25747

مدل سازي و بهينه سازي فني و اقتصادي يك سيكل يكپارچه استحصال انرژي از زيست توده بر پايه پيل سوختي اكسيد جامد

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1400/08/24

سپهر صنايع

مهندسي مكانيك

تصفيه خانه هاي فاضلاب شهري جزء صنايع پرمصرف انرژي هستند. تأمين انرژي الكتريكي و حرارتي مورد نياز تجهيزات مختلف تصفيه خانه، به شكلي پايدار و با بازدهي مناسب ضروري است. بدين منظور مي توان از بيوگاز توليد شده از هضم بي هوازي لجن فاضلاب، به عنوان منبع انرژي تجديدپذير بهره برد. در اين پايان نامه، براي طراحي بهينه يك سيستم يكپارچه هاضم بي هوازي و پيل سوختي اكسيد جامد با مصرف لجن فاضلاب، جهت تأمين انرژي الكتريكي و آب گرم تصفيه خانه فاضلاب تهران در ايران، يك روش جديد دو مرحله اي پيشنهاد شده است. در مرحله اول، مدل سازي ترموديناميكي و بهينه سازي چندهدفه سيستم يكپارچه پيشنهادي انجام مي گردد. در مرحله دوم، به كمك نتايج بهينه سازي و استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي، ابعاد (طول و عرض) كانال جريان هوا و بيوگاز ورودي به پيل سوختي محاسبه مي شود. نتايج نشان داد كه با ورود (m3/day) 3100 مخلوط لجن اوليه و لجن ثانويه به هاضم هاي بي هوازي مزوفيليك، (MW) 95/7 توان الكتريكي و (MW) 2/1 توان حرارتي (آب گرم) توليد شد كه در اين صورت، بازده كلي انرژي و اگزرژي سيستم يكپارچه به ترتيب 25 و 19 درصد بدست آمد. مدل سازي سيستم، توسط آناليز چهارگانه انرژي (انرژي، اگزرژي، اقتصادي، زيست محيطي) و بهينه سازي سيستم توسط دو تابع هدف سود سالانه نسبي و تخريب اگزرژي كل سيستم و با شش متغير طراحي صورت پذيرفت. علاوه بر اين، در مقايسه با يك سيستم سنتي تأمين انرژي در تصفيه خانه ها (خريد برق از شبكه و توليد آب گرم با مصرف گاز بدون استفاده از بيوگاز توليد شده)، سود نسبي ساليانه و دوره بازگشت سرمايه سيستم يكپارچه، به ترتيب ($/year)107×02/1 و ((year 81/0 محاسبه گرديد. در نهايت، با توجه به مقادير بهينه متغيرهاي طراحي از جمله چگالي جريان SOFC ( A/m23533)، به كمك تحليل CFD، ابعاد كانال جريان هوا و بيوگاز ورودي به SOFC، (mm2) 1×7/1 تعيين گرديد.

1400/09/18

Thermo-economic Modeling and Optimization of an Integrated Cycle Based on Solid Oxide Fuel Cell for energy recovery from biomass

11/15/2022 12:00:00 AM

Municipal wastewater treatment plants (WWTPs) are among the most energy-intensive industries. It is necessary to supply the required electrical and thermal energy to the various equipment of the WWTP stably and efficiently. For this purpose, biogas produced from anaerobic digestion of sewage sludge can be used as a renewable energy source. In this paper, a new two-stage method is proposed for the optimal design of an integrated system including anaerobic digester (fed with sewage sludge) and solid oxide fuel cell (SSAD-SOFC) to supply electricity and hot water to the Tehran WWTP in Iran. At the first stage, thermodynamic modeling and multi-objective optimization of the proposed integrated system are performed. At the second stage, with the help of optimization results and the use of computational fluid dynamics (CFD) method, the dimensions (height and width) of the SOFC’s air and biogas channels are computed. 4E analysis (energy, exergy, economic, environmental) was applied to model the proposed integrated system. Also, two objective functions including relative annual benefit (RAB) and total exergy destruction with six design variables were used to optimize performance of the system. The results showed that, in the optimal condition, the SSAD-SOFC system produced 7.95 MW electrical power and 1.2 MW thermal power (hot water) while fed with 3100 m3/day mixture of primary and secondary sludge. Also the overall exergy efficiency of the integrated system was computed to be 19%. Furthermore, compared to a traditional energy supply system in WWTPs (purchase of electricity from the grid and production of hot water with natural gas consumption without using produced biogas) the RAB and payback period of the integrated system were computed to be 1.02×107 $/year and 0.81 year respectively. Finally according to the optimum values of the design variables such as amount of the SOFC’s current density (3533 A/m2), the dimensions (height and width) of the SOFC’s air and biogas channels were determined equal to 1×1.7 mm2 by applying CFD method.

تصفيه خانه فاضلاب , هاضم بي هوازي , پيل سوختي اكسيد جامد , تحليل چهارگانه انرژي , بهينه سازي چند هدفه

Wastewater Treatment Plant , Anaerobic digestion , Solid oxide fuel cell , 4E analysis , Multi-objective optimization