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生物油蒸汽重整中的碳捕获

氢是生产化学品和化肥的重要成分,是未来很有前途的热能来源。利用蒸汽甲烷重整制氢可以与碳捕集利用和储存(CCUS)相结合。化石氢和CCUS的结合被称为“蓝色氢”。这篇文章回顾了最近发表在清洁技术详细介绍了利用碳捕集技术对生物油进行高级蒸汽重整的方法。

蓝色的氢

图片来源:Alexander Limback/Shutterstock.com

绿色氢可以从水电解或生物燃料中获得,是一种可行的减少CO的方法2排放。蒸汽重整可以将生物油转化为氢,是一种有效的生物油改良技术。

蒸汽重整技术的新发展,如吸附增强和化学循环,很可能成为将生物质和具有碳捕获和储存(BECCS)的生物能源中的氢引入未来能源市场的催化剂。

SE-CLSR(吸附增强化学循环蒸汽重整)是一种自热工艺,将CLSR和SESR结合在一起,以原位碳捕集的方式生产高纯生物油。

本文对CO进行了技术经济分析2从生物油蒸汽重整中捕获并与其他选择进行比较。这是特别有趣的,因为当使用生物原料如生物油时,可能产生负排放。

方法

选择Teesside作为案例研究的地点,因为该地区无疑将涉及到未来的CO2捕获和储存(CCS),与CO2运往空无一人的北海油田。为确保运输和储存基础设施的完整性,对分离的产地来源证实施了一套纯度标准2

因为没有成立的CO2纯度标准,本研究中使用的标准和表1中给出的标准是基于CO生产的标准2Europipe项目利益相关者。指定的公司2超临界相输运压力预计为110巴。

表1.有限公司2规范。来源:Reeve J,等人。

组件 限制在有限公司2
有限公司2 > 95卷%
基于“增大化现实”技术
CH4
H2
N2
O2
总非冷凝
< 5卷%
H2O 无游离水(< 500ppm)v

该设施从多个热解设施中提取原料,并将规模经济与实际的生物化合物热解能力相结合。

在5000 ~ 100000 Nm的范围内研究了规模对技术经济性的影响3.h−1从1到20个裂解工厂生产的生物油,供给中央重整设备。

一种具有相当于真正棕榈空果束生物油的组合物的代理组合被用来模拟生物油。为了降低生物油的粘度和密度,在生物油中加入10%的甲醇。

脱硫没有详细的工艺设计。相反,数量级估计是基于来自枫叶的信息进行技术经济考虑的,如表2所示的公用事业和表3所示的单点成本数据。

同一篇论文中的关联被用来计算饲料中特定wt%硫的耗氢量。

表2.脱硫用电量。来源:吕富J,, 2022年。

实用程序 要求每米3.生物燃油/甲醇进料
权力 12.58千瓦时
蒸汽 42.79公斤
燃气 55.30千瓦时

使用氢的水平成本(LCOH)比较了文献中工艺和比较器系统的成本。表3列出了使用这种方法计算成本的工艺单元,以及来自相关方程的数据。

表3.裸模块成本单点成本数据。来源:吕富J,, 2022年。

单位 基础尺寸 基本费用()相对应国家 f 安装的因素 一年 Ref。
WGS 15.6更易与h-1公司+ H2 36.9 0.85 1 2001 [37]
PSA 9600 kmol h-1吞吐量 28 0.7 1.69 2001 [37]
有限公司2捕获(MDEA) 62.59公斤的-1有限公司2捕获 104.2 0.8 - 2017 [37]
有限公司2压缩和干燥 13 MW压缩机功率 17.9 0.67 - 2017 [18]
高温三通阀 2米3.年代-1 0.1695 0.6 - 2014 [18]
HDS植物 30000桶 16 0.65 - 1991 [31]

基于催化剂重量、每小时空速和吸附剂用量,SE-CLSR研究评估了耐火内衬反应堆容器的成本。

经营费用、经营人工成本、公用事业成本、废物处理成本和原材料成本的总和为不折旧的制造总成本(COM)d).

表4显示了为计算COM而产生的进一步假设d

表4:经营成本计算假设。来源:吕富J,, 2022年。

材料
生物燃油的价格 0.2美元公斤-1 (41、42、43)
甲醇价格 0.37美元公斤-1 [44]
重整催化剂/氧载体价格 20公斤美元-1 (45、46)
WGS催化剂价格 60美元公斤-1 [47]
曹吸附剂 1.1美元公斤-1 [48]
用于蒸汽重整的WHSV 1 h-1 [49]
为WGS GHSV 3000 h-1 (45岁,50)
SE-CLSR重整阶段的WHSV 0.8 h-1 [51]
重整催化剂寿命(C-SR) 1年 假定
氧载体寿命(SE-CLSR) 2年 假定
WGS催化剂寿命 5年 [52]
曹吸附剂寿命 2年 假定
MDEA溶剂一个 0.04 mUSD/年每公斤二氧化碳/秒 [18]
废物处理
废水处理 0.538美元的t-1 [53]
催化剂恢复 -0.11美元/公斤 [54]
公用事业公司
工艺用水 2美元m3 [55]
电力(购买) 100美元兆瓦时-1 [14]
电力(出口) 50美元兆瓦时-1 [14]
蒸汽(购买/出口) 20.9美元兆瓦时-1 计算b
天然气 25美元兆瓦时-1 [14]
冷却水 0.4 m美元3 [55]
其他假设
设备利用率 每年360天 -
将英镑兑换成美元 1.29 [56]
欧元兑换美元 1.13 [56]
英国工业工人的劳动力成本 每年4万英镑 [57]
每个工人每周轮班工作 5 -
每天的变化 3. -
每年工作数周 47 -

一个MDEA溶剂成本从[18]按工艺规模的比例估计。b基于90%效率的天然气锅炉[18]。

利用RGibbs反应器模拟了所有模型中的重整过程。SE-CLSR模型采用绝热RGibbs块体,而WGS模型采用REquil反应器。

由于其填料床结构,SE-CLSR反应器的建模非常复杂。工艺流程图如图1a所示,温度-压力图如图1b所示。

(a)生物油SE-CLSR简化工艺流程图。(b) CO2平衡分压图上SE-CLSR操作条件实例。CaO/CO2平衡性质。

(a)生物油SE-CLSR简化工艺流程图。(b) CO2平衡分压图上SE-CLSR操作条件实例。CaO/CO2平衡性质。

图1。(一)生物油SE-CLSR简化工艺流程图。(b)CO的SE-CLSR操作条件示例2平衡分压图。曹/公司2从平衡属性。图片来源:Reeve, J, et al., 2022

在Aspen Plus中,气体开关过程的每一阶段都由一个不同的反应堆块表示,并使用转移块将固体复制为下一阶段的输入。这种方法在相同的反应器中重复固体滞留,类似于半批处理过程。

利用分离块模拟PSA,可获得90%的H2以及基于吸收的捕获过程,回收了95%的CO2

图2、图3和图4显示了C-SR无CO的Aspen Plus模型的工艺流程图2捕获,C-SR和CO2捕获和SE-CLSR过程。

Aspen Plus生物油C-SR无CO2捕获流程表。

图2。Aspen Plus无CO生物油C-SR流程表2捕捉。图片来源:Reeve, J, et al., 2022

Aspen Plus的C-SR生物油CO2捕获流程表。

图3。Aspen Plus生物油含CO的C-SR流程表2捕捉。图片来源:Reeve, J, et al., 2022

Aspen Plus生物油SE-CLSR流程表。

图4。Aspen Plus生物油SE-CLSR流程表。图片来源:Reeve, J, et al., 2022

结果

Aspen Plus工艺模拟提供了许多工艺参数的灵敏度分析。这些发现被用来为更深入的经济研究选择一个设计基础。

表5列出了通过灵敏度分析确定的临界条件。

表5.经济比较的设计基础。资料来源:Reeve, J,等人。

C-SR C-SR-CCS SE-CLSR
改革者压力(bar) 30. 30. 20.
改革者温度(°C) 900 900 850
S / C比值 5 5 2
NiO / C比值 - - 0.7

由于S/C对操作的影响非常复杂,我们研究了不同尺度下S/C对LCOH的影响,如图5所示。结果表明,S/C 3和S/C 5之间的LCOH差异是非常小的。

这发生在生产更多蒸汽的更高成本被更高的H抵消的时候2蒸汽输出的可能性提高了产量(图5b)。然而,在S/C 7,蒸汽发电成本明显更高,导致LCOH上升,如图5所示。

S/C比和容量对30 bar和900°C下C- sr氢气均衡成本的影响(a)无蒸汽输出和(b)有蒸汽输出。

图5。S/C比和容量对30 bar和900°C下C- sr氢气均衡成本的影响(a)无蒸汽输出和(b)有蒸汽输出。图片来源:Reeve, J, et al., 2022

图6显示了固定资本、生产成本和LCOH与产能的对比结果。

基本情况c - sr和SE-CLSR过程的蒸汽出口成本分析:(a)固定资本成本,(b)制造成本,(c) LCOH。

图6。基本情况c - sr和SE-CLSR过程的蒸汽出口成本分析:(a)固定资本成本,(b)制造成本,(c) LCOH。图片来源:Grasham, O, et al., 2022

对于C-SR-CCS和SE-CLSR,裸模块和制造成本已被进一步分解以供理解,如图7所示。PSA是两个过程中最昂贵的模块,分别占C-SR-CCS和SE-CLSR总成本的28%和41%。

的有限公司2C-SR-CCS的收集单元增加25%。这增加了C-SR-CCS中气体分离的总成本(PSA加CO2而SE-CLSR的气体分离不需要等量的CO2捕获单元。

se -三通CLSR的阀门贡献了大量的资金,占总成本的13%。

(a) C-SR-CCS和(b) SE-CLSR在10,000 Nm3 h-1工艺中裸模块成本和直接制造成本的细目。

图7。光模块成本和直接制造成本在10000纳米的分解3.h−1(a) C-SR-CCS和(b) SE-CLSR。图片来源:Reeve, J, et al., 2022

在C-SR-CCS和SE-CLSR中,生物油的采购占了制造成本的大部分,由于生物油/甲醇饲料提供的热量,生物油对SE-CLSR制造成本的影响更大。

每道工序的排放平衡见表6。因为只有10%的系统CO2排放来源为电力进口和甲醇消耗,SE-CLSR的排放预测优于C-SR-CCS。

表6.工艺排放的比较(kg二氧化碳公斤H2−1).资料来源:Reeve, J,等人。

过程 化石有限公司2发出 生物有限公司2捕获 网络有限公司2排放 有限公司2避免
C-SR 3.2 0 3.2 -
C-SR-CCS 0.46 8.7 -8.2 11.4
SE-CLSR 1.1 10.6 -9.5 12.7

碳成本反映了排放的差异,如图8所示,在所有尺度上,SE-CLSR的CCA都小于C-SR-CCS。SE-CLSR的CCA在44 - 55美元/teCO之间2C-SR-CCS的价格为52 - 72美元/teCO2图8所示的缩放选项。

与生物油C-SR基础案例相比,C-SR- ccs和SE-CLSR避免了碳成本。

图8。与生物油C-SR基础案例相比,C-SR- ccs和SE-CLSR避免了碳成本。图片来源:Reeve, J, et al., 2022

通过灵敏度分析,图9显示了显著经济参数对LCOH和CCA的影响。由于生物油采购占生产费用的大部分(图7),与其他成本相比,改变其价格(+/)20%对LCOH的影响最大。

各种经济敏感性分析:(a)生物油价格对LCOH的影响;(b)天然气价格对LCOH的影响;(c) PSA设备成本对LCOH的影2022世界杯美洲区赛程表响;(d) MDEA成本对C-SR-CCS的LCOH和CCA的影响;(e)阀门成本对SE-CLSR的LCOH和CCA的影响。

各种经济敏感性分析:(a)生物油价格对LCOH的影响;(b)天然气价格对LCOH的影响;(c) PSA设备成本对LCOH的影2022世界杯美洲区赛程表响;(d) MDEA成本对C-SR-CCS的LCOH和CCA的影响;(e)阀门成本对SE-CLSR的LCOH和CCA的影响。

图9。各种经济敏感性分析:(a)生物油价格对LCOH的影响;(b)天然气价格对LCOH的影响;(c) PSA设备成本对LCOH的影2022世界杯美洲区赛程表响;(d) MDEA成本对C-SR-CCS的LCOH和CCA的影响;(e)阀门成本对SE-CLSR的LCOH和CCA的影响。图片来源:Reeve, J, et al., 2022

在生物油的转化研究中,由于假定硫含量足够低,往往忽略了脱硫作用。在实践中,脱硫的优势将比图10所示的更大,因为较少的催化剂更换将导致维护成本的降低。

重整催化剂寿命对C-SR在10,000 Nm下LCOH的影响3.h-1如图10所示。结果表明,在催化剂使用两年之后,LCOH几乎没有变化。

催化剂寿命、成本和加氢脱硫对从C-SR, 10,000 Nm3 h-1制氢的均一成本的影响。

图10.催化剂寿命、成本和加氢脱硫对10000 Nm C-SR制氢成本的影响3.h−1.图片来源:Reeve, J, et al., 2022

与金属氧化物硫保护床相比,HDS可能不是最具成本效益的生物油保护床。然而,现有的技术经济效应研究受到可获取数据少的制约,因此提出了该课题以供未来研究。

结论

就氢气的均一成本而言,SE-CLSR的经济性与C-SR-CCS相当,与通过BECCS生物质气化途径获得的更传统氢气的预期价格相当。

基于不同的计算方法,BECCS的碳避免成本(CCA)差异很大。如果收集的生物源排放被视为“负排放”,则CCA降低至每吨二氧化碳当量40至70美元2

PSA系统,CO2收集(在C-SR-CCS情况下)和三通阀是处理成本的重要因素(在SE-CLSR情况下)。加氢脱硫的高资金成本可能使LCOH提高约11%。

然而,如果有必要,为了增加催化剂的使用寿命,这种投资是合理的,特别是考虑到与过多的工艺停机时间相关的可能费用。

期刊引用:

里夫,J。.(2022)生物油碳捕集先进蒸汽重整:技术经济与CO2排放分析。清洁技术doi: 10.3390 / cleantechnol4020018

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劳拉·汤姆森

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劳拉·汤姆森

劳拉·汤姆森毕业于曼彻斯特城市大学,获得英语和社会学学位。在她的学习期间,劳拉做了一名校对员,并继续做全职工作,直到后来成为一家领先的分析和媒体公司的网站编辑。在她的业余时间,劳拉喜欢阅读一系列的书和写历史小说。她还喜欢看世界上新的地方,很多周末都在照顾狗狗。

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  • 美国心理学协会

    汤姆森,劳拉。(2022年5月27日)。生物油蒸汽重整中的碳捕获。AZoCleantech。检索于2022年7月2日从//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1554。

  • MLA

    汤姆森,劳拉。“生物油蒸汽重整碳捕获”。AZoCleantech.2022年7月02。< //www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1554 >。

  • 芝加哥

    汤姆森,劳拉。“生物油蒸汽重整碳捕获”。AZoCleantech。//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1554。(访问2022年7月2日)。

  • 哈佛大学

    汤姆森,劳拉。2022。生物油蒸汽重整中的碳捕获.AZoCleantech,查看2022年7月02日,//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1554。

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