Study of energy saving configurations in the CO2 removal section of a SMR-based H2 plant

Hydrogen is considered a key raw material in various energy intensive industries, and specifically for the chemical industrial sector, about 90% of the hydrogen production is globally exploited in the ammonia, methanol and oil refining industries. Currently, steam methane reforming (SMR) represents the leading technology for H2 production from natural gas or light hydrocarbons. However, the exploitation of fossil fuels for hydrogen production unfortunately involves the production of significant amounts of CO2 as a byproduct of the process, which must be removed for the best use of produced hydrogen. The leading technologies available for capturing CO2 from hydrogen plants include the use of chemical absorption technology (in post-combustion or pre-combustion alternatives), cryogenic or low temperature separation technology, membrane, PSA and others. Specifically, chemical absorption with amine-based solvents is currently the state-of-the-art technology, employed in post-combustion carbon capture processes to mitigate greenhouse gas emissions. It can also be successfully applied to pre-combustion CO2 removal from syngas before its combustion for power generation. However, penalties on CO2 emissions are not yet sufficient to demand the large-scale application of CO2 capture on industrial plants. One of the main drawbacks of alkanolamines based chemical absorption technologies for CO2 removal is related to the relatively large energy penalty associated with these processes. In particular, the regeneration section represents the most energy demanding section of the acid gas removal plant: energy, supplied by steam, is required at the reboiler of the regeneration column for the solvent purification. Therefore, a careful design of the regeneration section is fundamental in order to avoid uneconomic energy demands. This Thesis Work focuses on the study of a purification process for the CO2 removal with amine based chemical absorption from different gaseous streams (syngas, PSA’s tail gas) within an SMR-based H2 plant by employing an aqueous solution of MDEA 50%wt. In this Thesis Work, the commercial rate-based simulation software ASPEN Plus®, properly customized by the GASP group of Politecnico di Milano, has been employed. The base purification scheme has been firstly optimized by varying the MDEA concentration and the solvent circulation rate to comply with the target CO2 capture rate. Moreover, sensitivity analyses on the operating pressure of the regeneration section have been performed to assess potential energy savings. Then, particular attention has been paid on possible flowsheet modifications to the standard purification process that could promote energy saving according to the literature. Sensitivity analyses have been assessed in order to select the optimal operating parameters, with regard to the energy requirements. The different proposed process configurations have been compared in terms of energy requirement reduction and from an economic point of view. For each of the examined cases, a cost estimation has been performed to find a compromise between fixed investment costs and minimization of the energy requirement guaranteeing a reduction of the plant operational expenses. Ultimately, the best configuration for the purification process under study has been identified.

L’idrogeno è un gas industriale di primaria importanza ed è utilizzato per scopi industriali da più di un centinaio di anni. Circa due terzi dell’idrogeno prodotto è utilizzato nell’industria chimica, soprattutto per la produzione di ammoniaca e metanolo, nelle raffinerie e in ambito alimentare, elettronico e metallurgico. Attualmente, circa 500 miliardi di Nm3 di idrogeno sono commercializzati a livello mondiale e il 90% circa dell’idrogeno prodotto trae origine da fonti fossili (petrolio, carbone, gas naturale). Le tecnologie industriali di produzione di idrogeno a partire da combustibili fossili (steam reforming, ossidazione parziale, gassificazione) sono le più mature ed utilizzate nel panorama mondiale. Tuttavia, i processi per la produzione di idrogeno su vasta scala richiedono procedure di ottimizzazione da un punto di vista energetico e di impatto ambientale, ma anche e soprattutto economico. In particolare, l’anidride carbonica costituisce un importante sottoprodotto dei processi di produzione di idrogeno a partire da fonti fossili e deve essere rimossa al fine di poter impiegare al meglio l’idrogeno prodotto. Il processo di purificazione di gas acidi attraverso soluzioni acquose di alcanolammine rappresenta la tecnologia più diffusa e consolidata a livello industriale per la purificazione di diverse miscele gassose quali gas naturale, syngas, gas esausti e gas di raffineria. Tuttavia, una delle limitazioni principali legate all’applicazione su vasta scala di questa tecnologia è rappresentata dall’importante dispendio energetico previsto in generale dai processi di rimozione della CO2 mediante assorbimento chimico con solventi amminici. In particolare, la principale voce di costo che influenza l’efficienza del processo di cattura è la spesa energetica associata al ribollitore della colonna di rigenerazione. Lo studio è stato condotto tramite l’utilizzo di modelli di calcolo dedicati, del tipo rate based models, sviluppati dal gruppo GASP del Politecnico di Milano con l’ausilio di un software industriale di simulazione ASPEN Plus®. Il processo studiato nel presente lavoro di tesi prevede la purificazione di diverse correnti gassose (syngas, gas di coda dell’unità PSA) all’interno di un impianto di steam reforming per la produzione di idrogeno, mediante assorbimento chimico con una soluzione acquosa di MDEA al 50%. Lo schema base del processo è stato ottimizzato nel rispetto della specifica relativa alla percentuale di rimozione di CO2 allo scopo di ridurre il fabbisogno energetico del ribollitore della colonna di rigenerazione, determinando le condizioni operative ottimali in termini di concentrazione di ammina e portata di solvente utilizzato. Inoltre, l’effetto della pressione operativa della sezione di rigenerazione è stato valutato tramite opportune analisi di sensitività. E’ stato poi realizzato lo studio di alcune possibili modifiche al flowsheet del processo standard di purificazione, al fine di ridurre nello specifico la spesa energetica della sezione di rigenerazione dell’impianto. Le configurazioni alternative analizzate, reperite in letteratura e da appositi brevetti, rappresentano soluzioni già considerate a livello industriale per il trattamento di miscele gassose di varia natura e sono state oggetto di ottimizzazione nel presente lavoro. La determinazione delle condizioni operative ottimali per ciascuna delle configurazioni alternative studiate ha consentito quindi un confronto, dal punto di vista energetico, con lo schema base di purificazione. Infine, è stata realizzata un’analisi economica per la configurazione del processo standard e per le configurazioni più promettenti risultanti delle analisi precedentemente svolte. Considerando la minimizzazione della spesa energetica del processo e l’ottimizzazione dei costi fissi dell’impianto, è stata individuata in misura ultima la migliore soluzione impiantistica per il processo.