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《河南农业大学》 2007年
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环流罐式光合生物制氢反应器及其能量传输过程研究

周汝雁  
【摘要】: 本文是在国家“863”计划项目“中小型太阳能光合生物制氢系统及生产性运行研究”(编号:2006AA05Z119)和国家教育部博士点专项科研基金“太阳能光合生物制氢过程的热动力学研究”(编号:20060466001)的支持下进行研究的。 光合生物制氢是利用光合微生物自身新陈代谢放氢的特性来生产氢气,产氢可在有光照、常温、常压的温和条件下进行,光合生物生产氢气是能将废弃物利用、太阳能转化利用、环境污染治理等技术相融合的一种清洁能源生产方法,也是可同时解决能源危机和环境污染这两个严峻问题的最理想方法之一,最具研究开发与市场应用潜力。 提供运行稳定且适用性强的生产设备,不仅是生物制氢研究的重要环节,更是生物制氢规模化和工业化的重要内容。光合生物制氢反应器是制氢系统中的核心和关键设备,本文成功设计了较大规模的能够满足光合生物连续产氢的光合生物产氢反应器,并进行了间歇和连续产氢工艺的实验研究,为光合微生物规模化产氢技术和产氢工艺的进一步研究提供了良好的科研与应用基础。同时,论文对反应器产氢过程中能量的主要形式——热能和光能的传输过程进行了深入研究,并得到了最佳的热量传输和控制方法,以及降低能量消耗的途径,给出了该类光合生物产氢反应器的热量衡算方法,提出了各种光能传输过程中的计算方法,测量了各种光能传输过程中光照度的实际数据,指出了提高光转化效率的主要途径。研究表明在本文研制的环流罐式光合生物制氢反应器中通过能量的合理配置和利用,可降低能耗,有效提高光的转化效率。 主要研究成果有以下几个方面: 1、设计研制出有效容积为31.07L的新型环流罐式光合微生物制氢反应器。通过对反应器的结构、型式,操作模式,基质的传输及混合,光能采集与传输,热交换器及温度调控等方面的设计、计算和研究,研制出一种规模较大的,适宜于进行太阳能高效转化利用制备氢气的光合微生物制氢反应器。反应器为圆柱锥底立式罐,有较高的表面积与体积比;采用环流循环方式进行产氢原料和光合细菌的混合,避免了内置搅拌器安装造成的漏气问题,明显减少由于机械搅拌混合方式或气升混合方式产生的剪切力对细胞的损伤;在循环管路上设置了换热装置,将循环混合与换热设备相结合,在反应液循环混合的同时,实现了反应液的温度控制,解决热量的传输问题,取代了传统的双层罐体夹层或盘管保温方法,降低了反应器的生产成本和体积规格;将人工智能方法——模糊逻辑理论用于换热器温度的调节,采用多输入单输出结构模糊逻辑推理,建立了换热器温度与环境温度、光照强度和反应器内温度之间的调节关系,解决了生物反应过程反应机理复杂、影响因素多、影响因素时变造成的难于建立数学模型、温度调节滞后的难题,实现了反应器内温度的智能化调控,有效利用了可利用的能源,节约了反应器运行能源的消耗,降低了运行成本;采用由太阳能聚焦采光器、滤光器、光导纤维、太阳光再分配器组成的太阳光高效聚焦传输系统,将与光合产氢菌的吸收光谱特性相耦合的光经由光导纤维和光再分配器从四个置于反应器中的透明套筒输送到反应器中,改善了深层区域光照度差的问题,使太阳光在反应液中较均匀地分配,达到了太阳光能的高效率转化,大大提高了太阳能的利用率。为中试规模的光合生物制氢反应器的研制提供了科学的实验数据和可靠的技术参数。 2、在本文研制的环流罐式光合生物制氢反应器中,利用经过处理的猪粪污水作为产氢底物,用经过固定化处理的光合细菌菌群,进行了间歇产氢和连续产氢实验,得到如下结论:在间歇产氢过程中,以初始COD为5130mg·L~(-1)猪粪污水为底物时,pH值在5.6与6.8之间,无需调整:利用太阳光采集、传输设备和辅助光源,可提供1840 1x~3012 1x光照度的连续照射,可满足光合细菌产氢过程对光能的需求;采用循环换热器和模糊逻辑温度调节方法,反应液温度可控制在(31±2)℃之间。间歇产氢实验较高产氢速率持续近96小时,得到光合微生物反应器平均产氢速率为484.7ml/L·d,最大产氢速率为877.4ml/L·d,COD产氢率为171.4mlH_2/gCOD·d,原料的转化利用率为68.4%。在连续产氢过程中,以初始COD为5216 mg·L~(-1)的猪粪污水为产氢底物,添加底物原料的COD调节在5000 mg·L~(-1)~5500 mg·L~(-1)之间时,pH值从初始的5.6升高至6.3~6.5之间,比较稳定,无需调整:可提供1557.8 1x-3079.91x的连续光照,温度可调节在(31±2)℃之间。连续产氢实验连续进行了69天,连续稳定产氢达63天,光合微生物反应器最大产氢速率为722.6ml/L·d,稳定产氢期间,获得了平均633.1ml/L·d的产氢速率,COD产氢率为172.9ml/gCOD·d,原料的平均转化利用率为61.7%。实验不仅验证了反应器设计的合理性和实用性,能为光合细菌产氢提供良好的反应环境和条件,也为将来环流罐式光合生物制氢反应器的进一步扩大实验与应用,以及制氢工艺的优化提供了科学参考。 3、在产氢实验及实验数据的基础上,对产氢过程反应器中的热量传输过程进行了深入研究,给出了光合生物制氢反应器热量传递过程中的热量衡算式,并对热量衡算式中各项的主要影响因素进行了实验研究和计算分析,给出了该类光合生物制氢反应器最佳(最节能)的热能传输状态。 4、从提高光合生物制氢反应器光转化效率的目的出发,对产氢过程反应器中的光能传输过程进行了深入研究。分析了光合微生物制氢反应器中光能的传输过程,给出了各种传输过程中光能的计算方法,得到了间歇光合产氢过程光转化效率为10.85%、连续光合产氢过程光转化效率为14.55%的高能量转化效率。研究表明通过光源的采集、过滤、传输、分配、补充等技术,可达到合理利用和分散表面光源的目的和效果,大大提高了光的转化效率。
【学位授予单位】:河南农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TQ116.2

【引证文献】
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1 李德峰;光合生物连续制氢装置的太阳能供光系统实验研究[D];河南农业大学;2010年
2 曾凡;太阳能光合生物连续制氢系统的火用分析研究[D];河南农业大学;2011年
3 孙扬;植物光合增效剂对玉米产量和叶片光合指标的影响[D];吉林农业大学;2013年
4 姜海青;红麻干旱胁迫的蛋白质组学初步研究[D];福建农林大学;2008年
5 姚华;三种锦鸡儿属植物幼苗对水分胁迫的响应[D];新疆师范大学;2009年
6 牛新湘;新疆棉花生产力及生产潜力的研究[D];新疆农业大学;2003年
7 张庆莲;盐生杜氏藻具有独特双结构域3-磷酸甘油脱氢酶的功能鉴定[D];四川大学;2005年
8 曹少娜;一株微拟球藻的鉴定及其光保护机制研究[D];青岛农业大学;2013年
9 成慧敏;两种模式蓝藻CCM的运转及其对过剩光能的耗散作用[D];华中师范大学;2006年
10 韩滨旭;光合产氢菌群的分离鉴定及其产氢特性分析[D];河南农业大学;2011年
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