Bir doğalgaz beslemeli tüpsel katı oksit yakıt pili sisteminde ısı ve güç entegrasyonu

Abstract

Sabit güç üretimi olarak yakıt piline dayalı güç üretim sistemleri, özellikle küçük ölçekli uygulamalarda ısıya dayalı güç sistemlerine önemli alternatiflerdendir. Katı oksit yakıt pili (KOYP), elektrik üretimi için gelecek vaadeden teknolojilerdendir. Yakıt gazının kimyasal enerjisini direk elektrik enerjisine çevirir ve bu yüzden çok yüksek elektriksel verimlere ulaşılabilir. Ayrıca katı oksit yakıt pilinin yüksek çalışma sıcaklığı kojenerasyon uygulamaları için uygun imkanlar sağlar. Bu tez çalışması, doğalgaz beslemeli, tüpsel, iç reformasyonlu katı oksit yakıt pili teknolojisine dayalı bir CHEMCAD KOYP yığın modelini sunmaktadır. Mevcut CHEMCAD fonksiyonları ve temel işlemler modülleri kullanılarak geliştirilmiştir. Bu KOYP modeli, detaylı bir biçimde KOYP çalışmasının termodinamik ve parametrik analizini yapmayı sağlamaktadır. Yakıt pilinin bir sisteme entegrasyonu üzerine yapılan araştırmaların hedeflerinden birisi hem verim hem de ekonomik bakımından cazipliktir. Bu tez çalışmasında, bu hedef doğrultusunda darboğaz yöntemi ve gaz türbinleri kullanılarak yapılan farklı tasarımlar anlatılmaktadır. Bütün proses simülasyonları CHEMCAD'de yapılmıştır.Çalışma basıncı, çalışma sıcaklığı, yakıt kullanım oranı parametrelerinin elektrik üretimi için harcanan ütilite miktarları ve maliyetlerine etkileri, ısı entegrasyonsuz, ısı entegrasyonlu, tek gaz türbinli ve çift gaz türbinli yeni tasarımlar üzerinde araştırılmaktadır.In the context of stationary power generation, fuel cell-based systems are being foreseen as a valuable alternative to thermodynamic cycle-based power plants, especially in small scale applications. The Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is a promising technology for electricity generation. It converts the chemical energy of the fuel gas directly to electricity energy and therefore, very high electrical efficiencies can be achieved. The high operating temperature of the SOFC also provides excellent possibilities for cogeneration applications. This thesis introduces a CHEMCAD SOFC stack model based on the natural gas feed tubular internal reforming SOFC technology. The model was developed utilizing existing CHEMCAD functions and unit operation models. This SOFC model is able to provide detailed thermodynamic and parametric analysis of the SOFC operation. The research on integrating the fuel cell in a system aims to achieve both efficient and economically attractive designs. Various alternative SOFC-based power generation designs were studied in this thesis. All the process simulations were implemented in CHEMCAD.The effects of parameters such as operating pressure, operating temperature, fuel utilization ratio on utility loads and costs of the electricity production are investigated for the models with and without heat integration, with single gas turbine and double gas turbine.