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Performance Investigation of Integrated Gasification Combined Cycle Power Plant for Polygeneration

Bany Ata, Ammar Ahmad Jamil (2022):
Performance Investigation of Integrated Gasification Combined Cycle Power Plant for Polygeneration. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020669,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Performance Investigation of Integrated Gasification Combined Cycle Power Plant for Polygeneration
Language: English
Abstract:

Energy and environment are playing an important role in shaping the world at present and the path ahead into the future. Both affect the aspects of the economy, politics, health, and welfare. In addition, the growth of wind and photovoltaic plants has greatly increased the demand for flexible generation or storage options in the electricity market due to their fluctuation. The Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) with carbon capture for polygeneration of power and chemicals features the advantages of flexible power generation that has low CO₂ emissions, alongside essential chemicals for the industry or even production of fuels that for storage and then to be utilized during the peak time. Moreover, the ability to use biomass and Refuse Derived Fuel (RDF) as feedstock for IGCC contributes to waste management and better use of the resources. In the scope of this work, a process simulation model of an IGCC using Aspen Plus was developed based on a pilot-scale 0.5 MWth HTW gasifier and gas purification plant installed at TU Darmstadt. The gasification and purification pilot plant model was scaled up and then integrated with a CCPP for power generation. For the power generation part, a process simulation model of Combined Cycle Power Plant (CCPP) was built based on a 360 MWel General Electric (GE) STAG 109FA CCPP located at Prai in Malaysia. For chemical production, a methanol synthesis unit was also modeled and integrated with the IGCC model to enable polygeneration of electricity and methanol in an IGCC plant. To improve the performance of the IGCC, heat integration between the heat recovery steam generator (HRSG) and the syngas production process (gasification and purification) was applied. Additionally, an acid gas removal (AGR) process was adopted for the IGCC model. In this respect, three process simulation models for AGR were developed using three different solvents (Selexol, Rectisol, and a-MDEA) and then evaluated seeking a better performance of the IGCC. Furthermore, co-gasification of coal and refuse derived fuel in different mixing ratios were used and investigated. The evaluation of the developed IGCC power plant model for flexible polygeneration using HTW gasification technology shows a promising electrical efficiency of about 37.48% with a carbon capture rate of 90%. Also, the comparison between the three AGR processes shows that the Selexol process is the most efficient. Therefore, this process was used in the final configuration of the IGCC plant. Finally, a thermo-economic evaluation under volatile selling prices of IGCC products was executed to investigate the production regime and to make better decisions for production.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Themen Energie und Umwelt spielen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der gegenwärtigen Welt sowie für die Entwicklung der Zukunft. Beide Aspekte beeinflussen die Wirtschaft, der Politik, der Gesundheit und des Wohlstandes. Darüber hinaus hat das Wachstum von Wind- und Photovoltaikanlagen die Nachfrage nach flexiblen Erzeugungs- oder Speicheroptionen auf dem Strommarkt aufgrund ihrer Fluktuation stark erhöht. Der Gas- und Dampf-Kombiprozess mit integrierter Vergasung (IGCC-Prozess)mit Kohlenstoffabscheidung zur Polygeneration von Strom und Chemikalien bieten neben einer flexiblen Stromerzeugung bei geringen CO₂-Emissionen den Vorteil der Produktion von wichtigen Chemikalien für die Industrie oder von Kraftstoffen, die gespeichert und dann in Spitzenzeiten verwendet werden können. Darüber hinaus trägt die Möglichkeit, Biomasse und Ersatzbrennstoffe (RDF) als Ausgangsmaterial für IGCC zu verwenden, zu einem optimierten Abfallmanagement und zur besseren Nutzung von Ressourcen bei. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prozesssimulationsmodell eines IGCC-Prozesses mit Aspen Plus auf der Grundlage einer 0,5 MWth HTW-Vergasungs- und Gasreinigungsanlage im Pilotmaßstab an der TU Darmstadt entwickelt. Das Modell der Pilot-Vergasungs- und Gasreinigungsanlage wurde hochskaliert und dann in ein GuD-Kraftwerk zur Stromerzeugung integriert.Für die Stromerzeugung wurde ein Prozesssimulationsmodell eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks (GuD) auf der Grundlage eines 360 MWel General Electric (GE) STAG 109FA GuD-Kraftwerks in Prai in Malaysia erstellt. Für die Synthese wurde eine Methanolsyntheseeinheit modelliert und in das IGCC-Modell integriert, um die Simulation der Polygeneration von Strom und Methanol in einer IGCC-Anlage zu ermöglichen. Zur Verbesserung der Leistung des IGCC-Prozesss wurde eine Wärmeintegration zwischen dem Abhitzedampferzeuger (HRSG) und dem Syngasproduktionsprozess (Vergasung und Gasreinigung) durchgeführt. Darüber hinaus wurde für das IGCC-Modell ein Verfahren zur Entfernung saurer Gase (AGR) angenommen. In diesem Zusammenhang wurden drei Prozesssimulationsmodelle für AGR unter Verwendung von drei verschiedenen Lösungsmitteln (Selexol, Rectisol und a-MDEA) entwickelt und anschließend mit Ziel einer besseren Leistung von IGCC bewertet. Darüber hinaus wurde die Co-Vergasung von Kohle und RDF in verschiedenen Mischungsverhältnissen angewendet und untersucht. Die Bewertung des entwickelten IGCC-Kraftwerksmodells für flexible Polygeneration unter Verwendung der HTW-Vergasungstechnologie zeigt einen vielversprechenden elektrischen Wirkungsgrad von etwa 37,48 % mit einer Kohlenstoffabscheidungsrate von 90 %. Auch der Vergleich zwischen den drei AGR-Verfahren zeigt, dass das Selexol-Verfahren das effizienteste Verfahren ist. Daher wurde dieses Verfahren in der endgültigen Konfiguration der IGCC-Anlage verwendet. Schließlich wurde eine thermo-ökonomische Bewertung unter Berücksichtigung der schwankenden Verkaufspreise von IGCC-Produkten durchgeführt, um das Produktionssystem zu untersuchen und bessere Entscheidungen für die Produktion treffen zu können.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxii, 128 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Energiesysteme und Energietechnik (EST)
Date Deposited: 23 Feb 2022 13:15
Last Modified: 29 Jul 2022 13:20
DOI: 10.26083/tuprints-00020669
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-206699
Referees: Epple, Prof. Dr. Bernd ; Richter, Prof. Dr. Andreas
Date of oral examination: 1 February 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20669
PPN: 491492766
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