玉米秸秆生物发酵制氢CSTR反应器内多相流场特性及其对产氢效率的影响规律

Growing shortage of energy is a major problem facing the word. This can be effectively mitigated by fermentative hydrogen production by using stalk biomass. However, at present, there are two major technical problems existing in this technology: efficacy of hydrogen production relatively low, and difficult to optimize, design and amplify the reactor. Basis on this, with the CSTR reactor for hydrogen production by fermentation from corn stalk as the research object, study of the characteristics of the multi phase flow in reactor, and the influence law on efficacy of hydrogen production. The concrete contents include: theoretical analysis and calculation the characteristics of the gas - liquid - solid three phase fluid in the fermentative hydrogen production reactor; modeling and solving of the coupled local transient CFD model of fluid flow, inter-phase mass transfer of gas-liquid and liquid-solid, and hydrogen production dynamics of process in CSTR reactor ; building quantitative prediction model of the relationship between efficacy of hydrogen production and fluid flow in the reactor by experiment of fermentation hydrogen production from corn stalk. The aim of this project is to reveal effect of structure, mass transfer performance and operating conditions of the CSTR reactor to efficacy of hydrogen production, and improve the energy efficiency of hydrogen production by using stalk biomass, which will provide theories and technologies for the Amplification and design of CSTR reactor for bio-hydrogen production by fermention technology.

能源日益短缺是世界各国面临的重大难题，利用秸秆类生物质生物发酵制氢是缓解该问题的有效途径。然而，秸秆类生物质生物发酵制氢技术面临产氢效能较低，反应器优化、设计及放大困难两大难题。基于此，本项目以玉米秸秆生物发酵制氢连续搅拌槽式反应器（CSTR）为研究对象，对反应器内气-液-固多相流场特性及其对过程产氢效率的影响规律进行研究。具体内容包括：理论分析与计算生物发酵制氢CSTR反应器内气-液-固三相流体的流场特性；研究CSTR反应器内流体流动、气液和液固相间传质及发酵产氢动力学间相耦合的局部瞬态CFD建模及求解；通过实验室玉米秸秆生物发酵制氢实验，建立玉米秸秆发酵制氢产氢效率与反应器内流体流态间关系的定量预测模型。本项目旨在从微观层次上揭示反应器的结构、传质性能、运行条件与产氢效率间的关系，有效提高秸秆类生物质的产氢能效，并为制氢反应器的放大与设计提供理论基础和技术支持。

能源日益短缺是世界各国面临的重大难题，利用秸秆类生物质生物发酵制氢是缓解该问题的有效途径。本项目以玉米秸秆生物发酵制氢连续搅拌槽式反应器（CSTR）为研究对象，采用CFD模拟与实验相结合的方法对反应器内多相流场特性及其对发酵过程产氢效率的影响规律进行了研究，并对秸秆类生物质发酵制氢动力学及机制进行了探讨。（1）进行 CFD模拟生物发酵制氢CSTR反应器内流体流场特性的建模，对所建立的CSTR反应器模型中流场进行数值模拟与优化，得到较优运行条件为：以45 °斜叶涡轮搅拌桨为旋转装置，桨槽径比为0.53，搅拌桨转速为120 rpm，在该条件下，CSTR反应器模型中流场速度、剪切力、湍动能、气相体积分率等关键流体流场特性均较优；在CSTR反应器中进行了玉米秸秆生物发酵制氢验证实验，结果表明，在CSTR反应器中配置45 °斜叶涡轮搅拌桨较配置双叶搅拌桨产氢效果有明显提高；45 °斜叶涡轮搅拌桨桨槽径比为0.53、在120 rpm下取得较优产氢量，较前期研究提高16.5%；经分析，主反应区料液均匀混合有利于提高产氢量，剪切力和氢气体积分率较高时微生物的产氢能力有所降低；（2）对玉米秸秆发酵制氢过程动力学行为及机制进行了解析，采用适宜的动力学模型分别对玉米秸秆发酵制氢过程的微生物生长、产物氢气生成和底物消耗过程进行了描述，获得了相应的动力学模型和参数，通过对模型参数的分析，明晰了玉米秸秆在30 L制氢反应器中的发酵动力学规律。本项目的研究从微观层次上揭示了反应器的结构、运行条件、流场特性等与产氢效率间的关系，通过对反应结构的优化提高了其中流体混合性能，实现了秸秆类生物质产氢能效的提高，研究结果可为生物发酵制氢CSTR反应器的设计与放大提供了基础数据和理论基础。