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《哈尔滨工业大学》 2010年
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基于能值理论的发酵法生物制氢技术环境—资源—经济综合效率评价

陈鸣岐  
【摘要】: 针对发酵法生物制氢技术综合效率评价问题,以发酵法生物制氢技术为基础,将三元相图与能值方法相结合,构建了发酵法生物制氢工艺的环境-资源-技术综合效率模型;在实验工艺层次上,以发酵法生物制氢实验数据为基础,评价了种泥培养、制氢反应器和制氢底物三个部分不同工艺的综合效率指标;以此为基础,在产业工艺层次上,计算得出生物制氢示范工程的综合效率指标,并将其与已有的可再生能源生产技术进行了比较和分析。 在构建发酵法生物制氢工艺的环境-资源-技术综合效率模型中,按照发酵制氢技术的产氢原理和流程,将工艺分为三个部分:种泥培养、制氢反应器和制氢底物。引入能值理论,将各种生态流转换为以能值为统一量纲的能值流,构建了发酵法生物制氢技术环境-资源-经济综合效率模型,模型由两部分组成,包括:发酵法生物制氢技术能值综合指标计算模型和能值投入结构系数三元相图模型,并对模型的各个部分进行了说明。设计出能值模型的应用方案,包括能值分析步骤,能量系统图的绘制和能值分析表的编制。 对发酵法生物制氢技术的实验工艺层次的综合效率评价,分别从种泥培养、制氢反应器和制氢底物三个部分进行。种泥培养分为混合培养和纯培养生物制氢两种方法。首先对混合培养的四种预处理方法所选实验进行数据汇总和能值计算,所选取的实验都采用相同的连续流搅拌槽式反应器(CSTR),以葡萄糖为底物。用三元相图模型拟合出各种预处理方法的能值投入结构系数,结合不同工艺的能值消耗与产氢量关系曲线,计算并评价了各工艺的综合效率指标。分析可知,热处理方法的产氢能值投资率(EIR)最低,为0.24;4种方法的产氢能值可持续发展指数(ESI)属中等水平,其中碱法预处理的ESI最高,为4.28。加热预处理方法的单位能值产氢率(HYE)高于其他三种预处理方法。因此加热预处理的方法更适合用于种泥培养。然后对纯培养发酵制氢实验进行了数据汇总和能值计算,用三元相图模型拟合出该工艺的能值投入结构系数,绘制了种泥纯培养工艺能值消耗与产氢量关系曲线,计算并评价了该工艺的综合效率指标。可知,以葡萄糖为底物,分批培养方式运行的种泥纯培养发酵产氢方法的ESI1,综合效率很低。 在制氢反应器部分,对目前常用的CSTR,上流式厌氧污泥床反应器(UASB),厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)和厌氧生物流化床(AFB)四种构型反应器发酵产氢实验进行数据汇总和能值计算,用三元相图模型拟合出各种构型反应器发酵产氢工艺的能值投入结构系数,结合不同工艺的能值消耗与产氢量关系曲线,计算并评价了各工艺的综合效率指标。分析可知,用曝气预处理方法培养种泥,以有机废水为产氢底物时,EGSB的EIR最低,为0.37;CSTR和EGSB作为制氢反应器发酵产氢时,属于中等可持续发展水平,ESI均大于1,但CSTR的ESI值低于EGSB;EGSB的HYE最大值为0.33,是这四种构型中最高的,并且EGSB和CSTR的HYE大于其余两种构型制氢反应器。结合能值消耗量与产氢量关系曲线可知,EGSB作为制氢反应器发酵产氢具有更好的综合效率。此外,探讨了反应器的运行条件对产氢能值消耗的影响。结果表明,对于利用相同底物和种泥培养方法,相同的CSTR反应器发酵产氢的工艺,通过合理的调节反应器的运行条件,可以用较低的能值投入增加量获得较高的氢气产出。 在制氢底物部分,对糖蜜废水、秸秆和城市固体有机废弃物(MSW)三种底物发酵产氢工艺的综合效率进行评价。在对各实验进行能值消耗量计算的基础上,由三元相图拟合得到能值投入结构系数,计算分析了不同底物发酵产氢的综合效率指标,结果表明:糖蜜废水的净能值产氢率(EYR)最高,为5.26;三种底物的产氢环境负荷率(ELR)都很低,对环境的影响很小;糖蜜废水的产氢能值自给率(ESR)最高,为0.78;三种底物都具有发展的潜力,ESI均大于1,糖蜜废水的可持续发展性最佳;三种底物的HYE数值接近。因此,糖蜜废水发酵产氢技术的综合效率最好,就目前的技术水平而言,最适宜作为发酵产氢工艺的底物。 在产业工艺层次上,对有机废水发酵法生物制氢技术生产示范性工程进行了能值投入和产出计算。在生物制氢技术产业工艺初期,信息流的能值量在这一阶段的能值总量上占有一定份额,示范工程中的智力文化等信息流的能值输入和输出分别占总输入和输出能值的3.3%和3.7%。生物制氢示范工程的生产效率很高,EYR为3.21,仅次于核电和生物柴油;该项目利用有机废水为底物比其他经济价值较高的底物更节省环境能源的投入,EIR值低于全球平均值;项目ESR为0.67,需要改进生产工艺,减少不可更新辅助能的投入;在生物氢气产业发展初期得到的政府扶植力度还需要加强,产氢能值补益率(EAR)远低于生物柴油;项目的产氢可再生能值率(RER)达到3.09,可再生性高,用作底物的有机废水可以被持续应用,是一种不会枯竭的资源;ESI为2.31,具有活力和发展潜力,可以在较长时期内持续发展。
【学位授予单位】:

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