Power-to-Gas Methanation of Carbon Dioxide

Abstract

Denne masteroppgaven analyserte om Power-to-gas metanisering av en direkte metaniserings prosess modell kan operere med lavere H2/CO2. Sensitivitet analysen og optimaliseringen ble delt i to deler, en for metaniserings enheten og en for polishing enheten og ble gjennomført på disse casestudiene med 3.0, 3.2, 3.5 og 3.8 H2/CO2 rater. Prosess modellen er modellert og evaluert i Aspen HYSYS V.10, og Hyprotech SQP optimizer verktøyet ble brukt for optimalisering.

Sensitivitet analysen og optimaliserings resultatene for metaniserings enheten indikerte at høyere trykk, kjøle temperatur, og antall tuber i reaktorene ga gode forhold for Sabatier reaksjonen. Målet for optimaliseringen var å maksimere CH4 innholdet for de ulike casene. Resultatet fra optimaliseringen på casestudiene viste best mulige trykk, kjøle temperatur, og antall tuber i reaktorene til å være mellom 15-20 bar, 240 C og 2000-3000 for de ulike casestudiene. Dette ga en H2 omdannelse på 99.97%, 99.95%, 99.95%, og 99.92% for casestudiene 3.0, 3.2, 3.5 og 3.8.

Sensitivitet analysen og optimaliserings resultatene polishing enheten indikerte at prosessen favoriserte høyt trykk inn til absorbering kolonnen. Mengde MDEA amine som var injisert inn i absorbering kolonnen var avhengig av CO2 mengden i strømmen. Høyere CO2 mengde i strømmen trengte en høyere MDEA amine molar rate. Casestudiene viste at en amine konsentrasjon mellom 40-45\% ga best absorbering evne av CO2 i kolonnen. Målet for optimaliseringen var å minimere mengden CO2 i produktet slik at det møter produkt restriksjonen med en maksimum CO2 mengde på 50 PPM, hvor optimalisering av 3.0, 3.2, og 3.5 oppnådde produkt spesifikasjonene. Optimalisering for H2/CO2 rate 3.8 ble det valgt verdier som oppnår produkt spesifikasjonene da optimaliseringen ble sluttet på grunn av Step Converging.

Resultatene fra sensitivitet analysene og optimaliseringen indikerte at den direkte metaniserings prosess modellen kunne operere med lavere H2/CO2 verdier. En kostnads analyse ble gjennomført. Analysen viste de at ulike H2/CO2 casestudiene ga høye produksjonen kostnader per Sm^3, og indikerte at prosessen ikke var økonomisk lønnsomt sammenlignet med snitt prisen for LNG i 2022 and andre metan produksjon prosesser fra biogass. Kostnaden på H2 og separasjons kolonnen for vann utgjorde store deler av kostnadene, med en lavere markedskostnad for H2 kan gjøre direkte metanisering lønnsomt.

This thesis aims to optimize and analyze the Power-to-gas methanation of carbon dioxide for a direct methanation process model that could be operated at lower H2/CO2 ratios. The sensitivity analysis and optimization were split into the methanation and polishing units and conducted on four cases with H2/CO2 ratios 3.0, 3.2, 3.5, and 3.8. The process model was designed and evaluated in Aspen HYSYS V10.1, and the Hyprotech SQP optimizer tool was used for optimization.

The sensitivity analysis and optimization results for the methanation unit indicated that the process favored higher pressures, coolant temperatures, and the number of tubes in the reactors to ensure good conditions for the Sabatier reaction. The optimization objective was to maximize CH4 content, resulting in the optimal pressure, coolant temperature, and the number of tubes between 15-20 bar 240C and 2000-3000 for the different cases. This gave H2 conversions of 99.97%, 99.95%, 99.95%, and 99.92% for case ratios 3.0, 3.2, 3.5, and 3.8, respectively.

The sensitivity analysis results for the polishing unit indicated the process favored a high pressure into the absorption column. The MDEA amine molar flow rate to the absorber was dependent on the CO2 fraction in the stream, with higher CO2 fraction requiring higher MDEA amine molar flow rates. From the case studies, the amine concentration favored a concentration between 40-45%. The optimization objective was to minimize the CO2 fraction in the product stream to meet the product restriction of 50 PPM, with cases 3.0, 3.2, and 3.5 satisfying the product restrictions. For case 3.8, independent variables were fixed to satisfy the product restriction.

The results obtained from optimization indicated that the direct methanation process could operate at lower H2/CO2 ratios. The cost evaluation for the different H2CO2 cases indicated that the production cost per Sm^3 was high and made the processes not profitable yet, with the cost of H2 and knock-vessels being the primary cost driver factor. The cost estimation was based on literature by Sinnot \& Towler and Turton et al. and makes the cost uncertain.