Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Investigation the effect of emissivity coefficient changing and ceramic coating utilization on the synthesis gas production of steam methane reformer

Document Type : Original Article

Author
azadeh mirvakili
Chemical Engineering Department, Faculty of Petroleum, Gas and Petrochemical Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran 75169-13817
10.22034/jfnc.2025.499141.1420
Abstract
The methane steam reforming reaction is highly endothermic, thus the tubes full of catalysts are placed in the furnace. Due to the dominance of radiation heat transfer in the reformer furnace, one of the most important parameters in increasing the efficiency of the reformer is the emissivity coefficient of the furnace wall and tubes, which over time has caused a decrease in the thermal efficiency of the furnace and a decrease in the hydrogen production in the reformer. In this study, the effect of changing the emissivity coefficients of the furnace wall, tunnel and tubes on the synthesis gas production efficiency, especially hydrogen inside the tube and the reformer furnace outlet temperature has been studied. The Zagros Petrochemical reformer furnace was simulated in three dimensions using computational fluid dynamics and validated with industrial data. The results showed that a decrease in the emissivity coefficient during ten years of furnace use causes a 3% decrease in hydrogen production and a 3% increase in residual methane at the tube outlet. To increase the efficiency of the furnace, the use of ceramic coatings was investigated and the results showed that increasing the wall emissivity to 0.9 increased the skin tube temperature and outlet gas by about 8 degrees Celsius, increased hydrogen production by about 6.3 percent, and reduced methane consumption by about 10.2 percent compared to the operating condition.
Keywords
Seam reformer
Furnace
Emissivity coefficient
Ceramic coating
Radiation energy

Subjects

با مصرف انبوه انرژی فسیلی و گرم شدن روزافزون آب و هوای جهانی، سوخت پاک و تجدیدپذیر هیدروژن برای جایگزینی انرژی فسیلی با انتشار کربن بالا ضروری است. هیدروژن سوختی پاک با چگالی انرژی بالا و قابل حمل است، در حال تبدیل شدن به یکی از حامل‌های انرژی جایگزین ایده آل در قرن بیست و یکم است. هیدروژن برای کربن زدایی چندین صنعت از جمله صنایع سوخت بر، حمل و نقل و تولید برق ضروری است. کلید پیشرفت انرژی هیدروژن، حل مشکل تولید هیدروژن با مصرف انرژی کمتر است ]1-4[.

روش‌های زیادی مانند ریفرمینگ بخار متان[1]، الکترولیز آب بادی (یا خورشیدی)، تبدیل به گاز و الکترولیز در دمای بالا برای تولید هیدروژن می‌توان استفاده‌کرد. با این حال، 95 درصد از هیدروژن تولید شده در حال حاضر از ریفرمینگ بخار متان می‌آید، که هیدروژن را از متان با دنباله‌ای از فرآیندهای کاتالیزوری که در فشارها و دماهای بالا انجام‌می‌شود، تولید می‌کند [9-5]. ریفرمینگ بخار متان، به‌عنوان یک فناوری صنعتی برای تولید هیدروژن، دارای مزایای بسیاری است. به‌عنوان مثال، استفاده از متان به‌عنوان یک واکنش‌دهنده، که سرشار از ذخایر مواد خام است، می‌تواند اثر گلخانه‌ای ناشی از این گاز را کاهش دهد [10]. علاوه بر این، گاز سنتز[2] به‌دست‌آمده از فرآیند ریفرمینگ، نسبت مولی کمتر از یک دارد و می‌تواند به‌عنوان منبع اولیه برای سنتز هیدروکسیل مورد استفاده قرار گیرد [11]. پس از آن، فرآیند ریفرمینگ بخار متان، گرمای واکنش زیادی را آزاد می‌کند که می‌تواند به‌عنوان یک ذخیره‌سازی و تبدیل انرژی استفاده شود. در نهایت، در مقایسه با ریفرمینگ دی‌اکسید کربن متان، ریفرمینگ بخار متان می‌تواند به‌طور مؤثر مسئله رسوب کربن را در فرایندی که منجر به غیرفعال‌سازی کاتالیزور می‌شود، حل کند [12]. کوره ریفرمر شامل یک محفظه احتراق، لوله‌های مملو از کاتالیست نیکل بر پایه آلومینا و تونل‌هایست که گاز حاصل از احتراق را به‌سمت بیرون محفظه احتراق، هدایت می‌کند. گرمای لازم جهت انجام واکنش با استفاده از مشعل‌هایی که در کوره تعبیه‌شده، تأمین می‌شود. ریفرمینگ بخار مستلزم واکنش هیدروکربن با بخار در دمای بالا در بستر کاتالیزور است که منجر به تولید هیدروژن می‌شود. فرآیند ریفرمینگ، در داخل لوله‌ها، که گاز طبیعی همراه با بخار آب در حضور کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل واکنش می‌دهد، صورت‌می‌گیرد. زنجیره واکنش‌ها در داخل لوله‌ها عبارتند از [13]:

 

(1)

 

 

(2)

 

CH4

(3)

 

 

محفظه احتراق دارای مشعل‌هایی برای تأمین گرما برای واکنش‌های ریفرمر متان بخار گرماگیر در لوله‌ها است. با توجه به اینکه در کوره ریفرمر بیش از 95 درصد انتقال حرارت، از نوع تابشی است و به‌دلیل گرماگیر بودن واکنش در داخل لوله‌ها، ضریب نشر یکی از پارامترهای مهم در بازدهی کوره و تولید هیدروژن در لوله‌ها است. به همین علت استفاده از پوشش‌های سرامیکی با ضریب نشر بالا، سبب جذب گرمای زیاد در لوله‌ها و دمای دود می‌شود.

بسیاری از شبیه‌سازی‌های موفق [3]CFD توسط محققان برای کوره‌های صنعتی انجام شده‌است [14]. لائو و همکاران [15] یک راکتور ریفرمر متان بخار در مقیاس صنعتی (لوله ریفرمر) را از طریق CFD شبیه‌سازی کرد. متعاقباً، آن‌ها سه طرح کنترل بازخورد مختلف را طراحی و ارزیابی کردند تا میانگین وزنی منطقه را تعیین کنند. آگویر و همکاران [16] یک کوره ریفرمر صنعتی، با 336 لوله را با استفاده از مدل CFD شبیه‌سازی و مورد بررسی قرار دادند، آن‌ها به بررسی خوراک لوله‌ها و مقایسه ضرایب نشر کوره و لوله‌های ریفرمر به‌منظور بررسی عملکرد ضرایب نشر، در بازدهی کوره، تولید هیدروژن و مصرف متان پرداختند. نتایج آن‌ها با داده‌های صنعتی مطابقت خوبی داشت. پاشچنکو [17] اثر ابعاد هندسی ریفرمر را با انجام شبیه سازی‌های CFD با حوزه‌های محاسباتی 1 بعدی، 2 بعدی و سه بعدی مورد مطالعه قرار داد. نتایج نشان داد که تفاوت بین نتایج هندسه دوبعدی و سه بعدی نسبت به هندسه‌های یک بعدی و سه بعدی معنی‌دار نیست. تران و همکاران [18] یک مفهوم متعادل کننده کوره ارائه کردند که تغییرات در خوراک مشعل‌ها می‌تواند بازده حرارتی یک ریفرمر صنعتی را بهبود بخشد. پاشچنکو [19] تغذیه پیش گرمایش یک ریفرمر بخار در لوله‌ها را از طریق مدل CFD بررسی کرد. این مدل تأثیر تغییرات دما در شرایط اولیه را بر تولید هیدروژن ریفرمر به تصویر می‌کشد. ژانگ و همکاران [20] یک مدل CFD برای یک لوله واکنش ریفرمر با یک کاتالیزور مبتنی بر نیکل با پوشش داخلی مطابق با سیستم گردش مجدد گازهای خروجی یک موتور با سوخت گاز طبیعی مایع توسعه داد. آن‌ها مکانیسم‌های ویژگی‌های ریفرمر را هنگامی که نسبت گازهای خروجی از 5/2 درصد تا 10 درصد و نسبت مولی آب به کربن از 1 تا 5/3 متغیر است، مطالعه کردند. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که نسبت جرمی بالاتر آب به سوخت برای واکنش ریفرمینگ بخار متان، بازده هیدروژن بیشتر و مهار کک مفید است. پاشچنکو [21] از CFD برای شبیه‌سازی یک ریفرمر به‌عنوان یک بستر بسته‌بندی شده ثابت پر از کاتالیزور متخلخل استفاده‌کرد تا تأثیر اشکال ذرات بر افت فشار را بررسی کند. نتایج نشان داد که افت فشار به‌صورت خطی به اعماق مختلف بستر کاتالیست وابسته‌است. علاوه بر این، پاشچنکو [22] یک مطالعه تجربی در مورد رفرم متان با گازهای دودکش بر روی یک کاتالیزور Ni-Al2O3 برای بهینه‌سازی شرایط عملیاتی ریفرمر متان بخار انجام داد. نتایج نشان داد که ترکیب گاز سنتز را می‌توان با افزودن بخار کنترل کرد. تبدیل متان با افزودن بخار به خوراک به‌ویژه از 500 تا 800 درجه سلسیوس افزایش می‌یابد. علاوه بر این، پاشچنکو و همکاران [23] تأثیر تغییرات شرایط عملیاتی بر رسوب کربن و تبدیل متان و افت فشار در یک ریفرمر را بررسی کردند. نتایج نشان داد که با افزایش زمان ماند، تبدیل متان به‌حالت تعادل می‌رسد. علاوه بر این، افزایش نسبت بخار به متان بیش از 1 منجر به افزایش رسوب کربن و وابستگی خطی با زمان و بخار می‌شود.

در این پژوهش مشکل کاهش ضریب انتشار در کوره ریفرمر پتروشیمی زاگرس بررسی می‌شود. مشکل عمده این ریفرمر افزایش دمای دود خروجی ریفرمر و کاهش بازده تولید گاز سنتز است. در پژوهش قبل ]14[ که فقط کوره ریفرمر بدون لوله‌ها مورد بررسی قرار گرفت، مشکل اصلی ریفرمر کاهش ضریب انتشار در سطوح ریفرمر بخار در طول زمان مشخص شد. اما تأثیر کاهش و یا افزایش ضریب انتشار بر واکنش ریفرمینگ بخار آب داخل لوله بررسی نشده بود. در واقع این پژوهش تکمیل کننده پژوهش قبل است و تأثیر ضریب انتشار و پوشش سرامیکی در کوره بر خروجی لوله‌ها بررسی می‌شود. استفاده از پوشش‌های سرامیکی با ضریب نشر بالا، سبب جذب گرمای زیاد در لوله‌ها و دمای دود می‌شود. به همین علت در این پژوهش، به‌منظور بررسی دقیق‌تر عملکرد کوره ریفرمر پتروشیمی زاگرس، نتایج شبیه‌سازی، با نتایج شبیه‌سازی پژوهش آگویر و همکاران [16] مقایسه می‌شود.

 

 

‌1 Methane steam reforming

2 Synthesis gas

 1 Computational Fluid Dynamics

  • Sun, L. Duan, Y. Zhou, H. Zhang, L. Huang, and N. Zheng, “Study on a novel hydrogen purification approach base on methane steam reforming process with CO-preferential oxidation and CO2 removal, ” Applied Energy, vol. 377, p. 124727, Oct. 2024.
  • Oldenbroek, S. Wijtzes, K. Blok, and A. J. M. van Wijk, “Fuel cell electric vehicles and hydrogen balancing 100 percent renewable and integrated national transportation and energy systems, ” Energy Conversion and Management: X, vol. 9, p. 100077, Mar. 2021.
  • Chaubey, S. Sahu, O. O. James, and S. Maity, “A review on development of industrial processes and emerging techniques for production of hydrogen from renewable and sustainable sources, ” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 23, pp. 443–462, Jul. 2013.
  • A. Ifticene, K. Yan, and Q. Yuan, “Fueling a carbon-zero future: Igniting hydrogen production from petroleum reservoirs via in-situ combustion gasification, ” Energy Conversion and Management, vol. 298, p. 117770, Dec. 2023.
  • M. El Hajj Chehade, E. A. Daher, J. C. Assaf, B. Riachi, and W. Hamd, “Simulation and optimization of hydrogen production by steam reforming of natural gas for refining and petrochemical demands in Lebanon, ” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 58, Oct. 2020.
  • Mehmeti, A. Angelis-Dimakis, G. Arampatzis, S. McPhail, and S. Ulgiati, “Life Cycle Assessment and Water Footprint of Hydrogen Production Methods: From Conventional to Emerging Technologies, ” Environments, vol. 5, no. 2, p. 24, Feb. 2018.
  • HALABI, M. DECROON, J. VANDERSCHAAF, P. COBDEN, and J. SCHOUTEN, “Modeling and analysis of autothermal reforming of methane to hydrogen in a fixed bed reformer, ” Chemical Engineering Journal, vol. 137, no. 3, pp. 568–578, Apr. 2008.
  • Liu, C. Chu, I. Alsheikh, S.R. Gubba, S. Saxena, O. Chatakonda, J.W. Kloosterman, F. Liu and W.L. Roberts., “Soot production in high pressure inverse diffusion flames with enriched oxygen in the oxidizer stream,” Combustion and Flame, vol. 245, pp. 112378–112378, Sep. 2022.
  • A. D. Zare, M. Yari, H. Nami, and F. Mohammadkhani, “Low-carbon hydrogen, power and heat production based on steam methane reforming and chemical looping combustion, ” Energy Conversion and Management, vol. 279, p. 116752, Mar. 2023.
  • Xia, J. Xu, R. Xia, H. Xu and S. Xing., “Research Progress of Thermodynamic Simulation for Methane Dry Reforming, ” Academic Journal of Engineering and Technology Science, vol. 3, pp. 101–109.
  • Tao, M. Bai, X. Li, H.Long, S. Shang, Y. Yin and X. Dai “CH4–CO2 reforming by plasma – challenges and opportunities, ” Progress in Energy and Combustion Science, vol. 37, no. 2, pp. 113–124, Apr. 2011.
  • G. Pinaeva and A. S. Noskov, “The modern level of catalysts and technologies for natural gas conversion to syngas, ” Kataliz v promyshlennosti, vol. 21, no. 5, pp. 308–330, Sep. 2021.
  • Mirvakili, Safia Hamoudi, A. Jamekhorshid, M. Gholipour, and R. Karami, “CFD simulation and optimization of turning different waste gases into energy in an industrial steam methane reformer, ” vol. 147, pp. 104939–104939, Jun. 2023.
  • Hamoudi, A. Mirvakili, A. Jamekhorshid, and M. Gholipour, “Simulation and performance improvement of an industrial steam methane reformer: depreciation and ceramic coating effects, ” Combustion Theory and Modelling, pp. 1–23, Feb. 2023.
  • Lao, A. Aguirre, A. Tran, Z. Wu, H. Durand, and P. D. Christofides, “CFD modeling and control of a steam methane reforming reactor, ” Chemical Engineering Science, vol. 148, pp. 78–92, Jul. 2016.
  • Tran, A. Aguirre, H. Durand, M. Crose, and P. D. Christofides, “CFD modeling of an industrial-scale steam methane reforming furnace, ” Chemical Engineering Science, vol. 171, pp. 576–598, Nov. 2017.
  • Pashchenko, “Effect of the geometric dimensionality of computational domain on the results of CFD-modeling of steam methane reforming, ” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, no. 18, pp. 8662–8673, May 2018.
  • Tran, A. Aguirre, M. Crose, H. Durand, and P. D. Christofides, “Temperature balancing in steam methane reforming furnace via an integrated CFD/data-based optimization approach,” Computers & Chemical Engineering, vol. 104, pp. 185–200, Sep. 2017.
  • Pashchenko, “Numerical study of steam methane reforming over a pre-heated Ni-based catalyst with detailed fluid dynamics, ” Fuel, vol. 236, pp. 686–694, Jan. 2019.
  • Zhang, P. Jia, G.-Y. Zhong, J. Liang, and G. Li, “Numerical study of exhaust reforming characteristics on hydrogen production for a marine engine fueled with LNG,” vol. 124, pp. 241–249, Sep. 2017.
  • Dmitry Pashchenko, “Flow dynamic in a packed bed filled with Ni‐Al 2 O 3 porous catalyst: Experimental and numerical approach, ” Aiche Journal, vol. 65, no. 5, pp. e16558–e16558, Feb. 2019.
  • Pashchenko, “Experimental investigation of synthesis gas production by methane reforming with flue gas over a NiO-Al2O3 catalyst: Reforming characteristics and pressure drop, ” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, no. 14, pp. 7073–7082, Mar. 2019.
  • Pashchenko and I. Makarov, “Carbon deposition in steam methane reforming over a Ni-based catalyst: Experimental and thermodynamic analysis, ” Energy, vol. 222, p. 119993, May 2021.
  • K. Ray, S. K. Sinha, Y. N. Tiwari, J. Swaminathan, G. Das, S. Chaudhuri, and R. Singh., “Analysis of failed reformer tubes, ” Engineering Failure Analysis, vol. 10, no. 3, pp. 351–362, Jun. 2003.
  • Farnell, “Modern techniques for optimization of primary reformer operation, ” Ammonia Plant Safety and Related Facilities, vol. 37, pp. 261–274, 1997.
  • Kumar, M. Bâldea, and T. F. Edgar, “A physics-based model for industrial steam-methane reformer optimization with non-uniform temperature field, ” Computers & Chemical Engineering, vol. 105, pp. 224–236, Oct. 2017.
  • Kumar, M. Baldea, T. F. Edgar, and O. A. Ezekoye, “Smart Manufacturing Approach for Efficient Operation of Industrial Steam-Methane Reformers, ” Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 54, no. 16, pp. 4360–4370, Jan. 2015.
  • E. Taskin, A. G. Dixon, M. Nijemeisland, and E. H. Stitt, “CFD Study of the Influence of Catalyst Particle Design on Steam Reforming Reaction Heat Effects in Narrow Packed Tubes, ” Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 47, no. 16, pp. 5966–5975, Jul. 2008.

[29] J. Hellander. Ceramic Coatings - Reheat Furnace Applications [J], Iron & Steel Engineer, 1987, 64(6): 40-43.

[30] I. Benko, High infrared emissivity coating for energy conservation and protection of inner surfaces in furnaces [J], International Journal of Global Energy Issues, 2002, 17(17): 60-68.