火电厂排烟中含有大量水蒸气,既是对水资源的一种浪费,也对生态环境造成了一定影响,同时水蒸气含量高的低温烟气也极易带来火电机组尾部受热面的低温腐蚀,因此,回收烟气中的水分及其显热和潜热,是火电机组实现深度节能减排的一个重要研究内容。采用气体膜分离技术来回收烟气中的水分及其余热,已逐步引起了业界的广泛关注,其中陶瓷复合膜是一种具有广泛应用前景的膜材料。为此,本文研究了水蒸气在陶瓷复合膜内输运过程中传质与传热机理,主要研究内容包括:提出了采用中空微纳米多孔陶瓷复合膜回收火电厂尾部烟气中水蒸气的具体方法,实验研究了不同进气条件、不同渗透侧条件对微纳米陶瓷复合膜回收模拟烟气中水、热的影响。对比表征了选择层孔径分别为20纳米、30纳米、50纳米、100纳米的内涂型中空微纳米多孔陶瓷复合膜的结构,并结合理论分析与实验研究的方法,对这四种不同孔径的复合膜性能进行研究与对比。实验使用氮气与水蒸气二元混合气体为模拟烟气,渗透侧使用真空泵维持负压。当复合膜的选择层的孔径低于50纳米时,毛细冷凝才会出现。对于70℃、含饱和水蒸气的模拟烟气,四种膜在不同进气流量情况下的水回收率大致分布在20%～60%这一范围。对于不同孔径膜与不同进气条件,都存在最佳处理膜面积与气体在膜表面掠过的最优速度。实验结果为膜组件的最优化设计提供理论支撑。以选择层孔径为20纳米的内涂型陶瓷复合膜为研究对象,在渗透侧使用冷却水及组件出口设置水泵以建立渗透侧负压,研究不同实验操作参数对膜组件回收模拟烟气中水蒸气及热量的影响。对于中空微纳米多孔陶瓷复合膜来说,使用温度高于气体露点温度的冷却水可以保证膜组件回收的水质良好,水回收率依然可达20%以上。而对于温度较低且含饱和水蒸气的进气来说,当冷却水进口温度低于气体温度时,复合膜可实现80%以上的水回收率,热回收率也高于40%,且在较好条件下,水、热回收率均可达90%以上。使用微米陶瓷膜及其膜组件进行了水分及热量回收性能的实验与模拟研究,模拟烟气在膜外侧流动,冷却水在膜内侧流动。研究了微米陶瓷膜回收模拟烟气中水蒸气与余热这一传质传热过程,传热模型可以确定传质对膜两侧传热的影响和膜本身传热的影响。构建了膜组件的物理模型及传质传热数学模型。对比分析了计算结果与实验结果,并根据结果对模型进行了修正。在进气侧,由传质引起的传热在总传热中的占比随着传质量的增加而增大,最终变成总传热中的主要部分。而对于渗透冷却水侧,进气温度与进气流量均对传质引起的传热的影响不大,而且传质本身对渗透侧传热影响也是可近似忽略的。可以认为在膜中主要传热为膜本身的热传导,传质引起的传热并不占主导,在膜体中传质引起的传热可以忽略。对比了自制膜与商用微米膜的水、热回收性能,无论是对于含饱和水蒸气还是非饱和状态水蒸气的模拟烟气,在实验温度范围内(50～85℃),自制膜与商业用α-A12O3微米多孔陶瓷膜的水渗透回收性能相差不多。同样进气流量下,含饱和水蒸气的烟气中水回收率明显高于含非饱和水蒸气的烟气。饱和水蒸气状态下的进气更有利于回收烟气中水蒸气,微米孔径陶瓷膜回收烟气中水蒸气适合在脱硫后安装使用。商业用微米孔膜回收热量性能略优于自制膜。综上,使用自制膜完全可以代替商业用微米陶瓷膜进行烟气水分及余热的回收利用。研究结论可为低成本陶瓷膜的研发提供理论指导。建立了水蒸气在纳米多孔陶瓷复合膜中水分渗透回收量的计算模型。发现了水蒸气在多孔陶瓷复合膜中渗透的毛细冷凝发生条件,并使用选择层孔径为10纳米的外涂型陶瓷复合膜进行了实验验证。计算模型可用于进一步研究不同孔径膜在毛细冷凝作用下的水回收性能,模拟大量实验工况节省实验工作量,并为膜组件的设计提供理论支撑。对于与处理烟气直接接触层孔径小于50纳米的陶瓷膜来说,使用温度高于烟气水露点温度的冷却水依然可以实现烟气中水蒸气的回收,且孔径越小,回收率越高,这与毛细冷凝作用强弱正相关。对于10纳米及更小的孔径膜来说,水回收率可实现15%以上甚至可达25%以上。而对于微米孔径膜来说,在这种工况下基本可以认为不具备回收烟气中水蒸气能力,因为这一孔径下已无毛细冷凝作用存在。使用氮气/水蒸气/二氧化硫三元混合气体进行了实验研究,结果发现在毛细冷凝作用下,进气中二氧化硫的存在基本不会对冷却水侧pH造成影响,即毛细冷凝机制作用下,烟气中二氧化硫不会影响膜回收水的水质。