طراحی فرایند تولید چندگانه بر پایه انرژی زیست‌گاز و سرمایش LNG

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک و مواد، دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران

چکیده
موضوع تحقیق: این پژوهش به طراحی و ارزیابی سامانه نوین یکپارچه برای تولید هم‌زمان چندگانه اختصاص دارد. هدف، توسعه فرایندی کارآمد است که قادر به تولید هم‌زمان چهار محصول برق، گرما، سرما و دی‌اکسیدکربن خالص باشد. نوآوری اصلی، استفاده ترکیبی از زیست‌گاز تولیدشده از تخمیر ذرت خوشه‌ای (به‌عنوان منبع سوخت تجدیدپذیر) و یک واحد جذب کربن با قابلیت انتشار خالص منفی است. یکپارچه‌سازی حرارتی، مانند استفاده از حرارت بازیافتی گازهای خروجی توربین گازی برای تأمین انرژی واحد جذب کربن، و بهره‌گیری از سرمایش ناشی از فرایند گاز طبیعی مایع‌شده (LNG)، از دیگر ویژگی‌های متمایز این طرح است.
روش تحقیق: سامانه طراحی‌شده متشکل از اجزای اصلی شامل توربین گازی، واحد جذب شیمیایی دی‌اکسیدکربن، چرخه ارگانیک رانکین (ORC) برای بازیابی حرارت تلف‌شده و تولید برق اضافی و دیگ بخار آب گرم برای تأمین گرمایش است. این سامانه توسط نرم‌افزار اسپن هایسیس شبیه‌سازی شد. برای ارزیابی جامع عملکرد، چهار نوع تحلیل موازی روی سامانه انجام گرفت: تحلیل انرژی، تحلیل اکسرژی، تحلیل اقتصادی و در نهایت تحلیل عاملی حسّاسیت. تحلیل عاملی مذکور به‌منظور بررسی تأثیر تغییرات کلیدی عملیاتی (مانند دمای هوای احتراق) بر شاخص‌های عملکرد و ارائه راهکارهای بهبود انجام شد.
نتایج اصلی: بر اساس نتایج شبیه‌سازی، بازده انرژی کلی فرایند معادل 52/19%، بازده اکسرژی 40/59% و بازده الکتریکی 41/96% محاسبه شد. مزیت بزرگ سامانه، صرفه‌جویی حدود 34/1% در مصرف سوخت در مقایسه با تولید جداگانه همان محصولات بود. از جنبه اقتصادی، نرخ هزینه کل سامانه ۴۹۶ دلار بر ساعت و هزینه هر واحد محصول 25/74 دلار بر گیگاژول برآورد شد. تحلیل اکسرژی نیز نشان داد که کل تخریب اکسرژی در سامانه برابر با ۸۶۹۴ کیلووات است. نتایج کلیدی تحلیل عاملی حاکی از آن بود که افزایش دمای هوای احتراق، به‌دلیل کاهش تخریب اکسرژی در برنر و مبدل حرارتی E-100، منجر به بهبود قابل‌توجه همه شاخص‌های عملکرد می‌شود. به‌طوری که با این افزایش، بازده انرژی، کارایی اکسرژی، بازده الکتریکی و نرخ ذخیره سوخت به‌ترتیب به مقادیر 0/6269، 0/4587، 0/4720 و 0/4288  ارتقا یافتند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Design of a multi-generation Process Based on Biogas and LNG Cold Energy

نویسندگان English

Mohammad Bonyadi 1
Hossein Ghorbanzadeh 2
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Yasouj University, Yasouj, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Mechanical and Material Engineering, Birjand University of Technology, Birjand, Iran
چکیده English

Research subject: This study focuses on the design and evaluation of a novel integrated system for simultaneous multi-generation production. The objective is to develop an efficient process capable of co-producing four outputs: electricity, heat, cooling, and pure carbon dioxide. The main innovation lies in the combined use of biogas produced from corn cob fermentation and a carbon capture unit with net-negative emission capability. Distinctive features of this design include thermal integration, such as utilizing recovered heat from gas turbine exhaust to supply energy to the carbon capture unit, and leveraging the cooling potential from the liquefied natural gas (LNG) process.
Research approach: The designed system comprises key components, including a gas turbine, a chemical carbon dioxide absorption unit, an Organic Rankine Cycle for waste heat recovery and additional power generation and a hot water boiler for heating supply. The system was simulated using Aspen HYSYS software. For a comprehensive performance evaluation, four parallel analyses were conducted on the system: energy analysis, exergy analysis, economic analysis, and finally, a sensitivity parametric analysis. The aforementioned parametric analysis was performed to examine the impact of key operational parameters on performance indicators and to propose improvement strategies.
Main results: Based on the simulation results, the overall energy efficiency of the process was calculated as 52.19%, the exergy efficiency as 40.59%, and the specific electrical efficiency as 41.96%. A major advantage of the system is approximately 34.1% fuel savings compared to separately producing the same products. From an economic perspective, the total system cost rate was estimated at $ 496 per hour, and the cost per unit product at $ 25.74/GJ. Exergy analysis also revealed that the total exergy destruction within the system equals 8694 kW. Key results from the parametric analysis indicated that increasing the combustion air temperature, due to reduced exergy destruction in the burner and heat exchanger E-100, leads to a significant improvement in all performance indicators. Consequently, with this increase, the energy efficiency, exergy efficiency, electrical efficiency, and fuel saving rate were enhanced to 0.6269, 0.4587, 0. 4720, and 0.4288, respectively.

کلیدواژه‌ها English

Biogas
Multi-generation
Simulation
Exergy Analysis
Economic Assessment

  • تاریخ دریافت 16 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 13 بهمن 1404
  • تاریخ پذیرش 02 اردیبهشت 1405
  • تاریخ اولین انتشار 02 اردیبهشت 1405
  • تاریخ انتشار 01 آبان 1404