Simulazione di impianti innovativi di piccola scala per produzione di idrogeno con processo di sorption enhanced reforming

The following thesis deals with the topic of small scale hydrogen production, commonly based on traditional reforming systems and electrolytic cells, and moreover shows innovative systems which adopt the “Sorption Enhanced reforming” process (SER). It is an alternative way to conduct reforming, which involves a double chemical loop with reactions in heterogeneous phase solid/gas. The first cycle CaO/CaCO3, typical of SER process, uses solid sorbents made of CaO to remove the CO2 present in the gaseous phase: reactions are no more thermodynamic equilibrium limited and it is possible to obtain an H2 rich flow in a single step, even if reforming is conducted at temperature lower than in the traditional systems. A second chemical loop Ni/NiO is included for satisfying the heat demand of the endothermic sorbent regeneration reaction. The exothermic nickel oxidation in the presence of air provides the energy needed for CaCO3 calcination, releasing in this way the CO2 separated previously. The aim of this work is to conduct the performance analysis of SER systems through the numerical simulations of two possible plant configurations which respectively adopt fluidized bed reactors and fixed bed reactors. A sensitivity analysis was carried out for the fluidized bed configuration for analyzing the effect of the operative pressure, the steam to carbon parameter and the sorbent capture capacity, on the overall process performance Results about natural gas conversion efficiency and raw material consumptions are compared to those of traditional reforming plant simulations, based on fired tubular reforming process and autothermal reforming process. The SER process system configurations analyzed are demonstrated to have a potential for small scale hydrogen production in comparison with traditional systems. A simpler plant scheme producing a hydrogen rich gas with higher H2 contents in just one step (without a WGS section) represent the main advantages of the proposed concept. Moreover, thanks to the coupling of exothermic and endothermic reactions in the same solid bed, a higher efficiency is feasible, since heat is transferred directly from the metal to the CaCO3 particles

Nel corso del seguente lavoro di tesi viene affrontato il tema della produzione di idrogeno di piccola scala, generalmente basata sui sistemi tradizionali del reforming e sulle celle elettrolitiche, inoltre vengono presentati dei sistemi innovativi che adottano il processo del “Sorption Enhanced Reforming” (SER) alimentato a gas naturale. Si tratta di un metodo alternativo di condurre il reforming, che impiega un doppio ciclo di reazioni chimiche in fase eterogenea solido/gas. Il primo ciclo CaO/CaCO3, tipico dei processi SER, consiste nell’impiego di sorbenti solidi a base di CaO per rimuovere la CO2 presente in fase gassosa: le reazioni non risultano più strettamente legate all’equilibrio termodinamico e diviene possibile produrre in un solo passaggio un flusso molto ricco in idrogeno anche operando il reforming a temperature più basse di quelle dei sistemi tradizionali. Un secondo ciclo di reazioni chimiche (chemical loop) Ni/NiO è implementato per risolvere il problema della reazione endotermica di rigenerazione del sorbente. L’ossidazione esotermica del nichel tramite aria fornisce l’energia richiesta per la calcinazione del CaCO3; in questa fase è rilasciata la CO2 separata in precedenza. L’obiettivo del presente lavoro è quello di condurre un’analisi delle prestazioni dei sistemi SER attraverso le simulazioni numerica di due possibili configurazioni impiantistiche che adottano rispettivamente reattori a letto fluido e reattori a letto fisso. È stata inoltre svolta un’analisi di sensitività per la configurazione con reattori a letto fluido, per analizzare gli effetti della pressione di esercizio, del parametro steam to carbon e della capacità di conversione del sorbente sulle prestazioni complessive del sistema. I risultati in termini di efficienza di conversione del gas naturale e consumo di materie prime sono inoltre confrontati con quelli ottenuti dalla simulazione di due sistemi tradizionali di reforming, il fired tubular reforming e l’autothermal reforming. Gli impianti analizzati che adottano il processo SER risultano molto vantaggiosi nella produzione di idrogeno su piccola scala rispetto i sistemi tradizionali di reforming, in quanto consentono una configurazione impiantistica semplificata permettendo di produrre un flusso con un alto contenuto di idrogeno in un solo passaggio (senza la sezione di WGS), che rappresenta il maggiore vantaggio di questa tecnologia. Inoltre accoppiando una reazione esotermica con una endotermica nello stesso letto di solidi, si può ottenere un’alta efficienza nel trasferimento del calore che passa direttamente dal metallo al CaCO3.