生物甲烷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化.pdf

1、由于化石燃料價(jià)格劇烈波動(dòng)和全球溫室效應(yīng)愈發(fā)顯著，可再生能源—生物甲烷，因其可以減少溫室氣體排放和降低不可再生能源的消耗而獲得越來越多的關(guān)注。復(fù)雜的生物質(zhì)制備生物甲烷系統(tǒng)包括生物質(zhì)收集運(yùn)輸、預(yù)處理、發(fā)酵、提純分離、產(chǎn)品的利用，以及沼液沼渣的處理和資源化利用單元，需要從系統(tǒng)工程的角度進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化集成，以實(shí)現(xiàn)全局的環(huán)境-資源-經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)最優(yōu)。本文采用綠色度方法對低劣生物質(zhì)和沼液沼渣的環(huán)境影響進(jìn)行定量的分析和評價(jià)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合超結(jié)構(gòu)法，以能耗

2、、環(huán)境影響和產(chǎn)量作為三個(gè)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，以溫度、壓力和回收率等為優(yōu)化變量，并同時(shí)以質(zhì)量守恒、能量守恒、技術(shù)選擇和環(huán)境影響為約束條件，建立了多目標(biāo)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）模型。針對這一復(fù)雜非線性優(yōu)化問題，采用非支配排序遺傳算法（NSGA-II）進(jìn)行求解并得到一系列Pareto優(yōu)化解集。具體研究內(nèi)容和相應(yīng)的研究結(jié)果如下：
　?。?）基于Aspen模擬軟件和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對復(fù)雜的生物甲烷系統(tǒng)和子系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行能耗建模分析，探析

3、了關(guān)鍵參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)與單元物質(zhì)能量利用效率的關(guān)系。結(jié)果顯示，發(fā)酵和提純是核心耗能單元，采用沼液余熱回收利用+高溫發(fā)酵+離子液體脫碳體質(zhì)技術(shù)可以獲得最佳的物質(zhì)能量利用效率。
　　（2）基于綠色度評價(jià)方法，定義了不同污染方式下的生物質(zhì)和沼液沼渣綠色度，并對低劣生物質(zhì)和沼液沼渣的環(huán)境影響進(jìn)行定量的分析和評價(jià)。結(jié)果顯示生物質(zhì)排放綠色度＞燃燒綠色度；秸稈類燃燒綠色度＞糞便類燃燒綠色度。其中豬糞綠色度最小，對環(huán)境影響最大。在此基礎(chǔ)上，對生物甲

4、烷系統(tǒng)的綠色度進(jìn)行建模分析，發(fā)現(xiàn)影響其環(huán)境性能的瓶頸。結(jié)果顯示選擇離子液體提純技術(shù)后的系統(tǒng)的綠色度為正，即整個(gè)產(chǎn)甲烷過程是個(gè)變廢為寶的過程。
　?。?）基于數(shù)學(xué)規(guī)劃法，構(gòu)建生物質(zhì)的收集運(yùn)輸、發(fā)酵、提純以及沼液沼渣的資源化利用的全工藝過程的超結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。該模型通過優(yōu)化原料、操作變量和技術(shù)選擇的組合方式來獲得最小的單位能耗、最大的單位綠色度和單位甲烷產(chǎn)量。本文以南京工業(yè)沼氣示范工程為分析實(shí)例，對其進(jìn)行了集成優(yōu)化，這個(gè)混合整數(shù)非線性問