Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Hybrid reactor for production of power, hydrogen and valuable chemical compounds from natural gas with integrated CO2 capture

Alternativ tittel: Produksjon av kraft, hydrogen og andre verdifulle produkter fra naturgass i en hybrid reaktor med integrert CO2 fangst

Tildelt: kr 4,2 mill.

Selv om produksjon av strøm og hydrogen fortsatt vil være avhengig av fossilt brensel i nær framtid, finnes det nye og alternative prosesser som tillater karbonfri produksjon av energi. Vi presenterer her et nytt konsept ? en hybrid pyrolyse- / forgassingsreaktor, som driftes med naturgass (NG) eller biogass. Den gir rom for både produksjon av kraft med integrert CO2-fangst og hydrogenproduksjon med enten karbonlagring eller ønsket karbonmonoksid produksjon i en høyeffektiv prosess. Prosessen kombinerer katalytisk, termisk nedbryting av NG med en høytemperatur brenselcelle (SOFC). Det er mulig å oppnå meget høy virkningsgrad (>90%) ved å utnytte overskuddsvarmen fra SOFC som innskudd til reaksjonen. Denne innovasjonen åpner for et nytt marked i Norge og ellers i Europa ? «grønn» produksjon av hydrogen til drivstoff, elektrisk kraft og enten karbonmonoksid eller faststoff karbon fra naturgass med integrert karbonfangst. Hovedmålet med dette prosjektet er utvikling av en hybrid reaktor for pyrolyse og gassifisering av naturgass ved bruk av en regenererende karbonkatalysator. Prosjektet har fokusert på tre hovedmål: ta reaktorutformingen ett skritt videre til det større pilotanlegget; samle mer data om de optimale prosessforholdene og prosessens robusthet til fødegassen og lære å operere uten tap av konverteringsgrad over tid. Aktiviteter og resultater i prosjektet: ? Design og bygging av hybrid pyrolyse/forgassingsreaktor og testmodul: o Omfattende CFD simuleringer for dimensjonering og verifisering av design elementer o Materialvalg o Produksjon av reaktor komponenter på Prototechs verksted o Bygging og automatisering av testmodulen o Pyrolyse reaktor modellering for å lage et verktøy som kan brukes i fremtidig reaktor design En rørformet stasjonær skiktreaktor på ca. 2 L totalt volum og lengde på 1600 mm som modell av en enkelt del av en større pilotreaktor ble bygget og installert i et fullt automatisert og fjernstyrt testoppsett. Laget av en varme- og karbon-korrosjonsbestandig legering, ga reaktoren fullstendig lekkasjetett drift ved 10 bar trykk og en driftstemperatur over 850 ° C. ? Innsamling av testdata for prosessbetingelser og robusthet til fødegass o Vurdering av driftstemperatur i området 800 - 1000 ° C o Vurdering av reaksjonskinetikken ved å analysere sammensetningen av gass langs reaktorens lengde o Drift av reaktoren ved trykk på opptil 10 bar for å evaluere reaksjonslikevekten og konverteringsgradsendring når den er koblet til et gasseparasjonssystem o Testing av reaktoren på tre forskjellige sammensetninger av fødegass (NG) Mens høyere temperaturer gir høyere NG-konvertering, ble 850 °C valgt som basistemperatur, noe som gir 56 % konvertering i løpet av 30 min pyrolyse syklus og gjør det enklere å kobles termisk til en SOFC. Drift ved 10 bar resulterte i redusert gasskonvertering, slik at en vurdering vil være nødvendig når reaktoren integreres i en industriell prosess i fremtiden. Vi har kjørt reaktoren på tre sammensetninger av fødegass (NG), to syntetiske blandinger av C1-C5 hydrokarboner og ekte naturgass fra et av de norske gassfeltene. Testingen var vellykket og demonstrerte robustheten av prosessen til variasjonene av fødegass-sammensetningen. C4-C5 i naturgassen ser ut til å fremme dekomponeringen siden blandingen som inneholder mest av hydrokarbonene er den som viser høyest konvertering. Hvis naturgassen inneholder CO2, vil dets pyrolyse i denne reaktoren også produsere CO gass samtidig, slik at fjerning av CO2 bør vurderes avhengig av ønsket prosess-skjema. ? Lære å drive reaktoren uten tap av konverteringseffektivitet over lengre tid Ulike typer karbon har vist seg å katalysere pyrolyse av metan og naturgass. Aktive karboner (ACs) fremmer nedbrytning av naturgass i H2 og C i mikroporene, men så reduseres katalytisk aktivitet av alle ACer raskt over tid når mikroporene fylles opp. Ved forhåndsfylling av reaktoren med AC, gjør man det mulig å starte pyrolysen med høy omdannelse og minimal biproduktdannelse, mens gjentatt delvis gassifisering av karbonet tillater å holde den aktiv over tid. ? Vi har vist over 150 pyrolyse gassifiserings-sykluser utført på samme innledende fylling av AC-katalysator. Hver pyrolysesyklus varte i 30 minutter, og forgassingstiden ble justert for å balansere produksjonen og forbruket av fast karbon inne i reaktoren. Ved utførelse under de samme driftsbetingelser sikrer den gjentatte partielle forgassingen av karbonet høy konverteringsgrad over hele testperioden. Sammendrag: Prototech har oppnådd prosjektets mål, samlet viktige prosessdata og demonstrert den langsiktige driften av den sykliske pyrolyse-forgassingsreaktoren uten tap av konverteringsgrad. Vi planlegger nå å fortsette utviklingen mot pilotskala i samarbeid med en industripartner.

Business outcome: the data and experience obtained in this project, together with earlier results by Prototech, is a sufficient basis for up-scaling the process developed here. This work would be done in close collaboration with an industry partner. If a business case is established at the start of the pilot activity, patents would be filed, and a commercial activity/company would emerge. Other impacts: scientifically, the results are of high interest too. To our knowledge, no one has previously reported a successful long-term operation of such a reactor, and the concept of combining thermal decomposition of natural gas with a solid oxide fuel cell has not been reported, either. An article in peer-reviewed journal is in work. At the level of society, the industrial implementation of thermal decomposition of natural gas may be an important step in the global transition to hydrogen economy, before large scale hydrogen production from renewables is established.

The main purpose of the proposed innovation is to utilize natural gas (NG) or biogas for power production and co-production of hydrogen in a highly efficient process while capturing the NG carbon content. To achieve this, two technologies are tightly integrated. The first is the use of catalytic pyrolysis (thermal decomposition) of NG, covered by a European patent: EP 1140695B1 held by Prototech. The second is the use of a high temperature solid oxide fuel cell (SOFC). By utilizing the excess heat of the SOFC as input to the pyrolysis reaction and alternating between carbon production by pyrolysis and carbon gasification, a very high overall efficiency (up to 90%) is achieved. The carbon contained in the NG takes the form of a pure stream of CO2 or easy to handle solid carbon, depending on operating mode. The proposed innovative reactor, when combined with a SOFC, has a large degree of flexibility. The formed carbon can undergo gasification to produce carbon monoxide, which may be used directly as a fuel in the SOFC. When combining pyrolysis and alternating gasification of the carbon with a SOFC, a range of operating modes exists: a) Co-production of hydrogen and electricity with CO2 capture; b) Electricity production where H2 is used as fuel in the SOFC; c) Electricity + CO2 (pure stream ready for storage); d) Electricity + H2 + CO2 (pure stream ready for storage) e) Electricity + syngas and other. Building up on three previous RCN projects carried out on this topic, the main objective of this Proposal is to resolve the remaining issues, collect and evaluate a large set of test data, build a new hybrid pyrolysis gasification reactor with regenerating carbon catalyst and demonstrate 100 regeneration cycles without efficiency loss. This is the final step towards building a pilot plant of a commercial scale.

Aktivitet:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering