polimero per un micro cogeneratore a biomassa commerciale, sia all’indagine nel campo delle micro-alghe per la realizzazione di un impianto di lavaggio del gas di sintesi volto all’abbattimento degli inquinanti in esso presenti. Nel corso della trattazione saranno esposte le criticità e le potenzialità riscontrate nell'utilizzo dei diversi sistemi di condizionamento del gas di sintesi. La definizione di parametri termofluidodinamici chiave risulterà nella semplificazione del sistema multifase iniziale, costruendo una solida base di partenza per il continuo miglioramento di queste tecnologie.