شبیه‌سازی و بهینه‌سازی تولید هیدروژن به کمک فرایند گازسازی زغال‌سنگ

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بجنورد، بجنورد، ایران

چکیده

در این مطالعه، تولید هیدروژن با استفاده از فرایند گازسازی زغال‌سنگ در راکتور بستر متحرک شبیه‌سازی و بهینه‌سازی شده است. در این راکتور زغال‌سنگ از بالا و ترکیب گاز اکسنده و بخار آب از پایین به ‌صورت متقابل با جامد در تماس قرار گرفته و گاز به‌دست آمده از واکنش از بالای راکتور خارج می‌شود. نتیجه‌های به‌دست آمده از شبیه‌سازی با مقدارهای تجربی مربوط مقایسه شده است و دارای خطای نسبی میانگین 47/2% بوده که نشانگر دقت قابل قبول نتیجه‌های شبیه‌سازی می‌باشد. در ادامه اثرهای دمای گاز ورودی، فشار راکتور، نسبت بخار آب به اکسیژن و زغال به اکسیژن بر روی بازده تولید هیدروژن بررسی شده است. گرچه آثاری در خصوص مدل‌سازی راکتور بستر متحرک گازسازی زغال به چاپ رسیده اما مطالعه‌های پارامتریک محدودی برای بررسی اثر متغیرهای گوناگون روی عملکرد راکتور با زغال پیتزبورگ به عنوان خوراک در دسترس است. همچنین در این مطالعه شبیه‌سازی با دمای مجزا برای گاز و جامد برای تعیین دمای بیشینه‌ دقیق فاز جامد، اعمال سینتیک تمام واکنش‌های ممکن، استفاده هم‌زمان از مدل‌های هسته کوچک‌شونده و حجمی در ناحیه‌های گوناگون راکتور و در نظر گرفتن توزیع اجزای گاز در مرحله‌ی پیرولیز، صورت گرفته که این امر برای یافتن هرچه دقیق‌تر ترکیب گاز فراورده مفید می‌باشد. سرانجام، عملکرد راکتور برای تولید بیش‌ترین بازده تولید هیدروژن با استفاده از روش الگوریتم ازدحام ذره‌های بهینه‌سازی شده است. نتیجه‌های بهینه‌سازی نشان از افزایش 3/24 % بازده تولید هیدروژن نسبت به حالت پایه دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Seyitoglu S., Dincer I., Kilicarslan A., Energy and Exergy Analyses of Hydrogen Production by Coal Gasification, International Journal of Hydrogen Energy, 42(4): 2592-2600 (2017).
[2] Jin H., Chen Y., Ge Z., Liu S., Ren C., Guo L., Hydrogen Production by Zhundong Coal Gasification in Supercritical Water, International Journal of Hydrogen Energy, 40(46): 16096-16103 (2015).
[3] Van Dyk J., Keyser M., Coertzen M., Syngas Production from South African Coal Sources using Sasol-Lurgi Gasifires, International Journal of Coal Geology, 65(3-4): 243-253 (2006).
[4] Singh N., Raghavan V., Sundararajan T., Mathematical Modeling of Gasification of High‐Ash Indian Coals in Moving Bed Gasification System, International Journal of Energy Research, 38(6): 737-754 (2014).
[5] Yoon H., Wei J., Denn M.M., A Model for Moving‐Bed Coal Gasification Reactors, AIChE Journal, 24(5): 885-903 (1978).
[6] Stiegel G.J., Ramezan M., Hydrogen from Coal Gasification: An Economical Pathway to a Sustainable Energy Future, International Journal of Coal Geology, 65(3-4): 173-190 (2006).
[7] Shoko E., et al., Hydrogen from Coal: Production and Utilisation Technologies, International Journal of Coal Geology, 65(3-4): 213-222 (2006).
[8] Cormos C.-C., Starr F., Tzimas E., Peteves S., Innovative Concepts for Hydrogen Production Processes based on Coal Gasification with CO2 Capture, International Journal of Hydrogen Energy, 33(4): 1286-1294 (2008).
[9] Iwaszenko S., Howaniec N., Smoliński A., Determination of Random Pore Model Parameters for Underground Coal Gasification Simulation, Energy, 166: 972-978 (2019).
[10] Vascellari M., Roberts D.G., Hla S.S., Harris D.J., Hasse C., From Laboratory-Scale Experiments to Industrial-Scale CFD Simulations of Entrained Flow Coal Gasification, Fuel, 152: 58-73 (2015).
[11] Duan W., Yu Q., Wang K., Qin Q., Hou L., Wu T., ASPEN Plus Simulation of Coal Integrated Gasification Combined Blast Furnace Slag Waste Heat Recovery System, Energy Conversion and Management, 100: 30-36 (2015).
[12] Akhlas J., Baesso S., Bertucco A., Ruggeri F., Coal Gasification by Indirect Heating in a Single Moving Bed Reactor: Process Development & Simulation, AIMS Energy, 3(4): 635-665 (2015).
[13] Govind R., Shah J., Modeling and Simulation of an Entrained Flow Coal Gasifier, AIChE Journal, 30(1): 79-92 (1984).
[14] Biagini E., Pannocchia G., Zanobini M., Gigliucci G., Riccardi I., Donatini F., Tognotti L., "Process Optimization of Hydrogen Production from Coal Gasification", In 29th Meeting on Combustion, Conference Paper, June, (2006.)
[15] Zeng L., He F., Li F., Fan L-.S., Coal-Direct Chemical Looping Gasification for Hydrogen Production: Reactor Modeling and Process Simulation, Energy & Fuels, 26(6): 3680-3690 (2012).
[16] Levenspiel O., Chemical Reaction Engineering, Industrial & Engineering Chemistry Research, 38(11): 4140-4143 (1999).
[17] Niksir A., Rahimi A., "Mathematical Modeling and Simulation of Fluorination Reaction of Uranium Dioxide and Evaluation of Existing Gas-Solid Reaction Models" 5th International Chemical Engineering, Congress and Exhibition, Kish Island, Iran, 2-5 January (2008).
[18] Kulkarni M., Ganguli R., Moving Bed Gasification of Low Rank Alaska Coal, Journal of Combustion, 2012: 918754 (2012).
[19] Belghit A., El Issami S., Hydrogen Production by Steam Gasification of Coal in Gas–Solid Moving Bed using Nuclear Heat, Energy Conversion and Management, 42(1): 81-99 (2001).
[20] Belghit A., Gordillo E., El Issami S., Coal Steam-Gasification Model in Chemical Regime to Produce Hydrogen in a Gas–Solid Moving Bed Reactor using Nuclear Heat, International Journal of Hydrogen Energy, 34(15): 6114-6119 (2009).
[21] Wen C., Chen H., Onozaki M., User's Manual for Computer Simulation and Design of the Moving-Bed Coal Gasifier. Final Report, West Virginia Univ., Morgantown (USA), Dept. of Chemical Engineering, (1982).
[22] Bibrzycki J., Investigations of Coal Particle Combustion and Gasification, PH.D. Thesis, Clausthal University of Technology, Germany, (2015).
[23] Adanez J., Labiano F.G., Modeling of Moving-Bed Coal Gasifiers, Industrial & Engineering Chemistry Research, 29(10): 2079-2088 (1990).
[24] Nouri S.M.M., Ale Ebrahim H., Jamshidi E., Simulation of Direct Reduction Reactor by the Grain Model, Chemical Engineering Journal, 166(2): 704-709 (2011).
[25] Olsson A.E., "Particle Swarm Optimization: Theory, Techniques and Applications", Nova Science Publishers, Inc. (2010).
[26] Doctor S., Venayagamoorthy G.K., Gudise V.G., "Optimal PSO for Collective Robotic Search Applications", Proceedings of the 2004 Congress on Evolutionary Computation, Portland, USA, 19-23, June, (2004).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار