Loading...

Designing of Integrated Polygeneration System of Heating, Power and Carbon Dioxide in Urban Wastewater Treatment Plants

Movahhed, Paria | 2019

1311 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 51834 (46)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Energy Engineering
  6. Advisor(s): Avami, Akram
  7. Abstract:
  8. With the growing development of urban communities and population, the demand for water and treated sewage water has grown significantly. The environmental damage of polluted water has resulted in passing of new and strict environmental laws on wastewater discharge recently. In the present research, a hybrid system involving a power, heat and cool cogeneration and a carbon dioxide capture system has been designed for a typical wastewater treatment plant. The plant is optimized from economic and environmental criteria. The anaerobic digester is modeled using the ADM1 model. The biogas is directed into the hydrogen sulfide removal filter to remove the impurities and into the heat exchanger to remove the moisture. The biogas is entered into the microturbine as fuel and the product gases supply the required heat and then the product gases of combustion are used to grow alga and produce biodiesel. Genetic algorithm has been used to optimize the hybrid system. The objective functions include system’s total cost rate, the amount of the produced biogas, annual profit, the amount of the produced carbon dioxide and the levelized cost of electrical energy which are studied in a 4 different scenarios. The optimization variables include digester hydraulic retention time, compressor pressure ratio, compressor isentropic efficiency, recuperator pinch time temperature, turbine isentropic efficiency, turbine input temperature, number of microturbines and the fraction of the product gases combustion to grow alga. The objective functions for each scenario is first optimized using the genetic algorithm’s single-objective optimization, and then, optimized using multi-objective optimization. Non- dimensionalised Euclidean and linmap methods are used to find the final optimal point. In the first scenario, the optimal value of the system’s total cost rate and the amount of the produced biogas of 0.027406 dollars per second and 12623.5 cubic meters have been obtained, respectively. In the second scenario, the maximum annual profit and the minimum produced carbon dioxide of 1070458 and 47.73474 tons per year have been obtained, respectively. Finally, the effect of some important parameters have been assessed on different objectives like the system’s total cost rate’s objective functions, levelized cost of electrical energy and annual profit using Sobol sensitivity analysis. Retention time, power purchase price, and profit rate have the highest impact on the system’s total cost rate by 15% each. Retention time has the highest impact on the levelized cost of electrical power by 15%. Also, power purchase price, chemical oxygen demand, retention time and carbon tax have the highest impact on the annual profit by 14% each
  9. Keywords:
  10. Wastewater Treatment Plant ; Biogas ; Optimization ; Anaerobic Digestion ; Microturbine ; Algae Cultivation ; Sensitivity Analysis

 Digital Object List

 Bookmark

  • تشكر و قدرداني
  • چکیده
  • فهرست مطالب
  • فصل1 مقدمه
    • فصل1
    • 1-1-
    • 1-1- مصرف انرژی در تصفیه‌خانه‌ها
    • 1-2- پتانسیل تولید انرژی در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب
    • 1-3- خودکفایی انرژی
    • 1-4- ضرورت انجام پژوهش
    • 1-5- سوالات اساسی پژوهش
    • 1-6- ساختار پایان‌نامه
  • فصل2 مروری بر پیشینه پژوهش
    • فصل2
    • 2-1- مقدمه
      • فصل1
      • فصل2
      • 2-1-
      • 2-2-
    • 2-2- هاضم بی‌هوازی
      • 2-2-1 مزایا و معایب هضم بی‌هوازی
      • 2-2-2 شرح فرآیند
      • 2-2-3 عوامل تأثیرگذار بر عملیات هاضم بی‌هوازی
      • 2-2-4 انواع هاضم بی‌هوازی
        • 2-1-
        • 2-2-
        • 2-3-
        • 2-3-1
        • 2-3-2
        • 2-3-3
        • 2-3-4
        • 2-3-5
          • فصل1
          • فصل2
          • 2-1-
          • 2-2-
          • 2-3-
          • 2-4-
          • 2-5-
          • 2-6-
          • 2-6-1
          • 2-6-2
          • 2-6-3
          • 2-6-4
          • 2-6-5
          • 2-6-6
          • 2-6-6-1
      • 2-2-5 انواع مدل‌های هضم بی‌هوازی
        • فصل1
        • فصل2
        • 2-1-
        • 2-2-
        • 2-3-
        • 2-4-
        • 2-5-
        • 2-6-
        • 2-6-1
        • 2-6-2
        • 2-6-3
        • 2-6-4
        • 2-6-5
        • 2-6-6
        • 2-6-7
    • 2-3- پیش تصفیه گاز زیستی
    • 2-4- تولید هم‌زمان برق و حرارت
      • 2-3-
        • فصل1
        • فصل2
        • 2-1-
        • 2-2-
        • 2-3-
        • 2-4-
        • 2-5-
        • 2-6-
        • 2-7-
        • 2-7-1
        • 2-7-1-1-1
    • 2-5- سامانه ترکیبی هاضم بی‌هوازی – میکروتوربین در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری
    • 2-6- کشت جلبک و تولید دیزل زیستی
      • 2-4-
      • 2-5-
      • 2-6-
      • 2-6-1 پارامترهای موردنیاز برای رشد میکروجلبک
      • 2-6-2 فناوری کشت جلبک
      • 2-6-3 تولید دیزل زیستی
        • 2-6-3-1 استخراج روغن میکروجلبک
        • فصل2
        • 2-1-
        • 2-2-
        • 2-3-
        • 2-4-
        • 2-5-
        • 2-6-
        • 2-6-1
        • 2-6-2
        • 2-6-3
        • 2-6-3-1
        • 2-6-3-2 فرآیند استرسازی
      • 2-6-4 بررسی پژوهشها در زمینه تولید جلبک و دیزل زیستی
    • 2-7- جمع‌بندی
  • فصل3 روش شناسی
    • فصل3
    • 3-1- مقدمه
    • 3-2- معرفی ابرساختار
      • فصل3
      • 3-1-
      • 3-2-
      • 3-2-1 مدلسازی هاضم بی‌هوازی
        • با توجه به واکنش‌های زیادی که در این فرآیند رخ می‌دهد، آن را پیچیده می‌کند. مدل‌های مختلفی برای هضم بی‌هوازی مواد آلی ارائه‌شده‌اند. مدل‌های موجود ازنظر هدف و پيچيدگي متفاوت‌اند. مي‌توان گفت مدل‌هاي ساده تنها ماکزيمم مقدار گاز زیستی به‌دست‌آمده از موا...
        • فصل1
        • فصل2
        • 2-1-
        • 2-2-
        • 2-2-1
        • 2-2-1-1
      • فصل1
      • فصل2
      • 2-1-
      • 2-2-
      • 2-2-1
      • 2-2-1-1
        • فصل1
        • فصل2
        • فصل3
        • 3-1-
        • 3-2-
        • 3-2-1
        • 3-2-1-1
        • 3-2-1-1-1
        • فصل3
        • 3-1-
        • 3-2-
        • 3-2-1
        • 3-2-1-1 معادلات ریاضی حاکم بر مدل ADM1‎[50]
          • فصل1
          • فصل2
          • فصل3
          • 3-1-
          • 3-2-
          • 3-2-1
          • 3-2-1-1
          • 3-2-1-1-1
          • 3-2-1-1-2
        • 3-2-1-2 اجزا، پارامترها و متغیرهای مدل ADM1 ‎[50]
          • فصل1
          • فصل2
          • فصل3
          • 3-1-
          • 3-2-
          • 3-2-1
          • 3-2-1-1
          • 3-2-1-1-1
          • 3-2-1-1-2
          • 3-2-1-1-3
        • 3-2-1-3 موازنه جرم مدل ADM1 ‎[50]
      • 3-2-2 مصرف انرژی حرارتی مورد نیاز هاضم ‎[30]
      • 3-2-3 میکروتوربین
        • فصل1
        • فصل2
        • فصل3
        • 3-1-
        • 3-2-
        • 3-2-1
        • 3-2-2
        • 3-2-3
        • 3-2-3-1 کمپرسور هوا
        • 3-2-2
        • فصل4
        • فصل5
        • فصل6
        • 6-1-
        • 6-2-
        • 6-2-1
        • 6-2-2
        • 6-2-2-1
        • فصل1
        • فصل2
        • فصل3
        • 3-1-
        • 3-2-
        • 3-2-1
        • 3-2-2
        • 3-2-3
        • 3-2-3-1
        • 3-2-3-2
        • 3-2-3-3 محفظه احتراق ‎[54]
        • فصل1
        • فصل2
        • فصل3
        • 3-1-
        • 3-2-
        • 3-2-1
        • 3-2-2
        • 3-2-3
        • 3-2-3-1
        • 3-2-3-2
        • 3-2-3-3
        • 3-2-3-4 توربین
      • 3-2-4 حذف هیدروژن سولفید
      • 3-2-5 رطوبت زدایی و چیلر تراکمی
        • فصل1
        • فصل2
        • فصل3
        • 3-1-
        • 3-2-
        • 3-2-1
        • 3-2-2
        • 3-2-3
        • 3-2-4
        • 3-2-5
        • 3-2-5-1 چیلر تراکمی
      • 3-2-6 محفظه‌ اختلاط60F
      • 3-2-7 کمپرسور سوخت
      • 3-2-8 مبدل حرارتی
      • 3-2-9 کشت جلبک
    • 3-3- هزینه‌های سامانه ترکیبی
      • 3-3-
        • 1-1-
        • 1-1-1
        • 1-1-2
        • 1-1-3
    • 3-4- بهینه سازی
      • 3-4-
      • 3-4-1 متغیرهای تصمیم‌گیری
      • 3-4-2 توابع هدف
    • 3-5- جمع‌بندی
  • فصل4 تجزیه و تحلیل یافته‌ها
    • فصل4
    • 4-1- مقدمه
    • 4-2- مصرف انرژی تصفیه‌خانه مورد بررسی
    • 4-3- معرفی سناریوها
    • 4-4- اعتبار‌سنجی
    • 4-5- نتایج بهینه‌سازی
      • فصل4
      • 4-1-
      • 4-2-
      • 4-3-
      • 4-4-
      • 4-5-
      • 4-5-1 سناریو اول
      • 4-5-2 سناریو دوم
      • 4-5-3 سناریو سوم
      • 4-5-4 سناریو چهارم
    • 4-6- تحلیل حساسیت پارامترهای مختلف بر روی توابع هدف
      • 4-6-
      • 4-6-1 تحلیل حساسیت پارامترهای مختلف بر روی تابع نرخ هزینه کلی سیستم
      • 4-6-2 تحلیل حساسیت پارامترهای مختلف بر روی تابع هزینه هم‌تراز شده انرژی الکتریکی
      • 4-6-3 تحلیل حساسیت پارامترهای مختلف بر روی تابع سود سالیانه
    • 4-7- جمع بندی
  • فصل2
  • فصل3
  • فصل4
  • فصل5 نتیجه‌گیری و پیشنهادات
    • فصل5
    • 5-1- نوآوری‌های کار حاضر
    • 5-2- پیشنهادات
  • پیوست
    • پیوست الف: الگوریتم ژنتیک
    • پیوست ب: انتخاب نقطه بهینه ‎
    • پیوست ج: تحلیل حساسیت
      • تحلیل حساسیت سوبل
      • پیوست د: معرفی تصفیه خانه مورد بررسی در شهر مشهد
  • پیوست ه: اطلاعات ورودی اعتبار‌سنجی هاضم بی‌هوازی
  • مراجع
...see more