米大斌1，郭江龙2，张衡3
(1. 河北建设投资集团有限责任公司，河北 石家庄 050001；2. 河北冀研能源科学技术研究院有限公司，
河北 石家庄 050001；3. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)
摘 要：为研究陶瓷膜在火电厂烟气水分及余热回收应用中的动态性能，在河北某330 MW 燃煤电站采用40根微滤膜制作陶瓷膜组件，搭建中试装置，研究烟气流量和冷却水入口温度对水分和热量回收性能、潜热和显热释放情况的影响规律。研究结果表明，烟气流量为9 715 m 3/h 、冷却水入口温度为18.7 ℃时，膜组件的回收水量和热量分别可以达到43.65 kg/(m 2·h)和106.31 MJ/(m 2·h)。膜组件在真实的工业生产环境中展现出了良好的回收性能和极好的工业化应用潜力。关键词：陶瓷膜；烟气；水分回收；汽化潜热；中试DOI ：10.11930/j.issn.1004-9649.202010086 0 引言
中国是一个水资源相对匮乏的国家，节能减排是工业发展的重中之重。火力发电行业用水量占据了全国工业用水总量的很大份额[1]，大量的水分和烟气余热随着烟气直接排入大气中。如何高效、高质、
经济地实现烟气水分及余热回收是当前燃煤发电机组亟待解决的关键问题之一[2]。
目前，国内外研发的烟气水分回收技术主要包括冷凝换热法、复合膜分离法、液体吸附法、固体吸附法和深冷分离法等[3]。其中烟气冷凝换热法是成熟的商业化技术。冷凝换热法是使用与烟气直接接触的由氟塑料或不锈钢管等制成的换热器与烟气进行热交换，回收凝结水。但采用冷凝换热法回收的凝结水水质较差，含有大量可溶性气体及盐类且冷凝换热器换热性能差[4-5]。与其他烟气水热回收技术相比，膜分离技术具有其独特性：烟气在复合膜外部流动，复合膜内外存在压力差，为水蒸气渗透提供推动力，而且分离过程不使用化学物质，没有二次污染，回收的水分品质较高[6-8]。复合膜分离法被认为是回收和利用烟气中水分及余热最具前景的技术之一[9]。
采用陶瓷复合膜法回收烟气水分和余热的研究虽起步较晚，但发展迅速，是一条富有前景的可应用于尾部烟道进行水分捕集和低温余热回收的发展路线[10-11]。美国天然气技术研究院是国外本领域研究最为成熟的团队，研究了膜内外不同温度场和速度场的分布规律，并探究了不同工况下陶瓷复合膜水分和余热的回收性能，提出了一种适用于燃气锅炉烟气水分余热回收利用系统的两级纳米多孔陶瓷膜装置，在燃气及燃煤锅炉上实现了商业化应用[12-13]。国内南京工业大学联合澳大利亚联邦科学与工业研究组织使用单管式陶瓷复合膜进行混合气体中水蒸气及热量回收的实验研究，发现相同实验参数下，6~8 nm 单通道陶瓷膜和19通道陶瓷膜管水分回收效果相差不大，但单通道管的传热系数可达19通道的3倍[14-15]。文献[16]基于多孔陶瓷复合膜和复合纤维膜技术[17]开展了模拟烟气与燃气烟气水
分捕集技术的理论和实验研究，结果表明：回收水速率随烟气温度及烟气流量的升高而增大，随冷却水温度的增大而降低；烟气平均对流凝结Nu 数和Zhukaukas 关联式所得Nu 数均随烟气温度、烟气流量的升高而增大。文献[18]研究了烟气中的水分在陶瓷膜管内的传质过程对传热效果的影响, 结果表明：烟气侧总传热量的绝大部分为烟气侧对流凝结释放的潜热。
综上所述，国内外学者对采用复合膜法分离
收稿日期：2020−10−22； 修回日期：2021−01−22。基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFB0604305)。
第 54 卷 第 4 期中国电力
Vol. 54, No. 42021 年 4 月
ELECTRIC POWER
Apr. 2021
199
回收烟气中水蒸气及余热已进行大量的理论和实验研究。然而，已有研究大部分是针对模拟烟气成分，较少针对含细微颗粒物的真实燃煤烟气条件，尤其缺乏陶瓷膜在复杂烟气变工况条件下的水分及余热回收动态特性研究。本文采用40根微米孔径陶瓷膜构成的膜组件，对河北某330 MW 燃煤电厂脱硫塔出口饱和湿烟气开展中试试验研究，以期为陶瓷膜组件在火电厂烟气水分和余热回收中实际应用提供理论依据。
1 中试试验平台
陶瓷膜法烟气水分及余热回收中试试验平台安装在河北某330 MW 燃煤电厂中（见图1），由烟气系统、冷却水系统、膜组件和测量系统4部分组成。
选用经过脱硫处理的净烟气为研究对象，烟温为50.4~54.7 ℃，相对湿度达到或接近100%。烟气侧的静压在−300~0 Pa 范围内波动。中试试验平台所处理烟气的化学组成如表1所示。烟气在引风机的作用下从底部到顶部流经膜组件。离开膜组件的烟气直接流入烟囱。所有烟气流通的管道都覆盖有保温层。
水箱
烟囱
引风机
离心泵
水箱
自吸泵
膜组件脱硫塔
F
F
T T P
P
A A M M T T H H
A-烟气成分分析仪；M-微压仪；T-热电偶；H-湿度计；F-超声波流量计；P-压力表
图 1 中试试验平台系统评师网
Fig. 1 System diagram of the pilot test platform
表 1 烟气的化学成分
Table 1 Chemical components of the flue gas
水蒸气/%氧气/%二氧化碳/%氮气/%二氧化硫/(mg·m –3)
三氧化硫/(mg·m –3)
灰分/(mg·m –3)
12~14
治理结构5~6
12~14
65~75
≤35
≤34
≤3
在冷却水系统中，本文选用的冷却介质是除盐水。冷却水侧的表压为−0.03 MPa 。在靠近中试试验平台的泵房内装有试验所需的自吸泵、离心泵和2个水箱（见图2）。每个水箱的容积为25 m 3，在2个水箱之间安装有1个连通阀。如果试验时间较短，连通阀将处于关闭状态，2个水箱分别作为供水箱和回水箱。如果试验时间较长，连通
阀处于开启状态，冷却水在中试试验系统内循环流动，以保证试验系统的长期运
行。除此之外，每个水箱顶部还各有1个排气阀可以排出水侧管路中的气体，从而保证试验平台的稳定运行。由于冬天现场室外温度可以降至−20.0 ℃左右，水侧管道装有伴热带，防止结冰。
中试试验所用的膜组件安装在高3.5 m 、由耐高压抗腐蚀材料制作的箱体内。在箱体的右侧设置有烟气进出的圆形孔道，在箱体底部设置有排污口，用以排出未渗透进入陶瓷膜管内的冷凝水。在箱体内部，烟气和冷却水呈错流流动型式，冷却水从左向右水平流动，而烟气自下而上垂直流动。图3所示为箱体的实物照片。
膜组件由孔径为1 μm 的陶瓷膜（材质为α-Al 2O 3）、支撑管、法兰盘和水室组成，使用寿命为15年，
其实物如图4所示。膜组件的总体膜面积为1.2 m 2，相关结构参数如表2所示。中试试验所用测量装置信息如表3所示。在本文所述试验中，烟气温
自吸泵
回水箱
供水箱
离心泵
图 2 冷却水系统实物图
Fig. 2 Photo of the cooling water system
中国电力
第 54 卷
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度和冷却水温度测量精度均为0.1 ℃。
2 烟气水分及余热回收性能评价指标
2.1 水分回收通量
水分回收通量是指膜组件进出口的烟气内水蒸气含量的差值，其计算式为
式中：m in 和m out
分别为进口和出口烟气中水蒸气的质量流量，kg/h ；V fin 和V fout 分别为进口和出口
烟气的体积流量，m 3/h ；ρfin 和ρfout 分别为进口和出口烟气的绝对湿度，kg/m 3；A 为陶瓷膜的面积，m 2；J 为水分回收通量，kg/(m 2·h)。
2.2 热量回收通量
膜组件在回收水分的同时，也能回收热量。热量回收通量的计算式为
式中：q 为热量回收通量，J/(m 2·h)；c pw 为水的定压比热容，J/(kg·K)；m w 为冷却水的质量流量，kg/h ； t win 和t wout 分别为膜组件进、出口处冷却水的温度，℃。
表 2 膜组件结构参数
Table 2 Structure parameters of the membrane module
分级授权
膜管数量/根支撑管数量/根横向排数/排纵向排数/排膜管长度/m 膜管内/外径/mm 膜管接触角/(°)膜管抗弯强度/MPa
膜管水分渗透率/( kg·(m 2·h·MPa)–1)
膜管孔隙率陶瓷膜平均孔径/μm
40
8
2
20
0.8
8/12
45
72
7 500
0.4
1
表 3 实验所用测试仪器
Table 3 Details of the main testing equipment in
laboratory
实验设备制造商型号检测参数微压计海涵，美国HM7750烟气流量和压力烟气分析仪德图，德国testo350烟气化学成分湿度计德图，德国testo480烟气相对湿度热电偶希玛，中国AS877烟气和冷却水温度压力计
正宝，中国
YN-100
冷却水压力超声波流量计弗莱克森，德国Fluxus F601
冷却水流量
回收的热量来源包括两部分：烟气对流换热过程释放的显热和水蒸气凝结释放的潜热。
显热的计算式为
式中：ΦS 为烟气释放的显热，J/(m 2·h)；c pf 为烟气的定压比热容，J/(kg·K)；m f 为烟气的质量流量，kg/h ；t fin 和t fout 分别为进、出口烟气温度，℃。
潜热的计算式为
γ式中：ΦL 为水蒸气释放的潜热，J/(m 2·h)；为水
箱体
冷却水入口
冷却水出口
烟气进口
烟气出口
风机
排污口
图 3 箱体实物图
Fig. 3 Photo of the membrane module shell
图 4 膜组件实物图
Fig. 4 Photo of the membrane module
第 4 期米大斌等：陶瓷膜法的烟气水分及余热回收中试研究
201
蒸气的汽化潜热系数，J/kg 。
3 结果与分析
3.1 冷却水温度对膜组件水分及热量回收性能影响
冷却水温度是影响膜组件回收性能的关键参数。本文分别选用低冷却水入口温度（第1组工况）和高冷却水入口温度（第2组工况）进行试验。图5和图6所示为两组试验工况下烟气的运行参数。
9 5009 4009 3009 2009 1009 0008 9008 8008 700
585756555453525150
22
24
26283032
烟气入口温度
烟气流量；Fig. 5 Flue gas operating condition parameters in the
first set of experiments
5856545248
50烟气入口温度
烟气流量；
33
34
35363738
10 20010 0009 8009 6009 4009 2009 0008 800
Fig. 6 Flue gas operating condition parameters in the
second set of experiments
在低冷却水入口温度下，冷却水温对陶瓷膜
组件回收性能的结果如图7所示。从图7中可以看出，当冷却水温度逐渐升高时，膜组件回收水量以及回收热量虽然有所波动，但是均呈减少趋势。根据已有研究发现，在微滤膜回收烟气中水
分及余热的传热传质过程中，陶瓷膜内冷却水温度和膜管外烟气温度的差值为主要驱动力[19]。在膜外侧烟气温度不变的情况下，冷却水温度不断升高，膜内外两侧的温差不断减小，陶瓷膜传热传质阻力不断增大，因此回收水量以及回收热量均减少。在试验过程中出现回收水量以及回收热量先减小后增大的波动情况，这是由于在现场实验过程中，实际锅炉负荷的变化导致烟气量以及烟气温度均发生波动（见图5），最终导致回收22
24
26283032
回收热量
回收水量；100
95908580757065
60
343230282624222018Fig. 7 Effect of water and heat recovery in the first set of
experiments
在高冷却水入口温度下，冷却水温对陶瓷膜组件水和热回收性能的结果如图8所示。与图7结果相似，随着冷却水温度升高，回收水量以及
33
34
35363738
回收热量
回收水量；
110
10090807060504030
黑河学院美术系20
20151050
Fig. 8 Effect of water and heat recovery in the second
set of experiments
此外，由图7和图8还可以看出，在冷却水入口温度为22.9 ℃、烟气流量和烟气入口温度分
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别为9 087 m 3/h 和51.3 ℃时，回收水量及回收热量分别是29.08 kg/(m 2·h)和71.75 MJ/(m 2·h)；当冷
却水入口温度为38.0 ℃时，烟气流量和烟气入口温度分别是9 904 m 3/h 和52.9 ℃，回收水量和回收热量分别是5.50 kg/(m 2·h)和55.65 kJ/(m 2·h)。因此，在烟气流量和烟气入口温度相差不大的情况下，冷却水温度会很大程度影响膜组件回收水和热的性能。冷却水温度越低，膜管回收水和热的性能越好，较高的冷却水温度会恶化膜管的传热传质性能。因此，在实际工程应用中，应着重考虑冷却水温的影响，尤其是在夏季，应尽可能降低冷却水入口温度，以使膜组件获得更佳的性能。
3.2 冷却水温度对烟气显热及潜热释放的影响
陶瓷膜组件回收的热量中既包括了烟气对流换热释放的显热，也包括了烟气中水蒸气在陶瓷膜壁面冷凝时释放的潜热。据此，本文对不同冷却水温度下烟气的显热以及潜热释放性能进行了分析。
多血症在低冷却水入口温度下，冷却水温度对烟气显热及潜热释放的影响如图9所示。随着冷却水温不断升高，烟气释放的显热和潜热同步降低。由于膜管回收热量的来源为显热和潜热，故回收22
24
26283032
显热量
潜热量；987654
807570656055504540
Fig. 9 Latent and sensible heat released at lower
cooling water temperature
在高冷却水入口温度下，冷却水温度对烟气显热及潜热释放的影响如图10所示。图10所反映的冷却水温对显热及潜热释放的影响规律不及图9明显，潜热和显热的释放量随冷却水温度升高而呈震荡下降的趋势。
33
34
35363738
显热量
潜热量；
45403530252015105
Fig. 10 Latent and sensible heat released at higher
cooling water temperature
同时，从图9和图10还可以看出，不同冷却水温度下烟气释放的潜热总是远大于显热，且潜热的释放量约为显热释放量的10倍。根据式（3）和式（4），在回收水量一定的条件下，由于烟气温度下降很小，显热释放量较低；而潜热为水蒸气冷凝所释放的热量，水的汽化潜热较高，因此，潜热的释放量远大于显热释放量。在膜组件实际工程应用中，膜管回收的热量大部分为汽化潜热，占总回收量的80%以上[8]，而显热的回收只占总回收热量的很少一部分。
3.3 烟气流量对膜组件性能的影响
科技兴国
在冷却水流量为10 t/h 、温度为20.0 ℃的工况下考察烟气流量对膜组件性能的影响，结果如图11
和图12所示。在烟气流量逐渐降低的过程中，膜组件的单位水回收量以及单位热回收量均呈下降趋势，当烟气流量由10 000 m 3/h 逐步降低到4 000 m 3/h 时，单位水回收量由43.65 kg/(m 2·h)降低到33.55 kg/(m 2·h)，单位热回收量由106.31 MJ/(m 2·h)降低到了64.45 MJ/(m 2·h)。在烟道截面一定的条件下，烟气流量越大，烟气流速越高。较高流速的烟气可以及时带走水分和热量，使得后续烟气更快地与陶瓷膜表面接触，从而提高传热传质过程的速率，因此，单位水回收量与热回收量均提高。由此可见，提高烟气流速可以提高陶瓷膜组件回收的水量及热量。从图12可以看出，烟气流量的变化对潜热、显热释放影响较大。烟气流量较低时，潜热、显热释放量随总回收热量同步下降。当烟气流量由10 000 m 3/h 逐步降低到4 000 m 3/h 时，潜热释放量由103.91 M J /(m 2·h )降低到
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