طراحي سامانه يكپارچه براي توليد سوخت از هيدروژن الكتروليزي

Design of an Integrated System for E-Fuel Production

دي‌اكسيد كربن و هيدروژن خوراك اصلي براي فرايند توليد سوخت هاي الكتروليزي مي باشند. در اين پژوهش براي نخستين بار واحد‏هاي توليد هيدروژن و به‏دام‏اندازي دي‌اكسيد كربن به‌عنوان دو واحد توليد خوراك با واحد توليد سوخت‏هاي الكتروليزي يكپارچه گرديدند. ابتدا شبيه سازي فرايندها در نرم‏افزار اسپن پلاس انجام گرفت. بازده توليد سوخت از برق براي اين سامانه يكپارچه در حدود 57 درصد به‌دست‌آمده است كه در مقايسه با كارهاي مشابه انجام شده به دليل استفاده از سامانه الكتروليز دما بالاي بخار در توليد هيدروژن، كه نيازمند برق كمتري در مقايسه با سامانه الكتروليز دماپايين آب است، بالاتر مي باشد. در ادامه، يكپارچه ‏سازي حرارتي سه واحد به‌منظور كاهش مصرف انرژي انجام گرفت. دو نوع مبدل حرارتي پوسته و لوله و صفحه-پره به‌صورت تلفيقي براي حصول هدف فوق مورد استفاده قرار گرفتند. با انجام اين كار، از 9/139 مگاوات سرويس‏جانبي سرد موردنياز فرايند، كه بايد با آب خنك يا چرخه سرما‏ساز تأمين شوند، 9/58 مگاوات (حدود 42 درصد) به توليد بخارهاي فشار بالا و متوسط تخصيص داده شد. همچنين، طراحي نواحي انتقال حرارت فرايند-فرايند با رعايت قوانين فناوري پينچ در شبكه مبدل ‏هاي حرارتي انجام گرفت. سطح كل مبدل‏هاي پوسته-لوله موردنياز 11179 مترمربع و حجم كل موردنياز از طريق مبدل هاي پره-صفحه در حدود 9/6 متر‏مكعب حاصل گرديد.

The main feedstocks for the e-fuels production unit are carbon dioxide and hydrogen. In this study, for the first time, hydrogen production and CO2 capture processes as two feed production units were integrated with e-fuels production unit. The processes were first simulated in Aspen Plus software. Due to the use of high-temperature steam electrolysis for hydrogen production, which uses less electricity than low-temperature water electrolysis, the power to liquid efficiency was obtained by 57%, which is greater than results reported in similar works. Then, heat integration of the three processes was implemented in order to reduce energy consumption. Both Shell-and-tube and plate-fin heat exchangers were used to achieve the targeting results. By heat integration, 58.9 MW (approximately 42%) of the required cold utility, which must be supplied by chilled water and refrigerants, was allocated to generate high and medium pressure steams. Moreover, design of process-to-process regions were carried out according to the Pinch design rules.The total area associated with shell-and-tube heat exchangers was obtained 11179 m2 and the total volume associated with plate-fin heat exchangers was obtained 6.9 m3.