陳啟東+姜敏泉+孫越高

摘要：沼氣工程是推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要實踐形式，沼氣的提純是沼氣工程的重要環(huán)節(jié)。對微孔曝氣水洗法中沼氣氣泡在水中上浮與傳質(zhì)的過程進行耦合，推導出沼氣氣泡在水中運動和傳質(zhì)的動態(tài)耦合模型，利用該模型分別計算4組不同溫度條件下沼氣水洗提純的效果，并在對應條件下進行試驗。試驗結(jié)果與理論值較為接近，驗證了模型的正確性，同時通過模擬與試驗得出水洗的效果與溫度的關系。通過對3種不同氣泡初始直徑下的沼氣水洗提純效果進行模擬，得出氣泡初始半徑與水洗效果之間的關系，闡明微孔管曝氣水洗法的優(yōu)勢，并得出這種沼氣水洗提純法塔高的極限在8 m左右。該模型得到溫度、塔高、氣泡初始直徑等主要工藝參數(shù)對沼氣水洗提純效果的影響數(shù)據(jù)，為水洗設備的建設與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：沼氣；水洗提純；微孔管曝氣；氣泡運動；動態(tài)耦合模型

中圖分類號： S216.4 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0369-04

隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴峻，世界各國都加強了對可再生能源，特別是生物質(zhì)能源的研究，因此沼氣作為一種來源廣、可再生的清潔能源受到各國的重視[1]。沼氣是一種可燃的混合氣體，可利用農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、豬糞等厭氧發(fā)酵得到。沼氣的主要成分為甲烷（CH4，約占60%）、二氧化碳（CO2，約占40%），如直接燃燒，不僅效率低，還會造成相當大的浪費，因此需要對沼氣進行提純處理，去除其中的二氧化碳。當甲烷濃度高于90%以上時就能達到天然氣的品質(zhì)[2]，可作為天然氣的替代品。

目前，沼氣的提純方法主要有有機溶劑吸收法、膜分離法、變壓吸附法以及物理分離法。有機溶劑吸收法雖然有很高的分離效率，但是吸收二氧化碳后的溶劑還原耗能大，而且本身有較大的污染；膜分離中膜的制造成本高，容易被阻塞污染；變壓吸附的運行成本大，也很難大規(guī)模地推廣；水洗法提純沼氣屬于物理分離法，在目前沼氣提純中運用得較為普遍。水洗法提純沼氣有成本低、環(huán)保、安全等優(yōu)勢[3]，吸收二氧化碳后的水經(jīng)過閃蒸或者暴曬處理即可還原。

沼氣的水洗提純受溫度、壓強、沼氣與水接觸比表面積、停留時間等因素影響[4-6]。本研究探討微孔管曝氣水洗法提純沼氣，微孔管的造價低廉，其上密布微小的管孔，通過微孔管冒出的氣泡直徑較小，能顯著增加沼氣氣泡與水體接觸的比表面積及在水體中停留的時間，從而提高沼氣水洗吸收的效果。

利用微孔管[7]水洗提純沼氣的過程中，沼氣氣泡在水中的對流與傳質(zhì)是問題的關鍵，直接影響水洗的效果。在關于氣泡在水中運動的研究中，鮮有對混合氣體氣泡在水中上浮傳質(zhì)的耦合運動的研究。本研究通過氣泡上浮及傳質(zhì)理論推導建立沼氣氣泡在水中上浮運動的動態(tài)耦合模型，并將試驗結(jié)果與理論結(jié)果進行對比，驗證了模型的正確性。本研究利用模型對不同條件下的水洗效果進行模擬，以期為沼氣的水洗法提純提供一些參考。

1 沼氣氣泡運動過程的動態(tài)耦合模型

1.1 基本假定

由于氣泡運動的實際情況非常復雜，為了便于研究，現(xiàn)作如下假定[8-9]：（1）氣泡在上浮過程中始終保持球形；（2）氣泡內(nèi)氣體的溫度在上浮過程中不變；（3）由于在相同條件下二氧化碳的溶解度比甲烷高得多，所以假定甲烷不溶于水；（4）氣泡間互不干擾。

1.2 氣泡上浮運動的平衡方程

該式表明氣泡上浮速度vb與氣泡半徑r之間的函數(shù)關系。由于沼氣氣泡在上浮過程中會不斷向水中溶解二氧化碳而導致半徑變化，因此半徑r會作為時間的函數(shù)而不停地改變。而這個方程僅描述了氣泡在水中上浮的情況，沒有考慮在沼氣氣泡上浮過程中其中的二氧化碳向水中溶解。沼氣氣泡在上浮過程中隨著二氧化碳向水中的溶解，氣泡半徑會不斷變小，氣泡半徑?jīng)Q定氣泡與水的接觸面積及氣泡在水中上升的速度，這些都會對二氧化碳向水中傳質(zhì)的速率及氣泡在水中的運動造成很大影響，因此還需要氣泡向水中傳質(zhì)的控制方程與其耦合。

1.3 氣泡傳質(zhì)速率的控制方程

2 試驗裝置

為了驗證所建模型的正確性，利用微孔管曝氣水洗提純試驗裝置進行對比試驗，工藝流程見圖1。沼氣從水洗塔（圖2）的底部經(jīng)過脫硫后用羅茲風機鼓入水洗塔內(nèi)，在塔底部安裝了微孔曝氣盤，沼氣經(jīng)過微孔管曝氣盤（圖3）后形成大量分散的小氣泡，大量分散的氣泡能夠增加氣-液兩相的接觸面積，提高二氧化碳的傳質(zhì)效率。沼氣水洗塔內(nèi)部為水，沼氣氣泡從下往上經(jīng)過水體后從塔頂部的管道經(jīng)過氣水分離器后進入甲烷收集裝置，在沼氣水洗前要進行脫硫處理，脫硫處理設備見圖4。用濃度測量儀對其中的甲烷、二氧化碳的濃度（體積分數(shù)）進行測定。

由圖3可見，微孔管曝氣盤由分配頭、接口、微孔管、微孔管支架組成。分配頭將管道中輸送來的沼氣平均分配到6根橡塑微孔管中，能夠有效地減小單根管長，降低沿程壓力損失，改善壓力分布不均。分配頭與微孔管通過接口頭連接，微孔管盤繞在微孔管支架上，尾部封閉，支架外圈固定在水洗塔底部內(nèi)壁上。微孔管曝氣盤在深度方向呈錐形，使氣泡能夠均勻分布在整個空間。利用微孔管曝氣有結(jié)構簡單、成本低等優(yōu)勢。

3 數(shù)值模擬與試驗論證

3.1 基本參數(shù)設定

經(jīng)過試驗測定，從微孔管冒出的氣泡的平均直徑 d0=2 mm，氣速v0=0.08 m/s，水深h0=8 m。由于流場域為湍流，依據(jù)相關研究，黏性阻力系數(shù)取CD=0.4[11]，附加質(zhì)量力經(jīng)驗系數(shù)Km=0.5[15]。數(shù)值模擬以溫度的不同分為4組，相關物性參數(shù)選取見表1[8，16]。

3.2 數(shù)值模擬及試驗論證

3.2.1 數(shù)值模擬 利用推導得出的沼氣氣泡在水中運動的動態(tài)模型對上述4個不同溫度下的情況分別進行數(shù)值模擬，得出水洗提純后沼氣中甲烷的體積分數(shù)，模擬進氣的各組分體積分數(shù)與本試驗進氣一致。由圖5可見，隨著溫度的上升，沼氣水洗的效果變差，這與實際情況相吻合[12]。

從圖5還可看出，當沼氣氣泡上浮的高度達到8 m左右時，氣泡中甲烷體積分數(shù)的提升變得非常有限，此時再增加塔高意義不大?？梢缘贸?，本套試驗裝置在常壓下沼氣中甲烷體積分數(shù)的上限值為85%左右。

3.2.2 試驗測定 為了驗證理論模型的正確性，利用上述微孔管曝氣水洗提純試驗裝置在4個不同氣溫下進行試驗。試驗中水洗塔內(nèi)部水體的高度為2.6 m，進氣壓強為0.1 MPa，進氣流量為12.8 m3/h，罐體的直徑為1 m。由于室外溫度無法人為控制，所以盡量做了幾組與模擬溫度相近溫度的試驗，結(jié)果見表2。

3.2.3 誤差分析 由圖6看出，試驗結(jié)果與模擬的結(jié)果較為接近，誤差在可接受的范圍內(nèi)，證明模型的正確性。至于試驗值總是低于模擬值的原因，可能是由以下幾個方面造成的：（1）在進行模擬時，水中的二氧化碳體積分數(shù)設為0，而現(xiàn)實中水中的二氧化碳體積分數(shù)并不為0，這會對沼氣氣泡中的二氧化碳向水中溶解形成阻礙；（2）氣泡在實際上浮的過程中會相互干擾，氣泡間會出現(xiàn)融合、破碎的情況。

3.2.4 不同氣泡初始直徑下的數(shù)值模擬 從圖7可以看出，氣泡的初始直徑d0對沼氣水洗的效果有很大的影響，氣泡直徑越小，水洗的效果越好。通過微孔管能夠產(chǎn)出大量、直徑小的氣泡均勻地分布于整個水體之中，從而獲得較好的水洗效果。此外，微孔管的價格低廉，便于更換，這能大大降低水洗的成本。

4 結(jié)論

利用氣泡上浮和傳質(zhì)理論推導出沼氣氣泡在水中上浮的動態(tài)理論模型，通過微孔管曝氣水洗法提純沼氣的試驗裝置，在常壓下對不同溫度下的水洗提純效果進行測定，并與理論模擬值進行對比，驗證了模型的正確性。

沼氣氣泡直徑對水洗效果影響很大，微孔管曝氣水洗裝置中微孔管能產(chǎn)生小直徑的氣泡，明顯增強水洗的效果，實用性得到了驗證。

沼氣氣泡在水中上浮的動態(tài)理論模型中包含溫度、水洗塔高度、壓強、氣泡直徑對水洗效果的影響，模型的提出與試驗驗證為沼氣水洗法提純裝置的優(yōu)化提供了依據(jù)。

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