Techno-economic analysis of integrated natural gas-biomass methanol production plants

Methanol is an important compound used in many different ways. Its production starting from renewable sources could be a new route in order to erase the world dependence from fossil fuels. Objective of this thesis is to perform a technical and economic analysis of different methanol production plants from natural gas and from biomass and to propose the feasibility of types of retrofit of natural gas plants. First of all, it is studied natural gas-to-methanol plant of an average European size, 5000 ton/day of methanol modelled with the commercial software Aspen Plus. Then, two gasification biomass-to-methanol plants are presented, one for direct gasification and one for indirect gasification. Because syngas coming from reforming of natural gas is rich in H2 and syngas coming from gasification of biomass is rich in carbon, a combination of the two technologies can be convenient to adjust the H2/CO ratio to the desired value for methanol synthesis. Two types of connections are proposed: mixing the two syngas before entering the methanol synthesis section or mixing the syngas before entering the fired tubular reformer of natural gas. The simulation shows how the amount of biomass necessary for the integration with the indirect gasification results to be too large. So, it is chosen to implement also small-scale natural gas plants to integrate with indirect gasification. In the end the integration with the first layout results to be the more efficient between the two, and especially it emerged that the retrofit on a small-scale natural gas plant is simpler in terms of layout adjustments, more efficient and convenient. Finally, a differential economic analysis is performed to assess the feasibility of the most significant cases. The same results obtained in the thermodynamic analysis are substantially reflected on the convenience of the type of integration. Nevertheless, in principle, to make the integration favourable the CO2 emissions reduction from natural gas need to be repaid at a quite high value, supposedly to be obtained in the next years following the carbon tax trend.

Il metanolo è un composto importante utilizzato in molti modi diversi. La sua produzione potrebbe essere una nuova via per cancellare la dipendenza mondiale dai combustibili fossili. Obiettivo di questa tesi è quello di eseguire un'analisi tecnica ed economica di diversi impianti di produzione di metanolo da gas naturale e da biomassa e di proporre la fattibilità del retrofit di impianti a gas naturale. Prima di tutto, è stato studiato l'impianto gas naturale-metanolo di dimensioni medie europee, 5000 ton/ giorno di metanolo, modellato con il software commerciale Aspen Plus. Quindi, vengono presentati due impianti di gassificazione biomassa-metanolo, uno per la gassificazione diretta e uno per la gassificazione indiretta. Poiché il syngas derivante dal reforming del gas naturale è ricco in H2 e il syngas proveniente dalla gassificazione della biomassa è ricco di carbonio, una combinazione delle due tecnologie può essere conveniente per regolare il rapporto H2 / CO al valore desiderato per la sintesi del metanolo. Due tipi di connessioni sono proposte: miscelare i due syngas prima di entrare nella sezione di sintesi del metanolo oppure miscelare i due syngas prima del reforming tubolare del gas naturale. La simulazione mostra come la quantità di biomassa necessaria per l'integrazione con la gassificazione indiretta risulti troppo grande. Quindi, viene scelto di implementare anche impianti di gas naturale su piccola scala da integrare con la gassificazione indiretta. Alla fine l'integrazione con il primo layout risulta essere la più efficiente tra la due, e in particolare è emerso che il retrofit su un impianto di gas naturale di piccola scala è più semplice in termini di adattamento del layout, più efficiente e conveniente. Infine, viene eseguita un'analisi economica differenziale per valutare la fattibilità dei casi più significativi. Gli stessi risultati ottenuti nell'analisi termodinamica si riflettono sulla convenienza del tipo di integrazione. Tuttavia, in linea di principio, per rendere l'integrazione favorevole, la riduzione delle emissioni di CO2 dal gas naturale deve essere ripagata a un valore piuttosto elevato, che si presume sarà ottenuto nei prossimi anni a seguito della tendenza della tassa sul carbonio.