THERMODYNAMIC AND ECONOMIC ANALYSIS OF A SYNTHETIC FUEL PRODUCTION PLANT VIA CO2 HYDROGENATION USING WASTE HEAT FROM AN OIL REFINERY

Abstract

ABSTRACT

This study aims a thermoeconomic analysis of a plant that produces methanol by hydrogenating carbon dioxide in the waste gas from an oil refinery using renewable energy was carried out. First, carbon dioxide in the flue gas is captured in the carbon capture plant (CCP), and the hydrogen obtained from the seawater in the hydrogen plant (HP) with the help of photovoltaic energy is combined in the methanol plant (MPP) to produce methanol fuel. Using the Engineering Equation Solver (EES), a calculation was made of the amount of energy required and the number of solar panels or wind turbines that would be required to meet this demand, and then the environmental impact of the methanol plant was investigated. The Libyan Az-Zawiya refinery facility has been selected as a case study location. Systems' processes for CO2 emissions, heat integration, energy efficiency, and thermo-economic performance were all taken into consideration. Renewable energy, synthetic fuel, and the methanol plant showed efficiencies of 0.21%, 0.5872%, and 0.1626%, respectively, and at the optimum density of the electrolyzer, 2.2 kA/m2, the efficiency of the electrolyzer was 0.782%. According to this study, all output parameters increase with the increase in the flue gas in the process, showing that flue gas is the most important input parameter affecting the outputs. The total cost of the plant for 30 years of operation was found to be $11.350 billion, with a production capacity of over 43.360 million tons of methanol, which equates to $412.9 per ton and $0.4129 per kg. Environmentally, the rate of captured emissions was about 4890 tons per day, and the mitigation rate was approximately 4513 tons per day. According to the results, the current plant is competitive with other clean synthetic fuel production plants.

ÖZET

Bu çalışma, yenilenebilir enerji kullanan bir petrol rafinerisinden çıkan atık gazdaki karbondioksiti hidrojene ederek metanol üreten bir tesisin termoekonomik analizini amaçlamaktadır. İlk olarak, baca gazındaki karbondioksit karbon yakalama tesisinde (CCP) yakalanmakta ve hidrojen tesisinde (HP) deniz suyundan fotovoltaik enerji yardımıyla elde edilen hidrojen, metanol tesisinde (MPP) birleştirilmektedir ve metanol yakıtı elde edilmektedir Engineering Equation Solver (EES) kullanılarak bu talebi karşılamak için gerekli enerji miktarı ve gerekli olacak güneş paneli alanı hesaplanmış ve sonrasında metanol santralinin çevresel etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada Libya Az-Zawiya rafineri tesisi örnek olay yeri olarak seçilerek tesisin CO2 emisyonları, ısı entegrasyonu, enerji verimliliği ve termo-ekonomik performans süreçleri dikkate alınmıştır. Çalışmanın sonucunda, yenilenebilir enerji santralinin verimi %21 kabul edilerek, sentetik yakıt ve metanol tesisi verimleri sırasıyla %0,5872 ve %0,1626 elde edilmiştir. Elektrolizörün optimum yoğunluğu olan 2,2 kA/m2'de elektrolizörün verimliliği %0,782 bulunmuşltur. Bu çalışmaya göre proseste baca gazı artışı ile birlikte tüm çıkış parametrelerinin artması, baca gazının çıkışları etkileyen en önemli girdi parametresi olduğunu göstermektedir. Tesisin 30 yıllık işletimi için toplam maliyeti 11.350 milyar $ olarak bulunmuştur ve 43.360 milyon tonun üzerinde metanol üretim kapasitesi ile ton başına 412.9 $ ve kg başına 0.4129 $'a eşittir. Çevresel olarak, yakalanan emisyonların oranı günde yaklaşık 4890 ton ve azaltma oranı günde yaklaşık 4513 ton bulunmuştur. Elde edilen sonuçlara göre mevcut tesis, diğer temiz sentetik yakıt üretim tesisleri ile rekabet edebilecek durumdadır.