煙氣在陶瓷膜管內對流凝結換熱實驗研究

謝 天，陳海平，馮義鈞，李祥升，楊博然

(華北電力大學 國家火力發電工程技術研究中心，北京 102206)

能源是人類賴以生存的物質基礎。隨著工業不斷發展，能源過度消耗，各種新型節能技術已成為世界各國科技領域關注的焦點。中國是世界上最大的能源消費國，根據《BP世界能源統計年鑒》(2017版)[1]，2016年中國能源消費量占全球能源消費量的23%，煤炭在能源消費中占比62%，仍是中國能源消費的主要燃料。因此，火電作為煤炭主要消費行業，肩負著巨大的節能重任。

火電廠鍋爐排煙中含有大量水蒸氣及低溫余熱資源，以燃用褐煤的某1 000 MW機組為例，鍋爐煙氣體積流量為279.99萬Nm3/h，煙氣中水蒸氣體積分數為13.04%，折算成質量流量高達293.41 t/h，水蒸氣攜帶潛熱量高達662.2 GJ/h。然而，為了防止鍋爐尾部煙道發生低溫腐蝕，鍋爐排煙溫度通常設計在120℃以上，在此溫度下煙氣中的水蒸氣不會發生凝結，而是隨煙氣一起排放到了大氣中，造成巨大的排煙熱損失及水資源的浪費。因此，若能部分回收煙氣中的水分及余熱，必可起到顯著的節能、節水效果。冷凝法是出現最早的回收煙氣中水分及余熱的技術，經過國內外學者的多年探索已發展的十分成熟[2-6]，但冷凝法的缺陷在于其需要敷設大量的換熱表面，回收水的水質較低，并會對換熱表面造成腐蝕。

陶瓷膜法回收煙氣中水分及余熱是近些年新興起的技術。Wang等[7]最先提出TMC(Transport Membrane Condenser)裝置的概念，即用陶瓷膜表面代替傳統換熱器表面，進行煙氣中水分及余熱的回收，結果表明：由于陶瓷膜具有特殊的毛細冷凝機理，TMC裝置對煙氣中水分及余熱的回收效率較高，且回收水可直接作為工業補水使用。Bao等[8]通過對比相同尺寸的陶瓷膜管束與不銹鋼管束對煙氣中水分及余熱回收性能，發現陶瓷膜管束煙氣對流Nusselt數比不銹鋼管束高50%～80%，冷凝速率比不銹鋼管束高60%～80%，證明了TMC裝置具有廣闊的實際應用前景。Chen等[9]通過選擇層孔徑分別為20 nm、30 nm、50 nm和100 nm的陶瓷膜在不同煙氣條件下對水分及余熱回收實驗，發現20 nm孔徑陶瓷膜最適合用于火電廠實際煙氣；煙氣溫度為70℃時，20 nm孔徑陶瓷膜水回收速率可達到1 L/(m2·h)，水回收效率可達到55%。Zhou等[10]認為煙氣中的水蒸氣在陶瓷膜管內的傳質過程可分成：煙氣側對流凝結、陶瓷膜管壁中滲透、冷卻水側對流傳質，并分析了不同過程中傳質對傳熱的影響，結果表明：煙氣側水蒸氣對流凝結釋放的潛熱占了煙氣側總傳熱量的絕大部分，陶瓷膜管壁的傳熱機理主要是導熱，凝結液在膜孔內的對流換熱量可以忽略不計，滲透到冷卻水側的凝結液對冷卻水側的換熱幾乎沒有影響。Soleimanikutanaei等[11]通過對實驗數據進行多元線性回歸，提出了一種簡化的多組分輸運模型質量源項，并用該質量源項對煙氣在TMC裝置中的對流凝結換熱過程進行了數值模擬，模擬結果與實驗數據相比誤差均在10%以內，驗證了該模型的準確性。

陶瓷膜在回收火電廠煙氣中水分及余熱領域具有良好的應用前景，本文在前人研究基礎上，通過煙氣在單根內涂層陶瓷膜管內對流凝結換熱實驗，研究了煙氣流量、煙氣溫度、煙氣相對濕度和冷卻水流量分別對煙氣對流凝結Sherwood數、煙氣對流凝結Nusselt數和煙氣顯熱、潛熱換熱量的影響，并分析了其原因。

1 實驗部分

1.1 傳質傳熱機理

煙氣在陶瓷膜管內的對流凝結換熱過程與在普通鋼管內有本質的區別。煙氣在普通鋼管內的對流凝結換熱過程屬于表面凝結，根據Colburn-Hougen理論[12]，煙氣中的水蒸氣會在普通鋼管的壁面發生凝結，形成一層極薄的液膜，并在液膜上方形成一個不凝性氣體邊界層，主流氣體向壁面的傳質和傳熱過程需要克服不凝性氣體邊界層和液膜的雙重阻力。而陶瓷膜具有特殊的微觀結構，如圖1所示，陶瓷膜壁面可分為選擇層、過渡層、支撐層，選擇層孔徑一般為6～50 nm，水蒸氣率先進入選擇層并發生毛細冷凝；過渡層孔徑約為100 nm，起到選擇層與支撐層的連接作用；支撐層的孔徑約為0.5 μm，起到整個陶瓷膜的支撐作用。圖2為陶瓷膜管壁橫截面在掃描電鏡SEM(Scanning Electron Microscope)下的結構，圖中可以清晰地分辨出選擇層、過渡層、支撐層。陶瓷膜特殊的微觀結構使煙氣在陶瓷膜管內的傳質傳熱機理發生了改變：煙氣中的水蒸氣在陶瓷膜管的選擇層孔中發生毛細冷凝，主流煙氣中的水蒸氣在濃度差的作用下不斷擴散向壁面，壁面附近由于水蒸氣濃度降低形成一個不凝性氣體邊界層，主流氣體向壁面的傳質和傳熱過程僅需要克服不凝性氣體邊界層阻力，這是陶瓷膜對煙氣中水分及余熱回收性能優于普通鋼管的最根本原因。

圖1 傳質傳熱機理示意圖

圖2 陶瓷膜管壁橫截面在掃描電鏡SEM下的結構

本文所使用的陶瓷膜管結構參數如表1所示。

表1陶瓷膜管結構參數

項目數值平均孔隙率/[%]40平均孔徑/nm50內徑/外徑/mm 8/12長度/m1

1.2 實驗設備

為了簡化實驗條件，本文采用氮氣加水蒸氣的混合氣體作為模擬煙氣進行煙氣在陶瓷膜管內對流凝結換熱實驗，實驗裝置原理圖如圖3所示。

圖3 實驗裝置原理圖1-帶減壓閥的氮氣瓶;2-濕氣緩沖罐;3-加濕罐;4-干氣緩沖罐;5-混合罐;6-恒溫水浴鍋;7-陶瓷膜管;8-膜組件;9-恒溫給水箱;10-加熱器;11-膠球干燥劑;12-水泵;13-回水箱

實驗裝置由配氣部分、膜組件、冷卻部分和干燥部分組成。配氣部分包括氮氣瓶、緩沖罐、加濕罐、混合罐和恒溫水浴鍋，氮氣分濕氮氣、干氮氣兩路，濕氮氣路用于產生飽和濕氮氣，調節干氮氣路流量可以產生不同相對濕度的混合氣體，通過調節恒溫水浴鍋開度保持混合氣體溫度為一定值；膜組件包括陶瓷膜管和保溫的不銹鋼外殼，形成逆流套管式換熱，水蒸氣在壓差作用下進入陶瓷膜孔內發生毛細冷凝，冷凝釋放的潛熱與混合氣體的顯熱被冷卻水帶走；冷卻部分包括恒溫給水箱、水泵和回水箱，冷卻水由水泵驅動，初始溫度保持不變，在水泵壓頭作用下陶瓷膜管外建立穩定的真空；干燥部分由膠球干燥劑組成，用于收集沒有在陶瓷膜管內冷凝的水蒸氣。

本文實驗所選取的操作參數如表2所示。

表2本文實驗操作參數

項目數值煙氣流量/L·min-14～18煙氣溫度/℃50;60;70煙氣相對濕度/[%]40～100冷卻水流量/L·min-10.5;1;1.5;2水蒸氣質量分數/[%]5.62～22.24每組實驗時間/min3

1.3 傳質傳熱性能計算

1.3.1 煙氣對流凝結Sherwood數

煙氣對流凝結Sherwood數可用于評價煙氣在陶瓷膜管內的對流傳質性能，計算式為

式中hm——煙氣對流凝結傳質系數/m·s-1；

d——陶瓷膜管內徑/m；

D——水蒸氣在煙氣中的擴散系數/m2·s-1。

hm計算式為

式中mv——煙氣中水蒸氣的凝結速率/kg·m-2·s-1；

ρv,w——壁面溫度下水蒸氣密度/kg·m-3。

mv可由實驗數據計算得到，計算式為

式中dT——溫度T時煙氣含濕量[13]/kg·kg-1；

mN2——實驗時間內消耗的氮氣總質量/kg；

Δm——實驗前后膠球干燥劑質量差/kg；

Δt——實驗時間/s；

Ain——陶瓷膜管內表面積/m2。

4.牛巴氏桿菌病（肺炎型）。通過消化道、呼吸道、吸血昆蟲、損傷的皮膚黏膜等方式感染。幼齡動物發病嚴重，病死率較高，無明顯的季節性，環境變化和抵抗力降低是發病誘因，多呈地方流行或散發。

D計算式為

式中T，P——當地溫度和壓力；

T0，P0——標準狀態溫度和壓力(273.15 K，1 atm)；

D(0,1)——標準狀態下擴散系數，D(0,1)=2.56×10-5m2/s；α取1.81。

1.3.2 煙氣對流凝結Nusselt數

煙氣對流凝結Nusselt數可用于評價煙氣在陶瓷膜管內的對流傳熱性能，計算式為

式中hf——煙氣對流凝結換熱系數/W·m-2·℃-1；

d——陶瓷膜管內徑/m；

λ——煙氣導熱系數/W·m-2·℃-1。

hf計算式為

式中cp——冷卻水定壓比熱/J·kg-1·℃-1；

mc——冷卻水質量流量/kg·s-1；

tc,out、tc,in——冷卻水進、出口溫度/℃；

Tf、Tc——煙氣、冷卻水平均溫度/℃。

1.3.3 煙氣顯熱、潛熱換熱量

煙氣顯熱、潛熱換熱量可用于分析不同煙氣條件對煙氣純對流換熱和純凝結換熱的影響。煙氣在陶瓷膜管內的對流凝結換熱可看作純對流換熱和純凝結換熱的疊加，即

Qtotal=Qconv+Qcond

式中Qtotal——煙氣對流凝結總換熱量/W·m-2；

Qconv——煙氣純對流換熱量/W·m-2；

Qcond——煙氣純凝結換熱量/W·m-2。

Qtotal計算式為

Qcond計算式為

Qcond=mv·hfg

式中hfg——水蒸氣汽化潛熱/J·kg-1。

Qconv計算式為

Qconv=Qtotal-Qcond

2 結果與討論

2.1 煙氣流量

圖4為煙氣溫度50℃、煙氣相對濕度100%、冷卻水流量2 L/min時煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數與煙氣流量變化關系。由圖4可見：煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數均隨煙氣流量增加而上升，Sherwood數隨煙氣流量增加直線上升，呈一次函數關系，Nusselt數卻隨煙氣流量增加上升速度越來越慢。造成這種現象的原因是：在煙氣溫度、煙氣相對濕度保持不變時，提高煙氣流量可以使煙氣中攜帶的水蒸氣增加，煙氣攜帶水蒸氣質量與煙氣流量變化關系如圖5所示，煙氣攜帶水蒸氣質量增加提高了陶瓷膜傳質數量，但不改變陶瓷膜傳質性能。隨煙氣流量增加，煙氣在陶瓷膜管中的停留時間變短，煙氣沒有與陶瓷膜進行充分換熱就被帶到管外，降低了陶瓷膜傳熱性能，使Nusselt數與煙氣流量近似呈拋物線型函數關系。

圖4 煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數與煙氣流量變化關系

圖5 煙氣攜帶水蒸氣質量與煙氣流量變化關系

圖6為煙氣溫度50℃、煙氣相對濕度100%、冷卻水流量2 L/min時煙氣顯熱、潛熱換熱量與煙氣流量變化關系。由圖6可見，煙氣潛熱換熱量隨煙氣流量增加而升高，煙氣顯熱換熱量隨煙氣流量增加先上升后趨于平緩。造成這種現象的原因是：隨著煙氣流量增加，在陶瓷膜管內凝結的水蒸氣數量增加，使煙氣潛熱隨煙氣流量增加而直線升高，呈一次函數關系；煙氣純對流換熱系數隨煙氣流量增加而上升，但上升作用受煙氣流速限制，煙氣流速過大時使煙氣不能在陶瓷膜管內充分換熱，抑制換熱效果。由圖6可見，當煙氣流量超過10 L/min時，煙氣顯熱增長就趨于平緩。

圖6 煙氣顯熱、潛熱換熱量與煙氣流量變化關系

2.2 煙氣溫度

圖7為煙氣流量4 L/min、煙氣相對濕度100%、冷卻水流量2 L/min時煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數與煙氣溫度變化關系。由圖7可見，煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數均隨煙氣溫度升高而上升，且呈相同變化趨勢。煙氣流量、煙氣相對濕度保持不變時，提高煙氣溫度可以增加煙氣含濕量，使更多的水蒸氣在陶瓷膜管內發生對流凝結，傳質、傳熱數量隨煙氣溫度升高而上升。煙氣溫度越高，煙氣在陶瓷膜管中的傳質、傳熱性能越好，當煙氣溫度從50℃升高到60℃時，Sherwood數由1.26上升到1.32、Nusselt數由19.1上升到22.2；當煙氣溫度從60℃升高到70℃時，Sherwood數由1.32上升到1.45、Nusselt數由22.2上升到27.9。

圖7 煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數與煙氣溫度變化關系

圖8為煙氣流量4 L/min、煙氣相對濕度100%、冷卻水流量分別為1 L/min、1.5 L/min和2 L/min時煙氣顯熱、潛熱換熱量與煙氣溫度變化關系。由圖8可見，不同冷卻水流量下煙氣潛熱換熱量隨煙氣溫度升高而上升，煙氣顯熱換熱量基本不變。煙氣潛熱換熱量隨煙氣在陶瓷膜管中傳質數量增加而上升，與煙氣對流凝結Sherwood數呈相同變化趨勢；煙氣溫度升高對純對流換熱系數基本沒有影響。值得一提的是：不同冷卻水流量下，煙氣潛熱換熱量變化曲線基本重合，煙氣顯熱換熱量隨冷卻水流量增加而提高。這是因為：煙氣在陶瓷膜管中的凝結機理以毛細冷凝為主，提高冷卻水流量不能增加水蒸氣凝結速率，這與普通鋼管換熱器有本質的區別；提高冷卻水流量可以減小冷卻水側換熱熱阻，改善煙氣純對流換熱效果。

圖8 煙氣顯熱、潛熱換熱量與煙氣溫度變化關系

2.3 煙氣相對濕度

圖9為煙氣流量10 L/min、煙氣溫度50℃、冷卻水流量2 L/min時煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數與煙氣相對濕度變化關系。由圖9可見，煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數均隨煙氣相對濕度增加而上升，并與煙氣相對濕度近似呈一次函數關系。不凝性氣體積聚效應是影響煙氣中水蒸氣對流凝結換熱的主要原因，陶瓷膜管壁附近的水蒸氣不斷在膜孔內發生毛細冷凝，管壁附近的水蒸氣濃度降低，不凝性氣體濃度升高，形成一個不凝性氣體邊界層，如圖1所示。不凝性氣體邊界層是主流煙氣向陶瓷膜管壁傳質、傳熱的主要阻力。煙氣相對濕度增加，主流煙氣中不凝性氣體濃度降低，使管壁附近的不凝性氣體邊界層厚度減小，煙氣向陶瓷膜管壁的傳質、傳熱數量增加，但沒有改變傳質、傳熱性能。

圖9 煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數與煙氣相對濕度變化關系

圖10為煙氣流量10 L/min、煙氣溫度50℃、冷卻水流量2 L/min時煙氣顯熱、潛熱換熱量與煙氣相對濕度變化關系。由圖10可見，煙氣潛熱換熱量受傳質數量增加的影響，與Sherwood數呈相同變化趨勢。煙氣顯熱換熱量也隨煙氣相對濕度增加直線上升，一方面由于煙氣相對濕度增加造成不凝性氣體邊界層厚度減小，煙氣對流換熱的熱阻減小；另一方面是因為在煙氣流量不變的情況下，提高煙氣相對濕度會使煙氣中攜帶更多的水蒸氣，造成總氣體體積流量變大，煙氣流速提高，從而增強了煙氣的純對流換熱效果。

圖10 煙氣顯熱、潛熱換熱量與煙氣相對濕度變化關系

2.4 冷卻水流量

圖11為煙氣流量4 L/min、煙氣溫度50℃、煙氣相對濕度100%時煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數與冷卻水流量變化關系。由圖11可見：隨著冷卻水流量增加，煙氣對流凝結Sherwood數幾乎沒有變化，煙氣對流凝結Nusselt數直線升高。這說明增加冷卻水流量對煙氣向陶瓷膜管壁的傳質沒有影響，但卻可以顯著提高煙氣的傳熱效果。因此，將陶瓷膜換熱器應用在電廠實際煙氣中時，如果僅考慮陶瓷膜對煙氣中水蒸氣的回收效率，可以適當降低冷卻水流量，降低水泵的能耗。

圖11 煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數與冷卻水流量變化關系

圖12為煙氣流量分別為4 L/min、7 L/min、煙氣溫度50℃、煙氣相對濕度100%時煙氣顯熱、潛熱換熱量與冷卻水流量變化關系。由圖12可見：不同煙氣流量下，煙氣潛熱換熱量幾乎不隨冷卻水流量增加而變化，煙氣顯熱換熱量隨冷卻水流量增加而上升。值得注意的是，在冷卻水流量較低時，煙氣流量為4 L/min與7 L/min的煙氣顯熱換熱量相差不大，這說明在冷卻水流量較低時，提高煙氣流量對增強煙氣純對流換熱效果不明顯。造成這種現象的原因可能是在冷卻水流量較低時，冷卻水側熱阻為主要的換熱熱阻。

圖12 煙氣顯熱、潛熱換熱量與冷卻水流量變化關系

3 結論

本文通過引入煙氣對流凝結Sherwood數、煙氣對流凝結Nusselt數和煙氣顯熱、潛熱換熱量三個指標，評價煙氣在陶瓷膜管內對流凝結的傳質、傳熱性能，實驗數據表明：

(1)增加煙氣流量使煙氣攜帶更多水蒸氣，煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數隨煙氣流量增加而上升；煙氣流量過高會使煙氣與陶瓷膜換熱不充分。電廠鍋爐排煙流量大，保證了陶瓷膜良好的水回收性能，可以考慮多布置膜組件保證陶瓷膜與煙氣充分換熱。

(2)提高煙氣溫度可以顯著提高煙氣在陶瓷膜

管內的傳質、傳熱性能，煙氣溫度越高，煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數增長速度越快。將陶瓷膜組件布置在煙氣溫度較高的位置，有助于提高陶瓷膜對水、熱的回收性能。

(3)提高煙氣相對濕度使不凝性氣體邊界層變薄，煙氣向陶瓷膜管壁傳質、傳熱阻力變小，煙氣對流凝結Sherwood數、Nusselt數隨煙氣相對濕度提高而上升。說明陶瓷膜適合布置在高水分煙氣環境中，脫硫塔后煙氣接近濕飽和狀態，是布置陶瓷膜組件的理想位置。

(4)增加冷卻水流量可以顯著提高煙氣傳熱效果，但于陶瓷膜特殊的毛細冷凝機理，增加冷卻水流量幾乎對煙氣傳質沒有影響。如果只關注陶瓷膜的水回收性能，可以降低冷卻水流量，減小泵功。