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。     

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。     

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。     

基于多孔陶瓷膜的脱硫废水负压式膜蒸馏实验

目前采用多孔陶瓷膜进行膜蒸馏的技术已有不少研究，但由于膜本身的亲水特性，需要在使用前进行疏水改性，这增加了工序和成本，且疏水性随着使用过程逐渐减弱。因此，提出一种基于多孔陶瓷膜的脱硫废水负压式膜蒸馏方法，直接采用亲水性多孔陶瓷膜，通过泵的抽吸作用使膜内溶液形成负压，以防溶液渗出膜外。为探究负压式膜蒸馏的传热传质机理，通过实验对比了亲、疏水多孔陶瓷膜在不同工况下的传递特性。实验结果表明：当膜内负压值小于膜孔内溶液毛细力时，亲、疏水多孔陶瓷膜的膜孔内分别为溶液输运和水蒸气输运；当空气流量为22L/min、废水温度和流量分别为50℃和11L/h时，亲水膜的渗透通量在1.9～3.9kg/(m²·h)之间，而疏水膜的渗透通量仅为0.13～0.25kg/(m²·h)；亲、疏水多孔陶瓷膜的热效率分别在92%和55%左右，说明亲水性多孔陶瓷膜有着更高的热效率，陶瓷膜的较高热导率有利于提升亲水膜的膜蒸馏性能；脱硫废水流量对热质传递性能影响不大，随着空气流量或者废水温度的增加，膜渗透通量随之增加。     

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。     

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。     

润湿性对纳米多孔陶瓷膜输运性能的影响

为了实现复杂环境中高效回收水资源,采用先进的膜技术,基于建立的半连续超临界相反应改性实验装置对纳米多孔陶瓷膜分别进行亲水和疏水表面改性,通过接触角测量、微观结构观测等方法对润湿改性前后的纳米多孔陶瓷膜进行表征。基于单管管外水蒸气冷凝传热实验系统,对润湿改性前后的纳米多孔陶瓷膜进行了冷凝液输运特性的实验研究,揭示了混合气体温度、冷却水流速、跨膜压差和水蒸气体积分数等典型运行参数对纳米多孔陶瓷膜的冷凝液输运通量的影响规律与机理。同时,采用分子动力学方法,构建了水在不同润湿性纳米孔内输运模拟体系,研究水分子在不同润湿性纳米孔内的输运规律。     

润湿性对纳米多孔陶瓷膜输运性能的影响

为了实现复杂环境中高效回收水资源,采用先进的膜技术,基于建立的半连续超临界相反应改性实验装置对纳米多孔陶瓷膜分别进行亲水和疏水表面改性,通过接触角测量、微观结构观测等方法对润湿改性前后的纳米多孔陶瓷膜进行表征。基于单管管外水蒸气冷凝传热实验系统,对润湿改性前后的纳米多孔陶瓷膜进行了冷凝液输运特性的实验研究,揭示了混合气体温度、冷却水流速、跨膜压差和水蒸气体积分数等典型运行参数对纳米多孔陶瓷膜的冷凝液输运通量的影响规律与机理。同时,采用分子动力学方法,构建了水在不同润湿性纳米孔内输运模拟体系,研究水分子在不同润湿性纳米孔内的输运规律。     

多孔陶瓷膜烟气水分回收理论与模型研究

化石燃料燃烧烟气中含有大量水分和潜热,高湿度烟气的直接排放造成极大的资源浪费和环境问题。多孔陶瓷膜是目前烟气水热回收最有前景的技术之一,其水分回收热力学和动力学的定量描述是该技术发展和装置设计的关键所在。分析了水分在多孔陶瓷膜表面及内部传质机理,基于Kelvin理论建立了水分在陶瓷膜内毛细凝聚热力学模型,并选取典型烟气温/湿度条件,得出不同工况下陶瓷膜发生毛细凝聚的临界孔径、凝聚水量及工作孔体积占比;进而基于毛细凝聚的表面传质和孔道输运Hagen-Poiseuille方程建立了陶瓷膜水分传质动力学模型,对典型温/湿度工况下回收水通量进行了计算,结果表明,多孔陶瓷膜的毛细凝聚效应对烟气水分回收的优越性十分明显,其表面回水通量远远大于冷凝法的水通量,孔径越小,表面水通量越高,但及时将孔道内的液态水输运到陶瓷膜另一侧需要的压差也越大,本文计算条件下,膜孔径为20.0 nm的陶瓷膜较为适宜。     

多孔陶瓷膜烟气水分回收理论与模型研究

化石燃料燃烧烟气中含有大量水分和潜热,高湿度烟气的直接排放造成极大的资源浪费和环境问题。多孔陶瓷膜是目前烟气水热回收最有前景的技术之一,其水分回收热力学和动力学的定量描述是该技术发展和装置设计的关键所在。分析了水分在多孔陶瓷膜表面及内部传质机理,基于Kelvin理论建立了水分在陶瓷膜内毛细凝聚热力学模型,并选取典型烟气温/湿度条件,得出不同工况下陶瓷膜发生毛细凝聚的临界孔径、凝聚水量及工作孔体积占比;进而基于毛细凝聚的表面传质和孔道输运Hagen-Poiseuille方程建立了陶瓷膜水分传质动力学模型,对典型温/湿度工况下回收水通量进行了计算,结果表明,多孔陶瓷膜的毛细凝聚效应对烟气水分回收的优越性十分明显,其表面回水通量远远大于冷凝法的水通量,孔径越小,表面水通量越高,但及时将孔道内的液态水输运到陶瓷膜另一侧需要的压差也越大,本文计算条件下,膜孔径为20.0 nm的陶瓷膜较为适宜。     

Influence of process parameters of condensation on the recovery of SO2 in desorption gas from flue gas adsorption desulfurization

SO₂ in the flue gas has high recovery value. In the process of adsorption purification of flue gas, condensation method can be applied to purify SO₂ in the desorbed gas into high-purity liquid product. In this paper, an experimental study on the recovery of SO₂ with condensation method was carried out by using the SO₂-rich desorbed gas as the feed gas with the concentration of 7%—12% in Handan Steel sintering machine desulfurization process. The effects of process parameters such as the SO₂ concentration of the feed gas, condensation pressure and temperature on the recovery rate and the SO₂ concentration in the exhaust gas from the outlet of the condenser were investigated. The results show that the recovery rate increases with increasing SO₂ concentration in the source gas and condensation pressure, and decreasing condensation temperature. The SO₂ concentration in the exhaust gas is a -1 power function of the pressure, and decreases exponentially as condensation temperature decreasing. The highest possible inlet SO₂ concentration should be used as the design basis for the condenser. In practice, the reasonable upper limit of pressure should be determined in conjunction with the expected recovery rate, and the strategy of reducing condensation temperature at low-pressure level for increasing the SO₂ recovery rate should be adopted. The research results can provide reference for the resource utilization of SO₂ in the process of flue gas adsorption and desulfurization.     

冷凝法回收烟气吸附脱硫解吸气中SO2工艺参数的影响规律研究

烟气中SO₂具有高回收价值,在吸附法净化烟气过程中,可采用冷凝法对解吸气中SO₂提纯为高纯度液态产品。基于邯钢烧结机烟气活性炭吸附脱硫工艺中的富硫解吸气,进行了冷凝法回收SO₂的实验研究。重点考察了SO₂气源浓度、压力和冷凝温度等工艺参数对回收率和冷凝排出气SO₂浓度的影响。结果显示,回收率随气源浓度、压力的升高和冷凝温度的减小而升高;排出气SO₂浓度是压力的-1次幂函数,并随冷凝温度的降低而呈指数型函数降低;设计冷凝器时要以可能出现的最高浓度为设计依据,实际生产时应结合预期回收率确定合理的压力上限,尽量采用以低压策略为基础降低温度的措施提升回收率。研究结果可为烟气吸附脱硫过程中SO₂的资源化提供参考。     

Absorption of Low Concentration Sulfur Dioxide Using Liquid-containing Microporous Membrane

The absorption of low concentration SO2 in flue gas by using the module of liquid-containing microporous membrane which is made up of hollow fiber and citric acid-sodium citrate buffer solution was investigated. The absorption efficiency of hydrophilic and hydrophobic membranes by using the concept of dynamic contact angle was mainly studied. The influences on absorption efficiency from absorption time, flowrate of gas phase, SO2 concentration of gas phase, air pressure, citrate concentration, pH value of solution as well as the generation of sulfate radical in absorption solution were examined. The results indicate that the hydrophobic hollow fiber membrane is better than hydrophilic membrane, the absorption efficiency decreases with increasing absorption time, gas phase flowrate, gas phase SO2 concentration and air pressure, the absorption rate and capacity of SO2 can be improved by increasing the citrate concentration, the absorption efficiency can be improved by increasing the pH value of citrate solution, the concentration of SO42- in absorption solution increases linearly with the absorption time at a rate around 0.192 g/(L×h).     

单通道陶瓷膜管低压透水性能实验分析

无机陶瓷膜作为多孔介质具有分离效率高、耐酸、耐碱等优点,被视为在海水淡化、废水处理、气体分离等领域的研究热点。采用Al₂O₃管式单通道陶瓷膜材料构建膜组件,以燃煤电厂自来水、烟气冷凝水、脱硫废水三种不同水质为例,开展低跨膜压差下的膜组件透水性能实验,研究了膜参数、跨膜压差及水体温度等因素对渗透通量、渗透水质的影响,并对引发膜污染的机理过程进行了探讨分析。实验结果表明：陶瓷膜管的结构参数是关键因素,如孔隙率、孔径及厚度等;低跨膜压差下的渗透通量随压力增大呈线性提高,并未发现浓差极化现象,水体温度变化通过改变黏度进而影响渗透通量,同时水质较差时会导致渗透通量降低;陶瓷膜管的孔径是影响渗透水质的核心要素,微滤与纳滤膜对改善悬浮物含量、浊度及色度效果明显,不同孔径对盐度、电导率影响不同;从SEM图可以看出,污染物在膜表面或膜内部发生的沉积、架桥等现象导致严重的膜污染。充分认识影响陶瓷膜管渗透特性的关键因素及污染物的作用机理,对提高无机陶瓷膜的应用前景具有重要意义。     

Influence of dextrin content and sintering temperature on the properties of coal fly ash-based tubular ceramic membrane for flue gas moisture recovery

In this paper, in order to reduce the preparation cost of high-performance ceramic membrane, coal fly ash-based tubular ceramic membrane for flue gas moisture recovery was prepared, and its properties were optimized from two aspects: pore-forming agent (dextrin) content and sintering temperature. The results show that the ceramic membrane with dextrin content of 3 wt.% and sintering temperature of 1150 ℃ has the best performance. Through characterization, the ceramic membrane exhibits an open porosity of 42.0 %, mechanical strength of 26.6 MPa, average pore size of 0.49 μm, pure water flux of 5616 L/(m² barh). And, it has excellent corrosion resistance in acid and alkali. In addition, the flue gas moisture recovery performance of coal fly ash-based tubular ceramic membrane was studied experimentally. The highest water recovery ratio and the highest recovered water flux is 87.7 % and 6.01 kg/(m² h, respectively.     

陶瓷膜接触器化学吸收氮氧化物的传质过程与阻力分析

针对选择性催化还原技术(SCR)存在装置大、运行费用高、催化剂中毒失活等问题,将平均孔径为100 nm的Al₂O₃陶瓷膜进行疏水改性并组装成膜接触器,以NaClO₂水溶液为吸收液,开展陶瓷膜接触器在烟气脱硝领域的应用研究。考察了陶瓷膜接触器在化学吸收脱硝中的稳定性,以及气体流量、吸收液浓度、吸收液流量、吸收液pH等因素对NO脱除率和传质通量的影响,基于阻力串联模型,建立总传质系数方程。研究表明,陶瓷膜接触器在连续600 min运行过程中,NO的脱除效率及传质通量分别稳定在99%和0.038 mol·m^-2·h^-1左右。进气流量的增加会促进NO的吸收,吸收液pH=3时具有最高的氧化吸收性能,同时提高吸收液的浓度会增强NO的脱除效果。NO的传质过程同时受气、液、膜三相阻力控制,传质阻力分析结果表明,可以通过增加气体流速减小气相阻力,增加吸收液浓度同时降低pH减小液相阻力。本研究在烟气脱硝领域具有良好的应用前景。