生物甲烷发酵过程中乙酸化和产甲烷阶段的热力学研究文献综述

 2021-09-30 11:09

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文献综述

1.课题背景

1.1发展生物甲烷的必要性

近年来,我国能源短缺,环境问题日益突出,节能减排成为当下最热门的话题。我国是人口大国,同时也是农业大国。城市垃圾、畜禽粪便及秸秆等低劣生物质资源非常丰富,其中废弃的秸秆、粪便等有机质含量较高。每年产生的低劣生物质总量近30亿吨(干重),既是资源也是污染源,如不能及时处理或处理不当,将会导致环境污染,且伴有大量二氧化碳、甲烷等温室气体排放,所以低劣生物质的处理不容忽视。

与此同时,我国天然气需求量急剧上升。2011年我国消耗的天然气总量达1290亿m3,预计2020年将超过2000亿m3。然而我国是缺油少气的国家,2011年我国天然气探明储量为4.5万亿m3,仅可使用20-30年[1]。因此,亟需寻找能源替代品,从而保障我国未来天然气供应的可持续性发展。据测算,若将我国的低劣生物质资源高效转化,可制得2000亿立方米生物甲烷,是我国2010年天然气开采量的2倍,每年可减少10亿吨CO2排放[1]。

与太阳能、风能相比,生物甲烷作为生物质能的典型代表,它是唯一可存储、可作为燃料和化学原料的可再生能源,可以作为天然气的替代品。各国都在大力发展生物甲烷,德国从2006年开始从沼气提纯得到生物甲烷,并注入天然气管网[2];瑞典2010年全国已有120多个加气站和4万辆应用生物甲烷的汽车,生物甲烷气用量(5900万m3)已超过天然气(3400万m3)[3]。

基于我国当前国情,发展生物甲烷,作为一种既可处理低劣生物废弃物,又能获得新能源的环境治理技术,对我国节能减排意义重大。

1.2生物甲烷过程存在的问题

但是当前各国生物甲烷产业都在发展阶段,尚未成熟,其中很重要的原因是生物甲烷过程物质转化和能量有效利用的科学问题没有被完全揭示,该问题一直处于探索阶段。

从物质转化和能量利用角度来看,目前生物甲烷过程存在的问题可概括为两低一高,即:

(1)产气速率低,代表先进水平的德国大规模工程甲烷产率一般为1.0-1.5m3/m3d,我国仅为0.5-0.6m3/m3d[1];

(2)甲烷浓度低,现有这种厌氧发酵技术得到的发酵气体经净化除去H2S等后,仍有30-45%CO2[1]。

(3)过程能耗和规模化成本高。目前的生物甲烷过程主要包括发酵和分离两大过程,而先发酵后分离提纯的能耗高,且其费用占到总成本的20-30%。

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