沼氣液化制取生物質(zhì)LNG關(guān)鍵技術(shù)研究

【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)?；玫闹匾夹g(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(yù)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?；谙嗥胶饫碚?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(xué)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(dǎo),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(yù)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(yù)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(xué)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(xué)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(yù)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(xué)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(yù)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(yù)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 【關(guān)鍵詞】：生物質(zhì)LNG 凈化 分離 液化 (?)損失
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TK6
【目錄】：

• 摘要14-16
• Abstract16-19
• 第1章 緒論19-35
• 1.1 課題研究背景和意義19-20
• 1.2 沼氣制取技術(shù)研究現(xiàn)狀20-23
• 1.2.1 厭氧發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)狀20-22
• 1.2.2 秸稈干發(fā)酵技術(shù)研究現(xiàn)狀22-23
• 1.3 沼氣液化制取LNG技術(shù)現(xiàn)狀23-31
• 1.3.1 沼氣成分和性質(zhì)23-25
• 1.3.2 沼氣凈化研究現(xiàn)狀25-28
• 1.3.3 沼氣液化研究現(xiàn)狀28-31
• 1.4 沼氣液化制取生物質(zhì)LNG存在的問題31-32
• 1.4.1 秸稈發(fā)酵存在問題31-32
• 1.4.2 沼氣液化存在問題32
• 1.5 本文研究的主要內(nèi)容32-35
• 第2章 沼氣制取LNG關(guān)鍵技術(shù)及理論35-59
• 2.1 沼氣液化關(guān)鍵技術(shù)35-40
• 2.1.1 厭氧發(fā)酵制備沼氣技術(shù)35-38
• 2.1.2 二氧化碳分離技術(shù)38-39
• 2.1.3 液化系統(tǒng)分析39-40
• 2.2 沼氣及制冷劑相平衡參數(shù)計算40-51
• 2.2.1 相平衡計算方程41-46
• 2.2.2 相平衡壓縮因子計算46-47
• 2.2.3 沼氣與混合制冷劑閃蒸計算47-49
• 2.2.4 結(jié)果及分析49-51
• 2.3 沼氣與制冷劑熱力學(xué)參數(shù)計算51-57
• 2.3.1 沼氣與及制冷劑泡、露點計算51
• 2.3.2 結(jié)果及分析51-54
• 2.3.3 制冷劑焓、熵計算54-57
• 2.3.4 結(jié)果及分析57
• 2.4 本章小結(jié)57-59
• 第3章 厭氧發(fā)酵制備沼氣實驗研究59-73
• 3.1 實驗材料及方法59-65
• 3.1.1 實驗原料59-60
• 3.1.2 實驗裝置60-63
• 3.1.4 實驗參數(shù)63-65
• 3.2 實驗結(jié)果及分析65-71
• 3.2.1 酶活結(jié)果65
• 3.2.2 預(yù)處理前后秸稈化學(xué)成分變化65-67
• 3.2.3 日產(chǎn)氣量與累計產(chǎn)氣量67-69
• 3.2.4 混合發(fā)酵對甲烷含量的影響69-70
• 3.2.5 溫度及pH對沼氣產(chǎn)量的影響70-71
• 3.3 本章小結(jié)71-73
• 第4章 沼氣液化分離技術(shù)研究73-87
• 4.1 液化系統(tǒng)建模73-76
• 4.1.1 制冷系統(tǒng)建模73-75
• 4.1.2 分離系統(tǒng)建模75-76
• 4.2 二氧化碳分離系統(tǒng)模擬76-80
• 4.2.1 方案設(shè)計76-77
• 4.2.2 參數(shù)設(shè)定77-78
• 4.2.3 模擬結(jié)果及分析78-80
• 4.3 二氧化碳分離系統(tǒng)實驗80-86
• 4.3.1 實驗原理80
• 4.3.2 實驗裝置80-82
• 4.3.3 實驗步驟82
• 4.3.4 實驗結(jié)果及分析82-86
• 4.5 本章小結(jié)86-87
• 第5章 沼氣液化(?)分析及實驗研究87-99
• 5.1 沼氣液化系統(tǒng)(?)損失87-90
• 5.1.1 壓縮機炯損失89
• 5.1.2 節(jié)流閥炯損失89
• 5.1.3 物流混合器炯損失89
• 5.1.4 多股流換熱器炯損失89-90
• 5.1.5 冷卻器(?)損失90
• 5.2 沼氣液化系統(tǒng)(?)分析90-93
• 5.2.1 原料氣泡點、露點計算90-91
• 5.2.2 液化系統(tǒng)設(shè)計91-92
• 5.2.3 液化系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定92
• 5.2.4 流程熱力學(xué)模擬結(jié)果92
• 5.2.5 (?)損失的計算結(jié)果92-93
• 5.3 沼氣液化燦損失實驗研究93-96
• 5.3.1 實驗原理93
• 5.3.2 實驗裝置93-94
• 5.3.3 實驗步驟94-95
• 5.3.4 實驗結(jié)果及分析95-96
• 5.4 本章小結(jié)96-99
• 第6章 沼氣液化工藝優(yōu)化99-119
• 6.1 液化工藝優(yōu)選99-109
• 6.1.1 兩類沼氣液化工藝設(shè)計99-101
• 6.1.2 優(yōu)化結(jié)果及分析101-104
• 6.1.3 單級與多級液化工藝設(shè)計104-106
• 6.1.4 優(yōu)化結(jié)果及分析106-109
• 6.2 混合制冷劑液化工藝參數(shù)分析109-113
• 6.2.1 高壓制冷劑壓力對系統(tǒng)性能的影響109-110
• 6.2.2 低壓制冷劑壓力對系統(tǒng)性能的影響110-111
• 6.2.3 沼氣入口壓力對系統(tǒng)性能的影響111
• 6.2.4 沼氣儲存壓力對系統(tǒng)性能的影響111-112
• 6.2.5 沼氣中甲烷含量對系統(tǒng)性能的影響112
• 6.2.6 制冷劑的甲烷含量對系統(tǒng)性能影響112-113
• 6.3 混合制冷劑液化工藝參數(shù)優(yōu)化113-118
• 6.3.1 目標函數(shù)及約束條件113-114
• 6.3.2 變量與步長114
• 6.3.3 優(yōu)化結(jié)果及分析114-118
• 6.4 本章小結(jié)118-119
• 第7章 撬裝化沼氣液化系統(tǒng)研究119-129
• 7.1 凈化與液化耦合流程設(shè)計119-121
• 7.1.1 流程設(shè)計119-121
• 7.1.2 流程參數(shù)初始化121
• 7.2 撬裝化沼氣液化系統(tǒng)設(shè)計121-123
• 7.2.1 沼氣出口撬裝122
• 7.2.2 分離二氧化碳撬裝122
• 7.2.3 預(yù)冷撬裝122
• 7.2.4 制冷撬裝122-123
• 7.2.5 冷箱撬裝123
• 7.3 液化系統(tǒng)計算結(jié)果123-127
• 7.3.1 系統(tǒng)性能參數(shù)123-124
• 7.3.2 冷箱性能分析124-125
• 7.3.3 系統(tǒng)降低能耗方法125
• 7.3.4 系統(tǒng)各節(jié)點參數(shù)125-127
• 7.4 生物質(zhì)LNG與壓縮罐裝CNG比較127
• 7.5 本章小結(jié)127-129
• 第8章 結(jié)論與展望129-133
• 參考文獻133-143
• 附錄143-145
• 博士期間研究成果145-147
• 致謝147-149
• 發(fā)表論文149-168
• 附件168

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液化天然氣冷能利用技術(shù)研究及其過程分析    邊海軍

LNG冷能利用與低溫半導(dǎo)體溫差發(fā)電研究    賈磊

大型液化天然氣船超低溫作用下結(jié)構(gòu)安全問題研究    丁仕風

天然氣儲運關(guān)鍵技術(shù)研究及技術(shù)經(jīng)濟分析    劉建輝

寒區(qū)沼氣生物強化發(fā)酵關(guān)鍵技術(shù)研究    王大蔚

農(nóng)戶采納沼氣技術(shù)影響因素分析    盛穎慧

液化天然氣（LNG）冷能回收及應(yīng)用研究    王竹筠

沼氣技術(shù)在欠發(fā)達地區(qū)應(yīng)用研究    劉漣淮

四川省農(nóng)村戶用沼氣可持續(xù)發(fā)展研究    周了

成達公司液化天然氣（LNG）戰(zhàn)略選擇    劉利

小型LNG船液罐儲運方案中的傳熱與升壓過程研究    肖時雄

液化天然氣（LNG）冷能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化研究    楊紅昌

LNG船安全系統(tǒng)設(shè)計研究    王德云

預(yù)應(yīng)力LNG儲罐在地震作用下的流固耦合數(shù)值模擬    杜顯赫