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(tuán)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(yùn)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(huì)造成大量水熱資源的浪費(fèi)。以一臺(tái)600 MW火力發(fā)電燃煤鍋爐為例,每年運(yùn)行時(shí)間按照5 000 h計(jì)算,全年排放的水量約110萬(wàn)t;一個(gè)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(gè)百分點(diǎn),相應(yīng)的耗煤量隨之下降[4]。因此,對(duì)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(diǎn),成為主要研究方向[5]。學(xué)者們研究了陶瓷膜的冷凝機(jī)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(duì)陶瓷膜內(nèi)膜和外膜過(guò)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(bào)道很少。相對(duì)于平板膜,管式陶瓷膜管徑相對(duì)較小,安裝在煙氣通道后會(huì)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(jià)相對(duì)較低。
本工作采用平板陶瓷膜回收煙氣水熱,考察了不同過(guò)程參數(shù)對(duì)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(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)。
本實(shí)驗(yàn)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(jī)、蒸汽發(fā)生器和加熱管,通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和蒸汽發(fā)生器的功率,可獲得不同溫度、流速和相對(duì)濕度的模擬煙氣。模擬煙氣經(jīng)濾網(wǎng)除去液滴后進(jìn)入平板陶瓷膜組件單元。該單元是本實(shí)驗(yàn)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(jī)、循環(huán)水箱、電子秤、抽吸水泵等,通過(guò)調(diào)節(jié)制冷機(jī)功率可獲得不同溫度的冷卻水,冷卻水由抽吸水泵驅(qū)動(dòng),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(jì)量一段時(shí)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(jì),以顯示冷卻水在流入和流出膜組件時(shí)溫度和壓力的變化,渦輪流量計(jì)可記錄冷卻水流量。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次,取平均值。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。
圖1 平板陶瓷膜組件實(shí)驗(yàn)裝置圖
表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置
本實(shí)驗(yàn)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(kuò)大,陶瓷膜的主要參數(shù)見(jiàn)表2。陶瓷膜的水分回收機(jī)制主要與選擇層孔徑有關(guān),本實(shí)驗(yàn)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(jī)制主要為毛細(xì)冷凝。煙氣水蒸氣進(jìn)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(gè)月牙形的氣液界面;同時(shí)主流煙氣側(cè)在濃度差的作用下水蒸氣向壁面擴(kuò)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(jìn)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(guò)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(jī)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(jī)理示意圖
平板陶瓷膜組件可同時(shí)回收煙氣中的熱量和水分,具有傳質(zhì)傳熱并行的特點(diǎn),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(píng)價(jià)其水熱回收性能。
1)水通量
通過(guò)計(jì)算平板陶瓷膜組件水通量,可評(píng)價(jià)單位時(shí)間內(nèi)單位面積膜組件回收水的能力,計(jì)算方法見(jiàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)間,h。
2)水回收效率
水回收效率為膜組件實(shí)際回收的水量占膜組件入口煙氣水分的比例,計(jì)算方法見(jiàn)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(duì)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(shí)間、單位面積煙氣降溫時(shí)放出的熱量(見(jiàn)式(4)),煙氣潛熱換熱量為單位時(shí)間、單位面積水蒸氣冷凝放出的熱量(見(jiàn)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(shí)間水蒸氣冷凝時(shí)的潛熱,kg/h;Q2為單位時(shí)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(shí)的溫度,℃;twout為冷卻水出口溫度,℃。
4)總傳熱系數(shù)
本實(shí)驗(yàn)裝置中,煙氣與冷卻水流動(dòng)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(jìn)出口煙氣的對(duì)數(shù)平均溫差,℃。
在煙氣相對(duì)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(duì)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(shí),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(guò)程中;同時(shí)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(dòng)力增大。
從圖3還可以看出,陶瓷膜回收的熱量主要來(lái)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(shí),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(shí)煙氣溫度升高后與陶瓷膜壁表面的溫差增大,傳熱推動(dòng)力增強(qiáng),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(duì)水熱回收性能的影響
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(duì)濕度對(duì)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(duì)濕度的升高而增加;當(dāng)煙氣相對(duì)濕度從55%增至100%時(shí),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(shí),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(duì)濕度降低會(huì)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(shí)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(duì)濕度的升高而增加;當(dāng)煙氣相對(duì)濕度從55%增至100%時(shí),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(shì),回收水越多,潛熱換熱量越大。當(dāng)煙氣濕度升高時(shí),不凝氣體邊界層阻力減小,煙氣對(duì)流換熱效果增強(qiáng),顯熱換熱量也增加。
在煙氣溫度58 ℃、煙氣相對(duì)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(duì)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(shì);當(dāng)煙氣流速?gòu)?.0 m/s增至6.3 m/s時(shí),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(shí),不僅單位時(shí)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(shí)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(shí)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?gòu)?.0 m/s增至6.3m/s時(shí),煙氣潛熱換熱量從27.4 MJ/(m2·h)增至54.6 MJ/(m2·h),這是因?yàn)闊煔饬魉僭龃?,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(guò)程中,放出大量的潛熱;在低流速時(shí)顯熱換熱量隨流速的加快略有上升,高流速時(shí)增長(zhǎng)趨于平緩,原因在于流速過(guò)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(duì)水熱回收性能的影響
在煙氣溫度58 ℃、煙氣相對(duì)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(duì)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(shí),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?yàn)槔鋮s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(dòng)力增強(qiáng),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(shí),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(duì)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(dòng)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(duì)水熱回收性能的影響
總傳熱系數(shù)是評(píng)價(jià)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(duì)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(jìn)出口溫濕度的變化計(jì)算出不同煙溫下陶瓷膜的總傳熱系數(shù),并將其與文獻(xiàn)[9,16]中管式陶瓷膜的總傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)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(shuō)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?。ū緦?shí)驗(yàn)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(guò)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)
a)在實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(duì)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(duì)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(lái)自煙氣釋放的潛熱,煙氣潛熱換熱量的提高可以通過(guò)提高煙氣溫度、煙氣相對(duì)濕度、煙氣流速和降低冷卻水溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
d)在本實(shí)驗(yàn)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。