Design of an indirectly fired gas turbine integrated with an organic rankine cycle unit for combined heat and power production

In the last years, the European countries have paid increasing attention to renewable sources and greenhouse emissions. The Council of the European Union and the European Parliament have established ambitious targets for the next years. In this scenario, biomass plays a prominent role since its life cycle produces a zero net carbon dioxide emission. Additionally, biomass can ensure plant operation continuity thanks to its availability and storage ability. Several conventional systems running on biomass are available at the moment. Most of them are performant either in the large-scale or in the small power range. The absence of an efficient system on the small-middle scale inspired this thesis project. The object is an innovative plant based on a wet indirectly fired gas turbine (WIFGT) integrated with an organic Rankine cycle (ORC) unit for combined heat and power production. The WIFGT is a performant system in the small-middle power range; the ORC cycle is capable of giving value to low-temperature heat sources. Their integration is investigated in this thesis with the aim of carrying out a preliminary design of the components. The targeted plant output is around 200 kW in order not to need a wide cultivation area and to avoid biomass shipping. Existing in-house simulation tools are used: They are adapted to this purpose. Firstly the WIFGT + ORC model is built; Zero-dimensional models of heat exchangers, compressor, turbines, furnace, dryer and pump are used. Different fluids are selected but toluene and benzene turn out to be the most suitable. In the indirectly fired gas turbine a pressure ratio around 4 leads to the highest efficiency. From the thermodynamic analysis the system shows an electric efficiency of 38%, outdoing other conventional plants in the same power range. The combined plant is designed to recover thermal energy: Water is used as coolant in the condenser. It is heated from 60°C up to 90°C, ensuring the possibility of space heating. Mono-dimensional models are used to design the heat exchange equipment. Different types of heat exchangers are chosen depending on the working temperature. A finned-plate heat exchanger is selected for the WIFGT heat transfer equipment due to the high temperature, oxidizing and corrosive environment. A once-through boiler with finned tubes is chosen to vaporize the organic fluid in the ORC. A plate heat exchanger is chosen for the condenser and recuperator. A quasi-monodimensional model for single-stage axial turbine is implemented to design both the WIFGT and the ORC turbine. The system simulation after the components design shows an electric efficiency around 34% with a decrease by 10% compared to the zero-dimensional analysis. The work exhibits the system potentiality compared to the existing plants from both technical and economic point of view.

Biogas and bio-hydrogen: production and uses. A review

The first part of this essay aims at investigating the already available and promising technologies for the biogas and bio-hydrogen production from anaerobic digestion of different organic substrates. One strives to show all the peculiarities of this complicate process, such as continuity, number of stages, moisture, biomass preservation and rate of feeding. The main outcome of this part is the awareness of the huge amount of reactor configurations, each of which suitable for a few types of substrate and circumstance. Among the most remarkable results, one may consider first of all the wet continuous stirred tank reactors (CSTR), right to face the high waste production rate in urbanised and industrialised areas. Then, there is the up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), aimed at the biomass preservation in case of highly heterogeneous feedstock, which can also be treated in a wise co-digestion scheme. On the other hand, smaller and scattered rural realities can be served by either wet low-rate digesters for homogeneous agricultural by-products (e.g. fixed-dome) or the cheap dry batch reactors for lignocellulose waste and energy crops (e.g. hybrid batch-UASB). The biological and technical aspects raised during the first chapters are later supported with bibliographic research on the important and multifarious large-scale applications the products of the anaerobic digestion may have. After the upgrading techniques, particular care was devoted to their importance as biofuels, highlighting a further and more flexible solution consisting in the reforming to syngas. Then, one shows the electricity generation and the associated heat conversion, stressing on the high potential of fuel cells (FC) as electricity converters. Last but not least, both the use as vehicle fuel and the injection into the gas pipes are considered as promising applications. The consideration of the still important issues of the bio-hydrogen management (e.g. storage and delivery) may lead to the conclusion that it would be far more challenging to implement than bio-methane, which can potentially “inherit” the assets of the similar fossil natural gas. Thanks to the gathered knowledge, one devotes a chapter to the energetic and financial study of a hybrid power system supplied by biogas and made of different pieces of equipment (natural gas thermocatalitic unit, molten carbonate fuel cell and combined-cycle gas turbine structure). A parallel analysis on a bio-methane-fed CCGT system is carried out in order to compare the two solutions. Both studies show that the apparent inconvenience of the hybrid system actually emphasises the importance of extending the computations to a broader reality, i.e. the upstream processes for the biofuel production and the environmental/social drawbacks due to fossil-derived emissions. Thanks to this “boundary widening”, one can realise the hidden benefits of the hybrid over the CCGT system.

Progetto e modellazione CAD di micro turbine eoliche

Progetto di due turbine eoliche di piccola potenza per alimentare utenze remote. Sia la turbina ad asse verticale che quella ad asse orizzontale sono state dimensionate andando ad ottimizzare il funzionamento per un vento di 7.5 m/s ed un carico dato da un alternatore da 500W. Entrambe le turbine sono poi state modellate al CAD e sono stati realizzati i disegni costruttivi di alcuni elementi delle stesse.

Valutazione della qualità di oli extravergini di oliva chiarificati mediante gas inerte

Diversi studi presenti in letteratura hanno messo in evidenza come il sistema di filtrazione di un olio extravergine di oliva rivesta un ruolo importante per una corretta conservazione del prodotto nel tempo; contestualmente, l’applicazione di metodi tradizionali di trattamento comporta la diminuzione di alcuni componenti minori: oltre all’allontanamento dei composti in sospensione, che concorrono a fornire l’aspetto torbido all’olio non trattato, viene allontanata acqua micro dispersa, che ha l’importante compito di solubilizzare molecole dotate di una certa polarità, principalmente fenoliche che, come noto, risultano indispensabili per la stabilità ossidativa e giocano un ruolo chiave nell’impartire all’olio extravergine di oliva alcune note sensoriali peculiari, quali l’amaro ed il piccante, percepibili in fase gustativa. Lo scopo di questo progetto sperimentale è stato di valutare la qualità chimica e sensoriale di tre oli extra vergini di oliva sottoposti ad un sistema brevettato di illimpidimento, basato sul passaggio di un flusso di gas inerte, quale l’argon, nella massa di olio d'oliva. Questo metodo può rappresentare una valida alternativa ai trattamenti tradizionali e per questo è indispensabile valutarne i punti di forza e di debolezza in relazione all’effettiva possibilità di impiego nella produzione industriale. Per questa finalità, il sistema brevettato dall'Università di Bologna e dalla Sapio (una società privata che fornisce il gas per i settori industriali e della ricerca) è stato applicato a un lotto di 50 L di ciascun olio dopo la sua produzione mediante mini-frantoio. I campioni, sia trattati che controllo, sono stati imbottigliati e conservati a temperatura ambiente e mantenuti al buio prima dell'analisi. Dopo quattro mesi di conservazione, sono stati valutati gli indici di qualità di base, tra cui acidità libera, numero di perossidi, assorbimento specifico nella zona dei dieni e trieni coniugati e il profilo sensoriale. Inoltre è stata valutata la stabilità ossidativa in condizioni forzate, il profilo dei composti maggioritari (acidi grassi) e dei composti minori (tocoferoli, fenoli, volatili, acqua). I risultati sono stati utilizzati per la comparazione della qualità complessiva degli oli extravergini di oliva sottoposti a chiarifica con sistema brevettato rispetto a quelli non trattati, permettendo una valutazione dell’effetto del nuovo sistema sulle caratteristiche chimiche e sensoriali del prodotto.

Studio della reattività di etanolo in fase gas su catalizzatori a base di MgO e Mg/Si/O

A causa delle questioni economiche ed ambientali legate alla sostenibilità dei processi petrolchimici, recentemente l'industria chimica ha focalizzato il proprio interesse nello sviluppo di processi per la produzione di chemicals, che utilizzino materiali di partenza rinnovabili. L'etanolo, prodotto per via fermentativa, sembra essere uno dei bio-building block più promettenti e versatili e può essere utilizzato per numerose applicazioni. È noto da tempo che l’etanolo può reagire su catalizzatori costituiti da ossidi misti con caratteristiche acido-base a dare numerosi composti chimici tra cui acetaldeide, 1,3-butadiene, 1-butanolo e 2-butenale. Nonostante il lungo impiego dell’etanolo nell’industria chimica, il meccanismo di formazione di composti C4 a partire da etanolo è ancora però materia di dibattito. Il meccanismo generalmente accettato si basa sulle seguenti reazioni chiave: deidrogenazione di etanolo ad acetaldeide e condensazione aldolica di due molecole di acetaldeide. Tuttavia in letteratura sono riportate anche altre proposte alternative. In questo lavoro è stato studiato il processo di trasformazione di etanolo su catalizzatori a base di MgO e sistemi misti Mg/SiO, attraverso esperimenti di reattività condotti in un micro-impianto da laboratorio, al fine di fare chiarezza sul meccanismo di formazione di composti C4 a partire da etanolo. In particolare è stato condotto uno studio meccanicistico utilizzando MgO come catalizzatore modello, materiale che possiede esclusivamente proprietà basiche, ritenute essenziali per catalizzare la condensazione di molecole C2. Inoltre, è stata investigata l’influenza delle caratteristiche acido-base del catalizzatore sulla selettività del processo di conversione di etanolo, studiandone la reattività su materiali costituiti da ossidi misti Mg/Si/O, con diverso rapporto atomico tra i due cationi.