【摘要】：由于化石燃料消耗量急劇增加,帶來了巨大的環(huán)境污染問題,因此,國家制定一系列方針、政策鼓勵開發(fā)新能源,而生物質(zhì)能源作為新能源的重要組成部分,利用方式有多種,本文主要研究沼氣厭氧發(fā)酵。沼氣厭氧發(fā)酵是指將有機(jī)廢物、動物糞便等置于無氧環(huán)境,經(jīng)微生物分解消化產(chǎn)生可燃性氣體的生化反應(yīng)過程。沼氣厭氧發(fā)酵能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)廢物的循環(huán)利用,產(chǎn)生清潔的可再生能源甲烷,但是該反應(yīng)過程復(fù)雜,影響因素多,近年來受到越來越多的關(guān)注。本文采用連續(xù)式沼氣厭氧發(fā)酵與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究機(jī)械攪拌強度對生物氣產(chǎn)氣率、甲烷含量和發(fā)酵過程穩(wěn)定性的影響。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1.試驗研究了不同機(jī)械攪拌強度作用下,發(fā)酵罐生物氣產(chǎn)氣率、甲烷含量和發(fā)酵過程穩(wěn)定性,主要研究結(jié)論有:(1)沼氣發(fā)酵啟動階段,發(fā)酵液pH持續(xù)降低,采用堿液對發(fā)酵體系進(jìn)行調(diào)節(jié),可以阻止pH進(jìn)一步下降,后經(jīng)過進(jìn)出料可以維持發(fā)酵液pH穩(wěn)定。(2)當(dāng)水力停留時間為30天時,無攪拌試驗組生物氣產(chǎn)氣率為1.56m~3/m~3·d,雙層攪拌槳轉(zhuǎn)速為50rpm、100rpm和150rpm時,生物氣產(chǎn)氣率分別為1.5m~3/m~3·d、1.36m~3/m~3·d和1.33m~3/m~3·d,四個試驗組平均甲烷含量均維持在70%左右。由此可見,生物氣產(chǎn)氣率隨著攪拌強度增加而降低。(3)無攪拌條件下,生物氣產(chǎn)氣率與甲烷含量均不穩(wěn)定。帶有機(jī)械攪拌的試驗組,生物氣產(chǎn)氣率、甲烷含量和發(fā)酵過程的穩(wěn)定性均高于無攪拌實驗組。當(dāng)水力停留時間由30天降低至20天時,發(fā)酵罐負(fù)載由33kg/d升高至50kg/d,發(fā)酵罐內(nèi)壓力急劇升高,出現(xiàn)大量浮渣,導(dǎo)致發(fā)酵過程無法持續(xù)進(jìn)行。2.采用不同的湍流模型,模擬機(jī)械攪拌作用下槽內(nèi)CMC水溶液流場分布,模擬結(jié)果由PIV試驗驗證,主要結(jié)論有:(1)相比standard k-ε模型、RNG k-ε模型、standard k-ω模型和SST k-ω模型,采用realizable k-ε湍流模型的計算結(jié)果與PIV試驗擬合更好。因此,針對機(jī)械攪拌作用下的非牛頓流體,推薦使用realizable k-ε湍流模型進(jìn)行模擬計算。(2)采用Fluent數(shù)值模擬示蹤粒子填充位置對混合時間的影響。在穩(wěn)態(tài)流場的基礎(chǔ)上進(jìn)行非定常計算,分別模擬三個不同填充位置所需要的混合時間,由模擬結(jié)果可知,混合時間受示蹤粒子填充位置的影響。(3)當(dāng)攪拌槳類型和機(jī)械能耗相同時,攪拌槽結(jié)構(gòu)會對流場混合強度產(chǎn)生影響。與平底槽相比,球型底槽內(nèi)流場平均速度提高了12.8%。3.采用realizable k-ε湍流模型對發(fā)酵罐內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,研究結(jié)論如下:(1)當(dāng)雙層攪拌槳轉(zhuǎn)速為50rpm、100rpm和150rpm時,發(fā)酵罐內(nèi)流場均不存在死區(qū)。當(dāng)攪拌槳轉(zhuǎn)速相同時,隨著發(fā)酵液固含率的升高,流場平均速度減小,機(jī)械攪拌產(chǎn)生的能耗增加。當(dāng)發(fā)酵液固含率一定時,隨著機(jī)械攪拌強度增大,流場內(nèi)速度梯度增大。(2)攪拌槳類型與雙層攪拌槳之間軸間距也會對發(fā)酵液混合產(chǎn)生影響。采用Fluent模擬計算不同固含率發(fā)酵液流場完全混合所需要的時間,結(jié)果顯示,隨著發(fā)酵液固含率的升高,所需要的混合時間急劇增多。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ920.6;S216.4
【圖文】：

基于 CFD 數(shù)值模擬研究機(jī)械攪拌強度對連續(xù)式厭氧發(fā)酵的影響氧發(fā)酵是一種常見的可再生新能源利用技術(shù)，其原理是將動物莊稼秸稈、紙漿或污水等各類有機(jī)廢棄物置于無氧環(huán)境的反應(yīng)用厭氧微生物的代謝產(chǎn)生可燃性甲烷和 CO2等氣體。該技術(shù)產(chǎn)潔的可再生能源，發(fā)酵后剩余反應(yīng)底物還可作為有機(jī)肥，用以酵技術(shù)已有上百年的發(fā)展歷史，在 1979 年的國際厭氧發(fā)酵會了沼氣發(fā)酵是由四個不同菌群完成的，包括水解細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)同型產(chǎn)乙酸菌，其中同型產(chǎn)乙酸菌可以將中間產(chǎn)物 H2和 CO2常將沼氣厭氧發(fā)酵過程劃分為三個階段：水解階段、產(chǎn)酸階段沼氣厭氧發(fā)酵流程如圖 1.1 所示：

技術(shù)路線

、溫度控制系統(tǒng)和 pH 監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。發(fā)酵罐體頂部與底國標(biāo) GB/T25198-2010，發(fā)酵罐內(nèi)徑為 1.2m，其有效發(fā)酵容均勻分布著四個豎直擋板，擋板距寬為 0.144m，高為 0.9m銹鋼材料制成，夾層厚為 50mm。夾層、控制器、溫度探針環(huán)水泵共同構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。在發(fā)酵罐體不同液位分布著溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng) 1#、3#和 5#探針監(jiān)測值的平均值低），熱水經(jīng)循環(huán)水泵注入罐體夾層內(nèi)對發(fā)酵液進(jìn)行加熱；當(dāng)冷水注入夾層，熱水由夾層排出以降低發(fā)酵液溫度；由于水發(fā)酵液溫度呈現(xiàn)周期性循環(huán)。機(jī)械攪拌系統(tǒng)由變頻電機(jī)、變槳構(gòu)成。攪拌槳采用六斜葉渦輪攪拌槳，槳葉傾斜角為 45°制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變攪拌槳對發(fā)酵液攪拌強度。pH 調(diào)節(jié)系及 1mol/L 的氫氧化鈉溶液構(gòu)成。當(dāng)罐體進(jìn)料口、出料口及處于密封狀態(tài)，與外界無氣體交換，保證了沼氣發(fā)酵過程的

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2784317