1.5　本書研究的意義和主要內容

由于石油、天然氣等化石燃料供應緊張，價格昂貴，且化石資源帶來諸多環境問題，尋找可替代能源的愿望日益強烈。沼氣作為清潔可再生能源的一種，成分與天然氣相近，是替代天然氣的最佳選擇。沼氣在解決節能減排、綠色環保、碳平衡循環、溫室氣體排放、環境友好與可持續發展等問題上具有巨大的優勢，因此研究沼氣替代天然氣技術對能源可持續發展有著重要的意義。

我國已經在沼氣能源發展方面做了一些探索，但目前沼氣能源行業發展過程中還存在一些問題。我國沼氣以傳統的發酵方式為主，存在浮渣多、用水量大、冬季不產氣、整體產氣量小、甲烷含量低等問題；在沼氣的利用方面，主要是以農村粗放式應用為主，夏季的沼氣產量大，不能及時利用，造成能源的浪費；在沼氣凈化方面，主要去除硫化氫為主的有害氣體后粗放式應用。

沼氣技術可將有機廢棄物轉化為高品質能源，是能源結構調整的重要組成部分。沼氣是以甲烷為主要成分的可燃氣體，沼氣液化技術先凈化沼氣，去除沼氣中不利于燃燒以及有害的氣體，然后采用低溫液化法液化成高體積密度的液體，該液體與天然氣液化后的成分略有不同，因此稱為生物質LNG。沼氣液化技術能有效提高沼氣能源密度及熱值，實現遠距離運輸的目的，液化后的沼氣用途擴大很多，作為既清潔又廉價的車用燃料、用作大中城市管道供氣的氣源、用作城市管網供氣的高峰負荷和事故調峰等。

沼氣液化制取生物質LNG對能源發展具有重要意義，本書的意義具體表現在：現有大中型企業沼氣產量小、比較分散，沼氣輸送到用戶需要耗費較長的管路，利用沼氣液化技術，在沼氣與用戶之間建立連接，達到遠距離運輸的目的；生物質LNG能量密度大、熱值高，可成為高品質的能源；生物質LNG體積密度大，便于運輸，擴大了沼氣的應用范圍；生物質LNG作為可再生能源，能實現多元化利用的目的，實現對天然氣的替代。

天然氣液化技術的開發與應用為沼氣液化提供了技術與設備的借鑒，沼氣與天然氣成分都以甲烷為主，又具有較明顯的差別，沼氣中甲烷含量低、雜質氣體含量高。因此本書根據這些問題，從厭氧發酵技術出發，研究沼氣生成過程對組分含量的影響；研究低溫液化分離二氧化碳的問題；基于沼氣液化體系能量熱力學分析法，研究降低沼氣液化系統的能耗方法。

本書以沼氣液化制取生物質LNG研究為主線，針對實際生產中存在的沼氣產量低、甲烷含量低、液化流程能耗高的問題，從秸稈干發酵技術、沼氣凈化方法、液化流程以及液化設備著手，對沼氣液化制取生物質LNG的關鍵問題進行研究。本書主要內容如下：

①以厭氧消化的四階段理論為指導，根據影響厭氧發酵的因素，由微觀機理分析秸稈厭氧關鍵影響因素，提出密閉存放黃貯玉米秸稈培養菌種以提高纖維素降解率的預處理方法，并研究此種預處理方法對黃貯玉米秸稈干發酵產生沼氣成分的影響。

②以相平衡理論為基礎進行沼氣液化制取生物質LNG的相關參數計算，為沼氣的液化提供理論數據。通過C語言編程，進行相平衡中壓縮因子和閃蒸的計算，對計算結果與實驗結果進行誤差分析，利用序貫模塊法與PR方程相結合，計算不同組分的沼氣和制冷劑的泡點和露點，為沼氣液化系統的設計提供理論數據。同時，計算沼氣和制冷劑的焓、熵數值，為沼氣液化能量?分析提供理論數據。依據液化系統中設備的運行原理，建立沼氣液化流程中設備的熱力學仿真模型，為液化系統的設計、計算及能量分析建立合理的數學仿真模型。

③構建了基于液化冷能利用技術的適用于分離沼氣中二氧化碳的凈化系統。模擬分析和實驗研究了壓力和溫度對二氧化碳分離效率的影響規律。針對沼氣中二氧化碳含量高的問題，對低溫液化分離二氧化碳氣體進行建模，設計低溫液化分離二氧化碳流程，計算低溫液化分離二氧化碳流程中的熱力學工藝參數，建立實驗裝置，低溫液化系統沼分離氣中二氧化碳的實驗研究，驗證了該系統在沼氣液化流程中的可行性。

④根據沼氣的特點，對沼氣液化模型進行優選，設計兩種沼氣液化流程，分析流程的優劣，以降低能耗為目標進行優化。根據單級、帶預冷的混合制冷劑的特點，設計單級混合制冷劑和帶預冷混合制冷劑液化流程，分析流程性能參數。以能耗和液化率作為性能指標，對帶預冷混合制冷劑液化流程參數進行詳細分析。

⑤基于熱力學理論，提出了沼氣液化后的閃蒸氣體預冷液化系統內混合制冷劑的節能方法，以熱力學焓熵?理論為指導，建立沼氣液化設備?平衡數學模型。采用序貫模塊法對整個液化流程進行模擬分析，計算設備?損失，分析流程中具有節能潛力的設備，為設備節能降耗提供依據。利用實驗的方法對液化流程進行熱力學參數測試，并與模擬結果對比，驗證模擬的正確性。

本書以氣液化制取生物質LNG為研究主線，首先制取富甲烷沼氣，根據相平衡理論計算沼氣液化中的工藝參數，研究低溫分離二氧化碳技術并進行沼氣液化流程優選，再以?理論對流程進行模擬、數值計算，以降低沼氣液化流程的能耗、選擇合理液化設備。本書結構如圖1-7所示。