Application of Combined Adsorption and Reforming for Blue Hydrogen Production: Experimental and Numerical Investigations. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Application of Combined Adsorption and Reforming for Blue Hydrogen Production: Experimental and Numerical investigations) Abdelwahab PhD Thesis.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 4 May 2027. Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (9MB)

Arabic Abstract

تُعدّ الطاقة المحرك الأساسي للمجتمع الحديث، إلا أنها لا تزال تعتمد بشكل كبير على الوقود الأحفوري، مما يساهم بشكل ملحوظ في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. وهذا يفرض ضرورة التحول نحو مصادر طاقة أنظف وأكثر استدامة. وقد برز الهيدروجين كخيار واعد بفضل كثافته الطاقية العالية وطبيعته النظيفة عند الاستخدام. وعلى الرغم من تنوع طرق إنتاجه، لا يزال إصلاح الميثان بالبخار (SMR) هو الأسلوب السائد صناعيًا نظرًا لجدواه الاقتصادية. لذا، فإن دمج SMR مع تقنيات احتجاز ثاني أكسيد الكربون لإنتاج الهيدروجين الأزرق يمثل مسارًا عمليًا وقابلًا للتوسع لتقليل الانبعاثات مع تلبية الطلب المتزايد على الطاقة. تقدم هذه الأطروحة دراسة شاملة تجمع بين الجوانب التجريبية والنمذجة العددية لأنظمة الإصلاح والامتزاز المتكاملة لإنتاج الهيدروجين الأزرق بكفاءة. وتعالج الدراسة التحديات الرئيسية لعملية SMR التقليدية، مثل ارتفاع انبعاثات CO₂، وقيود الاتزان الحراري، وارتفاع استهلاك الطاقة في عمليات الفصل اللاحقة، وذلك من خلال دمج نمذجة متقدمة للمفاعلات، وتقنيات امتزاز لاحتجاز CO₂، وتطوير مواد مازة ومواد ثنائية الوظيفة. تم تطوير نموذج ثنائي الأبعاد باستخدام ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) لمفاعل SMR مسامي، مع الأخذ في الاعتبار الحركية التفاعلية، وانتقال المكونات المتعددة، وانتقال الحرارة بالإشعاع. أظهرت النتائج زيادة تحويل الميثان من 13.34% عند 773 كلفن إلى 98.15% عند الظروف المثلى (1073 كلفن، 5 بار، نسبة بخار/كربون = 5، GHSV = 5000 ساعة⁻¹)، كما أبرزت النتائج العابرة الترابط القوي بين انتقال الحرارة وحركية التفاعل. كما تم تطوير والتحقق من نظام متكامل يجمع بين SMR وعمود امتزاز ذي سرير ثابت، حيث استُخدم الكربون المنشط لالتقاط CO₂ وCO والميثان المتبقي، محققًا تحويل ميثان بنسبة 98.15% ونقاء هيدروجين 99.87% واسترجاع 79.6% تحت الظروف المثلى. وقد تأثر امتزاز CO₂ بشكل كبير بدرجة الحرارة والضغط، حيث أدت درجات الحرارة المنخفضة (298 كلفن) والضغوط المرتفعة (20 بار) إلى زيادة السعة وتأخير نقطة الاختراق. وتم اقتراح نظام دوري مكون من أربعة أسرّة للتشغيل المستمر. كما تمت دراسة عملية الامتزاز بالتأرجح الحراري (TSA) تحت ظروف تشغيل واقعية، حيث حققت جميع الاستراتيجيات نقاء هيدروجين مرتفع (99.87%) وإزالة شبه كاملة لـ CO₂ (99.99%). وقد أدى إلغاء خطوة التطهير إلى تحسين الاسترجاع (حتى 52.18%)، بينما حسّن التسخين بمساعدة الغاز عملية التجديد مع انخفاض طفيف في الاسترجاع بسبب فقد الهيدروجين. وتؤكد هذه النتائج أن أنظمة SMR-الامتزاز المتكاملة، خاصة مع TSA، توفر مسارًا فعالًا ومرنًا لإنتاج الهيدروجين الأزرق. تم أيضًا تحضير مواد مازة من CaO مطعّمة بالنيكل والحديد (1-15% وزنيًا) وتقييمها لاحتجاز CO₂، حيث أظهرت العينات بنسبة 1% أعلى سعات (~16 مول/كجم) متفوقة على CaO غير المطعّم (13.93 مول/كجم). وتم تحديد نطاق درجة حرارة مثالي بين 650–700 °C مع أقل استهلاك للطاقة (≈0.28 كيلوواط ساعة/كجم CO₂)، كما أظهر CaO المطعّم بالنيكل أفضل استقرار دوري. كذلك تم تحسين مواد محفز-ماز ثنائية الوظيفة من نوع Ni–Co/CaO-mayenite لعملية SE-SMR، حيث حقق المحفز بنسبة Ni:Co = 1:3 أداءً متميزًا بنقاء هيدروجين 95-98% وتحويل ميثان 97-99%. وساهمت الجسيمات الصغيرة في تحسين الانتقائية واحتجاز CO₂، بينما حسّنت الجسيمات الأكبر التحويل. كما أدت درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة معدلات التفاعل مع تقليل كفاءة الامتزاز، مما يبرز وجود موازنة بين الحركية والامتزاز. بشكل عام، يُظهر دمج الإصلاح مع الامتزاز باستخدام مواد متقدمة إمكانية تحقيق تحويل ميثان يتجاوز 98% ونقاء هيدروجين أعلى من 99% مع احتجاز فعال لثاني أكسيد الكربون، مما يوفر مسارًا قابلًا للتطبيق وفعالًا من حيث الطاقة لإنتاج الهيدروجين الأزرق.

English Abstract

Energy drives modern society but remains heavily reliant on fossil fuels, contributing significantly to greenhouse gas emissions. This necessitates a transition to cleaner energy carriers. Hydrogen has emerged as a promising option due to its high energy density and clean utilization. Although various production methods exist, steam methane reforming (SMR) remains dominant due to its economic viability. Therefore, integrating SMR with CO₂ capture to produce blue hydrogen offers a practical and scalable pathway to reduce emissions while meeting growing energy demand. This dissertation presents a comprehensive experimental and numerical investigation of integrated reforming-adsorption systems for efficient blue hydrogen production. The study addresses the major limitations of conventional steam methane reforming (SMR), including high CO₂ emissions, thermodynamic equilibrium constraints, and energy-intensive downstream separation, by combining advanced reactor modeling, adsorption-based CO₂ capture, and novel sorbent and bifunctional material development. A 2D CFD model of a porous SMR reactor was developed, incorporating reaction kinetics, multicomponent transport, and radiative heat transfer. Methane conversion increased from 13.34% at 773 K to 98.15% under optimal conditions (1073 K, 5 bar, S/C = 5, GHSV = 5000 h⁻¹), with transient results highlighting strong coupling between heat transfer and reaction kinetics. An integrated SMR-fixed bed adsorption system was then developed and validated. Activated carbon was used to capture CO₂, CO, and residual CH₄, achieving 98.15% methane conversion, 99.87% hydrogen purity, and 79.6% recovery under optimal conditions. CO₂ adsorption was strongly influenced by temperature and pressure, with low temperature (298 K) and high pressure (20 bar) enhancing capacity and delaying breakthrough. A four-bed cyclic system was proposed for continuous operation. The TSA process was also investigated under realistic conditions. All configurations achieved high H₂ purity (99.87%) and near-complete CO₂ removal (99.99%). Eliminating the purge step improved recovery (up to 52.18%), while sweep-assisted regeneration enhanced desorption but slightly reduced recovery due to H₂ losses. Overall, the results demonstrate that integrated SMR-adsorption systems, particularly with TSA, provide an efficient and flexible pathway for blue hydrogen production. Ni and Fe-doped CaO sorbents (1-15 wt.%) were synthesized and evaluated for CO₂ capture. The 1 wt.% samples showed the highest capacities (~16 mol/kg), outperforming undoped CaO (13.93 mol/kg). An optimal temperature window of 650–700 °C was identified, minimizing energy consumption (SEC= 0.28 kWh/kgCO₂). Ni-doped CaO exhibited the best cyclic stability over 20 cycles. Bifunctional Ni-Co/CaO-mayenite catalyst–sorbents were also optimized for SE-SMR. The Ni: Co = 1:3 catalyst achieved superior performance, with hydrogen purity of 95-98% and methane conversion of 97-99%. Smaller particles enhanced H₂ selectivity and CO₂ capture, while larger particles improved conversion. Higher temperatures increased reaction rates but reduced CO₂ adsorption, highlighting a trade-off between kinetics and sorption. Overall, integrating reforming and adsorption with advanced materials enables >98% methane conversion, >99% hydrogen purity, and efficient CO₂ capture, offering a scalable and energy-efficient pathway for blue hydrogen production.