基于CFD数值模拟研究机械搅拌强度对连续式厌氧发酵的影响

发布时间：2020-08-07 17:46

【摘要】：由于化石燃料消耗量急剧增加,带来了巨大的环境污染问题,因此,国家制定一系列方针、政策鼓励开发新能源,而生物质能源作为新能源的重要组成部分,利用方式有多种,本文主要研究沼气厌氧发酵。沼气厌氧发酵是指将有机废物、动物粪便等置于无氧环境,经微生物分解消化产生可燃性气体的生化反应过程。沼气厌氧发酵能够实现有机废物的循环利用,产生清洁的可再生能源甲烷,但是该反应过程复杂,影响因素多,近年来受到越来越多的关注。本文采用连续式沼气厌氧发酵与CFD数值模拟相结合的方法,研究机械搅拌强度对生物气产气率、甲烷含量和发酵过程稳定性的影响。本文的主要研究内容和结论如下:1.试验研究了不同机械搅拌强度作用下,发酵罐生物气产气率、甲烷含量和发酵过程稳定性,主要研究结论有:(1)沼气发酵启动阶段,发酵液pH持续降低,采用碱液对发酵体系进行调节,可以阻止pH进一步下降,后经过进出料可以维持发酵液pH稳定。(2)当水力停留时间为30天时,无搅拌试验组生物气产气率为1.56m~3/m~3·d,双层搅拌桨转速为50rpm、100rpm和150rpm时,生物气产气率分别为1.5m~3/m~3·d、1.36m~3/m~3·d和1.33m~3/m~3·d,四个试验组平均甲烷含量均维持在70%左右。由此可见,生物气产气率随着搅拌强度增加而降低。(3)无搅拌条件下,生物气产气率与甲烷含量均不稳定。带有机械搅拌的试验组,生物气产气率、甲烷含量和发酵过程的稳定性均高于无搅拌实验组。当水力停留时间由30天降低至20天时,发酵罐负载由33kg/d升高至50kg/d,发酵罐内压力急剧升高,出现大量浮渣,导致发酵过程无法持续进行。2.采用不同的湍流模型,模拟机械搅拌作用下槽内CMC水溶液流场分布,模拟结果由PIV试验验证,主要结论有:(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湍流模型的计算结果与PIV试验拟合更好。因此,针对机械搅拌作用下的非牛顿流体,推荐使用realizable k-ε湍流模型进行模拟计算。(2)采用Fluent数值模拟示踪粒子填充位置对混合时间的影响。在稳态流场的基础上进行非定常计算,分别模拟三个不同填充位置所需要的混合时间,由模拟结果可知,混合时间受示踪粒子填充位置的影响。(3)当搅拌桨类型和机械能耗相同时,搅拌槽结构会对流场混合强度产生影响。与平底槽相比,球型底槽内流场平均速度提高了12.8%。3.采用realizable k-ε湍流模型对发酵罐内流场进行数值模拟,研究结论如下:(1)当双层搅拌桨转速为50rpm、100rpm和150rpm时,发酵罐内流场均不存在死区。当搅拌桨转速相同时,随着发酵液固含率的升高,流场平均速度减小,机械搅拌产生的能耗增加。当发酵液固含率一定时,随着机械搅拌强度增大,流场内速度梯度增大。(2)搅拌桨类型与双层搅拌桨之间轴间距也会对发酵液混合产生影响。采用Fluent模拟计算不同固含率发酵液流场完全混合所需要的时间,结果显示,随着发酵液固含率的升高,所需要的混合时间急剧增多。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ920.6;S216.4
【图文】：

基于 CFD 数值模拟研究机械搅拌强度对连续式厌氧发酵的影响氧发酵是一种常见的可再生新能源利用技术，其原理是将动物庄稼秸秆、纸浆或污水等各类有机废弃物置于无氧环境的反应用厌氧微生物的代谢产生可燃性甲烷和 CO2等气体。该技术产洁的可再生能源，发酵后剩余反应底物还可作为有机肥，用以酵技术已有上百年的发展历史，在 1979 年的国际厌氧发酵会了沼气发酵是由四个不同菌群完成的，包括水解细菌、产氢产同型产乙酸菌，其中同型产乙酸菌可以将中间产物 H2和 CO2常将沼气厌氧发酵过程划分为三个阶段：水解阶段、产酸阶段沼气厌氧发酵流程如图 1.1 所示：

技术路线

、温度控制系统和 pH 监测与调节系统。发酵罐体顶部与底国标 GB/T25198-2010，发酵罐内径为 1.2m，其有效发酵容均匀分布着四个竖直挡板，挡板距宽为 0.144m，高为 0.9m锈钢材料制成，夹层厚为 50mm。夹层、控制器、温度探针环水泵共同构成温度控制系统。在发酵罐体不同液位分布着温度进行实时监测。当 1#、3#和 5#探针监测值的平均值低），热水经循环水泵注入罐体夹层内对发酵液进行加热；当冷水注入夹层，热水由夹层排出以降低发酵液温度；由于水发酵液温度呈现周期性循环。机械搅拌系统由变频电机、变桨构成。搅拌桨采用六斜叶涡轮搅拌桨，桨叶倾斜角为 45°制电机转速，从而改变搅拌桨对发酵液搅拌强度。pH 调节系及 1mol/L 的氢氧化钠溶液构成。当罐体进料口、出料口及处于密封状态，与外界无气体交换，保证了沼气发酵过程的

【参考文献】

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本文编号：2784317