طراحی و شبیه‌سازی تولید هیدروژن از ریفرمینگ دیزل برای کاربردهای پیل سوختی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان
1 پژوهشگر، موسسه گاز طبیعی مایع (I-LNG)، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 پژوهشگر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، پژوهشکده علوم و فناوری شمال، فریدونکنار، ایران
3 استادیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، پژوهشکده علوم و فناوری شمال، فریدونکنار، ایران
4 استاد، موسسه گاز طبیعی مایع (I-LNG)، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
20.1001.1/jgt.2024.2030854.1040
چکیده
تولید هیدروژن با چالش‌های قابل توجهی در حمل و نقل و ذخیره‌سازی مواجه است، مانند نشت، ایمنی در حین انتقال و نیاز به شرایط ذخیره‌سازی کارآمد. تولید در محل از طریق ریفرمینگ سوخت دیزل یک راه‌حل امیدوارکننده به شمار می‌رود به دلیل مقرون‌به‌صرفه بودن، دسترسی آسان و سهولت حمل و نقل دیزل. با این حال، گوگرد و مونوکسید کربن موجود در دیزل باید حذف شوند تا از کاتالیزورهای دخیل در این فرآیند محافظت شود. این مطالعه یک فرآیند مفهومی برای ریفرمینگ دیزل حاوی گوگرد به‌منظور تولید ۳۰۰ کیلووات برق در یک سیستم پیل سوختی را با استفاده از روش داگلاس طراحی می‌کند، که طراحی فرآیند شیمیایی را به یک سلسله مراتب تصمیم‌گیری سازماندهی می‌کند. این سلسله مراتب با ساختار ورودی-خروجی شروع می‌شود و فرآیند را با جزئیات دادن به جریان‌های ورودی و خروجی بر اساس متغیرهای طراحی تعیین شده خلاصه می‌کند. ساختار جریان بازیافتی فرآیند را به بخش‌های راکتور و جداسازی تقسیم می‌کند، که هر کدام جریان‌های بازیافتی تعریف شده‌ای را در برمی‌گیرند. در نهایت، ساختار کلی بخش جداسازی، سیستم‌های بازیافت گاز و مایع را ادغام می‌کند و یک استراتژی جامع برای طراحی واحدهای جداسازی ارائه می‌دهد. نمودار جریان فرآیند (PFD) ابتدا توسعه یافت و سپس از طریق شبیه‌سازی با استفاده از نرم‌افزار  Aspen HYSYS به‌دقت تحلیل شد. نتایج نشان می‌دهد که تولید ۳۰۰ کیلووات برق به ۱۷ کیلوگرم در ساعت هیدروژن خالص نیاز دارد که مستلزم ۴۷ کیلوگرم در ساعت دیزل بدون گوگرد است. به‌طور کلی، ۶۰ کیلوگرم در ساعت دیزل مورد نیاز است. تحقیقات آینده باید بر بهینه‌سازی حذف گوگرد، کاهش سطح مونوکسید کربن، بهبود واکنش تغییر آب-گاز، به حداکثر رساندن بهره‌وری انرژی و ارزیابی قابلیت اقتصادی، از جمله بازگشت سرمایه و دوره بازپرداخت، متمرکز شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Amin, M., Shah, H. H., Fareed, A. G., Khan, W. U., Chung, E., Zia, A., Farooqi, Z. U. R., & Lee, C. (2022). Hydrogen production through renewable and non-renewable energy processes and their impact on climate change. International Journal of Hydrogen Energy, 47(77), 33112–33134.
Amphlett, J. C., Mann, R. F., Peppley, B. A., Roberge, P. R., Rodrigues, A., & Salvador, J. P. (1998). Simulation of a 250 kW diesel fuel processor/PEM fuel cell system. Journal of Power Sources, 71(1–2), 179–184.
Awad, S. A., Gheni, S. A., Abdullah, G. H., & Ahmed, S. M. R. (2020). Design and evaluation of a Co–Mo-supported nano alumina ultradeep hydrodesulfurization catalyst for production of environmentally friendly diesel fuel in a trickle bed reactor. ACS Omega, 5(21), 12081–12089.
Bacquart, T., Arrhenius, K., Persijn, S., Rojo, A., Auprêtre, F., Gozlan, B., Moore, N., Morris, A., Fischer, A., & Murugan, A. (2019). Hydrogen fuel quality from two main production processes: Steam methane reforming and proton exchange membrane water electrolysis. Journal of Power Sources, 444, 227170.
Bae, J., Lee, S., Kim, S., Oh, J., Choi, S., Bae, M., Kang, I., & Katikaneni, S. P. (2016). Liquid fuel processing for hydrogen production: A review. International Journal of Hydrogen Energy, 41(44), 19990–20022.
Bae, M., Cheon, H., Oh, J., Kim, D., Bae, J., & Katikaneni, S. P. (2021). Rapid start-up strategy of 1 kWe diesel reformer by solid oxide fuel cell integration. International Journal of Hydrogen Energy, 46(52), 26575–26581.
Brown, L. F. (2001). A comparative study of fuels for on-board hydrogen production for fuel-cell-powered automobiles. International Journal of Hydrogen Energy, 26(4), 381–397.
Castaldi, M. J. (2009). Removal of trace contaminants from fuel processing reformate: preferential oxidation (Prox). Hydrogen and Syngas Production and Purification Technologies; Liu, K., Song, C., Subramani, V., Eds, 329–356.
Cherif, A., Nebbali, R., Sheffield, J. W., Doner, N., & Sen, F. (2021). Numerical investigation of hydrogen production via autothermal reforming of steam and methane over Ni/Al2O3 and Pt/Al2O3 patterned catalytic layers. International Journal of Hydrogen Energy, 46(75), 37521–37532.
Creaser, D., Karatzas, X., Lundberg, B., Pettersson, L. J., & Dawody, J. (2011). Modeling study of 5 kWe-scale autothermal diesel fuel reformer. Applied Catalysis A: General, 404(1–2), 129–140.
Davó-Quiñonero, A., Bailon-Garcia, E., Lopez-Rodriguez, S., Juan-Juan, J., Lozano-Castello, D., García-Melchor, M., Herrera, F. C., Pellegrin, E., Escudero, C., & Bueno-Lopez, A. (2020). Insights into the oxygen vacancy filling mechanism in CuO/CeO2 catalysts: a key step toward high selectivity in preferential CO oxidation. ACS Catalysis, 10(11), 6532–6545.
Dawood, F., Anda, M., & Shafiullah, G. M. (2020). Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, 45(7), 3847–3869.
Dolanc, G., Pregelj, B., Petrovčič, J., Pasel, J., & Kolb, G. (2016). Control of autothermal reforming reactor of diesel fuel. Journal of Power Sources, 313, 223–232.
Douglas, J. M. (1988). Conceptual design of chemical processes. (No Title).
Ersoz, A., Olgun, H., & Ozdogan, S. (2006). Reforming options for hydrogen production from fossil fuels for PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 154(1), 67–73.
Fauteux-Lefebvre, C., Abatzoglou, N., Braidy, N., & Achouri, I. E. (2011). Diesel steam reforming with a nickel–alumina spinel catalyst for solid oxide fuel cell application. Journal of Power Sources, 196(18), 7673–7680.
Geng, J., Guo, Q., Pan, J., Chi, B., & Pu, J. (2023). Enhanced stability of co-reforming diesel and methanol into hydrogen-enriched gases for solid oxide fuel cell application. Journal of Power Sources, 564, 232830.
Ghasemzadeh, K., Jafari, M., & Basile, A. (2017). Theoretical Study of Various Configurations of Membrane Processes for Olefins Separation. International Journal of Membrane Science and Technology, 4, 1–7.
Gonzalez, A. M., Lora, E. E. S., Palacio, J. C. E., & del Olmo, O. A. A. (2018). Hydrogen production from oil sludge gasification/biomass mixtures and potential use in hydrotreatment processes. International Journal of Hydrogen Energy, 43(16), 7808–7822.
Hoguet, J.-C., Karagiannakis, G. P., Valla, J. A., Agrafiotis, C. C., & Konstandopoulos, A. G. (2009). Gas and liquid phase fuels desulphurization for hydrogen production via reforming processes. International Journal of Hydrogen Energy, 34(11), 4953–4962.
Jafari, M., Deljoo, M. S., & Vatani, A. (2020). Simulation and Economic Evaluation of Polygeneration System for Coproduction of Power, Steam, CH3OH, H2, and CO2 from Flare Gas. Iranian Journal of Oil and Gas Science and Technology, 9(4), 93–114. https://doi.org//10.22050/ijogst.2020.227023.1547
Jafari, M., & Garakani, A. K. (2021). Simulation and techno-economic analysis of hydrotreating process of mazut. Journal of Applied Research of Chemical-Polymer Engineering, 5(1), 17–30.
Jafari, M., & Khalili-Garakani, A. (2021). Techno-Economic Analysis of Heavy Fuel Oil Hydrodesulfurization Process for Application in Power Plants. Iranian Journal of Oil and Gas Science and Technology, 10(1), 40–65.
Jafari, M., Sarrafzadeh, M. H., & Deljoo, M. S. (2021). Economic Evaluation of Water Desalination and Power Generation Using Flare Gases of Assaluyeh. Iranian Journal of Gas Engineering, 8(1), 7–17. https://www.ijge.irangi.org/article_251915.html
Jafari, M., Sarrafzadeh, M.-H., & Ghasemzadeh, K. (2020). Simulation and economic evaluation of heat and power generation from flare gases in a combined cycle power plant. Energy Equipment and Systems, 8(4), 307–322.
Jafari, M., Vatani, A., Deljoo, M. S., & Khalili-Garakani, A. (2021). Techno-Economic Analysis of Flare Gas to Gasoline (FGTG) Process through Dimethyl Ether Production. Journal of Gas Technology, 6(2), 28–44. https://doi.org//jgt.irangi.org/article_251676.html
Jejurkar, S. Y., Khanna, A., & Verma, N. (2020). Maldistribution effects in an industrial-scale trickle bed reactor. Industrial & Engineering Chemistry Research, 59(16), 7405–7415.
Ješić, D., Erklavec Zajec, V., Bajec, D., Dolanc, G., Berčič, G., & Likozar, B. (2022). Computational investigation of auto‐thermal reforming process of diesel for production of hydrogen for PEM fuel cell applications. International Journal of Energy Research, 46(12), 17068–17083.
Kaila, R. K., Gutiérrez, A., & Krause, A. O. I. (2008). Autothermal reforming of simulated and commercial diesel: The performance of zirconia-supported RhPt catalyst in the presence of sulfur. Applied Catalysis B: Environmental, 84(1–2), 324–331.
Le, T. T., Sharma, P., Bora, B. J., Tran, V. D., Truong, T. H., Le, H. C., & Nguyen, P. Q. P. (2023). Fueling the future: A comprehensive review of hydrogen energy systems and their challenges. International Journal of Hydrogen Energy.
Lee, Y.-L., Kim, K.-J., Hong, G.-R., & Roh, H.-S. (2023). Target-oriented water–gas shift reactions with customized reaction conditions and catalysts. Chemical Engineering Journal, 458, 141422.
Lindermeir, A., Kah, S., Kavurucu, S., & Mühlner, M. (2007). On-board diesel fuel processing for an SOFC–APU—Technical challenges for catalysis and reactor design. Applied Catalysis B: Environmental, 70(1–4), 488–497.
Lindström, B., Karlsson, J. A. J., Ekdunge, P., De Verdier, L., Häggendal, B., Dawody, J., Nilsson, M., & Pettersson, L. J. (2009). Diesel fuel reformer for automotive fuel cell applications. International Journal of Hydrogen Energy, 34(8), 3367–3381.
Liu, D.-J., Kaun, T. D., Liao, H.-K., & Ahmed, S. (2004). Characterization of kilowatt-scale autothermal reformer for production of hydrogen from heavy hydrocarbons. International Journal of Hydrogen Energy, 29(10), 1035–1046.
Martin, S., Kraaij, G., Ascher, T., Baltzopoulou, P., Karagiannakis, G., Wails, D., & Wörner, A. (2015). Direct steam reforming of diesel and diesel–biodiesel blends for distributed hydrogen generation. International Journal of Hydrogen Energy, 40(1), 75–84.
Nowotny, J., & Veziroglu, T. N. (2011). Impact of hydrogen on the environment. International Journal of Hydrogen Energy, 36(20), 13218–13224.
Pereira, C., Bae, J. M., Ahmed, S., & Krumpelt, M. (2000). Liquid fuel reformer development: autothermal reforming of diesel fuel. Argonne National Lab., IL (US).
Permatasari, A., Fasahati, P., Ryu, J.-H., & Liu, J. J. (2016). Design and analysis of a diesel processing unit for a molten carbonate fuel cell for auxiliary power unit applications. Korean Journal of Chemical Engineering, 33, 3381–3387.
Ramantani, T., Evangeliou, V., Kormentzas, G., & Kondarides, D. I. (2022). Hydrogen production by steam reforming of propane and LPG over supported metal catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 306, 121129.
Şahin, Z. (2008). Experimental and theoretical investigation of the effects of gasoline blends on single-cylinder diesel engine performance and exhaust emissions. Energy & Fuels, 22(5), 3201–3212.
Samsun, R. C., Pasel, J., Peters, R., & Stolten, D. (2015). Fuel cell systems with reforming of petroleum-based and synthetic-based diesel and kerosene fuels for APU applications. International Journal of Hydrogen Energy, 40(19), 6405–6421.
Samsun, R. C., Prawitz, M., Tschauder, A., Meißner, J., Pasel, J., & Peters, R. (2020). Reforming of diesel and jet fuel for fuel cells on a systems level: Steady-state and transient operation. Applied Energy, 279, 115882.
Wang, H., Zhao, H., & Zhao, Z. (2021). Thermodynamic performance study of a new SOFC–CCHP system with diesel reforming by CLHG to produce hydrogen as fuel. International Journal of Hydrogen Energy, 46(44), 22956–22973.