Hydrogen production via calcium-copper chemical looping process

This works analyses the “Ca-Cu chemical looping process” for hydrogen production from natural gas with integrated CO2 capture. The system employs adiabatic fixed bed reactors and it mainly consists of three stages. In the first stage “sorption enhanced reforming” occurs, producing a hydrogen-rich gas with the simultaneous CO2 capture of the CaO. An air flow rate is used in the second stage to oxidize the Cu to CuO contained in the bed. In the final stage regeneration of the sorbent occurs: the CO2 stored in the sorbent is released exploiting the heat supplied by the reduction of CuO. The aim of this work is to define the optimal operating conditions of the process when applied to hydrogen production plants. In the first part of the thesis the mathematical models used are described and validated. In the following part a sensitivity analysis related to the Ca-Cu system is carried out in order to define few selected plant configurations and process parameters which optimize the overall performances. The Ca-Cu process is hence integrated with the heat recovery system, comparing the performance indexes of the selected cases with the ones of traditional hydrogen production plants with and without CO2 capture. Finally a comparative economic analysis has been performed. Results show that operating the stages at low pressure (11 bar) is better from an energy point of view, although it requires reactors of increasing dimensions and costs. On the other side, operation at higher pressure (25 bar) allows increasing the carbon capture of the process keeping the hydrogen price and the cost of CO2 avoided lower. In both the configurations better energetic performances and lower costs are obtained with respect to traditional plants with CO2 capture.

Questo lavoro prende in esame il processo “Ca-Cu chemical looping” per la produzione di idrogeno da gas naturale con cattura integrata della CO2. Il sistema utilizza reattori adiabatici a letto fisso e consiste principalmente in tre stadi. Nel primo stadio avviene la reazione di “sorption enhanced reforming”, producendo una corrente ricca in idrogeno con la simultanea cattura della CO2 da parte del CaO. Una portata di aria è utilizzata nel secondo stadio per ossidare il Cu a CuO presente nel letto. Nello stadio finale avviene la rigenerazione del sorbente: la CO2 immagazzinata nel sorbente stesso è rilasciata grazie al calore fornito dalla riduzione del CuO. Lo scopo di questo lavoro è definire delle condizioni operative ottimali per il processo quando applicato a impianti di produzione idrogeno. Nella prima parte della tesi vengono descritti e validati i modelli matematici utilizzati. Successivamente viene svolta un’analisi di sensitività relativa al sistema Ca-Cu per selezionare alcuni casi e parametri di processo che ottimizzano le prestazioni globali del sistema. Il processo Ca-Cu è quindi oggetto di uno studio di integrazione termica; si comparano in questo modo gli indici di prestazione dei casi selezionati con quelli degli impianti idrogeno tradizionali con e senza cattura della CO2. Infine viene svolta un’analisi economica comparativa degli impianti. I risultati mostrano che operare gli stadi a bassa pressione (11 bar) è conveniente da un punto di vista energetico, anche se vengono richiesti reattori di dimensione e costi più elevati. Al contrario, operare a pressione più elevata (25 bar) consente di aumentare l’efficienza di cattura del processo mantenendo il costo dell’idrogeno e il costo della CO2 evitata a livelli inferiori. In entrambe le configurazioni sono ottenuti prestazione migliori e costi inferiori in relazione ad impianti tradizionali con cattura della CO2.