DESIGN DEVELOPMENT OF INTEGRATED METHANE PYROLYSIS AND REFORMING PROCESSES FOR LOW-CARBON AMMONIA PRODUCTION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis Muhamad Reda) MS THESIS REDA FINAL OK.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 5 June 2025. Download (3MB)

Arabic Abstract

يُعتبر إنتاج الأمونيا الصناعي من خلال إصلاح الميثان البخاري (SMR) مساهماً كبيراً في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. وللحد من ارتفاع درجة الحرارة العالمية إلى أقل من 1.5 درجة مئوية، فإن تعديل المصانع الحالية أمر ضروري. يوفر التحلل الحراري للميثان (MP) حلاً من خلال إنتاج الهيدروجين أو الأمونيا دون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، مع إنتاج الكربون الصلب القابل للتسويق. تدرس هذه الدراسة الجدوى الفنية والاقتصادية لدمج التحلل الحراري للميثان في مصنع الأمونيا التقليدي المعتمد على إصلاح الميثان البخاري من خلال تقسيم إمداد الغاز الطبيعي بين قسمي التحلل الحراري للميثان وإصلاح الميثان البخاري. يعمل قسم التحلل الحراري للميثان عند ضغط 33 بار ودرجة حرارة 1400 درجة مئوية، محققاً معدل تحويل للميثان بنسبة 71.2%، مع إنتاج الكربون الأسود كمنتج ثانوي. تم تصميم مفاعل التحلل الحراري للميثان ليكون قابلاً للتبادل مع الأنابيب الاحتياطية من مفاعل إصلاح الميثان البخاري، بالإضافة إلى وحدة لاسترداد الميثان وتدفق إعادة التدوير لتحسين إنتاجية المنتجات. يظهر النموذج المدمج انخفاضاً في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون واستهلاكاً أقل للطاقة مقارنة بالمصنع الأساسي المعتمد على إصلاح الميثان البخاري فقط. مع تقسيم 50% من إمداد الغاز الطبيعي إلى التحلل الحراري للميثان، ينتج النموذج 773 طناً مترياً يومياً من الأمونيا مع انخفاض بنسبة 35% في كثافة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. تشير تحليلات الحساسية إلى الجدوى الاقتصادية للنموذج المدمج تحت سيناريوهات مختلفة. بالنظر إلى الأسعار الحالية والمتوقعة في الشرق الأوسط للغاز الطبيعي والأمونيا والكربون الأسود وضريبة ثاني أكسيد الكربون، فإن سيناريو تقسيم 50% من إمداد الغاز الطبيعي يُظهر ربحية أكبر بنحو 48 مليون دولار سنوياً مقارنة بالنموذج الأساسي. تتعزز هذه الربحية بالإيرادات الإضافية من مبيعات الكربون الأسود وإمكانية تصدير البخار. يبلغ التكلفة المثلى لإنتاج الأمونيا من النموذج المقترح (50% تكامل) حوالي 187 دولاراً للطن إذا تم اعتبار إيرادات الكربون الأسود و240 دولاراً للطن دون اعتبارها.

English Abstract

Industrial ammonia production, primarily through steam methane reforming (SMR), significantly contributes to greenhouse gas emissions. To limit global temperature rise to below 1.5 °C, modifying existing plants is essential. Methane pyrolysis (MP) offers a solution by enabling hydrogen or ammonia production without carbon dioxide emissions, while producing marketable solid carbon. This study examines the technical and economic feasibility of integrating MP into a conventional SMR-ammonia plant by splitting the natural gas (NG) feed between the MP and SMR sections. Operating at 33 bar and 1,400°C, the MP section achieves a 71.2% conversion rate, producing carbon black as a co-product. The integrated model shows reduced CO2 emissions and lower energy consumption compared to a baseline SMR-only plant. With a 50% NG feed split to MP, the model produces 773 metric tons per day of ammonia with 35% lower CO2 emission intensity. Sensitivity analysis indicates the economic viability of the integrated model under various scenarios. Considering current and projected Middle Eastern prices for NG, ammonia, carbon black, and a CO2 tax, the 50% NG feed split scenario is approximately 48 million USD more profitable annually than the baseline model. This profitability is enhanced by additional revenue from carbon black sales and potential steam export. The levelized cost of ammonia from the proposed model is 187 USD/ton if carbon black revenue is considered and 240 USD/ton without it.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Zahid, Umer
Committee Members:	Al-Mutairi, Eid Musaad H. and Abdul Jameel, Abdul Gani
Depositing User:	MUHAMAD PANGESTU (g202208140)
Date Deposited:	06 Jun 2024 11:10
Last Modified:	06 Jun 2024 11:10
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142930