آنالیز انرژی و اگسرژی سیستم ترکیبی تولید بیوهیدروژن و توان الکتریکی با استفاده از بیوگاز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد،

2 هیات علمی، استاد تمام، گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم ، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد ، شهرکرد، ایران

3 3. هیات علمی، دانشیار، گروه مهندسی مکانیک ، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی ، اردبیل،

4 هیات علمی، دانشیار، گروه مهندسی مکانیک ، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه شهرکرد ، شهرکرد، ایران،

چکیده

در این مقاله، انرژی و اگسرژی یک سیستم جدید تولید بیوهیدروژن، گرما و توان الکتریکی از سوخت تجدیدپذیر بیوگاز که تولید آن وابسته به ضایعات کشاورزی است مورد تجزیه تحلیل قرار گرفت. فرآیند تولید بیوهیدروژن از طریق رفورمینگ بخار آب- بیوگاز و رفورمینگ دی اکسید کربن- بیوگاز با نرم افزارEES کدنویسی گردید. در این تحقیق، گرمای ناشی از سوختن بیوگاز، انرژی لازم برای واکنش رفورمینگ بیوگاز را تامین می‌نماید که این مهم باعث می‌شود تا بازده حرارتی و اگسرژی سیستم به ترتیب به بالای 74% و %34/58 برسند. با در نظر گرفتن توان لازم الکتریکی بین 5 تا 40 مگاوات، میزان تولید بیوهیدروژن در بازه kg/s 11/0 تا 83/0بدست آمد. بررسی میزان نرخ تخریب اگسرژی در اجزای سیستم مشخص کرد که محفظه سوخت بیشترین تخریب اگسرژی را با مقدار تقریبی 51% دارد. یک تحلیل پارامتری دقیق برای مقدار بهینه تولید بیوهیدروژن نیز انجام شد تا پارامترهای کلیدی و مهم سیستم ارزیابی شوند. نتایج نشان داد که نقطه بهینه تولید بیوهیدروژن در شرایطی که نسبت مولی دی اکسیدکربن به متان در ورودی رفورمینگ بین 5/0 تا 66/0، نسبت مولی مخلوط بخار آب به متان بین 2 تا 6/3 و دمای واکنش رفورمینگ نیز بین 965 تا 1036 کلوین قرار دارند بدست می‌آید. از سوی دیگر در دمای واکنش بالاتر از 965 کلوین، مقدار تبدیل گاز متان به 97% و دی اکسید کربن به 86% می‌رسد که نشانگر کاهش بیشترگازهای گلخانه‌‌ای است. این مقاله روش جدیدی جهت تحلیل پارامتری سیستم ترمودینامیکی تولید بیوهیدروژن، فقط با استفاده از انرژی بیوگاز، ارائه داده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Energy and exergy analysis of power-hydrogen cogeneration system fueled by biogas

نویسندگان [English]

  • Farhad Seirafi 1
  • rahim ebrahimi 2
  • Hadi Ghaebi 3
  • Morteza Bayareh 4

1 Ph.D student, Department of Mechanical Engineering of Biosystems, Shahrekord University, Shahrekord, Iran.

2 Professor, Department of Mechanical Engineering of Biosystems, Shahrekord University, Shahrekord, Iran.

3 3. Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.

4 Ph.D , Department of Mechanical Engineering, Shahrekord University, Shahrekord, Iran.

چکیده [English]

This paper aims to examine a combined heating, power, and hydrogen system production using biogas energy. Biogas steam and dry reforming method are designed based on equilibrium data with the EES program. The results show that biogas has two principal roles for combustion and reforming processes simultaneously. The heating energy produced from biogas causes the reforming of biogas and improves the system efficiency by 74%. The maximum exergy efficiency and hydrogen production are obtained at 58.34% and 0.11-0.83 kg/s, respectively. The results also show that the combustion chamber has the highest exergy destruction by about 51% when the amount of electric power plant is considered between 5 to 40 MW. A parametric study for optimizing hydrogen production analyzes the key parameters. The optimal scenarios are when CO2/CH4=0.50-0.66, H2O/CH4=2-3.6, and the reforming temperature is 965-1036K. The conversion of methane and carbon dioxide shows the environmental effect of decreasing greenhouse gases. At 965K or higher, methane and carbon dioxide conversion rates reach 97% and 86%, respectively. This paper aims to develop a novel methodology for identifying thermodynamic cycle conditions and reforming processes only by use of biogas as the source of energy.

y y y y y y y y y y

کلیدواژه‌ها [English]

  • biogas
  • reforming
  • thermodynamic analysis
  • exergy
  • electric power