TECHNOECONOMIC EVALUATION OF PRODUCING HYDROGEN AND METHANOL FROM WASTE PLASTICS WITH THE CONTROLE ON GREENHOUSE GAS EMISSIONS

TECHNOECONOMIC EVALUATION OF PRODUCING HYDROGEN AND METHANOL FROM WASTE PLASTICS WITH THE CONTROLE ON GREENHOUSE GAS EMISSIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Master Thesis)
Thesis.pdf
Restricted to Repository staff only until 7 May 2023.

Download (4MB)

Arabic Abstract

الطلب الهائل المتزايد على الهيدروجين كوقود نظيف لفت الأنظار بقوة للبحث عن بدائل لإنتاجه. إضافة الى الأهمية الكبرى للهيدروجين أيضا الميثانول يعد واحدا من المركبات الكيميائية الضرورية والتي يمكن من خلالها صناعة مواد عديدة ذات أهمية وقيمة عالية. يعتبر البلاستيك المستخدم بديلا مميزا لإنتاج الهيدروجين والميثانول لأن البلاستيك موجود بكثرة ويحتوي على مخزون عالي نسبيا من الحرارة ولأن عدم معالجته وإعادة تدويره يتسبب في كوارث للبشرية وللبيئة. بولي اثيلين وبولي بروبلين يمثلان الأعلى استخداما من بين كل أنواع البلاستيك. لذلك قمنا باختيارهما كممثلين للبلاستيك لعملية التدوير الثير وكيميائية. نستخدمASPEN PLUS لإثبات فعالية فكرتنا. الدراسة الأولى مثلت الحالة الاعتيادية لإنتاج الهيدروجين والميثانول من البلاستيك واستخدمنا فيها عملية التغويز فقط. من ثم قارنا نتائجنا بنتائج مسجلة في دراسات سابقة وتم التحقق من أن نتائجنا صحيحة مطابقة للواقع. الدراسة الثانية أنتجنا فيها الهيدروجين والميثانول من البلاستيك ومن الغاز الطبيعي بنفس الوقت (دمجنا عمليتين لإنتاج الغاز الاصطناعي وهما عملية التغويز بمساعدة البخار وعملية التهذيب الكيماوي بمساعدة البخار أيضا). الهدف من الدراسة الثانية استغلال كمية الحرارة الكبيرة الناتجة عن عملية التغويز واستخدامها في تسخين الغاز الطبيعي الداخل. في كلا الدراستين نقوم بمعالجة الغاز الاصطناعي وتنقيته من كبريتيد الهدروجين قبل صناعة الميثانول لان محفز صناعة الميثانول حساس جدا لكبريتيد الهدروجين. وبعد صناعة الميثانول نقوم بمعالجة ما بقي من الغاز الاصطناعي بتحويل ما بقي من اول أكسيد الكاربون الى هيدروجين وثاني أكسيد الكربون بالاستعانة بالبخار. وأخيرا نقوم بفصل ثاني أكسيد الكربون عن الهدروجين باستخدام عملية الامتصاص. بذلك نكون صنعنا الهدروجين والميثانول بنفس الوقت بدراستين مختلفتين. نفس الأمر طبقناه على الدراستين لكن فقط لصناعة الهدروجين من دون إضافة عملية صناعة الميثانول لذلك تكون معنا أربع حالات. الحالة 1 من خلالها صنعنا الهدروجين فقط من البلاستيك عبر عملية التغويز المعالج بالبخار. الحالة 2 دمجنا عمليتي التغويز وعملية التهذيب الكيماوي وأنتجنا الهدروجين فقط. الحالة 3 أنتجنا الهدروجين والميثانول بنفس الوقت لكن من البلاستيك فقط. الحالة 4 أنتجنا الهدروجين والميثانول من البلاستيك ومن الغاز الطبيعي بنفس الوقت. قمنا بمراعاة السيطرة على كمية ثاني أكسيد الكاربون المنتجة والتحكم فيها وكانت أقل في الحالة 2 والحالة 4 مقارنة ب 1 و3. أيضا الكفاءة العملية كانت أعلى في الحالة 2 والحالة 4 عن الحالتين 1 و3 بمقدار 1.82 و12.75 % تواليا. بالنسبة للتحليل الاقتصادي أظهرت الحالتين 2 و4 تفوقا على الحالتين 1 و3 في سعر انتاج الوقود بمقدار 29 و51.83% تواليا. بالإضافة الى ذلك انتاج الوقود في الدراسة الثانية كان أكثر. الدراسة الثانية أيضا مثلت تطورا كبيرا في الكفاءة من الناحية الإنتاجية والاقتصادية ومن ناحية تقنين استخدام الطاقة. لذلك ننصح بتطبيق الدراسة الثانية سواء لإنتاج الهدروجين وحيدا او لإنتاج الميثانول والهدروجين معا. بالإمكان الإضافة على دراستنا باستخدام نموذج يقوم بصناعة الايثانول بنفس الطريقة.

English Abstract

The recent tremendous need for hydrogen as a clean fuel has grabbed the attention to offer alternatives for hydrogen production. Methanol is also considered a very essential chemical for synthesis of several fuels, and chemical products. Plastic wastes are among the alternatives to produce hydrogen and methanol, because of their high heating value, availability, and their drastic impacts to the environment. Polyethylene (PE) and polypropylene (PP) have the highest portion of worldwide produced plastic wastes. Therefore, we produced hydrogen and methanol from plastic wastes (i.e., PE and PP) via steam gasification process using Aspen Plus ® software. The syngas composition from steam gasification was validated with several results from the literature. Our first model (Case 1) is to produce hydrogen from waste plastics. The second model (Case 2) involves steam methane reforming (SMR). In this approach, the syngas at the outlet of plastic gasification is integrated energetically with the SMR inlet feed. Then, the syngas produced from the two processes are mixed and further processed to get pure hydrogen. The third approach (Case 3) is like Case 1; however, syngas is introduced to methanol production unit and the unreacted gases are further processed to produce pure hydrogen (Case 3). The final model is Case 4 which entails the integration of plastic gasification and SMR, however, with the production of methanol. The main processes involved in the study are water gas shift unit (WGS), SMR, methanol production, and acid gas removal (AGR). The aim of WGS is to maximize the hydrogen production by converting the carbon monoxide to hydrogen and CO2. Then, Gas cleaning has been implemented to capture CO₂ and H₂S. Extensive sensitivity analysis was conducted seeking the optimal operational conditions. Case 1 is considered as a conventional case in producing hydrogen. Case 2 is the alternative; potentially promising case and it was compared with Case 1. Similarly, Case 3 was assessed with Case 4. The energy and economic analysis were conducted; however, the main key parameters in the study were the GHG emissions, hydrogen production rate, overall energy efficiency, and fuel production cost. The implementation of Case 2 enhanced the hydrogen production rate by 5.6%. Additionally, the overall process efficiency was improved by 6.43%. The CO2 specific emissions were reduced by 1.0%. Ultimately, the hydrogen lifetime production cost was reduced by 29%. On the other hand, the results from Case 4 were promising than Case 3. Thoroughly, the overall process efficiency of Case 4 was higher than Case 3 by 9.0%. The levelized fuel (H2 and methanol) production cost was improved in Case 4 by 51.83%. Therefore, plastic thermochemical recycling via steam gasification coupled with SMR is economically feasible either to produce hydrogen or methanol. Additionally, the integrated case is more convenient than the conventional case because it efficiently utilizes the energy and significantly reduces the fuel production cost.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Chemical Engineering
Department: College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor: Ahmed, Usama
Committee Members: Zahid, Umer and Baaqeel, Hassan
Depositing User: ALI AL QADRI (g201472160)
Date Deposited: 09 May 2022 06:44
Last Modified: 09 May 2022 06:44
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142100