烟气在陶瓷膜管内对流凝结换热实验研究

谢 天，陈海平，冯义钧，李祥升，杨博然

(华北电力大学 国家火力发电工程技术研究中心，北京 102206)

能源是人类赖以生存的物质基础。随着工业不断发展，能源过度消耗，各种新型节能技术已成为世界各国科技领域关注的焦点。中国是世界上最大的能源消费国，根据《BP世界能源统计年鉴》(2017版)[1]，2016年中国能源消费量占全球能源消费量的23%，煤炭在能源消费中占比62%，仍是中国能源消费的主要燃料。因此，火电作为煤炭主要消费行业，肩负着巨大的节能重任。

火电厂锅炉排烟中含有大量水蒸气及低温余热资源，以燃用褐煤的某1 000 MW机组为例，锅炉烟气体积流量为279.99万Nm3/h，烟气中水蒸气体积分数为13.04%，折算成质量流量高达293.41 t/h，水蒸气携带潜热量高达662.2 GJ/h。然而，为了防止锅炉尾部烟道发生低温腐蚀，锅炉排烟温度通常设计在120℃以上，在此温度下烟气中的水蒸气不会发生凝结，而是随烟气一起排放到了大气中，造成巨大的排烟热损失及水资源的浪费。因此，若能部分回收烟气中的水分及余热，必可起到显著的节能、节水效果。冷凝法是出现最早的回收烟气中水分及余热的技术，经过国内外学者的多年探索已发展的十分成熟[2-6]，但冷凝法的缺陷在于其需要敷设大量的换热表面，回收水的水质较低，并会对换热表面造成腐蚀。

陶瓷膜法回收烟气中水分及余热是近些年新兴起的技术。Wang等[7]最先提出TMC(Transport Membrane Condenser)装置的概念，即用陶瓷膜表面代替传统换热器表面，进行烟气中水分及余热的回收，结果表明：由于陶瓷膜具有特殊的毛细冷凝机理，TMC装置对烟气中水分及余热的回收效率较高，且回收水可直接作为工业补水使用。Bao等[8]通过对比相同尺寸的陶瓷膜管束与不锈钢管束对烟气中水分及余热回收性能，发现陶瓷膜管束烟气对流Nusselt数比不锈钢管束高50%～80%，冷凝速率比不锈钢管束高60%～80%，证明了TMC装置具有广阔的实际应用前景。Chen等[9]通过选择层孔径分别为20 nm、30 nm、50 nm和100 nm的陶瓷膜在不同烟气条件下对水分及余热回收实验，发现20 nm孔径陶瓷膜最适合用于火电厂实际烟气；烟气温度为70℃时，20 nm孔径陶瓷膜水回收速率可达到1 L/(m2·h)，水回收效率可达到55%。Zhou等[10]认为烟气中的水蒸气在陶瓷膜管内的传质过程可分成：烟气侧对流凝结、陶瓷膜管壁中渗透、冷却水侧对流传质，并分析了不同过程中传质对传热的影响，结果表明：烟气侧水蒸气对流凝结释放的潜热占了烟气侧总传热量的绝大部分，陶瓷膜管壁的传热机理主要是导热，凝结液在膜孔内的对流换热量可以忽略不计，渗透到冷却水侧的凝结液对冷却水侧的换热几乎没有影响。Soleimanikutanaei等[11]通过对实验数据进行多元线性回归，提出了一种简化的多组分输运模型质量源项，并用该质量源项对烟气在TMC装置中的对流凝结换热过程进行了数值模拟，模拟结果与实验数据相比误差均在10%以内，验证了该模型的准确性。

陶瓷膜在回收火电厂烟气中水分及余热领域具有良好的应用前景，本文在前人研究基础上，通过烟气在单根内涂层陶瓷膜管内对流凝结换热实验，研究了烟气流量、烟气温度、烟气相对湿度和冷却水流量分别对烟气对流凝结Sherwood数、烟气对流凝结Nusselt数和烟气显热、潜热换热量的影响，并分析了其原因。

1 实验部分

1.1 传质传热机理

烟气在陶瓷膜管内的对流凝结换热过程与在普通钢管内有本质的区别。烟气在普通钢管内的对流凝结换热过程属于表面凝结，根据Colburn-Hougen理论[12]，烟气中的水蒸气会在普通钢管的壁面发生凝结，形成一层极薄的液膜，并在液膜上方形成一个不凝性气体边界层，主流气体向壁面的传质和传热过程需要克服不凝性气体边界层和液膜的双重阻力。而陶瓷膜具有特殊的微观结构，如图1所示，陶瓷膜壁面可分为选择层、过渡层、支撑层，选择层孔径一般为6～50 nm，水蒸气率先进入选择层并发生毛细冷凝；过渡层孔径约为100 nm，起到选择层与支撑层的连接作用；支撑层的孔径约为0.5 μm，起到整个陶瓷膜的支撑作用。图2为陶瓷膜管壁横截面在扫描电镜SEM(Scanning Electron Microscope)下的结构，图中可以清晰地分辨出选择层、过渡层、支撑层。陶瓷膜特殊的微观结构使烟气在陶瓷膜管内的传质传热机理发生了改变：烟气中的水蒸气在陶瓷膜管的选择层孔中发生毛细冷凝，主流烟气中的水蒸气在浓度差的作用下不断扩散向壁面，壁面附近由于水蒸气浓度降低形成一个不凝性气体边界层，主流气体向壁面的传质和传热过程仅需要克服不凝性气体边界层阻力，这是陶瓷膜对烟气中水分及余热回收性能优于普通钢管的最根本原因。

图1 传质传热机理示意图

图2 陶瓷膜管壁横截面在扫描电镜SEM下的结构

本文所使用的陶瓷膜管结构参数如表1所示。

表1陶瓷膜管结构参数

项目数值平均孔隙率/[%]40平均孔径/nm50内径/外径/mm 8/12长度/m1

1.2 实验设备

为了简化实验条件，本文采用氮气加水蒸气的混合气体作为模拟烟气进行烟气在陶瓷膜管内对流凝结换热实验，实验装置原理图如图3所示。

图3 实验装置原理图1-带减压阀的氮气瓶;2-湿气缓冲罐;3-加湿罐;4-干气缓冲罐;5-混合罐;6-恒温水浴锅;7-陶瓷膜管;8-膜组件;9-恒温给水箱;10-加热器;11-胶球干燥剂;12-水泵;13-回水箱

实验装置由配气部分、膜组件、冷却部分和干燥部分组成。配气部分包括氮气瓶、缓冲罐、加湿罐、混合罐和恒温水浴锅，氮气分湿氮气、干氮气两路，湿氮气路用于产生饱和湿氮气，调节干氮气路流量可以产生不同相对湿度的混合气体，通过调节恒温水浴锅开度保持混合气体温度为一定值；膜组件包括陶瓷膜管和保温的不锈钢外壳，形成逆流套管式换热，水蒸气在压差作用下进入陶瓷膜孔内发生毛细冷凝，冷凝释放的潜热与混合气体的显热被冷却水带走；冷却部分包括恒温给水箱、水泵和回水箱，冷却水由水泵驱动，初始温度保持不变，在水泵压头作用下陶瓷膜管外建立稳定的真空；干燥部分由胶球干燥剂组成，用于收集没有在陶瓷膜管内冷凝的水蒸气。

本文实验所选取的操作参数如表2所示。

表2本文实验操作参数

项目数值烟气流量/L·min-14～18烟气温度/℃50;60;70烟气相对湿度/[%]40～100冷却水流量/L·min-10.5;1;1.5;2水蒸气质量分数/[%]5.62～22.24每组实验时间/min3

1.3 传质传热性能计算

1.3.1 烟气对流凝结Sherwood数

烟气对流凝结Sherwood数可用于评价烟气在陶瓷膜管内的对流传质性能，计算式为

式中hm——烟气对流凝结传质系数/m·s-1；

d——陶瓷膜管内径/m；

D——水蒸气在烟气中的扩散系数/m2·s-1。

hm计算式为

式中mv——烟气中水蒸气的凝结速率/kg·m-2·s-1；

ρv,w——壁面温度下水蒸气密度/kg·m-3。

mv可由实验数据计算得到，计算式为

式中dT——温度T时烟气含湿量[13]/kg·kg-1；

mN2——实验时间内消耗的氮气总质量/kg；

Δm——实验前后胶球干燥剂质量差/kg；

Δt——实验时间/s；

Ain——陶瓷膜管内表面积/m2。

4.牛巴氏杆菌病（肺炎型）。通过消化道、呼吸道、吸血昆虫、损伤的皮肤黏膜等方式感染。幼龄动物发病严重，病死率较高，无明显的季节性，环境变化和抵抗力降低是发病诱因，多呈地方流行或散发。

D计算式为

式中T，P——当地温度和压力；

T0，P0——标准状态温度和压力(273.15 K，1 atm)；

D(0,1)——标准状态下扩散系数，D(0,1)=2.56×10-5m2/s；α取1.81。

1.3.2 烟气对流凝结Nusselt数

烟气对流凝结Nusselt数可用于评价烟气在陶瓷膜管内的对流传热性能，计算式为

式中hf——烟气对流凝结换热系数/W·m-2·℃-1；

d——陶瓷膜管内径/m；

λ——烟气导热系数/W·m-2·℃-1。

hf计算式为

式中cp——冷却水定压比热/J·kg-1·℃-1；

mc——冷却水质量流量/kg·s-1；

tc,out、tc,in——冷却水进、出口温度/℃；

Tf、Tc——烟气、冷却水平均温度/℃。

1.3.3 烟气显热、潜热换热量

烟气显热、潜热换热量可用于分析不同烟气条件对烟气纯对流换热和纯凝结换热的影响。烟气在陶瓷膜管内的对流凝结换热可看作纯对流换热和纯凝结换热的叠加，即

Qtotal=Qconv+Qcond

式中Qtotal——烟气对流凝结总换热量/W·m-2；

Qconv——烟气纯对流换热量/W·m-2；

Qcond——烟气纯凝结换热量/W·m-2。

Qtotal计算式为

Qcond计算式为

Qcond=mv·hfg

式中hfg——水蒸气汽化潜热/J·kg-1。

Qconv计算式为

Qconv=Qtotal-Qcond

2 结果与讨论

2.1 烟气流量

图4为烟气温度50℃、烟气相对湿度100%、冷却水流量2 L/min时烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数与烟气流量变化关系。由图4可见：烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数均随烟气流量增加而上升，Sherwood数随烟气流量增加直线上升，呈一次函数关系，Nusselt数却随烟气流量增加上升速度越来越慢。造成这种现象的原因是：在烟气温度、烟气相对湿度保持不变时，提高烟气流量可以使烟气中携带的水蒸气增加，烟气携带水蒸气质量与烟气流量变化关系如图5所示，烟气携带水蒸气质量增加提高了陶瓷膜传质数量，但不改变陶瓷膜传质性能。随烟气流量增加，烟气在陶瓷膜管中的停留时间变短，烟气没有与陶瓷膜进行充分换热就被带到管外，降低了陶瓷膜传热性能，使Nusselt数与烟气流量近似呈抛物线型函数关系。

图4 烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数与烟气流量变化关系

图5 烟气携带水蒸气质量与烟气流量变化关系

图6为烟气温度50℃、烟气相对湿度100%、冷却水流量2 L/min时烟气显热、潜热换热量与烟气流量变化关系。由图6可见，烟气潜热换热量随烟气流量增加而升高，烟气显热换热量随烟气流量增加先上升后趋于平缓。造成这种现象的原因是：随着烟气流量增加，在陶瓷膜管内凝结的水蒸气数量增加，使烟气潜热随烟气流量增加而直线升高，呈一次函数关系；烟气纯对流换热系数随烟气流量增加而上升，但上升作用受烟气流速限制，烟气流速过大时使烟气不能在陶瓷膜管内充分换热，抑制换热效果。由图6可见，当烟气流量超过10 L/min时，烟气显热增长就趋于平缓。

图6 烟气显热、潜热换热量与烟气流量变化关系

2.2 烟气温度

图7为烟气流量4 L/min、烟气相对湿度100%、冷却水流量2 L/min时烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数与烟气温度变化关系。由图7可见，烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数均随烟气温度升高而上升，且呈相同变化趋势。烟气流量、烟气相对湿度保持不变时，提高烟气温度可以增加烟气含湿量，使更多的水蒸气在陶瓷膜管内发生对流凝结，传质、传热数量随烟气温度升高而上升。烟气温度越高，烟气在陶瓷膜管中的传质、传热性能越好，当烟气温度从50℃升高到60℃时，Sherwood数由1.26上升到1.32、Nusselt数由19.1上升到22.2；当烟气温度从60℃升高到70℃时，Sherwood数由1.32上升到1.45、Nusselt数由22.2上升到27.9。

图7 烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数与烟气温度变化关系

图8为烟气流量4 L/min、烟气相对湿度100%、冷却水流量分别为1 L/min、1.5 L/min和2 L/min时烟气显热、潜热换热量与烟气温度变化关系。由图8可见，不同冷却水流量下烟气潜热换热量随烟气温度升高而上升，烟气显热换热量基本不变。烟气潜热换热量随烟气在陶瓷膜管中传质数量增加而上升，与烟气对流凝结Sherwood数呈相同变化趋势；烟气温度升高对纯对流换热系数基本没有影响。值得一提的是：不同冷却水流量下，烟气潜热换热量变化曲线基本重合，烟气显热换热量随冷却水流量增加而提高。这是因为：烟气在陶瓷膜管中的凝结机理以毛细冷凝为主，提高冷却水流量不能增加水蒸气凝结速率，这与普通钢管换热器有本质的区别；提高冷却水流量可以减小冷却水侧换热热阻，改善烟气纯对流换热效果。

图8 烟气显热、潜热换热量与烟气温度变化关系

2.3 烟气相对湿度

图9为烟气流量10 L/min、烟气温度50℃、冷却水流量2 L/min时烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数与烟气相对湿度变化关系。由图9可见，烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数均随烟气相对湿度增加而上升，并与烟气相对湿度近似呈一次函数关系。不凝性气体积聚效应是影响烟气中水蒸气对流凝结换热的主要原因，陶瓷膜管壁附近的水蒸气不断在膜孔内发生毛细冷凝，管壁附近的水蒸气浓度降低，不凝性气体浓度升高，形成一个不凝性气体边界层，如图1所示。不凝性气体边界层是主流烟气向陶瓷膜管壁传质、传热的主要阻力。烟气相对湿度增加，主流烟气中不凝性气体浓度降低，使管壁附近的不凝性气体边界层厚度减小，烟气向陶瓷膜管壁的传质、传热数量增加，但没有改变传质、传热性能。

图9 烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数与烟气相对湿度变化关系

图10为烟气流量10 L/min、烟气温度50℃、冷却水流量2 L/min时烟气显热、潜热换热量与烟气相对湿度变化关系。由图10可见，烟气潜热换热量受传质数量增加的影响，与Sherwood数呈相同变化趋势。烟气显热换热量也随烟气相对湿度增加直线上升，一方面由于烟气相对湿度增加造成不凝性气体边界层厚度减小，烟气对流换热的热阻减小；另一方面是因为在烟气流量不变的情况下，提高烟气相对湿度会使烟气中携带更多的水蒸气，造成总气体体积流量变大，烟气流速提高，从而增强了烟气的纯对流换热效果。

图10 烟气显热、潜热换热量与烟气相对湿度变化关系

2.4 冷却水流量

图11为烟气流量4 L/min、烟气温度50℃、烟气相对湿度100%时烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数与冷却水流量变化关系。由图11可见：随着冷却水流量增加，烟气对流凝结Sherwood数几乎没有变化，烟气对流凝结Nusselt数直线升高。这说明增加冷却水流量对烟气向陶瓷膜管壁的传质没有影响，但却可以显著提高烟气的传热效果。因此，将陶瓷膜换热器应用在电厂实际烟气中时，如果仅考虑陶瓷膜对烟气中水蒸气的回收效率，可以适当降低冷却水流量，降低水泵的能耗。

图11 烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数与冷却水流量变化关系

图12为烟气流量分别为4 L/min、7 L/min、烟气温度50℃、烟气相对湿度100%时烟气显热、潜热换热量与冷却水流量变化关系。由图12可见：不同烟气流量下，烟气潜热换热量几乎不随冷却水流量增加而变化，烟气显热换热量随冷却水流量增加而上升。值得注意的是，在冷却水流量较低时，烟气流量为4 L/min与7 L/min的烟气显热换热量相差不大，这说明在冷却水流量较低时，提高烟气流量对增强烟气纯对流换热效果不明显。造成这种现象的原因可能是在冷却水流量较低时，冷却水侧热阻为主要的换热热阻。

图12 烟气显热、潜热换热量与冷却水流量变化关系

3 结论

本文通过引入烟气对流凝结Sherwood数、烟气对流凝结Nusselt数和烟气显热、潜热换热量三个指标，评价烟气在陶瓷膜管内对流凝结的传质、传热性能，实验数据表明：

(1)增加烟气流量使烟气携带更多水蒸气，烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数随烟气流量增加而上升；烟气流量过高会使烟气与陶瓷膜换热不充分。电厂锅炉排烟流量大，保证了陶瓷膜良好的水回收性能，可以考虑多布置膜组件保证陶瓷膜与烟气充分换热。

(2)提高烟气温度可以显著提高烟气在陶瓷膜

管内的传质、传热性能，烟气温度越高，烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数增长速度越快。将陶瓷膜组件布置在烟气温度较高的位置，有助于提高陶瓷膜对水、热的回收性能。

(3)提高烟气相对湿度使不凝性气体边界层变薄，烟气向陶瓷膜管壁传质、传热阻力变小，烟气对流凝结Sherwood数、Nusselt数随烟气相对湿度提高而上升。说明陶瓷膜适合布置在高水分烟气环境中，脱硫塔后烟气接近湿饱和状态，是布置陶瓷膜组件的理想位置。

(4)增加冷却水流量可以显著提高烟气传热效果，但于陶瓷膜特殊的毛细冷凝机理，增加冷却水流量几乎对烟气传质没有影响。如果只关注陶瓷膜的水回收性能，可以降低冷却水流量，减小泵功。