فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول؛ مقدمه. 1
1-1 مقدمه 2
1-2 نمای کلی پایان‌نامه 3
فصل دوم؛ مرور ادبیات موضوع. 7
2-1. فرآیند گازیسازی؛ کلیات و روش‌ها 8
2-2. گازیسازی، از دیروز تا امروز 11
2-3. مقدمهای بر راکتورهای گازیساز 14
2-4 مرور ادبیات موضوع 15
2-4-1. گازیسازی پسماندهای نفتی 15
2-4-2. آنالیز اگزرژی و تحلیل ترمواکونومیک راکتور گازیساز 16
2-4-3. ترکیب راکتور گازیساز با پیل سوختی اکسید جامد 17
فصل سوم؛ شبیهسازی اجزا اصلی و آنالیزها 20
3-1. شبیهسازی راکتور گازیساز 21
3-2. شبیهسازی واحد جداسازی هوا (ASU) 24
3-3. شبیهسازی پیل سوختی اکسید جامد 25
3-3-1. شبیهسازی بخش ریفرمر داخلی 27
3-3-1-1.. محاسبه ترکیب گازهای موجود در کانال 28
3-3-2. شبیهسازی بخش الکتروشیمیایی 32
3-3-2-1 افت ولتاژ اهمیک 33
3-3-2-2.. افت ولتاژ فعالسازی 34
3-3-2-3 افت ولتاژ غلظتی 36
3-3-3. محاسبه دمای خروجی از پیل سوختی 38
3-4. شبیهسازی آبشیرینکن حرارتی (MED-TVC) 39
3-5. شبیهسازی تجهیزات سیکل‌های تولید توان گاز و بخار 43
3-6. معرفی سیکل‌های پیشنهادی 45
3-6-1. خلاصه‌ای بر سیکل تولید گاز سنتز 46
3-6-2. سیکل توربین گاز و سیکل‌های تولید همزمان متصل به آن 46
3-6-3. سیکل پیل سوختی اکسید جامد- توربین گاز و سیکل‌های تولید همزمان متصل به آن 48
3-7. انتگراسیون راکتور گازیساز نفت سنگین 52
3-8. انتگراسیون شبکه راکتورهای گازیساز 53
3-8-1. چیدمان موازی راکتورها 54
3-8-2. چیدمان سری راکتورها 54
3-9. آنالیزهای انرژی، اگزرژی و اقتصادی 57
3-9-1. تشریح آنالیز اگزرژی 57
3-9-2. تشریح آنالیز اقتصادی 60
3-9-2-1.. هزینه‌های همسطح شده سالیانه اولیه 61
3-9-2-2.. هزینه‌های همسطح شده سالیانه تعمیرات و نگهداری 62
3-9-2-3.. هزینه‌های همسطح شده سالیانه جاری سیستم 62
3-9-2-4.. محاسبه ارزش فعلی خالص (NPV) 62
3-9-2-5.. محاسبه هزینه همسطح شده محصول (LCOP) 63
3-9-2-6.. هزینه سرمایه‌گذاری اولیه سیستم (CC) 63
3-9-2-7.. هزینه‌های جاری سیستم (OFC) 63
3-9-2-8.. حجم سالیانه تولید محصول (VOP) 64
3-9-2-9.. قیمت تمام‌شده محصول (PC) 64
3-9-2-10 سود سالیانه ناخالص (AB) 64
3-9-2-11 سود خالص سالیانه (NAB) 65
3-9-2-12 دوره بازگشت سرمایه (POR) 65
3-9-2-13 نرخ بازگشت سرمایه (ROR) 66
3-9-2-14 ارزش‌افزوده (AV) 66
فصل چهارم؛ نتایج.. 67
4-1. اعتبار سنجی نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های صورت گرفته 68
4-1-1. اعتبارسنجی شبیهسازی راکتور گازیساز 68
4-1-2. اعتبارسنجی شبیهسازی پیل سوختی اکسید جامد 69
4-1-3. اعتبارسنجی شبیهسازی آبشیرینکن حرارتی (MED-TVC) 71
4-2. نتایج حاصل از شبیهسازی سیکل‌های پیشنهادی 72
4-2-1. تحلیل حساسیت سیکل‌های پیشنهادی 75
4-2-1-1.. تأثیر نسبت فشار کمپرسور (PR) 75
4-2-1-2.. تأثیر دمای عملکردی سیستم 76
4-2-1-3.. تأثیر درصد مصرف هیدروژن (Uf) 77
4-2-1-4.. تأثیر نسبت جریان برگشتی (r) 77
4-2-1-5 تأثیر چگالی جریان 77
4-2-1-6.. تأثیر تعداد سل پیل سوختی 78
4-2-1-7.. تأثیر فشار بویلر بازیاب 78
4-2-1-8.. تأثیر تعداد مراحل آب شیرین کن 79
4-2-1-9.. تأثیر قیمت سوخت ورودی و برق فروخته شده 79
4-2-2. بهینه‌سازی ترمودینامیکی و اقتصادی سیکل پیل سوختی-توربین گاز و سیکل‌های تولید همزمان متصل به آن 79
4-2-2-1.. نتایج حاصل از بهینه‌سازی ترمودینامیکی 80
4-2-2-2.. نتایج حاصل از بهینه‌سازی اقتصادی 82
4-3. نتایج حاصل از انتگراسیون یک راکتور گازیساز 84
4-3-1. تأثیر سیال عامل بر عملکرد راکتور گازیساز 84
4-3-2. تأثیر سیال عامل راکتورها بر بازده اگزرژی سیکل‌های پیشنهادی 86
4-3-3. تأثیر سیال عامل راکتورها بر سیکل‌های پیشنهادی از منظر اقتصادی 88
4-4. نتایج مربوط به انتگراسیون شبکه راکتورهای گازیساز 91
4-4-1 تحلیل انرژی 91
4-4-2 تحلیل اقتصادی 99
فصل پنجم؛ جمعبندی و پیشنهادها 104
5-1 جمعبندی 105
5-2 پیشنهادها 108
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 2‑1 محدوده متناظر با گازیسازی و احتراق برحسب حجم مصرف اکسیدکننده [5] 11
شکل 3‑1 نمایی از راکتور گازیسازی شبیهسازی شده در نرم‌افزار سایکل تمپو. 22
شکل 3‑2 نمایی از فرآیند جداسازی هوا به روش سرمایش عمیق.. 25
شکل 3‑3 نمایی از جریان‌های ورودی و خروجی به پیل سوختی اکسید جامد [27] 26
شکل 3‑4 نمایی از جریان‌های ورودی و خروجی به پیل سوختی اکسید جامد.. 28
شکل 3‑5 شماتیک آبشیرینکن (MED-TVC). 39
شکل 3‑6 نمایی از سیکل تولید گاز سنتز. 46
شکل 3‑7 نمایی از سیکل ترکیبی (توربین گازی در ترکیب با توربین بخار). 48
شکل 3‑8 نمایی از سیکل تولید توان و آب شیرین در توربین گازی و آبشیرینکن حرارتی.. 48
شکل 3‑9 نمایی از سیکل تولید توان پیل سوختی اکسید جامد-توربین گازی-توربین بخار. 50
شکل 3‑10 نمایی از سیکل تولید توان و آب شیرین پیل سوختی اکسید جامد-توربین گازی-آبشیرینکن حرارتی چندمرحله‌ای 51
شکل 3‑11 شماتیک اثر سیال عامل بر رفتار راکتور گازیساز. 53
شکل 3‑12 چیدمان موازی راکتورهای گازیساز نفت سنگین.. 54
شکل 3‑13 شماتیک حالت سری راکتورهای نفت سنگین.. 55
شکل 3‑14 چیدمان سری راکتورهای گازیساز نفت سنگین.. 56
شکل 4‑1 مقایسه ولتاژ تولیدی سلول در چگالی‌های جریان مختلف با نتایج ارائه‌شده در مقاله [32] در دماهای عملکردی 1000 و 800 درجه سانتی‌گراد و فشار عملکردی 1 بار. 70
شکل 4‑2 مقایسه توان الکتریکی تولیدی سلول در چگالی‌های جریان مختلف با نتایج ارائه‌شده در مقاله [32] در فشار عملکردی 1 و 10 بار و دمای عملکردی 1000 درجه سانتی‌گراد. 70
شکل 4‑3 اعتبار سنجی مدل حاضر و نتایج مقاله [48] 72
شکل 4‑4 تخریب و اتلاف اگزرژی دو سیکل برتر (SOFC-GT-ST) و (SOFC-GT-MED). 75
شکل 4‑5 نمودار تابع هدف (بازده اگزرژی) قبل و بعد از بهینه‌سازی ترمودینامیکی.. 81
شکل 4‑6 نمودار تابع هدف (دوره بازگشت سرمایه) قبل و بعد از بهینه‌سازی اقتصادی.. 83
شکل 4‑7: تغییرات کسر مولی گاز سنتز نسبت به دبی.. 85
شکل 4‑8: تغییرات دمای گاز سنتز نسبت به دبی.. 85
شکل 4‑9: تغییرات کسر مولی کربن موجود در سوخت نسبت به دبی سیال عامل (اکسیژن) در سه نسبت بخار ورودی.. 85
شکل 4‑10: تغییرات کسر مولی گاز سنتز نسبت به دبی.. 86
شکل 4‑11: تغییرات کسر مولی گاز سنتز نسبت به دبی.. 86
شکل 4‑12: بازده اکزرژی سیکل (GT) در نسبت‌های مختلف…. 87
شکل 4‑13: بازده اکزرژی سیکل (GT) در نسبت‌های مختلف…. 87
شکل 4‑14: بازده اکزرژی سیکل (GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (اکسیژن+دی‌اکسید کربن). 87
شکل 4‑15: بازده اکزرژی سیکل (SOFC-GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (اکسیژن). 88
شکل 4‑16: بازده اگزرژی سیکل (SOFC-GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (هوا). 88
شکل 4‑17: بازده اکزرژی سیکل (SOFC-GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (اکسیژن+دی‌اکسید کربن). 88
شکل 4‑18 هزینه همسطح شده محصول سیکل (GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (اکسیژن). 89
شکل 4‑19 هزینه همسطح شده محصول سیکل (GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (هوا). 89
شکل 4‑20 هزینه همسطح شده محصول سیکل (GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (اکسیژن+دی‌اکسید کربن). 89
شکل 4‑21 هزینه همسطح شده محصول سیکل (SOFC-GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (اکسیژن). 90
شکل 4‑22 هزینه همسطح شده محصول سیکل (SOFC-GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (هوا). 90
شکل 4‑23 هزینه همسطح شده محصول سیکل (SOFC-GT) در نسبت‌های مختلف سیال عامل (اکسیژن+دی‌اکسید کربن). 90
شکل 4‑24 ارزش حرارتی گاز سنتز خروجی از سیستم در چیدمان مختلف راکتورها 92
شکل 4‑25 دمای گاز سنتز تولیدی سیستم در چیدمان مختلف راکتورها 93
شکل 4‑26 درصد ترکیب مولی CO، H2 و CH4 موجود در گاز سنتز خروجی در چیدمان مختلف راکتورها 94
شکل 4‑27 توان تولیدی سیکل‌های پیشنهادی در چیدمان‌های مختلف راکتورها در سایز 100Kg/h نفت سنگین.. 96
شکل 4‑28 بازده انرژی سیکل‌های پیشنهادی در چیدمان مختلف راکتورها 97
شکل 4‑29 راندمان انرژی و (CHP) سیکل (GT-HRSG-MED) در چیدمان مختلف راکتورها 98
شکل 4‑30 راندمان انرژی و (CHP) سیکل (SOFC-GT-HRSG-MED) در چیدمان مختلف راکتورها 99
شکل 4‑31 میزان تولید آب شیرین در سیکل‌های دارای آب شیرین کن حرارتی در چیدمان مختلف راکتورها 99
شکل 4‑32 دوره بازگشت سرمایه برای دو سیکل (GT) و (SOFC-GT) در چیدمان‌های مختلف راکتورها و سایزهای متفاوت… 102
شکل 4‑33 قیمت تمام‌شده برق تولیدی برای دو سیکل (GT) و (SOFC-GT) در چیدمان‌های مختلف راکتورها و سایزهای متفاوت 103
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2‑1 مقالات گازیسازی پسماند نفتی.. 16
جدول 2‑2 مقالات آنالیز اگزرژی و تحلیل ترمواکونومیک راکتور گازیساز. 17
جدول 2‑3 ترکیب راکتور گازیساز با پیل سوختی اکسید جامد.. 18
جدول 3‑1 آنالیز تقریبی نفت سنگین ورودی به راکتور گازیساز. 22
جدول 3‑2 شرایط عملیاتی جریان‌های ورودی و خروجی به راکتور گازیساز. 23
جدول 3‑3 روابط کلی مربوط به شبیهسازی گازیساز. 23
جدول 3‑4 معادلات کلی مربوط به ریفرمر داخلی.. 27
جدول 3‑5 ضرایب ثابت واکنش ریفرمینگ و شیفتینگ [28] 27
جدول 3‑6 معالات مربوط به مبزان مصرف (d) در کانال ها 29
جدول 3‑7 معادلات کلی مربوط به بخش الکتروشیمیایی پیل سوختی.. 32
جدول 3‑8 معادلات مربوط به افت ولتاژ اهمیک…. 33
جدول 3‑9 ضرایب (a و b ) برای مواد تشکیل دهنده اجزای اصلی پیل سوختی اکسید جامد.. 34
جدول 3‑10 روابط مربوط به افت ولتاژ فعالسازی.. 35
جدول 3‑11 مقادیر اولیه برای( γ وE) برای الکترود آند و کاتد.. 35
جدول 3‑12 روابط مربوط به افت ولتاژ غلظتی.. 37
جدول 3‑13 حجم مخصوص انتشار فولر برای چند ماده. 38
جدول 3‑14 روابط مربوط به پروفیل دمایی در مراحل آبشیرینکن (MED-TVC). 40
جدول 3‑15 روابط مربوط به موازنه جرم و حرارت در مراحل آبشیرینکن (MED-TVC). 41
جدول 3‑16 روابط مربوط به سطح انتقال حرارت آبشیرینکن (MED-TVC). 42
جدول 3‑17روابط مربوط به اژکتور بخار. 43
جدول 3‑18 روابط مربوط به شبیهسازی تجهیزات سیکل‌های تولید توان گاز و بخار. 43
جدول 3‑19 روابط مربوط به تحلیل اگزرژی.. 58
جدول 3‑20 کلیه اطلاعات موردنیاز به منظور تحلیل اگزرژی چندین تجهیز استفاده‌شده. 59
جدول 4‑1 مقایسه اطلاعات خروجی حاصل از شبیهسازی و مقاله [1] (درصد ترکیب مولی گاز سنتز). 68
جدول 4‑2 پارامترهای استفاده‌شده در شبیهسازی پیل سوختی مقاله [32] 69
جدول 4‑3 پارامترهای استفاده‌شده در شبیهسازی آبشیرینکن حرارتی مقاله [48] 71
جدول 4‑4 نتایج حاصل از شبیهسازی سیکل‌های پیشنهادی.. 73
جدول 4‑5 نتایج مربوط به تحلیل اقتصادی سیکل‌های پیشنهادی.. 74
جدول 4‑6 متغیرهای تصمیم بهینه‌سازی همراه با بازه تغییرات… 80
جدول 4‑7 متغیرهای تصمیم قبل و بعد از بهینه‌سازی ترمودینامیکی.. 81
جدول 4‑8 میزان یارانه اختصاص داده شده برمبنای محاسبه هزینه آلاینده‌های داخلی وجهانی [49] 82
جدول 4‑9 متغیرهای تصمیم قبل و بعد از بهینه‌سازی اقتصادی.. 83
جدول 4‑10 فرضیات استفاده‌شده برای تحلیل اقتصادی مسئله. 100
فهرست علائم و اختصارات
عنوان علامت اختصاری
A |
مساحت سطح‌فعال (m2) |
Ai |
مساحت سطح انتقال حرارت در مرحله ( iام) (m2) |
Ac |
مساحت سطح انتقال حرارت در کندانسور (m2) |
a, b, c |
دبی مولی متان (a)، منواکسید کربن (b) و هیدروژن (c)، (mole/sec) |
A, B, C, D, E |
ضرایب ثابت تعادل |
C |
هزینه (دلار) |
CC |
هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه (دلار) |
Cj |
غلظت مولی جزء (j ام) برای (j=A, B, C, D) |
Cp and C |
ظرفیت گرمایی ویژه و ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت (kJ/(kg.K)) |
Di and Di′ |
مقدار آب شیرین تولیدی در مرحله ( iام) (ناشی از تبخیر و فلاش شدن) (kg/s) |
d and g |
ثابت مقاومتی (Ω cm) |
E |
ولتاژ سلول پیل سوختی (ولت) |
F |
ثابت فارادی (96485 C.mol-1) |
Ft |
ضریب تصحیح انتقال حرارت در مبدل حرارتی |
Fw |
آب شور ورودی به آبشیرینکن |
f |
نرخ تورم سالیانه |
G |
انرژی آزاد گیبس (J/mol) |
تغییرات انرژی آزاد گیبس در دما و فشار استاندارد |
|
h |
آنتالپی مخصوص (J/g) |
I |
جریان الکتریکی (آمپر) |
i |
چگالی جریان (A/m2) و همچنین تعداد واکنش‌های اولیه |
il |
چگالی جریان محدودکننده (A/m2) |
i0 |
چگالی جریان تبادلی (A/m2) |
j |
نرخ بهره واقعی و همچنین تعداد تجهیزات مورداستفاده |
j0 |
نرخ بهره اسمی |
K, KR, KS |
ثابت تعادلی واکنش، ثابت تعادلی واکنش ریفورمینگ و شیفتینگ |
k |
نسبت ظرفیت گرمایی ویژه (CP/CV) |
Li |
گرمای نهان تبخیر در مرحله ( iام) (kJ/kg) |
M |
جرم مولکولی (g/mol) |
دبی جرمی (g/s) |
|
N |
تعداد مراحل آبشیرینکن |
دبی مولی (mol/s ) |
|
ne |
تعداد الکترون‌های مبادله شده |
P |
فشار (پاسکال) |
p |
فشار جزئی (پاسکال) |
گرمای انتقال‌یافته (kW) |
|
Ra |
نسبت (Entrainment) در شبیهسازی آبشیرینکن |
R |
ثابت جهانی گازها (J/mol.K) |
r |
مقاومت اهمی ( ) |
S |
آنتروپی (J/K) |
T |
دما (کلوین) |
T1…N |
دمای مرحله اول تا (N ام) در آبشیرینکن حرارتی (کلوین) |
T′i |
دمای فلاش باکس مرحله (i ام) در آبشیرینکن حرارتی (کلوین) |
U |
ضریب انتقال حرارت کلی ( ) |
UC |
ضریب انتقال حرارت کلی در کندانسور آبشیرینکن حرارتی ( ) |
Uei |
ضریب انتقال حرارت کلی در تبخیرکننده آبشیرینکن حرارتی ( ) |
Uf |
ضریب مصرف سوخت (هیدروژن) |
V |
افت ولتاژ (ولت) |
توان الکتریکی جریان مستقیم (وات) |
|
X |
غلظت مولار |
xj |
درصد مولی جزء (j ام) |
x |
میزان نمک (شوری) (ppm) |
Yproj |
عمر مفید پروژه (سال) |
Yrep |
زمان تعویض مجاز قطعات (سال) |
Z |
پیشرفت واکنش الکتروشیمیایی (mol/s) |
اختصارات (Abbreviation) |
|
ACS |
هزینه‌های همسطح شده سالیانه سیستم (دلار) (Annualized Cost of System, US$) |
CRF |
ضریب بازیافت هزینه‌های اولیه (Capital Recovery Factor) |
DC |
جریان مستقیم (Direct Current) |
DCHP |
تولید همزمان حرارت، توان و آب شیرین (Desalination Combined Heat and Power) |
GT |
توربین گازی (Gas Turbine) |
GOR (PR) |
ضریب عملکرد آبشیرینکن حرارتی (Gain Output Ratio) |
HRSG |
بویلر بازیاب تولید بخار (Heat Recovery Steam Generator) |
IGCC |
سیکل ترکیبی گازیسازی یکپارچه (Integrated Gasification Combined Cycle) |
LCOP |
هزینه‌های همسطح شده محصول (دلار) (Levelized Cost of Product) |
LHV |
ارزش حرارتی پایین (J/mol) (Low Heating Value) |
MED |
تقطیر چندمرحله‌ای (Multiple Effects Distillation) |
NPV |
ارزش فعلی خالص (Net Present Value) |
PCF |
ضریب تصحیح فشار (Pressure Correction Factor) |
PEM |
غشای تبادلی پلیمری (Polymer Exchange Membrane) (نوعی پیل سوختی) |
PR |
ضریب عملکرد (Performance Ratio) |
SFF |
هزینه استهلاک تجهیز (Sinking Fund Factor) |
SOFC |
پیل سوختی اکسید جامد (Solid Oxide Fuel Cell) |
TCF |
ضریب تصحیح دما (Temperature Correction Factor) |
TVC |
ترموکمپرسور تبخیری (Thermo Vapor Compressor) |
علائم یونانی (Greek Letter) |
|
ضریب استوکیومتریک جزء (i ام) (Component Stoichiometry Coefficient) |
|
ضریب انتقال بار در هنگام شارژ (Charge Transfer Coefficient) |
|
کارائی (اثربخشی) (Effectiveness) |
|
c |
راندمان کمپرسور (Efficiency of Compressor) |
ضریب نمایی (A/m2) (Pre-Exponential Factor) |
|
ضخامت اجزاء (متر) (Component Thickness) |
|
راندمان (Efficiency) |
|
مقاومت ویژه ( m) (Resistivity) |
|
بخار (Steam) |
|
زیرنویس (Subscript) |
|
acap and cap |
هزینه‌های سالیانه همسطح شده اولیه و هزینه سرمایه‌گذاری اولیه |
act |
فعالسازی |
amain and main |
هزینه‌های سالیانه همسطح شده نگهداری و هزینه نگهداری |
an, ca |
آند و کاتد |
aope and ope |
هزینه‌های سالیانه همسطح شده عملیاتی(جاری) و هزینه عملیاتی (جاری) |
c, h |
جریان‌های سرد و گرم |
conc |
غلظت |
cond |
کندانسور |
c,i and c,o |
جریان‌های سرد ورودی و خروجی |
cw, d, b |
آب خنک کن، آب شیرین و آب شور خروجی |
en |
انرژی |
ev |
بخار آب تبخیری از مرحله آخر آبشیرینکن |
f and fcw |
آب ورودی و آب خنک کن |
g |
گازهای داغ خروجی |
h,i and h,o |
جریان‌های گرم ورودی و خروجی |
hs |
بخار گرمایشی |
ورودی |
|
ms |
بخار محرک |
o |
خروجی |
ohm |
اهمیک (مقاومتی) |
p,g and p,w |
جریان گاز داغ و یا آب فشار ثابت |
ref |
مرجع |
rev |
برگشت‌پذیر |
sat |
اشباع |
suc |
مکشی |
s,o |
خروجی آیزنتروپیک |
نقد و بررسی‌ها
هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.