过程参数对采用多孔陶瓷超滤膜回收烟气中余热和水性能的影响

将孔径为20 nm的陶瓷膜组装制成膜冷凝器,在水蒸气-空气形成的模拟体系中,采用去离子水作为冷却介质,开展了传递膜冷凝技术在烟气除湿和工业余热综合应用方面的研究。考察了空气流量、冷却水流量、进气温度和冷却水温度对陶瓷内膜和外膜过程通量的影响,并比较了两者水热回收性能。结果表明,过程通量均随进气流量和进气温度的增大而增加。随着冷却水流量的增大,过程通量也不断增加,但是冷却水流量达到一定值后,过程通量基本不再变化。冷却水温度对过程水通量的影响较小,但是热通量对冷却水温度的改变较敏感。冷却水流量的变化对陶瓷外膜的过程通量影响更加显著,表明陶瓷外膜水热回收过程更易受流体边界层的影响。在各实验工况范围内,陶瓷内膜和外膜分别具有更高的热通量和水通量,采用陶瓷膜过程的水通量和热通量最高分别可达到23.1 kg·m~(-2)·h~(-1)和47.5 MJ·m~(-2)·h~(-1)。随着传递膜冷凝技术开发和研究的不断深入,该技术在除湿和工业余热综合应用领域有着广阔的发展空间,将为我国节水、节能以及环境保护等领域的发展提供新的解决思路。     

陶瓷膜冷凝器用于烟气脱白烟过程的中试研究

将平均孔径5、20和50 nm的管式陶瓷外膜制成膜冷凝器，并搭建膜面积0.3 m²的膜冷凝中试实验装置，开展陶瓷膜冷凝器在烟气水、余热资源回收及脱白烟领域的中试研究。对比采用不同排布方式的两级陶瓷膜冷凝器的水、热回收效果，考察进气相对湿度、进气温度、进气线速度等操作条件和不同孔径陶瓷膜的排布方式对膜冷凝器水通量及水回收率的影响。研究表明，在两级膜冷凝器中，烟气、冷却水均为串联流动时，可得到更高的水、热通量及回收率。过程水通量随进气相对湿度、进气温度、进气线速度的增加而增加；水回收率随进气相对湿度、进气温度的增加而增加，随着进气线速度的增加而降低。在三级膜冷凝器中，采用每级均填充平均孔径50 nm的管式陶瓷外膜的排布方式时，可获得最佳的水、热回收效果；不同孔径陶瓷膜的排布方式对膜冷凝器水回收效果影响明显，对热回收效果影响不大。在各实验工况下，三级膜冷凝器水通量及水回收率最高分别可达38.5 kg·m^–2·h^–1和50.6%。与传统换热器相比，陶瓷膜冷凝器不仅可实现水、余热的同时回收，且其总传热系数为415 W·m^–2·℃^–1，换热效果更佳，并能明显缓解“白色烟羽”等视觉污染。基于陶瓷膜的膜冷凝技术在中试实验阶段展现出良好的回收效果，在资源回收及脱白烟过程有广阔的应用前景。     

新型中空纤维空气隙式膜蒸馏用于海水淡化

利用自制的添加隔热管状隔网并呈螺旋缠绕结构编排的中空纤维膜组件进行了空气隙式膜蒸馏(AGMD)海水淡化过程性能研究, 实验以模拟标准海水(质量分数3.5%, 总溶解性固体含量35000 mg·L^-1)为热料液进水, 考察了热料液进水温度、热料液流量、冷凝液进水温度和冷凝液流量对膜通量、造水比和热效率的影响。结果表明, 随着热料液进水温度增加, 膜通量、造水比和热效率均增加;冷凝液进水温度增加, 膜通量下降而造水比和热效率增加;热料液流量增加, 膜通量上升而造水比和热效率明显下降;冷凝液进水流量对膜蒸馏过程性能影响较小。实验过程中产水TDS始终保持在3.0 mg·L^-1以下, 相应的离子去除率高于99.99%, 膜通量、造水比和热效率最高可分别达5.87 L·m^-2·h^-1、5.37和0.943。研究表明, 引入清洁能源取代传统电加热驱动热源将进一步突出膜蒸馏技术的实际应用潜力。     

陶瓷膜冷凝器用于烟气脱白烟过程的中试研究

将平均孔径5、20和50 nm的管式陶瓷外膜制成膜冷凝器,并搭建膜面积0.3 m~2的膜冷凝中试实验装置,开展陶瓷膜冷凝器在烟气水、余热资源回收及脱白烟领域的中试研究。对比采用不同排布方式的两级陶瓷膜冷凝器的水、热回收效果,考察进气相对湿度、进气温度、进气线速度等操作条件和不同孔径陶瓷膜的排布方式对膜冷凝器水通量及水回收率的影响。研究表明,在两级膜冷凝器中,烟气、冷却水均为串联流动时,可得到更高的水、热通量及回收率。过程水通量随进气相对湿度、进气温度、进气线速度的增加而增加;水回收率随进气相对湿度、进气温度的增加而增加,随着进气线速度的增加而降低。在三级膜冷凝器中,采用每级均填充平均孔径50 nm的管式陶瓷外膜的排布方式时,可获得最佳的水、热回收效果;不同孔径陶瓷膜的排布方式对膜冷凝器水回收效果影响明显,对热回收效果影响不大。在各实验工况下,三级膜冷凝器水通量及水回收率最高分别可达38.5 kg·m~(-2)·h~(-1)和50.6%。与传统换热器相比,陶瓷膜冷凝器不仅可实现水、余热的同时回收,且其总传热系数为415 W·m~(-2)·℃~(-1),换热效果更佳,并能明显缓解"白色烟羽"等视觉污染。基于陶瓷膜的膜冷凝技术在中试实验阶段展现出良好的回收效果,在资源回收及脱白烟过程有广阔的应用前景。     

基于空冷的疏水陶瓷膜冷凝器用于烟气脱湿过程强化的实验研究

以环境空气为冷源,采用硅烷接枝的疏水Al₂O₃陶瓷膜构建膜冷凝器开展烟气脱湿实验。对比了疏水陶瓷膜与传统疏水钢管的冷凝性能;系统考察了烟气流量、烟气温度、吹扫因子、吹扫气温度、跨膜压差等过程参数对疏水陶瓷膜水回收性能的影响;比较了疏水陶瓷膜冷凝器(空冷)与亲水陶瓷膜冷凝器(水冷)的冷凝性能。结果表明,相同水接触角下(120°),多孔陶瓷膜的烟气温降是致密304钢管的1.3~2.5倍,疏水陶瓷膜能有效强化冷凝传热。疏水陶瓷膜的过程水通量随烟气流量、烟气温度、吹扫因子的增加而上升,随跨膜压差、吹扫气温度的增加而降低。过程水回收率随烟气流量、跨膜压差、吹扫气温度的增加而降低,随吹扫因子的增加而增加,随烟气温度的增加先上升,然后趋于稳定,而后下降。实验工况下,疏水陶瓷膜实现了0.6~5.2 kg·m^-2·h^-1的水通量和7.6%~57.4%的水回收率。低冷却介质流量下,基于水冷的亲水陶瓷膜的烟气冷凝性能更优异;随着冷却介质流量的上升,疏水陶瓷膜的冷凝性能迅速提升,并达到亲水陶瓷膜的性能。疏水陶瓷膜冷凝器在气体脱湿和水分回收领域有广阔的应用前景,将为改善工业过程的“能源-水资源-环境”关系助力。     

聚偏氟乙烯/聚二甲基硅氧烷渗透气化膜在丁醇分离中的应用

通过相转化法制备PVDF多孔支撑膜,在其上涂覆致密的PDMS分离层制备得到PVDF/PDMS复合膜,用于丁醇的分离纯化。以丁醇水溶液为原料液,流速为1.6 L·min^-1,丁醇浓度为15 g·L^-1,温度为37℃时, PVDF/PDMS复合膜的总通量为158.2 g·m^-2·h^-1,分离因子为17.3。向丁醇水溶液中按丁醇：丙酮：乙醇比例为6：3：1添加丙酮和乙醇模拟发酵液,PVDF/PDMS复合膜的总通量升高到189.5 g·m^-2·h^-1,分离因子降低到14.8。进一步考察了以丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵液为原料液的渗透气化膜分离性能,发酵液中不存在菌体时,PVDF/PDMS复合膜的总通量和分离因子分别为120.2 g·m^-2·h^-1和19.7,而菌体存在时,复合膜的总通量和分离因子分别为122.1 g·m^-2·h^-1和16.7。与PDMS均质膜相比,PVDF/PDMS复合膜在丁醇分离过程中的分离性能有了显著的提升, 具有潜在的应用价值。     

超亲水SiO2修饰膜的构建及其油水乳液分离性能

采用硅溶胶和多巴胺作为修饰剂,通过一步反应在微孔聚丙烯膜(MPPM)表面构建了SiO₂修饰层。利用FTIR、ESEM和EDX对膜进行了表征,发现膜表面SiO₂颗粒分布非常均匀。水/油接触角及纯水通量实验结果表明,修饰膜具有超亲水性及水下超疏油性,透水能力强,水通量大[在0.1 MPa时,水通量高达(5100±500)L·m^-2·h^-1]。油水乳液分离结果表明,修饰膜能有效分离油水乳液,在0.05 MPa时,油水乳液水通量达2830 L·m^-2·h^-1,油截留率达99.8%以上,即使过膜压力增大到0.15 MPa,油截留率也能保持在99%以上,且膜表面的油污可用水清洗除去,展现出很好的应用前景。     

Al2O3和SiC微滤膜的疏水改性及其油固分离性能研究

以正辛基三乙氧基硅烷和乙醇分别作为改性剂和溶剂,采用接枝聚合法对平均孔径为500 nm的Al₂O₃膜和SiC膜进行疏水改性,考察了改性剂浓度、改性液温度和改性时间对膜表面疏水效果的影响,并对比了疏水改性前后两种陶瓷膜的表面性质及疏水改性后的油固分离性能,进行了反冲实验和稳定性测试。结果表明,两种陶瓷膜材料在改性剂浓度为0.2 mol·L^-1,改性液温度为40℃,改性时间为12 h时,疏水改性效果最好,得到的疏水Al₂O₃膜和SiC膜的水接触角分别为134°±1°和140°±1°,经改性后的SiC膜的疏水效果优于Al₂O₃膜。在油固分离实验中,疏水Al₂O₃膜和SiC膜均对固体炭黑有良好的截留性能,但疏水改性对SiC膜的油品通量提升更为显著,两种膜的稳态通量分别为1134 L·m^-2·h^-1和1408 L·m^-2·h^-1。反冲操作对疏水SiC膜的通量恢复更有利。     

离子筛吸附与陶瓷膜耦合用于盐湖卤水提锂

将锰系离子筛吸附与陶瓷膜耦合,用于高镁锂比盐湖卤水的提锂研究。采用水热法制备了高效锂离子筛H_1.6Mn_1.6O₄,考察离子筛用于卤水提锂效果和陶瓷膜的分离性能。结果表明：制备的离子筛粉体粒径分布在100～500 nm之间,平均粒径为160 nm,用于察尔汗盐湖卤水中对Li⁺吸附容量达到31.44 mg·g^-1;孔径50 nm的陶瓷膜对离子筛的截留率达到100%,膜渗透通量大于150 L·m^-2·h^-1;反冲操作可有效维持吸附-膜分离过程的稳定性,吸附与陶瓷膜的耦合过程对盐湖卤水中的锂提取率超过97%,盐酸和双氧水清洗可有效恢复膜渗透通量。研究结果为高镁锂比盐湖卤水提锂提供了新方法。     

CO2化学吸收法中再生气的陶瓷膜余热回收特性

在CO₂化学吸收法工艺中,采用富液分流工艺,利用在贫富液换热器前分流的冷富CO₂吸收剂溶液回收再生塔顶排出的热再生气（一般为CO₂和水蒸气混合气）的余热,有助于降低CO₂再生热耗。本文在乙醇胺（MEA）基富液分流化学吸收工艺中,以纳米级多孔亲水陶瓷膜作为分流冷富液和热再生气之间的换热介质,利用水的热质耦合传递强化余热的回收性能。以余热回收通量为指标,探讨了分流的MEA富液流量、温度、质量分数、CO₂负荷和热再生气流量及再生气中水蒸气摩尔分数对陶瓷膜热回收性能的影响,并对比了不同分离层孔径陶瓷膜的余热回收性能。结果显示,陶瓷膜的余热回收性能随MEA富液流量的增加而增加,但却随富液温度的升高而大幅下降。同时,随着气体流量和再生气中水蒸气摩尔分数的增大,热回收通量均会增大。由水传质所引发的对流换热对热回收通量具有促进作用,可占总热回收量的10%左右。由于CMHE-10陶瓷膜的分离层孔径与孔隙率均大于CMHE-4陶瓷膜,因而其水传质通量大于CMHE-4陶瓷膜。但CMHE-10陶瓷膜的有效热导率却低于CMHE-4陶瓷膜,因而热回收过程中其水蒸气的冷凝总量要小,导致其热回收性能低于CMHE-4陶瓷膜。     

一体化笼式生物脱氮反应器水力特性

水力特性是生物脱氮反应器高效稳定运行的基础,采用脉冲刺激响应技术研究了一体化笼式生物脱氮反应器的水力特性。试验结果表明:在水力停留时间为4 h,水力负荷为6.0 m³·m^-3·d^-1,表面流速0.145 m·h^-1的条件下,该反应器的流态趋于全混流。以多釜串联模型表征,供气量为1.714、3.214、6.429、8.571 m³·m^-3·h^-1时的串联釜数依次为1.55、1.56、1.54和1.55;以轴向扩散模型表征,对应的Peclet数分别为1.479、1.503、1.466和1.478;两个模型预测结果一致。反应器总死区的均值为41.63%,其中水力死区的均值为21.99%。在所试范围内,供气量对其水力特性的影响较小。     

多孔PZT压电陶瓷膜的制备及其抗污染性能

以 PbZr_xTi_1-xO₃（PZT）压电陶瓷粉体为原料,通过干压成型的方法制备多孔PZT陶瓷膜,考察了煅烧温度对多孔PZT陶瓷膜的机械强度、孔隙率以及纯水渗透性能的影响。当煅烧温度为950℃时,可制备出纯水渗透率为850 L·m^-2·h^-1·MPa^-1,孔径为300 nm,机械强度为47.8 MPa,孔隙率为34%的多孔PZT陶瓷膜。在此基础上,考察了极化温度与极化电压对多孔PZT陶瓷膜压电性能的影响,并对极化后的PZT压电陶瓷膜进行萃取和表面等离子刻蚀处理。结果表明：极化温度为120℃、极化电压强度为4 kV·mm^-1,极化后经热乙醇萃取及表面等离子刻蚀4 min后,多孔PZT压电陶瓷膜在外加交流电为20 V时,产生的共振振幅信号值达34.8 mV。将制备的多孔PZT压电陶瓷膜在粒径为600 nm的含油乳化液中进行过滤实验,发现陶瓷膜两端未加交流电时,其通量在2 h内衰减至4%。而加交流电后,其稳定通量可维持在20%左右,表明制备的多孔PZT压电陶瓷膜具有良好的抗污染效果。     

水平矩形通道内含不凝气的蒸汽凝结换热

对质量流量为38～132 kg·m^-2·s^-1的蒸汽/氮气混合气在水平矩形通道内的凝结换热过程进行了实验研究,研究了氮气含量、混合气质量流量以及冷水质量流量对蒸汽凝结换热的影响。结果表明：在蒸汽流速较高时,不凝气对蒸汽凝结换热的削弱相对较少--8%的不凝气使汽侧凝结传热系数平均下降了26.4%;蒸汽的凝结传热系数随着混合气质量流量的增加而增加、随着冷水流量的增加而下降;此外,通过研究还发现,沿着混合气流动方向,蒸汽凝结传热系数逐渐减小。     

水力喷射-空气旋流器用于湿法烟气脱硫及其传质机理

在一种新型高效的气液传质设备--水力喷射-空气旋流器(WSA)中,以Ca(OH)₂料浆为吸收剂进行了模拟烟气湿法脱硫的实验研究。结果表明:脱硫率随进口气速增加而增加;随液体喷射速度增加先增加,增加到一定程度后几乎不变;随烟气中SO₂的进口浓度增加而减小,存在一适宜的Ca(OH)₂浓度和回流比。在气体流量24～72 m³·h^-1、循环液体量0.4～0.8 m³·h^-1、料浆中Ca(OH)₂浓度7500 g·m^-3时,对SO₂浓度为1891～6373 mg·m^-3的烟气进行湿法脱硫,脱硫率达88.9%～97.7%,且WSA的旋流气体和喷射液体在湿法脱硫中具有自清洁能力,未发现内部结垢和喷孔堵塞现象。总体积传质系数K_Ga、有效相界面积a均随进口气速u_G增大而增大,而总传质系数K_G随u_G增加变化较小;当液体喷射速度 u_L≤0.26 m·s^-1时,K_Ga和K_G随u_L增加快速增大,之后增加缓慢,而a随u_L几乎线性增加,K_Ga和K_G随吸收剂中Ca(OH)₂浓度c_L增加有一最大值。结合实验数据拟合得到了相关的经验公式,这些关联式能较好地预测WSA的湿法脱硫传质性能。气体旋流场强度对总体积传质系数K_Ga和有效相界面积a起支配作用,脱硫传质过程同时受气膜和液膜阻力控制,但以液膜控制为主。     

冷却水流量对ORC系统性能影响的实验研究

采用自主研发的单螺杆膨胀机作为机械动力,实验研究了冷却水流量对ORC余热发电测试系统及单螺杆膨胀机性能的影响。实验结果表明：当冷却水流量从8 m³·h^-1升至19 m³·h^-1时,单螺杆膨胀机输出功和轴效率分别从4.31 kW、36.38%增至5.15 kW、41.1%,分别增加了19.5%、13%。针对本实验系统,在考虑润滑油泵、工质泵、冷却水泵和冷却塔风扇等所有系统辅机功耗之后,当冷却水流量为12 m³·h^-1时,系统净输出功和系统净效率达到最大值,分别为2.44 kW和2.47%。通过研究冷却水流量对ORC系统性能的影响,为ORC冷却系统的设计和优化系统性能提供重要的实验依据。