论文部分内容阅读
氢气是清洁、高效、可再生能源,也是化石燃料的理想替代品之一。生物制氢具有回收能源和净化环境的双重功效。提高生物产氢能力、降低制氢成本是生物制氢技术发展的关键因素。当前,关于生物制氢机理与产氢菌的研究报道甚多,但是鲜见关于生物制氢反应器物理性质的研究报道。研究和了解生物制氢反应器的运行机理是成功开展反应器设计与运行的先决条件。对于一个已经确定的生物处理过程,反应器必须能够提供最佳的剪切效应,良好的传质与混合环境,包括pH、温度和基质浓度的合理调控。目前,虽然已有很多的生物制氢反应器投入使用,但是绝大多数都是由半经验公式设计而成,关于此类反应器流体力学参数的定量分析甚少涉及。针对以上问题,本论文以EGSB生物制氢反应器为研究对象,借助计算流体力学工具,首次构建了EGSB反应区三相流体力学模型和EGSB全反应器三相流体力学-反应动力学耦合模型。并借助模型,开展EGSB生物制氢反应器流场数值模拟与优化研究。为获取反应器优质流场,提高生物产氢效能,选取合适的水力停留时间,至关重要。当水流上升流速适中时,颗粒污泥之间的相互扰动和轴向脉动较小,但同较低液面上流速度相比,液体的混合和紊动程度较好,同较高液面流速度相比,液体的混合和紊动程度又较差,此时流动状态处于推流与混合之间。气-液-固三相系统存在一定的非均匀性,其中伴随着污泥簇团的形成与溃散。泥团的形成,涉及到气-固、固-固和固-壁之间的相互作用,这是一个非常复杂的过程。生物气体气泡的产生、释放,以及气泡大小的变化,都是影响反应器中污泥循环与泥团形成的关键因素。在实际工程运行调控时,可选择0.5mm/s作为EGSB反应器废水进口最佳上升流速控制值。在上升流速0.5mm/s条件下,能够保证污泥颗粒与液体间充分接触和混合,加速生化反应过程,生物氢气在合理的剪切扰动下,更容易从污泥中得到释放;该条件下,预测最大潜在产氢速率为预测最大潜在产氢速率为1.052(L/L·h),预测实际产氢速率达到0.815(L/L·h)。提出来了所建立的两个模型的应用范围和局限性,并为后续模型发展提供了建议和拓展方向。