基于太陽能的生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫裝置設(shè)計及其運行研究.pdf

1、生物制氫技術(shù)具有原料豐富、生產(chǎn)過程清潔、節(jié)能、不需要消耗礦物資源等特點，既實現(xiàn)了廢棄物資源化利用，降低了環(huán)境污染，又提供了清潔的氫能源，緩解了能源危機(jī)，因此具有廣闊的發(fā)展前景。目前，生物制氫技術(shù)發(fā)展迅速，限制其發(fā)展的一個重要因素是能量轉(zhuǎn)換率低，成本較高，無法滿足低成本制氫的要求，研究開發(fā)具有連續(xù)生產(chǎn)能力的高效生物制氫反應(yīng)器不僅能夠降低制氫成本，提高轉(zhuǎn)化效率，也是實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件，是生物制氫技術(shù)研究從實驗室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2、。
　　本論文是在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目“生物制氫關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（項目編號：2012AA051502）的資助下完成的。針對當(dāng)前制氫成本高和暗發(fā)酵抑制光合產(chǎn)氫的問題，在新型生物質(zhì)暗-光聯(lián)合制氫工藝研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)工程運行的實際要求，通過生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫反應(yīng)器的設(shè)計，太陽能光電光熱轉(zhuǎn)換單元的設(shè)計，光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計等，建立了一套基于太陽能的連續(xù)、高效的生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫實驗裝置，該裝

3、置能顯著降低發(fā)酵過程對傳統(tǒng)化石能源的消耗率，消除暗發(fā)酵液對光發(fā)酵的抑制作用，提高生物制氫效率，降低制氫成本，為實現(xiàn)生物制氫技術(shù)由理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化及生物制氫技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)參考。研究成果如下：
　　（1）依據(jù)設(shè)計原則和技術(shù)途徑，確定聯(lián)合制氫反應(yīng)器ABR型結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，按照前文既定的設(shè)計規(guī)模和工藝參數(shù)，計算設(shè)計聯(lián)合制氫反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)尺寸。暗發(fā)酵制氫單元的總體積為3.366m3，有效體積為3.023m3，光發(fā)酵制氫

4、單元的總體積為10.56m3，有效體積為7.8113m3，暗-光聯(lián)合制氫反應(yīng)器的總體積達(dá)到15m3。
　?。?）綜合中國太陽能資源的分布現(xiàn)狀和光合制氫對光照的要求，確定以太陽光為主光源、LED為輔助光源的基本設(shè)計；對太陽光自動跟蹤聚光與光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計安裝24個太陽能聚光器，共輸出96束光，采光面積為2.78m2，能夠滿足系統(tǒng)發(fā)酵過程的光照需求；設(shè)計選用黃色LED作為輔助光源，共布置LED布光管道117個，系統(tǒng)每天的

5、需電量為2053W·h左右，太陽能電池板的電池容量579.9Wp，設(shè)計采用8塊電池板組合而成，選取6塊電壓為12V、容量為200A·h的蓄電池并聯(lián)使用。
　?。?）分析聯(lián)合制氫系統(tǒng)對溫度的基本需求，對系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系進(jìn)行分析計算，系統(tǒng)每天的需熱量為964.32×103kJ/d；根據(jù)系統(tǒng)需熱量，設(shè)計選用660根左右1800×58的太陽能真空管，總集熱面積為100.32m2；設(shè)計選用容積為2000L的蓄熱水箱，選取電壓220V，功率

6、5kw的單相型號為DFS-H5型的輔助電加熱系統(tǒng)。
　?。?）根據(jù)光合生物制氫系統(tǒng)連續(xù)運行的菌種要求以及光合產(chǎn)氫菌種HAU-M1的生長特性，設(shè)計了一套光合細(xì)菌菌種培養(yǎng)裝置，研究了該套裝置對菌種的連續(xù)培養(yǎng)和菌種穩(wěn)定供應(yīng)的影響因素，優(yōu)化了該裝置的初始接種量、水力停留時間等工藝參數(shù)，并進(jìn)行連續(xù)性培養(yǎng)及運行實驗。研究表明，在初始接種量為15％，水力停留時間為48h，溫度為30℃，光照強(qiáng)度為2080Lux，pH值為6.8的條件下，菌種培養(yǎng)裝

7、置出口培養(yǎng)液濃度可以穩(wěn)定在10%~20%，出口流量維持在28.96L/h左右，能夠滿足光合生物制氫系統(tǒng)對菌種穩(wěn)定供應(yīng)的實際需要，表明光合細(xì)菌菌種培養(yǎng)裝置應(yīng)用于光合生物制氫系統(tǒng)連續(xù)性運行的技術(shù)可行性。
　?。?）生物質(zhì)暗-光聯(lián)合生物制氫系統(tǒng)在前期試運行調(diào)整后，經(jīng)過180天的生產(chǎn)性運行，整體運行穩(wěn)定，原料利用率、料液溫度、料液pH值、產(chǎn)氫量、氫氣濃度等工藝參數(shù)和運行指標(biāo)均較為平穩(wěn)，平均日產(chǎn)氫量42.76m3，平均氫氣濃度為61.78%