Energy recovery using organic rankine cycle (ORC) from municipal sewage sludge as sustainable energy resource

Abstract

Bu çalışmada GASKI atıksu arıtma tesisinden çıkan atık çamurun yakılması için kurulan gerçek bir yakma tesisinin verileri kullanılarak termodinamik analizi yapılmıştır. Yakma tesisinden çıkan atık gazın sıcaklığı 279,95⁰C ve kütlesel debisi 5,258 kg/s'dir. Bu atık ısıdan yararlanabilmek için atık gazın kaynak olarak kullanıldığı bir Organik Rankine Çevrimi (ORC) tasarlanmıştır. Tasarlanan sistemde yedi farklı akışkan, dört farklı basınç oranı ve iki farklı kütlesel debi kullanılarak simulasyon yapılmıştır. Simülasyon neticesinde, sistem için en uygun akışkan n-pentan olarak tespit edilirken optimum basınç oranı 20 ve kütlesel debi de 2 kg/s olarak bulunmuştur. Bu değerler ile çalışan n-pentan sisteminde üretilen net iş (elektrik) 198,68 kW, sistemin toplam ekserji verimi de %44,6 olarak bulunmuştur. Üretilen işe (elektriğe) ek olarak sistemde 60⁰C de 6,576 kg/s kütlesel debide sıcak su üretimi gözlenmiştir.

In this study, thermodynamic analysis of the wastewater sludge incineration plant established for incineration of waste sludge from GASKI wastewater treatment plant is performed based on plant actual data. The temperature of the waste gas from the combustion plant is 279.95 ⁰C and the mass flow rate is 5.258 kg/s. In order to use this waste heat, an organic Rankine cycle (ORC) is designed in which the waste gas was used as a source. In the designed system, seven different working fluids are simulated using four different pressure ratios and two different mass flow rates. The most suitable fluid for the system as a result of simulation is found to be n-pentane. The pressure ratio is 20 and the mass flow rate is 2 kg/s. The net work (electricity) produced in the n-pentane system operating with these values is 198.68 kW. The exergetic efficiency of the system is 44.59%. In addition to this work, hot water production is found in the system at a mass flow rate of 6.576 kg/h at 60⁰C.