基于膜分离方法的烟气水分回收技术研究现状及展望

许全坤，汪洋

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

0 引言

我国缺水地区燃煤电厂新建机组积极加装空冷凝汽器后，大幅降低了电厂水耗，但1台600 MW机组通过烟囱排放的水约300 t/h，年排水约150万t，耗水量依然惊人。我国新增燃煤机组大部分建设在西部产煤区，这些地区均为缺水地区，如何在缺水地区进行大规模煤电基地建设，是摆在能源工作者面前的棘手问题。如果能将烟囱中的水分回收并进行资源化利用，将有力支撑我国煤电基地建设，对我国建设环境友好型、资源节约型社会意义重大。

目前，气体脱水主要有低温冷凝、液态/固态吸附等技术，但这些技术存在一些弊端，随着新型膜材料的出现以及新制模工艺的发展，应用膜分离技术对于烟气中的水分进行回收成为一条极有前景的技术路线。

1 膜法脱湿技术介绍

1.1 气体膜分离技术

气体膜分离技术是20世纪70年代开发成功的新一代气体分离技术，其原理是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解－扩散上的差异(即渗透速率差)来进行分离。气体膜分离技术现已成为比较成熟的技术，广泛用于许多气体的分离、提浓，工业发达国家称之为“资源的创造性技术”。

1.2 膜法空气脱湿

压缩空气是工业生产中应用最广泛的气体，压缩空气在使用以前必须除掉所含的湿气(水蒸气)，膜法脱湿利用某些高分子材料容易透过水蒸气的特点，当压缩空气流经高分子分离膜的一侧时，在膜两侧压力差的作用下，水蒸气透过膜进入另一侧，留下干燥的空气。大型设备是由膜组件单元构成的，可随意调整容量，特别是小产气量的脱湿组件，可以作为仪器、设备的配件使用，这是传统脱湿方法难以企及的。

空气除湿是工农业生产和人们日常生活中经常遇到的问题。在精密仪器、医药、食品、电子设备等产品的生产过程中，过高的湿度会使金属生锈、仪表精度下降、绝缘参数降低，从而影响生产安全和产品品质，给国民经济造成重大损失。特别是在舰船领域，由于现代探潜、反潜技术的不断提高，传统除湿装备给舰船的隐蔽性和后勤支援带来很多困扰。膜除湿技术没有直接的电磁散射，噪声小，有利于潜艇隐蔽和节约能源;在整个工艺过程中没有用到干燥剂和其他任何粉剂，污染小;在整个工艺过程中使用的移动部件少，膜组件易于更换，操作简单;不存在高温、高压，在非常苛刻的条件下仍有较高的可靠性;占地面积小，操作范围广。以上优点都是以空调为代表的冷却型除湿系统及干燥型除湿系统所不具备的，所以，膜法除湿技术在各领域具有广阔的应用空间。

1.3 天然气膜法脱水

天然气膜法脱水是近年来发展起来的新技术，它克服了传统净化方法的许多不足，表现出较大的发展潜力。天然气膜法脱水技术与传统脱水技术(化学吸收、低温冷却分离和物理吸附等)相比，具有操作连续，无需再生，无二次污染，无需加入额外材料和试剂，操作灵活、方便，占地面积小等特点，存在技术优势和发展潜力。天然气膜法脱除水蒸气的原理是:特殊设计和制备的高分子气体分离膜对天然气中酸性组分会优先选择渗透，当天然气流经膜表面时，其酸性组分(如 H2O，CO2和H2S)优先透过分离膜而被脱除。自20世纪80年代以来，国外Separexe，Grace，Air Product相继开发出供天然气脱水的膜分离装置并已进入工业应用。1998年，中科院大连化学物理研究所自行研制的膜分离器在长庆气田进行了天然气膜法脱水的工业性试验，并在技术上取得了成功［1］。

2 膜法烟气水分回收技术的研究现状

为了应对持续上涨的水价以及提高机组发电效率，美国和欧洲于20世纪90年代末和21世纪初竞相开展了烟气水分捕集技术的研究，经过近10年的探索，已经完成了实验室阶段的研究，目前处于从中试到全尺度放大的应用研究阶段。在美国，主要在美国能源部(DOE)的支持下，由美国天然气技术研究院承担基于无机陶瓷膜技术的烟气水分捕集技术的开发;欧洲则启动一项名为CAPWA的研究计划，该项目在欧盟资助下，以荷兰屯特大学和KEMA公司为主体，由电力公司以及膜生产厂家等14家单位参与，进行基于有机中空纤维膜分离技术的烟气水分捕集技术的联合研究。

2.1 输运膜凝汽器技术［2］

输运膜凝汽器(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，该技术的开发属于美国能源部现役电厂革新研究计划(IEP)的一个子项目。IEP的主要目的是开发先进技术，实现电厂冷却水回用、废热利用以及烟气水分回收，以期大幅度降低电厂水耗。

煤炭中天然含水量为3% ～60%，燃烧时煤中的氢与氧结合也会生成水，如将烟气中大量的水分进行回收再利用，可使电厂无需向环境取水，实现真正意义上的“零水耗”，这是美国先进节水型电厂的发展方向。

TMC技术研究始于2000年，经过近10年的研究，目前该技术已成功应用于燃气锅炉，并实现了在小型燃气锅炉烟气水分回收领域的商业化应用。

TMC技术是在烟囱前加装1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3层过滤层，其他气体组分被截留，水蒸气接触较冷的锅炉后凝结;同时，锅炉给水被加热，实现水分及热量的双回收。TMC模组件工作原理如图1所示，TMC中试装置及膜组件如图2所示。

TMC技术已经在燃气锅炉上实现商业化运营，其水分回收率在40%以上，锅炉效率提升5%。

在完成燃气锅炉烟气水分回收试验研究后，课题组开展了燃煤锅炉烟气的水分及热量联合回收研究，试验装置安装在美国巴尔的摩市发电厂#1燃煤机组尾部烟道上，2011－08－17—09－16连续不间断运行。测试结果显示:该装置具有稳定的水分及热量回收效果;同时，经过TMC装置的水质没有发生恶化，与装置入口水质指标一致。燃煤电厂现场中试装置如图3所示。

图3 燃煤电厂现场中试装置

中试完成后，课题组进行了550 MW燃煤电厂TMC全尺度装置的初步估算。全尺度装置需要264个模块(如图4所示)，烟气垂直流过TMC装置，烟气侧压降为250 Pa左右，燃用烟煤条件下，回收水分用作湿法脱硫工艺水，年节约水费约144万美元。目前，该技术在燃气领域的商业化应用已经授权给燃气锅炉制造商CWB公司，燃煤烟气领域的商业化实施计划授权给一家具有湿法脱硫工程实施能力的公司。

图4 全尺度TMC模组组装模型

2.2 CAPWA膜法水分回收技术

简单地说，CAPWA技术就是将气流中的水分子与其他分子分离开来。捕集之后的优质水可在工业中直接作为工艺用水使用，也可用于其他用途。

水捕集可通过在气道中安置选择性薄膜来实现，这些薄膜仅允许水分子通过，而不作用于其他分子。此后，捕集的水蒸气可冷凝回收并输送利用。

该技术采用了水分子选择性涂层的中空纤维［3］，在中空纤维内部形成了真空，为平衡中空纤维内、外的压力差，平均分布气体分子，自然扩散机制将启动(如图5所示)。只有水分子可以通过该薄膜，因而只有水分子出现在纤维内部。至此，水捕集得以完成，脱水气流被排放到大气中。

水捕集工艺系统如图6所示，在脱硫装置后设置水捕集装置，过滤膜的渗透压来自空冷凝汽器所造成的真空，经空冷凝汽器凝结的水分可以回收利用。膜组件为标准化制造、模块化安装，对于处理烟气量不同的水捕集装置，只需选择不同数量的模组件即可，每个膜组件由若干束纤维束组成，而每个纤维束又由若干根膜纤维组成。膜材料选用磺化聚醚醚酮材料(SPEEK)，该材料具有很高的水分子选择性，水分捕集的效率可达到40%以上。1台600 MW等级机组的烟气水分回收量约150 t/h，经该装置收集的水不经任何处理，电导率为20 μS/cm，属于工业淡水范畴，将其引入电渗析(EDI)装置进行深度净化，可用于锅炉补给水。

膜法水捕集技术有一项明显不同于其他制水技术(冷凝法、干燥剂法)的重要特征，即该技术基于气体分子分离，可使用更少的步骤完成高质水的制备。

通过分离膜回收的水分既可用作锅炉补给水，也可用作脱硫工艺水，如果将该技术应用到湿式冷却塔、煤化工、造纸、石油化工、水泥等工业过程的气体水分分离，将对工业节水产生巨大影响，对我国工业节水事业意义重大。

3 烟气水分捕集技术存在的问题和技术关键

膜法烟气水分捕集技术的工业化应在以下几个方面寻求突破:

(1)在国内外膜供应厂商中选择适合的膜材料进行试验比较，遴选出适合火电厂烟气取水系统的膜材料。由于膜材料种类繁多，国内外厂商也较多，在充分调研及实验的基础上选择适合烟气水分捕集项目的膜材料。

(2)研究烟气成分、环境及流速等因素对膜法取水的影响，建立相关的数学模型指导设计。需要探明烟气条件及环境要素的改变对该系统的影响，掌握规律便于指导设计及运行。

图5 水捕集原理示意图

图6 水捕集工艺系统示意图

(3)研究石膏垢的结垢规律，制订防垢、除垢措施，保障系统安全、稳定运行。该装置安装于脱硫装置后，最大的安全威胁来自烟气中的石膏微粒，一旦板结将难以处理，所以，探索结垢特性及阻垢方法是该技术能否成功应用的重要保障。

(4)采用计算流体力学(CFD)方法研究膜法取水装置的流场特性，建立流场模型，指导装备设计。由于取水装备属于大型装备，对其进行流场特性研究十分必要，通过CFD优化水捕集器，提升其水分捕集能力，降低开发费用，缩短研发周期。

4 结束语

国家“十二五”节水型社会建设规划规定了越来越严格的用水取水指标，可以预见，我国的工业用水大户——火电行业向环境取水会进一步受到约束。目前，缺水地区的电源点建设已经因水资源短缺影响而限批，烟气水分捕集技术可以大为减少电厂水资源消耗，电源点建设将不受水资源短缺所限制。此外，我国燃煤电厂烟气脱硫系统80%以上采用湿法脱硫工艺，将脱硫后饱和烟气中的水分进行脱除，可有效减轻烟囱的腐蚀，大大降低电厂的运行成本。另外，在烟气水分捕集技术基础上进行湿冷塔水分回收技术的研究及应用，对我国湿冷机组的节水工作意义重大。总之，烟气水捕集技术可有效减少电厂的水耗，甚至可以实现厂内用水自给自足。

［1］刘重阳.气体膜分离技术在石油工业中的应用［J］.膜科学与技术，2000，20(3):38 －43.

［2］Dexin Wang，Ainan Bao，Walter Kunc，et al.Coal Power Plant Flue Gas Waste Heat and Water Recovery［J］.Applied Energy，2012，91(1):341 －348.

［3］Hylke Sijbesma，Kitty Nymeijer，Rob van Marwijk，et al.Flue Gas Dehydration Using Polymer Membranes［J］.Journal of Membrane Science，2008，313(1/2):263 －276.