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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

作　者: 荆艳艳
导　师: 张全国
学　校: 河南农业大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 超微秸秆光合产氢多相流流变特性数值模拟
分类号: S216.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

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
ABSTRACT  113-116
读博期间发表论文及奖励  116-117

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