پیل سوختی کربنات مذاب، پل یکپارچه ‏سازی واحد تولید متانول با نیروگاه حرارتی

زندی, احمدرضا; طاهونی, نسیم; پنجه شاهی, محمدحسن

پیل سوختی کربنات مذاب، پل یکپارچه ‏سازی واحد تولید متانول با نیروگاه حرارتی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

احمدرضا زندی ¹

نسیم طاهونی ²

محمدحسن پنجه شاهی ¹

¹ دانشکده مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران

² دانشکده مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش برای جذب دی‌اکسیدکربن موجود در گاز دودکش یک نیروگاه چرخه ترکیبی گاز طبیعی با ظرفیت 454 مگاوات و بهره‌گیری از آن در تولید متانول، از پیل سوختی کربنات مذاب استفاده شده است. به‌کارگیری این پیل سوختی افزون ‌بر جذب دی‌اکسیدکربن، منجر به تولید هم‌زمان برق، هیدروژن و حرارت مازاد می‌شود. نتایج این پژوهش نشان داد برای تهیه هیدروژن و دی‌اکسیدکربن موردنیاز در فرایند تولید متانول، به 45 پیل سوختی کربنات مذاب نیاز است. این تعداد پیل سوختی با جذب 5/103 تن در ساعت دی‌اکسیدکربن از گاز دودکش نیروگاه چرخه ترکیبی، منجر به کاهش 65 درصدی انتشار این گاز به جو می‌گردد و علاوه بر فراهم‌سازی مواد اولیه، برق موردنیاز فرایند تولید متانول را نیز به‌طور کامل تأمین می‌کند. نتایج حاصل از هدف‌گذاری انرژی در نیروگاه چرخه ترکیبی و فرایند تولید متانول با استفاده از تحلیل پینچ، مشخص نمود که میزان سرویس جانبی گرم مورد نیاز در این دو واحد به‌ترتیب 1871 و 1371 کیلووات است که به‌طور کامل از طریق حرارت مازاد تولیدشده توسط پیل‌های سوختی کربنات مذاب فراهم می‌شود.

کلیدواژه‌ها

جذب دی‌اکسیدکربن

پیل سوختی کربنات مذاب

تحلیل پینچ

تولید متانول

تولید برق

موضوعات

طراحی فرایند، شبیه سازی و کنترل

[1] Dziejarski B., Serafin J., Andersson K., Krzyżyńska R., CO₂ Capture Materials: A Review of Current Trends and Future Challenges, Materials Today Sustainability, 24: 100483 (2023).

[2] Goren A.Y., Dincer I., Gogoi S.B., Boral P., Patel D., Recent Developments on Carbon Neutrality Through Carbon Dioxide Capture and Utilization with Clean Hydrogen for Production of Alternative Fuels for Smart Cities, International Journal of Hydrogen Energy, 79: 551–578 (2024).

[3] Fu L., Ren Z., Si W., Ma Q., Huang W., Liao K., Huang Z., Wang Y., Li J., Xu P., Research Progress on CO₂ Capture and Utilization Technology, Journal of CO₂ Utilization, 66: 102260 (2022).

[4] Madejski P., Chmiel K., Subramanian N., Kuś T., Methods and Techniques for CO₂ Capture: Review of Potential Solutions and Applications in Modern Energy Technologies, Energies, 15(3): 887 (2022).

[5] Qasem N.A.A., Abdulrahman G.A.Q., A Recent Comprehensive Review of Fuel Cells: History, Types, and Applications, International Journal of Energy Research, 2024(1): 887 (2024).

[6] Pramuanjaroenkij A., Kakaç S., The Fuel Cell Electric Vehicles: The Highlight Review, International Journal of Hydrogen Energy, 48(25): 9401-9425 (2023).

[7] FuelCell Energy, Carbon Capture with Fuel Cell Power Plants, Available: https://go.fuelcellenergy.com/hubfs/Carbon Capture with FuelCell Energy Systems.pdf.

[8] Leo T., Distributed Hydrogen Production, 2022, Available: https://www.fuelcellenergy.com/platform/trigeneration.

[9] Spinelli M., Di Bona D., Gatti M., Martelli E., Viganò F., Consonni S., Assessing the Potential of Molten Carbonate Fuel Cell-Based Schemes for Carbon Capture in Natural Gas-Fired Combined Cycle Power Plants, Journal of Power Sources, 448: 227223 (2020).

[10] Mastropasqua L., Pierangelo L., Spinelli M., Romano M.C., Campanari S., Consonni S., Molten Carbonate Fuel Cells Retrofits for CO₂ Capture and Enhanced Energy Production in the Steel Industry, International Journal of Greenhouse Gas Control, 88: 195-208 (2019).

[11] Rosen J., et al., Molten Carbonate Fuel Cell Performance for CO₂ Capture from Natural Gas Combined Cycle Flue Gas, Journal of the Electrochemical Society, 167(6): 064505 (2020).

[12] Cooper R., Bove D., Audasso E., Ferrari M.C., Bosio B., A Feasibility Assessment of a Retrofit Molten Carbonate Fuel Cell Coal-Fired Plant for Flue Gas CO₂ Segregation, International Journal of Hydrogen Energy, 46(28): 15024-15031 (2021).

[13] Fichera A., Samanta S., Volpe R., Exergetic Analysis of a Natural Gas Combined-Cycle Power Plant with a Molten Carbonate Fuel Cell for Carbon Capture, Sustainability Articles, 14(1): 533 (2022).

[14] Chen S., Zhou N., Wu M., Chen S., Xiang W., Integration of Molten Carbonate Fuel Cell and Chemical Looping Air Separation for High-Efficient Power Generation and CO₂ Capture, Energy, 254: 124184 (2022).

[15] Nhuchhen D.R., Sit S.P., Layzell D.B., Towards Net-Zero Emission Cement and Power Production Using Molten Carbonate Fuel Cells, Applied Energy, 306: 118001 (2022).

[16] Jang W.J., Jung Y.S., Shim J.O., Roh H.S., Yoon W.L., Preparation of a Ni-MgO-Al₂O₃ Catalyst with High Activity and Resistance to Potassium Poisoning During Direct Internal Reforming of Methane in Molten Carbonate Fuel Cells, Journal of Power Sources, 378: 597-602 (2018).

[17] Wang P., et al., Direct Internal Reforming Molten Carbonate Fuel Cell with Core-Shell Catalyst, International Journal of Hydrogen Energy, 37(3): 2588-2595 (2012).

[18] Roh H.S., Jung Y., Koo K.Y., Jung U.H., Seo Y.S., Yoon W.L., Steam Reforming of Methane Over Highly Active and KOH-Resistant Ni/γ-Al₂O₃ Catalysts for Direct Internal Reforming (DIR) in a Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Applied Catalysis A: General, 383(1-2): 156-160 (2010).

[19] Antolini E., The Stability of Molten Carbonate Fuel Cell Electrodes: A Review of Recent Improvements, Applied Energy, 88(12): 4274-4293 (2011).

[20] Cassir M., McPhail S.J., Moreno A., Strategies and New Developments in the Field of Molten Carbonates and High-Temperature Fuel Cells in the Carbon Cycle, International Journal of Hydrogen Energy, 37(24): 19345-19350 (2012).

[21] Kim Y.S., Yi C.W., Choi H.S., Kim K., Modification of Ni-Based Cathode Material for Molten Carbonate Fuel Cells Using Co₃O₄, Journal of Power Sources, 196(4): 1886-1893 (2011).

[22] Kazula S., de Graaf S., Enghardt L., Review of Fuel Cell Technologies and Evaluation of Their Potential and Challenges for Electrified Propulsion Systems in Commercial Aviation, Journal of the Global Power and Propulsion Society, 7: 43-57 (2023).

[23] Luo X., Wang M., Chen J., Heat Integration of Natural Gas Combined Cycle Power Plant Integrated with Post-Combustion CO₂ Capture and Compression, Fuel, 151: 110-117 (2015).

[24] Gaitán-Vélez V., Esquivel-Patiño G.G., Jiménez-Gutiérrez A., Environmental and Economic Analysis of a Natural Gas Combined Cycle Power Plant Using CO₂ Utilization Technologies and Ecosystem Services, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 11(18): 7218-7230 (2023).

[25] Kiss A.A., Pragt J.J., Vos H.J., Bargeman G., de Groot M.T., Novel Efficient Process for Methanol Synthesis by CO₂ Hydrogenation, Chemical Engineering Journal, 284: 260-269 (2016).

[26] Smith R., "Chemical Process Design and Integration", Second Edition, Wiley, UK (2016).

[27] Panjeshahi M.H., Amidpour M., Ahmadi Danesh H., Generalization of Decomposed Integration Methods for Cost-Effective Heat Exchanger Networks with Multiple Cost Laws, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 24(1): 7-19 (2005).

[28] Esquivel-Patiño G.G., Nápoles-Rivera F., Jiménez-Gutiérrez A., Thermal Integration of a Natural Gas Combined Cycle Power Plant with Carbon Capture and Utilization Technologies, Energy Conversion and Management, 295: 117619 (2023).