عنوان

توسعه و تحلیل عملکرد سیستم جذب کربن دی‌اکسید بر مبنای فرآیند حلقه شیمیایی احتراق و تجمیع آن با چرخه تولید توان

۴۷۹۱پ

فارسی

توسعه و تحلیل عملکرد سیستم جذب کربن دی‌اکسید بر مبنای فرآیند حلقه شیمیایی احتراق و تجمیع آن با چرخه تولید توان

[پایان نامه]

حسین فرج‌الهی

صنعتی سهند

۱۴۰۱

۱۶۲ص.

مصور، جدول، نمودار

CD

دکتری

مهندسی مکانیک- تبدیل انرژی

۱۴۰۱/۱۱/۰۱

در حال حاضر بخش عمده¬ای از برق جهان از طریق احتراق سوخت¬های فسیلی تأمین می¬شود. فرآیند حلقه شیمیایی احتراق یک روش جایگزین برای احتراق متداول است که امکان جداسازی آسان گاز کربن دی‌اکسید حاصل از احتراق را نیز فراهم می¬سازد. در این مطالعه یک واحد حلقه شیمیایی احتراق مستقیم سوخت¬های جامد با توان حرارتی 300 مگاوات طراحی شده است و بر اساس معادلات بقا جرم، بقا انرژی و یک مدل ماکروسکوپیک توسعه داده شده برای راکتور سوخت از طریق برنامه‌نویسی در زبان فرترن مدل¬سازی شده است. دو سیستم متفاوت برای تولید توان و جذب کربن دی‌اکسید با استفاده از مدل¬سازی ترمودینامیکی اجزا در نرم‌افزار اسپن هایسیس ارائه ¬شده است. در سیستم اول، واحد حلقه شیمیایی احتراق زغال‌سنگ با چرخه فرو بحرانی بخار تجمیع شده است و اثر پارامترهای کاری واحد ازجمله بازده جداساز کربن، اندازه ذرات حامل اکسیژن، ترکیب گاز سیال¬ساز، دما و موجودی جامد راکتور سوخت بر روی عملکرد فنی و اقتصادی سیستم تحلیل‌ شده است. در سیستم دوم، واحد حلقه شیمیایی احتراق زغال سنگ-زیست¬توده با چرخه¬های فوق بحرانی کربن دی‌اکسید و رانکین آلی تجمیع شده است و اثر احتراق هم‌زمان زغال¬سنگ و زیست‌توده بررسی ‌شده است. نتایج نشان می¬دهد دست¬یابی به بازده جذب کربن دی‌اکسید 85% در سیستم اول منجر به بازده خالص گرمایی 94/37% و هزینه هم‌تراز شده برق $/MWh 082/98 شده است. در صورت افزایش بازده جذب کربن دی‌اکسید به 90% بازده خالص گرمایی به 84/34% کاهش یافته و هزینه هم‌تراز شده برق 04/13% افزایش می¬یابد که ناشی از استخراج بخار بیشتر از چرخه و موجودی جامد بالاتر در راکتورها است. در سیستم دوم، احتراق هم‌زمان زغال¬سنگ و زیست‌توده با سهم¬های برابر در توان حرارتی ورودی باعث شده است تا تبدیل چار 19/5% بهبود یابد و بازده جذب کربن دی‌اکسید از 27/79% به 87/90% افزایش یابد اما به دلیل هزینه بیشتر سوخت هزینه هم‌تراز شده برق نیز با 9/15% افزایش به $/MWh 262/108 رسیده است. زمانی که سهم زیست‌توده در توان حرارتی ورودی بیشتر از 50 مگاوات باشد، انتشار منفی کربن دی‌اکسید حاصل خواهد شد و در صورت اعمال مالیات کربن حداقل $/tCO2 30 عملکرد اقتصادی سیستم با سوخت زیست‌توده بهتر از زغال¬سنگ خواهد بود.

Currently, the majority of the world’s electricity is generated by the combustion of fossil fuels. The chemical looping combustion is an alternative to the conventional combustion process that facilitates CO2 capture without energy penalties. In this study, a 300 MWth in-situ gasification chemical looping combustion unit been designed and modeled for solid fuel combustion with ilmenite oxygen carrier. The fuel reactor was modeled through the development of a macroscopic model to predict the fuel conversion and CO2 capture efficiency. Two different systems have been proposed for power generation and CO2 capture through process simulation in Aspen HYSYS. In the first system, the coal-fueled chemical looping combustion unit was integrated with a subcritical steam cycle, and the effect of operating parameters such as carbon stripper efficiency, particle size, fluidizing gas composition, temperature and solid inventory of fuel reactor on the techno-economic performance of the system has been analyzed. In the second system, the biomass and coal co-fueled chemical looping combustion unit was coupled with supercritical CO2 cycle and Organic Rankine cycle, and the effect of co-combustion of coal and biomass has been investigated. The results showed that the CO2 capture efficiency of 85% can be achieved in the first system with a net thermal efficiency of 37.94% and a levelized cost of electricity of 98.082 $/MWh. If the CO2 capture efficiency increases to 90%, the net thermal efficiency decreases to 34.84% and the levelized cost of electricity grows by 13.04% due to extraction of more steam from the cycle and higher solid inventory in the reactors. In the second system, the co-combustion of coal and biomass with equal shares in the input thermal power increased the char conversion by 5.19% and the CO2 capture efficiency from 79.27% to 90.87%. However, the levelized cost of electricity rose by 15.9% to 108.262 $/MWh owing to higher price of biomass. The negative CO2 emissions can be achieved when the biomass share in the input thermal power exceeds 50 MWth. Utilization of biomass becomes more cost-effective than coal by considering the carbon tax above 30 $/tCO2

Development and performance evaluation of carbon dioxide capture system based on chemical looping combustion process and integration with power cycle

جذب کربن دی‌اکسید

حلقه شیمیایی احتراق

راکتور بسترسیال

نیروگاه

جذب کربن دی‌اکسید، حلقه شیمیایی احتراق، راکتور بسترسیال، نیروگاه، زغال‌سنگ، زیست‌توده

CO2 capture; chemical looping combustion; fluidized bed reactor; power plant; coal; biomass

فرج‌الهی، حسین

حسین‌پور

، سیامک

، ۱۳۴۷ -

استاد راهنما

صنعتی سهند

ایران

دانشگاه صنعتی سهند

مکانیک، ۸۰۵۳۱، ۱۴۰۱

p

TF

92029

a

Y