PDF《过程参数对采用多孔陶瓷超滤膜回收烟气中余热和水性能的影响》

water recovery over flue gas;

waste heat recovery;

transport membrane condenser;

smoke plume 引言近年来,工业的迅速发展虽然在很大程度上促 进了经济增长,但由此引发的环境问题也是目前我 国亟待解决的重点难题.化工、炼化以及电力等支 柱性行业产生的工业排放严重制约了其自身发展, 对排放烟气的净化处理得到广泛关注.我国的脱硫 系统主要为湿法脱硫工艺, 脱硫后的烟气含水量高. 以燃煤电厂为例,其排放的烟气中水蒸汽含量高达

12 %,造成烟气在排放过程中难扩散,易形成烟羽 以及引发雾霾等环境问题[1-4] .因此,对烟气中的水 蒸汽进行回收再利用不仅能减轻我国工业用水压力, 还能缓解工业排放引发的环境问题.目前用于回收 锅炉烟气中水蒸汽和余热资源的技术主要有冷凝换 热法和膜分离法. 冷凝换热法相对简单、 成本较低. 但冷凝液水质差及设备腐蚀问题仍是传统换热器需 克服的主要问题[5-7] . 膜分离法属于近年来迅速发展 起来的除湿技术.膜材料可以选择性地分离烟气中 的水蒸汽,从而得到高质量冷凝水,同时其具有装 置占地面积小,膜组件易实现标准化制造及模块化 安装等特点, 使该技术具有良好的工业化应用前景. Sijbesma 等[8] 采用膜层为 SPEEK 的中空纤维复合 膜捕集烟气中的水蒸汽,该膜在实际烟气中连续运 行了

5300 h,水通量维持在 0.2-0.46 L・ m-2 ・ h-1 ,且 回收水的水质较好.然而,此类膜冷凝系统中,膜 两侧需维持较大压差以提供水蒸汽渗透推动力,导 致水捕集过程能耗较高.Macedonio 等[9] 提出采用 疏水膜材料回收工业废气中的水蒸汽,结果表明: 气体温度降低

5 ℃, 该类膜冷凝器即可实现 20%的 水回收率. ECTFE 膜和 PVDF 膜也被应用于膜冷凝 系统[10-13] ,两者均可实现 35%-55%的水回收率[10] . 美国天然气技术研究所于

2011 年首次提出传递膜 冷凝 (Transport Membrane Condenser, TMC) 概念 , 即基于亲水陶瓷膜的烟气余热和水回收再利用技术. 在TMC 过程中,烟气中的水和热量通过陶瓷膜传 第*期www.hgxb.com.cn ・3・ 递至冷却水侧,并被直接循环至锅炉补给水系统[14] . 目前,TMC 技术在燃气锅炉上已实现商业化,其 水回收率在

40 %以上,锅炉效率提升了

5 %[14].基 于多孔陶瓷膜的 TMC 技术不仅具有更高的过程通 量, 而且材料本身具有优异的化学和热力学稳定性、 较高的机械强度以及易于清洗等优势[15, 16] ,因而表 现出广阔的发展前景. 国外关于 TMC 技术的应用研究多采用孔径为 6-8 nm 的管式陶瓷膜[14, 17, 18]. 本课题组前期也开展 了孔径为 8-10 nm的管式和

19 通道陶瓷膜的水热回 收性能研究[19-21] ,结果表明:管式膜具有更好的水 和热量回收效果. 在膜冷凝器中, 当膜孔径处在 2-50 nm 范围时,水蒸汽的传质过程主要遵循毛细冷凝 机理[22] ,因此孔径为

20 nm 的管式陶瓷膜也适用于 TMC 技术,且具有更高过程通量.因此,本文将孔 径为

20 nm 的管式陶瓷膜组装制成膜冷凝器,重点 考察了空气流量、冷却水流量、进气温度以及冷却 水温度对陶瓷内膜和外膜水通量和热通量的影响, 并比较了两者水热回收性能的差异.以期为 TMC 技术的放大应用提供基础数据.

1 实验材料和方法 1.1 陶瓷膜结构 与管式陶瓷膜相比,由于

19 通道陶瓷膜管壁 较厚,导致其传质传热阻力较大[20] ,故实验采用孔 径为