槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统传热及转化特性研究

摘要

能源需求的压力和气候变化的严峻形势促进了清洁能源、碳捕集、利用和封存技术的发展。微藻能源转化一方面可以捕集、利用和封存空气中的CO2，另一方面生成的生物质是制取生物燃料的理想原料，因此研发微藻能源转化技术在缓解能源需求压力和气候变化严峻形势两个方面均具有积极的意义。厌氧发酵可以把微藻转化成沼气，具有广阔的发展前景。然而，微藻致密的细胞壁结构导致厌氧发酵过程中生物质利用率低、发酵速率缓慢和甲烷产量低等问题。水热预处理能够破坏微藻细胞壁结构、促进微藻中高分子有机组分水解，从而有效地提高微藻厌氧发酵甲烷产量。但是，微藻水热水解缺少有效的动力学描述使其过程强化变得困难，而且微藻水热预处理过程能量投入大限制了该过程的工业应用。　　因此，本文在研究微藻水热水解动力学的基础上，提出了槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统，并围绕该预处理系统开展了系统的研究。本文首先研究了微藻水热水解反应动力学，获得了微藻水热水解特性及微藻中碳水化合物和蛋白质水热水解反应动力学方程。其次，设计并搭建了槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统，研究了该系统中微藻的水热水解特性，得到了太阳直射辐射强度、藻浆流量和浓度对微藻水热水解产物中可溶性碳水化合物和蛋白质得率的影响规律；对该系统微藻水热水解产物进行了发酵产甲烷潜力测试，验证了槽式太阳能集热器微藻水热预处理强化微藻厌氧发酵的可行性；同时对槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵耦合制取沼气过程进行了可用能分析，为进一步提高该耦合过程可用能效率提供指导。随后，针对槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统中涉及的非牛顿流体流动传热和转化这一复杂物理化学过程，建立了非均匀热边界条件下非牛顿流体流动传热及转化模型，得到了该实验系统集热管内藻浆流动传热及转化特性；同时建立了未来工业应用系统中非均匀热边界条件下非牛顿流体层流混合对流及转化模型，得到了工业应用系统集热管内藻浆流动传热及转化特性。最后，对槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵耦合制取沼气集成系统进行了全生命周期评价及经济性分析，得到了该集成系统的环境效益及经济效益，并对进一步提高该集成系统环境及经济效益提供了理论指导。本文获得的主要结论如下：　　①研究了水热预处理条件对微藻解聚过程的影响，建立微藻中碳水化合物和蛋白质水热水解动力学方程。结果显示，增加水热预处理温度和保温时间可以促进微藻中碳水化合物和蛋白质的水解。然而，当水热预处理温度为180℃时，微藻水热水解产生的可溶性碳水化合物被降解，因此水热预处理温度应该低于180℃。微藻中碳水化合物和蛋白质水热水解均为一级反应、指前因子分别为0.74和4.745g/（L·s）、活化能分别为29.14和37.49kJ/mol。微藻中碳水化合物和蛋白质水热水解动力学模型具有良好的精度，可以用于预测微藻水热水解产物中可溶性碳水化合物和蛋白质得率。此外，当水热预处理温度为160℃、保温时间从0增加40min时，微藻水热水解固相残留物中热稳定性低的有机组分溶解于液相中；当保温时间为20min、水热预处理温度从120升高180℃时，微藻水热水解固相残留物中的油脂被降解。水热水解动力学研究为微藻水热水解反应器设计、过程控制、产物预测和过程强化提供了理论指导。　　②搭建了槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统，研究了太阳直射辐射强度、藻浆流量和浓度对该系统中微藻水热水解特性的影响。结果显示，太阳直射辐射强度、藻浆流量和浓度影响到集热管内藻浆温度，使得可溶性碳水化合物和蛋白质得率发生变化。当藻浆流量为40L/h、太阳直射辐射强度从604增加到823W/m2时，集热器出口藻浆平均温度从133.9℃增加到168.2℃，可溶性碳水化合物得率先增加后减小，可溶性蛋白质得率增加；当太阳直射辐射强度为735W/m2、藻浆流量从30L/h增加到60L/h时，集热器出口藻浆平均温度从177.1减小到121.6℃，可溶性碳水化合物得率先增加后减小，可溶性蛋白质得率减小。当藻浆流量为40L/h、太阳直射辐射强度为770W/m2、藻浆浓度从1%增加到7%时，集热器出口藻浆平均温度基本维持在160℃，但是集热管内近壁面藻浆与主流区藻浆温差增大，使得可溶性碳水化合物和蛋白质得率减小。此外，槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵耦合制取沼气过程甲烷产量为347ml/g（挥发性固体），与无预处理微藻厌氧发酵相比增加了57%；该耦合制取沼气过程可用能效率为39.23%，与无预处理和水热预处理微藻厌氧发酵相比，分别增加了52.8%和13.9%；利用沼渣中的可用能可以进一步提高耦合制取沼气过程可用能效率。槽式太阳能集热器微藻水热预处理技术能够成功地强化微藻厌氧发酵过程，具有广阔的发展前景。　　③在上述实验研究基础上，建立了非均匀热边界条件下具有非牛顿流体特性的微藻浆液管内流动传热与转化模型，研究了太阳直射辐射强度、藻浆浓度对集热管内藻浆流动传热及转化特性的影响。结果显示，集热管内藻浆处于层流自然对流状态，非均匀热边界条件引起藻浆呈现出非均匀的温度场，使得集热管横截面藻浆出现二次流；二次流促进了集热管内藻浆的混合，在一定程度上促进了藻浆与集热管之间的换热。非均匀温度场导致藻浆呈现出非均匀的粘度场，使得集热管内藻浆呈现出复杂的流动与传热特性。当藻浆流量为60L/h、浓度为5%、太阳直射辐射强度从650增加到850W/m2时，沿藻浆流动方向，近壁面藻浆粘度先增加后减小，使得集热管横截面藻浆二次流流速先减小后增加，藻浆壁面平均剪切力先增加后减小，局部Nu先减小后增加。当藻浆流量为60L/h、太阳直射辐射强度为750W/m2、藻浆浓度从5%增加到15%时，近壁面藻浆粘度增加，使得集热管横截面藻浆二次流流速减小，藻浆壁面平均剪切力增加，局部Nu减小。集热管内藻浆流动传热及转化特性研究为槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统设计及优化提供了理论指导。　　④建立了槽式太阳能集热器微藻水热预处理在未来工业应用条件（集热面积大、藻浆流量大）下，集热管内非牛顿流体流动传热与转化模型，研究了太阳直射辐射强度、藻浆浓度对集热管内藻浆流动传热及转化特性的影响。结果显示，集热管内藻浆处于层流混合对流状态；藻浆温度及剪切速率变化导致藻浆粘度发生变化，使得集热管内藻浆呈现出复杂的流动与传热特性。当藻浆流量为600L/h、浓度为5%、太阳直射辐射强度从650增加到850W/m2时，沿藻浆流动方向，近壁面藻浆粘度先增加后减小，使得壁面平均剪切力先增加后减小、局部Nu先减小后增加。当藻浆流量为600L/h、太阳直射辐射强度为750W/m2、藻浆浓度从5%增加到15%时，在距离集热器入口为0~34.5m和45~60m范围内（集热器长度60m），近壁面藻浆粘度增加，使得壁面平均剪切力增加、局部Nu减小；而在距离集热器入口为34.5~45m范围内，近壁面藻浆粘度先减小后增加使得局部Nu先增加后减小，壁面平均剪切速率增加使得壁面平均剪切力增加。集热管内流动传热及转化特性研究为槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统工业设计及优化奠定了理论基础。　　⑤建立了槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵耦合制取沼气集成系统全生命周期模型，研究了该集成系统的环境效益和经济效益。结果显示，该集成系统净能比为0.69、温室气体排放量为-166.13g CO2-eq/kWh、能量平均成本为0.17$/m3。与无预处理、水热预处理微藻厌氧发酵制取沼气集成系统相比，该集成系统具有最大的净能量输出及最佳的经济效益。此外，敏感性分析显示，甲烷产量对该集成系统的能量收益和经济效益具有最大的影响，微藻厌氧发酵沼液中氮回收率对该集成系统的温室气体排放量具有最大的影响。全生命周期评价和经济性分析为进一步提高槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵耦合制取沼气集成系统的环境效益和经济效益指明了方向。

目录

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2微藻生物能源转化

1.3微藻预处理技术

1.3.1 水热法

1.3.2 化学法

1.3.3 机械法

1.3.4 生物法

1.3.5 预处理方法总结

1.4太阳能化学转化

1.5本课题的主要工作

1.5.1 已有研究工作的不足

1.5.2 本文研究内容及意义

2 微藻水热水解反应动力学

2.1引言

2.2.1 微藻水热水解实验

2.2.2 分析测试过程

2.2.3 微藻水热水解反应动力学

2.2.4 误差分析

2.3结果与讨论

2.3.1 水热预处理条件对可溶性碳水化合物和蛋白质得率的影响

2.3.2 水热水解反应动力学方程

2.3.3 水热预处理条件对微藻水热水解固相残留物组分的影响

2.3.4 水热预处理条件对微藻水热水解固相残留物表面官能团的影响

2.4本章小结

3 槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统水解特性及可用能分析

3.1引言

3.2方法与材料

3.2.1 槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统介绍

3.2.2 微藻水热水解实验及产物测量

3.2.3 微藻水热水解产物厌氧发酵产甲烷潜力测试

3.2.4 可用能分析过程描述和系统边界

3.2.5 数学模型

3.2.6 可用能分析

3.2.7 误差分析

3.3槽式太阳能集热器微藻水热预处理系统微藻水热水解特性

3.3.1 太阳直射辐射强度对可溶性碳水化合物和蛋白质得率的影响

3.3.2 藻浆流量对可溶性碳水化合物和蛋白质得率的影响

3.3.3 藻浆浓度对可溶性碳水化合物和蛋白质得率的影响

3.3.4 产甲烷潜力测试

3.4槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵耦合制取沼气过程可用能分析

3.4.1 微藻厌氧发酵制取沼气过程物质流与能量流

3.4.2 微藻厌氧发酵制取沼气过程可用能损失占比

3.5本章小结

4 非均匀热边界条件下微藻浆液层流自然对流及转化数值模拟

4.1引言

4.2.1 物理模型

4.2.2 模型假设及控制方程

4.2.3 边界条件

4.2.4 数值方法

4.2.5 参数定义

4.3网格无关性验证和模型验证

4.4结果与讨论

4.4.1 藻浆流动传热及转化特性

4.4.2 太阳直射辐射强度对藻浆流动传热及转化特性的影响

4.4.3 浓度对藻浆流动传热及转化特性的影响

4.5本章小结

5 非均匀热边界条件下微藻浆液层流混合对流及转化数值模拟

5.1引言

5.2.1 物理模型

5.2.2 模型假设及控制方程

5.2.3 边界条件

5.2.4 数值方法

5.2.5 参数定义

5.3网格无关性验证

5.4结果与讨论

5.4.1 藻浆流动传热及转化特性

5.4.2 太阳直射辐射强度对藻浆流动传热及转化特性的影响

5.4.3 浓度对藻浆流动传热及转化特性的影响

5.5本章小结

6 槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵集成系统全生命周期评价及经济性分析

6.1引言

6.2材料与方法

6.2.1 微藻厌氧发酵制取沼气集成系统边界及过程描述

6.2.2 微藻培养

6.2.3 微藻采收

6.2.4 无预处理微藻厌氧发酵制取沼气

6.2.5 水热预处理微藻厌氧发酵制取沼气

6.2.6 槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵耦合制取沼气

6.2.7 微藻厌氧发酵沼液回流

6.2.8 全生命周期评价及经济性分析

6.3结果与讨论

6.3.1 微藻厌氧发酵制取沼气全生命周期评价

6.3.2 微藻厌氧发酵制取沼气经济性分析

6.3.3 槽式太阳能集热器微藻水热预处理与厌氧发酵集成系统敏感性分析

6.4本章小结

7 结论与展望

7.1全文主要结论

7.2本文主要创新点

7.3后续工作展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读博士学位期间发表及撰写的论文

B. 作者在攻读博士学位期间公开/授权的发明专利

C. 作者在攻读博士期间参加的学术会议

D. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

E. 作者在攻读博士学位期间获得的奖励

F. 学位论文数据集

致 谢