Techno-Economic Feasibility Study for Combined Heat, Hydrogen and Power Production (CHHP) via Hydrothermal Liquefaction of Saccharina japonica.

Abstract

In this thesis, the feasibility study of macroalgae Saccharina japonica as a feedstock for hydrogen production was studied. Our study provides a technoeconomic feasibility study for the industrial scale process design for H2 production via hydrothermal liquefaction (HTL) of seaweed biomass, or macroalgae using Aspen plus process simulator. For this purpose, experimental study was performed to analyze various reaction parameters affecting the product phase distribution. The conversion was found to be maximum of 91.2% at reaction temperature of 300˚C, reaction time of 1hr, and a macroalgae/water ratio of 1:10. High conversion for the feed was due to high moisture in the feed which supported the dissociation of large molecules. GC-MS analysis for the experimental products showed aldehyde and ketones as major functional groups in them. Best experimental conditions were subjected for process design using process simulator. The goal of simulation study was to evaluate various industrial scale design cases in quest of minimum hydrogen selling price (MHSP). Various design alternatives were taken in consideration to analyze the economics. Following design cases were built to minimize the natural gas utilization and to enhance maximum heat integration: base case design with external utilities, Case 1 - Combined heat, hydrogen, and power production (CHHP), and Case 2 - modified Case 1 by using fraction of HTL product for combustion. Hot oil system was introduced in the Case 1 and Case 2 as an effective element for reducing the natural gas consumption. Combined heat, hydrogen and power production (CHHP) was simulated using 400,000 kg/hr of wet Saccharina japonica as feed. The process design consisted of various process sections including HTL, steam reforming (SRU), pressure swing adsorption (PSA) and heat and combustion unit. The plant was heat integrated to reduce the total utilities consumption. Net power was produced to make the design self-sustainable. Due to high HHV(35.5 MJ/kg) of bio-oil from HTL, Case 2 could reduce dependency on external utilities via using bio-oil as a combustion fuel. Technoeconomic study was performed to study the feasibility of the process. The study revealed that the Case 1 showed the lowest MHSP of 2.97 $/kg with an hourly production of 6659 kg/hr of H2. Low operating cost and fixed capital investment for the Case 1 in comparison with other design cases make it a suitable design for future assessments.

본 논문에서는 수소 생산을위한 공급 원료 인 거대 고기 Saccharina japonica의 타당성 조사가 수행되었다. 본 연구는 Aspen plus 공정 모사기를 사용하여 해조류 바이오매스의 열수액화 (hydrothermal liquefaction, HTL)를 통해 수소를 생산하는 산업 규모의 공정 설계에 대한 기술적 경제적 타당성 조사를 제공한다. 이를 위해 제품의 상 분포에 영향을 미치는 다양한 반응 매개 변수를 분석하기위한 실험적 연구가 먼저 수행되었다. 최대 전환율은 300 ℃의 반응 온도, 1 시간의 반응 시간 및 거대 조류 / 물 비율의 1:10에서 91.2 %였다. 큰 분자의 분해를 돕는 원료의 높은 수분율 때문으로 추정된다. 실험으로 얻은 제품에 대한 GC-MS 분석은 주요 작용기로서 알데히드 및 케톤을 나타냈다. 최적의 실험 조건은 공정 시뮬레이터를 사용한 공정 설계에 고려되었다. 모사 연구의 목표는 최소 수소 판매 가격 (minimum hydrogen selling price, MHSP)을 구하여 다양한 규모의 설계 사례를 평가하는 것이다. 경제성 분석을 위해 다양한 설계안들이 고려되었습니다. 다음의 여러 설계안들은 천연가스 이용을 최소화하고 열 통합을 극대화 하기위해 고안되었다: 외부의 유틸리티를 이용하는 기본 설계, 설계안 1 - 열, 수소 및 전력 병합생산 (CHHP), 사례 2 : HTL 제품의 일부를 연소용으로 사용하는 설계안 1의 변형. 설계안 1과 2에서 천연가스 소비를 줄이기 위해 고온 오일 시스템이 도입되었다. 열, 수소 및 전력 병합 생산 (CHHP)은 400,000 kg/yr의 젖은 Saccharina japonica를 원료로 사용하여 모사하였다. 설계된 공정은 HTL, 수증기 개질 (steam reforming, SRU), 압력변동흡착 (pressure swing adsorption, PSA) 및 열 및 연소 장치 등의 다양한 공정 섹션으로 구성된다. 공장은 총 유틸리티 소비를 줄이기 위해 열 통합되었다. 순 전력은 설계된 공정을 자급 자족 할 수 있도록 생산되었다. HTL로 생산된 바이오 오일의 높은 HHV(35.5 MJ/kg)로 인해 설계안 2는 연소용 연료로 바이오 오일의 일부를 사용함으로써 외부 유틸리티에 대한 의존도를 줄일 수 있었다. 프로세스의 타당성을 연구하기 위해 기술-경제성 분석이 수행되었다. 경제성 분석에 따르면 설계안 1의 MHSP는 2.97 $ kg로 가장 낮았으며 시간당 수소 생산량은 6659 kg/hr이었다. 다른 설계 사례와 비교했을 때, 설계안 에 대한 운영 비용 및 고정 자본 투자가 적기 때문에 향후 평가에 적합하다고 판단된다.