生物膜法煤矿瓦斯治理微通道反应器内多相流动及传输特性

Microchannel reactor based on coal mine gas treated by biofilm technique is a complex biochemical reaction system. Biochemical conversion processes of microorganism have a significant impact on the characteristics of multiphase flow and transport in the reactor, and then greatly effecting the biochemical degradation performance. The project focuses on studying the characteristics of multiphase flow and transport in microchannel reactor based on coal mine gas treated by biofilm technique.the visualization experimental will be conducted on investigation the characteristics of multiphase flow and transport, and the variations of the surface morphology and structural characteristics of biofilm formed under different conditions as well as the characteristics of multiphase flow and transport and biochemical conversion performance in reactor will be measured. Based on the actual structure characteristics parameters of the biofilm, multi-component transport model for micro-scales and flow and transport model for macro-REV scales in biofilm will be established. And then, the theoretical model of multiphase flow as well as transport and biochemical conversion of reactants in microchannel reactor will be constructed for the boundary conditions with the biochemical conversion process of biofilm. The project aims to reveal the variation of multiphase flow and transport characteristics in the microchannel reactor based on coal mine gas treated by biofilm technique, providing theoretical and experimental evidence for the research and application of microchannel reactor in the field of biochemical conversion of coal mine gas.

生物膜法煤矿瓦斯治理微通道反应器是一个复杂的生化反应体系。微生物生化转化过程对反应器内多相流动及传输特性有着显著的影响，进而对反应器生化降解性能产生极大的作用。本项目将以生物膜法煤矿瓦斯治理微通道反应器作为研究对象，对反应器内多相流动及传输特性进行系统的科学研究。内容主要包括：完成微通道反应器内多相流动及传输特性的可视化实验研究，测量不同条件下所形成的生物膜的表面形态和结构特征以及反应器内多相流动传输特性和生化转化性能的变化规律，进而依据实际的生物膜结构特征参数，建立生物膜微孔尺度下的多组分传输模型和生物膜宏观REV尺度下的流动及传输模型，并以此为基础，构建以生物膜生化反应过程为边界条件的微通道反应器内多相流动和反应物传输及转化理论模型。本项目旨在揭示生物膜法煤矿瓦斯治理微通道反应器内多相流动及传输特性的变化规律，为微通道反应器在煤矿瓦斯生化转化领域的研究和应用提供理论和实验依据。

煤矿瓦斯的生化转化过程具有运行成本廉价，操作条件稳定，能耗投入较低，清洁环保等特点。微通道反应器具有比表面积大，安全性能高，传质速率快，操作性能好，易于放大设计和开发周期短等优势。在二者相结合的复杂生化反应体系内，反应器内多相流动及传输特性对微生物生化转化过程有着显著的影响，进而对反应器生化降解性能产生极大的作用。本项目以探明微通道反应器内多相流动与传输特性为研究目标，开展针对微通道反应器内多相流动及传输特性与生物膜生化转化过程的实验研究和理论分析工作。主要研究生物膜形态结构、多相流动传输特性、生物膜生化转化性能变化规律、生物膜内物质传输特性，从而有效地促进微通道反应器在煤矿瓦斯生物治理中的应用。利用离线观测手段，获取了生物膜的表面形态和三维立体结构特征，揭示了甲烷氧化菌的成膜特性和生物膜物质形态结构特征，为生物膜内物质传输理论提供支撑；设计和加工了微通道反应器，构建了气-液-固三相生化反应体系，对微通道反应器内的生物膜生长过程和多相流动进行了可视化实验研究，分析了气弹运动对甲烷氧化菌运动、分布和粘附生长的影响，揭示了生物膜生长和多相流动之间的耦合作用，以及其对反应器生化转化能力的影响规律；针对微通道反应器内多相流动及传输特性进行了系统的可视化实验研究，揭示了不同操作工况下微通道内反应器内的多相流动传输特性和生化转化性能的变化规律；观察了不同结构微通道反应器内的生物膜结构形态和分布特征，获得了生物膜成膜特性和气液两相流动特性对反应器生化转化性能的影响规律；数值模拟得到了不同入口形式微通道的气泡生成及气液两相流动特性，并获得了操作工况对气液两相流动特性的影响规律，为微通道反应器内的物质传输提供了理论依据。得到的微通道反应器内生物膜生长、多相流动、物质传输和生化转化等方面的成果，为生物膜法煤矿瓦斯治理微通道反应器的性能提升和应用开发奠定了基础。