生物质废弃物通过厌氧发酵方式生产生物沼气是生物质高效资源化利用的重要手段之一,具有经济和环境的双重效益,是可再生能源领域的研究热点。现有研究主要针对生物质的厌氧发酵及生物沼气的利用等关键单元技术,从全系统角度的研究较为缺乏,而该体系涉及多种技术、多个单元过程以及多种影响评价指标,是一个复杂拓扑网络系统评价问题。因此,需要借助系统工程的方法对该复杂系统进行深入剖析,了解各单元及变量对系统性能影响的机制,并对影响系统效率的多种技术采用多种指标进行综合评价,筛选出具有代表性的可持续发展路线为生物沼气技术的大规模应用提供指导。基于上述背景,本文对生物沼气全系统进行了能量、环境及经济综合评价,并对系统中的沼气提纯及厌氧发酵关键单元进行了建模与能耗分析。主要研究内容与成果如下：(1)针对粗沼气提纯分离单元,开展了变压吸附法(PSA)粗生物沼气提纯制备生物甲烷工艺的动态模拟与评价研究。分别以13X沸石(Zeolite 13X)、3K碳分子筛(CMS-3K)和508b金属有机骨架材料(MOF-508b)为吸附剂,建立了两塔-六步的改进Skarstrom动态变压吸附模拟流程,对变压吸附过程的关键参数如吸脱附压力、进料吹扫比等进行了灵敏度分析,确定了优化工艺参数；考察了吸附塔内的压力、CH4及CO2组分的浓度随塔高及循环时间的变化：对三种吸附剂装填条件下工艺过程的能耗、设备尺寸及吸附剂装填量进行了计算与比较。结果表明,采用MOF-508b和CMS-3K作为吸附剂时的工艺能耗比Zeolite 13X作为吸附剂时分别低56%和50%;MOF-508b及CMS-3K填充的吸附塔塔径比Zeolite 13X填充的吸附塔塔径分别小13%和27%。(2)针对生物质厌氧发酵单元,建立了容积产气率及单元的热平衡模型。对中温35℃和高温55℃厌氧发酵状态,根据实验数据拟合了三种二元共发酵体系(牛粪与秸秆、鸡粪与秸秆、人粪与秸秆)的容积产气率模型,模型预测结果与实验结果平均偏差在7%以内。对热平衡模型,考察了沼液低温余热的回收对减少过程外供热量的影响。结果表明,发酵过程所需热量的约89%用于加热进口的冷物料,而约11%用于维持发酵罐的恒温。因此,对沼液的低温余热加以回收以减少过程热量供给是十分必要的。以沼气锅炉供热发酵罐方式为例,通过沼液余热回收,在中温发酵和高温发酵状态下,每天可以分别减少42%和49%的沼气消耗。(3)针对生物甲烷生产全系统,开展了物流与能量分析研究。在单元过程模拟基础上,建立了该系统的能耗模型和能量效率评价指标。考虑了2种发酵技术、4种粗沼气提纯技术、2种系统热量供给及是否进行沼液低温余热的利用等因素,设计了32种情景路线：考察了发酵温度、系统热量供给方式及沼液低温余热回收模式对系统能效的影响。结果显示,采用高温发酵技术,粗沼气及生物甲烷转化率比中温发酵分别提高120%及110%,能量的转化效率提高1倍;高温发酵比中温发酵减少了约3.1 wt%沼液及沼渣的处理量及26%的能量损失；对中温及高温发酵情景下系统的能效分析与比较,结果表明,采用高温发酵及加压水洗技术,系统所需的热量由外部热源供给且沼液与发酵原料换热回收低温余热,系统的能效在32种情景中最高(46.5%);采用中温发酵及变压吸附技术,系统所需的热量由燃烧发酵过程自产沼气供给且沼液与发酵原料不进行换热回收低温余热,系统的能量效率在32种情景中最低(15.8%)；在系统的热量供给方式及沼液与发酵原料换热模式相同的情况下,高温条件下系统的能效约为中温条件下的2倍。在对系统能效影响的三个因素中,发酵温度是对系统能效影响最大的因素,其次是系统热量的供给方式,最后是沼液与发酵原料的换热模式。(4)针对三种不同沼气利用方式(提纯制备生物甲烷、热电联产、固体燃料电池)构成的生物沼气生产及利用系统,对其进行了概念设计,并分别对其能效、绿色度及净现值等指标进行了综合评价与比较。结果表明,对于系统的能量效率,为沼气提纯>沼气SOFCs>沼气CHP,提纯利用方式系统能效最高,SOFCs利用方式系统的能效比CHP利用方式系统的能效高2.5%：对于系统绿色度变化量,沼气SOFCs>沼气CHP>沼气提纯；对于系统的投资回收期,沼气CHP>沼气SOFCs>沼气提纯。