城市有机废弃物制生物天然气潜力及并网优化

摘要

全球化石能源消耗的持续攀升在引起能源危机的同时也给环境、气候带来了严峻挑战。加快能源系统的绿色低碳化转型是未来能源发展的必然要求。采用厌氧消化技术将有机废弃物转化为为沼气、再经过净化和提纯得到生物天然气，一方面实现了废弃资源的回收利用，另一方面，生物天然气可作为常规天然气的补充，提高能源系统中可再生能源的比重。本文旨在量化分析各类城市有机废弃物制生物天然气的潜力以及论证利用天然气压力能实现提纯及并网的可行性，主要研究内容及结论如下：　　①提出了各类城市有机废弃物制生物天然气潜力的估算方法，旨在对各类废弃物原料中可回收利用的能源进行量化分析。　　②提出了压力能低温分离法提纯工艺，即在具有调压功能的天然气场站内利用膨胀机将压力能转化为机械能及冷能，冷能用于提纯沼气，机械能用于发电。采用HYSYS软件对压力能低温分离法提纯沼气的工艺进行了计算，结果表明该方法能够将生物天然气中甲烷含量提升到95%以上。该工艺最大沼气处理量随天然气的进口压力、甲烷含量、流量和沼气来气压力的增加而增加，随天然气出口压力的增加而减少。工艺流程中各单元中，换热器和膨胀机是造成总?损失的主要设备。　　③采用在线生命周期评价系统eFootprint对加压水洗法、化学吸收法、变压吸附法、膜分离法、传统低温分离法和压力能低温分离法进行了生命周期评价。结果表明压力能低温分离法的初级能源消耗和水资源消耗远低于常用的提纯方法；气候变化与变压吸附法基本持平，低于膜分离法、传统低温分离法、化学吸收法和加压水洗法。　　④以典型的工业城市——常熟市作为研究案例，实地调研获得原料数据，研究结果表明：常熟市可规模化利用的生物天然气潜力到达2018年年用气量的11.96%。常熟市各场站能够回收的压力?可达3.11×105kJ，可提纯的沼气量约为1.15×106m3/d。对目前可集中原料产生的61215m3/d的沼气，供气量最大的谢桥门站的压力?能够实现沼气提纯和生物天然气并网，且经济、环境效益显著。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 我国能源形势及发展生物天然气的意义

1.1.2 天然气压力能的利用

1.1.3 全生命周期评价

1.2 国内外研究现状

1.2.1 生物天然气利用研究现状

1.2.2 提纯技术国内外研究现状

1.2.3 生物天然气 LCA研究现状

1.2.4 天然气压力能利用现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究目标

2 城市有机废弃物制生物天然气潜力估算

2.1 城市有机废弃物处理概况

2.1.1 城市生活污水和工业有机废水

2.1.2 城市固体废弃物

2.1.3 农作物秸秆

2.1.4 畜禽粪便

2.2 不同原料生物天然气产气潜力分析

2.2.1 原料特性指标

2.2.2 污水处理厂污泥

2.2.3 工业有机废水

2.2.4 城市固体废物

2.2.5 农业废弃物

2.3 本章小结

3 生物天然气并入天然气管网的气质要求及提纯技术优化

3.1.1 热值和华白数

3.1.2 甲烷

3.1.3 总硫、硫化氢和二氧化碳

3.1.4 氧气、氢气和水露点

3.2.1 脱水技术

3.2.2 脱硫技术

3.2.3 其它杂质的脱除

3.3 常用的提纯技术

3.3.1 物理吸收法

3.3.2 化学吸收法

3.3.3 变压吸附法

3.3.4 膜分离法

3.3.5 低温分离法

3.4 压力能低温分离法制取生物天然气

3.4.1 压力能低温分离法工艺流程

3.4.2 压力能低温分离法的原理与工艺计算方法

3.4.3 关键工艺参数的优化

3.4.4 压力能低温分离法案例分析

3.4.5 各参数对最大沼气处理量的影响分析

3.5 本章小结

4 提纯过程的生命周期评价

4.1.1 目标定义

4.1.2 范围定义

4.2 数据收集

4.2.1 过程基本信息

4.2.2 数据代表性

4.3.1 LCA结果

4.3.2 过程累积贡献分析

4.3.3 清单数据灵敏度分析

4.4.1 假设与局限性说明

4.4.2 完整性说明

4.4.3 数据质量评估结果

4.5 本章小结

5 案例分析

5.1 常熟市生物天然气潜力估算

5.1.1 污水处理厂污泥生物天然气潜力

5.1.2 工厂有机废水生物天然气潜力

5.1.3 生活垃圾生物天然气潜力

5.1.4 厨余垃圾制生物天然气潜力

5.1.5 农作物剩余物制生物天然气潜力

5.1.6 常熟市畜禽粪便制生物天然气潜力

5.1.7 常熟市生物天然气潜力汇总

5.2.1 常熟市燃气管网压力能计算

5.2.2 常熟市生物天然气制取和并网方案

5.2.3 常熟市生物天然气并网利用的环境和社会效益

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 附表

C. 学位论文数据集

致谢