تحلیل جامع ترمودینامیکی سیستم کم کربن بر پایه ریفرمینگ بخارآب با سوخت بیوگاز و ادغام شده با چرخه SCO2 به منظور تولید همزمان هیدروژن، توان و گرما

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

4 پژوهشگر فرا دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

با توجه به نیاز روزافزون به سیستم‌های پاک و پربازده، این پژوهش به بررسی یک چرخه نوین تولید هم‌زمان هیدروژن، توان و گرما بر پایه ریفرمینگ بخار متان (SMR) می‌پردازد. در این سیستم، گرمای مورد نیاز فرآیند ریفرمینگ از طریق احتراق بیوگاز تأمین شده و به‌منظور بازیابی انرژی، از چرخه برایتون دی‌اکسید کربن فوق بحرانی (SCO₂) استفاده شده است. مدل‌سازی جامع ترمودینامیکی با تکیه بر تحلیل انرژی و اگزرژی انجام شده و رفتار سیستم تحت شرایط مختلف عملیاتی بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که بازده انرژی و اگزرژی سیستم به‌ترتیب برابر 96/84% و 89/59% بوده و آهنگ تولید هیدروژن به 35/1 تن بر ساعت می‌رسد. همچنین، محفظه احتراق با سهم 5/64% بیشترین تخریب اگزرژی را دارد. تحلیل‌های پارامتری نشان می‌دهد که افزایش نسبت بخار به کربن   (S/C) و دمای ریفرمینگ باعث افزایش تولید هیدروژن می‌شود، اما در عین حال، تولید خالص توان را کاهش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Sharma S, Ghoshal SK. Hydrogen the future transportation fuel: From production to applications. Renewable and sustainable energy reviews. 2015;43:1151-8.
[2] Genovese M, Schlüter A, Scionti E, Piraino F, Corigliano O, Fragiacomo P. Power-to-hydrogen and hydrogen-to-X energy systems for the industry of the future in Europe. International Journal of Hydrogen Energy. 2023;48(44):16545-68.
[3] Zare AAD, Yari M, Nami H, Mohammadkhani F. Low-carbon hydrogen, power and heat production based on steam methane reforming and chemical looping combustion. Energy Conversion and Management. 2023;279:116752.
[4] Alam S, Kumar JP, Rani KY, Sumana C. Comparative assessment of performances of different oxygen carriers in a chemical looping combustion coupled intensified reforming process through simulation study. Journal of Cleaner Production. 2020;262:121146.
[5] Szablowski L, Wojcik M, Dybinski O. Review of steam methane reforming as a method of hydrogen production. Energy. 2025:134540.
[6] Wang Z, Mao J, He Z, Liang F. Energy-exergy analysis of an integrated small-scale LT-PEMFC based on steam methane reforming process. Energy Conversion and Management. 2021;246:114685.
[7] Gargari SG, Rahimi M, Ghaebi H. Thermodynamic analysis of a novel power-hydrogen cogeneration system. Energy Conversion and Management. 2018;171:1093-105.
[8] Liao C-H, Horng R-F. Investigation on the hydrogen production by methanol steam reforming with engine exhaust heat recovery strategy. International Journal of Hydrogen Energy. 2016;41(9):4957-68.
[9] Simpson AP, Lutz AE. Exergy analysis of hydrogen production via steam methane reforming. International journal of hydrogen energy. 2007;32(18):4811-20.
[10] Ghaebi H, Yari M, Gargari SG, Rostamzadeh H. Thermodynamic modeling and optimization of a combined biogas steam reforming system and organic Rankine cycle for coproduction of power and hydrogen. Renewable energy. 2019;130:87-102.
[11] Salehi G, Farzin S. Analyzing and Comparing Energy and Exergy of POXR and SMR Reactors for Producing Hydrogen from Methane Gas. Gas Processing Journal. 2017;5(1):24-33.
[12] Shen L, Liu S, Fu S, Wang Y, Zhou W, Bai B. Thermodynamic analysis and multi-criteria optimization of supercritical water gasification for polygeneration of hydrogen, heat, and electricity from plastic wastes. International Journal of Hydrogen Energy. 2025;100:284-95.
[13] Bejan A, Tsatsaronis G, Moran MJ. Thermal design and optimization: John Wiley & Sons; 1995.
[14] Bayramoğlu K, Yılmaz S, Çoban MT. Numerical analysis of hydrogen production by methanol and methane steam reforming using compact reactors. Thermal Science and Engineering Progress. 2025:103238.
[15] Liu Z, Ding J, Huang X, Liu Z, Yan X, Liu X, et al. Analysis of a hybrid heat and underwater compressed air energy storage system used at coastal areas. Applied Energy. 2024;354:122142.
[16] Vandervort J, Kotsarinis K, Strand C, Hanson RK, editors. Simultaneous Point Measurements of Temperature, Pressure, and Velocity Using Spectrally Resolved Laser-Induced Fluorescence of Atomic Potassium Vapor in Air. AIAA SCITECH 2025 Forum; 2025.
[17] Liu Y, Shi Z, Li K, Wang Z, Tao J, Xu S, et al. Study on intrinsic reaction kinetics of coal char oxy-fuel combustion based on general surface activation function model. Combustion and Flame. 2025;273:113952.
[18] Mithra SN, Ahankari SS. Phosphorylated Cellulose Nanocrystals/Polyvinyl Alcohol-L Arginine coating in Facilitated Transport Membranes for Biogas purification. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications. 2025:100679.
[19] Wu C, Wang S-s, Feng X-j, Li J. Energy, exergy and exergoeconomic analyses of a combined supercritical CO2 recompression Brayton/absorption refrigeration cycle. Energy Conversion and Management. 2017;148:360-77.
[20] Song H, Liu Y, Bian H, Shen M, Lin X. Energy, environment, and economic analyses on a novel hydrogen production method by electrified steam methane reforming with renewable energy accommodation. Energy Conversion and Management. 2022;258:115513.
[21] Moon D-K, Park Y, Oh H-T, Kim S-H, Oh M, Lee C-H. Performance analysis of an eight-layered bed PSA process for H2 recovery from IGCC with pre-combustion carbon capture. Energy Conversion and Management. 2018;156:202-14.
[22] Voldsund M, Jordal K, Anantharaman R. Hydrogen production with CO2 capture. International Journal of hydrogen energy. 2016;41(9):4969-92.
[23] Oh S, Song HH. Exergy analysis on non-catalyzed partial oxidation reforming using homogeneous charge compression ignition engine in a solid oxide fuel cell system. International Journal of Hydrogen Energy. 2018;43(5):2943-60.
[24] Zare AD, Saray RK, Mirmasoumi S, Bahlouli K. Optimization strategies for mixing ratio of biogas and natural gas co-firing in a cogeneration of heat and power cycle. Energy. 2019;181:635-44.
[25] Zare AAD, Yari M, Mahmoudi S. Exploring diverse pathways for low-carbon production of hydrogen, methanol, power and heat with enhanced solid carbon utilization efficiency. Energy. 2025;314:134071.