超微秸秆光合生物产氢体系多相流数值模拟与流变特性实验研究

【摘要】：本论文是在国家自然科学基金项目“超微秸秆类生物质光合连续产氢过程及代谢热研究”(项目编号:50976029)的资助下完成的。 利用资源量大、廉价的农作物秸秆为原料生产纤维素氢气,研究能够达到工业化生产规模的秸秆类生物质制氢技术,对于补充能源不足,保障国家能源战略安全,减少对化石能源的依赖,降低环境污染以及生物质资源的再生利用等方面具有重要的意义。秸秆类生物质光合产氢料液是由固、液两相构成的多相体系,反应器内流体的流变特性会造成容器内各点温度、流速等的分布不均,影响反应器内光合色素形成、采光面沉积程度及光合细菌与秸秆类物质的接触程度。秸秆生物质制氢的多相反应使固体颗粒对液体原有的流动特性和生化反应历程产生影响,进而影响生物反应器的整体混合行为,速度场、浓度场、温度场的分布规律及各种传质和传热程度,最终影响光合细菌的产氢能力。另外,秸秆类生物质光合产氢反应的多相流动使一些区域形成停滞区,一些区域受冲击较大,造成反应器的磨损,可能减少其使用寿命。 本文主要依据光合细菌制氢的特点和多相反应原理,利用课题组筛选的光合细菌,研究了秸秆类生物质光合产氢体系液相流变特性和体系浊度变化规律,以及粘度、浊度和产氢之间的相关关系,分析探讨了折流式秸秆类生物质光合连续产氢反应器内料液速度场、浓度场的分布,初步建立了超微秸秆类生物质光合连续产氢体系多相流流场数学模型,并完成了超微秸秆类生物质光合连续产氢体系多相流数值计算及其实验研究。结果表明: (1)秸秆类生物质超微处理后的粒度和产氢反应工艺条件是影响产氢体系相对粘度的主要因素,在颗粒总质量不变的情况下,颗粒粒径变小,增强了颗粒间的相互作用强度,降低了体系的流动性,使得超微秸秆产氢体系的相对粘度增加最快;通过对温度、接种量、光照度、底物浓度等四因素的正交实验得到各因素对产氢体系粘度的影响次序为:底物浓度温度接种量光照强度。并且料液为非牛顿型流体,其流变学性质随着产氢反应的进行变得较为复杂。 (2)超微秸秆产氢料液的固相颗粒浓度、颗粒度、处理方式是影响产氢体系浊度大小的主要因素,固相颗粒浓度越大其体系浊度越大,不同颗粒度,超微处理高粱秸秆产氢体系的浊度一直比较大,各处理方式下其体系浊度总的变化规律不变,都呈现先稍微增大后不断减小的趋势,乙酸、盐酸和碱处理的体系浊度相差不大。 (3)比较分析产氢体系粘度、浊度和产氢量的变化规律可知,随菌种浓度增大,颗粒度减小,对秸秆的降解能力增强,生成的胞外多糖增加了体系的相对粘度,造成沉降阻力增大,同时由于光合细菌生长使得体系浊度增加,导致体系浊度整体增加的量在开始阶段大于秸秆沉淀使体系浊度降低的量。菌种进入稳定期和衰亡期,胞外多糖被分解为氢气、挥发性脂肪酸和醇类,液相的相对粘度显著降低,体系粘度降低使得固相的沉降速度增大,加之细菌衰亡,体系浊度进一步降低,产氢量不断增加。 (4)折流式秸秆类生物质光合连续产氢反应器内相对粘度差别不大,但由于进水的影响,体系浊度增加,固液接触面积增大,起到一定的搅拌作用。同一隔室,同一对应位置点下流室内的速度大于上流室内的速度,底物浓度较大的体系,流动能力较差,速度相对较小。Matlab软件编程计算得出折流式超微秸秆产氢的最优组合为温度33℃,光照强度3500 Lx ,接种量25%,底物浓度55 g/L。 (5)采用CFD技术对超微秸秆光合产氢反应器内的流场进行了数值模拟和分析,基于混合模型得出超微秸秆光合产氢体系速度由较集中的主流区向周围不断发展,逐步达到速度的均匀分布,下流室内的速度大于上流室内的速度,并且反应器底部存在明显的推流运动,使得沉淀的固体颗粒向前运动,大部分集聚在上流室,上流室内固相分布高度和浓度都明显大于下流室;反应器内很大一部分区域都存在涡流,底部区域的涡流强度最大,这保障了光合细菌和超微秸秆颗粒的充分混合、接触,强化了传质,起到很好的自动搅拌作用。利用模型计算的节点理论值与节点实测数据比较接近,建立的模型比较切合实际。 【关键词】：超微秸秆 光合产氢 多相流 流变特性 数值模拟
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 致谢4-10
• 摘要10-12
• 1 绪论12-31
• 1.1 氢能及氢能经济12-15
• 1.1.1 能源、环境与社会12-14
• 1.1.2 氢能14-15
• 1.1.3 氢能经济15
• 1.2 生物制氢技术研究现状15-16
• 1.2.1 生物制氢的优点15-16
• 1.2.2 厌氧生物制氢研究现状16
• 1.2.3 光合生物制氢研究进展16
• 1.2.4 以秸秆为原料生物制氢研究的必要性16
• 1.3 秸秆类生物质预处理技术16-21
• 1.3.1 秸秆类生物质原料组成16-17
• 1.3.2 秸秆类生物质预处理方法17-18
• 1.3.3 超微预处理技术发展现状18-19
• 1.3.4 超微预处理技术的应用19-20
• 1.3.5 超微预处理的发展趋势20-21
• 1.4 流变特性21-25
• 1.4.1 影响流变特性的因素21-23
• 1.4.2 流变特性研究23-25
• 1.4.2.1 果蔬超微处理的流变特性23-24
• 1.4.2.2 农作物超微处理的流变特性24
• 1.4.2.3 活性污泥絮凝流变特性24
• 1.4.2.4 水煤浆流变特性24
• 1.4.2.5 厌氧发酵产氢流变特性24-25
• 1.5 多相流动25-28
• 1.5.1 多相流的发展25
• 1.5.2 多相流的分类25-26
• 1.5.3 两相流的处理方法26
• 1.5.4 固液两相流颗粒系统流动状态26-27
• 1.5.5 固液两相流颗粒相动理学研究27
• 1.5.6 流场数值模拟27-28
• 1.6 课题研究的目的、意义及内容28-31
• 1.6.1 课题研究的目的和意义28-29
• 1.6.2 课题研究内容和技术路线29-31
• 2 秸秆类生物质光合产氢体系粘度影响因素研究31-49
• 2.1 材料与方法31-35
• 2.1.1 实验材料31-32
• 2.1.2 主要实验仪器32-33
• 2.1.3 测定方法33-34
• 2.1.4 超微秸秆理化指标34-35
• 2.1.5 产氢预处理方法35
• 2.2 体系粘度影响因素实验研究35-43
• 2.2.1 反应时间与相对粘度的相关关系35-36
• 2.2.2 颗粒度对相对粘度的影响36-37
• 2.2.3 处理方式与相对粘度的相关关系37-38
• 2.2.4 反应温度对相对粘度的影响38-40
• 2.2.5 底物浓度对相对粘度的影响40-41
• 2.2.6 菌种浓度对相对粘度的影响41-42
• 2.2.7 光照强度对相对粘度的影响42-43
• 2.3 SPSS17.0 优化实验结果及分析43-48
• 2.3.1 SPSS 做正交的意义43
• 2.3.2 确定因素及各因素水平43-44
• 2.3.3 SPSS 正交表的安排44
• 2.3.4 实验结果与分析44-48
• 2.4 小结48-49
• 3 秸秆类生物质光合产氢体系浊度变化规律49-63
• 3.1 材料与方法49-52
• 3.1.1 光合细菌49-50
• 3.1.2 浊度的测定方法50
• 3.1.3 氢气产量和含量的测定50-51
• 3.1.4 超微秸秆51
• 3.1.5 产氢预处理方法51-52
• 3.2 结果与讨论52-61
• 3.2.1 体系浊度的观察52-53
• 3.2.2 底物浓度对体系浊度的影响53-54
• 3.2.3 反应温度对体系浊度的影响54-55
• 3.2.4 颗粒度对体系浊度的影响55-57
• 3.2.5 处理方式与体系浊度的相关关系57-58
• 3.2.6 光照强度对体系浊度的影响58-59
• 3.2.7 菌种浓度对体系浊度的影响59-60
• 3.2.8 流变特性与产氢能力随时间的变化规律60-61
• 3.3 小结61-63
• 4 秸秆类生物质光合产氢体系流动特征及产氢能力63-85
• 4.1 材料与方法63-66
• 4.1.1 实验材料63
• 4.1.2 实验仪器63-64
• 4.1.3 测定方法64-66
• 4.1.4 实验装置66
• 4.2 折流式光合产氢反应器特征分析66-68
• 4.2.1 光合细菌聚集固定67
• 4.2.2 反应器内流体特征67
• 4.2.3 光合产氢体系基质降解特点67
• 4.2.4 反应器内固相受力分析67-68
• 4.2.5 反应器内固体颗粒运动形式68
• 4.3 固体的沉降能力68-71
• 4.3.1 粉碎时间对颗粒度的影响69
• 4.3.2 超微秸秆颗粒比重69-70
• 4.3.3 超微秸秆颗粒密度70
• 4.3.4 超微秸秆产氢体系的沉降速度70-71
• 4.4 折流式连续产氢体系粘度和浊度变化71-74
• 4.4.1 下流室和上流室的流变特性71-73
• 4.4.2 不同隔室的流变特性73-74
• 4.5 光合产氢反应器内速度分布规律74-76
• 4.5.1 下流室和上流室的速度分布74-75
• 4.5.2 进水速度对速度分布的影响75-76
• 4.5.3 底物浓度对速度分布的影响76
• 4.6 超微秸秆类生物质光合连续产氢试验研究76-84
• 4.6.1 响应面研究方法在超微秸秆连续产氢反应中的应用76-77
• 4.6.2 响应面的试验安排及试验结果77-79
• 4.6.3 模型分析79-83
• 4.6.3.1 主效应分析79
• 4.6.3.2 单因素效应分析79-80
• 4.6.3.3 单因素边际效应80-81
• 4.6.3.4 反应影响因素交互效应81-83
• 4.6.3.5 最优组合83
• 4.6.4 超微秸秆产氢体系底物利用情况83-84
• 4.7 小结84-85
• 5 秸秆类生物质光合产氢体系速度场和浓度场数值模拟85-103
• 5.1 控制方程85-87
• 5.1.1 基本控制方程85-86
• 5.1.2 修正后的控制方程86
• 5.1.3 粘度的计算86-87
• 5.2 边界及初始条件87-88
• 5.3 网格划分及求解方法88-89
• 5.3.1 网格划分88-89
• 5.3.2 求解方法89
• 5.4 计算条件及相关假设89
• 5.4.1 相关假设89
• 5.4.2 计算条件89
• 5.5 速度场数值模拟结果与分析89-98
• 5.5.1 流体质点迹线89-90
• 5.5.2 液相速度分布90-92
• 5.5.3 固相速度分布92-94
• 5.5.4 混合物速度分布94-97
• 5.5.5 计算值与实测值对比97-98
• 5.6 浓度场数值模拟结果与分析98-102
• 5.6.1 液相浓度分布98-100
• 5.6.2 固相浓度分布100-102
• 5.6.3 计算值与实测值对比102
• 5.7 小结102-103
• 6 全文总结103-105
• 6.1 结论103-104
• 6.2 创新点104
• 6.3 存在的不足与建议104-105
• 参考文献105-113
• ABSTRACT113-116
• 读博期间发表论文及奖励116-117

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