增湿去湿海水淡化技术的研究进展

陶 钧，宫建国，曾 胜，单 岩，金 涛

（浙江大学化工机械研究所，浙江，杭州，310027）

进展与述评

增湿去湿海水淡化技术的研究进展

陶 钧，宫建国，曾 胜，单 岩，金 涛

（浙江大学化工机械研究所，浙江，杭州，310027）

增湿去湿海水淡化技术是对主流海水淡化技术的一个重要补充。本文根据淡化装置中潜热利用方式、物料循环方式、淡化过程驱动形式、传热传质方式和能量供应对增湿去湿海水淡化装置进行了全面系统地分类，并从蒸发室、冷凝室和供能模块 3个方面对增湿去湿淡化装置进行了详细的分析。总结归纳了表征增湿去湿海水淡化装置性能的主要指标，最后从装置材料、淡化工艺和结构设计等方面提出了增湿去湿海水淡化装置设计的思路与建议。

增湿；去湿；海水淡化

多级闪蒸（MSF）、低温多效蒸馏（LT-MED）、反渗透（RO）是当今海水淡化三大主流技术。但是这3种方法设备投资大、造价高、能耗高，对海水的预处理要求高，仅适合大规模范围生产淡水，不适合解决小量的淡水需求，比如海岛地区、偏远的内陆地区、旅游景点、类似海上平台的施工地点等的淡水需求；且这3种方法消耗短缺的电能或石化能源，大量温室气体以及淡化后浓缩海水的排放对环境具有非常不利的影响。增湿去湿海水淡化技术巧妙地避开了上述难题，具有规模灵活、结构简单、成本适中、维护简单以及可以因地制宜地利用低位热能和各种可再生能源（如工厂废热、地热能、太阳能、风能、生物质能）等优点[1-2]，因此，它能有效地解决淡水需求量小且需求分散地区的用水问题。

1 增湿去湿海水淡化装置原理及其分类

增湿去湿（hum idification-dehum idification，HDH）海水淡化装置由太阳能蒸馏器发展而来，太阳能蒸馏器由于不能有效地利用冷凝潜热，装置热效率低。增湿去湿海水淡化技术是令海水和载气（一般是空气）两者相互接触，以此提高载气的温度和湿度，随之将其冷凝获得淡水，并对冷凝潜热进行有效回收利用的淡化方法。

各国研究者设计建立了各种各样的增湿去湿海水淡化装置，研究表明相对于传统太阳能蒸馏器，增湿去湿淡化装置提高热效率的同时增大了淡水产量[3]。根据淡化装置中潜热利用方式、物料循环方式、淡化过程驱动形式、传热传质方式和能量供应，可以将增湿去湿海水淡化装置进行分类，具体分类见图1。

图1 增湿去湿海水淡化装置的分类

1.1 潜热利用方式

根据不同海水淡化装置将冷凝潜热用于预热海水还是直接用于蒸发海水，可以将增湿去湿海水淡化装置分为传统增湿去湿淡化装置和露点蒸发淡化装置。

传统增湿去湿海水淡化装置一般由蒸发室、冷凝室和加热器组成，载气（一般是空气）在蒸发室中与海水接触并被增湿，携带一定量的水蒸气后进入冷凝室去湿冷凝得到淡水，冷凝潜热则可以通过预热进料海水进行回收。加热器既可以用来加热海水，也可以用来加热空气。图2（a）是一个典型的传统增湿去湿淡化装置的原理示意图。

区别于传统增湿去湿海水淡化技术将冷凝潜热只用来预热进料海水，露点蒸发海水淡化技术于1989年由Albers等[4]提出，通过热传递将冷凝与蒸发过程耦合起来，将冷凝潜热直接传递到蒸发室，为蒸发海水提供汽化潜热；同时在蒸发室与冷凝室之间维持一个有序的温度梯度，使传热过程在较低的温差下进行，尽可能提高过程的热效率。图2（b）是

图2 典型的传统增湿去湿装置及露点蒸发装置原理示意图

一个典型的露点蒸发海水淡化装置的原理示意图。实际上该过程并不涉及传统的蒸发过程，只发生由气液平衡规律决定的汽化和冷凝过程，为了区别于沸点蒸发，习惯称其为“露点蒸发”[5]。它是增湿去湿淡化技术的一个重要分支，丁涛等[6]将其称为“直接热耦合增湿去湿淡化过程”的表述更为贴切。

1.2 物料循环方式

增湿去湿淡化装置中海水和空气的循环方式均可分为开路和闭路，即海水在蒸发室与空气接触后，既可以作为冷却水至冷凝室循环流动也可以直接排出；空气在冷凝室冷凝降温后既可以循环至蒸发室增湿升温也可以直接排空。图2所示的两个典型淡化装置中，海水开路，空气闭路。

Al-Hallaj和Farid等[7-10]分别用镀锌钢、树脂玻璃、PVC管建立了3个不同规模的喷淋式海水开路空气闭路加热海水传统增湿去湿海水淡化装置（前两个设置在约旦，后一个设置在马来西亚）并对其进行了深入研究。研究表明，在该类装置中，海水流率对蒸发室和冷凝室的效果影响较大，而空气流动速率对设备的影响很小，即在空气闭路情况下空气自然对流传质要优于空气强制对流传质。其他较多研究者也对该类型的淡化装置进行了研究，其所得的淡水产率在 4～12 kg/(m2·d)之间，造水比在1.2～4.5之间[2]。

Narayan等[2]指出海水闭路空气开路传统增湿去湿淡化装置的缺点在于循环的海水不能有效地冷凝载湿气体，但同时强调，采取高效率的增湿措施可以降低循环海水的温度从而提高淡水产量。代彦军等[11-12]设计建立的海水闭路空气开路传统增湿去湿淡化装置中，将一定量的冷海水引入到海水闭路循环中，并用其冷凝开路载湿空气，改善了冷凝效果。研究表明，海水的温度和流量、空气的流动速率对该类型淡化装置的性能影响较大。在给定的海水温度下，存在一个最佳的空气流动速率。

Yuan等[13]在其建立的海水闭路空气闭路传统增湿去湿淡化装置中，使蒸发室与冷凝室共用一个空间，同样将一定量的冷海水引入装置并使其随主体海水循环，该装置可昼夜连续运行，在西安地区该装置 7月份和 12月份平均淡水产量分别为5.2 kg/(m2·d)和2.7 kg/(m2·d)。

Nafey等[14-15]建立了喷淋式增湿去湿淡化装置的数学模型，在此基础上对提出的空气闭路海水开路加热空气装置、空气闭路海水开路加热海水装置、空气闭路海水开路加热海水和空气装置、具有储热水箱的空气闭路海水开路加热海水和空气装置进行了理论分析，分析结果表明，第4种装置产水率最高。值得注意的是，该研究中的装置引入了外加冷却水对载湿气体进行冷凝，没有考虑装置的热效率，对冷凝潜热也没有回收利用。该研究也暗示了储热水箱在增湿去湿淡化装置中的重要性。

总结分析可得，海水或空气闭路对提高装置的热效率有利，但却导致泵的功耗增多；海水或空气开路对提高装置的淡水产率有利，但却导致装置热量散失增多。

1.3 淡化过程驱动形式

根据淡化过程的驱动形式，可以将增湿去湿淡化装置分为热驱动淡化装置和压力驱动淡化装置。

当采用热能驱动淡化装置时，可以选择对海水或者空气进行加热。前已述及，采用太阳能集热器对海水进行加热是研究者普遍采用的一种做法。

Houcine等[16-20]研究了只加热空气的海水开路空气闭路淡化装置，在空气进入蒸发室之前对其加热，研究结果表明装置的热效率较低，其原因在于难于回收冷凝潜热。Narayan等[2，21]提出了对该类装置的改进措施，即令空气先与海水进行传质传质，然后再对其进行加热，分析表明该措施能有效地提高装置的热效率，其原因在于有效地回收了冷凝潜热。

Vlachogiannis等[22]研究了以压力作为驱动力的露点蒸发淡化装置，空气通过鼓泡的方式与海水接触，增湿后的空气经压缩机压缩，从而温度升高，增湿升温后的空气被引入冷凝室中冷凝，冷凝潜热直接传递给蒸发室蒸发海水。混合气体的高气水比增大了机械压缩的成本，导致该过程淡水产率较低，能耗较高。Narayan等[2，21]提出了空气闭环海水开环压力驱动的喷淋式传统增湿去湿淡化装置，该类装置同样令空气经压缩机压缩增压升温后进入冷凝室，在冷凝室中冷凝并预热进料海水，降温去湿后的空气进入蒸发室之前经过一个膨胀阀，因此，蒸发室中的压力比冷凝室中的压力低，理论分析表明该类装置的造水比可以达到5。

以热能或将其它能源转化为热能驱动增湿去湿淡化装置是研究者较多采用的做法。压力驱动淡化过程中，通过改变压力来改变载气的温度，从而形成增湿去湿的循环，这为机械能用于海水淡化提供了有益的示范。

2 增湿去湿海水淡化装置的组成部分

传统增湿去湿淡化装置的蒸发室与冷凝室大多是分离的，少数研究者将蒸发室与冷凝室设置在同一个空间内。为了方便地将冷凝室中的冷凝潜热传递至蒸发室，露点蒸发淡化装置一般采用蒸发室与冷凝室相邻的结构。下文将具体对淡化装置的蒸发室与冷凝室进行分析。

2.1 蒸发室

用于海水和空气传热传质的蒸发室形式可以是喷淋、降膜和鼓泡。在众多传统增湿去湿淡化装置的蒸发室中，空气与喷淋的海水逆向流动是最为常见的传热传质方式。Beckman等[23-24]在其建立的竖直露点蒸发淡化装置中采用了降膜传质方式，其先后利用附有纱布的聚酯薄膜、聚丙烯薄膜以及聚丙烯双壁板来分隔蒸发室与冷凝室，由于前两种材料刚性不足，从而导致装置性能不佳。在其改进工作中，将多块双壁板竖直平行放置，相邻两板之间设置一系列水平支撑件，从而形成无折流件和有折流件两个空间。其设计的两类装置，一类是将有折流件的空间作为蒸发室，一类是将其作为冷凝室。实验结果显示，将折流件设置在蒸发室，令空气与海水错流接触的装置性能较佳。熊日华[25]引入管壳式结构作为蒸发室与冷凝室的耦合结构，令海水沿铜管内壁降膜蒸发，利用蒸汽发生器向增湿后的空气中加入一定量蒸汽，使其温度升高并将其导入壳程冷凝，冷凝潜热经铜管壁传递给管程。El-Agouz等[26-28]研究了基于鼓泡传质的增湿去湿过程，实验结果表明，淡水产率受海水温度和空气流量的影响较大，受海水液位高度和空气初温影响较小。郭丽玮[29]设计了基于鼓泡传质的海水闭路空气闭路的传统增湿去湿淡化装置，利用空气泵和曝气头将空气细化并鼓入蒸发室，研究显示盐水温度对空气的增湿效果影响较大，其次是载气流量，海水的液位高度影响较小。刘忠[30]设计建立了基于鼓泡传质的多级露点蒸发淡化装置，采用砂头细化空气，同样表明淡水产率随海水初温和空气流量的增大而增大，装置的淡水产率为1.2～1.6 kg/h。相对于喷淋和降膜传质方式，鼓泡传质方式在降低能耗方面具有较强的优势，因为形成气泡的空气泵的功耗将远远小于形成降膜和喷淋所需的水泵的功耗。

有研究者在蒸发室中设置了各种各样的填料，以此来增强海水与空气的传热传质效果。Nafey等[15]在其喷淋式蒸发室中使用帆布作为填料，A l-Hallaj与 Nawayseh等[9]分别在各自所建立装置的蒸发室中设置倾斜45°木片和垂直木片作为填料，以此来增加海水与空气的接触时间和接触面积。Dai等[11-12]与 Guo等[13]在各自设计的装置中皆采用了纸蜂窝结构高效蒸发器。Beckman等[24]在其露点蒸发淡化装置蒸发室中设置了网状发泡填料。

填料的选用与其润湿性、价格、寿命以及对压降的影响等密切相关。值得注意的是，填料的材质对水质的影响也不容忽视，应选择无污染的材质作为填料。

2.2 冷凝室

为了将增湿升温后的空气冷凝，研究者采用了不同的冷源以及冷却手段。在传统增湿去湿淡化装置中，通常利用进料海水冷凝载湿空气同时回收潜热。前已述及，当海水闭路循环时，循环海水对载湿气体的冷凝效果并不十分理想。其他研究者[31]采用外加冷凝水冷却载湿空气，增强了冷凝效果，提高了淡水产量，然而该措施也会使产水成本明显增大。Hashemifard等[32]在冷凝器中采用了淡水喷淋的直接接触式的冷凝方式。

当利用冷凝水冷凝载湿空气时，换热器的型式对冷凝效果的影响也不容忽视。盘管式换热管是较为常用的一种型式，Nawayseh等[9]将一定数量的翅片焊接在换热管上，以此来增强传热效果，刘忠[30]则在冷凝室中采用了翅片结构。冷凝室中不凝气的存在是影响冷凝效果的重要因素，朱爱梅等[33]对其进行了深入研究，研究指出提高操作温度和气液流速能有效改善传热过程。熊日华[25]进行对比试验表明，在壳程（冷凝室）中设置高密度折流板能有效地强化传热传质效果。

因此，尽量选择导热率大的材料、减少传热死区、采用折流板对空气进行扰流等手段以改善传热效果，提高装置的性能。另外，在露点蒸发淡化装置中，由于蒸发室与冷凝室的传热温差比较小，因此要求换热器有较大的换热面积。

2.3 装置的供能模块

能够因地制宜地利用低位能源来生产淡水是增湿去湿海水淡化装置最主要的优点之一。各国研究者建立的淡化装置采用了各种能源来驱动淡化过程，其中以太阳能集热器的形式利用太阳能来加热海水或空气的装置在文献报道中最为普遍。众多研究[14，34]显示，太阳辐射强度对装置的产水率具有决定性的影响，且该影响具有一定的滞后性[35]。值得注意的是，大多数研究者采用了间接利用太阳能的方式，即令太阳能集热器中的纯水通过换热器与蒸发室中的海水进行换热，这虽然能避免集热器直接加热海水引起的腐蚀与结垢，但却需要引入水泵，从而增加了能量消耗。另外，较多的研究者在实验研究阶段采用了电能，通过电加热器或蒸汽发生器对装置供能。Bourouni等[36-38]应用地热能作为装置的能量来源，其蒸发室采用水平管降膜蒸发的形式，结果显示，该装置的淡水产量在20～50 kg/h之间变化。结果表明地热能的利用使成本降低约75%。

风能作为增湿去湿淡化装置的能量来源在文献中未见报道。而实际上，风能可以作为太阳能的互补能源。以我国为例，三北地区（西北、华北北部、东北）及东南沿海地区有丰富的太阳能和风能资源，这两种能源受季节、 温度、环境的影响较大，是不稳定能源，但它们又有互补性。例如，新疆、内蒙古等三北地区，冬春季风力强，夏秋季风力弱，而太阳辐射则刚好相反。在风力强的季节或时间内以风力供能为主，以太阳能供能为辅；在风力弱的季节或时间以太阳能供能为主，以风力供能为辅，在资源利用上恰好可以互补。在24 h内也可以互补，白天风力弱以太阳能供能为主，晚上风力强以风力供能为主。另外，利用生物质能，如在偏远岛屿上利用有机物发酵产生的沼气，也可以为增湿去湿淡化装置供能。

3 增湿去湿淡化装置的性能及其表征

3.1 热效率

热法海水淡化的热效率一般用造水比（gained output ratio，GOR）来表示。不同的研究者提出了不同的GOR定义及其计算方法。表1列出了具有代表性的几种定义方法。定义1适合于由蒸汽驱动的淡化装置。定义2的表述则易于引起误解，根据该文献中 GOR的计算方法，其实际定义为设备生产的淡水质量与所吸收的太阳能蒸馏所得的淡水质量的比值，该定义方法使GOR的计算简便，但是没有将加热装置的热效率考虑在内。同样，定义 4也没有考虑太阳能集热器的效率。定义3仅局限于该文献[36]所研究的装置，不便于淡化装置间的相互比较。定义5将加热装置的效率考虑在内，可以方便普遍地用来衡量热法淡化装置的热效率。

表1 GOR的不同定义和计算方法

3.2 淡水生产能力

为了表征淡化装置的淡水生产能力，一般定义单位时间得到的淡水量为淡水产率，单位为kg/h或kg/d。在太阳能海水淡化装置中，为了表征太阳能集热器的效率，也可将其定义为单位太阳能集热器面积上单位时间得到的淡水量，单位为kg/(m2·h)或kg/(m2·d)。

3.3 产水成本

并不是所有的研究者都对增湿去湿淡化装置的产水成本进行了经济分析，实际上产水成本的大小是决定增湿去湿淡化装置能否商业化的关键因素。计算淡水生产成本时，应该综合考虑淡化装置的投资费用、操作与维护费用以及能源费用（后两者也可合并称为运行费用）。由于增湿去湿淡化装置可以有效地利用太阳能等可再生能源，因此装置的能源费用在淡水成本中的比例较小，降低投资费用可以有效地降低产水成本。Beckman等[23]对其设计的4个日产水量均为3.8 t的露点蒸发淡化装置的经济分析表明，装置的投资费用在1646～2814美元之间，每天的运行费用在3.82～3.43美元之间，该作者指出该费用低于传统的淡化工艺的产水费用。

4 结 语

增湿去湿海水淡化技术已引起世界的广泛关注，具有广阔的应用前景。同时，基于该技术的海水淡化装置还存在一些问题，如：淡水产率有待提高；当装置中海水温度较低时，传热传质驱动力较小，对冷凝换热器的要求较高；另外，部分增湿去湿淡化装置中耗能元件较多，导致产水成本较高。

在对增湿去湿淡化技术详细分析的基础上，可以总结出高效增湿去湿淡化装置的设计思路及建议如下所述。

（1）在装置材料的选用上，尽量选择轻质、便宜、无毒且热导率高的材料，降低装置的投资费用。

（2）在工艺的选用上，尽量对冷凝潜热进行有效地回收。尽量减少工艺过程中的耗能元件，选择耗能元件少的工艺。

（3）在结构的设计上，在冷凝室中应尽量减少传热死区，采用折流板对空气进行扰流等手段改善传热效果。另外，当传热温差较小时，应增大换热器的换热面积。

（4）在能源的利用上，应因地制宜地利用各种可再生能源，从而降低淡化装置能源费用。

（5）在太阳能增湿去湿海水淡化装置中，通过设置储热水箱可以实现装置24 h连续运行。为了达到同样目的，可以将风能和太阳能互补应用于增湿去湿淡化装置的供能。

（6）为了减少淡化装置的热量散失，保证淡化装置的热效率，应保证其密封性，并采用高效保温材料以提高其保温性能。

（7）负压环境可以成倍提高空气的载湿能力。因此可以考虑采取一定措施，使蒸发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。

浙江省科技计划项目（2010C33052）。

陶钧（1987—），男，硕士研究生。E-mail taojun985@163.com。联系人：金涛，教授，从事化工机械设计及分析、海水淡化及海洋能利用等研究。