Techno-economic assessment of liquid fuels production using chemical looping process

In this thesis, chemical looping technology for reforming process (CLR) has been combined with a Fischer Tropsch (FT) reactor to simulate an industrial medium sized plant producing 50.000 bbl/day of kerosene and gasoline, using natural gas as feedstock. The scope of the work is to evaluate the performances of the novel plant with respect to a benchmark plant, through the software Aspen Plus. In particular, chemical looping technology allows to easily remove and capture CO2 present in the exhaust gases of the plant. The syngas generation, through CLR, and the FT-synthesis are fully integrated to maximise the overall process efficiency and reduce CO2 emissions from the plant. In the benchmark case, instead, the syngas is produced through an auto-thermal reforming (ATR) with an Air Separation Unit (ASU) producing oxygen with 99.5% purity. In both cases, the syngas is fed to the FT reactor, working at low temperature with a cobalt-based catalyst. The outlet FT heavier hydrocarbons are processed in a hydrocracking reactor and then separated into the desirable products, in subsequently distillation columns. On the other hand, the lighter products are recycled internally into the FT reactor, in order to increase the process productivity. All the heat waste from the system is used to electricity production through a steam cycle. To reduce emissions in the benchmark case, a configuration with post-combustion CO2 capture with MEA has been considered. The effect of CO2 built-up, as an inert gas throughout the plant, produced in the reforming process, has been discussed in both plants by modelling different configurations, using a MDEA process for the removal. Moreover, the effect of the internal recycle has been evaluated to maximise the overall pant efficiency. An economic analysis has been performed to compare the cost of the two different technologies with the relative cost of the product. Finally, a sensitivity analysis has been conducted on the main costs, considering different scenarios and evaluating the competitiveness on the new technology and potential developments.

In questo lavoro di tesi la tecnologia di chemical looping per il processo di reforming (CLR) è stata combinata con un processo di Fischer Tropsch (FT) per simulare un impianto industriale di media taglia per la produzione di 50 000 bbl/day di kerosene e gasoline, a partire da gas naturale. Lo scopo del lavoro è valutare le prestazioni dell’impianto innovativo rispetto ad un tradizionale impianto di benchmark, attraverso il software Aspen Plus. Nello specifico, la tecnologia chemical looping permette di separare e catturare facilmente la CO2 uscente dai fumi. La produzione di syngas attraverso il CLR è pienamente integrata con il processo FT al fine di massimizzare la produttività dell’impianto e ridurne le emissioni di CO2. Nel caso di benchmark invece, il syngas è prodotto tramite un Auto-thermal reforming (ATR) con ossigeno ad alta purezza (99.5%) derivante da un Air Separation Unit (ASU). In entrambi i casi, il syngas è alimentato al reattore di FT a bassa temperatura con catalizzatore al cobalto. Gli idrocarburi più pesanti uscenti dal FT vengono processati in un reattore di hydrocracking e successivamente separati nei prodotti finali tramite distillazioni successive. I prodotti più leggeri sono invece ricircolati internamente al reattore di FT, per aumentare la produttività. Il calore recuperato dal sistema viene usato per alimentare un ciclo a vapore per produrre energia elettrica. Per ridurre le emissioni dell’impianto di benchmark è stata anche considerata una configurazione per la cattura della CO2 dai fumi tramite tecnologia MEA. L’effetto dell’accumulo di CO2, come gas inerte, formata nel processo di reforming è discusso in entrambi gli impianti attraverso diverse configurazioni che utilizzano il processo MDEA per la rimozione. È stato inoltre valutato l’effetto del ricircolo interno per massimizzare l’efficienza dell’impianto. Al fine di valutare il costo delle due differenti tecnologie, è stata condotta una analisi economica determinando il relativo costo del prodotto. Infine, è stata effettuata una analisi di sensitività sui principali costi, considerando diversi scenari di applicazione, al fine di stimare la competitività del nuovo impianto e i potenziali sviluppi.