水洗法提純沼氣的建模與試驗(yàn)論證

陳啟東+姜敏泉+孫越高

摘要：沼氣工程是推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要實(shí)踐形式，沼氣的提純是沼氣工程的重要環(huán)節(jié)。對(duì)微孔曝氣水洗法中沼氣氣泡在水中上浮與傳質(zhì)的過(guò)程進(jìn)行耦合，推導(dǎo)出沼氣氣泡在水中運(yùn)動(dòng)和傳質(zhì)的動(dòng)態(tài)耦合模型，利用該模型分別計(jì)算4組不同溫度條件下沼氣水洗提純的效果，并在對(duì)應(yīng)條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與理論值較為接近，驗(yàn)證了模型的正確性，同時(shí)通過(guò)模擬與試驗(yàn)得出水洗的效果與溫度的關(guān)系。通過(guò)對(duì)3種不同氣泡初始直徑下的沼氣水洗提純效果進(jìn)行模擬，得出氣泡初始半徑與水洗效果之間的關(guān)系，闡明微孔管曝氣水洗法的優(yōu)勢(shì)，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(duì)沼氣水洗提純效果的影響數(shù)據(jù)，為水洗設(shè)備的建設(shè)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沼氣；水洗提純；微孔管曝氣；氣泡運(yùn)動(dòng)；動(dòng)態(tài)耦合模型

中圖分類號(hào)： S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0369-04

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，世界各國(guó)都加強(qiáng)了對(duì)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(lái)源廣、可再生的清潔能源受到各國(guó)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(huì)造成相當(dāng)大的浪費(fèi)，因此需要對(duì)沼氣進(jìn)行提純處理，去除其中的二氧化碳。當(dāng)甲烷濃度高于90%以上時(shí)就能達(dá)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(jī)溶劑吸收法、膜分離法、變壓吸附法以及物理分離法。有機(jī)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(yùn)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(yùn)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(shì)[3]，吸收二氧化碳后的水經(jīng)過(guò)閃蒸或者暴曬處理即可還原。

沼氣的水洗提純受溫度、壓強(qiáng)、沼氣與水接觸比表面積、停留時(shí)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(jià)低廉，其上密布微小的管孔，通過(guò)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(shí)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(guò)程中，沼氣氣泡在水中的對(duì)流與傳質(zhì)是問(wèn)題的關(guān)鍵，直接影響水洗的效果。在關(guān)于氣泡在水中運(yùn)動(dòng)的研究中，鮮有對(duì)混合氣體氣泡在水中上浮傳質(zhì)的耦合運(yùn)動(dòng)的研究。本研究通過(guò)氣泡上浮及傳質(zhì)理論推導(dǎo)建立沼氣氣泡在水中上浮運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)耦合模型，并將試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。本研究利用模型對(duì)不同條件下的水洗效果進(jìn)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(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)耦合模型

1.1 基本假定

由于氣泡運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況非常復(fù)雜，為了便于研究，現(xiàn)作如下假定[8-9]：（1）氣泡在上浮過(guò)程中始終保持球形；（2）氣泡內(nèi)氣體的溫度在上浮過(guò)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(yùn)動(dòng)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(guān)系。由于沼氣氣泡在上浮過(guò)程中會(huì)不斷向水中溶解二氧化碳而導(dǎo)致半徑變化，因此半徑r會(huì)作為時(shí)間的函數(shù)而不停地改變。而這個(gè)方程僅描述了氣泡在水中上浮的情況，沒(méi)有考慮在沼氣氣泡上浮過(guò)程中其中的二氧化碳向水中溶解。沼氣氣泡在上浮過(guò)程中隨著二氧化碳向水中的溶解，氣泡半徑會(huì)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(huì)對(duì)二氧化碳向水中傳質(zhì)的速率及氣泡在水中的運(yùn)動(dòng)造成很大影響，因此還需要?dú)馀菹蛩袀髻|(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(yàn)裝置

為了驗(yàn)證所建模型的正確性，利用微孔管曝氣水洗提純?cè)囼?yàn)裝置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，工藝流程見(jiàn)圖1。沼氣從水洗塔（圖2）的底部經(jīng)過(guò)脫硫后用羅茲風(fēng)機(jī)鼓入水洗塔內(nèi)，在塔底部安裝了微孔曝氣盤，沼氣經(jīng)過(guò)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(guò)水體后從塔頂部的管道經(jīng)過(guò)氣水分離器后進(jìn)入甲烷收集裝置，在沼氣水洗前要進(jìn)行脫硫處理，脫硫處理設(shè)備見(jiàn)圖4。用濃度測(cè)量?jī)x對(duì)其中的甲烷、二氧化碳的濃度（體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行測(cè)定。

由圖3可見(jiàn)，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(lái)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(zhǎng)，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(guò)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?jī)?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(gè)空間。利用微孔管曝氣有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)。

3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)論證

3.1 基本參數(shù)設(shè)定

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(chǎng)域?yàn)橥牧?，依?jù)相關(guān)研究，黏性阻力系數(shù)取CD=0.4[11]，附加質(zhì)量力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Km=0.5[15]。數(shù)值模擬以溫度的不同分為4組，相關(guān)物性參數(shù)選取見(jiàn)表1[8，16]。

3.2 數(shù)值模擬及試驗(yàn)論證

3.2.1 數(shù)值模擬 利用推導(dǎo)得出的沼氣氣泡在水中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型對(duì)上述4個(gè)不同溫度下的情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬，得出水洗提純后沼氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)，模擬進(jìn)氣的各組分體積分?jǐn)?shù)與本試驗(yàn)進(jìn)氣一致。由圖5可見(jiàn)，隨著溫度的上升，沼氣水洗的效果變差，這與實(shí)際情況相吻合[12]。

從圖5還可看出，當(dāng)沼氣氣泡上浮的高度達(dá)到8 m左右時(shí)，氣泡中甲烷體積分?jǐn)?shù)的提升變得非常有限，此時(shí)再增加塔高意義不大。可以得出，本套試驗(yàn)裝置在常壓下沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的上限值為85%左右。

3.2.2 試驗(yàn)測(cè)定 為了驗(yàn)證理論模型的正確性，利用上述微孔管曝氣水洗提純?cè)囼?yàn)裝置在4個(gè)不同氣溫下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中水洗塔內(nèi)部水體的高度為2.6 m，進(jìn)氣壓強(qiáng)為0.1 MPa，進(jìn)氣流量為12.8 m3/h，罐體的直徑為1 m。由于室外溫度無(wú)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(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2.3 誤差分析 由圖6看出，試驗(yàn)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(yàn)值總是低于模擬值的原因，可能是由以下幾個(gè)方面造成的：（1）在進(jìn)行模擬時(shí)，水中的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0，而現(xiàn)實(shí)中水中的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)并不為0，這會(huì)對(duì)沼氣氣泡中的二氧化碳向水中溶解形成阻礙；（2）氣泡在實(shí)際上浮的過(guò)程中會(huì)相互干擾，氣泡間會(huì)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(duì)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(guò)微孔管能夠產(chǎn)出大量、直徑小的氣泡均勻地分布于整個(gè)水體之中，從而獲得較好的水洗效果。此外，微孔管的價(jià)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(dǎo)出沼氣氣泡在水中上浮的動(dòng)態(tài)理論模型，通過(guò)微孔管曝氣水洗法提純沼氣的試驗(yàn)裝置，在常壓下對(duì)不同溫度下的水洗提純效果進(jìn)行測(cè)定，并與理論模擬值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。

沼氣氣泡直徑對(duì)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(qiáng)水洗的效果，實(shí)用性得到了驗(yàn)證。

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

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧良偉，陳子愛(ài). 歐洲沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)沼氣，2007，25（5）：23-31.

[2]耿宏超. 沼氣壓力水洗提純?cè)O(shè)備及工藝研究[D]. 蘇州：蘇州大學(xué)，2015.

[3]李 勝，肖友程，盧朝霞，等. 沼氣凈化制取高純度生物質(zhì)甲烷技術(shù)進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代化工，2014，34（11）：19-23.

[4]江 皓，吳全貴，周紅軍. 沼氣凈化提純制生物甲烷技術(shù)與應(yīng)用[J]. 中國(guó)沼氣，2012，30（2）：6-11，19.

[5]宋燦輝，肖 波，史曉燕，等. 沼氣凈化技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)沼氣，2007，25（4）：23-27.

[6]上官炬，常麗萍，苗茂謙. 氣體凈化分離技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[7]Chen Q D，He C Y，Meng T. Experimental study on seepage model of rubber-plastic porous tube[J]. Advanced Materials Research，2011，314/315/316：311-314.

[8]王志魁. 化工原理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[9]普朗特. 流體力學(xué)概論[M]. 北京：科學(xué)出版社，1981.

[10]石晟瑋，王江安，蔣興舟. 水中微氣泡上浮過(guò)程的力學(xué)影響因子研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（3）：83-87.

[11]鞠 花，陳 剛，李國(guó)棟. 靜水中氣泡上升運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27（3）：344-349.

[12]田恒斗，金良安，遲 衛(wèi)，等. Basset力對(duì)液體中易溶性氣泡運(yùn)動(dòng)的影響[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43（4）：680-687.

[13]由長(zhǎng)福，祁海鷹，徐旭常. Basset力研究進(jìn)展與應(yīng)用分析[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（2）：31-33，Ⅲ-Ⅳ.

[14]田恒斗，金良安，丁兆紅，等. 液體中氣泡上浮與傳質(zhì)過(guò)程的耦合模型[J]. 化工學(xué)報(bào)，2010，61（1）：15-21.

[15]郭瑾瓏，程 文，周孝德，等. 小氣泡擴(kuò)散曝氣氧傳質(zhì)速率研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，15（4）：86-90.

[16]Yaws C L. Matheson氣體數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]. 陶鵬萬(wàn)，黃建彬，朱大方，譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.