Riassunto analitico
La ricerca scientifica mirata allo sviluppo e valutazione di soluzioni innovative nel campo delle biomasse destinate alla produzione di energia, ha assunto ormai un ruolo cardine nello scenario energetico mondiale. Di fatto, il costante aumento della domanda di energia primaria, così come il suo costo, sta portando alla creazione di complesse strategie di sviluppo ed incentivazione sia a livello nazionale sia internazionale.
Questo lavoro di tesi nasce con lo scopo di analizzare l'impiego di biomasse legnose all’interno di gassificatori downdraft stratificati per la produzione di energia elettrica.
Anzitutto sono state confrontate le diverse tecnologie attualmente adottate per la conversione in energia di biomasse ligno-cellulosiche. Definiti i parametri fondamentali per l'individuazione di un punto di ottimo, sono stati presentati i vantaggi termodinamici legati all'adozione di gassificatori, indicandone i principi di funzionamento e ponendo particolare attenzione ai reattori a letto fisso di tipo downdraft stratificati.
Sono stati studiati ed instrumentati reattori di diversa taglia, dal lab-scale all'impianto industriale, al fine di acquisirne i principali parametri termo-chimici. Diverse metodologie di misura sono state adottate in funzione della taglia del reattore e della sua destinazione d'uso.
I gassificatori così analizzati sono stati modellati matematicamente seguendo diversi approcci: dai bilanci energetici e di massa fino a modelli di cinetica chimica. Durante la campagna sperimentale è stata posta particolare attenzione nello sviluppo di metodi di analisi del contento di catrami e della composizione del gas tramite metodi basati sulla calorimetria.
Scalando le equazioni utilizzate per la modellazione dei reattori è stato possibile individuarne un aspetto peculiare: il diametro del gassificatore non è considerato parametro influente sulle performance del reattore. Questo risultato è in contrasto con quanto ottenuto sperimentalmente, pertanto si è posta l'attenzione su questo aspetto, permettendo di distinguere cause reologiche e termodinamiche che intervengono nel processo di scala.
I risultati ottenuti in questo lavoro hanno evidenziato la capacità di questi reattori d’essere impiegati in una molteplicità di situazioni, anche ove altri gassificatori hanno evidenti limiti operativi.
I vantaggi e gli svantaggi legati alla tecnologia studiata sono stati esposti e discussi, presentando infine alcune soluzioni innovative per l'impiego di questi reattori, specie per l'utilizzo di gassificatori di piccola taglia.
|
Abstract
Research on the utilization of biomasses for energy purposes is playing a key role for the assessment and the development of new solutions for the world energy scenario. In fact, the demand and price of primary energy are constantly increasing, along with the development of new national and international strategies providing incentives and development policies for renewable technologies. This work aims at investigating the biomass gasification in downdraft stratified reactors used for energy production. First, different solutions for the production of electrical energy starting from woodsy biomasses are discussed, pointing out the major parameters involved in the pursuit of an optimal solution. Then, the technologies and principles of gasification are explained focusing on downdraft stratified reactors.
Different reactors are analyzed, ranging from lab-scale to full-scale power-plant stratified gasifiers: the main thermo-chemical parameters have been acquired adopting different methods and instruments depending on the reactor scale and ultimate aim. The reactors are modeled using different approaches: from energy and mass balances to kinetic chemical modeling. During the experimental campaigns, particular attention has been paid to the development of a calorimetric approach for tar content evaluation and gas composition calculation.
The scaling of the equation set used in the stratified reactors modeling highlights a distinctive feature of the modeling approach. The diameter of the gasifier seems to have no influence on the reactor performance, despite experimental data acquired during this work had provided different results. For this reason, the influence of the diameter on the behavior of the gasifiers is investigated and its correlation with thermal and rheological parameters is discussed.
Results show the capability of these reactors to be used under several operating conditions, even where other gasifiers have running difficulties.
Advantages and disadvantages of this technology are discussed, some new solutions for downdraft reactors are proposed, with an emphasis on micro-scale application.
|
