譚俊峰，黃健盛，鄭昊天，楊雨婷，王 鑫，吳 杰，唐 倩，許林季

(1 重慶科技學院機械與動力工程學院，重慶 401331；2 重慶科技學院化學化工學院，重慶 401331；3 四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院，四川 成都 611130；4 重慶大學環(huán)境與生態(tài)學院，重慶 400030)

能源和淡水的供應是近年來全球面臨的主要挑戰(zhàn)之一。據(jù)報道，在2012年到2040年之間，世界能源消費水平將增長48%。另外，人口的快速增長和社會的工業(yè)化也導致了淡水需求的顯著增加[1]。咸水脫鹽是滿足淡水需求的一種有效方式。與多效蒸發(fā)(MED)、多級閃蒸(MSF)等海水淡化方法相比，加濕除濕法具有設計簡單、可在常壓運行、生產(chǎn)過程無污染、維護和投資成本低、可利用低品位能源、規(guī)模靈活、適用于分散地區(qū)、滿足淡水需求等優(yōu)點[2]，使該技術在海水淡化、高鹽廢水處理等方面得到研究與應用。本文將從技術原理、裝置類型、影響因素、技術應用等方面對加濕除濕技術進行概述，并對技術發(fā)展趨勢進行展望。

1 加濕除濕技術原理

加濕除濕技術是基于自然界的雨循環(huán)過程，使用流動的空氣作為載氣，載氣在加濕器中經(jīng)過加熱形成飽和水蒸氣，然后被推動進入除濕器中進行降溫冷凝，達到露點，獲取淡水[3]。

2 加濕除濕裝置類型

圖1 加濕除濕技術分類圖

加濕除濕裝置按能量來源、系統(tǒng)結構、載氣對流方式、加熱方式進行分類(如圖1所示)。按能量來源可分為太陽能、地熱能、電能和其他能源等四種加濕除濕裝置類型；按系統(tǒng)結構可分為氣水開放式循環(huán)加濕除濕裝置(Open Air，Open Water，OAOW)、氣閉水開放式循環(huán)加濕除濕裝置(Closed Air，Open Water，CAOW)、水閉氣開放式循環(huán)加濕除濕裝置(Open Air，Closed Water，OACW)、氣水閉式循環(huán)加濕除濕裝置(Closed Air， Closed Water，CACW)；按載氣對流方式可分為自然對流加濕除濕裝置和強制對流加濕除濕裝置；按加熱方式可分為加熱空氣式加濕除濕裝置、加熱料液式加濕除濕裝置以及混合加熱式加濕除濕裝置。以下重點從系統(tǒng)結構類型介紹加濕除濕裝置。

2.1 氣水開放式循環(huán)加濕除濕裝置(Open Air，Open Water，OAOW)

氣水開放式循環(huán)加濕除濕裝置(圖2a)為載氣和料液開放式循環(huán)系統(tǒng)，料液由外界進入除濕器充當冷卻水，隨后由噴淋進入加濕器與載氣相遇，將載氣進行加濕升溫，最后濃縮液排出系統(tǒng)。載氣由外界進入加濕器，加濕之后進入除濕器中，由料液降溫除濕，最后載氣排入空氣中，淡水由除濕器端進行收集。該運行模式中尾氣問題較大，無能量回收，能量利用率較低，且開放式系統(tǒng)受外界影響較大，在低濕度地區(qū)效果不好。

圖2 不同系統(tǒng)結構下的加濕除濕裝置

2.2 氣閉水開放式循環(huán)加濕除濕裝置(Closed Air，Open Water，CAOW)

氣閉水開放式循環(huán)加濕除濕裝置(圖2(b))為載氣閉式循環(huán)、料液開放式循環(huán)系統(tǒng)，料液由外界進入除濕器充當冷卻水，隨后由噴淋進入加濕器與載氣相遇，將載氣進行加濕升溫，最后濃縮液排出系統(tǒng)。載氣由系統(tǒng)內(nèi)風機等推動，在加濕器與除濕器之間不斷循環(huán)，淡水由除濕器端進行收集。

2.3 水閉氣開放式循環(huán)加濕除濕裝置(Open Air，Closed Water，OACW)

水閉氣開放式循環(huán)加濕除濕裝置(圖2(c))為載氣開放式循環(huán)、料液閉式循環(huán)系統(tǒng)。料液由料液箱提供，首先進入除濕器中充當冷卻水提供降溫除濕效果，再噴淋進入加濕器中，與載氣相遇之后又重新進入料液箱，進行下一輪循環(huán)。載氣由加濕器端進入，由料液升溫加濕之后進入除濕器端冷卻，獲取淡水，淡水由除濕器下的淡水箱進行收集。該運行模式中料液能量得到回收，可以有效節(jié)約能量，還可以減少冷卻水的使用；但水箱中水溫較高，造成除濕器中冷卻效果不好，且由于料液為閉式循環(huán)，造成進料鹽度過高，影響加濕效率。

2.4 氣水閉式循環(huán)加濕除濕裝置(Closed Air， Closed Water，CACW)

氣水閉式循環(huán)加濕除濕裝置(圖2d)為載氣與料液均為閉式循環(huán)系統(tǒng)，料液由料液箱進入除濕器進行除濕并吸收部分熱量，再噴淋進入加濕器中，最后由進入料液箱完成一輪循環(huán)。載氣在加濕器與除濕器之間不斷循環(huán)。該運行模式受外界影響較小，在低濕度地區(qū)也可以取得較好效果。

3 影響產(chǎn)水效率的因素

影響加濕除濕技術能否推廣與能否商業(yè)化的關鍵因素之一是產(chǎn)水成本，產(chǎn)水成本主要由投資成本與運行成本組成。由于加濕除濕技術具有設計簡單、可利用低品位能源等優(yōu)點，因此其投資成本可進行一定程度的控制，那么降低運行成本，提高產(chǎn)水效率就成為了研究方向之一。本文將對影響加濕除濕系統(tǒng)產(chǎn)水效率的因素進行分析。

3.1 加濕器類型

加濕室內(nèi)主要完成熱料液與空氣的傳熱傳質過程，令料液與載氣相互接觸以此提高載氣的溫度和濕度，隨后載氣再進入除濕室，除濕、獲取淡水。在加濕除濕系統(tǒng)中，出現(xiàn)了許多不同種類的加濕器，如噴霧塔、氣泡塔和填料床等，以最大限度提升載氣含濕量。

噴霧塔型加濕器由一個圓柱形的容器組成，由頂部噴淋進水，底部引入載氣，在容器內(nèi)完成傳熱傳質。由于頂部噴入的水霧增加了與載氣的接觸面積，因此傳熱傳質的效率得到了提高。為了得到較好的增濕效果，高徑比也是此類加濕器的重要關注點，較高的高度可以確保水霧與空氣充分混合，較低的高度會導致水霧噴向塔壁，降低加濕效率。Abu El Nasr[4]利用直徑為160 mm、長度為100 cm的聚氯乙烯(PVC)管作為加濕器，結果表明，隨著加濕器內(nèi)水溫的升高，系統(tǒng)生產(chǎn)率明顯提高。當進水溫度為59 ℃，環(huán)境溫度為33 ℃時，系統(tǒng)產(chǎn)率為0.59 L/h。氣泡塔型加濕器由圓柱形容器以及孔篩板組成，通過改變孔篩板的幾何形狀可以改變表面風速以及氣泡特性?？諝庥傻撞窟M入容器，通過附水的孔篩板以此進行加濕。Elias Eder等[5]研究了氣泡塔型加濕器加濕性能時發(fā)現(xiàn)表層風速從0.5 cm/s增加到5 cm/s，淡水生產(chǎn)力提高了56%左右；液高從60 mm增加到378 mm，生產(chǎn)率提高了約29%。填料床型加濕器由圓柱形容器以及各種填充材料組成，填充材料主要是為了提高水霧滯留率，以增強加濕器加濕效率。不同填充材料、填充方式影響著加濕效果。研究人員發(fā)現(xiàn)與其他類型的加濕器相比，填料床加濕器效果更好。

3.2 填料類型

填料床型加濕器中填料起著決定性作用，傳質系數(shù)較好的填料可以有效提高加濕效率，提高產(chǎn)水率。趙云勝等[6]研究了聚丙烯波紋填料和蜂窩式紙質填料的產(chǎn)水效果，發(fā)現(xiàn)在相同運行條件下蜂窩式紙質填料產(chǎn)水效果優(yōu)于聚丙烯波紋填料，產(chǎn)水效果與比表面積、傳質系數(shù)成正比。伍綱等[7]采用塑料空心小球作為填料研究了傳質系數(shù)隨不同運行參數(shù)的變化關系，實驗結果表明噴淋量和風速對傳質系數(shù)有正面影響，但風速達到一定程度之后，風速的增加會使傳質系數(shù)的增加變小，相同條件下，塑料小球傳質系數(shù)比木條高。同時傳質系數(shù)也受到填料厚度的影響，增加填料厚度在一定程度上可以增加水霧滯留率，使載氣和水霧接觸時間增長，但填料厚度增加可能會導致孔隙率較小的填料堵塞孔道，使風阻增大降低加濕效果，因此針對不同填料存在最優(yōu)填料厚度。

表1列出了一些研究人員利用不同類型填料時裝置產(chǎn)水效果，可以發(fā)現(xiàn)填料類型和裝置運行機制會對產(chǎn)水效果產(chǎn)生巨大影響。不同填料導致產(chǎn)水效率不同的原因在于傳熱效果與傳質系數(shù)的不同，

其中填料的孔隙率、光滑程度等為主要因素，氣液與填料的粘度越低，流動阻力就越小，傳質阻力也越小，產(chǎn)水效果越好。李明春等[8]研究了人形波紋板與單相波紋板換熱系數(shù)，在相同參數(shù)下，人形波紋板換熱性能較好。因此在選擇填料時，可以選擇比表面積大、光潔程度較高、孔隙率較高的填料。

表1 不同類型填料產(chǎn)水效果Table 1 Water production effect of different types of fillers

3.3 料 液

在水閉式循環(huán)中，鹽度也是影響系統(tǒng)效率的影響因素之一，鹽度的增加會導致產(chǎn)水量減少。在此類系統(tǒng)的長期運行中，鹽積累和鹽調節(jié)問題尚未得到有效解決。Xin Huang[13]研究了不同鹽度下的閉式多級海水脫鹽系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)鹽度的增加導致水生產(chǎn)力降低(鹽度每增加1%降低約0.75%)和最大能量效率降低(鹽度為20%時平均降低11.44%)。建議系統(tǒng)的鹽度應保持在15%以下，以防止系統(tǒng)的最大能量效率低于開放水系統(tǒng)。此外，引入夾點熱容率比參數(shù)來評估系統(tǒng)在不同鹽度下的性能。當?shù)谝患壋凉駲C的夾點熱容率比在任何鹽度水平上等于單位時，能源效率達到最大。同時，根據(jù)一級除濕機夾點熱容率比是大于還是小于單位，可以判斷鹽度對能效的影響是增強還是減弱。鹽在料液中主要是以NaCl形式存在，NaCl在水中發(fā)生電離，導致分子間作用力增強，減少了單位時間內(nèi)可能離開液相表面進入氣相的水分子數(shù)目,因此鹽度越高就導致產(chǎn)水量越低[14]。

料液進入加濕器方式也會影響系統(tǒng)產(chǎn)水率，邵理堂[15]采用熱海水與空氣逆流對噴的方式對載氣進行加濕，這種加濕方法增濕效果十分顯著，加濕器出口空氣相對濕度可達到98%以上，當噴水溫度為60 ℃、空氣流量為11.8 L/s時，該裝置產(chǎn)水率可達3.42 kg/h。

3.4 效 數(shù)

由于加濕除濕技術本身存在限制，其結構不適于大型化，單效系統(tǒng)的產(chǎn)水效果也存在一定局限性，因此增加系統(tǒng)的效數(shù)也是提高產(chǎn)水效率的有效方法。C. Chiranjeevi[16]建造了由一個太陽能熱水器、兩個空氣預熱器、兩個加濕器、兩個除濕器和一個蒸汽壓縮制冷冷水機組成的系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)其能量利用系數(shù)由單級系統(tǒng)的0.05～0.45上升到了0.25～0.5之間。Huifang Kang[17]設計了一種三級加濕除濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三組加濕器和除濕器組成，研究發(fā)現(xiàn)三級加濕除濕系統(tǒng)相對于二級加濕除濕系統(tǒng)，其每千瓦熱能的淡水產(chǎn)量提升將近一倍，當即熱口出口水溫達到85 ℃時，淡水產(chǎn)量可達91.1 kg/h，其造水比(gained output ratio，GOR)達到5.13。楊軍偉[18]分別對單級實驗裝置與三級實驗裝置進行了實驗，最后計算了裝置的性能系數(shù),結果表明三級實驗裝置相對于單級實驗裝置的性能系數(shù)提高了6%。

3.5 加熱方式

加濕器中主要采用的加熱方式有水熱式、空氣加熱式、混合加熱式，Dahiru Lawal[19]對比了水熱式、空氣加熱式在不同質量流量比、海水溫度等條件的產(chǎn)水情況，結果表明，在組分效率為80%，質量和流量比為0.63和1.3的條件下，空氣加熱式和水加熱式的最大增益輸出比分別為8.88和7.63。Hassan F. Elattar[20]設計了四種加熱模式：模式A(海水預冷再加熱)、模式B(海水再加熱)、模式C(海水預冷加濕空氣再加熱)、模式D(濕空氣再加熱)，研究分析了幾種運行參數(shù)下四種加熱模式的性能指標，發(fā)現(xiàn)模式B的系統(tǒng)配置性能最佳，淡水產(chǎn)量為61.94 kg/h，淡水產(chǎn)量和GOR分別比其他配置提高了13%、55%、85%和11%、48%和75%。

3.6 熱交換方式

除濕器是加濕除濕系統(tǒng)中的一個主要部分，除濕器將高溫濕潤的載氣冷凝以產(chǎn)生淡水。除濕器目前主要采用直接熱交換和間接熱交換方式。直接熱交換是利用填料床等使冷卻水與載氣直接進行熱交換，直接換熱方式的熱效率比較高；間接熱交換是利用管式換熱器、翅片式換熱器等使冷卻水與載氣進行熱交換，間接熱交換方式會產(chǎn)生換熱器腐蝕等問題，但間接熱交換的優(yōu)點是可以進行熱回收，節(jié)約能源。汲超[21]采用直接熱交換除濕方法，將規(guī)整填料放置于除濕器內(nèi)，增大了換熱面積，提高傳熱傳質效率，單位體積產(chǎn)水量達到16.56 kg·m-3·h-1。

3.7 余熱利用方式

系統(tǒng)的能量回收以及回收能量的用途也影響著系統(tǒng)的整體效率，不同使用場景時需要考慮不同能量回收方式及用途，盲目的進行能量回收可能會造成更大的浪費。Dahiru U. Lawal[22]設計了三種不同的加濕除濕系統(tǒng)配置，基本系統(tǒng)(不含鹵水能量回收)、系統(tǒng)A (含鹵水能量回收用于預熱鹽水的基本系統(tǒng))和系統(tǒng)B(含鹵水能量回收用于預熱環(huán)境空氣的基本系統(tǒng))，結果表明，有能量回收的系統(tǒng)產(chǎn)水效率比較高，能量回收用于預熱鹽水收益高于用于預熱環(huán)境空氣，但當加濕器和除濕器較高時不建議進行熱回收。Dahiru U. Lawal[23]提出了一種具有能量回收的蒸汽壓縮熱泵加濕除濕工藝。該工藝具有三種不同應用回收能量的系統(tǒng)，系統(tǒng)A回收能量用于熱泵冷凝器的進水預熱，系統(tǒng)B回收能量用于加濕器的進水預熱，系統(tǒng)C無能量回收。研究發(fā)現(xiàn)能量回收效果受加濕器、除濕器效率影響，例如，當加濕效率為59.16%時，系統(tǒng)C和系統(tǒng)A的性能相同。當加濕效率大于59.16%時，系統(tǒng)A的性能不如系統(tǒng)C。同樣，當加濕效率≤56.75%時，系統(tǒng)B的性能優(yōu)于基本系統(tǒng)C。然而，對于大于56.75%的加濕器，系統(tǒng)C的性能將取代擬議的系統(tǒng)B。因此能量回收不一定都是有益的，應當綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)組件工作情況，采取合理能量回收方式。

多數(shù)研究者選擇研究常壓狀態(tài)下的加濕除濕系統(tǒng)，但是低壓或者真空狀態(tài)下的加濕除濕系統(tǒng)擁有更好的性能，這是因為較低壓力狀態(tài)下提高了蒸發(fā)驅動力，使加濕效果變強。

3.8 運行參數(shù)

系統(tǒng)本身運行參數(shù)也影響著系統(tǒng)淡水產(chǎn)量，例如空氣循環(huán)體積流量、進料體積流量和料液溫度等，從碩等[24]研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)水量隨著料液溫度和進料體積流量的增加而增大，但進料流量持續(xù)增加產(chǎn)水增加量會變低；系統(tǒng)產(chǎn)水量隨空氣循環(huán)體積流量的增加而先增大后減小，使系統(tǒng)存在最優(yōu)空氣體積流量。除濕器的運行條件也是影響系統(tǒng)產(chǎn)水的一個重要因素，Mohammad Behshad Shafii[25]利用熱泵的冷卻效果用于濕空氣和淡水生產(chǎn)的除濕，研究發(fā)現(xiàn)當通過改變進水流量來改變除濕器的相對濕度時，系統(tǒng)的GOR隨之上升；通過除濕段的空氣體積流量是另一個對產(chǎn)量有很大影響的因素，提高空氣流量時，系統(tǒng)的GOR也隨之上升。Hossam A. Ahmed[26]發(fā)現(xiàn)提高冷卻水的質量流量也是提高淡水產(chǎn)量的有效方式，提高冷卻水流速會降低冷卻液的溫升，從而降低除濕機表面溫度，當進口冷卻溫度從28.5 ℃降低到17 ℃時，進口冷卻水溫度的改變使淡水產(chǎn)量由10 kg/h上升到15 kg/h。

4 在水處理中的應用

4.1 在鹽水淡化中的應用

淡水水源直接影響著人類的健康與生長發(fā)展，進而影響著社會的和諧穩(wěn)定與長久發(fā)展，要想實現(xiàn)社會的長久和諧發(fā)展，淡水的產(chǎn)量就必須有著穩(wěn)定的供給，但隨著人口的發(fā)展，環(huán)境的污染，人類所能使用的淡水資源在不斷減少。因此海水淡化、苦咸水凈化是緩解淡水資源問題的有效解決方法。沙特阿拉伯因為環(huán)境惡劣，導致自然水源缺乏，因此只能采用海水淡化的方式滿足其用水，但海水淡化廠一般采用化石燃料驅動，造成能源損耗。

4.1.1 海水淡化

加濕除濕技術是將淡水與海水分離的有效方式，W.F. He[27]研究了加濕除濕系統(tǒng)處理海水時的情況，發(fā)現(xiàn)在較低溫度下該系統(tǒng)的系統(tǒng)性能、熱回收等都具有很好的效果，同時在低壓運行下，產(chǎn)水效果較好。因此該系統(tǒng)在低溫低壓狀態(tài)下也可取得較好效果。SHATAT等[28]利用加濕除濕系統(tǒng)進行海水凈化，其出水水質符合世界衛(wèi)生組織的飲用水要求，該技術可以在小型地區(qū)以生產(chǎn)淡水使用。

4.1.2 苦咸水淡化

加濕除濕技術的脫鹽效果也得到了許多研究人員的驗證，付清騰等[29]研究了加濕除濕系統(tǒng)處理濃鹽水時的脫鹽情況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)脫鹽率不隨料液鹽度、料液流量而變化，脫鹽率一直大于99.9%，且該系統(tǒng)由于鹽水是連續(xù)運動，結晶現(xiàn)象被抑制。從碩[24]研究發(fā)現(xiàn)，當料液溫度低至35 ℃時，加濕除濕系統(tǒng)脫鹽效果依舊保持為99.9%。

4.2 在廢水處理中的應用

加濕除濕技術目前廣泛應用于海水淡化項目中，但不少研究人員證實，加濕除濕技術在廢水處理領域也取得了較好的效果。Haoming Li[30]利用加濕除濕系統(tǒng)處理制藥廢水，其COD和TDS去除率可到99.9%以上。左名景等[31]處理煤化工濃鹽廢水時，其出水中氨氮、COD、氯離子、TDS濃度分別為9.6 mg/L、6.61 mg/L、28.1 mg/L、81 mg/L，去除率都達到了90%以上。

5 加濕除濕技術發(fā)展趨勢

加濕除濕技術作為一項新興廢水處理技術，已經(jīng)引起了世界的廣泛關注，不少研究人員都進行了深入的探索。該技術具有很多優(yōu)點，但也存在能耗大、效率低、產(chǎn)水效果差等缺點。系統(tǒng)運行方式、參數(shù)等是提高產(chǎn)水效率降低能耗關鍵因素，因此針對加濕除濕系統(tǒng)的運行情況，提出以下建議與展望：

(1)選擇合適加濕器與除濕器類型，提高加濕除濕效率；(2)根據(jù)當?shù)靥鞖鈼l件，選擇合適的開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)，合理利用當?shù)丨h(huán)境因素；(3)選擇傳質系數(shù)較大的填料，并根據(jù)實際情況規(guī)劃填料擺放方式和填料厚度，提高傳質效率；(4)在經(jīng)濟控制范圍內(nèi)，盡可能選擇較高的進水溫度與進水質量流量，可提高裝置產(chǎn)水效率；(5)可使用工廠廢熱、自然能源及熱回收形式降低能源成本；(6)增加加濕除濕系統(tǒng)裝置效數(shù)，增大加濕器與除濕器中換熱器的換熱面積，減少傳熱死區(qū)。