沼气是重要的可再生资源,分离提纯后可作为天然气的有效补充,应用于民用燃气和车用燃气等领域。目前,沼气的加工利用存在产品单一、资源浪费、尾气排放造成环境污染等问题,亟需能够实现沼气资源多元化综合利用的新型分离提纯工艺,在提高利用率、降低分离能耗的同时避免环境污染。在现有一级二段膜分离工艺的基础之上,本文从乡镇燃气的实际需求、沼气资源的组成特性等方面出发,提出分级提纯／利用、尾气催化燃烧无害化、富二氧化碳产品化等多种改进方式,有效解决了沼气加工过程中面临的关键问题,为推进我国生物甲烷产业的发展提出了一种可行的方案。首先,针对家用低品位燃气与车用高品位燃气同时需求的乡镇市场特性,本文确定了与乡镇管网燃气和车用燃气互换的不同规格生物甲烷的标准,提出了规模为分离提纯1000m3/h厌氧发酵的低品位沼气的生产方案,生产满足普通规模乡镇每天日常生活所必需的2000 m3民用生物甲烷和1000辆轿车每天行驶一百公里的9.73×103m3车用生物甲烷,与此同时从提纯工艺尾气无害化和产品化的角度分别设计了膜-催化燃烧耦合工艺和膜-精馏耦合工艺流程,并应用HYSYS软件分别对不同规格生物甲烷连续性生产和间歇性生产两种工艺方案进行了模拟优化分析,在模拟优化过程中以经济效益作为工艺评价和优化的主要标准,并对影响经济效益的主要因素压力等条件进行了优化分析。在沼气多元化利用的低能耗尾气无害化膜-催化燃烧耦合工艺中,在确定了间歇性生产民用生物甲烷和车用生物甲烷为工艺最优生产方案的同时,通过对工艺尾气热量的综合利用的优化设计,不仅可以实现尾气无害化生产民用生物甲烷和车用生物甲烷,而且降低了工艺能耗并副产5.0 MPa的中压蒸汽和70℃的热水,使经济效益由单一换热过程的550.18万元／年,增加到了583.81万元／年。在沼气多元化利用的低能耗尾气产品化膜-精馏耦合工艺中,充分考虑了精馏塔顶尾气循环利用对工艺经济效益的影响,确定了连续性生产民用生物甲烷和车用生物甲烷为最优生产方案,与此同时对二氧化碳液化的换热网络进行了优化设计,使工艺能耗较传统换热过程降低了15%,经济效益由1328.13万元／年,增加到了1334.63万元／年。模拟优化结果表明,本文设计的两套沼气多元化利用的膜耦合工艺均能产生良好的社会效益和经济效益。该工艺的开发有效的解决了沼气分离提纯工艺目前存在的产品单一、能耗高、成本高、甲烷损失量大和燃气产品不符合乡镇实际需求的问题,促进了沼气产业向低成本绿色多元化产品的商业规模化方向发展。