沼气原位提纯方法及其反应器设计研究

摘要

沼气作为可再生能源，具有替代天然气的潜力。而通过嗜氢产甲烷途径提纯沼气已经成为原位提纯沼气的重要研究方向之一。本实验通过一系列的研究，使用自行设计的新型厌氧反应器进行沼气原位提纯实验，验证了嗜氢产甲烷途径的提纯效果。具体工作如下:
　　(1)餐厨垃圾外源加氢厌氧消化实验中，A、B和C组平均甲烷含量分别为62.72％、19.09％和26.56％。实验第5天时，C组的总酸含量相对于A组增加了15.95％，其中乙酸的增量占总酸增量的47.1％。
　　(2)向以餐厨垃圾为原料的中温厌氧发酵实验中分别添加四种不同金属粉末，结果发现铁能够有效强化甲烷富集。厌氧消化稳定后铁粉组的平均甲烷含量为85.20％相对于对照组的67.58％，提高了26.07％，到培养后期铁粉组甲烷含量最高可达98.87％。铁粉组的累积甲烷产量比对照组提高8.26％。其中金属粉末还原反应生成的H2还原CO2转化而成的CH4，占增长量的12.67％。
　　(3)在设计新型厌氧反应器的过程中，使用Fluent软件对气液两相流场数值进行模拟计算，分别对折流板的数量、宽度和间距进行考察。分别从竖剖面速度分布、折流板下表面含气率和流板下表面氢气X方向速度径向分布情况三个方面比较，得出最佳组合为宽度31.5mm，板间距75mm和折流板数量4个。
　　(4)使用新型厌氧反应器进行嗜氢产甲烷实验，结果发现提纯前平均甲烷含量为66.39％，日产甲烷量为0.73L/d;提纯后最高甲烷含量可达86.74％，日产甲烷量为0.94L/d，嗜氢途径对产甲烷的贡献率由17.16％提升至29.21％，氢气转化率由初期的46.87％提升至90.45％。嗜氢产甲烷反应显著提升了沼气中的甲烷含量。从微生物群落结构分析，嗜氢产甲烷菌得到有效富集，而嗜乙酸产甲烷菌虽然仍占据主导地位但物种相对丰度呈现明显下降趋势。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 沼气提纯的必要性

1．2 异位提纯技术

1．2．1 吸收分离法

1．2．2 吸附分离法

1．2．3 渗透分离法

1．2．4 液化分离法

1．3 原位提纯技术

1．3．1 原位物理提纯法

1．3．2 原位生物提纯法

1．4．1 沼气原位提纯国外研究进展

1．4．2 沼气原位提纯国内研究进展

1．5 课题研究意义

1．6 技术路钱

第二章 餐厨垃圾外源加氢厌氧消化实验

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验装置

2．1．3 实验方法

2．1．4 分析方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 外源加氢对甲烷含量的影响

2．2．2 外源加氢对挥发性有机酸的影响

2．2．3 外源加氢对氨氮和碱度的影响

2．3 实验小结

第三章 添加外源金属沼气原位提纯方法研究

3．1．2 实验装置

3．1．3 实验方法

3．1．4 分析方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 不同金属粉末对产气性能的影响

3．3．2 不同金属粉末对挥发性有机酸的影响

3．3．3 不同金属粉末对系统稳定性的影响

3．4 本章小结

第四章 沼气原位提纯反应器的设计与制作

4．1 反应器设计

4．2 折流板设计

4．2．1 模拟条件的筛选

4．2．2 折流板宽度的优化模拟

4．2．3 折流板间距的优化模拟

4．2．4 折流板数量的优化模拟

4．3 反应器制作

4．3．1 装置主体的制作

4．3．2 液体循环与温度控制体系的建立

4．3．3 气体循环体系的建立

4．3．4 折流板与填料的制作

4．4 本章小结

第五章 沼气原位提纯反应器提纯效果研究

5．1 材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验装置

5．1．3 实验方法

5．1．4 分析方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 外源氢气对产气性能的影响

5．2．2 外源氢气对挥发性有机酸的影响

5．2．3 外源氢气对系统稳定性的影响

5．2．4 微生物群落结构分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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