餐廚垃圾制沼及膜法沼氣提純一體化系統(tǒng)設計及理論研究

【摘要】：全球每年消費能源總量的85%以上來自于煤炭、石油與天然氣三種主要化石燃料。據專家估計,按現在的能源消費速度,全球石油、天然氣、煤炭現有蘊藏量分別只能再開采大約四十多年、六十多年和二百多年。由此可見,人類生產和生活所依賴的主要化石能源日趨枯竭,急需發(fā)展各種新能源來補充。同時,我國使用化石燃料的C02排放總量已居全球之首,這與我國確立的清潔發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展和和諧發(fā)展的方針嚴重相悖。另外,我國是一個人口大國,也是一個餐飲消費大國,每年有數億噸的餐廚垃圾需要進行科學利用和無害化處理。因此,研究和發(fā)展將餐廚垃圾沼氣化、進而制成天然氣級的提純沼氣,一舉實現垃圾的科學處理和資源化,彌補我國能源不足,具有重要的現實意義、環(huán)保意義和能源戰(zhàn)略意義。 普通沼氣熱值比較低,且含有大量C02和其他的無用成分,因此,很難作為工業(yè)能源進行銷售和使用,其市場基本限定在農村生活領域。 本文針對我國能源短缺、餐廚垃圾需要科學處理、普通沼氣品味低、不能進入工業(yè)領域應用的現實情況,研究和探討了：基于氣體分離膜的沼氣除雜、提純技術,以豐富的餐廚垃圾為原料的制沼及沼氣除雜、提純一體化方法和相關理論,以及其技術系統(tǒng)如何實現等相關問題,并做了以下主要研究工作： 提出并設計了一種基于兩相厭氧發(fā)酵制沼和以膜分離C02為主的餐廚垃圾制沼及沼氣提純一體化技術系統(tǒng),并對其中的主要裝置進行了設計與理論分析； 在深入研究和探討氣體分離用膜材料、分離機理、主要特性、組件構造方法及特點的基礎上,制作出了適用于高效去除沼氣中CO2的膜組件,研究、提出了基于該膜組件的單級膜沼氣提純的工藝流程和實施方案,經實驗室沼氣提純試驗研究表明,采用適當的膜材料制造膜組件并按本文提出的流程構建沼氣提純技術系統(tǒng)是可行的。 利用本文所構建的沼氣提純系統(tǒng)進行沼氣提純試驗研究發(fā)現：當膜組件進口壓力在0.2～0.8 Mpa范圍內,隨著膜壓力的增加,滲余氣側C02的含量呈逐漸下降趨勢,CH4的含量呈逐漸升高趨勢；當膜組件進口壓力增至0.6 MPa時,CH4的含量達到81.99%；當壓力增至0.8 MPa時,CH4的含量可達到83.90%。這意味著在單級膜組件的條件下,當膜組件的入口壓力在0.6MPa以上時,即可獲得CH4含量為80%以上的提純沼氣。 在分析我國餐廚垃圾主要成分和主要元素含量的基礎上,推導出了我國餐廚垃圾的近似分子式,進而根據巴斯維爾-穆勒(Buswell-Mualler)公式估算了單位餐廚垃圾的可能產氣量和可能經濟效益,同時探討了用沼渣、沼液制沼肥的可能經濟效益和提純沼氣的效益。分析結果表明餐廚垃圾中蘊含了大量的生物質能源,用餐廚垃圾制沼并進行提純,具有重要意義和推廣應用前景,可為保障我國能源安全提供一定支持和幫助。 確定出了餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵制沼與膜分離提純中試系統(tǒng)的工藝路線和總體方案,進行了厭氧發(fā)酵工藝和發(fā)酵罐選擇；設計了產酸發(fā)酵罐與產甲烷發(fā)酵罐及其攪拌裝置；對其中的低壓儲氣罐進行了理論分析和設計。 本論文研究結果,可為在我國利用餐廚垃圾規(guī)?；a沼氣、并一舉將所生產的沼氣提純成具有工業(yè)應用價值的天然氣級新能源產品提供了可行的方法、可參考的數據、產業(yè)化開發(fā)的思路和借鑒。 【關鍵詞】：沼氣 提純 膜分離 餐廚垃圾
【學位授予單位】：東北林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 1 緒論14-26
• 1.1 課題背景14-15
• 1.1.1 問題的提出14-15
• 1.1.2 研究的目的與意義15
• 1.2 沼氣提純研究現狀15-20
• 1.2.1 沼氣提純概述15-16
• 1.2.2 沼氣脫碳技術研究現狀16-17
• 1.2.3 沼氣脫水技術研究現狀17-18
• 1.2.4 沼氣脫硫技術研究現狀18-20
• 1.3 餐廚垃圾處理現狀20-22
• 1.4 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵研究現狀22-24
• 1.4.1 厭氧發(fā)酵工藝研究現狀22-23
• 1.4.2 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵研究現狀23-24
• 1.4.3 沼氣發(fā)酵裝置研究現狀24
• 1.5 本研究的主要內容及目標24-26
• 1.5.1 本研究的主要研究內容24-25
• 1.5.2 本研究的目標25-26
• 2 基于膜提純沼氣技術研究26-38
• 2.1 沼氣提純系統(tǒng)工藝流程26-32
• 2.1.1 脫氨裝置26
• 2.1.2 脫水裝置26
• 2.1.3 脫硫裝置26-27
• 2.1.4 脫氧裝置27
• 2.1.5 氣體分離膜分離機理27
• 2.1.6 非多孔均質膜的溶解擴散機理27-28
• 2.1.7 多孔膜的透過擴散機理28-29
• 2.1.8 氣體在復合膜中滲透29
• 2.1.9 氣體分離膜的主要特性參數29-31
• 2.1.10 氣體分離膜材料31-32
• 2.2 氣體分離膜組件簡介32-34
• 2.2.1 平板式32
• 2.2.2 螺旋卷式32-33
• 2.2.3 中空纖維式33-34
• 2.3 膜分離主裝置設計及膜用量計算34-37
• 2.3.1 中空纖維式膜分離主裝置流型選取與設計34-36
• 2.3.2 膜用量計算36-37
• 2.4 本章小結37-38
• 3 餐廚垃圾制沼提純系統(tǒng)及主裝置設計38-53
• 3.1 兩相厭氧發(fā)酵制沼提純系統(tǒng)的總工藝流程38-39
• 3.2 兩相式制沼提純系統(tǒng)的主裝置設計39-47
• 3.2.1 發(fā)酵罐的結構設計39-41
• 3.2.2 攪拌裝置設計41-46
• 3.2.3 中試二級膜組件46-47
• 3.3 低壓儲氣罐設計與有限元分析47-51
• 3.3.1 低壓儲氣罐的技術特性48-49
• 3.3.2 低壓儲氣罐的結構設計49-50
• 3.3.3 低壓儲氣罐的結構分析50-51
• 3.4 本章小結51-53
• 4 餐廚垃圾特性及制沼效益評價53-59
• 4.1 餐廚垃圾性質53-54
• 4.1.1 餐廚垃圾成分分析53
• 4.1.2 餐廚垃圾的危害性53-54
• 4.1.3 餐廚垃圾的資源性54
• 4.2 餐廚垃圾制沼經濟效益評價54-57
• 4.2.1 餐廚垃圾的分子式確定54
• 4.2.2 產氣量估算54-55
• 4.2.3 沼氣產出效益評價55
• 4.2.4 沼渣沼液制肥效益評價55-56
• 4.2.5 沼氣提純?yōu)樘烊粴饧壵託庑б?/span>56-57
• 4.3 餐廚垃圾資源化制沼的環(huán)境與社會效益分析57
• 4.3.1 環(huán)境效益57
• 4.3.2 社會效益57
• 4.4 本章小結57-59
• 5 厭氧發(fā)酵機理與厭氧發(fā)酵影響因素59-72
• 5.1 厭氧發(fā)酵機理59-63
• 5.1.1 厭氧生物降解的基本過程59-61
• 5.1.2 厭氧發(fā)酵生化反應動力學61-62
• 5.1.3 非產甲烷細菌和產甲烷細菌之間的相互關系62-63
• 5.2 兩相厭氧發(fā)酵制沼系統(tǒng)工藝流程63-66
• 5.2.1 發(fā)酵工藝選擇63
• 5.2.2 發(fā)酵罐流態(tài)選擇63-64
• 5.2.3 兩相厭氧發(fā)酵制沼系統(tǒng)的基本流程64-66
• 5.3 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵影響因素66-71
• 5.3.1 餐廚垃圾的性質66
• 5.3.2 pH值66-67
• 5.3.3 溫度67-68
• 5.3.4 揮發(fā)酸(VFA)68
• 5.3.5 氧化還原電位68-69
• 5.3.6 容積負荷率69
• 5.3.7 水力停留時間(HTR)69-70
• 5.3.8 抑制物70
• 5.3.9 攪拌70-71
• 5.4 本章小結71-72
• 6 膜組件提純沼氣試驗研究72-85
• 6.1 沼氣提純試驗方案設計72-80
• 6.1.1 試驗溫度73
• 6.1.2 試驗壓力73
• 6.1.3 氣體組分的測定73-75
• 6.1.4 膜提純沼氣試驗步驟75-80
• 6.2 一級膜提純沼氣試驗及結果80-83
• 6.2.1 標準樣氣和沼氣原氣80
• 6.2.2 標準樣氣、沼氣原氣和提純氣各氣體組分的體積百分數80-81
• 6.2.3 不同壓力下配制氣膜組件分離試驗81-83
• 6.3 試驗結果分析83
• 6.4 本章小結83-85
• 結論85-87
• 參考文獻87-94
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文94-95
• 致謝95-96
• 個人簡歷96-97

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蘇州市餐廚垃圾管理實現模式創(chuàng)新    何晟;李世昌;王香治;

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對城市餐廚垃圾處理的思考    李少華;

北京市開展餐廚垃圾排放登記試點工作    

無害化處理餐廚垃圾    黃南偉;

餐廚垃圾變廢為寶    北;

關于餐廚垃圾車的市場調查    韓林;

參觀斯德哥爾摩市餐廚垃圾設備有感    許煥崗;

關于省十一屆人大一次會議第1143號代表重點建議的督辦報告    

關于我國餐廚垃圾處理的探究    王陽;林聰;侯雨;張倬;

餐廚垃圾管理立法問題研究    李愛年;劉愛良;

餐廚垃圾綜合治理必須立法    

我國餐廚垃圾管理現狀、問題及對策研究    陳建平;王文華;

餐廚垃圾液化制取生物燃料    張付申;劉振剛;

餐廚垃圾厭氧消化及綜合利用技術    沈劍山;顏曉英;蔣宏華;

我國餐廚垃圾處理技術淺析    魏世鋒;

餐廚垃圾與污泥比例對聯(lián)合發(fā)酵產沼氣的影響    趙云飛;劉曉玲;李十中;阮文權;劉建雙;田夢;

礦化垃圾作用下餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產氫試驗研究    曹先艷;袁玉玉;趙由才;

果蔬與餐廚垃圾混合厭氧消化產氣性能    呂琛;袁海榮;王奎升;朱保寧;劉研萍;李秀金;

餐廚垃圾：統(tǒng)一集中“變廢為寶”還需多方努力    奚冬琪

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6000萬噸餐廚垃圾何處去    本報記者 王淑芬　王婷婷

市環(huán)衛(wèi)處擴展迎賓大道餐廚垃圾集中收集處置    記者 強國峰

北京部署餐廚垃圾排放登記工作    記者 胡春明

北京朝陽試點餐廚垃圾建檔    王惜純

北京朝陽區(qū)將為餐廚垃圾建“檔案”    記者 劉浦泉

政企聯(lián)動 集中處理餐廚垃圾    本報記者 鄭雪

烏市擬建餐廚垃圾處理生產線    馬敏

餐廚垃圾制沼及膜法沼氣提純一體化系統(tǒng)設計及理論研究    尼姝麗

利用大頭金蠅幼蟲生物轉化餐廚垃圾的研究    胡新軍

以菌糠為調理劑的餐廚垃圾好氧堆肥技術及其機制研究    鄒德勛

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餐廚垃圾厭氧消化影響因素及動力學研究    吳云

餐廚垃圾同步糖化發(fā)酵產乳酸與雙水相分離    葉志隆

厭氧發(fā)酵體系內小分子底物調控的研究    王慶峰

餐廚廢物回收利用管理研究    王莉

膜蒸餾的傳遞機理及膜組件優(yōu)化研究    閻建民

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餐廚垃圾制沼新工藝及裝備研究    尹籽深

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利用餐廚垃圾生產乳酸和富馬酸的探索研究    林衛(wèi)營

烏魯木齊市餐廚垃圾處理行業(yè)市場分析    嚴雨薇

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成都市餐廚垃圾處置方式優(yōu)化選擇研究    孟勤憲

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廣州市餐廚垃圾的資源化利用研究    沈超青