厌氧发酵装置内多相流数值模拟及能耗预测

发布时间：2020-08-29 10:55

　　 随着生物质能的开发与利用,沼气工程也越来越被重视,对沼气工程进行能耗分析,可以更合理的利用能源,解决沼气工程能耗高的问题。其中厌氧发酵过程是沼气工程的重要环节,在厌氧发酵过程中,对沼气生产影响最大的因素是对料液温度的控制。所以本研究基于这一问题,在分析发酵装置内部传热问题时采用流体仿真软件Fluent对沼气发酵装置进行数值模拟,为简化计算,本研究将TS为8%的沼液看作均匀流体,将发酵装置内部简化为气、液两相,沼气发酵装置加热方式简化为上、下绝热,侧壁等温加热,并采用试验与数值模拟结合的方式对沼气发酵装置内温度场进行研究对比。试验通过测定加热过程中不同高度层的温度数据,分析加热过程中温度的传递情况进而得到发酵装置温度分布场;通过应用Fluent数值模拟软件选用k~?湍流模型对料液的湍流特性进行阐述,选用双欧拉模型中的Mixture模型描述发酵中多相流,选用SIMPLEC的解算方式求解离散方程,对静态发酵过程中温度场与速度流场进行模拟,将得到的结果与试验数据进行对比分析,确定沼气发酵装在静态发酵过程中内部实际的传热情况;在此基础上,运用能耗分析软件对出沼气工程中发酵装置的围护结构与料液加热过程进行能耗预测,探究沼气工程中节能的关键环节。本文的主要研究结果如下:(1)在前人对沼气发酵模拟的基础上,进一步优化发酵模型,针对发酵过程中的静态发酵过程进行数值模拟,其温度场结果显示,在沼气发酵过程中,边缘高中间低,同一截面温差不超过2K,整个发酵罐内温差在3K左右;速度场结果显示,发酵罐内料液流动速度最大值为0.003m/s,速度梯度非常小;(2)搭建同比例的发酵装置,以哈尔滨某养牛场的牛粪为发酵原料,对其进行温度检测,分析得到试验温度监测结果与模拟温度分布结果具有一致性,对比试验监测点温度差异情况结果表明在0.005的显著水平下没有显著性差异,说明Fluent软件在模拟沼气发酵过程具有可行性,确定了在静态发酵过程中,发酵装置内温差很小,流动速度十分缓慢;(3)以模拟结果为依据对沼气工程中料液升温过程与厌氧发酵装置围护结构建立传热模型,针对北方严寒地区某一沼气发酵工程,用能耗模拟分析软件对其进行模拟能耗分析,结果发现料液升温热损失远大于发酵装置围护结构的热损失,占整个沼气工程能耗的百分之八十以上,说明控制料液升温过程是沼气工程节能的关键环节。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S216.4
【部分图文】：

研究的技术路线

图 3-1 厌氧发酵罐 图 3-2 监测点分布图Fig.3-1 Anaerobic fermentor Fig.3-2 Distribution of monitoring points

图 3-1 厌氧发酵罐 图 3-2 监测点分布图Fig.3-1 Anaerobic fermentor Fig.3-2 Distribution of monitoring points

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本文编号：2808458