Experimental and Numerical Modeling of High-Solids Anaerobic Digestion of Dairy Manure in A Pilot-Scale Stirred Tank Digester

Experimental and Numerical Modeling of High-Solids Anaerobic Digestion of Dairy Manure in A Pilot-Scale Stirred Tank Digester

论文摘要

该论文采用实验与计算流体力学(CFD)模拟相结合的方法,研究在中温条件下高固含率牛粪厌氧发酵过程。牛粪呈现非牛顿幕律流体特性。实验装置为中试规模的搅拌发酵罐,水力停留时间(HRT)为30天。采用六桨叶涡轮搅拌桨对发酵液进行混合,桨叶倾斜角为45°。实验采用非搅拌混合方式,设置了三种搅拌强度,速度分别为50、100和150rpm,旨在确定最优的搅拌强度(以最低能耗提高厌氧发酵效率)。由甲烷产量和产气率可知,搅拌强度100rpm比50rpm的产气率高,且这两个搅拌强度的产气率均高于150rpm的。与搅拌强度50rpm和100rpm的产气实验相比,150rpm时的甲烷产量分别降低了18%和21%。实验结果表明,搅拌强度为100rpm是最佳的经济转速(以千瓦时为单位的净发电量),其次是50rpm与150rpm。CFD模拟预测的非牛顿幕律流体搅拌能耗与实验测量值一致。实验和CFD计算结果表明,最少的搅拌次数为每天一次,可以节省99%的甲烷输出产能(仅1%的甲烷输出产能用于搅拌)。通过进一步的CFD模拟优化,当搅拌强度由50rpm增加到100rpm,增幅设定为10rpm;结果表明:以甲烷产量为目标的最优搅拌强度在70rpm至80rpm之间,而且通过分析平均速度和平均速度梯度,确定70rpm为最佳转速。通过水力参数的CFD分析证明了超过临界搅拌强度对微生物活性有不利的影响。模拟结果证明CFD是模拟厌氧发酵搅拌的有用工具。研究结果表明,每个厌氧消化装置都存在一个搅拌强度的临界值,超过该临界值时增加搅拌强度是浪费能源,并且不会增加甲烷产量,反而可能减少甲烷产量。因此,在该实验条件下最佳甲烷产量的搅拌强度在50至100rpm范围内。针对每个厌氧消化方案,净能量输出是用于确定搅拌方式、搅拌强度、搅拌时间以及搅拌频率的最佳标准。当HRT从30天减少至20天时,厌氧消化过程就会不稳定,并引起了严重泡沫,难以控制,试验就会中断。在稳定的运行条件下,利用一个简单的数学模型可以预测甲烷产量;研究表明,在化学计量法中引进生物降解性因子是一种简单准确的方法,可用于模拟运行条件对甲烷产量的影响。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • Annotations
  • Chapter 1 Introduction
  •   1.1 Background
  •   1.2 Aims and Objectives
  •   1.3 Specific Objectives
  •   1.4 Knowledge Gaps
  •   1.5 Research Scope
  •   1.6 Anaerobic Digestion
  •     1.6.1 Advantages of Anaerobic Digestion
  •     1.6.2 Anaerobic Biochemical Processes
  •   1.7 Environmental Factors
  •     1.7.1 Temperature
  •     1.7.2 pH
  •     1.7.3 Alkalinity
  •     1.7.4 VFAs Concentration
  •     1.7.5 Nutrients and Trace Elements
  •     1.7.6 Hydraulic Retention Time and Solids Retention Time
  •     1.7.7 Organic Loading Rate
  •   1.8 Characterization of Manure
  •   1.9 Research Methods
  •     1.9.1 The Experimental Setup
  •     1.9.2 Dairy Cattle Manure
  •     1.9.3 Inoculum for the Startup Process
  • Chapter 2 Influence of Mixing on Anaerobic Digestion Efficiency in Stirred Tank Digesters
  •   2.1 Background
  •   2.2 Comparison of Mixing Intensity and Power Requirements of Impeller, SlurryRecirculation and Gas Mixing
  •   2.3 Effect of Mixing/Shear Intensity on Microorganisms
  •   2.4 Effect of Mixing Intensity on AD Efficiency
  •   2.5 Effects of Mixing Mode and Duration on AD Efficiency
  •   2.6 Effects of Mixing on Scum, Crust and Foam Formation
  •   2.7 Effects of Mixing on the HRT/SRT
  •   2.8 Effect of Mixing on VFA
  •   2.9 Summary and Analysis of Different Observations
  •   2.10 Brief Summary
  • Chapter 3 Influence of Minimal Mixing Intensity on High-Solids Anaerobic Digestion Energy Efficiency
  •   3.1 Background
  •   3.2. Materials and Methods
  •     3.2.1 Non-Mixed Experiment
  •     3.2.2 Effect of Mixing Intensity
  •     3.2.3 Effect of Change in HRT and OLR
  •     3.2.4 Data Comparison
  •   3.3 Results and Discussion
  •     3.3.1 Comparison of the Methane Yield and Specific Methane Production Rate
  •     3.3.2 Comparison of the Net Energy Production
  •     3.3.3 The Effect of OLR and HRT
  •   3.4 Brief Summary
  • Chapter 4 Predicting the Methane Productivity and Specific Methane Production Rate
  •   4.1 Background
  •     4.1.1 Mathematical Modeling
  •   4.2 Materials and Methods
  •     4.2.1 Modeling the Startup Process
  •     4.2.2 Gompertz Growth
  •     4.2.3 First Order Kinetics
  •     4.2.4 Modeling the Effects of Mixing Intensities on HSAD
  •   4.3 Results and Discussion
  •     4.3.1 Specific Biogas and Methane Production Rate of the Startup Process
  •     4.3.2 Gompertz Growth Model Fit
  •     4.3.3 First Order Kinetics
  •     4.3.4 Modeling the Effect of Mixing Intensities using the Stoichiometric Method
  •     4.3.5 Modeling the Effects of Mixing Intensities on HSAD using Karim's Model
  •     4.3.6 Simple Linear Model
  •   4.4 Brief Summary
  • Chapter 5 Physical and Rheological Properties of Cattle Manure
  •   5.1 Background
  •   5.2 Review of Equations and Values for Consistency Coefficient
  •   5.3 Review of Equations and Values for Flow Behavior Index
  •   5.4 summarize the ranges of reported values of n as a function of manure type, TS, temperature and shear rate (γ).
  •   5.5 Brief Summary
  • Chapter 6 CFD Simulations of Mixing for High-Solids Anaerobic Digestion of Dairy Manure in a Pilot-Scale
  •   6.1 Background
  •   6.2 Model Development
  •     6.2.1 Assumptions
  •     6.2.2 Governing Equations
  •     6.2.3 Numerical Approach
  •   6.3 Experimental Setup
  •   6.4 Results and Discussion
  •     6.4.1 Grid Independence Study
  •     6.4.2 Model Validation
  •     6.4.3 Qualifying Flow Patterns
  •     6.4.4 Quantifying Flow Patterns
  •     6.4.5 Shear Rate
  •     6.4.6 Turbulent Kinetic Energy
  •     6.4.7 Velocity Gradient
  •     6.4.8 Predicting the Influence of Flow Hydrodynamics on Floc Breakup and Growth.
  •     6.4.9 Mixing Energy Level(MEL)
  •     6.4.10 Mixing Time
  •     6.4.11 Local Mixing Time
  •     6.4.12 Global Mixing Time
  •     6.4.13 Time Evolution of Tracer Concentration
  •     6.4.14 Net Energy Production
  •     6.4.15 Optimization of the Mixing Intensity
  •     6.4.16 The Effects of Total Solids Concentration on the Velocity Distributions and thePower Consumption.
  •   6.5 Brief Summary
  • Chapter 7 Conclusion
  • References
  • Acknowledgements
  • List of Academic Papers Published during the Study
  • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: IBRAHIM DENKA KARIYAMA

    导师: 吴斌鑫

    关键词: 中试规模厌氧发酵器,高固含率厌氧发酵,计算流体力学,搅拌强度,净能量输出,甲烷产出,流变特性

    来源: 江苏大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 力学

    单位: 江苏大学

    基金: the Natural Science Foundation of China (51878318),the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

    分类号: O35

    DOI: 10.27170/d.cnki.gjsuu.2019.000112

    总页数: 235

    文件大小: 6438K

    下载量: 23

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