褚嘉易，史伟伟，乔英云

(1.青岛经济技术开发区第一中学，山东 青岛 266000；2.青岛环海石油化工科技开发有限公司，山东 青岛 266000；3.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266000)

1 引言

由于全球变暖和资源短缺，CO2的减排与资源化利用正成为21世纪最为重要的环境和能源问题之一。自2007年中国CO2排放量达460亿t,占全球排放的21%，超过美国成为世界上与能源相关CO2排放的第一大国[21]，中国的二氧化碳减排压力巨大，任重道远。在人类排放的CO2中，燃煤电厂是最大最集中的CO2排放源，排放量约占世界的40%和我国的50%，因此，进行燃煤电厂烟气的CO2捕集是大规模减排CO2的最直接有效的手段，还能将CO2资源化利用[1]。

生物固碳是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循环中起决定作用，利用微藻固定CO2并通过生物炼制制取生物油不但可以大规模减排CO2[2]，而且能将CO2资源化得到液体燃料和化工产品，极具环境、能源和资源的综合效应[3～5]。而目前作为微藻生物固碳的核心技术——微藻养殖反应器的研究主要是基于开放池(如循环跑道池)[6,7]和封闭光生物反应器(如气升式反应器、管式、板式、光导纤维光生物反应器等)开展的[8,9]。由于这些反应器微藻的培养密度低、设备处理能力小、占地面积大、气体一次通过造成效率低，难以适应工业CO2排放的大规模连续固定和工业化生产[10]。

笔者针对现有微藻养殖反应器的不足，研发了一种新型塔式立体微藻养殖反应器，并进行了流体力学和传质性能实验，确定了其适宜的操作条件，为将微藻养殖和电厂CO2减排偶联，实现CO2的大规模立体连续化固定确定基础数据。

2 塔式立体微藻养殖反应器的结构特性和操作原理

塔式立体微藻养殖反应器是一种新型高效的光生物反应器，其结构特点为：在塔板上开有圆形孔，圆形孔上焊接20～50 cm高的圆锥形升气孔，升气孔外侧固定带有筛孔的圆锥形帽罩，帽罩上方带有分离板，帽罩与板面留有10～30 mm的缝隙。塔壁周围与板面垂直布置若干LED灯光源，为微藻生长提供光照。塔式光生物反应器结构如图1所示。

图1 塔式立体微藻养殖反应器结构原理

操作时，烟气自升气孔从下层塔板进入上层塔板，微藻液在气体抽吸和板上液层压力的作用下，进入帽罩内，被烟气携带、提升、细化、碰顶后折回，从气液分离孔喷出帽罩外。在这个过程中，烟气中的被二氧化碳被微藻液吸收的同时微藻产生的氧气析出，然后进入上层塔板；微藻液落回到板面上，其中的大部分重新循环回帽罩内进行传质反应，以保障液体在塔内的长停留时间，满足微藻生长的需要；小部分微藻液沿降液管进入下层塔板继续进行传质反应。最终被吸收固定二氧化碳后的烟气从塔顶离开，固定二氧化碳的微藻液从塔底排出，生长较大的微藻被分离出作为能源利用，较小的微藻循环回塔内重新进行二氧化碳的固定反应[11]。

在塔式立体微藻养殖反应器中，气液经过充分接触后，可以大幅度提高二氧化碳在培养液中的溶解度和光合作用生成氧的析出度，促进藻类对二氧化碳的固定，从而促进藻类的生长，达到二氧化碳减排的目的。气体不断从塔板上传质后进入上层空间，把藻类释放的氧气从体系中不断连续排出，也促进了藻类的生长。另外采用塔式培养，打破了传统的传质区域为平面形式的限制，将普通两维养殖变为三维，将气液传质区域从板面发展到罩内、罩顶的立体空间，塔内空间利用充分，气相分布更加均匀、传质更充分，并可以通过塔板数的设计来调节培养时间，具有塔板上液层高、通量大、液体停留时间长、板效率高、操作弹性大、板压降低、容易解析出藻类释放的氧气等优点[22]。

3 塔式立体微藻养殖反应器的流体力学和传质性能实验

3.1 实验装置及流程

在直径240 mm的圆形有机玻璃装置上进行塔式立体微藻养殖反应器的流体力学和传质性能测定实验[22]。

该装置分为三段，气体分布板、实验板和雾沫夹带捕集板自下而上布置。气体分布板上布置了若干圆形升气筒，升气筒上装载伞形帽，使上升的气流分布更均匀，同时防止泄露液进入气体通道；自试验板泄露的液体落到气体分布板上收集起来，进行漏液量测量，因此它还是一块泄露液收集板。实验板进行流体力学和传质性能测试；雾沫夹带捕集板上装有规整填料，目的是将气体夹带上来的液滴收集起来测量雾沫夹带量。除此之外，还有水泵、风机、微藻池等辅助设施。

实验流程见图2。

空气或空气、二氧化碳混合气体由风机输送至玻璃转子流量计计量后送入塔底；高位槽的水由玻璃转子流量计计量后通过雾化喷头喷洒到试验板上，与气体在实验板上的帽罩内外进行接触传质后流到塔釜，经过安在塔釜的U形液封装置循环回水池；被气体夹带的少量水在捕雾段收集后作为雾沫夹带量计量。

3.2 试验方法和实验条件

实验条件见表1。

塔式立体微藻养殖反应器的塔板压降、雾沫夹带和漏液等流体力学性能采用空气-水系统进行测试，塔板效率采用O2-空气-水系统进行测试，以确定塔的适宜操作范围。并在上述基础上采用CO2-空气-水系统，模拟烟气组成，在不养藻的情况下考察水对混合气体中CO2的吸收效率，为塔式微藻法生物养殖的中试实验奠定基础。

1-风机；2-CO2气瓶；3-气体流量计4-气体分布版与取样板；5-塔式立体微藻养殖反应器；6-雾沫夹带收集板；7-U形压差计；8-低位水池；9-潜水泵；10-高位水池；11-氧气瓶；12-溶氧塔；13-液体流量计

图2 试验装置流程

塔板压降采用U形管压差计测量，水中氧含量通过碘量法测得，CO2的吸收量采用NaOH中合法测定，风量采用文氏流量计测量，液体流量采用转子流量计测量。

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 塔板压降

塔板压降包括干板压降和湿板压降[12]。干板压降，仅与板上升气孔结构和帽罩结构有关，反映了反应器的结构阻力性能[13]。湿板压降是反应器内有液体存在时气(汽)流通过经液体润湿的开孔构件以及气流和液体接触相互作用的压力损失之和，反映了塔板的操作阻力性能[14]。对于新型立体微藻养殖塔板，引起塔板压降的主要原因有：塔板结构、气体提升液体与液体混合、两相同时穿越气液分离孔时产生收缩、与孔壁的摩擦、离开罩筒时的扩张引起的压力损失等。不同操作条件下的干板压降和湿板压降如图3所示。

图3 不同操作条件下的塔板压降

对于微藻养殖，既要考虑溶氧脱碳，又要考虑对微藻的破碎和破坏，微藻养殖的适宜操作范围为阀孔动能因子为8～16(m/s)/(kg/m3)。由图3可看出，液流强度为0时的塔板压降即为干板压降，低阀孔动能因子下，干板压降明显低于湿板压降，当阀孔动能因子超过30后，干板压降与湿板压降几乎相当，这说明低气速下湿板压降占决定因素，塔板结构对湿板压降的影响几乎可以忽略，而高气速下干板压降上升为决定因素，塔板结构决定了塔的总压降。在液流强度相同的条件下，气速增加，塔板压降随之增大；在阀孔动能因子相同的条件下，液流强度增加，塔板压降也随之增加，高气速下更加明显。这是由于液流强度增加，板上清液层高度也随之增加，进入帽罩的液体量增加，被气体破碎消耗的能量也增加的缘故。在微藻养殖阀孔动能因子为8～16(m/s)/(kg/m3)的适宜操作范围内，湿板压降随液流强度和气速变化不大，比较平缓，大约在600～800 Pa。

3.3.2 雾沫夹带

雾沫夹带决定了新型立体微藻养殖塔板的操作上限，过多的雾沫夹带量会造成塔内液体的返混，减少传质的推动力，降低传质效率，严重时甚至会造成淹塔[15, 16]。在塔板结构、板间距、溢流堰高度及流体物性确定以后，气速和液流强度对雾沫夹带起决定性作用。不同操作条件下的雾沫夹带情况见图4。

图4 不同操作条件下的雾沫夹带量

由图4可看出，不同液流强度下，低气速操作塔内几乎无雾沫夹带；阀孔动能因子在15～20(m/s)/(kg/m3)范围内，雾沫夹带量平缓增加；阀孔动能因子大于20(m/s)/(kg/m3)后，雾沫夹带量急剧增加；较高气速下，阀孔动能因子相同时，液流强度越大，雾沫夹带量越多。液流强度越大，其10%允许雾沫夹带上限对应的阀孔动能因子则越小，液流强度200、400、800、1000 L/(h.m)对应的10%雾沫夹带上限分别为27、23、22和21(m/s)/(kg/m3)，这是因为液流强度增加时，板上清液层高度也随之增加，帽罩液体提升量增加的缘故。当阀孔动能因子超过10%雾沫夹带上限以后，雾沫夹带量将迅速升高，塔的操作平衡被破坏，造成淹塔。在微藻养殖阀孔动能因子8～16(m/s)/(kg/m3)的适宜操作范围内，高液体停留时间立体塔板的雾沫夹带量几乎为零。

3.3.3 漏液

漏液决定了新型立体微藻养殖塔板的操作下限，在低气速时，从升气孔上升的气体不足以托住板面液体，导致板面上液体从升气孔漏液，气液传质效果很差，塔板效率低，随着气速的提高，漏液减小，直至停止。在塔板结构性因素确定后，气速和液流强度是影响漏液量的主要因素[12]，新型立体微藻养殖塔板在不同操作条件下的漏液量见图5。

图5 不同操作条件下的漏液量

由图5可看出，液流强度不变，阀孔动能因子提高，漏液量随之急剧减小；大液流强度对应的10%允许泄漏量对应的阀孔动能因子较大。原因是，液流强度不变的情况下，阀孔动能因子提高，气体的动能随之增加，从而流入喷孔的液体被破碎细化，气体携带液体的曳力增加；若气体曳力与喷孔上方的液滴重量相当，液滴就能够被气体托住，板面液体的漏液量就少。若气体阀孔动能因子相同，液流强度越大，板上清液层越高，板上液体压头越大，则进入帽罩的液体越多也越难分散，漏液量就越大。

对于微藻养殖，综合考虑养殖液的停留时间和微藻的生长情况，高液体停留时间立体塔板的操作下限选为阀孔动能因子8(m/s)/(kg/m3)。

3.3.4 塔板效率

新型立体微藻养殖塔板效率高意味着设计时可以采用更少的塔板数，减少设备投资；生产时可以采用更小的回流比，减少操作费用和能耗，降低生产成本。对于微藻养殖，高效率意味着CO2气体在养殖液中溶碳脱氧效率高，达到目标CO2脱除率需要的塔板数减少。影响塔板效率的因素包括塔板结构、物系、操作条件等因素，在结构和物系确定的情况下，塔板效率取决于塔内气液相负荷等操作条件，低气速下操作的严重漏液和高气速下操作的过量雾沫夹带都会造成塔板效率的大幅度降低，甚至严重破坏塔的正常操作。不同操作条件下塔板效率的对比见图6。

图6 不同操作条件下的塔板效率对比

由图6可看出，200、600、1000 L/(h.m)的液流强度下传质效率均随阀孔动能因子的增大而增大；阀孔动能因子一定时，高液流强度时塔板的传质效率较低，尤其在低阀孔气速时更加明显。原因一方面是由于液流强度增大，板面上液体的停留时间缩短，循环进入罩内传质的次数减少造成的；另一方面是由于液流强度增大，板上液层变厚，提升到罩内的液体量增多，液体破碎粒度变大，气液接触面积减小造成的。

3.3.5 二氧化碳吸收效率

以上实验采用空气-水和氧气-空气-水系统进行了新型立体微藻养殖塔板的流体力学性能测试，确定了塔的适宜操作范围，在此基础上采用CO2-空气-水系统，模拟烟气组成，在不养藻的情况下考察水对混合气体中CO2的吸收效率。由于水中溶解CO2浓度较小，不足以满足为藻类繁殖提供碳源的需要；CO2浓度太大也会抑制藻类的生长。因此，CO2浓度是藻类养殖的一个很重要的影响参数[19]。本实验在总气量200 m3/h、液流强度460 L/(h.m)的情况下，考察了不同CO2浓度对吸收效率的影响，结果见图7。

图7 不同CO2浓度下的吸收效率

由图7可看出，在相同气速和液流强度下，随着混合气体中CO2浓度的增加，液体对CO2的吸收效率由78%逐渐下降至57.5%左右。这是由于混合气体中CO2的浓度增加，液体中溶解的CO2的量增加并逐渐趋于饱和，溶液的pH值也随之下降，受溶解平衡限制，CO2向溶液中溶解扩散的推动力减小，因此，CO2在溶液中的吸收效率下降。但混合气体中CO2浓度为16%时(与电厂烟气中的CO2含量相当)，单层塔板二氧化碳的吸收效率仍在60%以上，而在养藻的情况下，由于存在光化学反应，CO2在溶液中的溶解度将会更大，因此，塔式立体养殖微藻生物反应器的工业装置设计时，应采用分段进气、废气分段采出的方式，保证每层塔板上都有充分的CO2为微藻发生光合反应提供充足的碳源和实现CO2的高效利用和减排。

3.3.6 气速和液流强度对吸收效率的影响

气体流量和液流强度与高液体停留时间立体塔板的操作状况密切相关，进而影响到CO2在溶液中的溶解效率。因此，气体流量和液流强度是藻类繁殖的很重要的影响参数[20]。本实验在CO2浓度为8.82%时，考察了气体流量和液流强度对吸收效率的影响，结果见图8。

图8 不同操作条件下CO2的吸收效率对比

由图8可看出，同一液流强度下，随着气速的增加，CO2在溶液中的吸收效率逐渐增加，液流强度为460 L/(h.m)时，CO2的吸收效率随气速增加由65%增加至72%，液流强度为920L/(h.m)时，CO2的吸收效率则随气速增加由63.7%增加至67.4%。同一气速下，液流强度较大的CO2在溶液中的吸收效率较低，在试验范围内，460L/(h.m) 液流强度对应的CO2的吸收效率比920L/(h.m) 液流强度对应的CO2的吸收效率高出1.3%～4.3%左右。这是由于气速较低时，气体破碎液体的能量小，液体被破碎成较大液滴，气液接触表面积较小，因此CO2在溶液中的吸收效率较低，随着气速的逐渐增大，气体破碎液体的能量增加，气体在帽罩内把液体拉膜破碎成微小液体后从气液分离孔喷出，气液接触表面积和液滴更新几率增加，CO2的吸收效率也随之增大。同一气速下，液流强度增大，液体在塔板上的停留时间缩短， CO2气体与溶液接触时间也随之缩短，从而导致CO2在溶液中的吸收效率降低。

考虑到气速太小时，CO2气体吸收效率较低和氧气解析的比较慢，会抑制藻类的繁殖；而气速太高时，剪切力太大容易造成藻类死亡和容易把藻冲出塔体，不利于藻类的繁殖，阀孔动能因子取8～16(m/s)/(kg/m3)较为适宜。液流强度大时，CO2气体在溶液中的溶解效率较低，CO2气体有效利用率较低；液流强度大也造成液体在塔板上的停留时间短，微藻生长需要增加塔板数，造成塔高度增加，设备投资加大；液流强度太小时，养藻液在塔内停留时间太长，更新慢，对微藻生长容易产生抑制，因此，气速和液流强度都有其适宜微藻生长的操作范围。

4 结论

通过对新型立体微藻养殖塔板的流体力学和传质性能进行实验研究，发现在阀孔动能因子8～14(m/s)/(kg/m3)的微藻养殖适宜气速和液体流速下，塔板无泄露和雾沫夹带，板效率高于90%，压降小于800Pa；新型立体微藻养殖塔板对CO2吸收效率高，单层塔板吸收效率在60%以上。开展本研究确定了新型立体微藻养殖塔板适宜的操作范围和传质性能，为中试装置的设计提供基础数据，也为进一步从理论上获得微藻高密度养殖的最佳参数解，建立塔式微藻法固定CO2的理论体系，以及塔式微藻法固定CO2的中试和工业示范奠定理论基础，将对我国减排CO2、解决能源紧缺提供技术支撑。