許全坤，汪洋

(中國華電工程(集團)有限公司，北京 100035)

0 引言

我國缺水地區(qū)燃煤電廠新建機組積極加裝空冷凝汽器后，大幅降低了電廠水耗，但1臺600 MW機組通過煙囪排放的水約300 t/h，年排水約150萬t，耗水量依然驚人。我國新增燃煤機組大部分建設在西部產煤區(qū)，這些地區(qū)均為缺水地區(qū)，如何在缺水地區(qū)進行大規(guī)模煤電基地建設，是擺在能源工作者面前的棘手問題。如果能將煙囪中的水分回收并進行資源化利用，將有力支撐我國煤電基地建設，對我國建設環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會意義重大。

目前，氣體脫水主要有低溫冷凝、液態(tài)/固態(tài)吸附等技術，但這些技術存在一些弊端，隨著新型膜材料的出現以及新制模工藝的發(fā)展，應用膜分離技術對于煙氣中的水分進行回收成為一條極有前景的技術路線。

1 膜法脫濕技術介紹

1.1 氣體膜分離技術

氣體膜分離技術是20世紀70年代開發(fā)成功的新一代氣體分離技術，其原理是在壓力驅動下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜內溶解－擴散上的差異(即滲透速率差)來進行分離。氣體膜分離技術現已成為比較成熟的技術，廣泛用于許多氣體的分離、提濃，工業(yè)發(fā)達國家稱之為“資源的創(chuàng)造性技術”。

1.2 膜法空氣脫濕

壓縮空氣是工業(yè)生產中應用最廣泛的氣體，壓縮空氣在使用以前必須除掉所含的濕氣(水蒸氣)，膜法脫濕利用某些高分子材料容易透過水蒸氣的特點，當壓縮空氣流經高分子分離膜的一側時，在膜兩側壓力差的作用下，水蒸氣透過膜進入另一側，留下干燥的空氣。大型設備是由膜組件單元構成的，可隨意調整容量，特別是小產氣量的脫濕組件，可以作為儀器、設備的配件使用，這是傳統脫濕方法難以企及的。

空氣除濕是工農業(yè)生產和人們日常生活中經常遇到的問題。在精密儀器、醫(yī)藥、食品、電子設備等產品的生產過程中，過高的濕度會使金屬生銹、儀表精度下降、絕緣參數降低，從而影響生產安全和產品品質，給國民經濟造成重大損失。特別是在艦船領域，由于現代探潛、反潛技術的不斷提高，傳統除濕裝備給艦船的隱蔽性和后勤支援帶來很多困擾。膜除濕技術沒有直接的電磁散射，噪聲小，有利于潛艇隱蔽和節(jié)約能源;在整個工藝過程中沒有用到干燥劑和其他任何粉劑，污染小;在整個工藝過程中使用的移動部件少，膜組件易于更換，操作簡單;不存在高溫、高壓，在非常苛刻的條件下仍有較高的可靠性;占地面積小，操作范圍廣。以上優(yōu)點都是以空調為代表的冷卻型除濕系統及干燥型除濕系統所不具備的，所以，膜法除濕技術在各領域具有廣闊的應用空間。

1.3 天然氣膜法脫水

天然氣膜法脫水是近年來發(fā)展起來的新技術，它克服了傳統凈化方法的許多不足，表現出較大的發(fā)展?jié)摿?。天然氣膜法脫水技術與傳統脫水技術(化學吸收、低溫冷卻分離和物理吸附等)相比，具有操作連續(xù)，無需再生，無二次污染，無需加入額外材料和試劑，操作靈活、方便，占地面積小等特點，存在技術優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿ΑＬ烊粴饽し摮魵獾脑硎?特殊設計和制備的高分子氣體分離膜對天然氣中酸性組分會優(yōu)先選擇滲透，當天然氣流經膜表面時，其酸性組分(如 H2O，CO2和H2S)優(yōu)先透過分離膜而被脫除。自20世紀80年代以來，國外Separexe，Grace，Air Product相繼開發(fā)出供天然氣脫水的膜分離裝置并已進入工業(yè)應用。1998年，中科院大連化學物理研究所自行研制的膜分離器在長慶氣田進行了天然氣膜法脫水的工業(yè)性試驗，并在技術上取得了成功［1］。

2 膜法煙氣水分回收技術的研究現狀

為了應對持續(xù)上漲的水價以及提高機組發(fā)電效率，美國和歐洲于20世紀90年代末和21世紀初競相開展了煙氣水分捕集技術的研究，經過近10年的探索，已經完成了實驗室階段的研究，目前處于從中試到全尺度放大的應用研究階段。在美國，主要在美國能源部(DOE)的支持下，由美國天然氣技術研究院承擔基于無機陶瓷膜技術的煙氣水分捕集技術的開發(fā);歐洲則啟動一項名為CAPWA的研究計劃，該項目在歐盟資助下，以荷蘭屯特大學和KEMA公司為主體，由電力公司以及膜生產廠家等14家單位參與，進行基于有機中空纖維膜分離技術的煙氣水分捕集技術的聯合研究。

2.1 輸運膜凝汽器技術［2］

輸運膜凝汽器(TMC)技術是應用輸運膜凝汽器從電廠煙氣中回收水分及能量，該技術的開發(fā)屬于美國能源部現役電廠革新研究計劃(IEP)的一個子項目。IEP的主要目的是開發(fā)先進技術，實現電廠冷卻水回用、廢熱利用以及煙氣水分回收，以期大幅度降低電廠水耗。

煤炭中天然含水量為3% ～60%，燃燒時煤中的氫與氧結合也會生成水，如將煙氣中大量的水分進行回收再利用，可使電廠無需向環(huán)境取水，實現真正意義上的“零水耗”，這是美國先進節(jié)水型電廠的發(fā)展方向。

TMC技術研究始于2000年，經過近10年的研究，目前該技術已成功應用于燃氣鍋爐，并實現了在小型燃氣鍋爐煙氣水分回收領域的商業(yè)化應用。

TMC技術是在煙囪前加裝1套氣體膜分離裝置，煙氣在中空陶瓷膜內流動，膜外流體為鍋爐補給水，煙氣中的水蒸氣穿過3層過濾層，其他氣體組分被截留，水蒸氣接觸較冷的鍋爐后凝結;同時，鍋爐給水被加熱，實現水分及熱量的雙回收。TMC模組件工作原理如圖1所示，TMC中試裝置及膜組件如圖2所示。

TMC技術已經在燃氣鍋爐上實現商業(yè)化運營，其水分回收率在40%以上，鍋爐效率提升5%。

在完成燃氣鍋爐煙氣水分回收試驗研究后，課題組開展了燃煤鍋爐煙氣的水分及熱量聯合回收研究，試驗裝置安裝在美國巴爾的摩市發(fā)電廠#1燃煤機組尾部煙道上，2011－08－17—09－16連續(xù)不間斷運行。測試結果顯示:該裝置具有穩(wěn)定的水分及熱量回收效果;同時，經過TMC裝置的水質沒有發(fā)生惡化，與裝置入口水質指標一致。燃煤電廠現場中試裝置如圖3所示。

圖3 燃煤電廠現場中試裝置

中試完成后，課題組進行了550 MW燃煤電廠TMC全尺度裝置的初步估算。全尺度裝置需要264個模塊(如圖4所示)，煙氣垂直流過TMC裝置，煙氣側壓降為250 Pa左右，燃用煙煤條件下，回收水分用作濕法脫硫工藝水，年節(jié)約水費約144萬美元。目前，該技術在燃氣領域的商業(yè)化應用已經授權給燃氣鍋爐制造商CWB公司，燃煤煙氣領域的商業(yè)化實施計劃授權給一家具有濕法脫硫工程實施能力的公司。

圖4 全尺度TMC模組組裝模型

2.2 CAPWA膜法水分回收技術

簡單地說，CAPWA技術就是將氣流中的水分子與其他分子分離開來。捕集之后的優(yōu)質水可在工業(yè)中直接作為工藝用水使用，也可用于其他用途。

水捕集可通過在氣道中安置選擇性薄膜來實現，這些薄膜僅允許水分子通過，而不作用于其他分子。此后，捕集的水蒸氣可冷凝回收并輸送利用。

該技術采用了水分子選擇性涂層的中空纖維［3］，在中空纖維內部形成了真空，為平衡中空纖維內、外的壓力差，平均分布氣體分子，自然擴散機制將啟動(如圖5所示)。只有水分子可以通過該薄膜，因而只有水分子出現在纖維內部。至此，水捕集得以完成，脫水氣流被排放到大氣中。

水捕集工藝系統如圖6所示，在脫硫裝置后設置水捕集裝置，過濾膜的滲透壓來自空冷凝汽器所造成的真空，經空冷凝汽器凝結的水分可以回收利用。膜組件為標準化制造、模塊化安裝，對于處理煙氣量不同的水捕集裝置，只需選擇不同數量的模組件即可，每個膜組件由若干束纖維束組成，而每個纖維束又由若干根膜纖維組成。膜材料選用磺化聚醚醚酮材料(SPEEK)，該材料具有很高的水分子選擇性，水分捕集的效率可達到40%以上。1臺600 MW等級機組的煙氣水分回收量約150 t/h，經該裝置收集的水不經任何處理，電導率為20 μS/cm，屬于工業(yè)淡水范疇，將其引入電滲析(EDI)裝置進行深度凈化，可用于鍋爐補給水。

膜法水捕集技術有一項明顯不同于其他制水技術(冷凝法、干燥劑法)的重要特征，即該技術基于氣體分子分離，可使用更少的步驟完成高質水的制備。

通過分離膜回收的水分既可用作鍋爐補給水，也可用作脫硫工藝水，如果將該技術應用到濕式冷卻塔、煤化工、造紙、石油化工、水泥等工業(yè)過程的氣體水分分離，將對工業(yè)節(jié)水產生巨大影響，對我國工業(yè)節(jié)水事業(yè)意義重大。

3 煙氣水分捕集技術存在的問題和技術關鍵

膜法煙氣水分捕集技術的工業(yè)化應在以下幾個方面尋求突破:

(1)在國內外膜供應廠商中選擇適合的膜材料進行試驗比較，遴選出適合火電廠煙氣取水系統的膜材料。由于膜材料種類繁多，國內外廠商也較多，在充分調研及實驗的基礎上選擇適合煙氣水分捕集項目的膜材料。

(2)研究煙氣成分、環(huán)境及流速等因素對膜法取水的影響，建立相關的數學模型指導設計。需要探明煙氣條件及環(huán)境要素的改變對該系統的影響，掌握規(guī)律便于指導設計及運行。

圖5 水捕集原理示意圖

圖6 水捕集工藝系統示意圖

(3)研究石膏垢的結垢規(guī)律，制訂防垢、除垢措施，保障系統安全、穩(wěn)定運行。該裝置安裝于脫硫裝置后，最大的安全威脅來自煙氣中的石膏微粒，一旦板結將難以處理，所以，探索結垢特性及阻垢方法是該技術能否成功應用的重要保障。

(4)采用計算流體力學(CFD)方法研究膜法取水裝置的流場特性，建立流場模型，指導裝備設計。由于取水裝備屬于大型裝備，對其進行流場特性研究十分必要，通過CFD優(yōu)化水捕集器，提升其水分捕集能力，降低開發(fā)費用，縮短研發(fā)周期。

4 結束語

國家“十二五”節(jié)水型社會建設規(guī)劃規(guī)定了越來越嚴格的用水取水指標，可以預見，我國的工業(yè)用水大戶——火電行業(yè)向環(huán)境取水會進一步受到約束。目前，缺水地區(qū)的電源點建設已經因水資源短缺影響而限批，煙氣水分捕集技術可以大為減少電廠水資源消耗，電源點建設將不受水資源短缺所限制。此外，我國燃煤電廠煙氣脫硫系統80%以上采用濕法脫硫工藝，將脫硫后飽和煙氣中的水分進行脫除，可有效減輕煙囪的腐蝕，大大降低電廠的運行成本。另外，在煙氣水分捕集技術基礎上進行濕冷塔水分回收技術的研究及應用，對我國濕冷機組的節(jié)水工作意義重大?？傊?，煙氣水捕集技術可有效減少電廠的水耗，甚至可以實現廠內用水自給自足。

［1］劉重陽.氣體膜分離技術在石油工業(yè)中的應用［J］.膜科學與技術，2000，20(3):38 －43.

［2］Dexin Wang，Ainan Bao，Walter Kunc，et al.Coal Power Plant Flue Gas Waste Heat and Water Recovery［J］.Applied Energy，2012，91(1):341 －348.

［3］Hylke Sijbesma，Kitty Nymeijer，Rob van Marwijk，et al.Flue Gas Dehydration Using Polymer Membranes［J］.Journal of Membrane Science，2008，313(1/2):263 －276.