膜技术用于燃煤电厂高湿烟气水回收研究进展

膜技术用于燃煤电厂高湿烟气水回收研究进展

王永发

大唐保定热电厂 河北省保定市071000

摘要：本文首先深入探讨了膜法用于燃煤电厂烟气水回收的技术特点及优势。然后，详细介绍了主流的复合膜分离技术、输运膜凝汽技术和CAPWA技术的国内外研究进展及其各自的优缺点，分析了各项技术用于燃煤机组水回收的可行性。最后，提出了利用烟塔合一耦合膜分离的技术全面实现电厂烟气及冷却水回收的设想。本文为电厂烟气水回收工艺方案提供了新思路，对电厂节能降耗、环境保护具有深远的意义。

关键字：膜分离；水回收；烟气；燃煤电厂

1前言

我国火电企业的用水量占全国工业用水量的比例一直在40%以上，并且这个比例在逐年增高。而火电装机较为集中的省份又处于水资源匮乏或极度匮乏的北方，受影响的装机容量约24568×104KW，约占装机容量的41%。在日益严峻的环保政策压力下，火电企业开展节水降耗、寻求新型节水技术的工作越来越受到重视。

以1台300MW的火力发电机组为例，燃用褐煤时每小时产生的烟气量约1×106m3，而其中有10%左右的水蒸气存在[1]。如果FGD采用湿法脱硫，烟气中水含量如表1所示。

表1 各类型中烟气含水量

烟气中有如此巨大含量的水分，如果能够回收利用，将为火电企业节水和资源循环利用提供一个新的思路。烟气中水分的回收，降低电厂用水量，减轻缺水地区电厂运行的经济负担，回收水可用作给水、脱硫工艺水或循环水，实现水资源的循环利用。同时，烟气中水分含量的下降将有利于烟道、烟囱等的防腐蚀工作，降低设备的维护、维修费用。同时，减少排烟中的水分含量，利用污染物扩散，降低雾霾危害程度，产生良好的社会效应。

2烟气水回收技术

目前，气体脱水主要有低温冷凝和膜分离等技术[2]，以日本三菱公司提出的MGGH为例，其工艺流程如图1所示。在空预器和静电除尘器之间设置冷热交换器，同时在脱硫塔出口设置升温交换器。冷热交换器和升温交换器用管道连接，管道内流动换热介质[3]。

图1 MGGH工艺流程图

烟气冷凝技术通过应用塑料换热器达到节能节水的效果，缺点是产品水质不高，具有腐蚀性，只有当节能效果显著时，该产品才具有明显商业价值。而随着新型膜材料的出现，新的制膜工艺、新的膜分离过程的发展，利用膜分离技术的优越性逐步显现。首先，水分回收设备体积小，可利用现有设备，比如烟道或烟囱，不影响电厂的空间布置，有利于技术实施。同时，膜分离技术应用弹性大，适当的膜材料和膜组件的优化，可实现对烟气中其它气体如CO2等的同时回收利用，对未来电厂污染物控制，技术应用前景广阔。

2.1复合膜分离技术

利用膜分离技术实现烟气中水分的回收利用，其核心构件为分离膜及其模组件。分离膜要具备以下条件：渗透通量高；抗腐蚀的性能强；机械强度高；使用寿命长，成本低；便于工业化生产。根据膜材料将膜分为有机膜和无机膜，相对来说，有机膜成膜性好，但抗化学侵蚀性较差，而无机膜具有化学稳定性好、机械强度高、耐高温高压等特点[4]。20世纪80年代中期，有机-无机复合分离膜的制备研究，希望能将两者的优点结合起来，随着复合膜技术的发展，有机-无机复合膜的应用也越来越广泛。

陈海平等[5]进行了复合膜法捕集模拟烟气中水分的实验研究，选用聚醚砜作为中空纤维膜支撑层材料，磺化聚醚醚酮作为中空纤维膜的涂层材料，如下图2，研究了不同磺化度的复合膜涂层、吹扫气流速、烟气温度等对复合膜捕水性能的影响，结果表明，磺化度和吹扫气流速均存在着最优值，在40~70℃之间，随着温度升高，复合膜捕水性能有所提高。

 图2 中空纤维膜组件

魏关锋[6]对膜法气体脱湿过程的非理想性进行了研究，认为多孔支撑层的毛细管凝聚效应能够大大提高水蒸汽的渗透速率，同时降低第二组分的渗透速率，提高过程的分离系数。张新儒[7]研究了水蒸气/VOCS的选择性渗透问题，分析了致密膜中吸附和扩散对渗透性能的影响，并建立了聚合物膜的分析模型，采用蒙特卡罗模拟和分子动力学模拟方法分别对吸附和扩散机理进行了探讨，结果表明，在水蒸气的渗透过程中，溶解度系数对渗透系数的影响更大，扩散系数次之，选取分子链和水蒸气分子间作用力强的聚合物有利于吸附过程的进行。杨建[8]在脱除一氯甲烷中水蒸气的研究中获得了气流主体边界层、支撑层膜孔和致密层的传质阻力，发现支撑层膜孔内的阻力约为气流主体边界层阻力的两倍，并考察了原料气表面流速、压力、组成、渗透通量以及分离系数对浓差极化程度的影响。吴庸烈[9]分析了气体脱湿膜分离过程中水蒸气的传递机理，发现水分子可通过氢键聚集成簇，也可通过氢键与聚合物链节中极性基团发生作用，使水蒸气的传递行为比其它气体更为复杂。

潘福生[10]对PVA-EDTMPA/PS复合膜、PVA-silica/PS

杂化复合膜、Gelatin-silica/PS 杂化复合膜和Poly-dopamine/PS复合膜的设计及制作进行了研究，并采用分子动力学模拟方法建立高分子膜或高分子-无机杂化膜的结构模型，以探讨高分子膜或高分子-无机杂化膜的结构及渗透物分子在膜中的扩散行为。综上所述，复合膜分离技术在脱水脱湿领域已经有了相对成熟的研究，为其应用于燃煤电厂烟气水回收领域奠定了坚实的理论基础。

2.2输运膜凝汽技术

输运膜凝汽（TMC）技术是应用输运膜凝汽器从电厂烟气中回收水分及能量，在烟囱前加装一套气体膜分离装置，烟气在中空陶瓷膜内流动，膜外流体为锅炉补给水，烟气中的水蒸气穿过三层过滤层，其他气体组分被截留，水蒸气接触较冷的锅炉给水被凝结，同时锅炉给水被加热，实现水分及热量的双回收。D．Wang等[11]应用TMC技术研究了烟气中水分回收和余热利用，考察了烟气温度对水分渗透通量的影响，并设计了两级TMC应用系统，如图3所示，进而研究了冷凝水温度、进入烟气露点对水分传递速率和热回收量的影响，以及各级TMC系统中烟气温度、烟气流速和冷凝水温度、流速、流量对水分传递速率的影响。研究结果显示，水分回收率在40%以上，锅炉效率提升5%。TMC技术在燃气锅炉已经应用成熟，但在燃煤锅炉上的应用还处于研究阶段。

图3 输运膜凝汽膜组件

2.3CAPWA技术

CAPWA技术就是分离气流中的水分子[12]，回收水可通过在烟气道中安装选择性薄膜加以实现。这些薄膜对水分子具有选择性，而不作用于其他分子，捕集的水蒸气可冷凝回收并输送利用。该技术采用了如下图4所示的水分子选择性涂层中空纤维，在中空纤维内部形成了真空，只有水分子可以通过该薄膜，因而水分子出现在纤维内部，水分得以有效回收利用。

图4 CAPWA水捕集原理

K．Nymeijer等[13]基于CAPWA膜法水分回收技术，以聚合物膜为分离膜进行了N2/H2O气氛下水分回收的研究。膜材料选择了磺化聚醚酮，分析了不同水分活度下膜组件对水的选择性和渗透通量的影响，并对渗透系数做了影响因素实验，阐述了中空纤维膜组件的系统工艺。其膜分离装置在实际烟气中运行了5300小时，系统运行稳定，保持了较高的水分回收率。

2.4 烟塔合一耦合膜分离技术

2002年开始，德国取消了对烟气排放温度的限制，改用烟塔合一的技术路线。如图5所示，烟塔合一技术是利用冷却塔巨大的热湿空气对脱硫后的净烟气形成一个环状气幕对脱硫后净烟气形成包裹和抬升，产生巨大的热浮力，增加烟气的抬升高度[14]。

   图5 烟塔合一技术

另外，相比于湿烟囱，冷水塔中的循环水与温度更高的汽轮机乏汽发生热量交换，其排放的湿蒸汽温度达100℃以上，具有更好的抬升效果，从而促进烟气中污染物的扩散。采用该技术的主要目的是将冷却塔和烟囱中的水分一并收集，相比烟气，冷却水蒸汽含湿量大的多，如果能将二者耦合并结合上述膜分离技术实现电厂水的高效回收利用，将会产生巨大的环境、经济效益。

3总结与展望

膜法烟气水回收技术能够获得高品质水，回收水可并入电厂汽水系统，可用作给水、脱硫工艺水或循环水，解决北方缺水地区燃煤电厂的水利用紧缺的问题，实现电厂水资源的循环利用，直接降低电厂用水成本，减轻电厂运行的经济负担，且可以回收烟气中的余热并加以利用，提高锅炉效率。同时，烟气中水分含量的下降将有利于烟道、烟囱等的防腐蚀工作，降低设备的维护、维修费用。膜分离回收水分装置体积小，易安装等特点，不影响电厂的空间布置，有利于电厂烟气系统的并入安装和技术实施，设备的安装、运行不会产生过多的费用，其回收成本远小于水分回收利用所产生的经济价值。

火力发电在未来的一段时间仍将处于我国电力行业的主要地位，而火电企业的用水量占工业用水量的比例居高不下，必将给我国水资源利用带来较大的用水负担，实现燃煤电厂的水资源循环利用，对我国火力发电尤其是北方缺水地区燃煤电厂的现实意义毋庸置疑，电厂水资源循环利用对行业循环经济的发展和其他行业的示范意义尤为显著。在体现缺水地区的水资源利用经济价值的同时，必将给电力行业的发展带来巨大的社会效益。

参考文献

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