1.5　本书研究的意义和主要内容

由于石油、天然气等化石燃料供应紧张，价格昂贵，且化石资源带来诸多环境问题，寻找可替代能源的愿望日益强烈。沼气作为清洁可再生能源的一种，成分与天然气相近，是替代天然气的最佳选择。沼气在解决节能减排、绿色环保、碳平衡循环、温室气体排放、环境友好与可持续发展等问题上具有巨大的优势，因此研究沼气替代天然气技术对能源可持续发展有着重要的意义。

我国已经在沼气能源发展方面做了一些探索，但目前沼气能源行业发展过程中还存在一些问题。我国沼气以传统的发酵方式为主，存在浮渣多、用水量大、冬季不产气、整体产气量小、甲烷含量低等问题；在沼气的利用方面，主要是以农村粗放式应用为主，夏季的沼气产量大，不能及时利用，造成能源的浪费；在沼气净化方面，主要去除硫化氢为主的有害气体后粗放式应用。

沼气技术可将有机废弃物转化为高品质能源，是能源结构调整的重要组成部分。沼气是以甲烷为主要成分的可燃气体，沼气液化技术先净化沼气，去除沼气中不利于燃烧以及有害的气体，然后采用低温液化法液化成高体积密度的液体，该液体与天然气液化后的成分略有不同，因此称为生物质LNG。沼气液化技术能有效提高沼气能源密度及热值，实现远距离运输的目的，液化后的沼气用途扩大很多，作为既清洁又廉价的车用燃料、用作大中城市管道供气的气源、用作城市管网供气的高峰负荷和事故调峰等。

沼气液化制取生物质LNG对能源发展具有重要意义，本书的意义具体表现在：现有大中型企业沼气产量小、比较分散，沼气输送到用户需要耗费较长的管路，利用沼气液化技术，在沼气与用户之间建立连接，达到远距离运输的目的；生物质LNG能量密度大、热值高，可成为高品质的能源；生物质LNG体积密度大，便于运输，扩大了沼气的应用范围；生物质LNG作为可再生能源，能实现多元化利用的目的，实现对天然气的替代。

天然气液化技术的开发与应用为沼气液化提供了技术与设备的借鉴，沼气与天然气成分都以甲烷为主，又具有较明显的差别，沼气中甲烷含量低、杂质气体含量高。因此本书根据这些问题，从厌氧发酵技术出发，研究沼气生成过程对组分含量的影响；研究低温液化分离二氧化碳的问题；基于沼气液化体系能量热力学分析法，研究降低沼气液化系统的能耗方法。

本书以沼气液化制取生物质LNG研究为主线，针对实际生产中存在的沼气产量低、甲烷含量低、液化流程能耗高的问题，从秸秆干发酵技术、沼气净化方法、液化流程以及液化设备着手，对沼气液化制取生物质LNG的关键问题进行研究。本书主要内容如下：

①以厌氧消化的四阶段理论为指导，根据影响厌氧发酵的因素，由微观机理分析秸秆厌氧关键影响因素，提出密闭存放黄贮玉米秸秆培养菌种以提高纤维素降解率的预处理方法，并研究此种预处理方法对黄贮玉米秸秆干发酵产生沼气成分的影响。

②以相平衡理论为基础进行沼气液化制取生物质LNG的相关参数计算，为沼气的液化提供理论数据。通过C语言编程，进行相平衡中压缩因子和闪蒸的计算，对计算结果与实验结果进行误差分析，利用序贯模块法与PR方程相结合，计算不同组分的沼气和制冷剂的泡点和露点，为沼气液化系统的设计提供理论数据。同时，计算沼气和制冷剂的焓、熵数值，为沼气液化能量㶲分析提供理论数据。依据液化系统中设备的运行原理，建立沼气液化流程中设备的热力学仿真模型，为液化系统的设计、计算及能量分析建立合理的数学仿真模型。

③构建了基于液化冷能利用技术的适用于分离沼气中二氧化碳的净化系统。模拟分析和实验研究了压力和温度对二氧化碳分离效率的影响规律。针对沼气中二氧化碳含量高的问题，对低温液化分离二氧化碳气体进行建模，设计低温液化分离二氧化碳流程，计算低温液化分离二氧化碳流程中的热力学工艺参数，建立实验装置，低温液化系统沼分离气中二氧化碳的实验研究，验证了该系统在沼气液化流程中的可行性。

④根据沼气的特点，对沼气液化模型进行优选，设计两种沼气液化流程，分析流程的优劣，以降低能耗为目标进行优化。根据单级、带预冷的混合制冷剂的特点，设计单级混合制冷剂和带预冷混合制冷剂液化流程，分析流程性能参数。以能耗和液化率作为性能指标，对带预冷混合制冷剂液化流程参数进行详细分析。

⑤基于热力学理论，提出了沼气液化后的闪蒸气体预冷液化系统内混合制冷剂的节能方法，以热力学焓熵㶲理论为指导，建立沼气液化设备㶲平衡数学模型。采用序贯模块法对整个液化流程进行模拟分析，计算设备㶲损失，分析流程中具有节能潜力的设备，为设备节能降耗提供依据。利用实验的方法对液化流程进行热力学参数测试，并与模拟结果对比，验证模拟的正确性。

本书以气液化制取生物质LNG为研究主线，首先制取富甲烷沼气，根据相平衡理论计算沼气液化中的工艺参数，研究低温分离二氧化碳技术并进行沼气液化流程优选，再以㶲理论对流程进行模拟、数值计算，以降低沼气液化流程的能耗、选择合理液化设备。本书结构如图1-7所示。

图1-7　本书结构