沼气液化抽取生物质LNG关键技术研究

摘要

由于化石能源紧缺，价格上涨及其所引起的环境污染问题使沼气能源的利用成为近年来研究热点。沼气液化能提高沼气能量密度和燃烧特性，使其可作为清洁能源替代天然气用于生产生活领域，同时也能解决沼气储存、运输困难问题，是实现沼气综合化、规模化利用的重要技术手段。液化后的沼气称为生物质LNG（Liquefied Natural Gas），然而与天然气相比，沼气存在甲烷含量低、二氧化碳含量高、净化工艺不完善、液化系统能耗高等问题，制约着沼气液化技术的发展。
　　 本文在深入分析研究国内外沼气净化与液化技术现状的基础上，研究沼气液化制取生物质LNG的关键技术问题;根据厌氧发酵理论，以黄储玉米秸秆作为原料，研究了密闭存放的预处理方法对秸秆中纤维素和半纤维素降解率的影响，以及秸秆与其他发酵原料混合发酵对沼气产量和甲烷含量的影响。基于相平衡理论，采用低温液化冷能技术，对二氧化碳的分离进行了研究;依据热力学焓熵(炯)理论，研究工艺参数对沼气液化系统的(炯)损失影响;在深入分析天然气液化流程的基础上，研究了沼气液化系统中的工艺参数对系统能耗的影响;将撬装化设计技术引入沼气液化系统，建立了净化与液化耦合的沼气液化系统。
　　 以厌氧发酵理论为指导，研究了黄储玉米秸秆密闭处理培育自然菌种提高纤维素降解的预处理方法。对玉米秸秆进行了CMC酶、木聚糖酶、滤纸酶及外切酶的酶活分析，发现中层秸秆酶活比底层高;对玉米秸杆分别与牛粪、污泥混合发酵进行实验研究，得到了甲烷含量较高的发酵原料的混合比例。实验表明黄储玉米秸秆合理储存既能培养微生物又可以降低预处理成本。
　　 基于液化冷能技术，构建了适用于分离沼气中二氧化碳的净化系统。模拟分析了压力和温度对二氧化碳分离的影响规律，利用气液相状态方程计算了该系统的热力学工艺参数，结果表明该系统技术适合分离二氧化碳含量在20％～50％的沼气，分离后沼气中二氧化碳摩尔分数降至9％以下;通过实验优化了低温液化分离二氧化碳的工艺条件:在压力3.7MPa、温度-78.5℃、流量0.8g/s条件下，沼气中的甲烷体积分数由58.2％提高到82.8％，二氧化碳体积分数由36.4％下降到8.8％。
　　 基于热力学焓熵(炯)理论，研究了沼气液化系统的(炯)变化规律。设计混合制冷剂沼气液化流程，模拟系统中设备(炯)损失分布，结果表明沼气液化系统(炯)损失最大的设备是压缩机，其次是换热器和冷却器;建立小型实验平台，对混合制冷剂沼气液化体系进行实验研究，提出了沼气液化后的闪蒸气体预冷液化系统内混合制冷剂的节能方法，实验结果表明:采用该节能方案后，压缩机的(炯)损失减少12.2％，冷却器的(炯)损失减少27.2％，实验证明了该方法的有效性。
　　 基于热力学最小能耗原理，设计氮气膨胀、混合制冷剂两种液化系统，模拟得出系统中压缩机、冷却器功耗及沼气液化率等性能参数，分析了各换热器中管路换热负荷—温度的分布情况，得到了多组元混合制冷剂在换热器中相变耦合的性能曲线;研究了制冷剂级数对液化系统的影响，研究表明带预冷混合制冷剂的流程能耗低于单级制冷流程能耗;分析了该流程中的各参数对压缩机的比功耗与比冷却水负荷影响，得到了高、低压制冷剂的压力、温度、沼气及制冷剂中组分变化等对液化系统比能耗的影响规律。
　　 在深入研究小型天然气撬装化系统基础上，将撬装化与模块化引入沼气液化系统，建立了净化与液化耦合的沼气撬装化液化系统。采用低温液化分离二氧化碳的净化系统与预冷和混合制冷耦合的冷箱，得出液化系统的全流程节点的温度、压力、摩尔焓、摩尔熵、摩尔流量和气相分数。结果表明:生物质LNG液化率为0.9242，系统的能耗为0.455kWh/Nm3。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 沼气制取技术研究现状

1．2．1 厌氧发酵技术现状

1．2．2 秸秆干发酵技术研究现状

1．3 沼气液化制取LNG技术现状

1．3．1 沼气成分和性质

1．3．2 沼气净化研究现状

1．3．3 沼气液化研究现状

1．4 沼气液化制取生物质LNG存在的问题

1．4．1 秸秆发酵存在问题

1．4．2 沼气液化存在问题

1．5 本文研究的主要内容

第2章 沼气制取LNG关键技术及理论

2．1 沼气液化关键技术

2．1．1 厌氧发酵制备沼气技术

2．1．2 二氧化碳分离技术

2．1．3 液化系统(火用)分析

2．2 沼气及制冷剂相平衡参数计算

2．2．1 相平衡计算方程

2．2．2 相平衡压缩因子计算

2．2．3 沼气与混合制冷剂闪蒸计算

2．2．4 结果及分析

2．3 沼气与制冷剂热力学参数计算

2．3．1 沼气与及制冷剂泡、露点计算

2．3．2 结果及分析

2．3．3 制冷剂焓、熵计算

2．3．4 结果及分析

2．4 本章小结

第3章 厌氧发酵制备沼气实验研究

3．1 实验材料及方法

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验装置

3．1．4 实验参数

3．2 实验结果及分析

3．2．1 酶活结果

3．2．2 预处理前后秸秆化学成分变化

3．2．3 日产气量与累计产气量

3．2．4 混合发酵对甲烷含量的影响

3．2．5 温度及pH对沼气产量的影响

3．3 本章小结

第4章 沼气液化分离技术研究

4．1 液化系统建模

4．1．1 制冷系统建模

4．1．2 分离系统建模

4．2 二氧化碳分离系统模拟

4．2．1 方案设计

4．2．2 参数设定

4．2．3 模拟结果及分析

4．3 二氧化碳分离系统实验

4．3．1 实验原理

4．3．2 实验装置

4．3．3 实验步骤

4．3．4 实验结果及分析

4．5 本章小结

第5章 沼气液化(火用)分析及实验研究

5．1 沼气液化系统(火用)损失

5．1．1 压缩机(火用)损失

5．1．2 节流阀(火用)损失

5．1．3 物流混合器(火用)损失

5．1．4 多股流换热器(火用)损失

5．1．5 冷却器(火用)损失

5．2 沼气液化系统(火用)分析

5．2．1 原料气泡点、露点计算

5．2．2 液化系统设计

5．2．3 液化系统参数设定

5．2．4 流程热力学模拟结果

5．2．5 (火用)损失的计算结果

5．3 沼气液化(火用)损失实验研究

5．3．1 实验原理

5．3．2 实验装置

5．3．3 实验步骤

5．3．4 实验结果及分析

5．4 本章小结

第6章 沼气液化工艺优化

6．1 液化工艺优选

6．1．1 两类沼气液化工艺设计

6．1．2 优化结果及分析

6．1．3 单级与多级液化工艺设计

6．1．4 优化结果及分析

6．2 混合制冷剂液化工艺参数分析

6．2．1 高压制冷剂压力对系统性能的影响

6．2．2 低压制冷剂压力对系统性能的影响

6．2．3 沼气入口压力对系统性能的影响

6．2．4 沼气储存压力对系统性能的影响

6．2．5 沼气中甲烷含量对系统性能的影响

6．2．6 制冷剂的甲烷含量对系统性能影响

6．3 混合制冷剂液化工艺参数优化

6．3．1 目标函数及约束条件

6．3．2 变量与步长

6．3．3 优化结果及分析

6．4 本章小结

第7章 撬装化沼气液化系统研究

7．1 净化与液化耦合流程设计

7．1．1 流程设计

7．1．2 流程参数初始化

7．2 撬装化沼气液化系统设计

7．2．1 沼气出口撬装

7．2．2 分离二氧化碳撬装

7．2．3 预冷撬装

7．2．4 制冷撬装

7．2．5 冷箱撬装

7．3 液化系统计算结果

7．3．1 系统性能参数

7．3．2 冷箱性能分析

7．3．3 系统降低能耗方法

7．3．4 系统各节点参数

7．4 生物质LNG与压缩罐装CNG比较

7．5 本章小节

第8章 结论与展望

参考文献

附录

博士期间研究成果

致谢

发表论文

学位论文评阅及答辩情况表