平板陶瓷膜回收煙氣水熱的實驗研究

谷小兵，向鳳齡，岳樸杰，荊亞超，張金瑤，王祖武

（1. 大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，北京 100097；2. 武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

隨著工業(yè)超低排放裝置的運行，二氧化硫和氮氧化物等常規(guī)污染物的去除效率顯著提高［1］。但經(jīng)濕法脫硫脫硝后，煙氣的水蒸氣含量增大，若直接排放到大氣中會造成大量水熱資源的浪費。以一臺600 MW火力發(fā)電燃煤鍋爐為例，每年運行時間按照5 000 h計算，全年排放的水量約110萬t；一個1 000 MW火電廠全年的用水量相當(dāng)于一座中小城市的用水量［2-3］；而排煙溫度每降低10~15 ℃，鍋爐效率可提高一個百分點，相應(yīng)的耗煤量隨之下降［4］。因此，對煙氣水熱的回收能起到顯著的節(jié)能降耗效果。

在煙氣水熱回收技術(shù)中，膜分離技術(shù)因具有回收水質(zhì)好、傳質(zhì)傳熱并行等特點，成為主要研究方向［5］。學(xué)者們研究了陶瓷膜的冷凝機理，包括壁冷凝和毛細(xì)冷凝［6-8］；考察了不同類型陶瓷膜的煙氣水熱回收性能，如空心微納多孔陶瓷復(fù)合膜［8］、多通道陶瓷膜［9］；分析了工藝參數(shù)對陶瓷膜內(nèi)膜和外膜過程通量的影響［10］；探究了陶瓷膜的傳熱規(guī)律［11-12］，建立了陶瓷膜傳熱傳質(zhì)模型［13］，發(fā)現(xiàn)煙氣側(cè)水蒸氣釋放的潛熱占煙氣側(cè)總釋放熱量的絕大部分。多孔陶瓷膜的傳質(zhì)系數(shù)高于不銹鋼管［14］，陶瓷膜的總傳熱系數(shù)高于不銹鋼、氟塑料換熱器的總傳熱系數(shù)［15］。

目前用于回收煙氣水熱的陶瓷膜主要為管式膜［9-15］，而有關(guān)平板陶瓷膜回收煙氣水熱的報道很少。相對于平板膜，管式陶瓷膜管徑相對較小，安裝在煙氣通道后會加大阻力。而平板陶瓷膜阻力較小，單塊陶瓷膜面積遠(yuǎn)大于單根管式陶瓷膜，安裝較為方便，且造價相對較低。

本工作采用平板陶瓷膜回收煙氣水熱，考察了不同過程參數(shù)對平板陶瓷膜傳質(zhì)、傳熱的影響，為平板陶瓷膜在工業(yè)煙氣水熱回收中的實際應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗裝置由配氣單元、平板陶瓷膜組件單元、冷卻水循環(huán)單元三部分組成，如圖1所示。配氣單元包括風(fēng)機、蒸汽發(fā)生器和加熱管，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機和蒸汽發(fā)生器的功率，可獲得不同溫度、流速和相對濕度的模擬煙氣。模擬煙氣經(jīng)濾網(wǎng)除去液滴后進入平板陶瓷膜組件單元。該單元是本實驗裝置的核心單元，模擬煙氣的水熱交換在此單元完成。在陶瓷膜組件前后設(shè)置了溫/濕度傳感器、壓力傳感器等，精確顯示了模擬煙氣的溫/濕度。冷卻水循環(huán)單元包括制冷機、循環(huán)水箱、電子秤、抽吸水泵等，通過調(diào)節(jié)制冷機功率可獲得不同溫度的冷卻水，冷卻水由抽吸水泵驅(qū)動，在水泵壓頭作用下在平板陶瓷膜外側(cè)建立穩(wěn)定的真空，電子秤可計量一段時間內(nèi)循環(huán)水箱的增重。在冷卻水管道上設(shè)置了壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和渦輪流量計，以顯示冷卻水在流入和流出膜組件時溫度和壓力的變化，渦輪流量計可記錄冷卻水流量。每組實驗重復(fù)兩次，取平均值。實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 平板陶瓷膜組件實驗裝置圖

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

1.2 陶瓷膜煙氣水熱回收原理

本實驗采用的平板陶瓷膜由山東陶瓷研究院提供。陶瓷膜壁面分為選擇層、分離層和支撐層，孔徑由外向內(nèi)逐漸擴大，陶瓷膜的主要參數(shù)見表2。陶瓷膜的水分回收機制主要與選擇層孔徑有關(guān)，本實驗采用的陶瓷膜選擇層孔徑為50 nm，根據(jù)Kelvin公式水分回收機制主要為毛細(xì)冷凝。煙氣水蒸氣進入陶瓷膜選擇層孔洞中發(fā)生毛細(xì)冷凝，在氣液相之間形成一個月牙形的氣液界面；同時主流煙氣側(cè)在濃度差的作用下水蒸氣向壁面擴散，壁面附近由于水蒸氣濃度降低形成一層不凝氣邊界層，阻止不凝氣體進入陶瓷膜內(nèi)部。由于多孔陶瓷膜的滲透性有效避免了陶瓷膜壁表面液膜的形成，煙氣傳熱傳質(zhì)過程中僅需克服不凝氣體邊界層阻力，因此陶瓷膜傳熱傳質(zhì)性能優(yōu)于普通鋼板換熱器。陶瓷膜傳熱傳質(zhì)機理如圖2所示。

表2 陶瓷膜的主要參數(shù)

圖2 陶瓷膜傳熱傳質(zhì)機理示意圖

1.3 陶瓷膜水熱回收性能評價指標(biāo)

平板陶瓷膜組件可同時回收煙氣中的熱量和水分，具有傳質(zhì)傳熱并行的特點，因此引入水通量、水回收效率、煙氣顯熱和潛熱換熱量等參數(shù)，評價其水熱回收性能。

1）水通量

通過計算平板陶瓷膜組件水通量，可評價單位時間內(nèi)單位面積膜組件回收水的能力，計算方法見式（1）。

式中：Jw為水通量，kg/（m2·h）；Δm為循環(huán)水箱的質(zhì)量變化，kg；A為陶瓷膜組件全部接觸煙氣的表面積，m2；Δt為實驗時間，h。

2）水回收效率

水回收效率為膜組件實際回收的水量占膜組件入口煙氣水分的比例，計算方法見式（2）和式（3）。

式中：η為水回收效率，5；qmin為入口煙氣水量，kg/h；S為陶瓷膜組件截面積，m2；v為煙氣流速，m/s；RHin為煙氣入口相對濕度，%；Vqin為入口煙氣的飽和蒸汽量（在相應(yīng)溫度下查數(shù)據(jù)表［15］獲得），g/m3；3.6為單位換算系數(shù)。

3）煙氣顯熱、潛熱換熱量

煙氣流經(jīng)平板陶瓷膜組件放出的總熱量包括顯熱換熱量和潛熱換熱量。煙氣顯熱換熱量為單位時間、單位面積煙氣降溫時放出的熱量（見式（4）），煙氣潛熱換熱量為單位時間、單位面積水蒸氣冷凝放出的熱量（見式（5））。

式中：Qf為煙氣顯熱換熱量，MJ/（m2·h）；cpf為煙氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；qmf為煙氣質(zhì)量流量，kg/h；tfin為煙氣入口溫度，℃；tfout為煙氣出口溫度，℃；Qv為水蒸氣冷凝放出的熱量（煙氣潛熱換熱量），MJ/（m2·h）；Q1為單位時間水蒸氣冷凝時的潛熱，kg/h；Q2為單位時間凝結(jié)水降溫的熱量，kg/h；qmv為回收水蒸氣的質(zhì)量流量，kg/h；qv為水的汽化潛熱，kJ/kg；cpw為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；tc為水蒸氣凝結(jié)時的溫度，℃；twout為冷卻水出口溫度，℃。

4）總傳熱系數(shù)

本實驗裝置中，煙氣與冷卻水流動方向順流設(shè)置，故總傳熱系數(shù)（K，W/（m2·℃））為：

式中：Q為平板陶瓷膜組件的熱負(fù)荷，可由Qf和Qv相加得出，W/m2；Δtm為進出口煙氣的對數(shù)平均溫差，℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣溫度的影響

在煙氣相對濕度100%、煙氣流速4.0 m/s、冷卻水溫度20 ℃、冷卻水流量170 L/h的條件下，煙氣溫度對陶瓷膜水熱回收性能的影響如圖3所示。從圖3可以看出：水通量和水回收效率均隨煙氣溫度升高而增加；當(dāng)煙氣溫度從40 ℃升至78℃時，膜的水通量從3.3 kg/（m2·h）增至22.0 kg/（m2·h），水回收效率從27.0%增至36.3%。這是由于：煙氣溫度越高，飽和蒸汽量越大，78 ℃煙氣的飽和蒸汽量是40 ℃煙氣的5倍多［15］，意味著有更多的水蒸氣參與到陶瓷膜的冷凝過程中；同時煙溫升高，煙道內(nèi)壓力增大，導(dǎo)致陶瓷膜內(nèi)外壓差增高，推動力增大。

從圖3還可以看出，陶瓷膜回收的熱量主要來自煙氣釋放的潛熱。煙氣潛熱和顯熱的換熱量均隨煙氣溫度升高而增加，煙氣溫度從40 ℃升至78℃時，煙氣潛熱換熱量從7.5 MJ/（m2·h）增至50.2 MJ/（m2·h），煙氣顯熱換熱量從0.6 MJ/（m2·h）增至3.8 MJ/（m2·h）。這是由于：煙溫升高，煙氣中的水蒸氣大幅度增加，更多的水蒸氣冷凝放出大量的潛熱，故潛熱換熱量增大；同時煙氣溫度升高后與陶瓷膜壁表面的溫差增大，傳熱推動力增強，煙氣在膜組件的溫降增大，因此煙氣顯熱換熱量增加；但煙氣溫降產(chǎn)生的顯熱換熱量遠(yuǎn)小于水蒸氣冷凝放出的潛熱，故煙氣顯熱換熱量的增幅較小。

圖3 煙氣溫度對水熱回收性能的影響

2.2 煙氣相對濕度的影響

在煙氣溫度58 ℃、煙氣流速4.0 m/s、冷卻水溫度20 ℃、冷卻水流量170 L/h的條件下，煙氣相對濕度對陶瓷膜水熱回收性能的影響如圖4所示。從圖4可以看出：水通量和水回收效率均隨煙氣相對濕度的升高而增加；當(dāng)煙氣相對濕度從55%增至100%時，水通量從3.5 kg/（m2·h）增至8.3 kg/（m2·h），水回收效率從12.8%增至30.7%。根據(jù)Colburn-Hougen理論，含不凝氣體的煙氣冷凝時，不僅壁表面存在液態(tài)水膜，液膜外還存在著由不凝氣體積聚的氣態(tài)傳質(zhì)邊界層。由于陶瓷膜特殊的微觀結(jié)構(gòu)避免了液膜的形成，故水蒸氣凝結(jié)需克服的阻力僅為不凝氣體邊界層阻力。煙氣相對濕度降低會導(dǎo)致不凝氣體增多，增大了氣態(tài)傳質(zhì)邊界層的阻力同時降低了氣液界面上飽和蒸汽分壓，故水通量和水回收效率降低。

從圖4還可以看出：煙氣潛熱換熱量和顯熱換熱量均隨煙氣相對濕度的升高而增加；當(dāng)煙氣相對濕度從55%增至100%時，潛熱換熱量從7.8 MJ/（m2·h）增至38.4 MJ/（m2·h），顯熱換熱量從1.5 MJ/（m2·h）增至1.6 MJ/（m2·h）。煙氣潛熱換熱量與煙氣水通量呈正相關(guān)變化趨勢，回收水越多，潛熱換熱量越大。當(dāng)煙氣濕度升高時，不凝氣體邊界層阻力減小，煙氣對流換熱效果增強，顯熱換熱量也增加。

2.3 煙氣流速的影響

在煙氣溫度58 ℃、煙氣相對濕度100%、冷卻水溫度20 ℃、冷卻水流量170 L/h的條件下，煙氣流速對陶瓷膜水熱回收性能的影響如圖5所示。從圖5可以看出：水通量隨煙氣流速的加快而上升，而水回收速率隨煙氣流速的加快呈先上升后下降的趨勢；當(dāng)煙氣流速從2.0 m/s增至6.3 m/s時，水通量從3.9 kg/（m2·h）增至10.0 kg/（m2·h），水回收效率從28.4%升至最高30.7%后又降至23.3%。煙氣流速加快時，不僅單位時間煙氣攜帶的水蒸氣數(shù)量增大，而且氣相雷諾數(shù)增大，湍流程度更高，煙氣側(cè)阻力降低，故水通量增加。一方面煙氣側(cè)阻力減小同樣有利于水回收效率的提高，另一方面當(dāng)流速加快到一定程度后，煙氣在膜組件的停留時間變短，煙氣中的水蒸氣還未與膜組件充分傳質(zhì)換熱便流出膜組件，在這兩因素的共同影響下，水回收效率在煙氣流量為4.0 m/s時達(dá)到最高。

從圖5還可以看出：煙氣潛熱換熱量隨煙氣流速的加快而升高，煙氣流速從2.0 m/s增至6.3m/s時，煙氣潛熱換熱量從27.4 MJ/（m2·h）增至54.6 MJ/（m2·h），這是因為煙氣流速增大，有更多的水蒸氣參與到陶瓷膜的壁冷凝和毛細(xì)冷凝的過程中，放出大量的潛熱；在低流速時顯熱換熱量隨流速的加快略有上升，高流速時增長趨于平緩，原因在于流速過大導(dǎo)致煙氣在膜組件內(nèi)不能充分換熱，抑制了換熱效果。

圖5 煙氣流速對水熱回收性能的影響

2.4 冷卻水溫度的影響

在煙氣溫度58 ℃、煙氣相對濕度100%、煙氣流速4.0 m/s、冷卻水流量170 L/h的條件下，冷卻水溫度對水熱回收性能的影響如圖6所示。從圖6可以看出：水通量和水回收效率隨著冷卻水溫度的升高而降低；當(dāng)冷卻水溫度從15 ℃增至35 ℃時，水通量從8.6 kg/（m2·h）降至5.0 kg/（m2·h），水回收效率從31.5%降至19.0%。這是因為冷卻水溫度降低導(dǎo)致陶瓷膜壁表面的溫度降低，煙氣與陶瓷膜的溫差增大，推動力增強，有利于水蒸氣在陶瓷膜孔內(nèi)的毛細(xì)冷凝，使得水通量和水回收效率增加。

從圖6還可以看出：煙氣潛熱換熱量隨著冷卻水溫度的升高而降低，冷卻水溫度從15 ℃升至35℃時，煙氣潛熱換熱量從47.1 MJ/（m2·h）降至22.8 MJ/（m2·h）；冷卻水溫度對煙氣顯熱換熱量的影響不大。這是由于冷卻水溫度降低，導(dǎo)致煙氣與陶瓷膜壁表面的溫差變大，推動力增大，水蒸氣更容易凝結(jié)放出大量潛熱。

圖6 冷卻水溫度對水熱回收性能的影響

2.5 陶瓷膜組件總傳熱系數(shù)

總傳熱系數(shù)是評價換熱器換熱效果的重要指標(biāo)之一，總傳熱系數(shù)越大，意味著換熱器的換熱效果越好。在煙氣相對濕度100%、煙氣流速4.0 m/s、冷卻水溫度20 ℃、冷卻水流量170 L/h的條件下，根據(jù)煙氣進出口溫濕度的變化計算出不同煙溫下陶瓷膜的總傳熱系數(shù)，并將其與文獻［9，16］中管式陶瓷膜的總傳熱系數(shù)進行對比，結(jié)果如表3所示。由表3可知，平板陶瓷膜的總傳熱系數(shù)較高（最高為412W/（m2·℃）），說明平板陶瓷膜具有較好的換熱效果。原因可能是平板陶瓷膜的管壁較薄（本實驗陶瓷膜管壁厚度僅為1 mm，而管式陶瓷膜管壁厚度為2 mm［16］，是平板陶瓷膜的兩倍），故在平板陶瓷膜中煙氣傳熱過程受到的阻力較小，換熱效果更好。

表3 不同陶瓷膜的總傳熱系數(shù)

3 結(jié)論

a）在實驗工況下，平板陶瓷膜組件的水通量和水回收效率最高分別可達(dá)22.0 kg/（m2·h）和36.3%，說明平板陶瓷膜回收煙氣水熱的性能較好。

b）水通量隨著煙氣溫度、煙氣相對濕度、煙氣流速的增大和冷卻水溫度的降低而升高；水回收效率隨著煙氣溫度、煙氣相對濕度的增大和冷卻水溫度的降低而升高，隨煙氣流速的加快先升后降。

c）平板陶瓷膜回收的熱量主要來自煙氣釋放的潛熱，煙氣潛熱換熱量的提高可以通過提高煙氣溫度、煙氣相對濕度、煙氣流速和降低冷卻水溫度來實現(xiàn)。

d）在本實驗工況下，平板陶瓷膜的總傳熱系數(shù)最高為412 W/（m2·℃），比多通道管式陶瓷膜和單通道管式陶瓷膜高。