加湿除湿技术在水处理中的研究进展*

谭俊峰，黄健盛，郑昊天，杨雨婷，王 鑫，吴 杰，唐 倩，许林季

(1 重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆 401331；2 重庆科技学院化学化工学院，重庆 401331；3 四川农业大学环境学院，四川 成都 611130；4 重庆大学环境与生态学院，重庆 400030)

能源和淡水的供应是近年来全球面临的主要挑战之一。据报道，在2012年到2040年之间，世界能源消费水平将增长48%。另外，人口的快速增长和社会的工业化也导致了淡水需求的显著增加[1]。咸水脱盐是满足淡水需求的一种有效方式。与多效蒸发(MED)、多级闪蒸(MSF)等海水淡化方法相比，加湿除湿法具有设计简单、可在常压运行、生产过程无污染、维护和投资成本低、可利用低品位能源、规模灵活、适用于分散地区、满足淡水需求等优点[2]，使该技术在海水淡化、高盐废水处理等方面得到研究与应用。本文将从技术原理、装置类型、影响因素、技术应用等方面对加湿除湿技术进行概述，并对技术发展趋势进行展望。

1 加湿除湿技术原理

加湿除湿技术是基于自然界的雨循环过程，使用流动的空气作为载气，载气在加湿器中经过加热形成饱和水蒸气，然后被推动进入除湿器中进行降温冷凝，达到露点，获取淡水[3]。

2 加湿除湿装置类型

图1 加湿除湿技术分类图

加湿除湿装置按能量来源、系统结构、载气对流方式、加热方式进行分类(如图1所示)。按能量来源可分为太阳能、地热能、电能和其他能源等四种加湿除湿装置类型；按系统结构可分为气水开放式循环加湿除湿装置(Open Air，Open Water，OAOW)、气闭水开放式循环加湿除湿装置(Closed Air，Open Water，CAOW)、水闭气开放式循环加湿除湿装置(Open Air，Closed Water，OACW)、气水闭式循环加湿除湿装置(Closed Air， Closed Water，CACW)；按载气对流方式可分为自然对流加湿除湿装置和强制对流加湿除湿装置；按加热方式可分为加热空气式加湿除湿装置、加热料液式加湿除湿装置以及混合加热式加湿除湿装置。以下重点从系统结构类型介绍加湿除湿装置。

2.1 气水开放式循环加湿除湿装置(Open Air，Open Water，OAOW)

气水开放式循环加湿除湿装置(图2a)为载气和料液开放式循环系统，料液由外界进入除湿器充当冷却水，随后由喷淋进入加湿器与载气相遇，将载气进行加湿升温，最后浓缩液排出系统。载气由外界进入加湿器，加湿之后进入除湿器中，由料液降温除湿，最后载气排入空气中，淡水由除湿器端进行收集。该运行模式中尾气问题较大，无能量回收，能量利用率较低，且开放式系统受外界影响较大，在低湿度地区效果不好。

图2 不同系统结构下的加湿除湿装置

2.2 气闭水开放式循环加湿除湿装置(Closed Air，Open Water，CAOW)

气闭水开放式循环加湿除湿装置(图2(b))为载气闭式循环、料液开放式循环系统，料液由外界进入除湿器充当冷却水，随后由喷淋进入加湿器与载气相遇，将载气进行加湿升温，最后浓缩液排出系统。载气由系统内风机等推动，在加湿器与除湿器之间不断循环，淡水由除湿器端进行收集。

2.3 水闭气开放式循环加湿除湿装置(Open Air，Closed Water，OACW)

水闭气开放式循环加湿除湿装置(图2(c))为载气开放式循环、料液闭式循环系统。料液由料液箱提供，首先进入除湿器中充当冷却水提供降温除湿效果，再喷淋进入加湿器中，与载气相遇之后又重新进入料液箱，进行下一轮循环。载气由加湿器端进入，由料液升温加湿之后进入除湿器端冷却，获取淡水，淡水由除湿器下的淡水箱进行收集。该运行模式中料液能量得到回收，可以有效节约能量，还可以减少冷却水的使用；但水箱中水温较高，造成除湿器中冷却效果不好，且由于料液为闭式循环，造成进料盐度过高，影响加湿效率。

2.4 气水闭式循环加湿除湿装置(Closed Air， Closed Water，CACW)

气水闭式循环加湿除湿装置(图2d)为载气与料液均为闭式循环系统，料液由料液箱进入除湿器进行除湿并吸收部分热量，再喷淋进入加湿器中，最后由进入料液箱完成一轮循环。载气在加湿器与除湿器之间不断循环。该运行模式受外界影响较小，在低湿度地区也可以取得较好效果。

3 影响产水效率的因素

影响加湿除湿技术能否推广与能否商业化的关键因素之一是产水成本，产水成本主要由投资成本与运行成本组成。由于加湿除湿技术具有设计简单、可利用低品位能源等优点，因此其投资成本可进行一定程度的控制，那么降低运行成本，提高产水效率就成为了研究方向之一。本文将对影响加湿除湿系统产水效率的因素进行分析。

3.1 加湿器类型

加湿室内主要完成热料液与空气的传热传质过程，令料液与载气相互接触以此提高载气的温度和湿度，随后载气再进入除湿室，除湿、获取淡水。在加湿除湿系统中，出现了许多不同种类的加湿器，如喷雾塔、气泡塔和填料床等，以最大限度提升载气含湿量。

喷雾塔型加湿器由一个圆柱形的容器组成，由顶部喷淋进水，底部引入载气，在容器内完成传热传质。由于顶部喷入的水雾增加了与载气的接触面积，因此传热传质的效率得到了提高。为了得到较好的增湿效果，高径比也是此类加湿器的重要关注点，较高的高度可以确保水雾与空气充分混合，较低的高度会导致水雾喷向塔壁，降低加湿效率。Abu El Nasr[4]利用直径为160 mm、长度为100 cm的聚氯乙烯(PVC)管作为加湿器，结果表明，随着加湿器内水温的升高，系统生产率明显提高。当进水温度为59 ℃，环境温度为33 ℃时，系统产率为0.59 L/h。气泡塔型加湿器由圆柱形容器以及孔筛板组成，通过改变孔筛板的几何形状可以改变表面风速以及气泡特性。空气由底部进入容器，通过附水的孔筛板以此进行加湿。Elias Eder等[5]研究了气泡塔型加湿器加湿性能时发现表层风速从0.5 cm/s增加到5 cm/s，淡水生产力提高了56%左右；液高从60 mm增加到378 mm，生产率提高了约29%。填料床型加湿器由圆柱形容器以及各种填充材料组成，填充材料主要是为了提高水雾滞留率，以增强加湿器加湿效率。不同填充材料、填充方式影响着加湿效果。研究人员发现与其他类型的加湿器相比，填料床加湿器效果更好。

3.2 填料类型

填料床型加湿器中填料起着决定性作用，传质系数较好的填料可以有效提高加湿效率，提高产水率。赵云胜等[6]研究了聚丙烯波纹填料和蜂窝式纸质填料的产水效果，发现在相同运行条件下蜂窝式纸质填料产水效果优于聚丙烯波纹填料，产水效果与比表面积、传质系数成正比。伍纲等[7]采用塑料空心小球作为填料研究了传质系数随不同运行参数的变化关系，实验结果表明喷淋量和风速对传质系数有正面影响，但风速达到一定程度之后，风速的增加会使传质系数的增加变小，相同条件下，塑料小球传质系数比木条高。同时传质系数也受到填料厚度的影响，增加填料厚度在一定程度上可以增加水雾滞留率，使载气和水雾接触时间增长，但填料厚度增加可能会导致孔隙率较小的填料堵塞孔道，使风阻增大降低加湿效果，因此针对不同填料存在最优填料厚度。

表1列出了一些研究人员利用不同类型填料时装置产水效果，可以发现填料类型和装置运行机制会对产水效果产生巨大影响。不同填料导致产水效率不同的原因在于传热效果与传质系数的不同，

其中填料的孔隙率、光滑程度等为主要因素，气液与填料的粘度越低，流动阻力就越小，传质阻力也越小，产水效果越好。李明春等[8]研究了人形波纹板与单相波纹板换热系数，在相同参数下，人形波纹板换热性能较好。因此在选择填料时，可以选择比表面积大、光洁程度较高、孔隙率较高的填料。

表1 不同类型填料产水效果Table 1 Water production effect of different types of fillers

3.3 料 液

在水闭式循环中，盐度也是影响系统效率的影响因素之一，盐度的增加会导致产水量减少。在此类系统的长期运行中，盐积累和盐调节问题尚未得到有效解决。Xin Huang[13]研究了不同盐度下的闭式多级海水脱盐系统，研究发现盐度的增加导致水生产力降低(盐度每增加1%降低约0.75%)和最大能量效率降低(盐度为20%时平均降低11.44%)。建议系统的盐度应保持在15%以下，以防止系统的最大能量效率低于开放水系统。此外，引入夹点热容率比参数来评估系统在不同盐度下的性能。当第一级除湿机的夹点热容率比在任何盐度水平上等于单位时，能源效率达到最大。同时，根据一级除湿机夹点热容率比是大于还是小于单位，可以判断盐度对能效的影响是增强还是减弱。盐在料液中主要是以NaCl形式存在，NaCl在水中发生电离，导致分子间作用力增强，减少了单位时间内可能离开液相表面进入气相的水分子数目,因此盐度越高就导致产水量越低[14]。

料液进入加湿器方式也会影响系统产水率，邵理堂[15]采用热海水与空气逆流对喷的方式对载气进行加湿，这种加湿方法增湿效果十分显著，加湿器出口空气相对湿度可达到98%以上，当喷水温度为60 ℃、空气流量为11.8 L/s时，该装置产水率可达3.42 kg/h。

3.4 效 数

由于加湿除湿技术本身存在限制，其结构不适于大型化，单效系统的产水效果也存在一定局限性，因此增加系统的效数也是提高产水效率的有效方法。C. Chiranjeevi[16]建造了由一个太阳能热水器、两个空气预热器、两个加湿器、两个除湿器和一个蒸汽压缩制冷冷水机组成的系统，研究发现其能量利用系数由单级系统的0.05～0.45上升到了0.25～0.5之间。Huifang Kang[17]设计了一种三级加湿除湿系统，该系统由三组加湿器和除湿器组成，研究发现三级加湿除湿系统相对于二级加湿除湿系统，其每千瓦热能的淡水产量提升将近一倍，当即热口出口水温达到85 ℃时，淡水产量可达91.1 kg/h，其造水比(gained output ratio，GOR)达到5.13。杨军伟[18]分别对单级实验装置与三级实验装置进行了实验，最后计算了装置的性能系数,结果表明三级实验装置相对于单级实验装置的性能系数提高了6%。

3.5 加热方式

加湿器中主要采用的加热方式有水热式、空气加热式、混合加热式，Dahiru Lawal[19]对比了水热式、空气加热式在不同质量流量比、海水温度等条件的产水情况，结果表明，在组分效率为80%，质量和流量比为0.63和1.3的条件下，空气加热式和水加热式的最大增益输出比分别为8.88和7.63。Hassan F. Elattar[20]设计了四种加热模式：模式A(海水预冷再加热)、模式B(海水再加热)、模式C(海水预冷加湿空气再加热)、模式D(湿空气再加热)，研究分析了几种运行参数下四种加热模式的性能指标，发现模式B的系统配置性能最佳，淡水产量为61.94 kg/h，淡水产量和GOR分别比其他配置提高了13%、55%、85%和11%、48%和75%。

3.6 热交换方式

除湿器是加湿除湿系统中的一个主要部分，除湿器将高温湿润的载气冷凝以产生淡水。除湿器目前主要采用直接热交换和间接热交换方式。直接热交换是利用填料床等使冷却水与载气直接进行热交换，直接换热方式的热效率比较高；间接热交换是利用管式换热器、翅片式换热器等使冷却水与载气进行热交换，间接热交换方式会产生换热器腐蚀等问题，但间接热交换的优点是可以进行热回收，节约能源。汲超[21]采用直接热交换除湿方法，将规整填料放置于除湿器内，增大了换热面积，提高传热传质效率，单位体积产水量达到16.56 kg·m-3·h-1。

3.7 余热利用方式

系统的能量回收以及回收能量的用途也影响着系统的整体效率，不同使用场景时需要考虑不同能量回收方式及用途，盲目的进行能量回收可能会造成更大的浪费。Dahiru U. Lawal[22]设计了三种不同的加湿除湿系统配置，基本系统(不含卤水能量回收)、系统A (含卤水能量回收用于预热盐水的基本系统)和系统B(含卤水能量回收用于预热环境空气的基本系统)，结果表明，有能量回收的系统产水效率比较高，能量回收用于预热盐水收益高于用于预热环境空气，但当加湿器和除湿器较高时不建议进行热回收。Dahiru U. Lawal[23]提出了一种具有能量回收的蒸汽压缩热泵加湿除湿工艺。该工艺具有三种不同应用回收能量的系统，系统A回收能量用于热泵冷凝器的进水预热，系统B回收能量用于加湿器的进水预热，系统C无能量回收。研究发现能量回收效果受加湿器、除湿器效率影响，例如，当加湿效率为59.16%时，系统C和系统A的性能相同。当加湿效率大于59.16%时，系统A的性能不如系统C。同样，当加湿效率≤56.75%时，系统B的性能优于基本系统C。然而，对于大于56.75%的加湿器，系统C的性能将取代拟议的系统B。因此能量回收不一定都是有益的，应当综合考虑系统内组件工作情况，采取合理能量回收方式。

多数研究者选择研究常压状态下的加湿除湿系统，但是低压或者真空状态下的加湿除湿系统拥有更好的性能，这是因为较低压力状态下提高了蒸发驱动力，使加湿效果变强。

3.8 运行参数

系统本身运行参数也影响着系统淡水产量，例如空气循环体积流量、进料体积流量和料液温度等，从硕等[24]研究发现系统产水量随着料液温度和进料体积流量的增加而增大，但进料流量持续增加产水增加量会变低；系统产水量随空气循环体积流量的增加而先增大后减小，使系统存在最优空气体积流量。除湿器的运行条件也是影响系统产水的一个重要因素，Mohammad Behshad Shafii[25]利用热泵的冷却效果用于湿空气和淡水生产的除湿，研究发现当通过改变进水流量来改变除湿器的相对湿度时，系统的GOR随之上升；通过除湿段的空气体积流量是另一个对产量有很大影响的因素，提高空气流量时，系统的GOR也随之上升。Hossam A. Ahmed[26]发现提高冷却水的质量流量也是提高淡水产量的有效方式，提高冷却水流速会降低冷却液的温升，从而降低除湿机表面温度，当进口冷却温度从28.5 ℃降低到17 ℃时，进口冷却水温度的改变使淡水产量由10 kg/h上升到15 kg/h。

4 在水处理中的应用

4.1 在盐水淡化中的应用

淡水水源直接影响着人类的健康与生长发展，进而影响着社会的和谐稳定与长久发展，要想实现社会的长久和谐发展，淡水的产量就必须有着稳定的供给，但随着人口的发展，环境的污染，人类所能使用的淡水资源在不断减少。因此海水淡化、苦咸水净化是缓解淡水资源问题的有效解决方法。沙特阿拉伯因为环境恶劣，导致自然水源缺乏，因此只能采用海水淡化的方式满足其用水，但海水淡化厂一般采用化石燃料驱动，造成能源损耗。

4.1.1 海水淡化

加湿除湿技术是将淡水与海水分离的有效方式，W.F. He[27]研究了加湿除湿系统处理海水时的情况，发现在较低温度下该系统的系统性能、热回收等都具有很好的效果，同时在低压运行下，产水效果较好。因此该系统在低温低压状态下也可取得较好效果。SHATAT等[28]利用加湿除湿系统进行海水净化，其出水水质符合世界卫生组织的饮用水要求，该技术可以在小型地区以生产淡水使用。

4.1.2 苦咸水淡化

加湿除湿技术的脱盐效果也得到了许多研究人员的验证，付清腾等[29]研究了加湿除湿系统处理浓盐水时的脱盐情况，发现系统脱盐率不随料液盐度、料液流量而变化，脱盐率一直大于99.9%，且该系统由于盐水是连续运动，结晶现象被抑制。从硕[24]研究发现，当料液温度低至35 ℃时，加湿除湿系统脱盐效果依旧保持为99.9%。

4.2 在废水处理中的应用

加湿除湿技术目前广泛应用于海水淡化项目中，但不少研究人员证实，加湿除湿技术在废水处理领域也取得了较好的效果。Haoming Li[30]利用加湿除湿系统处理制药废水，其COD和TDS去除率可到99.9%以上。左名景等[31]处理煤化工浓盐废水时，其出水中氨氮、COD、氯离子、TDS浓度分别为9.6 mg/L、6.61 mg/L、28.1 mg/L、81 mg/L，去除率都达到了90%以上。

5 加湿除湿技术发展趋势

加湿除湿技术作为一项新兴废水处理技术，已经引起了世界的广泛关注，不少研究人员都进行了深入的探索。该技术具有很多优点，但也存在能耗大、效率低、产水效果差等缺点。系统运行方式、参数等是提高产水效率降低能耗关键因素，因此针对加湿除湿系统的运行情况，提出以下建议与展望：

(1)选择合适加湿器与除湿器类型，提高加湿除湿效率；(2)根据当地天气条件，选择合适的开环与闭环系统，合理利用当地环境因素；(3)选择传质系数较大的填料，并根据实际情况规划填料摆放方式和填料厚度，提高传质效率；(4)在经济控制范围内，尽可能选择较高的进水温度与进水质量流量，可提高装置产水效率；(5)可使用工厂废热、自然能源及热回收形式降低能源成本；(6)增加加湿除湿系统装置效数，增大加湿器与除湿器中换热器的换热面积，减少传热死区。