增濕去濕海水淡化技術的研究進展

陶 鈞，宮建國，曾 勝，單 巖，金 濤

（浙江大學化工機械研究所，浙江，杭州，310027）

進展與述評

增濕去濕海水淡化技術的研究進展

陶 鈞，宮建國，曾 勝，單 巖，金 濤

（浙江大學化工機械研究所，浙江，杭州，310027）

增濕去濕海水淡化技術是對主流海水淡化技術的一個重要補充。本文根據淡化裝置中潛熱利用方式、物料循環方式、淡化過程驅動形式、傳熱傳質方式和能量供應對增濕去濕海水淡化裝置進行了全面系統地分類，并從蒸發室、冷凝室和供能模塊 3個方面對增濕去濕淡化裝置進行了詳細的分析。總結歸納了表征增濕去濕海水淡化裝置性能的主要指標，最后從裝置材料、淡化工藝和結構設計等方面提出了增濕去濕海水淡化裝置設計的思路與建議。

增濕；去濕；海水淡化

多級閃蒸（MSF）、低溫多效蒸餾（LT-MED）、反滲透（RO）是當今海水淡化三大主流技術。但是這3種方法設備投資大、造價高、能耗高，對海水的預處理要求高，僅適合大規模范圍生產淡水，不適合解決小量的淡水需求，比如海島地區、偏遠的內陸地區、旅游景點、類似海上平臺的施工地點等的淡水需求；且這3種方法消耗短缺的電能或石化能源，大量溫室氣體以及淡化后濃縮海水的排放對環境具有非常不利的影響。增濕去濕海水淡化技術巧妙地避開了上述難題，具有規模靈活、結構簡單、成本適中、維護簡單以及可以因地制宜地利用低位熱能和各種可再生能源（如工廠廢熱、地熱能、太陽能、風能、生物質能）等優點[1-2]，因此，它能有效地解決淡水需求量小且需求分散地區的用水問題。

1 增濕去濕海水淡化裝置原理及其分類

增濕去濕（hum idification-dehum idification，HDH）海水淡化裝置由太陽能蒸餾器發展而來，太陽能蒸餾器由于不能有效地利用冷凝潛熱，裝置熱效率低。增濕去濕海水淡化技術是令海水和載氣（一般是空氣）兩者相互接觸，以此提高載氣的溫度和濕度，隨之將其冷凝獲得淡水，并對冷凝潛熱進行有效回收利用的淡化方法。

各國研究者設計建立了各種各樣的增濕去濕海水淡化裝置，研究表明相對于傳統太陽能蒸餾器，增濕去濕淡化裝置提高熱效率的同時增大了淡水產量[3]。根據淡化裝置中潛熱利用方式、物料循環方式、淡化過程驅動形式、傳熱傳質方式和能量供應，可以將增濕去濕海水淡化裝置進行分類，具體分類見圖1。

圖1 增濕去濕海水淡化裝置的分類

1.1 潛熱利用方式

根據不同海水淡化裝置將冷凝潛熱用于預熱海水還是直接用于蒸發海水，可以將增濕去濕海水淡化裝置分為傳統增濕去濕淡化裝置和露點蒸發淡化裝置。

傳統增濕去濕海水淡化裝置一般由蒸發室、冷凝室和加熱器組成，載氣（一般是空氣）在蒸發室中與海水接觸并被增濕，攜帶一定量的水蒸氣后進入冷凝室去濕冷凝得到淡水，冷凝潛熱則可以通過預熱進料海水進行回收。加熱器既可以用來加熱海水，也可以用來加熱空氣。圖2（a）是一個典型的傳統增濕去濕淡化裝置的原理示意圖。

區別于傳統增濕去濕海水淡化技術將冷凝潛熱只用來預熱進料海水，露點蒸發海水淡化技術于1989年由Albers等[4]提出，通過熱傳遞將冷凝與蒸發過程耦合起來，將冷凝潛熱直接傳遞到蒸發室，為蒸發海水提供汽化潛熱；同時在蒸發室與冷凝室之間維持一個有序的溫度梯度，使傳熱過程在較低的溫差下進行，盡可能提高過程的熱效率。圖2（b）是

圖2 典型的傳統增濕去濕裝置及露點蒸發裝置原理示意圖

一個典型的露點蒸發海水淡化裝置的原理示意圖。實際上該過程并不涉及傳統的蒸發過程，只發生由氣液平衡規律決定的汽化和冷凝過程，為了區別于沸點蒸發，習慣稱其為“露點蒸發”[5]。它是增濕去濕淡化技術的一個重要分支，丁濤等[6]將其稱為“直接熱耦合增濕去濕淡化過程”的表述更為貼切。

1.2 物料循環方式

增濕去濕淡化裝置中海水和空氣的循環方式均可分為開路和閉路，即海水在蒸發室與空氣接觸后，既可以作為冷卻水至冷凝室循環流動也可以直接排出；空氣在冷凝室冷凝降溫后既可以循環至蒸發室增濕升溫也可以直接排空。圖2所示的兩個典型淡化裝置中，海水開路，空氣閉路。

Al-Hallaj和Farid等[7-10]分別用鍍鋅鋼、樹脂玻璃、PVC管建立了3個不同規模的噴淋式海水開路空氣閉路加熱海水傳統增濕去濕海水淡化裝置（前兩個設置在約旦，后一個設置在馬來西亞）并對其進行了深入研究。研究表明，在該類裝置中，海水流率對蒸發室和冷凝室的效果影響較大，而空氣流動速率對設備的影響很小，即在空氣閉路情況下空氣自然對流傳質要優于空氣強制對流傳質。其他較多研究者也對該類型的淡化裝置進行了研究，其所得的淡水產率在 4～12 kg/(m2?d)之間，造水比在1.2～4.5之間[2]。

Narayan等[2]指出海水閉路空氣開路傳統增濕去濕淡化裝置的缺點在于循環的海水不能有效地冷凝載濕氣體，但同時強調，采取高效率的增濕措施可以降低循環海水的溫度從而提高淡水產量。代彥軍等[11-12]設計建立的海水閉路空氣開路傳統增濕去濕淡化裝置中，將一定量的冷海水引入到海水閉路循環中，并用其冷凝開路載濕空氣，改善了冷凝效果。研究表明，海水的溫度和流量、空氣的流動速率對該類型淡化裝置的性能影響較大。在給定的海水溫度下，存在一個最佳的空氣流動速率。

Yuan等[13]在其建立的海水閉路空氣閉路傳統增濕去濕淡化裝置中，使蒸發室與冷凝室共用一個空間，同樣將一定量的冷海水引入裝置并使其隨主體海水循環，該裝置可晝夜連續運行，在西安地區該裝置 7月份和 12月份平均淡水產量分別為5.2 kg/(m2?d)和2.7 kg/(m2?d)。

Nafey等[14-15]建立了噴淋式增濕去濕淡化裝置的數學模型，在此基礎上對提出的空氣閉路海水開路加熱空氣裝置、空氣閉路海水開路加熱海水裝置、空氣閉路海水開路加熱海水和空氣裝置、具有儲熱水箱的空氣閉路海水開路加熱海水和空氣裝置進行了理論分析，分析結果表明，第4種裝置產水率最高。值得注意的是，該研究中的裝置引入了外加冷卻水對載濕氣體進行冷凝，沒有考慮裝置的熱效率，對冷凝潛熱也沒有回收利用。該研究也暗示了儲熱水箱在增濕去濕淡化裝置中的重要性。

總結分析可得，海水或空氣閉路對提高裝置的熱效率有利，但卻導致泵的功耗增多；海水或空氣開路對提高裝置的淡水產率有利，但卻導致裝置熱量散失增多。

1.3 淡化過程驅動形式

根據淡化過程的驅動形式，可以將增濕去濕淡化裝置分為熱驅動淡化裝置和壓力驅動淡化裝置。

當采用熱能驅動淡化裝置時，可以選擇對海水或者空氣進行加熱。前已述及，采用太陽能集熱器對海水進行加熱是研究者普遍采用的一種做法。

Houcine等[16-20]研究了只加熱空氣的海水開路空氣閉路淡化裝置，在空氣進入蒸發室之前對其加熱，研究結果表明裝置的熱效率較低，其原因在于難于回收冷凝潛熱。Narayan等[2，21]提出了對該類裝置的改進措施，即令空氣先與海水進行傳質傳質，然后再對其進行加熱，分析表明該措施能有效地提高裝置的熱效率，其原因在于有效地回收了冷凝潛熱。

Vlachogiannis等[22]研究了以壓力作為驅動力的露點蒸發淡化裝置，空氣通過鼓泡的方式與海水接觸，增濕后的空氣經壓縮機壓縮，從而溫度升高，增濕升溫后的空氣被引入冷凝室中冷凝，冷凝潛熱直接傳遞給蒸發室蒸發海水。混合氣體的高氣水比增大了機械壓縮的成本，導致該過程淡水產率較低，能耗較高。Narayan等[2，21]提出了空氣閉環海水開環壓力驅動的噴淋式傳統增濕去濕淡化裝置，該類裝置同樣令空氣經壓縮機壓縮增壓升溫后進入冷凝室，在冷凝室中冷凝并預熱進料海水，降溫去濕后的空氣進入蒸發室之前經過一個膨脹閥，因此，蒸發室中的壓力比冷凝室中的壓力低，理論分析表明該類裝置的造水比可以達到5。

以熱能或將其它能源轉化為熱能驅動增濕去濕淡化裝置是研究者較多采用的做法。壓力驅動淡化過程中，通過改變壓力來改變載氣的溫度，從而形成增濕去濕的循環，這為機械能用于海水淡化提供了有益的示范。

2 增濕去濕海水淡化裝置的組成部分

傳統增濕去濕淡化裝置的蒸發室與冷凝室大多是分離的，少數研究者將蒸發室與冷凝室設置在同一個空間內。為了方便地將冷凝室中的冷凝潛熱傳遞至蒸發室，露點蒸發淡化裝置一般采用蒸發室與冷凝室相鄰的結構。下文將具體對淡化裝置的蒸發室與冷凝室進行分析。

2.1 蒸發室

用于海水和空氣傳熱傳質的蒸發室形式可以是噴淋、降膜和鼓泡。在眾多傳統增濕去濕淡化裝置的蒸發室中，空氣與噴淋的海水逆向流動是最為常見的傳熱傳質方式。Beckman等[23-24]在其建立的豎直露點蒸發淡化裝置中采用了降膜傳質方式，其先后利用附有紗布的聚酯薄膜、聚丙烯薄膜以及聚丙烯雙壁板來分隔蒸發室與冷凝室，由于前兩種材料剛性不足，從而導致裝置性能不佳。在其改進工作中，將多塊雙壁板豎直平行放置，相鄰兩板之間設置一系列水平支撐件，從而形成無折流件和有折流件兩個空間。其設計的兩類裝置，一類是將有折流件的空間作為蒸發室，一類是將其作為冷凝室。實驗結果顯示，將折流件設置在蒸發室，令空氣與海水錯流接觸的裝置性能較佳。熊日華[25]引入管殼式結構作為蒸發室與冷凝室的耦合結構，令海水沿銅管內壁降膜蒸發，利用蒸汽發生器向增濕后的空氣中加入一定量蒸汽，使其溫度升高并將其導入殼程冷凝，冷凝潛熱經銅管壁傳遞給管程。El-Agouz等[26-28]研究了基于鼓泡傳質的增濕去濕過程，實驗結果表明，淡水產率受海水溫度和空氣流量的影響較大，受海水液位高度和空氣初溫影響較小。郭麗瑋[29]設計了基于鼓泡傳質的海水閉路空氣閉路的傳統增濕去濕淡化裝置，利用空氣泵和曝氣頭將空氣細化并鼓入蒸發室，研究顯示鹽水溫度對空氣的增濕效果影響較大，其次是載氣流量，海水的液位高度影響較小。劉忠[30]設計建立了基于鼓泡傳質的多級露點蒸發淡化裝置，采用砂頭細化空氣，同樣表明淡水產率隨海水初溫和空氣流量的增大而增大，裝置的淡水產率為1.2～1.6 kg/h。相對于噴淋和降膜傳質方式，鼓泡傳質方式在降低能耗方面具有較強的優勢，因為形成氣泡的空氣泵的功耗將遠遠小于形成降膜和噴淋所需的水泵的功耗。

有研究者在蒸發室中設置了各種各樣的填料，以此來增強海水與空氣的傳熱傳質效果。Nafey等[15]在其噴淋式蒸發室中使用帆布作為填料，A l-Hallaj與 Nawayseh等[9]分別在各自所建立裝置的蒸發室中設置傾斜45°木片和垂直木片作為填料，以此來增加海水與空氣的接觸時間和接觸面積。Dai等[11-12]與 Guo等[13]在各自設計的裝置中皆采用了紙蜂窩結構高效蒸發器。Beckman等[24]在其露點蒸發淡化裝置蒸發室中設置了網狀發泡填料。

填料的選用與其潤濕性、價格、壽命以及對壓降的影響等密切相關。值得注意的是，填料的材質對水質的影響也不容忽視，應選擇無污染的材質作為填料。

2.2 冷凝室

為了將增濕升溫后的空氣冷凝，研究者采用了不同的冷源以及冷卻手段。在傳統增濕去濕淡化裝置中，通常利用進料海水冷凝載濕空氣同時回收潛熱。前已述及，當海水閉路循環時，循環海水對載濕氣體的冷凝效果并不十分理想。其他研究者[31]采用外加冷凝水冷卻載濕空氣，增強了冷凝效果，提高了淡水產量，然而該措施也會使產水成本明顯增大。Hashemifard等[32]在冷凝器中采用了淡水噴淋的直接接觸式的冷凝方式。

當利用冷凝水冷凝載濕空氣時，換熱器的型式對冷凝效果的影響也不容忽視。盤管式換熱管是較為常用的一種型式，Nawayseh等[9]將一定數量的翅片焊接在換熱管上，以此來增強傳熱效果，劉忠[30]則在冷凝室中采用了翅片結構。冷凝室中不凝氣的存在是影響冷凝效果的重要因素，朱愛梅等[33]對其進行了深入研究，研究指出提高操作溫度和氣液流速能有效改善傳熱過程。熊日華[25]進行對比試驗表明，在殼程（冷凝室）中設置高密度折流板能有效地強化傳熱傳質效果。

因此，盡量選擇導熱率大的材料、減少傳熱死區、采用折流板對空氣進行擾流等手段以改善傳熱效果，提高裝置的性能。另外，在露點蒸發淡化裝置中，由于蒸發室與冷凝室的傳熱溫差比較小，因此要求換熱器有較大的換熱面積。

2.3 裝置的供能模塊

能夠因地制宜地利用低位能源來生產淡水是增濕去濕海水淡化裝置最主要的優點之一。各國研究者建立的淡化裝置采用了各種能源來驅動淡化過程，其中以太陽能集熱器的形式利用太陽能來加熱海水或空氣的裝置在文獻報道中最為普遍。眾多研究[14，34]顯示，太陽輻射強度對裝置的產水率具有決定性的影響，且該影響具有一定的滯后性[35]。值得注意的是，大多數研究者采用了間接利用太陽能的方式，即令太陽能集熱器中的純水通過換熱器與蒸發室中的海水進行換熱，這雖然能避免集熱器直接加熱海水引起的腐蝕與結垢，但卻需要引入水泵，從而增加了能量消耗。另外，較多的研究者在實驗研究階段采用了電能，通過電加熱器或蒸汽發生器對裝置供能。Bourouni等[36-38]應用地熱能作為裝置的能量來源，其蒸發室采用水平管降膜蒸發的形式，結果顯示，該裝置的淡水產量在20～50 kg/h之間變化。結果表明地熱能的利用使成本降低約75%。

風能作為增濕去濕淡化裝置的能量來源在文獻中未見報道。而實際上，風能可以作為太陽能的互補能源。以我國為例，三北地區（西北、華北北部、東北）及東南沿海地區有豐富的太陽能和風能資源，這兩種能源受季節、 溫度、環境的影響較大，是不穩定能源，但它們又有互補性。例如，新疆、內蒙古等三北地區，冬春季風力強，夏秋季風力弱，而太陽輻射則剛好相反。在風力強的季節或時間內以風力供能為主，以太陽能供能為輔；在風力弱的季節或時間以太陽能供能為主，以風力供能為輔，在資源利用上恰好可以互補。在24 h內也可以互補，白天風力弱以太陽能供能為主，晚上風力強以風力供能為主。另外，利用生物質能，如在偏遠島嶼上利用有機物發酵產生的沼氣，也可以為增濕去濕淡化裝置供能。

3 增濕去濕淡化裝置的性能及其表征

3.1 熱效率

熱法海水淡化的熱效率一般用造水比（gained output ratio，GOR）來表示。不同的研究者提出了不同的GOR定義及其計算方法。表1列出了具有代表性的幾種定義方法。定義1適合于由蒸汽驅動的淡化裝置。定義2的表述則易于引起誤解，根據該文獻中 GOR的計算方法，其實際定義為設備生產的淡水質量與所吸收的太陽能蒸餾所得的淡水質量的比值，該定義方法使GOR的計算簡便，但是沒有將加熱裝置的熱效率考慮在內。同樣，定義 4也沒有考慮太陽能集熱器的效率。定義3僅局限于該文獻[36]所研究的裝置，不便于淡化裝置間的相互比較。定義5將加熱裝置的效率考慮在內，可以方便普遍地用來衡量熱法淡化裝置的熱效率。

表1 GOR的不同定義和計算方法

3.2 淡水生產能力

為了表征淡化裝置的淡水生產能力，一般定義單位時間得到的淡水量為淡水產率，單位為kg/h或kg/d。在太陽能海水淡化裝置中，為了表征太陽能集熱器的效率，也可將其定義為單位太陽能集熱器面積上單位時間得到的淡水量，單位為kg/(m2?h)或kg/(m2?d)。

3.3 產水成本

并不是所有的研究者都對增濕去濕淡化裝置的產水成本進行了經濟分析，實際上產水成本的大小是決定增濕去濕淡化裝置能否商業化的關鍵因素。計算淡水生產成本時，應該綜合考慮淡化裝置的投資費用、操作與維護費用以及能源費用（后兩者也可合并稱為運行費用）。由于增濕去濕淡化裝置可以有效地利用太陽能等可再生能源，因此裝置的能源費用在淡水成本中的比例較小，降低投資費用可以有效地降低產水成本。Beckman等[23]對其設計的4個日產水量均為3.8 t的露點蒸發淡化裝置的經濟分析表明，裝置的投資費用在1646～2814美元之間，每天的運行費用在3.82～3.43美元之間，該作者指出該費用低于傳統的淡化工藝的產水費用。

4 結 語

增濕去濕海水淡化技術已引起世界的廣泛關注，具有廣闊的應用前景。同時，基于該技術的海水淡化裝置還存在一些問題，如：淡水產率有待提高；當裝置中海水溫度較低時，傳熱傳質驅動力較小，對冷凝換熱器的要求較高；另外，部分增濕去濕淡化裝置中耗能元件較多，導致產水成本較高。

在對增濕去濕淡化技術詳細分析的基礎上，可以總結出高效增濕去濕淡化裝置的設計思路及建議如下所述。

（1）在裝置材料的選用上，盡量選擇輕質、便宜、無毒且熱導率高的材料，降低裝置的投資費用。

（2）在工藝的選用上，盡量對冷凝潛熱進行有效地回收。盡量減少工藝過程中的耗能元件，選擇耗能元件少的工藝。

（3）在結構的設計上，在冷凝室中應盡量減少傳熱死區，采用折流板對空氣進行擾流等手段改善傳熱效果。另外，當傳熱溫差較小時，應增大換熱器的換熱面積。

（4）在能源的利用上，應因地制宜地利用各種可再生能源，從而降低淡化裝置能源費用。

（5）在太陽能增濕去濕海水淡化裝置中，通過設置儲熱水箱可以實現裝置24 h連續運行。為了達到同樣目的，可以將風能和太陽能互補應用于增濕去濕淡化裝置的供能。

（6）為了減少淡化裝置的熱量散失，保證淡化裝置的熱效率，應保證其密封性，并采用高效保溫材料以提高其保溫性能。

（7）負壓環境可以成倍提高空氣的載濕能力。因此可以考慮采取一定措施，使蒸發室中形成一定的真空度。

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Research progress of hum idification-dehum idification desalination process

TAO Jun，GONG Jianguo，ZENG Sheng，SHAN Yan，JIN Tao
（Institute of Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China）

Hum idification-dehum idification (HDH) desalination process serves as an important supplement to traditional desalination processes. In this work，HDH systems are classified according to the use of latent heat，material circulation，form of driving，heat and mass transfer methods and energy supply. Components of the HDH systems，such as hum idifier，dehum idifier and energy supply module，were analyzed in detail. Performance indices of the HDH systems were summarized. Finally，design suggestions for HDH systems were proposed in terms of material，desalination technology，structural design，etc.

hum idification; dehum idification; desalination

P 747+.19

A

1000–6613（2012）07–1419–06

2012-01-06；修改稿日期：2012-02-20。

浙江省科技計劃項目（2010C33052）。

陶鈞（1987—），男，碩士研究生。E-mail taojun985@163.com。聯系人：金濤，教授，從事化工機械設計及分析、海水淡化及海洋能利用等研究。