Comparison of carbon capture methods in hydrogen production by steam methane reforming

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-12-15
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
81
Series
Abstract
Carbon dioxide is changing the climate and emissions must be lowered in order to slow down the greenhouse effect. One viable option to accomplish this is to capture and store the CO2. Gas streams in hydrogen production are an attractive source for CO2 capture due to their high CO2 concentration and the lack of impurities, such as sulphurous compounds. The purpose of this thesis was to compare different carbon capture technologies in steam methane reforming (SMR) hydrogen production. Technology alternatives were screened based on previous research, to find the best suitable options for carbon capture from two steam methane reforming hydrogen plant streams; the off gas from hydrogen purification, and the flue gas from the SMR unit’s furnace. After the evaluation of the technology alternatives, the suitability of a cryogenic capture process to both streams was selected for an engineering analysis. The capture processes consisted of feed compression, followed by carbon dioxide condensation by expansion and final purification by distillation. In the engineering analysis, the technical applicability, investment cost and operating costs were estimated. The two analysed processes were compared with two other process alternatives described in literature; a process combining cryogenic separation and methanol absorption, capturing CO2 from the hydrogen purification off gas, and an amine wash process capturing CO2 from power plant flue gas. It was concluded, that the most attractive stream in SMR hydrogen production to be used for carbon capture is the off gas from hydrogen purification. Between the two analysed gas flows, the hydrogen purification off gas was economically clearly more competitive than the flue gas for carbon capture. For CO2 capture from the flue gas, the cryogenic process was found to be less feasible than amine absorption. Regarding the SMR hydrogen purification off gas, the combined cryogenic and methanol absorption process was found to be economically more advantageous compared to the analysed cryogenic process. The estimated production cost for captured CO2 was in all cases clearly higher than the present emission allowance cost of CO2. To summarise, it can be stated that in order to carbon capture be feasible from the economic point of view, the carbon dioxide emission allowance price has to go up, or the overall performance of capture technology must be further developed.

Hiilidioksidi muuttaa ilmastoa ja kasvihuoneilmiön hillitsemiseksi hiilidioksidipäästöjä on vähennettävä. Eräs vaihtoehto päästöjen vähentämiseen on hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS). Metaanin höyryreformoinnilla (SMR) tapahtuvan vedyntuotannon kaasuvirrat ovat hiilidioksidin talteenoton kannalta kiinnostavia korkean CO2-pitoisuutensa ja vähäisten epäpuhtauksiensa, kuten rikkiyhdisteiden, johdosta. Tämän diplomityön tarkoituksena oli verrata hiilidioksidin talteenottomenetelmiä metaanin höyryreformoinnilla tapahtuvan vedyntuotannon kaasuvirroista. Sopivimpia teknologiavaihtoehtoja hiilidioksidin talteenottoon seulottiin edeltäneiden selvitysten perusteella kahta SMR-vetylaitoksen kaasuvirtaa varten: vedyn puhdistuksen jäännöskaasu ja uunin savukaasu. Seulonnan perusteella tarkempaan analysointiin molempia virtoja varten valittiin kylmätoiminen erotusprosessi. Erotusprosessi koostui kaasuvirran puristuksesta, paineenalennuksen avulla lämpötilan pudottamisesta ja tuotteen loppupuhdistuksesta tislaamalla. Analyysissa tarkasteltiin prosessin teknistä soveltuvuutta ja käyttö- ja hankintakustannuksia. Kahta analysoitua prosessia vertailtiin kahteen kirjallisuuslähteeseen, joista toisessa hiilidioksidia otettiin talteen voimalaitoksen savukaasuista amiiniprosessilla ja toisessa SMR-vetylaitoksen vedynpuhdistuksen jäännöskaasusta kylmäprosessin ja metanolipesun yhdistelmällä. SMR-vetylaitoksen kaasuvirroista vedynpuhdistuksen jäännöskaasu osoittautui lupaavammaksi CO2-talteenoton kannalta. Analyysin perusteella hiilidioksidin talteenotto oli huomattavasti kannattavampaa jäännöskaasusta kuin savukaasusta. Analysoitu kylmäprosessi oli savukaasun käsittelyssä kannattavuudeltaan huonompi kuin voimalaitoksen savukaasuista amiinilla tapahtuva erotus. Vedynpuhdistuksen jäännöskaasuista erotus oli kannattavampaa kylmäprosessin ja metanolipesun yhdistelmällä. Kaikissa prosesseissa talteenottokustannus oli kuitenkin selvästi korkeampi kuin hiilidioksidin päästökauppahinta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että hiilidioksidin talteenotto muuttuu taloudellisesti kannattavaksi vasta, jos hiilidioksidin päästökauppahinta nousee, tai jos hiilidioksidin talteenottomenetelmien tehokkuus paranee merkittävästi.
Description
Supervisor
Oinas, Pekka
Thesis advisor
Turunen, Helka
Keywords
carbon capture, CCS, SMR hydrogen production, cryogenic separation
Other note
Citation