Influence of the reactor regeneration conditions for hydrogen and electricity production plant with Sorption Enhanced Reforming

Sorption Enhanced Reforming is a technology that has been extensively studied in the literature, yet still faces significant challenges for its introduction into the market. The advantage of this technology lies in the combination of the endothermic methane reforming reaction and the in-situ exothermic CO2 capture shifting the equilibrium towards hydrogen production, thanks to the presence of a high temperature CO2 sorbent. The combination of the exothermic and endothermic reactions ideally allows for running the process in an autothermal way utilizing an adiabatic reactor. Using a modelling approach, in this thesis, the impact of the sorbent regeneration parameters on the overall SER based H2 production plant is assessed. The SER reactor is simulated using a 1-D heterogeneous reactor model of an adiabatic fixed bed reactor developed previously on g-Proms platform. Then, complete low carbon hydrogen production plant is simulated, including sorbent regeneration section, steam production section, preheating section, hydrogen purification section, CO2 capture and pressurization section, and a gas turbine, using Aspen Plus software. The simulated plant operates assuming only electrical energy as the primary energy source for the system's thermal demand. The presence of the gas turbine, fueled by the off-gas of the hydrogen separation section, provides the plant’s energy demand partially or completely depending on the selected operating conditions. With the aim of maximizing hydrogen production, the influence of the sorbent regeneration temperature and pressure on plant performance is evaluated. The system's performance is computed comparing atmospheric regeneration, using steam as purge gas and vacuum regeneration, i.e. without purge gas. The results highlighted immense impact of the sorbent regeneration stage on the overall efficiency of the process. Among the simulated cases, performing the regeneration at 850°C with a pressure of 50 kPa delivers the best results where an energy efficiency approaching the 80% and a carbon capture ratio that exceeds 70% are computed.

La Sorption Enhanced Reforming (SER) è una tecnologia ampiamente studiata nella letteratura scientifica, ma che affronta ancora significative sfide per la sua introduzione nel mercato. Il vantaggio di questa tecnologia risiede nella combinazione della reazione endotermica di reforming del metano con la cattura esotermica in situ del CO2, che sposta l'equilibrio verso la produzione di idrogeno grazie alla presenza di un assorbente di CO2 ad alta temperatura. La combinazione delle reazioni esotermiche ed endotermiche permette idealmente di far funzionare il processo senza bisogno di sorgenti di alimento esterne utilizzando un reattore adiabatica. In questa tesi, mediante un approccio modellistico, viene valutato l'impatto dei parametri di rigenerazione dell'assorbente sull'intero impianto di produzione di H2 basato su SER. Il reattore SER viene simulato utilizzando un modello eterogeneo 1-D di un reattore a letto fisso adiabatico, precedentemente sviluppato sulla piattaforma g-Proms. Successivamente, viene simulato un impianto completo per la produzione di idrogeno a basse emissioni di carbonio, comprendente la sezione di rigenerazione dell'assorbente, la sezione di produzione di vapore, la sezione di preriscaldamento, la sezione di purificazione dell'idrogeno, la sezione di cattura e pressurizzazione del CO2 e una turbina a gas, utilizzando il software Aspen Plus. L'impianto simulato opera assumendo come unica fonte primaria di energia l'energia elettrica per il fabbisogno termico del sistema. La presenza della turbina a gas, alimentata dal gas residuo della sezione di separazione dell'idrogeno, fornisce parzialmente o completamente il fabbisogno energetico dell'impianto a seconda delle condizioni operative selezionate. Con l'obiettivo di massimizzare la produzione di idrogeno, viene valutata l'influenza della temperatura e della pressione di rigenerazione dell'assorbente sulle prestazioni dell'impianto. Le prestazioni del sistema sono calcolate confrontando la rigenerazione atmosferica, utilizzando vapore come gas di spurgo, e la rigenerazione sottovuoto, cioè senza gas di spurgo. I risultati hanno evidenziato un impatto significativo della fase di rigenerazione dell'assorbente sull'efficienza complessiva del processo. Tra i casi simulati, la rigenerazione a 850°C con una pressione di 50 kPa offre i migliori risultati, con un'efficienza energetica che si avvicina all'80% e un rapporto di cattura del carbonio che supera il 70%.