基于太阳能的生物质暗—光联合生物制氢装置设计及其运行研究

发布时间：2017-09-13 00:40

  本文关键词：基于太阳能的生物质暗—光联合生物制氢装置设计及其运行研究

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【摘要】：生物制氢技术具有原料丰富、生产过程清洁、节能、不需要消耗矿物资源等特点,既实现了废弃物资源化利用,降低了环境污染,又提供了清洁的氢能源,缓解了能源危机,因此具有广阔的发展前景。目前,生物制氢技术发展迅速,限制其发展的一个重要因素是能量转换率低,成本较高,无法满足低成本制氢的要求,研究开发具有连续生产能力的高效生物制氢反应器不仅能够降低制氢成本,提高转化效率,也是实现工业化生产的基础条件,是生物制氢技术研究从实验室向工业生产转化的关键环节。本论文是在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“生物制氢关键技术研究与示范”(项目编号:2012AA051502)的资助下完成的。针对当前制氢成本高和暗发酵抑制光合产氢的问题,在新型生物质暗-光联合制氢工艺研究的基础上,根据系统工程运行的实际要求,通过生物质暗-光联合生物制氢反应器的设计,太阳能光电光热转换单元的设计,光合细菌连续培养系统的设计等,建立了一套基于太阳能的连续、高效的生物质暗-光联合生物制氢实验装置,该装置能显著降低发酵过程对传统化石能源的消耗率,消除暗发酵液对光发酵的抑制作用,提高生物制氢效率,降低制氢成本,为实现生物制氢技术由理论研究向实际应用的转化及生物制氢技术的工业化应用提供了技术参考。研究成果如下:(1)依据设计原则和技术途径,确定联合制氢反应器ABR型结构的基本参数,按照前文既定的设计规模和工艺参数,计算设计联合制氢反应器的基本结构尺寸。暗发酵制氢单元的总体积为3.366 m~3,有效体积为3.023 m~3,光发酵制氢单元的总体积为10.56 m~3,有效体积为7.8113 m~3,暗-光联合制氢反应器的总体积达到15 m~3。(2)综合中国太阳能资源的分布现状和光合制氢对光照的要求,确定以太阳光为主光源、LED为辅助光源的基本设计;对太阳光自动跟踪聚光与光纤传输系统进行优化设计,设计安装24个太阳能聚光器,共输出96束光,采光面积为2.78m~2,能够满足系统发酵过程的光照需求;设计选用黄色LED作为辅助光源,共布置LED布光管道117个,系统每天的需电量为2053W·h左右,太阳能电池板的电池容量579.9Wp,设计采用8块电池板组合而成,选取6块电压为12V、容量为200A·h的蓄电池并联使用。(3)分析联合制氢系统对温度的基本需求,对系统的能量平衡关系进行分析计算,系统每天的需热量为964.32 10 kJ/d;根据系统需热量,设计选用660根左右1800′58的太阳能真空管,总集热面积为100.32 m~2;设计选用容积为2000L的蓄热水箱,选取电压220V,功率5kw的单相型号为DFS-H5型的辅助电加热系统。(4)根据光合生物制氢系统连续运行的菌种要求以及光合产氢菌种HAU-M1的生长特性,设计了一套光合细菌菌种培养装置,研究了该套装置对菌种的连续培养和菌种稳定供应的影响因素,优化了该装置的初始接种量、水力停留时间等工艺参数,并进行连续性培养及运行实验。研究表明,在初始接种量为15%,水力停留时间为48h,温度为30℃,光照强度为2080Lux,pH值为6.8的条件下,菌种培养装置出口培养液浓度可以稳定在10%~20%,出口流量维持在28.96L/h左右,能够满足光合生物制氢系统对菌种稳定供应的实际需要,表明光合细菌菌种培养装置应用于光合生物制氢系统连续性运行的技术可行性。(5)生物质暗-光联合生物制氢系统在前期试运行调整后,经过180天的生产性运行,整体运行稳定,原料利用率、料液温度、料液pH值、产氢量、氢气浓度等工艺参数和运行指标均较为平稳,平均日产氢量42.76 m~3,平均氢气浓度为61.78%,平均原料利用率为62.7%,平均产气率为5.5m~3/(m~3·d),具有较好的运行稳定性和较高的产氢效率。
【关键词】：太阳能 暗-光联合生物制氢 装置 设计 系统
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 致谢4-9
• 摘要9-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 生物制氢技术的研究现状12-16
• 1.2.1 光解水制氢研究现状12-13
• 1.2.2 厌氧细菌暗发酵制氢研究现状13-14
• 1.2.3 光合细菌光发酵制氢研究现状14
• 1.2.4 联合制氢的研究现状14-16
• 1.3 生物制氢反应器的研究现状16-22
• 1.3.1 暗发酵生物制氢反应器的研究现状16-18
• 1.3.2 光发酵生物制氢反应器的研究现状18-22
• 1.4 本论文的研究意义和主要内容22-23
• 1.4.1 目的和意义22
• 1.4.2 主要内容22-23
• 2 生物质暗-光联合生物制氢示范装置的初步设计23-27
• 2.1 生物制氢反应器主要设计因素23-24
• 2.1.1 联合制氢反应器结构形式的选择23
• 2.1.2 联合制氢反应器的结构材料23
• 2.1.3 联合制氢反应器的温度控制23-24
• 2.1.4 大型光发酵反应器对光照的需求24
• 2.1.5 暗发酵反应器和光发酵反应器的结合24
• 2.1.6 联合制氢反应器连续性生产及成本控制24
• 2.2 设计原则24-25
• 2.3 生物质暗-光联合生物制氢反应器主要设计方法25
• 2.3.1 产氢单元采用模块化设计25
• 2.3.2 反应器结构采用折流板式设计25
• 2.3.3 基于太阳光为主光源LED为辅助光源的高效聚光与传输系统设计25
• 2.3.4 基于太阳能为主的联合制氢反应器自动加热系统设计25
• 2.4 初步设计25-26
• 2.4.1 工艺选型25
• 2.4.2 设计内容与规模25-26
• 2.4.3 设计工艺参数26
• 2.5 小结26-27
• 3 生物质暗-光联合生物制氢反应器的设计与研究27-36
• 3.1 联合制氢反应器基本结构形式的确定27-28
• 3.2 联合制氢反应器基本工艺的设计28-29
• 3.2.1 水力条件设计28-29
• 3.2.2 隔室数量29
• 3.2.3 折流板结构29
• 3.2.4 单元隔室长宽高度比29
• 3.2.5 气体收集29
• 3.3 联合制氢反应器的结构计算29-30
• 3.4 设计方案30-35
• 3.4.1 厌氧细菌暗发酵单元设计方案30
• 3.4.2 厌氧废料处理单元及进料配料单元设计30-31
• 3.4.3 光合细菌光发酵单元设计方案31-32
• 3.4.4 联合制氢反应器布光形式及布光通道的设计32-34
• 3.4.5 联合制氢反应器整体结构设计34-35
• 3.5 设计方案35
• 3.6 小结35-36
• 4 以太阳光为主光源LED为辅助光源的高效聚光与传输系统的优化设计36-44
• 4.1 太阳光自动跟踪聚光与光纤传输系统的优化设计37-39
• 4.1.1 太阳光自动追踪聚光与传输系统37
• 4.1.2 太阳能聚光器的选型与设计37-39
• 4.2 太阳光伏电池LED辅助光源系统的设计39-42
• 4.2.1 LED的选择39
• 4.2.2 系统耗电量计算39-40
• 4.2.3 太阳光伏电池的容量设计阵列分布40
• 4.2.4 太阳光伏电池的阵列分布40-41
• 4.2.5 蓄电池容量的确定41-42
• 4.3 小结42-44
• 5 基于太阳能为主的联合制氢反应器自动加热系统设计44-51
• 5.1 生物质暗-光联合生物制氢系统对温度的基本需求44-45
• 5.2 系统的热量平衡计算45-46
• 5.2.1 系统热量平衡45
• 5.2.2 联合制氢反应器热量损失计算45-46
• 5.3 太阳能加热系统的设计与研究46-50
• 5.3.1 太阳能热水系统的组成及工作原理46-47
• 5.3.2 太阳能热水器的选型与计算47-49
• 5.3.3 储热水箱及循环系统配置49-50
• 5.3.4 辅助加热系统选择50
• 5.3.5 管外保温结构50
• 5.4 小结50-51
• 6 生物质暗-光联合生物制氢系统菌种培养装置的设计及实验研究51-58
• 6.1 光合细菌连续培养系统设计51-53
• 6.1.1 基本设计要求51
• 6.1.2 整体结构及配套装置设计51-53
• 6.2 实验材料与方法53-54
• 6.2.1 实验材料53-54
• 6.2.2 实验方法54
• 6.3 结果与讨论54-57
• 6.3.1 HAU-M1光合细菌培养液菌体相对浓度的表征54-55
• 6.3.2 接种量对菌体生长的影响55-56
• 6.3.3 水力停留时间对菌体生长的影响56
• 6.3.4 光合细菌连续稳定供应56-57
• 6.4 小结57-58
• 7 生物质暗-光联合生物制氢装置的运行试验58-63
• 7.1 生物质暗-光联合生物制氢装置结构组成及其运行原理58-59
• 7.2 生物质暗-光联合生物制氢装置运行试验59-62
• 7.2.1 系统连续运行过程中温度变化59-60
• 7.2.2 系统连续运行过程中液位变化60
• 7.2.3 系统连续运行过程中COD值变化60-61
• 7.2.4 系统连续运行过程中气体产量变化61-62
• 7.3 小结62-63
• 8 结论和建议63-65
• 8.1 结论63-64
• 8.2 建议64-65
• 参考文献65-71
• 攻读硕士学位期间科研情况71-72
• ABSTRACT72-74

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