添加外源氢异位提高沼气中甲烷含量和产量的方法与模拟研究
发布时间：2022-10-03 19:06
传统沼气中CH4含量和产量偏低,大大限制了沼气的应用范围,同时由于现有提高CH4含量的生物方法存在仅能提高CH4含量,不能提高CH4产量,有时甚至导致CH4产量降低的问题。而且现有生物方法由于其未能将CO2进行充分的利用,容易导致环境污染。因此,本研究通过添加外源氢生物异位法对间歇循环曝气和氨氮浓度等工艺参数进行优化,以同步提高沼气中的CH4含量和产量。另外,从微生物学和液体中气泡运动规律等微观角度对沼气中的CH4含量和产量的提高过程机理进行进一步地分析解释,得出以下主要结论:1、开展了废铁屑和废硫酸腐蚀析氢影响因素的研究。结果发现,在废铁屑添加量、废铁屑粒径、废硫酸pH值、转速、温度等5个因素中,废硫酸pH值对废铁屑和废硫酸的腐蚀析氢的影响最大,在废硫酸pH值为0时,废铁屑的累积析氢量为1082.5 mL,在此条件下,转速及温度对废铁屑和废硫酸腐蚀析氢影响不大。废铁屑粒径为2.8mm时的累积析氢量最大,为42.9 mL。因此,采用废铁屑和废硫酸腐蚀析氢反应来制取H2,直接在室温下静置即可达到最佳的析氢效果。采用该方法,不仅可以有效的降低制氢成本,而且可以保护环境,提高废弃物的利用价值...
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 沼气的产生过程及利用现状
1.1.1 沼气的产生过程
1.1.2 沼气的利用现状
1.1.4 生物天然气的概念
1.1.5 提高CH_4含量和产量的意义
1.2 生物法提高沼气CH_4含量的影响因素
1.2.1 温度
1.2.2 压力
1.2.3 气体组分比
1.2.4 提高CH_4含量工艺
1.3 沼气中CH_4含量提高的国内外研究现状
1.3.1 国外沼气CH_4含量提高的研究现状
1.3.2 国内沼气CH_4含量提高的研究现状
1.4 气泡运动的研究背景
1.5 气泡运动的数值模拟方法
1.5.1 VOF法
1.5.2 LBM法
1.5.3 LSM法
1.6 研究目的、内容以及技术路线
1.6.1 研究目的
1.6.2 研究内容
1.6.3 技术路线
第二章 废铁屑和废硫酸腐蚀析氢反应影响因素研究
2.1 材料和方法
2.1.1 材料及处理方法
2.1.2 试验设计
2.1.3 分析方法
2.2 结果与讨论
2.2.1 添加量对废铁屑累积析氢量的影响
2.2.2 粒径对废铁屑累积析氢量的影响
2.2.3 废硫酸pH值对废铁屑累积析氢量的影响
2.2.4 搅拌转速对废铁屑累积析氢量的影响
2.2.5 温度对废铁屑累积析氢量的影响
2.3 本章小结
第三章 添加外源氢异位提高沼气中CH_4含量和产量工艺研究
3.1 材料和方法
3.1.1 试验材料
3.1.2 反应器的设计及启动
3.1.3 分析方法
3.1.4 计算公式
3.2 结果与讨论
3.2.1 间歇循环曝气提高沼气中CH_4含量和产量初步研究
(1) CSTR和UR系统运行情况
(2) H_2利用率以及H_2转化为CH_4的效率
(3) CSTR和UR中CH_4的产量
3.2.2 间歇循环曝气提高沼气中CH_4含量和产量优化研究
(1) 反应器运行情况
(2) H_2利用效率、H_2转化为CH_4的效率、CH_4产量提高率
3.2.3 氨氮浓度提高沼气中CH_4含量和产量优化工艺研究系统运行情况
3.3 本章小结
第四章 添加外源氢异位提高沼气中CH_4含量和产量微生物群落结构变化研究
4.1 材料和方法
4.1.1 试验材料
4.1.2 微生物测序过程
4.1.3 微生物多样性分析方法
4.2 结果与讨论
4.2.1 间歇循环曝气提高沼气中CH_4含量和产量初步研究中微生物群落结构多样性
(1) 细菌和古菌稀释性曲线
(2) 韦恩图分析
(3) 古菌微生物群落结构
(4) 细菌群落结构变化
(5) 细菌和古菌基因功能特征
4.2.2 间歇循环曝气提高沼气中CH_4含量和产量优化研究中微生物群落结构
(1) 细菌和古菌稀释性曲线
(2) 古菌群落结构变化
(3) 细菌群落结构变化
(4) 产甲烷菌形态变化
4.2.3 氨氮浓度提高沼气中CH_4含量和产量工艺研究微生物群落结构变化
(1) 细菌和古菌稀释性曲线
(2) 古菌群落结构变化
(3) 细菌群落结构变化
(4) 产甲烷菌形态变化
(5) 微生物群落结构与环境因子关系
(6) 微生物不同样品间距离关系
4.3 本章小结
第五章 H_2、CH_4和CO_2气泡在静水中上浮过程的运动特性模拟及试验研究
5.1 模型和方法
5.1.1 控制方程
5.1.2 几何模型及网格
5.1.3 物理模型
5.1.4 试验验证装置
5.1.5 试验设计
5.2 结果与讨论
5.2.1 单个CH_4气泡上浮过程中运动轨迹变化
(1) 气泡模拟验证
(2) 初始速度对单个CH_4气泡的影响
(3) 初始直径对单个CH_4气泡的影响
(4) 水温对单个CH_4气泡的影响
(5) 出口压力对单个CH_4气泡的影响
(6) 单个H_2和CO_2气泡上浮过程中运动形态变化
(7) 单个CH_4、H_2和CO_2气泡在静水中上浮过程直径变化
(8) 单个CH_4、H_2和CO_2气泡在静水中停留时间变化
5.2.2 CH_4、H_2和CO_2双气泡上浮过程中形态变化
(1) 气泡不同水平间距对CH_4双气泡在静水中上浮过程的影响
(2) 双气泡上浮过程中气泡融合及破碎过程流场变化
5.2.3 CH_4、H_2和CO_2三气泡上浮过程中形态变化
(1) 三个CH_4、H_2和CO_2气泡在静水中上浮运动形态变化
(2) 三气泡上浮过程中气泡融合及破碎过程流场变化
(3) 多个CH_4、H_2和CO_2气泡在静水中停留时间变化
5.3 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者和导师简介
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]废铁屑和废硫酸厌氧腐蚀析氢反应影响因素研究[J]. 李政伟,李秀金,袁海荣,左晓宇. 现代化工. 2019(07)
[2]液相中气泡上升行为与界面传质:实验研究与数值计算[J]. 李鑫,张攀,陈光辉,李建隆. 化工进展. 2019(02)
[3]沼气、沼液、沼渣在蔬菜生产中的应用[J]. 王虹,周晓静,李金玲,郑明燕,崔炯,高小峰,源朝政. 农业科技通讯. 2019(01)
[4]垃圾填埋气提纯生物天然气的碳减排效益分析[J]. 郝丽娟,孙明烨,常旭宁. 煤气与热力. 2018(12)
[5]沼气提纯制取生物天然气发展前景探究[J]. 黄娜茹,邓桂春,曾燕真. 石化技术. 2018(11)
[6]横向水流作用下气泡运动数值模拟[J]. 李永胜,王治云,杨茉. 轻工机械. 2018(05)
[7]气泡在液体中生成的试验及模拟[J]. 彭诗洋,张亚新,张峰. 中国科技论文. 2018(18)
[8]厌氧发酵液中平行气泡间相互作用的数值模拟[J]. 徐双,李少白,李润东,寇巍,于美玲. 可再生能源. 2018(09)
[9]中德沼气工程发展过程比较分析[J]. 徐慧,韩智勇,吴进,施国中. 中国沼气. 2018(04)
[10]气升式反应器气液混合及传质特性的CFD模拟[J]. 李干禄,韦策,吴昊,贺仁涛,吴兵,姜岷,欧阳平凯. 南京工业大学学报(自然科学版). 2018(04)
硕士论文
[1]餐厨垃圾两相厌氧发酵中试研究[D]. 李政伟.中国农业科学院 2016
[2]底吹气泡在液体中的行为研究[D]. 周航.东北大学 2013
[3]加压浆态鼓泡床反应器中部分流体力学特性的研究[D]. 杨索和.北京化工大学 2004
本文编号：3684654
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 沼气的产生过程及利用现状
1.1.1 沼气的产生过程
1.1.2 沼气的利用现状
1.1.4 生物天然气的概念
1.1.5 提高CH_4含量和产量的意义
1.2 生物法提高沼气CH_4含量的影响因素
1.2.1 温度
1.2.2 压力
1.2.3 气体组分比
1.2.4 提高CH_4含量工艺
1.3 沼气中CH_4含量提高的国内外研究现状
1.3.1 国外沼气CH_4含量提高的研究现状
1.3.2 国内沼气CH_4含量提高的研究现状
1.4 气泡运动的研究背景
1.5 气泡运动的数值模拟方法
1.5.1 VOF法
1.5.2 LBM法
1.5.3 LSM法
1.6 研究目的、内容以及技术路线
1.6.1 研究目的
1.6.2 研究内容
1.6.3 技术路线
第二章 废铁屑和废硫酸腐蚀析氢反应影响因素研究
2.1 材料和方法
2.1.1 材料及处理方法
2.1.2 试验设计
2.1.3 分析方法
2.2 结果与讨论
2.2.1 添加量对废铁屑累积析氢量的影响
2.2.2 粒径对废铁屑累积析氢量的影响
2.2.3 废硫酸pH值对废铁屑累积析氢量的影响
2.2.4 搅拌转速对废铁屑累积析氢量的影响
2.2.5 温度对废铁屑累积析氢量的影响
2.3 本章小结
第三章 添加外源氢异位提高沼气中CH_4含量和产量工艺研究
3.1 材料和方法
3.1.1 试验材料
3.1.2 反应器的设计及启动
3.1.3 分析方法
3.1.4 计算公式
3.2 结果与讨论
3.2.1 间歇循环曝气提高沼气中CH_4含量和产量初步研究
(1) CSTR和UR系统运行情况
(2) H_2利用率以及H_2转化为CH_4的效率
(3) CSTR和UR中CH_4的产量
3.2.2 间歇循环曝气提高沼气中CH_4含量和产量优化研究
(1) 反应器运行情况
(2) H_2利用效率、H_2转化为CH_4的效率、CH_4产量提高率
3.2.3 氨氮浓度提高沼气中CH_4含量和产量优化工艺研究系统运行情况
3.3 本章小结
第四章 添加外源氢异位提高沼气中CH_4含量和产量微生物群落结构变化研究
4.1 材料和方法
4.1.1 试验材料
4.1.2 微生物测序过程
4.1.3 微生物多样性分析方法
4.2 结果与讨论
4.2.1 间歇循环曝气提高沼气中CH_4含量和产量初步研究中微生物群落结构多样性
(1) 细菌和古菌稀释性曲线
(2) 韦恩图分析
(3) 古菌微生物群落结构
(4) 细菌群落结构变化
(5) 细菌和古菌基因功能特征
4.2.2 间歇循环曝气提高沼气中CH_4含量和产量优化研究中微生物群落结构
(1) 细菌和古菌稀释性曲线
(2) 古菌群落结构变化
(3) 细菌群落结构变化
(4) 产甲烷菌形态变化
4.2.3 氨氮浓度提高沼气中CH_4含量和产量工艺研究微生物群落结构变化
(1) 细菌和古菌稀释性曲线
(2) 古菌群落结构变化
(3) 细菌群落结构变化
(4) 产甲烷菌形态变化
(5) 微生物群落结构与环境因子关系
(6) 微生物不同样品间距离关系
4.3 本章小结
第五章 H_2、CH_4和CO_2气泡在静水中上浮过程的运动特性模拟及试验研究
5.1 模型和方法
5.1.1 控制方程
5.1.2 几何模型及网格
5.1.3 物理模型
5.1.4 试验验证装置
5.1.5 试验设计
5.2 结果与讨论
5.2.1 单个CH_4气泡上浮过程中运动轨迹变化
(1) 气泡模拟验证
(2) 初始速度对单个CH_4气泡的影响
(3) 初始直径对单个CH_4气泡的影响
(4) 水温对单个CH_4气泡的影响
(5) 出口压力对单个CH_4气泡的影响
(6) 单个H_2和CO_2气泡上浮过程中运动形态变化
(7) 单个CH_4、H_2和CO_2气泡在静水中上浮过程直径变化
(8) 单个CH_4、H_2和CO_2气泡在静水中停留时间变化
5.2.2 CH_4、H_2和CO_2双气泡上浮过程中形态变化
(1) 气泡不同水平间距对CH_4双气泡在静水中上浮过程的影响
(2) 双气泡上浮过程中气泡融合及破碎过程流场变化
5.2.3 CH_4、H_2和CO_2三气泡上浮过程中形态变化
(1) 三个CH_4、H_2和CO_2气泡在静水中上浮运动形态变化
(2) 三气泡上浮过程中气泡融合及破碎过程流场变化
(3) 多个CH_4、H_2和CO_2气泡在静水中停留时间变化
5.3 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者和导师简介
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]废铁屑和废硫酸厌氧腐蚀析氢反应影响因素研究[J]. 李政伟,李秀金,袁海荣,左晓宇. 现代化工. 2019(07)
[2]液相中气泡上升行为与界面传质:实验研究与数值计算[J]. 李鑫,张攀,陈光辉,李建隆. 化工进展. 2019(02)
[3]沼气、沼液、沼渣在蔬菜生产中的应用[J]. 王虹,周晓静,李金玲,郑明燕,崔炯,高小峰,源朝政. 农业科技通讯. 2019(01)
[4]垃圾填埋气提纯生物天然气的碳减排效益分析[J]. 郝丽娟,孙明烨,常旭宁. 煤气与热力. 2018(12)
[5]沼气提纯制取生物天然气发展前景探究[J]. 黄娜茹,邓桂春,曾燕真. 石化技术. 2018(11)
[6]横向水流作用下气泡运动数值模拟[J]. 李永胜,王治云,杨茉. 轻工机械. 2018(05)
[7]气泡在液体中生成的试验及模拟[J]. 彭诗洋,张亚新,张峰. 中国科技论文. 2018(18)
[8]厌氧发酵液中平行气泡间相互作用的数值模拟[J]. 徐双,李少白,李润东,寇巍,于美玲. 可再生能源. 2018(09)
[9]中德沼气工程发展过程比较分析[J]. 徐慧,韩智勇,吴进,施国中. 中国沼气. 2018(04)
[10]气升式反应器气液混合及传质特性的CFD模拟[J]. 李干禄,韦策,吴昊,贺仁涛,吴兵,姜岷,欧阳平凯. 南京工业大学学报(自然科学版). 2018(04)
硕士论文
[1]餐厨垃圾两相厌氧发酵中试研究[D]. 李政伟.中国农业科学院 2016
[2]底吹气泡在液体中的行为研究[D]. 周航.东北大学 2013
[3]加压浆态鼓泡床反应器中部分流体力学特性的研究[D]. 杨索和.北京化工大学 2004
本文编号：3684654
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