Techno-economic analysis of biogas to methanol plants with once through methanol reactors

Aim of the present thesis work is to perform a techno economic analysis of a small scale methanol plant processing biogas coming from waste treatment. Beside the traditional plant arrangement adopting unreacted feed recirculation, the possibility to adopt a multistage synthesis reactor in once through configuration has been studied. Plant models developed for both cases provide the syngas necessary to perform the synthesis reaction by means of a tubular reformer. Emphasis has been given to the estimation of the optimal CO2 separation section location: for this purpose plant variations adopting separation before and after the reforming reaction were modelled. Because of the small scale considered, the possibility to avoid this step at all was not excluded. For the same reason methanol purification has been assumed performed in an external purification hub. The impact of the integration of a purification section has been evaluated in a second moment only for the traditional arrangement. All plant models were realized through the Aspen Plus® software. Results of the sensitivity analysis performed on the traditional arrangement confirmed that high values of recirculation favour the synthesis reaction yield and the overall plant performances. In such operating conditions significant production rates may be achieved even for lower and less favourable values of synthesis pressure. Concerning the once through alternatives, it has been discovered that a severe cooling between each stage operation allow to enhance reaction performances and to achieve higher amounts of product. If CO2 separation is not performed the synthesis reaction yield and carbon conversion are penalized by the non optimal syngas composition. With a traditional reactor, a higher productivity and process efficiency are obtained separating CO2 before the reforming reaction. Vice versa CO2 separation from produced syngas is more convenient if a multi stage once through reactor is adopted. Recorded production rates for both the reactor configurations resulted to be comparable at all. In the light of the technical results an economic analysis aimed to evaluate the effective plant profitability in each case of study. At first fixed investment costs and cost of methanol manufacturing have been computed, than the main profitability indexes (PBP, NPV and ROROI). Reactor cost functions adopted have been developed in this work. All the modelled plant arrangements resulted to be quite profitable in a life time of 25 years. NPV obtained range from 15 to 21 M€. The most profitable plant are the one avoiding CO2 separation due to the fixed and operating cost saving. The optimal layout for the considered BGTL process results the one adopting a traditional reactor without inlet syngas composition adjustment. The introduction of a methanol upgrading section does not affect synthesis reaction but enhances the overall process performances due to a lower reformer biofuel consumption. The higher productivity mitigates the effect of the additional fixed and operating costs on plant economics.

Scopo del presente lavoro di tesi è di svolgere un’analisi tecnico economica su un impianto di produzione di metanolo di piccola taglia che sfrutta biogas proveniente dalla gestione di rifiuti. Oltre al tradizionale assetto di impianto che prevede il ricircolo di reagente nel reattore di sintesi è stata studiata la possibilità di adottare un reattore multistadio in configurazione once through. Per entrambi i casi si è sviluppato un modello di impianto che adotta un reformer tubolare per la produzione del syngas necessario alla reazione di sintesi del metanolo. Particolare enfasi è stata data alla collocazione della sezione di separazione della CO2: al fine di trovare il design ottimale sono state modellate varianti che praticano la cattura sia a monte che a valle del reformer. Vista la piccola taglia dell’impianto, non si è esclusa la possibilità di non praticare del tutto la separazione dell’anidride carbonica. Per la medesima ragione si è in prima istanza assunto che la purificazione finale del metanolo fosse praticata esternamente. Una sezione di purificazione a valle del processo è stata poi modellata per il solo assetto di impianto tradizionale ai fini di un confronto. Tutti i modelli di impianto sono stati realizzati tramite il software Aspen Plus®. Analisi di sensibilità sul processo tradizionale hanno evidenziato come alti valori di ricircolo favoriscano la resa della reazione di sintesi e le prestazioni globali di impianto. In queste condizioni operative è possibile raggiungere elevate produttività anche adottando pressioni di sintesi minori, seppur sfavorevoli da un punto di vista termodinamico. Circa il processo con reattore once through si è scoperto che adottare un raffreddamento marcato a cavallo di ogni stadio permette di estrarre maggiori quantità di prodotto utile e di migliorare le prestazioni dei singoli stadi di reazione. L’assenza della separazione della CO2 penalizza in ogni caso le prestazioni del reattore di sintesi in termini di resa e conversione del carbonio. Nel caso con reattore con ricircolo, una maggiore produttività ed efficienza globale del processo sono ottenute praticando la separazione a monte della reazione di reforming. Viceversa, nel caso di reattore once through, risulta più conveniente collocare la sezione di separazione della CO2 a valle del reformer. I livelli di produttività del processo con reattore in configurazione once through sono del tutto comparabili con quelli del processo tradizionale con ricircolo. Alla luce dei risultati tecnici delle simulazioni si è proceduto a valutare l’effettiva profittabilità degli impianti oggetto di studio tramite un’analisi economica. Dapprima sono stati valutati i costi di investimento relativi all’acquisto dell’apparecchiatura e i costi di produzione del metanolo, poi i principali indici economici di profittabilità (PBP, NPV e ROROI). Le funzioni di costo utilizzate per il reattore di sintesi sono state sviluppate in questo lavoro. Tutti gli assetti di impianto considerati risultano ampiamente profittevoli nell’arco di 25 anni di vita utile considerato, con NPV tra i 15 e i 21 M€. Le soluzioni più remunerative sono quelle che non praticano la separazione della CO2 in virtù del risparmio sui costi fissi e operativi. L’assetto ottimale per il processo BGTL in esame risulta essere quello che adotta un reattore con ricircolo senza ottimizzare la composizione del flusso reagente. Si è infine riscontrato che l’introduzione di una sezione di purificazione del metanolo non ha effetti sulla reazione di sintesi ma migliora le prestazioni globali dell’impianto per via di un minore utilizzo di combustibile nel reformer. Ciò bilancia i costi aggiuntivi portando a risultati economici del tutto comparabili.