تحليل قانون اول و دوم ترموديناميك در يك سيستم توليد همزمان توان و هيدروژن با محرك گاز‌سازي زباله جامد شهري

Energy Analysis and Exergy of the System of Simultaneous Production of Power and Hydrogen with the Excitatory Gasification of Municipal Solid Waste

امروزه با توجه به كاربرد وسيع سيستم‌هاي توليد همزمان با منابع انرژي تجديدپذير و همچنين نياز دنيا از نظر اقتصادي و محيط زيستي به اين سيستم‌ها، طراحي و تحليل ترموديناميكي آن‌ها مورد توجه بسياري از دانشمندان قرار گرفته است. از اين رو در كار حاضر، يك سيستم توليد همزمان دو‌گانه توان و هيدروژن با طرحي نوين، ساده و در عين حال كاربردي ارائه شده است كه شامل چرخه ﺗﻮرﺑﯿﻦﮔﺎزي، گازساز، چرخه گذربحراني كربن‌دي‌اكسيد و الكتروليزر غشاء پروتوني است. طرح مذكور از ديدگاه‌هاي قانون اول و دوم ترموديناميك با نرم‌افزار حلگر معادلات مهندسي شبيه‌سازي شده است. سيستم طراحي شده در كنار توليد توان از بيشترين ظرفيت ممكن خود استفاده كرده و سوخت پاك هيدروژن را نيز براي مصرف‌كننده تأمين مي‌كند. در حالت پايه سيستم به‌ترتيب داراي ظرفيت الكتريكي 3/92 مگاوات بوده و توانايي توليد گاز هيدروژن به ميزان 608/8مترمكعب در ساعت را داراست. ميزان سوخت مصرفي چرخه 1/155 كيلوگرم بر ثانيه است. ضريب بهره‌وري انرژي و بازده قانون دوم سيستم به‌ترتيب %34/71 و %29/44است. ميزان نابودي اگزرژي كل سيستم نيز برابر 11854 كيلووات است. همچنين محفظه احتراق، توربين‌گازي و گازساز بيشترين ميزان نابودي اگزرژي را به خود اختصاص داده‌اند. طبق مطالعات پارامتري، مشخص گرديد كه افزايش دماي ورودي به توربين تأثير مثبت و افزايش فشار حداكثري چرخه كربن دي اكسيد تأثير منفي بر روي ضريب بهره‌وري انرژي و بازده قانون دوم كل سيستم دارند.

Nowadays, due to the extensive application of renewable-based cogeneration systems and also the economic and environmental necessities, their design and thermodynamic analysis have been conducted by many scientists. In this way, a novel, simple, and practical combined power and hydrogen cogeneration unit have been designed in the present study in which there are gas turbine, gasifier, transcritical Rankine cycle, and proton exchange membrane electrolyzer. This system has been analyzed from the first and second laws of thermodynamics by an engineering equation solver. The proposed system is able to generate power and hydrogen simultaneously for users. The power and hydrogen production capacities of the system are 3.92 MW and 608.8 cubic meters per hour, respectively, which consume biomass of about 1.155 kg/s. The energy utilization factor and exergy efficiency of the system is 34.71 % and 29.44 %, respectively. It can be seen that the overall exergy destruction of the system is 11854 kW, in which gasifier, gas turbine, and combustion chamber have the highest irreversibilities. In addition, it can be concluded that the exergy efficiency of condenser and heat exchanger 3 are the lowest ones among other types of equipment. According to the parametric studies, it was found that increasing the inlet temperature of the gas turbine has a positive effect, and increasing the maximum pressure of the transcritical carbon dioxide cycle has a negative effect on the energy utilization factor and the exergy efficiency of the system.