عنوان

مدل‌‌سازی و تحلیل ترمودینامیکی و اقتصادی تولید سوخت‌‌های جایگزین توسط هیدروژنیزه کردن کربن‌‌دی‌‌اکسید با حداقل انتشار آلاینده

پ۲۷۷۲۲

per

مدل‌‌سازی و تحلیل ترمودینامیکی و اقتصادی تولید سوخت‌‌های جایگزین توسط هیدروژنیزه کردن کربن‌‌دی‌‌اکسید با حداقل انتشار آلاینده

بنتا عیسوی

مهندسي مکانیک

۱۴۰۱

۱۴۹ص.

سی دی

دکتری

مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی

۱۴۰۱/۰۵/۰۲

مشکلات زیست‌‌محیطی ناشی از انتشار گازهای گلخانهای که به صورت گرم شدن کره زمین و تغییر آب و هوا نمایان می‌‌شوند، یکی از مهمترین موضوعات زیست‌‌محیطی قرن بیست و یکم می‌‌باشند. کربن‌‌دی‌‌اکسید موثرترین گاز گلخانه‌‌ای است که انتشار آن در دهههای گذشته عمدتاً به دلیل استفاده از سوخت‌‌های فسیلی به طرز چشمگیری افزایش یافته ‌‌است. برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌‌ای از منابع تولید انرژی چندین راهکار پیشنهاد می‌‌شود. یکی از این راهکارها، کاهش مصرف سوخت‌‌های فسیلی و یا جایگزینی آنها با سوخت‌‌های پاک تولید شده از منابع تجدید‌‌پذیر میباشد. راهکار دیگر، مجهز کردن نیروگاه‌‌ها به واحد جذب کربن‌‌دی‌‌اکسید و استفاده از آن برای تولید هیدروکربن‌‌ها به عنوان سوخت با ارزش افزوده است. موضوع مورد بحث در این رساله، کاهش و مدیریت میزان انتشار کربن‌‌دی‌‌اکسید به اتمسفر از طریق جذب کربن‌‌دی‌‌اکسید منتشر شده از جایگاه‌‌های تولید توان و استفاده از آن می‌‌باشد. در واقع استفاده از کربن‌‌‌‌دی‌‌اکسید (به جای ذخیره‌‌سازی) و تبدیل آن به سوخت‌ علاوه بر کاهش میزان آلاینده‌‌های منتشر شده، منجر به تولید حامل‌‌های انرژی ارزشمند از طریق هیدروژنیزه کردن کربن‌‌دی‌‌اکسید می‌‌شود. بدین منظور سیستم تولید توان مبتنی بر زباله‌های جامد شهری مجهز به واحد جذب کربن‌‌دی‌‌اکسید پیشنهاد می‌‌شود. این سیستم ترکیبی شامل واحد توربین گازی با احتراق خارجی، پیل ‌‌سوختی کربنات مذاب، چرخه رانکین و چرخه رانکین آلی، واحدهای سنتز متان و متانول و الکترولایزر غشای تبادل پروتون می‌‌باشد. کربن‌‌دی‌‌اکسید مهار شده برای تولید متان و یا متانول و یا هردو استفاده می‌‌شود. الکترولایزر هیدروژن مورد نیاز برای سنتز سوخت را با مصرف بخشی از توان الکتریکی تولید شده توسط سیستم ترکیبی فراهم می‌‌کند. سه سناریو مختلف برای تولید سوخت سنتز شده (فقط متان، فقط متانول و تولید همزمان متان و متانول) با در نظر گرفتن بارهای عملیاتی مختلف الکترولایزر بررسی شده‌اند. تحلیل انرژی، اگزرژی و اگزورژواکونومیک جهت بررسی عملکرد سیستم انجام یافته است. همچنین از روش سطح پاسخ برای ارزیابی اثر متقابل پارامتر‌‌های کلیدی بر عملکرد سیستم و نیز بهینه‌‌سازی آن برای یک سناریوی خاص استفاده شده ‌‌است. نتایج برای 1 کیلوگرم بر ثانیه زباله جامد شهری به عنوان سوخت سیستم بی‌‌بعد شده‌‌اند. در صورتی که الکترولایزر 10% توان تولید شده توسط کل سیستم را مصرف کند، برای سیستم ترکیبی تولید توان، متان و متانول، بازده کلی انرژی و اگزرژی به ترتیب 41% و 36% بدست میآید. به طوری که توان خالص تولیدی سیستم 2/7 مگاوات ساعت با قیمت واحد 9/36 دلار بر مگاوات ساعت تخمین زده شده ‌‌است. این سیستم سالانه قادر است 356 تن متانول با قیمت واحد 7/91 دلار بر مگاوات ساعت و 162 تن متان با قیمت واحد 2/78 دلار بر مگاوات ساعت تولید کند. علاوه براین، سیستم تحت این شرایط سالانه 8/917 تن کربن‌‌دی‌‌اکسید با شاخص پایداری 57/1 مصرف می‌‌کند. تجزیه و تحلیل اگزرژی نشان داد که واحد توربین گاز با احتراق خارجی با سهم 7/58% منبع اصلی برگشت‌‌ناپذیری می‌‌باشد. همچنین، نتایج تحلیل اقتصادی نشان دادند که واحد پیل ‌‌سوختی بیشترین سهم (43%) در هزینه سرمایه‌‌گذاری اولیه را دارد.

AbstractEnvironmental issues like global warming caused by greenhouse gas emissions are among the most highlighted concerns of the 21st century. CO2 can be considered as the main greenhouse gas, and its emissions have increased significantly in recent decades, mainly due to the use of fossils. To control CO2 emission, several approaches are proposed. One of these approaches is to reduce fossil fuel consumption or to replace it with renewables. Another approach is to employ carbon capture and utilization technologies in power plants to produce valuable fuels from captured CO2.The main subject of the present thesis is to capture and utilize the CO2 emitted from power plants. In fact, CO2 utilization (instead of storage) not only leads to a significant reduction in CO2 emissions but also leads to produce valuable chemicals through CO2 hydrogenation. In this regard, a biomass-based power plant equipped with a CO2 capture unit is suggested to produce power from municipal solid waste. The integrated system includes an externally fired gas turbine unit, a molten carbonate fuel cell, a Rankine cycle and an organic Rankine cycle, methane and methanol synthesis units and a proton exchange membrane electrolyzer. The captured CO2 is used to produce methane or/and methanol, where the electrolyzer generates the required hydrogen. Electrolyzer consumes part of the generated power by the entire system. Three different scenarios for synthetic fuel production (methane-only, methanol-only and dual-production) are investigated considering different operating loads of electrolyzer. Energy, exergy and exrgoeconomic methodologies are considered to assess the system's thermodynamic and economic performance. The interaction effect of the key parameters on system performance is assessed through the response surface method and finally, the system performance is optimized for a specific scenario. Results are normalized for 1 kg/s of consumed municipal solid waste as the system fuel. For dual-production scenario that the electrolyzer consumes 10% of the entire produced power, overall energy and exergy efficiencies are obtained to be 41 and 36%, respectively. In this case, net produced power by the system, produced methanol, produced methane, cost of produced electricity, cost of produced methanol and cost of produced methane are estimated to be 7.2 MW, 356 ton/yr, 162 ton/yr, 36.9 $/MWh, 91.7 $/MWh and 78.2 $/MWh, respectively. Also, it was found that the system consumes 917.8 tons of CO2 annually, with a sustainability index of 1.57. The exergy analysis revealed that the employed externally fired gas turbine unit is the main source of irreversibility, with a portion of 58.7% in total exergy destruction. In addition, the economic analysis revealed that the fuel cell unit is the most important component from the view of capital investment (43%).

Modeling and thermodynamic and economic assessment of a nearly non-emission CO2 hydrogenation system to produce alternative fuels

عیسوی،‏

بنتا ‏

تهیه کننده

رنجبر،‏

نامی،

چیت‌‌ساز خوئی،

سید فرامرز ‏

حسین ‏

عطا ‏

استاد راهنما

استاد راهنما

استاد مشاور

‏تبریز