Optimization of hydrogen plant efficiency

The purpose of this master’s thesis was to study ways to increase the operating cost-efficiency of the hydrogen production process by optimizing the process parameters while, at the same time, maintaining plant reliability and safety. The literature part reviewed other hydrogen production and purification processes as well as raw material alternatives for hydrogen production. The experimental part of the master’s thesis was conducted at Solvay Chemicals Finland Oy’s hydrogen plant in spring 2012. It was performed by changing the process parameters, first, one by one, aiming for a more efficient process with clean product gas and lower natural gas consumption. The values of the process parameters were tested based on the information from the literature, process simulation and experiences of previous similar processes. The studied parameters were reformer outlet temperature, shift converter inlet temperature and steam/carbon ratio. The results show that the optimal process conditions are a lower steam/carbon ratio and reformer outlet temperature than the current values of 3.0 and 798 °C. An increase/decrease in the shift conversion inlet temperature does not affect natural gas consumption, but it has an effect on minimizing the process steam overload.

Työssä tutkittiin tapoja parantaa vetylaitoksen käyttökustannustehokkuutta optimoimalla prosessiparametreja taloudellisempaan ja tehokkaampaan suuntaan. Työssä vertailtiin myös muita vedynvalmistus- ja puhdistusprosesseja ja raaka-aineita, joilla maakaasun höyryreformointiprosessi voitaisiin mahdollisesti korvata. Diplomityön soveltava osa toteutettiin Solvay Chemicals Finland Oy:n vetyperoksiditehtaan vetylaitoksella keväällä 2012. Toteutus tapahtui parametrien manuaalisesti yksittäisinä muutoksina. Tavoitteena oli parantaa reformointiprosessin hyötysuhteita. Muutokset pohjautuivat kirjallisuuden tietoihin, prosessin simulointiin ja samankaltaisien laitoksien kokemuksiin. Testattavat parametrit prosessissa olivat reformerin ulostulolämpötila, veden siirtoreaktion sisääntulolämpötila ja esilämmitetyn raaka-ainevirtaan lisätyn höyryn määrän suhde raaka-ainevirran hiileen. Tuloksien perusteella optimaalisin suuntaus prosessiparametreille on laskea höyry/hiilisuhdetta ja reformerin ulostulolämpötilaa niiden alkuperäisistä arvoista 3.0 ja 798 °C. Veden siirtoreaktion lämpötilan muutoksilla ei havaittu olevan vaikutusta maakaasun kulutukseen, mutta sen nostaminen vähentää höyryn ylijäämää prosessissa.