بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، سیستم ترکیبی گاز ساز، پیلسوختی اکسید جامد و توربین گاز جهت تولید همزمان برق و گرما بررسی شده و با انجام محاسبات ترمودینامیکی، عملکرد سیستم مورد ازریابی قرار گرفته است. این سیستم شامل گازساز بستر ثابت، پیل-سوختی اکسیدجامد با آند Nickel/Gadolinia Doped Ceria و توربین گاز میباشد. دو نوع سیستم تصفیه گاز، سیستم تصفیه گاز دما بالا و سیستم تصفیه گاز دما پایین برای تصفیه گاز سنتز خام خروجی از گازساز مورد بررسی قرار میگیرد. کل سیستم گازساز، پیلسوختی اکسیدجامد و توربین گاز با دو سیستم تصفیه گاز توسط نرمافزار cycle-tempo مدلسازی شده است.
نتایج بدست آمده نشان میدهد که سیستم ترکیبی گاز ساز، پیلسوختی اکسید جامد و توربین گاز با سیستمهای مختلف تصفیه گاز دارای راندمان الکتریکی یکسانی - در حدود 51 درصد - میباشند. در حالیکه راندمان گرمایی و در نتیجه راندمان کل سیستم گازساز، پیل سوختی اکسید جامد و توربین گاز با سیستم تصفیه گاز دما بالا - به ترتیب، 23/8 درصد و 74/8 درصد - به طور قابل توجهی از راندمان گرمایی و کل سیستم گازساز، پیل سوختی اکسید جامد و توربین گاز با سیستم تصفیه گاز دما پایین - به ترتیب، 8/1 درصد و 58/8 درصد - بیشتر است.
واژگان کلیدی: گازساز زیستتوده، پیلسوختی اکسیدجامد، انرژی، اگزرژی.
مقدمه
در طی چند دهه اخیر نگرانیها در خصوص کاهش سطح منابع سوختهای فسیلی، اثرات مخرب گازهای خروجی از چرخههای تولید توان بر روی محیط زیست و نیز پدیده گرمایش زمین به طور فزایندهای افزایش یافته است .[1] مجموعه این عوامل منجر به جستجو برای یافتن منابع انرژی تجدیدپذیر برای آینده و روشهای کارامدتر برای تبدیل سوخت به انرژی شده است. یکی از این منابع انرژی امید بخش زیستتوده1 میباشد. زیستتوده یک منبع انرژی تجدیدپذیر میباشد. در مقایسه با سوختهای فسیلی استفاده از زیست توده برای تولید انرژی منجر به افزایش دیاکسیدکربن در اتمسفر نمیشود زیرا زیست-توده همان مقدار دیاکسیدکربنی را که طی زندگی گیاهی خود بوسیله فرایند فوتوسنتز 2 جذب میکند را در فرایند تبدیل انرژی آزاد میکند .[2]
فرایندهای مختلفی برای تبدیل زیستتوده در دسترس میباشد به طور کلی این فرایندها بر مبنای تبدیلات ترموشیمیایی3 - احتراق، تفکافت 4، گازیکردن5 و آبگونهسازی - 6 یا تبدیلات بیولوژیکی7 - گوارش 8 و تخمیر - 9 میباشند .[3] گازیکردن از جمله تکنولوژیهای توسعهیافته در زمینه تبدیل زیستتوده به گاز سنتز میباشد. اصطلاح گاز سنتز به مخلوطهای گازی گفته میشود که به طور عمده محتوی متان، هیدروژن، دیاکسیدکربن، نیتروژن و ناخالصیها میباشند. پس از پالایش گاز سنتز در واحد تصفیه میتوان آن را به عنوان سوخت در سیتمهای پیشرفته انرژی همراه با پیلسوختی و/یا توربینگاز به کار برد 4]،6،.[5 پیلسوختی به عنوان یک وسیله تبدیل انرژی مطرح میشود که محدودیت سیکل کارنو را ندارد .[6]
در داخل پیلسوختی، فرایند تبدیل انرژی توسط واکنش الکتروشیمیایی اکسایش سوخت رخ میدهد، جایی که تخریب اگزرژی بسیار کمتر از سیستم احتراق مرسوم است .[7] بین انواع پیلهای سوختی، پیلسوختی اکسیدجامد به دلیل راندمان بالا و قابلیت کار با سوختهای مختلف مورد توجه بیشتری قرار گرفته است.[5] علاوه بر این وقتی در فشار عملیاتی بالایی کار میکند میتوان آن را با توربین گاز هیبرید مستقیم کرد که این کار موجب افزایش مجدد راندمان الکتریکی سیستم میشود. جهت استفاده از گاز سنتز به عنوان سوخت در پیلسوختی اکسیدجامد تصفیه گاز امری ضروری است. این عمل سبب میشود آلایندههایی مانند ذرات، قیر ها، ترکیبات سولفور، ترکیبات قلیایی و ترکیبات هالوژنی موجود در گاز سنتز تا سطحی که توسط پیلسوختی اکسیدجامد قابل تحمل باشد زدوده شود زیرا ورود این آلایندهها به داخل پیلسوختی سبب مسموم شدن آن می-شود .[5]
ترکیب گازساز زیستتوده و پیلسوختی اکسیدجامد موضوع مورد مطالعه بسیاری از پژوهشها بوده است. آموسون و همکارانش [8] دو نوع سیستم گازساز به همراه دو نوع سیستم تصفیه گاز دما بالا و دما پایین برای ترکیب سیستم گازساز و پیلسوختی اکسیدجامد مورد بررسی قرار دادند. آنها راندمان الکتریکی را برای سیستم با تصفیه گاز دما پایین 21 درصد و برای سیستم با تصفیه گاز دما بالا را 23 درصد گزارش کردند. راندمان کل سیستم نیز به ترتیب 32 و 60 درصد گزارش شده است. فریدا و همکارانش [9] حالتی از ترکیب گازساز زیستتوده و پیلسوختی اکسیدجامد را مورد بررسی قرار دادند که در آن گازساز از طریق لولههای گرما به پیلسوختی اکسیدجامد کوپل شده بود.
لولههای گرما، گرمای استخراج شده از پیلسوختی اکسیدجامد را به سیستم گازساز منتقل میکرد. آنها راندمان اگزرژی الکتریکی را برای توان خالص خروجی 170 کیلو وات 36 درصد گزارش کردند.در این مقاله، سیستم ترکیبی گاز ساز، پیلسوختی اکسید جامد و توربین گاز جهت تولید همزمان برق و گرما مورد مطالعه قرار گرفته است. دو نوع سیستم تصفیه گاز، سیستم تصفیه گاز دما بالا و سیستم تصفیه گاز دما پایین برای این سیستم ترکیبی پیشنهاد شده است. عملکرد این سیستم ترکیبی با این دو نوع سیستم تصفیه گاز با انجام محاسبات ترمودینامیکی مورد ارزیابی قرار گرفته است. از نرمافزار ترمودینامیکی cycle-tempo برای مدلسازی سیستمها استفاده شده است.
پیکربندی سیستمها
سیستم Gasifier-LTGCS-SOFC-GT
شماتیک سیستم Gasifier-LTGCS-SOFC-GT در شکل 1 نشان داده شده است. این سیستم بر مبنای گازساز هوای فشرده مستقیم میباشد10 که با تصفیه گاز دما پایین و SOFC-GT ترکیب شده است. تکنولوژی گازی کردن بر مبنای گازساز بستر ثابت جریان رو به پایین 11 میباشد. این گازساز را میتوان با زیستتوده با رطوبت کمتر از 20 درصد بکار برد. دما و فشار کاری گازساز 800 °C و 600 kPa میباشد. برای یک گازساز نوعی مقدار زیستتوده مصرفی 42- 40 kg h-1 و مقدار ارزش حرارتی پایین گاز تولید شده 4/6- 5/0 MJ m-3 میباشد.تکنولوژی تصفیه گاز سنتز این سیستم بر مبنای تصفیه گاز دما پایین میباشد. در این سیستم گاز سنتز خام خروجی از گازساز ابتدا وارد برج شتستشو - واحد - 204 میشود در این واحد دمای گاز شدیدا کاهش مییابد و به دمایی در حدود 33 °C میرسد. فرض میشود در این شرایط رسوبگیری کربن صورت نمیگیرد حتی اگر کربن جامد نیز شکل بگیرد توسط مایع برج شستشو حذف میشود .
انتظار میرود HCL، H2S و فلزات قلیایی موجود در گاز نیز توسط واحد برج شستشو حذف شود. بخار آب موجود در گاز سنتز نیز طی فرایند شستشو چگالیده شده و حذف میشود.گاز سنتز خروجی از بخش خنککاری و تصفیه وارد مبدل گرمایی - واحد - 5 شده و تا دمای 700 °C گرم میشود این کار توسط بخشی از گازهای گرم خروجی از توربین گاز - لوله - 412 صورت میگیرد. بر خلاف فرایند تصفیه در برج شستشو که سرد شدن ناگهانی گاز کمکی به شکلگیری کربن نمیکند - و حتی اگر کربن جامدی نیز تشکیل شود توسط مایع شستشو حذف میشود - فرایند گرم کردن تدریجی در مبدل گرمایی ممکن است باعث ایجاد رسوب کربن شود. به این دلیل مقداری بخار اضافی - لوله - 304 بعد از خنک کاری و تصفیه گاز سنتز به آن اضافه میشود.
گاز سنتز خروجی ازمبدل گرمایی با گازهای برگشتی از آند مخلوط شده و در دمای 900 °C وارد قسمت آند پیل سوختی - واحد - 11 میشود. جنس آند پیل سوختی بر مبنای Nickel/Gadolinia Doped Ceria - Ni/GDC - میباشد.
