مطالعه‌ی عددی سیکل یکپارچه‌ی تولید گاز از زیست توده و پیل سوختی اکسید جامد صفحه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشکد هی فنی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر، عملکرد پایای سیستم یکپارچه‌ی متشکل از فرایند گازی‌سازی زیست‌توده و پیل سوختی اکسید جامد صفحه‌ای به ازای مقادیر مختلف رطوبت زیست‌توده‌ و مقدار هوای ورودی عامل گازی‌سازی در راکتور مولد گاز به صورت عددی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. فرآیند تولید گاز در قالب یک راکتور تک‌مرحله‌ای با استفاده از روش ترمودینامیکی تعادلی اصلاح‌شده مدل می‌شود. مدل ارائه شده در بخش پیل سوختی، مدلی یک‌بعدی با امکان کنترل دما در راستای محور پیل سوختی می‌باشد. مدل کامل الکتروشیمیایی در کنار معادلات بقای جرم اجزای گازی و انرژی شاکلۀ اصلی مدل پیل سوختی را تشکیل می‌دهند. همچنین دو واکنش اصلاح متان به کمک بخارآب و تبدیل آب- گاز منابع تولید و مصرف اجزای گازی را در کانال سوخت تشکیل خواهندداد. مدل دو بخش اصلی سیستم به کمک نتایج آزمایشگاهی و عددی در دسترس ارزیابی شده و سپس اثر پارامترهای یادشده بر عملکرد سیستم یکپارچه تحلیل و تشریح می‌شوند. نتایج نشان می‌دهند که ارزش حرارتی پایینی بیوگاز تولیدی از هر کیلومول چوب با محتوی رطوبت 3/0، با کاهش نسبت هوای معادل و افزایش محتوی رطوبت از 1/0 تا 5/0 کاهش می‌یابد. طبق نتایج، افزایش محتوی رطوبت زیست‌توده، توان تولیدی تک‌سلول پیل سوختی اکسید جامد صفحه‌ای را کاهش خواهدداد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Integrated Biomass Gasification and Planar Solid Oxide Fuel Cell

نویسندگان [English]

  • M. Borji
  • S. Ghorbani
  • K. Atashkari
  • A. Etemadi
Department of Mechanical Engineering, The University of Guilan, Rasht, Iran
چکیده [English]

Current study aims to numerically investigate the steady state performance of integrated cycle consisting of biomass gasification process and planar type solid oxide fuel cell for different biomass moisture content and amount of air as gasification agent in the gasifier. Single stage lumped gasifier is analyzed by use of a modified thermodynamic equilibrium model, while the steady-state intermediate temperature solid oxide fuel cell model developed hear is one-dimensional which allows for monitoring of the temperature gradients along the cell length under different operating conditions. Complete electrochemical model, species mass balances and energy conservation equation beside the kinetics describing internal methane steam reforming and water-gas shift reactions organize the structure of fuel cell model. Developed model for two main parts of the integrated cycle are validated against the available experimental and numerical dates. Results indicated that the low heating value of the product syngas with 30% moisture content decreases with decreasing of the modified equivalence ratio and increasing of the biomass moisture content from 10 to 50%. Based on the obtained results, the cell electric power mitigates by increasing of the biomass moisture content.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Solid oxide fuel cell
  • Gasification
  • Biomass
  • Biogas

مراجع

[1] Rajvanshi, A. K., "BIOMASS GASIFICATION".Alternative Energy in Agriculture.
[2] Nagel, F. P., T. J. Schildhauer and S. M. A. Biollaz,"Biomass-integrated gasification fuel cell systems –Part 1: Definition of systems and technical analysis".International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009):6809-25.
[3] Bang-Møller, C. and M. Rokni, "Thermodynamic performance study of biomass gasification, solid oxide fuel cell and micro gas turbine hybrid systems". Energy Conversion and Management, 51 (2010): 2330-9.
[4] Toonssen, R., S. Sollai, P. V. Aravind, N. Woudstra and A. H. M. Verkooijen, "Alternative system designs of biomass gasification SOFC/GT hybrid systems".International Journal of Hydrogen Energy, 36 (2011):10414-25.
[5] Colpan, C. O., F. Hamdullahpur, I. Dincer and Y. Yoo,"Effect of gasification agent on theperformance of solid oxide fuel cell and biomass gasification systems".International Journal of Hydrogen Energy, 35 (2010):5001-9.
[6] Colpan, C. O., A. S. Fung and F. Hamdullahpur,"Modeling of an integrated two-stage biomass gasifier and solid oxide fuel cell system". Biomass and Bioenergy, 42 (2012): 132-42.
[7] Bang-Møller, C., M. Rokni, B. Elmegaard, J. Ahrenfeldt and U. B. Henriksen, "Decentralized combined heat and power production by two-stage biomass gasification and solid oxide fuel cells". Energy, 58 (2013): 527-37.
[8] Campitelli, G., S. Cordiner, M. Gautam, A. Mariani and V. Mulone, "Biomass fueling of a SOFC by integrated gasifier: Study of the effect of operating conditions on system performance". International Journal of Hydrogen Energy, 38 (2013): 320-7.
[9] Wongchanapai, S., H. Iwai, M. Saito and H. Yoshida,"Performance evaluation of an integrated small-scale SOFC-biomass gasification power generation system".Journal of Power Sources, 216 (2012): 314-22.
[10] Puig-Arnavat, M., J. C. Bruno and A. Coronas, "Review and analysis of biomass gasification models". Renewable and Sustainable Energy Reviews;14 (2010): 2841-51.
[11] Silva, V. B. and A. Rouboa, "Using a two-stage equilibrium model to simulate oxygen air enriched gasification of pine biomass residues". Fuel Processing Technology, 109 (2013): 111-7.
[12] Zainal, Z. A., R. Ali, C. H. Lean, K. N. Seetharamu, "Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials".Energy Conversion and Management,42 (2001): 1499-515.
[13] Gordillo, G., K. Annamalai and N. Carlin, "Adiabatic fixed-bed gasification of coal, dairy biomass, and feedlot biomass using an air–steam mixture as an oxidizing agent". Renewable Energy, 34 (2009): 2789-97.
[14] Melgar, A., J. F. Pérez, H. Laget and A. Horillo,"Thermochemical equilibrium modelling of a gasifying process". Energy Conversion and Management, 48(2007): 59-67.
[15] Jarungthammachote, S. and A. Dutta, "Thermodynamic equilibrium model and second law analysis of a downdraft waste gasifier". Energy, 32 (2007): 1660-9.
[16] Barman, N. S., S. Ghosh, S. De, "Gasification of biomass in a fixed beddowndraft gasifier – A realistic model including tar". Bioresource Technology, 107(2012): 505-11.
[17] Aguiar, P., C. S. Adjiman and N. P. Brandon, "Anodesupported intermediate temperature direct internal reforming solid oxide fuel cell. I: model-based steadystate performance". Journal of Power Sources, 138(2004): 120-36.
[18] Iwai, H., Y. Yamamoto, M. Saito and H. Yoshida,"Numerical simulation of intermediate-temperature direct-internal-reforming planar solid oxide fuel cell".Energy, 36 (2011): 2225-34.
[19] Jesper Ahrenfeldt U. H., K. J. Torben, Benny Gøbel, Lars Wiese and H. E. Alphons Kather, "Validation of a Continuous Combined Heat and Power (CHP) Operation of a Two-Stage Biomass Gasifier". Energy & Fuels, 20(2006): 9.
[20] Zhao, F. and A. V. Virkar, "Dependence of polarization in anode-supported solid oxide fuel cells on various cell parameters". Journal of Power Sources, 141 (2005): 79-95.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 49، شماره 1
اردیبهشت 1396
صفحه 219-230

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار