發(fā)布時(shí)間：2017-09-13 00:40

  本文關(guān)鍵詞：基于太陽(yáng)能的生物質(zhì)暗—光聯(lián)合生物制氫裝置設(shè)計(jì)及其運(yùn)行研究

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【摘要】：生物制氫技術(shù)具有原料豐富、生產(chǎn)過程清潔、節(jié)能、不需要消耗礦物資源等特點(diǎn),既實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用,降低了環(huán)境污染,又提供了清潔的氫能源,緩解了能源危機(jī),因此具有廣闊的發(fā)展前景。目前,生物制氫技術(shù)發(fā)展迅速,限制其發(fā)展的一個(gè)重要因素是能量轉(zhuǎn)換率低,成本較高,無法滿足低成本制氫的要求,研究開發(fā)具有連續(xù)生產(chǎn)能力的高效生物制氫反應(yīng)器不僅能夠降低制氫成本,提高轉(zhuǎn)化效率,也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件,是生物制氫技術(shù)研究從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本論文是在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“生物制氫關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(項(xiàng)目編號(hào):2012AA051502)的資助下完成的。針對(duì)當(dāng)前制氫成本高和暗發(fā)酵抑制光合產(chǎn)氫的問題,在新型生物質(zhì)暗-光聯(lián)合制氫工藝研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)工程運(yùn)行的實(shí)際要求,通過生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì),太陽(yáng)能光電光熱轉(zhuǎn)換單元的設(shè)計(jì),光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等,建立了一套基于太陽(yáng)能的連續(xù)、高效的生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置能顯著降低發(fā)酵過程對(duì)傳統(tǒng)化石能源的消耗率,消除暗發(fā)酵液對(duì)光發(fā)酵的抑制作用,提高生物制氫效率,降低制氫成本,為實(shí)現(xiàn)生物制氫技術(shù)由理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化及生物制氫技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)參考。研究成果如下:(1)依據(jù)設(shè)計(jì)原則和技術(shù)途徑,確定聯(lián)合制氫反應(yīng)器ABR型結(jié)構(gòu)的基本參數(shù),按照前文既定的設(shè)計(jì)規(guī)模和工藝參數(shù),計(jì)算設(shè)計(jì)聯(lián)合制氫反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)尺寸。暗發(fā)酵制氫單元的總體積為3.366 m~3,有效體積為3.023 m~3,光發(fā)酵制氫單元的總體積為10.56 m~3,有效體積為7.8113 m~3,暗-光聯(lián)合制氫反應(yīng)器的總體積達(dá)到15 m~3。(2)綜合中國(guó)太陽(yáng)能資源的分布現(xiàn)狀和光合制氫對(duì)光照的要求,確定以太陽(yáng)光為主光源、LED為輔助光源的基本設(shè)計(jì);對(duì)太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤聚光與光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)安裝24個(gè)太陽(yáng)能聚光器,共輸出96束光,采光面積為2.78m~2,能夠滿足系統(tǒng)發(fā)酵過程的光照需求;設(shè)計(jì)選用黃色LED作為輔助光源,共布置LED布光管道117個(gè),系統(tǒng)每天的需電量為2053W·h左右,太陽(yáng)能電池板的電池容量579.9Wp,設(shè)計(jì)采用8塊電池板組合而成,選取6塊電壓為12V、容量為200A·h的蓄電池并聯(lián)使用。(3)分析聯(lián)合制氫系統(tǒng)對(duì)溫度的基本需求,對(duì)系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系進(jìn)行分析計(jì)算,系統(tǒng)每天的需熱量為964.32 10 kJ/d;根據(jù)系統(tǒng)需熱量,設(shè)計(jì)選用660根左右1800′58的太陽(yáng)能真空管,總集熱面積為100.32 m~2;設(shè)計(jì)選用容積為2000L的蓄熱水箱,選取電壓220V,功率5kw的單相型號(hào)為DFS-H5型的輔助電加熱系統(tǒng)。(4)根據(jù)光合生物制氫系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的菌種要求以及光合產(chǎn)氫菌種HAU-M1的生長(zhǎng)特性,設(shè)計(jì)了一套光合細(xì)菌菌種培養(yǎng)裝置,研究了該套裝置對(duì)菌種的連續(xù)培養(yǎng)和菌種穩(wěn)定供應(yīng)的影響因素,優(yōu)化了該裝置的初始接種量、水力停留時(shí)間等工藝參數(shù),并進(jìn)行連續(xù)性培養(yǎng)及運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。研究表明,在初始接種量為15%,水力停留時(shí)間為48h,溫度為30℃,光照強(qiáng)度為2080Lux,pH值為6.8的條件下,菌種培養(yǎng)裝置出口培養(yǎng)液濃度可以穩(wěn)定在10%~20%,出口流量維持在28.96L/h左右,能夠滿足光合生物制氫系統(tǒng)對(duì)菌種穩(wěn)定供應(yīng)的實(shí)際需要,表明光合細(xì)菌菌種培養(yǎng)裝置應(yīng)用于光合生物制氫系統(tǒng)連續(xù)性運(yùn)行的技術(shù)可行性。(5)生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫系統(tǒng)在前期試運(yùn)行調(diào)整后,經(jīng)過180天的生產(chǎn)性運(yùn)行,整體運(yùn)行穩(wěn)定,原料利用率、料液溫度、料液pH值、產(chǎn)氫量、氫氣濃度等工藝參數(shù)和運(yùn)行指標(biāo)均較為平穩(wěn),平均日產(chǎn)氫量42.76 m~3,平均氫氣濃度為61.78%,平均原料利用率為62.7%,平均產(chǎn)氣率為5.5m~3/(m~3·d),具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和較高的產(chǎn)氫效率。
【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能 暗-光聯(lián)合生物制氫 裝置 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ116.2
【目錄】：

• 致謝4-9
• 摘要9-11
• 1 緒論11-23
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 生物制氫技術(shù)的研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 光解水制氫研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 厭氧細(xì)菌暗發(fā)酵制氫研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.3 光合細(xì)菌光發(fā)酵制氫研究現(xiàn)狀14
• 1.2.4 聯(lián)合制氫的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 生物制氫反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀16-22
• 1.3.1 暗發(fā)酵生物制氫反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3.2 光發(fā)酵生物制氫反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀18-22
• 1.4 本論文的研究意義和主要內(nèi)容22-23
• 1.4.1 目的和意義22
• 1.4.2 主要內(nèi)容22-23
• 2 生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫示范裝置的初步設(shè)計(jì)23-27
• 2.1 生物制氫反應(yīng)器主要設(shè)計(jì)因素23-24
• 2.1.1 聯(lián)合制氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式的選擇23
• 2.1.2 聯(lián)合制氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)材料23
• 2.1.3 聯(lián)合制氫反應(yīng)器的溫度控制23-24
• 2.1.4 大型光發(fā)酵反應(yīng)器對(duì)光照的需求24
• 2.1.5 暗發(fā)酵反應(yīng)器和光發(fā)酵反應(yīng)器的結(jié)合24
• 2.1.6 聯(lián)合制氫反應(yīng)器連續(xù)性生產(chǎn)及成本控制24
• 2.2 設(shè)計(jì)原則24-25
• 2.3 生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫反應(yīng)器主要設(shè)計(jì)方法25
• 2.3.1 產(chǎn)氫單元采用模塊化設(shè)計(jì)25
• 2.3.2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)采用折流板式設(shè)計(jì)25
• 2.3.3 基于太陽(yáng)光為主光源LED為輔助光源的高效聚光與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)25
• 2.3.4 基于太陽(yáng)能為主的聯(lián)合制氫反應(yīng)器自動(dòng)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)25
• 2.4 初步設(shè)計(jì)25-26
• 2.4.1 工藝選型25
• 2.4.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容與規(guī)模25-26
• 2.4.3 設(shè)計(jì)工藝參數(shù)26
• 2.5 小結(jié)26-27
• 3 生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與研究27-36
• 3.1 聯(lián)合制氫反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)形式的確定27-28
• 3.2 聯(lián)合制氫反應(yīng)器基本工藝的設(shè)計(jì)28-29
• 3.2.1 水力條件設(shè)計(jì)28-29
• 3.2.2 隔室數(shù)量29
• 3.2.3 折流板結(jié)構(gòu)29
• 3.2.4 單元隔室長(zhǎng)寬高度比29
• 3.2.5 氣體收集29
• 3.3 聯(lián)合制氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)計(jì)算29-30
• 3.4 設(shè)計(jì)方案30-35
• 3.4.1 厭氧細(xì)菌暗發(fā)酵單元設(shè)計(jì)方案30
• 3.4.2 厭氧廢料處理單元及進(jìn)料配料單元設(shè)計(jì)30-31
• 3.4.3 光合細(xì)菌光發(fā)酵單元設(shè)計(jì)方案31-32
• 3.4.4 聯(lián)合制氫反應(yīng)器布光形式及布光通道的設(shè)計(jì)32-34
• 3.4.5 聯(lián)合制氫反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34-35
• 3.5 設(shè)計(jì)方案35
• 3.6 小結(jié)35-36
• 4 以太陽(yáng)光為主光源LED為輔助光源的高效聚光與傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)36-44
• 4.1 太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤聚光與光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)37-39
• 4.1.1 太陽(yáng)光自動(dòng)追蹤聚光與傳輸系統(tǒng)37
• 4.1.2 太陽(yáng)能聚光器的選型與設(shè)計(jì)37-39
• 4.2 太陽(yáng)光伏電池LED輔助光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)39-42
• 4.2.1 LED的選擇39
• 4.2.2 系統(tǒng)耗電量計(jì)算39-40
• 4.2.3 太陽(yáng)光伏電池的容量設(shè)計(jì)陣列分布40
• 4.2.4 太陽(yáng)光伏電池的陣列分布40-41
• 4.2.5 蓄電池容量的確定41-42
• 4.3 小結(jié)42-44
• 5 基于太陽(yáng)能為主的聯(lián)合制氫反應(yīng)器自動(dòng)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)44-51
• 5.1 生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫系統(tǒng)對(duì)溫度的基本需求44-45
• 5.2 系統(tǒng)的熱量平衡計(jì)算45-46
• 5.2.1 系統(tǒng)熱量平衡45
• 5.2.2 聯(lián)合制氫反應(yīng)器熱量損失計(jì)算45-46
• 5.3 太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究46-50
• 5.3.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的組成及工作原理46-47
• 5.3.2 太陽(yáng)能熱水器的選型與計(jì)算47-49
• 5.3.3 儲(chǔ)熱水箱及循環(huán)系統(tǒng)配置49-50
• 5.3.4 輔助加熱系統(tǒng)選擇50
• 5.3.5 管外保溫結(jié)構(gòu)50
• 5.4 小結(jié)50-51
• 6 生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫系統(tǒng)菌種培養(yǎng)裝置的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究51-58
• 6.1 光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)51-53
• 6.1.1 基本設(shè)計(jì)要求51
• 6.1.2 整體結(jié)構(gòu)及配套裝置設(shè)計(jì)51-53
• 6.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法53-54
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)材料53-54
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)方法54
• 6.3 結(jié)果與討論54-57
• 6.3.1 HAU-M1光合細(xì)菌培養(yǎng)液菌體相對(duì)濃度的表征54-55
• 6.3.2 接種量對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響55-56
• 6.3.3 水力停留時(shí)間對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響56
• 6.3.4 光合細(xì)菌連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)56-57
• 6.4 小結(jié)57-58
• 7 生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫裝置的運(yùn)行試驗(yàn)58-63
• 7.1 生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫裝置結(jié)構(gòu)組成及其運(yùn)行原理58-59
• 7.2 生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫裝置運(yùn)行試驗(yàn)59-62
• 7.2.1 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行過程中溫度變化59-60
• 7.2.2 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行過程中液位變化60
• 7.2.3 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行過程中COD值變化60-61
• 7.2.4 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行過程中氣體產(chǎn)量變化61-62
• 7.3 小結(jié)62-63
• 8 結(jié)論和建議63-65
• 8.1 結(jié)論63-64
• 8.2 建議64-65
• 參考文獻(xiàn)65-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間科研情況71-72
• ABSTRACT72-74

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6 趙亞;CO厭氧發(fā)酵制氫工藝基礎(chǔ)及反應(yīng)器性能研究[D];大連理工大學(xué);2011年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 丁睿;以糖蜜廢水為底物的IC生物制氫反應(yīng)器的啟動(dòng)與運(yùn)行[D];東北林業(yè)大學(xué);2016年

2 鄭陽(yáng);SMHABR生物制氫新工藝的啟動(dòng)與運(yùn)行[D];東北林業(yè)大學(xué);2016年

3 王筱慧;加磁生物制氫反應(yīng)器啟動(dòng)及其運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化[D];湘潭大學(xué);2016年

4 魏斌;基于太陽(yáng)能的生物質(zhì)暗—光聯(lián)合生物制氫裝置設(shè)計(jì)及其運(yùn)行研究[D];河南農(nóng)業(yè)大學(xué);2016年

5 王鐵濱;生物制氫—水處理生產(chǎn)示范工程自動(dòng)化系統(tǒng)的研究[D];東北林業(yè)大學(xué);2007年

6 劉大猛;含生化反應(yīng)的固定化細(xì)胞光生物制氫反應(yīng)器內(nèi)的多相傳輸模型[D];重慶大學(xué);2010年

7 陳蕾;金屬離子對(duì)光合生物制氫的影響研究[D];河南農(nóng)業(yè)大學(xué);2012年

8 胡慶麗;玉米秸稈厭氧發(fā)酵生物制氫放大實(shí)驗(yàn)研究[D];鄭州大學(xué);2007年

9 王占青;生物制氫系統(tǒng)的負(fù)荷沖擊與活性污泥強(qiáng)化恢復(fù)作用[D];東北林業(yè)大學(xué);2012年

10 馬晶偉;糖類廢棄物厭氧發(fā)酵生物制氫試驗(yàn)研究[D];湖南大學(xué);2007年

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本文編號(hào)：840483