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摘要：沼气工程是推进农业现代化的重要实践形式，沼气的提纯是沼气工程的重要环节。对微孔曝气水洗法中沼气气泡在水中上浮与传质的过程进行耦合，推导出沼气气泡在水中运动和传质的动态耦合模型，利用该模型分别计算4组不同温度条件下沼气水洗提纯的效果，并在对应条件下进行试验。试验结果与理论值较为接近，验证了模型的正确性，同时通过模拟与试验得出水洗的效果与温度的关系。通过对3种不同气泡初始直径下的沼气水洗提纯效果进行模拟，得出气泡初始半径与水洗效果之间的关系，阐明微孔管曝气水洗法的优势，并得出这种沼气水洗提纯法塔高的极限在8 m左右。该模型得到温度、塔高、气泡初始直径等主要工艺参数对沼气水洗提纯效果的影响数据，为水洗设备的建设与优化提供了理论依据。
关键词：沼气；水洗提纯；微孔管曝气；气泡运动；动态耦合模型
中图分类号： S216.4 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2016）11-0369-04
随着能源和环境问题的日益严峻，世界各国都加强了对可再生能源，特别是生物质能源的研究，因此沼气作为一种来源广、可再生的清洁能源受到各国的重视[1]。沼气是一种可燃的混合气体，可利用农业废弃物如秸秆、猪粪等厌氧发酵得到。沼气的主要成分为甲烷（CH4，约占60%）、二氧化碳（CO2，约占40%），如直接燃烧，不仅效率低，还会造成相当大的浪费，因此需要对沼气进行提纯处理，去除其中的二氧化碳。当甲烷浓度高于90%以上时就能达到天然气的品质[2]，可作为天然气的替代品。
目前，沼气的提纯方法主要有有机溶剂吸收法、膜分离法、变压吸附法以及物理分离法。有机溶剂吸收法虽然有很高的分离效率，但是吸收二氧化碳后的溶剂还原耗能大，而且本身有较大的污染；膜分离中膜的制造成本高，容易被阻塞污染；变压吸附的运行成本大，也很难大规模地推广；水洗法提纯沼气属于物理分离法，在目前沼气提纯中运用得较为普遍。水洗法提纯沼气有成本低、环保、安全等优势[3]，吸收二氧化碳后的水经过闪蒸或者暴晒处理即可还原。
沼气的水洗提纯受温度、压强、沼气与水接触比表面积、停留时间等因素影响[4-6]。本研究探讨微孔管曝气水洗法提纯沼气，微孔管的造价低廉，其上密布微小的管孔，通过微孔管冒出的气泡直径较小，能显著增加沼气气泡与水体接触的比表面积及在水体中停留的时间，从而提高沼气水洗吸收的效果。
利用微孔管[7]水洗提純沼气的过程中，沼气气泡在水中的对流与传质是问题的关键，直接影响水洗的效果。在关于气泡在水中运动的研究中，鲜有对混合气体气泡在水中上浮传质的耦合运动的研究。本研究通过气泡上浮及传质理论推导建立沼气气泡在水中上浮运动的动态耦合模型，并将试验结果与理论结果进行对比，验证了模型的正确性。本研究利用模型对不同条件下的水洗效果进行模拟，以期为沼气的水洗法提纯提供一些参考。
1 沼气气泡运动过程的动态耦合模型
1.1 基本假定
由于气泡运动的实际情况非常复杂，为了便于研究，现作如下假定[8-9]：（1）气泡在上浮过程中始终保持球形；（2）气泡内气体的温度在上浮过程中不变；（3）由于在相同条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）气泡间互不干扰。
1.2 气泡上浮运动的平衡方程
该式表明气泡上浮速度vb与气泡半径r之间的函数关系。由于沼气气泡在上浮过程中会不断向水中溶解二氧化碳而导致半径变化，因此半径r会作为时间的函数而不停地改变。而这个方程仅描述了气泡在水中上浮的情况，没有考虑在沼气气泡上浮过程中其中的二氧化碳向水中溶解。沼气气泡在上浮过程中随着二氧化碳向水中的溶解，气泡半径会不断变小，气泡半径决定气泡与水的接触面积及气泡在水中上升的速度，这些都会对二氧化碳向水中传质的速率及气泡在水中的运动造成很大影响，因此还需要气泡向水中传质的控制方程与其耦合。
1.3 气泡传质速率的控制方程
2 试验装置
为了验证所建模型的正确性，利用微孔管曝气水洗提纯试验装置进行对比试验，工艺流程见图1。沼气从水洗塔（图2）的底部经过脱硫后用罗兹风机鼓入水洗塔内，在塔底部安装了微孔曝气盘，沼气经过微孔管曝气盘（图3）后形成大量分散的小气泡，大量分散的气泡能够增加气-液两相的接触面积，提高二氧化碳的传质效率。沼气水洗塔内部为水，沼气气泡从下往上经过水体后从塔顶部的管道经过气水分离器后进入甲烷收集装置，在沼气水洗前要进行脱硫处理，脱硫处理设备见图4。用浓度测量仪对其中的甲烷、二氧化碳的浓度（体积分数）进行测定。
由图3可见，微孔管曝气盘由分配头、接口、微孔管、微孔管支架组成。分配头将管道中输送来的沼气平均分配到6根橡塑微孔管中，能够有效地减小单根管长，降低沿程压力损失，改善压力分布不均。分配头与微孔管通过接口头连接，微孔管盘绕在微孔管支架上，尾部封闭，支架外圈固定在水洗塔底部内壁上。微孔管曝气盘在深度方向呈锥形，使气泡能够均匀分布在整个空间。利用微孔管曝气有结构简单、成本低等优势。
3 数值模拟与试验论证
3.1 基本参数设定
经过试验测定，从微孔管冒出的气泡的平均直径 d0=2 mm，气速v0=0.08 m/s，水深h0=8 m。由于流场域为湍流，依据相关研究，黏性阻力系数取CD=0.4[11]，附加质量力经验系数Km=0.5[15]。数值模拟以温度的不同分为4组，相关物性参数选取见表1[8，16]。
3.2 数值模拟及试验论证
3.2.1 数值模拟 利用推导得出的沼气气泡在水中运动的动态模型对上述4个不同温度下的情况分别进行数值模拟，得出水洗提纯后沼气中甲烷的体积分数，模拟进气的各组分体积分数与本试验进气一致。由图5可见，随着温度的上升，沼气水洗的效果变差，这与实际情况相吻合[12]。
从图5还可看出，当沼气气泡上浮的高度达到8 m左右时，气泡中甲烷体积分数的提升变得非常有限，此时再增加塔高意义不大。可以得出，本套试验装置在常压下沼气中甲烷体积分数的上限值为85%左右。
3.2.2 试验测定 为了验证理论模型的正确性，利用上述微孔管曝气水洗提纯试验装置在4个不同气温下进行试验。试验中水洗塔内部水体的高度为2.6 m，进气压强为0.1 MPa，进气流量为12.8 m3/h，罐体的直径为1 m。由于室外温度无法人为控制，所以尽量做了几组与模拟温度相近温度的试验，结果见表2。
3.2.3 误差分析 由图6看出，试验结果与模拟的结果较为接近，误差在可接受的范围内，证明模型的正确性。至于试验值总是低于模拟值的原因，可能是由以下几个方面造成的：（1）在进行模拟时，水中的二氧化碳体积分数设为0，而现实中水中的二氧化碳体积分数并不为0，这会对沼气气泡中的二氧化碳向水中溶解形成阻碍；（2）气泡在实际上浮的过程中会相互干扰，气泡间会出现融合、破碎的情况。
3.2.4 不同气泡初始直径下的数值模拟 从图7可以看出，气泡的初始直径d0对沼气水洗的效果有很大的影响，气泡直径越小，水洗的效果越好。通过微孔管能够产出大量、直径小的气泡均匀地分布于整个水体之中，从而获得较好的水洗效果。此外，微孔管的价格低廉，便于更换，这能大大降低水洗的成本。
4 结论
利用气泡上浮和传质理论推导出沼气气泡在水中上浮的动态理论模型，通过微孔管曝气水洗法提纯沼气的试验装置，在常压下对不同温度下的水洗提纯效果进行测定，并与理论模拟值进行对比，验证了模型的正确性。
沼气气泡直径对水洗效果影响很大，微孔管曝气水洗装置中微孔管能产生小直径的气泡，明显增强水洗的效果，实用性得到了验证。
沼气气泡在水中上浮的动态理论模型中包含温度、水洗塔高度、压强、气泡直径对水洗效果的影響，模型的提出与试验验证为沼气水洗法提纯装置的优化提供了依据。
参考文献：
[1]邓良伟，陈子爱. 欧洲沼气工程发展现状[J]. 中国沼气，2007，25（5）：23-31.
[2]耿宏超. 沼气压力水洗提纯设备及工艺研究[D]. 苏州：苏州大学，2015.
[3]李 胜，肖友程，卢朝霞，等. 沼气净化制取高纯度生物质甲烷技术进展[J]. 现代化工，2014，34（11）：19-23.
[4]江 皓，吴全贵，周红军. 沼气净化提纯制生物甲烷技术与应用[J]. 中国沼气，2012，30（2）：6-11，19.
[5]宋灿辉，肖 波，史晓燕，等. 沼气净化技术现状[J]. 中国沼气，2007，25（4）：23-27.
[6]上官炬，常丽萍，苗茂谦. 气体净化分离技术[M]. 北京：化学工业出版社，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：化学工业出版社，2010.
[9]普朗特. 流体力学概论[M]. 北京：科学出版社，1981.
[10]石晟玮，王江安，蒋兴舟. 水中微气泡上浮过程的力学影响因子研究[J]. 海军工程大学学报，2008，20（3）：83-87.
[11]鞠 花，陈 刚，李国栋. 静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究[J]. 西安理工大学学报，2011，27（3）：344-349.
[12]田恒斗，金良安，迟 卫，等. Basset力对液体中易溶性气泡运动的影响[J]. 力学学报，2011，43（4）：680-687.
[13]由长福，祁海鹰，徐旭常. Basset力研究进展与应用分析[J]. 应用力学学报，2002，19（2）：31-33，Ⅲ-Ⅳ.
[14]田恒斗，金良安，丁兆红，等. 液体中气泡上浮与传质过程的耦合模型[J]. 化工学报，2010，61（1）：15-21.
[15]郭瑾珑，程 文，周孝德，等. 小气泡扩散曝气氧传质速率研究[J]. 西安理工大学学报，1999，15（4）：86-90.
[16]Yaws C L. Matheson气体数据手册[M]. 陶鹏万，黄建彬，朱大方，译. 北京：化学工业出版社，2003.