餐厨垃圾制沼及膜法沼气提纯一体化系统设计及理论研究

论文摘要

全球每年消费能源总量的85%以上来自于煤炭、石油与天然气三种主要化石燃料。据专家估计,按现在的能源消费速度,全球石油、天然气、煤炭现有蕴藏量分别只能再开采大约四十多年、六十多年和二百多年。由此可见,人类生产和生活所依赖的主要化石能源日趋枯竭,急需发展各种新能源来补充。同时,我国使用化石燃料的C02排放总量已居全球之首,这与我国确立的清洁发展、可持续发展和和谐发展的方针严重相悖。另外,我国是一个人口大国,也是一个餐饮消费大国,每年有数亿吨的餐厨垃圾需要进行科学利用和无害化处理。因此,研究和发展将餐厨垃圾沼气化、进而制成天然气级的提纯沼气,一举实现垃圾的科学处理和资源化,弥补我国能源不足,具有重要的现实意义、环保意义和能源战略意义。普通沼气热值比较低,且含有大量C02和其他的无用成分,因此,很难作为工业能源进行销售和使用,其市场基本限定在农村生活领域。本文针对我国能源短缺、餐厨垃圾需要科学处理、普通沼气品味低、不能进入工业领域应用的现实情况,研究和探讨了：基于气体分离膜的沼气除杂、提纯技术,以丰富的餐厨垃圾为原料的制沼及沼气除杂、提纯一体化方法和相关理论,以及其技术系统如何实现等相关问题,并做了以下主要研究工作：提出并设计了一种基于两相厌氧发酵制沼和以膜分离C02为主的餐厨垃圾制沼及沼气提纯一体化技术系统,并对其中的主要装置进行了设计与理论分析；在深入研究和探讨气体分离用膜材料、分离机理、主要特性、组件构造方法及特点的基础上,制作出了适用于高效去除沼气中CO2的膜组件,研究、提出了基于该膜组件的单级膜沼气提纯的工艺流程和实施方案,经实验室沼气提纯试验研究表明,采用适当的膜材料制造膜组件并按本文提出的流程构建沼气提纯技术系统是可行的。利用本文所构建的沼气提纯系统进行沼气提纯试验研究发现：当膜组件进口压力在0.2～0.8 Mpa范围内,随着膜压力的增加,渗余气侧C02的含量呈逐渐下降趋势,CH4的含量呈逐渐升高趋势；当膜组件进口压力增至0.6 MPa时,CH4的含量达到81.99%；当压力增至0.8 MPa时,CH4的含量可达到83.90%。这意味着在单级膜组件的条件下,当膜组件的入口压力在0.6MPa以上时,即可获得CH4含量为80%以上的提纯沼气。在分析我国餐厨垃圾主要成分和主要元素含量的基础上,推导出了我国餐厨垃圾的近似分子式,进而根据巴斯维尔-穆勒（Buswell-Mualler）公式估算了单位餐厨垃圾的可能产气量和可能经济效益,同时探讨了用沼渣、沼液制沼肥的可能经济效益和提纯沼气的效益。分析结果表明餐厨垃圾中蕴含了大量的生物质能源,用餐厨垃圾制沼并进行提纯,具有重要意义和推广应用前景,可为保障我国能源安全提供一定支持和帮助。确定出了餐厨垃圾两相厌氧发酵制沼与膜分离提纯中试系统的工艺路线和总体方案,进行了厌氧发酵工艺和发酵罐选择；设计了产酸发酵罐与产甲烷发酵罐及其搅拌装置；对其中的低压储气罐进行了理论分析和设计。本论文研究结果,可为在我国利用餐厨垃圾规模化生产沼气、并一举将所生产的沼气提纯成具有工业应用价值的天然气级新能源产品提供了可行的方法、可参考的数据、产业化开发的思路和借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的目的与意义
• 1.2 沼气提纯研究现状
• 1.2.1 沼气提纯概述
• 1.2.2 沼气脱碳技术研究现状
• 1.2.3 沼气脱水技术研究现状
• 1.2.4 沼气脱硫技术研究现状
• 1.3 餐厨垃圾处理现状
• 1.4 餐厨垃圾厌氧发酵研究现状
• 1.4.1 厌氧发酵工艺研究现状
• 1.4.2 餐厨垃圾厌氧发酵研究现状
• 1.4.3 沼气发酵装置研究现状
• 1.5 本研究的主要内容及目标
• 1.5.1 本研究的主要研究内容
• 1.5.2 本研究的目标
• 2 基于膜提纯沼气技术研究
• 2.1 沼气提纯系统工艺流程
• 2.1.1 脱氨装置
• 2.1.2 脱水装置
• 2.1.3 脱硫装置
• 2.1.4 脱氧装置
• 2.1.5 气体分离膜分离机理
• 2.1.6 非多孔均质膜的溶解扩散机理
• 2.1.7 多孔膜的透过扩散机理
• 2.1.8 气体在复合膜中渗透
• 2.1.9 气体分离膜的主要特性参数
• 2.1.10 气体分离膜材料
• 2.2 气体分离膜组件简介
• 2.2.1 平板式
• 2.2.2 螺旋卷式
• 2.2.3 中空纤维式
• 2.3 膜分离主装置设计及膜用量计算
• 2.3.1 中空纤维式膜分离主装置流型选取与设计
• 2.3.2 膜用量计算
• 2.4 本章小结
• 3 餐厨垃圾制沼提纯系统及主装置设计
• 3.1 两相厌氧发酵制沼提纯系统的总工艺流程
• 3.2 两相式制沼提纯系统的主装置设计
• 3.2.1 发酵罐的结构设计
• 3.2.2 搅拌装置设计
• 3.2.3 中试二级膜组件
• 3.3 低压储气罐设计与有限元分析
• 3.3.1 低压储气罐的技术特性
• 3.3.2 低压储气罐的结构设计
• 3.3.3 低压储气罐的结构分析
• 3.4 本章小结
• 4 餐厨垃圾特性及制沼效益评价
• 4.1 餐厨垃圾性质
• 4.1.1 餐厨垃圾成分分析
• 4.1.2 餐厨垃圾的危害性
• 4.1.3 餐厨垃圾的资源性
• 4.2 餐厨垃圾制沼经济效益评价
• 4.2.1 餐厨垃圾的分子式确定
• 4.2.2 产气量估算
• 4.2.3 沼气产出效益评价
• 4.2.4 沼渣沼液制肥效益评价
• 4.2.5 沼气提纯为天然气级沼气效益
• 4.3 餐厨垃圾资源化制沼的环境与社会效益分析
• 4.3.1 环境效益
• 4.3.2 社会效益
• 4.4 本章小结
• 5 厌氧发酵机理与厌氧发酵影响因素
• 5.1 厌氧发酵机理
• 5.1.1 厌氧生物降解的基本过程
• 5.1.2 厌氧发酵生化反应动力学
• 5.1.3 非产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系
• 5.2 两相厌氧发酵制沼系统工艺流程
• 5.2.1 发酵工艺选择
• 5.2.2 发酵罐流态选择
• 5.2.3 两相厌氧发酵制沼系统的基本流程
• 5.3 餐厨垃圾厌氧发酵影响因素
• 5.3.1 餐厨垃圾的性质
• 5.3.2 pH值
• 5.3.3 温度
• 5.3.4 挥发酸（VFA）
• 5.3.5 氧化还原电位
• 5.3.6 容积负荷率
• 5.3.7 水力停留时间（HTR）
• 5.3.8 抑制物
• 5.3.9 搅拌
• 5.4 本章小结
• 6 膜组件提纯沼气试验研究
• 6.1 沼气提纯试验方案设计
• 6.1.1 试验温度
• 6.1.2 试验压力
• 6.1.3 气体组分的测定
• 6.1.4 膜提纯沼气试验步骤
• 6.2 一级膜提纯沼气试验及结果
• 6.2.1 标准样气和沼气原气
• 6.2.2 标准样气、沼气原气和提纯气各气体组分的体积百分数
• 6.2.3 不同压力下配制气膜组件分离试验
• 6.3 试验结果分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历