Simulation of a syngas from coal production plant coupled to a high temperature nuclear reactor
Date
2012-12
Authors
Botha, Frederick Johannes
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: In light of the rapid depletion of the world’s oil reserves, concerns about energy
security prompted the exploration of alternative sources of liquid fuels for
transportation. One such alternative is the production of synthetic fuels with the
indirect coal liquefaction process or Coal-To-Liquids (CTL) process. In this
process, coal is burned in a gasifier in the presence of steam and oxygen to
produce a synthesis gas or syngas, consisting mainly of hydrogen and carbon
monoxide. The syngas is then converted to liquid fuels and a variety of useful
chemicals in a Fischer Tropsch synthesis reactor. However, the traditional
process for syngas production also produces substantial amounts of carbon
dioxide. In fact, only about one third of the carbon in the coal feedstock ends up
in the liquid fuel product using traditional CTL technology. If additional hydrogen
was available, the carbon utilisation of the process could be improved
significantly. The high temperature reactor (HTR) is a gas cooled Generation IV
nuclear reactor ideally suited to provide electrical power and high temperature
heat for the production of carbon neutral hydrogen via high temperature
electrolysis. The integration of an HTR into a CTL process therefore provides an
opportunity to improve the thermal and carbon efficiency of the CTL process
significantly. This thesis presents a possible process flow scheme for a nuclear
assisted CTL process. The system is evaluated in terms of its thermal or syngas
production efficiency (defined as the ratio of the heating value of the produced
syngas to the sum of the heating value of the coal plus the HTR heat input) as
well as its carbon utilisation. If the hydrogen production plant is sized to produce
only enough associated oxygen to supply in the needs of the gasification plant,
syngas is produced at about 63% thermal efficiency, while 71.5% of the carbon
is utilised in this process. It was found that the optimum HTR outlet temperature
to produce hydrogen with a high temperature steam electrolysis process is
850°C. If enough process heat and electrical power are available and process equipment capacities are sufficient, the carbon utilisation of the process could be
improved even further to values in excess of 90%.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die uitputting van die wêreld se olie-reserwes, asook kommer oor energiesekuriteit het daartoe gelei dat alternatiewe bronne van vloeibare brandstowwe vir vervoer ondersoek moes word. Een so 'n alternatief is die produksie van sintetiese brandstof d.m.v. die indirekte steenkool vervloeiing proses of sogenaamde Coal-To-Liquids (CTL) proses. In hierdie proses word steenkool in die teenwoordigheid van stoom en suurstof in 'n vergasser gebrand om 'n sintesegas of singas te produseer, wat hoofsaaklik uit waterstof en koolstofmonoksied bestaan. Die sintesegas word daarna omgeskakel na vloeibare brandstowwe en 'n verskeidenheid van nuttige chemikalieë in 'n Fischer-Tropsch-sintese reaktor. Ongelukkig produseer die tradisionele proses vir sintesegas produksie ook 'n beduidende hoeveelheid koolstofdioksied. Trouens, slegs sowat een derde van die koolstof in die steenkool roumateriaal eindig in die vloeibare brandstof produk indien van tradisionele CTL-tegnologie gebruik gemaak word. Indien addisionele waterstof beskikbaar was, kon die koolstofbenutting van die proses aansienlik verbeter word. Die hoë temperatuur reaktor (HTR) is 'n gas-verkoelde Generasie IV kernreaktor wat by uitstek geskik is om elektrisiteit en hoë temperatuur hitte te verskaf vir die produksie van koolstofneutrale waterstof d.m.v. hoë temperatuur elektrolise. Die integrasie van 'n HTR in 'n CTL-proses bied dus 'n geleentheid om die termiese- en koolstofdoeltreffendheid van die CTL-proses aansienlik te verbeter. In hierdie ondersoek word 'n moontlike proses vloeidiagram vir 'n kern-gesteunde CTL-proses voorgestel. Die stelsel is geëvalueer in terme van sy termiese- of sintesegas produksie doeltreffendheid (gedefinieer as die verhouding van die hittewaarde van die geproduseerde sintesegas gedeel deur die som van die hittewaarde van die steenkool en die HTR hitte-insette) sowel as sy koolstof-effektiwiteit. Indien die waterstof produksie-aanleg ontwerp word om net genoeg geassosieerde suurstof te voorsien om in die behoeftes van die vergassing-aanleg te voorsien, word sintesegas teen ongeveer 63% termiese doeltreffendheid vervaardig, terwyl 71.5% van die koolstof in hierdie proses benut word. Daar is bevind dat 850°C die optimum HTR uitlaat temperatuur is om waterstof d.m.v. hoë temperatuur stoom-elektrolise te vervaardig. Indien daar genoeg proses hitte en elektrisiteit beskikbaar is en die proses toerusting kapasiteite voldoende is, sou die koolstof-benutting van die proses tot meer as 90% verbeter kon word.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die uitputting van die wêreld se olie-reserwes, asook kommer oor energiesekuriteit het daartoe gelei dat alternatiewe bronne van vloeibare brandstowwe vir vervoer ondersoek moes word. Een so 'n alternatief is die produksie van sintetiese brandstof d.m.v. die indirekte steenkool vervloeiing proses of sogenaamde Coal-To-Liquids (CTL) proses. In hierdie proses word steenkool in die teenwoordigheid van stoom en suurstof in 'n vergasser gebrand om 'n sintesegas of singas te produseer, wat hoofsaaklik uit waterstof en koolstofmonoksied bestaan. Die sintesegas word daarna omgeskakel na vloeibare brandstowwe en 'n verskeidenheid van nuttige chemikalieë in 'n Fischer-Tropsch-sintese reaktor. Ongelukkig produseer die tradisionele proses vir sintesegas produksie ook 'n beduidende hoeveelheid koolstofdioksied. Trouens, slegs sowat een derde van die koolstof in die steenkool roumateriaal eindig in die vloeibare brandstof produk indien van tradisionele CTL-tegnologie gebruik gemaak word. Indien addisionele waterstof beskikbaar was, kon die koolstofbenutting van die proses aansienlik verbeter word. Die hoë temperatuur reaktor (HTR) is 'n gas-verkoelde Generasie IV kernreaktor wat by uitstek geskik is om elektrisiteit en hoë temperatuur hitte te verskaf vir die produksie van koolstofneutrale waterstof d.m.v. hoë temperatuur elektrolise. Die integrasie van 'n HTR in 'n CTL-proses bied dus 'n geleentheid om die termiese- en koolstofdoeltreffendheid van die CTL-proses aansienlik te verbeter. In hierdie ondersoek word 'n moontlike proses vloeidiagram vir 'n kern-gesteunde CTL-proses voorgestel. Die stelsel is geëvalueer in terme van sy termiese- of sintesegas produksie doeltreffendheid (gedefinieer as die verhouding van die hittewaarde van die geproduseerde sintesegas gedeel deur die som van die hittewaarde van die steenkool en die HTR hitte-insette) sowel as sy koolstof-effektiwiteit. Indien die waterstof produksie-aanleg ontwerp word om net genoeg geassosieerde suurstof te voorsien om in die behoeftes van die vergassing-aanleg te voorsien, word sintesegas teen ongeveer 63% termiese doeltreffendheid vervaardig, terwyl 71.5% van die koolstof in hierdie proses benut word. Daar is bevind dat 850°C die optimum HTR uitlaat temperatuur is om waterstof d.m.v. hoë temperatuur stoom-elektrolise te vervaardig. Indien daar genoeg proses hitte en elektrisiteit beskikbaar is en die proses toerusting kapasiteite voldoende is, sou die koolstof-benutting van die proses tot meer as 90% verbeter kon word.
Description
Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012.
Keywords
High temperature reactor, Gasification, Cogeneration, Coal-to-liquids, Dissertations -- Mechanical engineering, Theses -- Mechanical engineering, Syngas production efficiency