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生物甲烷技术通过厌氧发酵将低劣生物质转化为甲烷产品,兼具节能、减排、减污三重意义,是环境和可再生能源领域的研究热点。目前,生物甲烷技术的研究主要集中于单元技术的开发和优化,而同时考虑系统经济效益和环境影响的多目标优化还未见报道。基于上述背景,本论文建立了生物甲烷全系统的能耗、经济性、绿色度和产气率模型,并以生物甲烷系统的经济效益和环境影响为目标,进行了多目标优化。基于优化结果,研究了产气规模对系统能量-环境-经济指标的影响。本研究为生物甲烷技术的规模化应用提供了科学依据,具有重要的实用价值和理论意义。本论文主要研究成果如下:(1)设计了包含九种原料组成、三种供热技术和四种脱碳工艺的生物甲烷网络系统。基于文献和实验数据,建立了关键单元能耗、经济性、绿色度和产气率计算模型;基于流程模拟结果,建立了脱碳工艺关键参数的经验模型。为生物甲烷系统全流程模拟和优化提供了模型基础。(2)建立了以净现值(NPV)和绿色度(GD)为目标函数、以技术组合和工艺条件为决策变量的多目标优化模型。采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)求解多目标优化问题,获得了帕累托(Pareto)解集。分析了最优技术组合、工艺条件以及系统的成本、能耗、绿色度分布。结果表明,优化后生物甲烷系统在经济效益和环境影响上均具有较高可行性;成本最高的设备为厌氧发酵罐;成本最高的单元为脱碳单元;能耗最高的单元依次为厌氧发酵单元、脱碳单元和沼液沼渣处理单元;厌氧发酵和沼液沼渣处理单元绿色度为正,其余单元绿色度为负。(3)基于优化结果,分析了两种发酵温度和七种发酵规模下系统的能量-环境-经济指标。结果表明,增加产气规模能提高系统能效和单位绿色度,降低生产成本,提高发酵温度,有助于提高能效和降低成本。高温发酵较中温发酵能效提高7.4%,成本降低3%,但绿色度降低10%。