【摘要】：由于化石能源緊缺,價格上漲及其所引起的環(huán)境污染問題使沼氣能源的利用成為近年來研究熱點。沼氣液化能提高沼氣能量密度和燃燒特性,使其可作為清潔能源替代天然氣用于生產(chǎn)生活領(lǐng)域,同時也能解決沼氣儲存、運輸困難問題,是實現(xiàn)沼氣綜合化、規(guī)模化利用的重要技術(shù)手段。液化后的沼氣稱為生物質(zhì)LNG(Liquefied Natural Gas),然而與天然氣相比,沼氣存在甲烷含量低、二氧化碳含量高、凈化工藝不完善、液化系統(tǒng)能耗高等問題,制約著沼氣液化技術(shù)的發(fā)展。 本文在深入分析研究國內(nèi)外沼氣凈化與液化技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,研究沼氣液化制取生物質(zhì)LNG的關(guān)鍵技術(shù)問題；根據(jù)厭氧發(fā)酵理論,以黃儲玉米秸稈作為原料,研究了密閉存放的預處理方法對秸稈中纖維素和半纖維素降解率的影響,以及秸稈與其他發(fā)酵原料混合發(fā)酵對沼氣產(chǎn)量和甲烷含量的影響。基于相平衡理論,采用低溫液化冷能技術(shù),對二氧化碳的分離進行了研究；依據(jù)熱力學焓熵(?)理論,研究工藝參數(shù)對沼氣液化系統(tǒng)的(?)損失影響;在深入分析天然氣液化流程的基礎(chǔ)上,研究了沼氣液化系統(tǒng)中的工藝參數(shù)對系統(tǒng)能耗的影響；將撬裝化設(shè)計技術(shù)引入沼氣液化系統(tǒng),建立了凈化與液化耦合的沼氣液化系統(tǒng)。 以厭氧發(fā)酵理論為指導,研究了黃儲玉米秸稈密閉處理培育自然菌種提高纖維素降解的預處理方法。對玉米秸稈進行了CMC酶、木聚糖酶、濾紙酶及外切酶的酶活分析,發(fā)現(xiàn)中層秸稈酶活比底層高；對玉米秸桿分別與牛糞、污泥混合發(fā)酵進行實驗研究,得到了甲烷含量較高的發(fā)酵原料的混合比例。實驗表明黃儲玉米秸稈合理儲存既能培養(yǎng)微生物又可以降低預處理成本。 基于液化冷能技術(shù),構(gòu)建了適用于分離沼氣中二氧化碳的凈化系統(tǒng)。模擬分析了壓力和溫度對二氧化碳分離的影響規(guī)律,利用氣液相狀態(tài)方程計算了該系統(tǒng)的熱力學工藝參數(shù),結(jié)果表明該系統(tǒng)技術(shù)適合分離二氧化碳含量在20%-50%的沼氣,分離后沼氣中二氧化碳摩爾分數(shù)降至9%以下；通過實驗優(yōu)化了低溫液化分離二氧化碳的工藝條件：在壓力3.7MPa、溫度-78.5℃、流量0.8g/s條件下,沼氣中的甲烷體積分數(shù)由58.2%提高到82.8%,二氧化碳體積分數(shù)由36.4%下降到8.8%。 基于熱力學焓熵(?)理論,研究了沼氣液化系統(tǒng)的(?)變化規(guī)律。設(shè)計混合制冷劑沼氣液化流程,模擬系統(tǒng)中設(shè)備(?)損失分布,結(jié)果表明沼氣液化系統(tǒng)(?)損失最大的設(shè)備是壓縮機,其次是換熱器和冷卻器；建立小型實驗平臺,對混合制冷劑沼氣液化體系進行實驗研究,提出了沼氣液化后的閃蒸氣體預冷液化系統(tǒng)內(nèi)混合制冷劑的節(jié)能方法,實驗結(jié)果表明：采用該節(jié)能方案后,壓縮機的(?)損失減少12.2%,冷卻器的(?)損失減少27.2%,實驗證明了該方法的有效性。 基于熱力學最小能耗原理,設(shè)計氮氣膨脹、混合制冷劑兩種液化系統(tǒng),模擬得出系統(tǒng)中壓縮機、冷卻器功耗及沼氣液化率等性能參數(shù),分析了各換熱器中管路換熱負荷—溫度的分布情況,得到了多組元混合制冷劑在換熱器中相變耦合的性能曲線；研究了制冷劑級數(shù)對液化系統(tǒng)的影響,研究表明帶預冷混合制冷劑的流程能耗低于單級制冷流程能耗；分析了該流程中的各參數(shù)對壓縮機的比功耗與比冷卻水負荷影響,得到了高、低壓制冷劑的壓力、溫度、沼氣及制冷劑中組分變化等對液化系統(tǒng)比能耗的影響規(guī)律。 在深入研究小型天然氣撬裝化系統(tǒng)基礎(chǔ)上,將撬裝化與模塊化引入沼氣液化系統(tǒng),建立了凈化與液化耦合的沼氣撬裝化液化系統(tǒng)。采用低溫液化分離二氧化碳的凈化系統(tǒng)與預冷和混合制冷耦合的冷箱,得出液化系統(tǒng)的全流程節(jié)點的溫度、壓力、摩爾焓、摩爾熵、摩爾流量和氣相分數(shù)。結(jié)果表明：生物質(zhì)LNG液化率為0.9242,系統(tǒng)的能耗為0.455kWh/Nm3
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TK6

【參考文獻】

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本文編號：2687008