EGSB生物制氫反應(yīng)器流場(chǎng)數(shù)值模擬與優(yōu)化.pdf

1、氫氣是清潔、高效、可再生能源，也是化石燃料的理想替代品之一。生物制氫具有回收能源和凈化環(huán)境的雙重功效。提高生物產(chǎn)氫能力、降低制氫成本是生物制氫技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。當(dāng)前，關(guān)于生物制氫機(jī)理與產(chǎn)氫菌的研究報(bào)道甚多，但是鮮見關(guān)于生物制氫反應(yīng)器物理性質(zhì)的研究報(bào)道。研究和了解生物制氫反應(yīng)器的運(yùn)行機(jī)理是成功開展反應(yīng)器設(shè)計(jì)與運(yùn)行的先決條件。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)確定的生物處理過程，反應(yīng)器必須能夠提供最佳的剪切效應(yīng)，良好的傳質(zhì)與混合環(huán)境，包括pH、溫度和基質(zhì)濃度的

2、合理調(diào)控。目前，雖然已有很多的生物制氫反應(yīng)器投入使用，但是絕大多數(shù)都是由半經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)而成，關(guān)于此類反應(yīng)器流體力學(xué)參數(shù)的定量分析甚少涉及。
　　針對(duì)以上問題，本論文以EGSB生物制氫反應(yīng)器為研究對(duì)象，借助計(jì)算流體力學(xué)工具，首次構(gòu)建了EGSB反應(yīng)區(qū)三相流體力學(xué)模型和EGSB全反應(yīng)器三相流體力學(xué)-反應(yīng)動(dòng)力學(xué)耦合模型。并借助模型，開展EGSB生物制氫反應(yīng)器流場(chǎng)數(shù)值模擬與優(yōu)化研究。
　　為獲取反應(yīng)器優(yōu)質(zhì)流場(chǎng)，提高生物產(chǎn)氫效能，選取合

3、適的水力停留時(shí)間，至關(guān)重要。當(dāng)水流上升流速適中時(shí)，顆粒污泥之間的相互擾動(dòng)和軸向脈動(dòng)較小，但同較低液面上流速度相比，液體的混合和紊動(dòng)程度較好，同較高液面流速度相比，液體的混合和紊動(dòng)程度又較差，此時(shí)流動(dòng)狀態(tài)處于推流與混合之間。氣-液-固三相系統(tǒng)存在一定的非均勻性，其中伴隨著污泥簇團(tuán)的形成與潰散。泥團(tuán)的形成，涉及到氣-固、固-固和固-壁之間的相互作用，這是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。生物氣體氣泡的產(chǎn)生、釋放，以及氣泡大小的變化，都是影響反應(yīng)器中污泥循

4、環(huán)與泥團(tuán)形成的關(guān)鍵因素。在實(shí)際工程運(yùn)行調(diào)控時(shí)，可選擇0.5mm/s作為EGSB反應(yīng)器廢水進(jìn)口最佳上升流速控制值。在上升流速0.5mm/s條件下，能夠保證污泥顆粒與液體間充分接觸和混合，加速生化反應(yīng)過程，生物氫氣在合理的剪切擾動(dòng)下，更容易從污泥中得到釋放；該條件下，預(yù)測(cè)最大潛在產(chǎn)氫速率為預(yù)測(cè)最大潛在產(chǎn)氫速率為1.052（L/L·h），預(yù)測(cè)實(shí)際產(chǎn)氫速率達(dá)到0.815（L/L·h）。提出來了所建立的兩個(gè)模型的應(yīng)用范圍和局限性，并為后續(xù)模型發(fā)展