Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosjektstøtte for matematikk, naturvitenskap og teknologi

A novel Chemical Switching Reforming (CSR) reactor for pure hydrogen production with integrated CO2 capture

Tildelt: kr 9,0 mill.

Chemical Switching Reforming (CSR) konseptet muliggjør ren hydrogenproduksjon med integrert CO2-fangst fra en enkel reaktor. Metan slippes inn i reaktoren, hvor det reformeres til karbonmonoksid og hydrogen over en Ni-basert katalysator. Hydrogen blir deretter ekstrahert via perm-selektive membraner, for derved å oppnå høy hydrogenrenhet i produktstrømmen og høy omsetningsgrad av metan og karbonmonoksid. For å skaffe varme til den endoterme reformeringsreaksjonen tilføres luft i et separat trinn hvor katalysatoren virker som en oksygenbærer og reagerer med oksygen for å produsere varme med CO2 fangst. Prosjektet har produsert verdifulle resultater både eksperimentelt og simuleringsmessi. Eksperimentelt, ble en ny teknikk anvendt basert på kombinert termogravimetrisk analyse (TGA) og massespektroskopi (MS) for å vurdere den katalytiske aktiviteten for oksygenbærermaterialet. Denne metoden er i stand til å måle den samtidige virkningen av heterogen og katalytisk reaksjon, på samme måte som ville være tilfelle i det virkelige systemet. En plutselig aktivering av katalytisk aktivitet ble observert når oksygenbæreren blir tilstrekkelig redusert. En kald fluidisert seng med flate vertikale membraner er også blitt konstruert og testet eksperimentelt. Gassutvinning gjennom de flate membranene hadde en stor virkning på fluidiseringen i sengen. En digital bildeanalyse (DIA) teknikk ble anvendt for å karakterisere bobledynamikken (størrelse, antall, hastighet og form) under forskjellige betingelser. Resultatene viset at ekstraksjonshastigheten og plassering av utløp er innflytelsesrike parametere. Store ekstraksjonshastigheter resulterte i dannelsen av stillestående soner på membraner som kan resultere i driftsproblemer for den virkelige reaktoren. Plassering av ekstraksjonssoner mot midten av sengen resulterte i mer jevn boblevekst som vil ha en positiv innvirkning på reaktorens ytelse. Disse funnene ble reprodusert i en simuleringskampanje med en forbedret veggfriksjon modell for å fange dannelsen av stillestående soner. Denne validerte modelleringsmetoden ble deretter brukt til å utføre reaktive simuleringer for å teste i hvilken grad konklusjonene fra kaldstrømnings eksperimenter representerer den virkelige reaktive prosessen. Simuleringene viste en lignende virkning av gassutvinning i kaldstrømnings og reaktive tilfeller, noe som bekrefter at kald-strømningseksperimenter gir en god indikasjon på hydrodynamiske oppførsel i den virkelige reaktoren. Viktige konklusjoner fra kaldstrømningseksperimentene ble også bekreftet av de reaktive simuleringene. For eksempel at plassering av gass ekstraksjon mot midten av reaktoren resulterte i bedre ytelse enn ekstraksjon over den hele membranoverflaten. Simuleringer av hele CSR prosessen viste god hydrogengjenvinning gjennom membranene (70-80%) og en lav grad av CO2/N2 blanding. Videre viste resultatene at hydrogengjenvinningen varierer gjennom CSR syklusen og at alternative driftsstrategier kan være nødvendige for å sikre jevn ytelse. En effektiv operasjonsstrategi ble utviklet hvor residuale brennbare gasser er brukt for å redusere oksygenbærer. Denne strategien sikrer maksimal utnyttelse av brennstoff. Prosjektet har også utviklet en Lagrangian Dense Discrete Phase Model (DDPM) for modellering av fluidized-bed reaktorer. Modellen ble validert mot eksperimentelle resultater og simuleringer utført med den konvensjonelle to-fluid modellen (TFM). Med DDPM kan man kjøre simuleringer på mye grovere grid enn TFM, men man er fortsatt begrenset av datakapasitet ved simulering av store reaktorer. Prosjektet viser at en «filtrert TFM» modell er best egnet for storskala reaktorsimuleringer. Per i dag har prosjektet demonstrert CSR-konseptet uten membraner. Selv uten membraner er dette et lovende konsept for hydrogenproduksjon med CO2-fangst. Membrantester er i gang og membranene vil snart bli inkludert i reaktoren. Demonstrasjon av CSR reaktoren med membraner vil bli utført i 2017 av doktorgradsstudenten i prosjektet. Økonomiske analyser viser at CSR konseptet med membraner kan produsere hydrogen med CO2-fangst for praktisk talt samme kostnad som konvensjonell damp-metan reformering (SMR) uten CO2 fangst. Kostnaden er nesten 20% lavere enn SMR-prosessen med CO2 fangst. Demonstrasjon av CSR konseptet kan derfor føre til videre oppskalering av konseptet.

This project will demonstrate the technical and economic feasibility of a novel reactor concept, Chemical Switching Reforming (CSR), for pure hydrogen production from natural gas reforming with integrated CO2 capture. The CSR concept aims to combine the a dvantages of the excellent heat transfer and gas-solid mixing characteristics of fluidized beds with the controlled removal capability of membrane reactors, using a novel switching concept to achieve an inherently safe, high throughput and cost effective reactor operation. Environmentally friendly, pure hydrogen production is therefore achieved in a single reactor, while other methods, such as auto-thermal reforming, would require the inclusion of additional process constituents to achieve this outcome. Two existing experimental units will be upgraded with membrane bundles for use in this project. These units will be employed to prove the technical feasibility of CSR, gain operating experience with this novel reactor concept and provide experimental data for validating reactive multiphase flow models to be further developed in this project. These validated models will be used to project reactor performance to larger scales for the purpose of accelerating process scale-up and eventual commercialization in future projects. A simulated pilot scale CSR reactor will form the basis for an economic evaluation of the CSR concept within this project. Four work packages are included. All tasks are related to the proof of feasibility of the novel reactor concept. In WP1, a PhD candidate from NTNU will demonstrate the technical feasibility of CSR by cold experiments at SINTEF and hot reactor experiments at TU/e. In WP2, a postdoc researcher at SINTEF leads development of reactive multiphase flow models to be valida ted against experimental results from WP1. In WP3, the postdoc researcher will use these models to conduct an economic evaluation of the CSR concept. The entire project will be managed by SINTEF through WP4.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosjektstøtte for matematikk, naturvitenskap og teknologi