季超，劉煒，漆虹

（南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京 210009）

引 言

隨著工業(yè)進(jìn)程加快，“能源-水資源-環(huán)境”沖突日趨嚴(yán)重。以電力行業(yè)為例，我國燃煤電廠發(fā)電量占總發(fā)電量的70%[1]，其耗水量占全部工業(yè)用水的11%。預(yù)計2030 年的燃煤發(fā)電水消耗量將達(dá)到1.36～1.92 Gt[2]。燃煤電廠排放的煙氣中含有大量水和潛熱資源，600 MW 燃煤機(jī)組隨煙氣排放的水蒸氣高達(dá)120 t/h，相當(dāng)于其總耗水量的三分之二[3]。我國每年煙氣水分的排放量為1.01×109t，損失的低溫余熱折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約為1×108t[4]。高效的煙氣水回收技術(shù)對電廠節(jié)水節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展有重要意義。此外，濕煙氣的直接排放還會形成視覺污染，造成霧霾、有色煙羽、石膏雨等環(huán)境問題[5]。在極低的環(huán)境溫度下，煙氣中水蒸氣冷凝析出，形成的白色煙羽可達(dá)2 km，降低了近地大氣能見度[6]。捕集煙氣中的水蒸氣可有效解決上述環(huán)境問題。歐盟相繼啟動了FP7 CapWa 計劃和H2020 MATChING計劃[7]，旨在回收煙氣水分、節(jié)能減排。近年來，我國天津、上海、唐山等地制定了地方標(biāo)準(zhǔn)，對電廠濕煙羽治理提出要求[8]。

濕煙羽治理策略分為加熱法和脫濕法。煙氣加熱法是通過提升排煙溫度(＞75℃)來降低相對濕度，以消除濕煙羽，但其未從根本上削減水分及污染物的排放，相反增加了過程能耗[9]。煙氣脫濕法包括冷凝、吸收和膜技術(shù)[5]。脫濕法是通過回收水分來降低煙氣絕對濕度，以緩解或消除煙羽；回收的水可用作脫硫裝置補(bǔ)水/制漿，或其他工段補(bǔ)給水。煙氣冷凝器是已商業(yè)化的脫濕設(shè)備，但其存在低溫腐蝕、積灰、回收水質(zhì)差等問題；隨著防腐涂層和氟塑料的發(fā)展，冷凝器的性能得到提升[10]。LiCl、CaCl2等吸收劑可高效脫除煙氣中的水分，但再生能耗高、氣液夾帶等問題亟待解決[11]。膜技術(shù)作為一種新的煙氣脫濕技術(shù)，近年來得到重視。用于煙氣脫濕的膜材料主要包括致密膜[12]、多孔疏水有機(jī)膜[13]和多孔親水陶瓷膜[2]。致密膜通過壓力驅(qū)動分離水蒸氣與其他不凝氣，其選擇性較高、回收水質(zhì)好。但由于排煙壓力相近于大氣壓，該過程完全依賴于真空滲透能力[14]。多孔疏水有機(jī)膜通過疏水表面有效截留液滴，使不凝組分透過膜。其過程能耗較低，但水回收性能有限且進(jìn)料最好為過飽和狀態(tài)[15]。美國天然氣技術(shù)研究所[16]提出了傳遞膜冷凝器（transport membrane condenser，TMC）的概念，以循環(huán)水為冷源，利用多孔親水陶瓷膜同時回收煙氣中的水和余熱，該過程耦合了傳熱和膜分離。由于消除了液膜熱阻，親水陶瓷膜的煙氣冷凝速率比不銹鋼管高60%～80%[17]。陶瓷膜力學(xué)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、易清洗、使用壽命長，適用于復(fù)雜的煙道環(huán)境。研究者們已從理論模型、小試研究、中試放大等不同角度對TMC 展 開 研 究，Kim 等[18]和Li 等[19]系 統(tǒng) 地 綜 述 了TMC 技術(shù)用于煙氣脫濕的研究進(jìn)展。水回收率是評價陶瓷膜煙氣脫濕性能的一個重要指標(biāo)。針對濕煙羽的消除，當(dāng)環(huán)境溫度高于15℃、水回收率達(dá)40%時，基本無白煙產(chǎn)生；當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，水回收率則需達(dá)60%以上[6]。此外，回收煙氣中40%～60%的水及潛熱，可使大多數(shù)工業(yè)過程的熱效率提升5%以上[16]。由于熱驅(qū)動力不足，TMC 煙氣脫濕效率的極限在85%左右[18]。本課題組前期針對親水陶瓷膜進(jìn)行了小試到中試的研究[20-25]，TMC 的實(shí)際應(yīng)用存在冷卻水需求量大、膜材料成本高等問題。

燃煤發(fā)電的冷卻水需求量巨大，為降低水耗，我國對電廠冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改造。南方由開式循環(huán)水系統(tǒng)改為閉式，北方則由閉式循環(huán)水系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭绽湎到y(tǒng)[26]。TMC雖能高效地捕集煙氣中的水蒸氣，但其對冷卻水的需求量是實(shí)際應(yīng)用須考量的問題。根據(jù)張家口宣化熱電廠的TMC 中試數(shù)據(jù)，煙氣與循環(huán)水體積流量之比為120～1250[27-28]，而600 MW電廠的煙氣量約為2×106m3·h-1。基于親水陶瓷膜的TMC 技術(shù)對冷卻水的依賴會加重電廠冷水塔的負(fù)荷，甚至破壞現(xiàn)有的水平衡；此外，這對貧水地區(qū)的電廠也是不小的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，空冷膜冷凝器治理濕煙羽是另一重要策略。環(huán)境空氣無處不在且取之不盡，采用空冷技術(shù)部分或完全替代水冷技術(shù)可以緩解用水緊張，經(jīng)膜冷凝換熱的空氣可作為空氣預(yù)熱器的進(jìn)氣以提高熱效率。Teng等[29]以真空泵提供負(fù)壓氣，使用親水陶瓷膜進(jìn)行煙氣脫濕，水蒸氣通過冷凝-滲透-汽化過程進(jìn)入負(fù)壓氣中，再通過外接制冷設(shè)備回收。該方法較為新穎，然而過程機(jī)理復(fù)雜，親水膜孔道內(nèi)可能會出現(xiàn)氣體擴(kuò)散、冷凝液浸潤等狀態(tài)，需要更多地研究評價。Cao等[30]以氮?dú)獯祾?，使用疏水PVDF 膜進(jìn)行煙氣脫濕，驗(yàn)證了空冷-疏水有機(jī)膜法的可行性。然而有機(jī)材料熱導(dǎo)率較低，致使冷凝效果不佳。陶瓷膜適用于苛刻的煙道環(huán)境且熱導(dǎo)率較高，空冷與疏水陶瓷膜的結(jié)合將會成為煙氣脫濕的一個重要策略。

本文以環(huán)境空氣為冷源，采用多孔的疏水陶瓷膜構(gòu)建空冷膜冷凝器開展煙氣脫濕實(shí)驗(yàn)。對比了多孔的疏水陶瓷膜與致密的疏水鋼管的煙氣冷凝性能；考察了過程參數(shù)（煙氣流量、煙氣溫度、吹掃因子、吹掃氣溫度、跨膜壓差）對疏水陶瓷膜冷凝過程的影響；對比了空冷-疏水陶瓷膜與水冷-親水陶瓷膜的煙氣冷凝性能，以期減少過程水耗。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括疏水鋼管、疏水陶瓷膜和親水陶瓷膜，其構(gòu)型如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)材料的具體參數(shù)見表1。平均孔徑200 nm 的親水Al2O3陶瓷膜由南京翃翌陶瓷納濾膜有限公司提供，Al2O3陶瓷膜為典型的非對稱結(jié)構(gòu)，膜層位于支撐體內(nèi)側(cè)；根據(jù)文獻(xiàn)[31]方法，以正辛基三乙氧基硅烷為改性劑，對親水Al2O3膜改性制得疏水Al2O3膜；使用Teflon 涂料（SF800,Sflon New Material Co., Ltd.）處理304 不銹鋼管表面制得疏水鋼管。通過接觸角測定儀(DropMeter A-100 P，寧波市海曙邁時檢測科技有限公司)測量材料的水接觸角，親水Al2O3膜初始水接觸角為30.5°并迅速降至0°，經(jīng)疏水改性的陶瓷膜和鋼管的接觸角不隨時間變化，接觸角分別穩(wěn)定在122°±3°、120°±1°。使用氣體滲透裝置測得50℃疏水Al2O3膜的N2滲透系數(shù)為1.06×10-5mol·m-2·s-1·Pa-1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)Table 1 Parameters of the experimental materials

圖2 是分別采用空冷-疏水鋼管、空冷-疏水陶瓷膜、水冷-親水陶瓷膜進(jìn)行煙氣冷凝的示意圖。以致密的疏水鋼管為換熱材料時，冷熱流體不直接接觸，換熱介質(zhì)可為氣體或液體。因表面疏水的特性，煙氣中的水蒸氣遇冷在不銹鋼管壁發(fā)生珠狀凝結(jié)，液滴不斷生長，最終在氣相剪切力或重力作用下滑落。疏水陶瓷膜以環(huán)境空氣為冷源，因膜材料疏水的特性，冷凝液在膜表面滑落并收集，部分脫濕氣透過膜孔與吹掃氣混合。親水陶瓷膜以水為冷源，水蒸氣在膜表面或孔內(nèi)發(fā)生冷凝，冷凝液在跨膜壓差的作用下滲透至循環(huán)水側(cè)，而不凝性氣體被阻隔在煙氣側(cè)。

圖2 不同材料的煙氣冷凝過程示意圖Fig.2 Schematic of flue gas condensation using different materials

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

圖3 為濕煙氣冷凝裝置示意圖，該裝置由煙氣發(fā)生系統(tǒng)、陶瓷膜組件和冷卻系統(tǒng)三部分組成。實(shí)驗(yàn)流程如下：干燥計量的壓縮空氣在蒸汽發(fā)生器內(nèi)與水蒸氣充分混合形成模擬濕煙氣。濕煙氣進(jìn)入水平放置膜組件的管程，通過調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器的功率控制入口煙氣溫度。煙氣和冷卻介質(zhì)在膜組件內(nèi)逆向流動，膜組件的進(jìn)出口裝有溫度、濕度、壓力傳感器以監(jiān)測煙氣參數(shù)變化，跨膜壓差由煙氣側(cè)閥門控制。疏水膜以空氣為冷源，空氣經(jīng)流量計計量后進(jìn)入膜組件的殼程，其溫度由恒溫水浴控制。冷凝液在煙氣出口處收集，并由電子天平計量。親水膜以水為冷源，由冷水機(jī)控制循環(huán)水溫度，冷凝液在循環(huán)水側(cè)收集。待煙氣和冷卻介質(zhì)各參數(shù)數(shù)值穩(wěn)定后，每5 min 記錄1 次數(shù)據(jù)，持續(xù)記錄30 min。實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)詳見表2。

圖3 膜冷凝裝置示意圖：(a)疏水陶瓷膜；(b)親水陶瓷膜Fig.3 Schematic of the experimental setup using hydrophobic ceramic membranes (a)and hydrophilic ceramic membranes(b)

表2 實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)范圍Table 2 Operation parameters applied in this work

1.3 計算公式

疏水陶瓷膜的過程水通量定義為單位時間內(nèi)單位膜面積冷凝水的質(zhì)量，水回收率定義為單位時間冷凝水量與膜組件入口水蒸氣流量之比。二者分別用式(1)、式(2)計算：

式中，J為過程水通量，kg·m-2·h-1；Ai為有效膜面積，m2；Δt為測量時間，h；ΔM為Δt時段內(nèi)疏水膜冷凝水的質(zhì)量，kg；γ為水回收率；mair為膜組件入口的干空氣質(zhì)量流量，kg·h-1；x為混合率，kg vapor·(kg dry air)-1，根據(jù)濕空氣狀態(tài)參數(shù)（溫度、濕度、壓力），由Humidity Calculator software(Vaisala,Finland)計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 疏水陶瓷膜與傳統(tǒng)疏水鋼管的煙氣冷凝性能對比

傳統(tǒng)空冷冷凝器可以有效降低水耗，但由于冷卻性能較差，致使風(fēng)機(jī)能耗較高。因此，提高空冷冷凝器性能是工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵[32]。煙氣冷凝脫濕以降低排煙溫度、控制煙氣絕對濕度為目標(biāo)。因此，本節(jié)以煙氣溫降作為評價不同材料冷凝性能的指標(biāo)。同等條件下，溫降越大，煙氣冷凝性能越好。圖4是在煙氣溫度45℃、吹掃氣溫度22℃、吹掃因子3 時，多孔的疏水陶瓷膜與致密的疏水鋼管的煙氣溫降對比。由圖4可知，空冷條件下，疏水陶瓷膜的煙氣溫降是致密疏水鋼管的1.3～2.5 倍。兩種材料的接觸角相同、冷凝模式均為珠狀凝結(jié)，多孔結(jié)構(gòu)可能是造成溫降差異的主要原因。一方面，煙氣冷凝的傳熱阻力主要集中于氣體邊界層。部分脫濕氣透過陶瓷膜形成了徑向流動，提升了管壁附近的湍動強(qiáng)度，促進(jìn)了流體混合，打斷了管壁兩側(cè)氣體邊界層的連續(xù)發(fā)展，強(qiáng)化了傳熱過程；另一方面，透過膜的氣體與相對濕度較低的吹掃氣直接混合換熱，混風(fēng)過程降低了過膜氣體的濕度。

圖4 疏水陶瓷膜與疏水鋼管的冷凝性能對比Fig.4 Comparison of condensation performance between hydrophobic ceramic membrane and hydrophobic steel tube

基于空冷的多孔疏水陶瓷膜能有效強(qiáng)化煙氣冷凝過程，但該過程傳熱傳質(zhì)耦合、機(jī)理較為復(fù)雜，有必要使用CFD 等方法進(jìn)一步研究。此外，孔隙結(jié)構(gòu)、晶格缺陷會導(dǎo)致多孔陶瓷熱導(dǎo)率低于材料的本征熱導(dǎo)率[33]。通過Hot Disk 法測得本實(shí)驗(yàn)陶瓷膜室溫下（27℃）的熱導(dǎo)率為4.8 W·m-1·K-1，而304 鋼的熱導(dǎo)率為15.2 W·m-1·K-1[17]，提高陶瓷膜熱導(dǎo)率有望進(jìn)一步強(qiáng)化膜冷凝性能。

2.2 過程參數(shù)對疏水陶瓷膜水回收性能的影響

2.2.1 跨膜壓差 圖5 是在煙氣溫度45℃、吹掃氣溫度22℃、吹掃因子3時，跨膜壓差和煙氣流量對疏水陶瓷膜水回收性能的影響。由圖5 可見，隨著跨膜壓差的增加，疏水陶瓷膜過程水通量和水回收率均逐漸下降。當(dāng)干空氣流量為5 L·min-1，跨膜壓差從10 kPa 增至40 kPa 時，水通量由2.5 kg·m-2·h-1降至0.6 kg·m-2·h-1，降幅為76%；水回收率由39.5%降至9.8%。本實(shí)驗(yàn)中，鋼管和陶瓷膜的冷凝液皆在煙氣側(cè)收集，由于陶瓷膜的多孔特征，增加跨膜壓差會導(dǎo)致大量水蒸氣分子直接透過膜，無法在煙氣側(cè)充分冷凝收集，致使過程水通量和水回收率降低。當(dāng)跨膜壓差為10 kPa 時，疏水陶瓷膜過程水通量比疏水鋼管高52%～70%。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)跨膜壓差為40 kPa 時，吹掃氣側(cè)有冷凝液出現(xiàn)。由此可見，疏水陶瓷膜雖有較好的冷凝性能，但在實(shí)際應(yīng)用時需選擇合適的跨膜壓差，以保證冷凝液在膜的同一側(cè)集中回收。

圖5 跨膜壓差和煙氣流量對疏水陶瓷膜及疏水鋼管水回收性能的影響Fig.5 Effects of transmembrane pressure difference and flue gas flowrate on water recovery performances of hydrophobic ceramic membrane and hydrophobic steel tube

隨著跨膜壓差的增加，疏水鋼管過程水通量和水回收率均有所上升。當(dāng)干空氣流量為5 L·min-1，跨膜壓差從10 kPa 增至40 kPa 時，水通量由1.5 kg·m-2·h-1升至1.8 kg·m-2·h-1，增幅為20%；水回收率由24.1%升至29.8%。水蒸氣壓力是影響冷凝性能的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，跨膜壓差由煙氣側(cè)閥門控制，增加跨膜壓差意味著提高了煙氣側(cè)壓力[20]。表3 列出了不同進(jìn)氣壓力下的模擬煙氣水蒸氣壓力（此數(shù)據(jù)通過維薩拉濕度計算器獲得）。由表3可知，隨著煙氣壓力的增加，水蒸氣分壓有所提高。這使得傳質(zhì)推動力增強(qiáng)，煙氣冷凝性能提升。

表3 進(jìn)氣壓力對水蒸氣分壓的影響Table 3 Effects of inlet gas pressure on vapor pressure

2.2.2 煙氣流量 高濕模擬煙氣的流量不易直接測量，本文以干空氣流量表示煙氣流量。從圖5 中可以看出，隨著干空氣流量的增加，疏水陶瓷膜過程水通量持續(xù)上升，而過程水回收率逐漸下降?？缒?壓 差10 kPa，干 空 氣 流 量 從5 L·min-1增 至13 L·min-1時，水 通 量 由2.5 kg·m-2·h-1增 加 至3.3 kg·m-2·h-1，增幅為32%；水回收率由39.5%降至19.5%。增加進(jìn)氣流量有效地減薄了不凝汽邊界層的厚度，且煙氣側(cè)湍流強(qiáng)度得到提升，這使得冷凝傳熱得到強(qiáng)化、水通量上升；然而隨著進(jìn)氣流量的提升，更多的水蒸氣進(jìn)入膜組件且在組件內(nèi)的停留時間降低，大量水蒸氣未充分冷凝而排出，致使水回收率下降[34]。

2.2.3 煙氣溫度 圖6 是干空氣流量5 L·min-1、吹掃氣溫度22℃、吹掃因子3、跨膜壓差10 kPa 時，煙氣溫度對疏水陶瓷膜水回收性能的影響。由圖6可見，過程水通量隨著煙氣溫度的增加而上升。當(dāng)煙氣溫度由40℃增至60℃時，水通量從1.6 kg·m-2·h-1增至5.2 kg·m-2·h-1，增幅為225%。提高煙氣溫度即增加了傳熱驅(qū)動力，煙氣的對流凝結(jié)換熱得到增強(qiáng)，水通量上升。隨著煙氣溫度的增加，過程水回收率呈現(xiàn)先上升然后趨于穩(wěn)定，而后下降的趨勢。當(dāng)煙氣溫度由40℃增至60℃時，水回收率從34.3%上升至39.9%，隨后下降至36.1%。這是因?yàn)闊煔夂侩S著煙氣溫度的增加而迅速上升，受換熱面積和冷卻介質(zhì)流量的限制，煙氣中水蒸氣不能充分冷凝，使得高煙溫下水回收率下降。

圖6 煙氣溫度對疏水陶瓷膜水回收性能的影響Fig.6 Effect of flue gas temperature on water recovery performance of hydrophobic ceramic membrane

2.2.4 吹掃因子 圖7是干空氣流量5 L·min-1、煙氣溫度45℃、吹掃氣溫度22℃、跨膜壓差為10 kPa時，吹掃因子對疏水陶瓷膜水回收性能的影響。從圖7中可以看出，隨著吹掃因子的增加，過程水通量與水回收率均上升。當(dāng)吹掃因子由3 增至15 時，水通量從2.5 kg·m-2·h-1增 加 至3.6 kg·m-2·h-1，水 回 收 率 從39.5%增加至57.4%。提升吹掃因子可以降低滲透側(cè)氣體邊界層厚度，進(jìn)而減小傳熱阻力；此外，吹掃氣流量的增加彌補(bǔ)了空氣比熱容低的劣勢，迅速移走煙氣側(cè)釋放的熱量，從而提升膜冷凝器的冷凝傳熱性能。但是吹掃因子的提高會增加風(fēng)機(jī)能耗，實(shí)際應(yīng)用時需根據(jù)工況和脫濕要求選擇合適的吹掃因子。

圖7 吹掃因子對疏水陶瓷膜水回收性能的影響Fig.7 Effect of sweeping factor on water recovery performance of hydrophobic ceramic membrane

2.2.5 吹掃氣溫度 圖8 是干空氣流量5 L·min-1、煙氣溫度45℃、吹掃因子3、跨膜壓差為10 kPa 時，吹掃氣溫度對疏水陶瓷膜水回收性能的影響。由圖8可見，隨著吹掃氣溫度的增加，過程水通量與水回收率均逐漸下降。當(dāng)吹掃氣溫度由22℃增至30℃時，水通量從2.5 kg·m-2·h-1降至1.3 kg·m-2·h-1，降幅為48%，水回收率從39.5%降至21.2%。提升吹掃氣溫度即降低了傳熱溫差，因而惡化了冷凝傳熱過程?？绽湎到y(tǒng)可按照當(dāng)?shù)叵募经h(huán)境溫度設(shè)計，運(yùn)行成本會隨著季節(jié)變換而波動；當(dāng)然，亦可在高溫的夏季通過水冷系統(tǒng)分擔(dān)一部分負(fù)荷。

圖8 吹掃氣溫度對疏水陶瓷膜水回收性能的影響Fig.8 Effect of sweeping gas temperature on water recovery performance of hydrophobic ceramic membrane

2.2.6 疏水陶瓷膜和疏水有機(jī)膜的水回收性能對比 將本文疏水陶瓷膜的水回收性能與文獻(xiàn)報道的疏水有機(jī)膜進(jìn)行對比（表4），可以看出：疏水陶瓷膜的水回收性能優(yōu)于疏水有機(jī)膜。主要原因可能是膜材料的熱導(dǎo)率不同，有機(jī)膜熱導(dǎo)率較低（文獻(xiàn)[35] 0.0686～0.0727 W·m-1·K-1），而陶瓷膜熱導(dǎo)率較高（本文4.8 W·m-1·K-1）。

表4 疏水陶瓷膜和疏水有機(jī)膜的水回收性能對比Table 4 Comparison of water recovery performance between hydrophobic ceramic membrane and hydrophobic organic membrane

2.3 疏水陶瓷膜與親水陶瓷膜的煙氣冷凝性能對比

親水陶瓷膜以循環(huán)冷卻水為冷源，這會增加廠區(qū)現(xiàn)有冷水塔的負(fù)荷。此外，缺水地區(qū)的電廠煉廠難以提供如此規(guī)模的冷卻水。以環(huán)境空氣為冷源的疏水陶瓷膜冷凝器可以在一定程度上解決上述問題。因此，本節(jié)對比水冷-親水陶瓷膜（即TMC 構(gòu)型）和空冷-疏水陶瓷膜的煙氣冷凝性能。圖9是干空氣流量5 L·min-1、煙氣溫度45℃、冷卻介質(zhì)溫度22℃、跨膜壓差為10 kPa 時，親/疏水陶瓷膜的煙氣冷凝性能對比。從圖9（a）中可以看出，隨著冷卻介質(zhì)流量的增加，空冷的疏水陶瓷膜的煙氣溫降迅速接近水冷的親水陶瓷膜。當(dāng)吹掃氣流量從1.1 kg·h-1增至5.4 kg·h-1時，煙氣溫降從9.8℃上升至14.2℃；當(dāng)冷卻水流量從1.2 kg·h-1增至5.0 kg·h-1時，煙氣溫降從13.3℃上升至14.0℃。由于水的比熱容遠(yuǎn)高于空氣，水冷方式可以在較低的循環(huán)水質(zhì)量流量下移除煙氣側(cè)釋放的熱量，而空冷方式需要較高的吹掃氣流量。流道截面積一定，增加冷卻介質(zhì)流量即是增加流速，冷卻側(cè)邊界層厚度不斷減薄，從而強(qiáng)化傳熱、提高煙氣溫降。由于空氣密度較小，在相同的質(zhì)量流量下，吹掃氣流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冷卻水?？绽涞耐牧鲝?qiáng)度快速提高、邊界層厚度迅速減薄，使得疏水陶瓷膜傳熱性能的提升率高于親水陶瓷膜。此外，圖9（b）中的水回收性能也呈現(xiàn)出與煙氣側(cè)溫降類似的規(guī)律，這是因?yàn)樗魵鉂摕醾鬟f是煙氣側(cè)傳熱的主要方式。

圖9 空冷-疏水陶瓷膜與水冷-親水陶瓷膜煙氣冷凝性能對比Fig.9 Hydrophobic ceramic membranes based on air cooling vs.hydrophilic ceramic membranes based on water cooling

我國地方濕煙羽治理政策采用的措施為煙溫控制，經(jīng)濕法脫硫后的煙氣排放溫度為45～60℃[36]。采用冷凝法時，假設(shè)入口煙溫為50℃、環(huán)境相對濕度40%，環(huán)境溫度由20℃降到0℃時，排煙溫度需從37.5℃降到15.5℃[6]。在高溫降的指標(biāo)下，基于空冷的疏水陶瓷膜冷凝器有望替代基于水冷的親水陶瓷膜冷凝器，以減少水耗。此外，優(yōu)化疏水陶瓷膜冷凝器結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步強(qiáng)化煙氣冷凝性能，對電廠煙氣脫濕及水回收有重要意義。

3 結(jié) 論

通過自建的基于空冷的疏水陶瓷膜冷凝裝置，開展了煙氣脫濕實(shí)驗(yàn)研究。首先，對比了多孔的疏水陶瓷膜與致密的疏水鋼管的煙氣冷凝性能；其次，考察了煙氣流量、煙氣溫度、吹掃因子、吹掃氣溫度、跨膜壓差等操作參數(shù)對疏水陶瓷膜煙氣冷凝性能的影響；最后，對比了分別以冷卻水和吹掃氣為冷源的親/疏水陶瓷膜的煙氣冷凝性能，得出以下結(jié)論。

（1）驗(yàn)證了空冷-疏水陶瓷膜冷凝器進(jìn)行煙氣脫濕和水分回收的可行性。與傳統(tǒng)疏水鋼管相比，疏水陶瓷膜能有效強(qiáng)化煙氣冷凝性能；疏水陶瓷膜的煙氣溫降是致密疏水鋼管的1.3～2.5倍，這是因?yàn)闈B透氣的徑向流動有效地提升了湍動強(qiáng)度，減薄了管壁兩側(cè)的流體邊界層。

（2）疏水陶瓷膜的過程水通量隨煙氣流量、煙氣溫度、吹掃因子的增加而上升；隨跨膜壓差、吹掃氣溫度的增加而降低。過程水回收率隨煙氣流量、跨膜壓差、吹掃氣溫度的增加而降低；隨吹掃因子的增加而上升；隨煙氣溫度的增加先上升，然后趨于穩(wěn)定，而后下降。本實(shí)驗(yàn)工況下，疏水陶瓷膜實(shí)現(xiàn)了0.6～5.2 kg·m-2·h-1的水通量和7.6%～57.4%的水回收率，疏水陶瓷膜的水回收性能優(yōu)于文獻(xiàn)報道的疏水有機(jī)膜。

（3）低冷卻介質(zhì)流量下，基于水冷的親水陶瓷膜的煙氣冷凝性能較好；隨著冷卻介質(zhì)流量的上升，基于空冷的疏水陶瓷膜的冷凝性能迅速提升，逐漸達(dá)到親水陶瓷膜性能。這意味著空冷-疏水陶瓷膜有望替代水冷-親水陶瓷膜以降低水耗。