氢气产率在化工氯碱电解槽中的优化控制研究

氢气,化工氯碱制造中产生,电解过程中的产物,潜力极大,回收价值不小。而提高其产率,就成了最大的问题。此论项研究,就是对这个问题进行深入的探究,希望找到答案。通过理论计算与实验验证的方式,电解液浓度,搅拌速度等因素,都被一一仔细分析。探寻的不只是结果,也包括了过程。利用响应面法和模拟退火算法等优化方法,电解条件下氢气产率的最优解被找出,并实验验证了是可行的。优化后的电解条件,可以将氢气的产率提高至20%。而更为重要的是,优化的过程,也让生产变得更为稳定,设备故障率不再频出,生产成本也大大降低。推广这一方法,无疑对于提高氢气产率,降低生产成本,以及推广绿色化工具有深远的影响。

基于熔融盐加热的甲烷蒸汽重整制氢反应器的熵产生率和氢气产率分析

太阳能热化学储能能够有效解决太阳能时间和空间分布不均的问题。在工业甲烷蒸汽重整反应器模型的基础上,利用有限时间热力学理论建立了基于熔融盐加热的甲烷蒸汽重整反应器(steam methane reforming reactor heated by molten salt,MS-SMRR)模型,得到了MS-SMRR的设计参数,并分析了MS-SMRR的几何参数和操作参数对氢气产率和总熵产生率的影响规律。结果表明:在氢气产率一定时,逆流参考反应器比顺流参考反应器的总熵产生率低,且消耗的熔融盐少;增大熔融盐进口温度和减小反应混合物进口压力能够显著提高MS-SMRR的氢气产率。研究结果对实际MS-SMRR的优化设计具有一定的理论指导意义。

煤岩显微组分电浮选分离与制氢过程中氢/氧气泡的影响机制

电浮选技术是实现煤岩显微组分高效分离的有效途径,也是一种有显著优势的制氢技术。电浮选中电解气泡既是浮选分离的载体,又是有效的氢气/氧气产物。本文探讨了高惰质组煤电浮选过程中电解气泡对煤岩显微组分分离效果的影响机制,利用诱导时间测定仪、红外光谱、接触角测量仪及气相色谱等考察了氢气泡和氧气泡对煤岩显微组分的选择性以及电化学反应对煤结构和可浮性的影响规律和气体产物组成等。结果表明,电解氢气泡浮选所得的浮物收率及浮物镜质组含量较氧气泡高,相应的镜质组回收率也高于氧气泡;电浮选过程中的电解作用会改善煤岩显微组分的表面结构,引起润湿性的变化,电浮选阴极区对煤具有电化学还原作用,可减少煤中—OH、—COOH与C==O等亲水性官能团,从而增加煤样的接触角,减小氢气泡对煤的诱导时间,从而增加煤的可浮性,而阳极区的作用相反;煤浆电浮选过程中可获得纯度>94%的氢气和>96%的氧气,且镜质组为电解质时的气体产物纯度高于惰质组,但惰质组可获得更高的产气速率;采用两级串联流程进行煤岩显微组分的电浮选分离时,浮选分离的综合效率最高可达到83.7%,此时浮物的镜质组回收率为86.7%,两个沉物产品的回收率分别为41.6%和54.9%,氢气的产率可达到6.49mL/(min∙cm^(2))。

不同预处理温度对厌氧颗粒污泥发酵产氢的影响

为消除发酵生物制氢系统接种污泥中的耗氢菌,加速系统的启动进程并提高产氢效能,以啤酒厂废水处理车间的厌氧颗粒污泥为对象,通过间歇发酵试验,探讨了经65、80、95、110、121℃处理后的污泥的产氢特性。葡萄糖间歇发酵试验证明,在初始pH 7.0、葡萄糖浓度10000 mg.L-1、污泥接种量2 g MLVSS.L-1等条件下,由热处理后的活性污泥构建的发酵系统,其产氢量均大于未经处理的活性污泥系统。其中,经95℃处理过的厌氧活性污泥具有更高的发酵产氢性能,在120 h的发酵过程中,其累积产氢量为133.47 ml,污泥的比产氢率为15.93 mmol H2.(g MLVSS-1),葡萄糖的氢气转化率达到1.40 mol.mol-1。尽管处理温度不同,污泥发酵葡萄糖的液相末端产物中均以丁酸和乙酸为主,表现为丁酸型发酵。

活性污泥的热处理及其发酵产氢特性

为消除发酵生物制氢系统接种污泥中的耗氢菌,加速系统的启动进程并提高产氢效能,以易得的城市污水处理厂的好氧活性污泥为对象,通过间歇发酵试验,探讨了经65℃、80℃、95℃、110℃处理后的污泥的产氢特性。葡萄糖间歇发酵试验证明,在初始pH7.0、葡萄糖浓度10000mg/L、污泥接种量2gMLVSS/L(Mixed Liquor Volatile Suspended Solids,MLVSS,混合液挥发性悬浮固体浓度)等条件下,由热处理后的活性污泥构建的发酵系统,其产氢量均大于未经处理的活性污泥反应系统。其中,经65℃处理过的活性污泥具有更高的发酵产氢性能,在72h的发酵过程中,其累积产氢量为92.53mL,活性污泥的比产氢率为8.36mmolH2/gMLVSS,葡萄糖的氢气转化率达到1.08mol/mol。处理温度不同,活性污泥发酵葡萄糖的液相末端产物也存在差异,经65℃和80℃处理过的活性污泥,末端发酵产物以丁酸和乙酸为主;经95℃和110℃处理过的活性污泥,则表现为混合酸发酵。活性污泥的热处理,对其中的同型产乙酸菌无抑制作用。

光合细菌生物膜制氢反应器的产氢特性

对光合细菌生物膜制氢反应器的产氢性能进行了实验研究,探讨了光照度、光谱和底物浓度对反应器产氢性能的影响。实验结果表明:光合细菌生物膜反应器内最适底物浓度为0.12 mol/L,最佳光照度为5000 k,过高或过低的底物浓度和光照度均对光合细菌产氢具有抑制作用;而光的波长对光合细菌产氢的最适底物浓度和最佳光照度均无影响。当底物浓度为0.12mol/L,光照度为5000k,波长为590nm 时,反应器的产氢率达到最高,为3.54mg/h。

厌氧活性污泥中混合产氢菌群的构建

为了富集产氢菌、去除耗氢菌,用热、酸、碱、三氯甲烷4种方法处理厌氧活性污泥,构建了高效的混合产氢菌群。结果表明,三氯甲烷处理去除耗氢菌的同时不可逆地杀灭了大量产氢菌;而不同程度的热处理、酸处理和碱处理可有效调整菌群结构,富集产氢菌群。经121℃、8 min热处理、pH=4酸处理、pH=10碱处理后,厌氧活性污泥中混合产氢菌群的氢气产率较对照组分别提高了210%、137%和125%。通过16SrRNA序列分析,表明热、酸或碱这3种简单的富集方法构建了以肠杆菌属为优势菌种的混合产氢菌群,大大提高了氢气产率,同时也为下一步优化菌群打下了良好的基础。

脉冲介质阻挡放电等离子体催化CH_4直接转化

研究了微秒脉冲和纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体CH_4转化过程。对比了两种脉冲电源激励的CH_4介质阻挡放电等离子体特性,考察了不同脉冲电源激励时重复频率、流速和输入功率对CH_4转化效率及气态产物分布的影响,并对不同实验条件下CH_4转化反应路径的选择进行了分析。实验结果发现,CH_4转化气态产物均以H_2、C2H_6为主,CH_4转化率和H_2产率随着重复频率的上升而下降,但随流速的增大而减小。相同重复频率和流速条件下,微秒脉冲电源激励时CH_4转化率和H_2产率较高,而纳秒脉冲电源激励时具有能量利用率高的优势。在高重复频率、低流速条件下,在石英管内壁和金属电极上会产生更多的积炭和液态烃,因此导致反应的碳氢平衡降低。微秒脉冲电源激励时,随着输入功率的升高氢气和乙烷选择性下降,纳秒脉冲电源激励时呈现出相反的趋势。

原料中硫含量对PS-Ⅵ连续重整催化剂性能的影响

对比了PS-Ⅵ连续重整催化剂在经历高硫环境运行前后的性能。结果表明,在高硫环境下,PS-Ⅵ催化剂的C5+产物辛烷值、C5+液体收率等仅略有下降,表明PS-Ⅵ重整催化剂具有优良的抗硫能力;在重整进料油硫含量降低后,催化剂上的硫含量可以缓慢恢复到正常水平,而催化剂的活性基本不变,对催化剂的使用寿命没有明显的影响。

焦炉煤气制氢的流程改进与技术经济性能预报

根据制氢、吸收剂再生、气体分离、热功转化等单元物质能量转化规律和单元间物流能流关联,将变压吸附气体分离与CO2吸收增强制氢过程集成,提出采用CO2吸收增强制氢的焦炉煤气制氢改进流程;以焦炉煤气能量转化效率、氢气产率、动态投资回收期为指标进行系统技术经济性能评价,并与变压吸附气体分离、焦炉煤气水蒸气重整系统进行对比,分析结果表明变压吸附与CO2吸收增强型制氢集成的系统不仅可以更高效地实现焦炉煤气能量转化利用,所构成的制氢系统也具有较好的经济效益。

葡萄糖对厌氧颗粒污泥厌氧发酵产氢特性的影响

为明确适宜的底物浓度、加速生物发酵制氢系统的启动进程并提高产氢效能,以厌氧颗粒污泥为研究对象,以葡萄糖为底物,通过摇瓶发酵试验探讨初始葡萄糖浓度对混合菌群发酵产氢能力的影响。试验结果表明,在p H值为7、反应温度为35℃、污泥接种量为2 g MLVSS/L、发酵时间为48 h条件下,当底物浓度从5 g/L增加到25 g/L时,各体系的累积产氢量呈现递增趋势,且发酵产氢途径发生变化。当底物浓度为25 g/L时,混合菌群获得最大的累积产氢量和最高的基质产氢率,分别为265.4 m L和1.42 mol/mol葡萄糖。

热处理程度对厌氧颗粒污泥发酵产氢性能的影响

为寻求适宜的种泥热处理时间,加速生物发酵制氢系统的启动进程并提高产氢效能,以易得的厌氧颗粒污泥为研究对象,通过间歇发酵试验,探讨了污泥在95℃热处理温度、不同处理时间条件下的发酵葡萄糖产氢特性。摇瓶发酵试验表明,在初始pH值为7.0、葡萄糖浓度为10 000 mg/L、污泥接种量为2g/L等条件下,由经过不同热处理时间的颗粒污泥构建的发酵系统中,其发酵产氢量有较大不同。其中,经过45 min热处理的污泥具有更高的发酵产氢性能,在144h的发酵过程中,其累积产氢量为163.72 mL,比产氢率为19.62 mmol//gMLVSS,葡萄糖的氢气转化率达到1.72 mol/mol。颗粒污泥发酵葡萄糖的液相末端产物均以乙醇、乙酸和丁酸为主。其中,丁酸的含量接近50%,表现为丁酸型发酵。

Fe2O3添加对松木屑热解的影响特性分析

为了探究松木屑粉末在不同比例的Fe2O3添加下的焦油产率、残炭产率、气体产率和气体组分的变化规律,采用热重和管式加热炉热解的方法对松木屑粉末进行实验研究。实验在N2气氛保护下,以50℃/min的速率升温,终温分别为350、450、550、650和750℃时研究松木屑粉末的热解变化规律。实验结果表明:随着温度的升高,在无添加下松木屑粉末的焦油产率和气体产率逐渐升高,而残炭产率有所下降。分析气体组分变化可知,随着温度的升高CO2下降趋势较为明显,CO与CnHm基本保持不变,CH4与H2出现明显上升。添加Fe2O3可以有效降低松木屑粉末的焦油产率、残炭产率,提升气体产率,原料中Fe2O3比例越高效果越明显。添加15%Fe2O3在750℃时的焦油产率相比于纯松木屑热解降低4.25%,气体产率提升8.57%,此时的H2产率为44.42 L/kg,表明Fe2O3具有良好的催化效果。

基于熔融盐加热的SMR膜反应器热力学优化

建立了基于熔融盐加热的甲烷蒸汽重整膜反应器(MS-SMRMR)模型,以甲烷转化率最大、氢气产率最大和总熵产率最小为优化目标,利用带精英策略的非劣解排序遗传(NSGA-Ⅱ)算法对MS-SMRMR进行了三目标优化。研究结果表明:Pareto最优前沿包含了各单目标优化的最优解;利用TOPSIS方法在Pareto最优前沿上选择得到了最优的决策点,该决策点所对应的甲烷转化率、氢气产率和总熵产生率与参考点的结果相比分别提高了8.4%,8.5%和4.32%。