新型塔式立體微藻養殖反應器的流體力學和傳質性能研究

褚嘉易，史偉偉，喬英云

(1.青島經濟技術開發區第一中學，山東 青島 266000；2.青島環海石油化工科技開發有限公司，山東 青島 266000；3.中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室，山東 青島 266000)

1 引言

由于全球變暖和資源短缺，CO2的減排與資源化利用正成為21世紀最為重要的環境和能源問題之一。自2007年中國CO2排放量達460億t,占全球排放的21%，超過美國成為世界上與能源相關CO2排放的第一大國[21]，中國的二氧化碳減排壓力巨大，任重道遠。在人類排放的CO2中，燃煤電廠是最大最集中的CO2排放源，排放量約占世界的40%和我國的50%，因此，進行燃煤電廠煙氣的CO2捕集是大規模減排CO2的最直接有效的手段，還能將CO2資源化利用[1]。

生物固碳是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循環中起決定作用，利用微藻固定CO2并通過生物煉制制取生物油不但可以大規模減排CO2[2]，而且能將CO2資源化得到液體燃料和化工產品，極具環境、能源和資源的綜合效應[3～5]。而目前作為微藻生物固碳的核心技術——微藻養殖反應器的研究主要是基于開放池(如循環跑道池)[6,7]和封閉光生物反應器(如氣升式反應器、管式、板式、光導纖維光生物反應器等)開展的[8,9]。由于這些反應器微藻的培養密度低、設備處理能力小、占地面積大、氣體一次通過造成效率低，難以適應工業CO2排放的大規模連續固定和工業化生產[10]。

筆者針對現有微藻養殖反應器的不足，研發了一種新型塔式立體微藻養殖反應器，并進行了流體力學和傳質性能實驗，確定了其適宜的操作條件，為將微藻養殖和電廠CO2減排偶聯，實現CO2的大規模立體連續化固定確定基礎數據。

2 塔式立體微藻養殖反應器的結構特性和操作原理

塔式立體微藻養殖反應器是一種新型高效的光生物反應器，其結構特點為：在塔板上開有圓形孔，圓形孔上焊接20～50 cm高的圓錐形升氣孔，升氣孔外側固定帶有篩孔的圓錐形帽罩，帽罩上方帶有分離板，帽罩與板面留有10～30 mm的縫隙。塔壁周圍與板面垂直布置若干LED燈光源，為微藻生長提供光照。塔式光生物反應器結構如圖1所示。

圖1 塔式立體微藻養殖反應器結構原理

操作時，煙氣自升氣孔從下層塔板進入上層塔板，微藻液在氣體抽吸和板上液層壓力的作用下，進入帽罩內，被煙氣攜帶、提升、細化、碰頂后折回，從氣液分離孔噴出帽罩外。在這個過程中，煙氣中的被二氧化碳被微藻液吸收的同時微藻產生的氧氣析出，然后進入上層塔板；微藻液落回到板面上，其中的大部分重新循環回帽罩內進行傳質反應，以保障液體在塔內的長停留時間，滿足微藻生長的需要；小部分微藻液沿降液管進入下層塔板繼續進行傳質反應。最終被吸收固定二氧化碳后的煙氣從塔頂離開，固定二氧化碳的微藻液從塔底排出，生長較大的微藻被分離出作為能源利用，較小的微藻循環回塔內重新進行二氧化碳的固定反應[11]。

在塔式立體微藻養殖反應器中，氣液經過充分接觸后，可以大幅度提高二氧化碳在培養液中的溶解度和光合作用生成氧的析出度，促進藻類對二氧化碳的固定，從而促進藻類的生長，達到二氧化碳減排的目的。氣體不斷從塔板上傳質后進入上層空間，把藻類釋放的氧氣從體系中不斷連續排出，也促進了藻類的生長。另外采用塔式培養，打破了傳統的傳質區域為平面形式的限制，將普通兩維養殖變為三維，將氣液傳質區域從板面發展到罩內、罩頂的立體空間，塔內空間利用充分，氣相分布更加均勻、傳質更充分，并可以通過塔板數的設計來調節培養時間，具有塔板上液層高、通量大、液體停留時間長、板效率高、操作彈性大、板壓降低、容易解析出藻類釋放的氧氣等優點[22]。

3 塔式立體微藻養殖反應器的流體力學和傳質性能實驗

3.1 實驗裝置及流程

在直徑240 mm的圓形有機玻璃裝置上進行塔式立體微藻養殖反應器的流體力學和傳質性能測定實驗[22]。

該裝置分為三段，氣體分布板、實驗板和霧沫夾帶捕集板自下而上布置。氣體分布板上布置了若干圓形升氣筒，升氣筒上裝載傘形帽，使上升的氣流分布更均勻，同時防止泄露液進入氣體通道；自試驗板泄露的液體落到氣體分布板上收集起來，進行漏液量測量，因此它還是一塊泄露液收集板。實驗板進行流體力學和傳質性能測試；霧沫夾帶捕集板上裝有規整填料，目的是將氣體夾帶上來的液滴收集起來測量霧沫夾帶量。除此之外，還有水泵、風機、微藻池等輔助設施。

實驗流程見圖2。

空氣或空氣、二氧化碳混合氣體由風機輸送至玻璃轉子流量計計量后送入塔底；高位槽的水由玻璃轉子流量計計量后通過霧化噴頭噴灑到試驗板上，與氣體在實驗板上的帽罩內外進行接觸傳質后流到塔釜，經過安在塔釜的U形液封裝置循環回水池；被氣體夾帶的少量水在捕霧段收集后作為霧沫夾帶量計量。

3.2 試驗方法和實驗條件

實驗條件見表1。

塔式立體微藻養殖反應器的塔板壓降、霧沫夾帶和漏液等流體力學性能采用空氣-水系統進行測試，塔板效率采用O2-空氣-水系統進行測試，以確定塔的適宜操作范圍。并在上述基礎上采用CO2-空氣-水系統，模擬煙氣組成，在不養藻的情況下考察水對混合氣體中CO2的吸收效率，為塔式微藻法生物養殖的中試實驗奠定基礎。

1-風機；2-CO2氣瓶；3-氣體流量計4-氣體分布版與取樣板；5-塔式立體微藻養殖反應器；6-霧沫夾帶收集板；7-U形壓差計；8-低位水池；9-潛水泵；10-高位水池；11-氧氣瓶；12-溶氧塔；13-液體流量計

圖2 試驗裝置流程

塔板壓降采用U形管壓差計測量，水中氧含量通過碘量法測得，CO2的吸收量采用NaOH中合法測定，風量采用文氏流量計測量，液體流量采用轉子流量計測量。

3.3 實驗結果與討論

3.3.1 塔板壓降

塔板壓降包括干板壓降和濕板壓降[12]。干板壓降，僅與板上升氣孔結構和帽罩結構有關，反映了反應器的結構阻力性能[13]。濕板壓降是反應器內有液體存在時氣(汽)流通過經液體潤濕的開孔構件以及氣流和液體接觸相互作用的壓力損失之和，反映了塔板的操作阻力性能[14]。對于新型立體微藻養殖塔板，引起塔板壓降的主要原因有：塔板結構、氣體提升液體與液體混合、兩相同時穿越氣液分離孔時產生收縮、與孔壁的摩擦、離開罩筒時的擴張引起的壓力損失等。不同操作條件下的干板壓降和濕板壓降如圖3所示。

圖3 不同操作條件下的塔板壓降

對于微藻養殖，既要考慮溶氧脫碳，又要考慮對微藻的破碎和破壞，微藻養殖的適宜操作范圍為閥孔動能因子為8～16(m/s)/(kg/m3)。由圖3可看出，液流強度為0時的塔板壓降即為干板壓降，低閥孔動能因子下，干板壓降明顯低于濕板壓降，當閥孔動能因子超過30后，干板壓降與濕板壓降幾乎相當，這說明低氣速下濕板壓降占決定因素，塔板結構對濕板壓降的影響幾乎可以忽略，而高氣速下干板壓降上升為決定因素，塔板結構決定了塔的總壓降。在液流強度相同的條件下，氣速增加，塔板壓降隨之增大；在閥孔動能因子相同的條件下，液流強度增加，塔板壓降也隨之增加，高氣速下更加明顯。這是由于液流強度增加，板上清液層高度也隨之增加，進入帽罩的液體量增加，被氣體破碎消耗的能量也增加的緣故。在微藻養殖閥孔動能因子為8～16(m/s)/(kg/m3)的適宜操作范圍內，濕板壓降隨液流強度和氣速變化不大，比較平緩，大約在600～800 Pa。

3.3.2 霧沫夾帶

霧沫夾帶決定了新型立體微藻養殖塔板的操作上限，過多的霧沫夾帶量會造成塔內液體的返混，減少傳質的推動力，降低傳質效率，嚴重時甚至會造成淹塔[15, 16]。在塔板結構、板間距、溢流堰高度及流體物性確定以后，氣速和液流強度對霧沫夾帶起決定性作用。不同操作條件下的霧沫夾帶情況見圖4。

圖4 不同操作條件下的霧沫夾帶量

由圖4可看出，不同液流強度下，低氣速操作塔內幾乎無霧沫夾帶；閥孔動能因子在15～20(m/s)/(kg/m3)范圍內，霧沫夾帶量平緩增加；閥孔動能因子大于20(m/s)/(kg/m3)后，霧沫夾帶量急劇增加；較高氣速下，閥孔動能因子相同時，液流強度越大，霧沫夾帶量越多。液流強度越大，其10%允許霧沫夾帶上限對應的閥孔動能因子則越小，液流強度200、400、800、1000 L/(h.m)對應的10%霧沫夾帶上限分別為27、23、22和21(m/s)/(kg/m3)，這是因為液流強度增加時，板上清液層高度也隨之增加，帽罩液體提升量增加的緣故。當閥孔動能因子超過10%霧沫夾帶上限以后，霧沫夾帶量將迅速升高，塔的操作平衡被破壞，造成淹塔。在微藻養殖閥孔動能因子8～16(m/s)/(kg/m3)的適宜操作范圍內，高液體停留時間立體塔板的霧沫夾帶量幾乎為零。

3.3.3 漏液

漏液決定了新型立體微藻養殖塔板的操作下限，在低氣速時，從升氣孔上升的氣體不足以托住板面液體，導致板面上液體從升氣孔漏液，氣液傳質效果很差，塔板效率低，隨著氣速的提高，漏液減小，直至停止。在塔板結構性因素確定后，氣速和液流強度是影響漏液量的主要因素[12]，新型立體微藻養殖塔板在不同操作條件下的漏液量見圖5。

圖5 不同操作條件下的漏液量

由圖5可看出，液流強度不變，閥孔動能因子提高，漏液量隨之急劇減??；大液流強度對應的10%允許泄漏量對應的閥孔動能因子較大。原因是，液流強度不變的情況下，閥孔動能因子提高，氣體的動能隨之增加，從而流入噴孔的液體被破碎細化，氣體攜帶液體的曳力增加；若氣體曳力與噴孔上方的液滴重量相當，液滴就能夠被氣體托住，板面液體的漏液量就少。若氣體閥孔動能因子相同，液流強度越大，板上清液層越高，板上液體壓頭越大，則進入帽罩的液體越多也越難分散，漏液量就越大。

對于微藻養殖，綜合考慮養殖液的停留時間和微藻的生長情況，高液體停留時間立體塔板的操作下限選為閥孔動能因子8(m/s)/(kg/m3)。

3.3.4 塔板效率

新型立體微藻養殖塔板效率高意味著設計時可以采用更少的塔板數，減少設備投資；生產時可以采用更小的回流比，減少操作費用和能耗，降低生產成本。對于微藻養殖，高效率意味著CO2氣體在養殖液中溶碳脫氧效率高，達到目標CO2脫除率需要的塔板數減少。影響塔板效率的因素包括塔板結構、物系、操作條件等因素，在結構和物系確定的情況下，塔板效率取決于塔內氣液相負荷等操作條件，低氣速下操作的嚴重漏液和高氣速下操作的過量霧沫夾帶都會造成塔板效率的大幅度降低，甚至嚴重破壞塔的正常操作。不同操作條件下塔板效率的對比見圖6。

圖6 不同操作條件下的塔板效率對比

由圖6可看出，200、600、1000 L/(h.m)的液流強度下傳質效率均隨閥孔動能因子的增大而增大；閥孔動能因子一定時，高液流強度時塔板的傳質效率較低，尤其在低閥孔氣速時更加明顯。原因一方面是由于液流強度增大，板面上液體的停留時間縮短，循環進入罩內傳質的次數減少造成的；另一方面是由于液流強度增大，板上液層變厚，提升到罩內的液體量增多，液體破碎粒度變大，氣液接觸面積減小造成的。

3.3.5 二氧化碳吸收效率

以上實驗采用空氣-水和氧氣-空氣-水系統進行了新型立體微藻養殖塔板的流體力學性能測試，確定了塔的適宜操作范圍，在此基礎上采用CO2-空氣-水系統，模擬煙氣組成，在不養藻的情況下考察水對混合氣體中CO2的吸收效率。由于水中溶解CO2濃度較小，不足以滿足為藻類繁殖提供碳源的需要；CO2濃度太大也會抑制藻類的生長。因此，CO2濃度是藻類養殖的一個很重要的影響參數[19]。本實驗在總氣量200 m3/h、液流強度460 L/(h.m)的情況下，考察了不同CO2濃度對吸收效率的影響，結果見圖7。

圖7 不同CO2濃度下的吸收效率

由圖7可看出，在相同氣速和液流強度下，隨著混合氣體中CO2濃度的增加，液體對CO2的吸收效率由78%逐漸下降至57.5%左右。這是由于混合氣體中CO2的濃度增加，液體中溶解的CO2的量增加并逐漸趨于飽和，溶液的pH值也隨之下降，受溶解平衡限制，CO2向溶液中溶解擴散的推動力減小，因此，CO2在溶液中的吸收效率下降。但混合氣體中CO2濃度為16%時(與電廠煙氣中的CO2含量相當)，單層塔板二氧化碳的吸收效率仍在60%以上，而在養藻的情況下，由于存在光化學反應，CO2在溶液中的溶解度將會更大，因此，塔式立體養殖微藻生物反應器的工業裝置設計時，應采用分段進氣、廢氣分段采出的方式，保證每層塔板上都有充分的CO2為微藻發生光合反應提供充足的碳源和實現CO2的高效利用和減排。

3.3.6 氣速和液流強度對吸收效率的影響

氣體流量和液流強度與高液體停留時間立體塔板的操作狀況密切相關，進而影響到CO2在溶液中的溶解效率。因此，氣體流量和液流強度是藻類繁殖的很重要的影響參數[20]。本實驗在CO2濃度為8.82%時，考察了氣體流量和液流強度對吸收效率的影響，結果見圖8。

圖8 不同操作條件下CO2的吸收效率對比

由圖8可看出，同一液流強度下，隨著氣速的增加，CO2在溶液中的吸收效率逐漸增加，液流強度為460 L/(h.m)時，CO2的吸收效率隨氣速增加由65%增加至72%，液流強度為920L/(h.m)時，CO2的吸收效率則隨氣速增加由63.7%增加至67.4%。同一氣速下，液流強度較大的CO2在溶液中的吸收效率較低，在試驗范圍內，460L/(h.m) 液流強度對應的CO2的吸收效率比920L/(h.m) 液流強度對應的CO2的吸收效率高出1.3%～4.3%左右。這是由于氣速較低時，氣體破碎液體的能量小，液體被破碎成較大液滴，氣液接觸表面積較小，因此CO2在溶液中的吸收效率較低，隨著氣速的逐漸增大，氣體破碎液體的能量增加，氣體在帽罩內把液體拉膜破碎成微小液體后從氣液分離孔噴出，氣液接觸表面積和液滴更新幾率增加，CO2的吸收效率也隨之增大。同一氣速下，液流強度增大，液體在塔板上的停留時間縮短， CO2氣體與溶液接觸時間也隨之縮短，從而導致CO2在溶液中的吸收效率降低。

考慮到氣速太小時，CO2氣體吸收效率較低和氧氣解析的比較慢，會抑制藻類的繁殖；而氣速太高時，剪切力太大容易造成藻類死亡和容易把藻沖出塔體，不利于藻類的繁殖，閥孔動能因子取8～16(m/s)/(kg/m3)較為適宜。液流強度大時，CO2氣體在溶液中的溶解效率較低，CO2氣體有效利用率較低；液流強度大也造成液體在塔板上的停留時間短，微藻生長需要增加塔板數，造成塔高度增加，設備投資加大；液流強度太小時，養藻液在塔內停留時間太長，更新慢，對微藻生長容易產生抑制，因此，氣速和液流強度都有其適宜微藻生長的操作范圍。

4 結論

通過對新型立體微藻養殖塔板的流體力學和傳質性能進行實驗研究，發現在閥孔動能因子8～14(m/s)/(kg/m3)的微藻養殖適宜氣速和液體流速下，塔板無泄露和霧沫夾帶，板效率高于90%，壓降小于800Pa；新型立體微藻養殖塔板對CO2吸收效率高，單層塔板吸收效率在60%以上。開展本研究確定了新型立體微藻養殖塔板適宜的操作范圍和傳質性能，為中試裝置的設計提供基礎數據，也為進一步從理論上獲得微藻高密度養殖的最佳參數解，建立塔式微藻法固定CO2的理論體系，以及塔式微藻法固定CO2的中試和工業示范奠定理論基礎，將對我國減排CO2、解決能源緊缺提供技術支撐。