Thermodynamic Analysis of a Multi-Generation Plant Driven by Pine Sawdust as Primary Fuel

Abstract

The current study is based on a combined heat and power system with multi-objectives, driven by biomass. The system consists of a combustion chamber (CC), a single effect absorption cooling system (SEACS), an air conditioning unit (AC), a reheat steam Rankine cycle (RSRC), an organic Rankine cycle (ORC) and an electrolyzer. The purpose of this system is to produce hydrogen, electricity, heat, cooling, and air conditioning. All the simulations had been performed by Engineering Equation Solver (EES) software. Pine sawdust is the selected biofuel for the combustion process. The overall utilization factor (εen) and exergetic efficiency (ψex) were calculated to be 2.096 and 24.03% respectively. The performed renewable and environmental impact analysis indicated a sustainability index of 1.316 (SI), and a specific CO2 emission of 353.8 kg/MWh. The parametric study is conducted based on the variation of ambient (sink) temperature, biofuel mass flow rate, and boilers outlet temperatures. The parametric simulation showed that the increase in biofuel mass flow rate has a positive effect on the sustainability of the system. It is noticed that by increasing the biofuel mass flow rate from 0.123 kg/s to 0.22 kg/s, the sustainability index rises from 1.309 to 1.542. However, any increase in boilers outlet temperature and sink temperature, result in a decrease of sustainability index. Keywords: biomass, exergy assessment, multi-objective plant, CO2 emission, irreversibility.

ÖZ: Mevcut çalışma biyokütle ile tahrik edilen, çok amaçlı bir bileşik ısı ve güç sistemi üzerine yapılmıştır. Sistem, bir yanma odası (CC), bir tek etkili absorpsiyonlu soğutma sistemi (SEACS), bir hava şartlandırma sistemi (AC), bir tekrar ısıtmalı buhar Rankine çevrimi (RSRC), bir organik Rankine çevrimi (ORC) ve bir elektrolizörden oluşmaktadır. Bu sistemin amacı hidrojen, elektrik, ısı, soğutma üretmek ve hava şartlandırmaktır. Bütün simulasyonlar, Mühendislik Denklem Çözücü (EES) yazılımı ile yapılmıştır. Yanma işleminde kullanılmak üzere seçilen biyokütle, çam talaşıdır. Toplam yararlanma faktörü (εen) ve ekserji verimliliği (ψex) sırasıyla %2.096 ve 24.03 olarak hesaplanmıştır. Gerçekleştirilen yenilenebilir ve çevresel etki değerlendirmeleri sonucunda, sürdürülebilirlik endeksi 1.316 (SI) ve özgül karbondiyoksit salınımı 353.8 kg/MWh bulunmuştur. Yapılan parametrik çalışma çevre sıcaklığını, biyoyakıt kütle akış hızı ve kazanların çıkış sıcaklıkları baz alınarak yapılmıştır. Parametrik simulasyon sonucu, biyoyakıt kütle akış hızı arttırıldığı zaman sürdürülebilirlik endeksinin olumlu etkilediği gözlemlenmiştir. Görülmüştür ki biyoyakıt kütle akış hızı 0.123 kg/s den 0.22 kg/s ye artırıldığı zaman sürdürülebilirlik endeksi 1.309’dan 1.542’ye çıkıyor. Ancak kazan çıkış sıcaklığı veya çevre sıcaklığı artırıldığı zaman sürdürülenilirlik endeksinin düştüğü gözlemlenmiştir. Anahtar kelimeler: biyokütle, ekserji değerlendirmesi, çok-amaçlı santral, karbondiyoksit salınımı, geri çevrilmezlik.