论文总字数：29943字

摘 要

温室效应给人类社会以及自然界带来了严重伤害，同时，能源枯竭是人类面对的另一大挑战。针对环境污染，垃圾填埋气中的两大主要成分CO₂、CH₄可谓是做出了重大“贡献”，两者在温室气体中位居第一、二名。针对资源枯竭，寻找新型替代能源显得日益迫切，科学家们注意到垃圾填埋气的回收利用具有较高价值。

本文提出了一个区别于外加氢气的垃圾填埋气制甲醇工艺方案（Landfill Gas-to-Methanol，LFGTM），在基于膜分离进行合成气调比的垃圾填埋气制甲醇工艺技术中，垃圾填埋气经历预处理，依靠膜分离技术，分离出垃圾填埋气中过量的CO₂，再与设定份额的水蒸气混合，然后通入重整装置生产合成气，最后通过甲醇合成装置生产甲醇。通过控制重整装置的CO₂进料量，调控合成气的比例，使其H₂/（2CO 3CO₂）的比率无限接近1，以达到后续甲醇合成反应所需的最佳合成气配比。该工艺结合了CO₂/蒸汽混合重整技术、余热利用及合成气循环再利用方法，且以垃圾填埋气为原料，相较传统天然气制甲醇工艺，拥有较好的创新性、更高的能源效率和利用价值，还能有效实现节能减排。

接着对该垃圾填埋气制甲醇基本方案进行了经济评价，利用选定的关键经济评价指标如：净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和动态回收期（DPBP）来评价其经济性。首先分析了循环比对技术工艺经济效益的影响，研究发现：在0.6、0.7、0.8、0.9、0.95五种循环比中，循环比0.7时经济性指标NPV、IRR、DPBP是五个选项中的综合最优值。因此，确定循环比为0.7时最佳，并进行进一步比较分析。通过灵敏度分析，研究了最佳循环比下垃圾填埋气制甲醇项目方案在不同条件下的盈利能力。灵敏度分析结果表明：甲醇价格、资本性支出和二氧化碳津贴价格是较为敏感的影响因素，而公用工程费用影响并不突出。

最后，进一步详细分析了甲醇价格、公用工程费用、二氧化碳津贴价格对最佳循环比下垃圾填埋气制甲醇方案的经济性能的影响。结果表明：该工艺的内部收益率随甲醇价格、二氧化碳津贴价格的增加而增加，随资本性支出的增加而减少。而在“规模经济”的作用下，随着工厂规模的扩大，单位产品的资本投资随之减小，进而使得工艺技术的内部收益率增加。

关键词：垃圾填埋气 回收利用 经济性分析 甲醇

Economic Analysis of a Landfill Gas-to-Methanol Process Combined with Membrane Separation for Syngas Ratio Conditioning

Abstract

The greenhouse effect has brought serious harm to human society and nature, at the same time, energy depletion is another big challenge facing human. For environmental pollution, the two main components of landfill gas CO₂、CH₄ can be described as a major "contribution ", the two in the greenhouse gas ranked first and second. At the same time, in view of the depletion of resources, it is increasingly urgent to find new alternative energy sources, scientists note that landfill gas recycling has a high value.

This paper proposes a process plan (Landfill Gas-to-Methanol, LFGTM) for methanol production from landfill gas, which is different from the applied hydrogen gas. In the technology of methanol production from landfill gas based on membrane separation, landfill gas undergoes pre-treatment, depends on membrane separation technology to adjust the CO₂ content of landfill gas, according to the control syngas H₂/(2CO 3CO₂) ratio infinitely close to 1 to achieve the optimal syngas ratio, discharges excess CO₂, and then mixes with the set share of steam to form a mixture gas, which was sent to the reforming and methanol synthesis units to produce syngas, and methanol, respectively. This process combines CO₂/steam mixing reforming technology, waste heat utilization and syngas recycling and reuse method, and uses landfill gas as raw material, compared with the traditional GTM process, it has better innovation, higher energy efficiency and utilization value, and can effectively achieve energy saving and emission reduction.

Then the economic evaluation of the basic scheme of the landfill gas to methanol process is carried out, and the selected key economic evaluation indicators such as: net present value (NPV), internal rate of return (IRR), and dynamic payback period (DPBP) are used to evaluate its economy and evaluate its profitability. First of all, the effect of cycle ratio on the economic benefit of technology is analyzed. Among the five cycle ratios of 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, and 0.95, it is found that under the recycle ratio of 0.7, the NPV, IRR, and DPBP achieve the optimal value of the five recycle ratios. In addition, sensitivity analysis was further carried out to study the profitability of the landfill gas methanol production project under different conditions under optimal recycling ratio. The results of sensitivity analysis show that methanol price, capital expenditure and carbon dioxide allowance price are sensitive factors, but the effect of utility cost is not prominent.

Then the effects of methanol price, utility cost and carbon dioxide allowance price on the economic performance of landfill gas-to-methanol process under optimal cycle ratio were analyzed. The results show that the internal rate of return of the process increases with the increase of methanol price and carbon dioxide allowance price, and decreases with the increase of capital expenditure. Thanks to the "scale economy " effect, with the expansion of plant scale, the capital investment of unit product decreases, and then the internal rate of return of process technology increases.

Key words: Landfill gas; Recycling; Economic analysis; Methanol

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.1.1现有垃圾填埋气处理技术和方法 1

1.1.2垃圾填埋气回收利用的意义 1

1.2垃圾填埋气的生成特点 3

1.2.1垃圾填埋气的产生 3

1.2.2垃圾填埋气的组成 3

1.2.3我国垃圾填埋气的特点 4

1.3国内外研究进展 4

1.3.1国内研究进展 4

1.3.2国外研究进展 7

1.3.3综述小结 7

1.4垃圾填埋气与甲醇 8

1.4.1甲醇及其制备工艺 8

1.4.2二氧化碳的高效利用 9

1.4.3垃圾填埋气制甲醇 10

1.4.4综述小结 10

1.5本课题研究思路 10

1.6本课题研究目的 11

第二章 材料和方法 12

2.1工艺技术原理 12

2.2总资本投资和产品成本估算 15

2.3经济性分析 19

2.3.1净现值 19

2.3.2内部收益率 20

2.3.3动态回收期 20

2.3.4经济性分析的意义 21

第三章 结果与讨论 22

3.1循环比对工艺流程的经济影响 22

3.2灵敏度分析 23

3.2.1甲醇价格对IRR的影响 24

3.2.2二氧化碳津贴价格对IRR的影响 24

3.2.3 CAPEX对IRR的影响 25

3.2.4工厂规模对IRR的影响 26

3.3资本投资与工厂规模 27

第四章 结论和展望 28

参考文献 29

致谢 32

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 现有垃圾填埋气处理技术和方法

垃圾填埋气是指在垃圾填埋场中经过一系列复杂的物化反应将有机质降解而形成的混合气体，又称为天然气或沼气^[1]，可记作LFG。随着时代发展和科技进步，现有的垃圾填埋气回收处理技术日益完备。垃圾填埋气处理主要分为三步：收集、净化、再利用。收集它的方法主要可以分为两种:主动式和被动式。而垃圾填埋气组成复杂，含有较多有害气体，可根据最终使用目的，采取不同净化装置及方法进行提纯。

1.1.2 垃圾填埋气回收利用的意义

根据传热学，气体并不能被视为灰体，因为气体辐射对波长具有选择性，且对不同波段的入射光的穿透能力不同。工业生产生活中排放的众多气体对红外波段辐射具有较高的吸收率，如二氧化碳、多种CFC制冷剂等都会汇聚在整个地球外围，形成一个类似于“玻璃窗”的气体保温罩。以温室气体CO₂为例，图1.1为CO₂和H₂O主要吸收光带示意图，图1.2为电磁波的波谱示意图，以可见光（0.38~0.76微米）为主的太阳能可以穿透到达地球表面，而地面上的物体所产生的热辐射主要在红外波段（0.76~20微米），被温室气体所吸收而无法散发到宇宙空间，进而地球表面温度升高，图1.3表示的是以100为计量尺度时太阳辐射的穿过大气层的作用原理。

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