1、1基于海水淡化技术的溶液再生新方法设想山东建筑大学热能工程学院 张鑫摘要：分析温湿度独立控制空调系统中盐溶液的再生过程和海水淡化技术，列举了两项技术工作介质的成分、初终浓度、产水量等数据，比较这两项技术的异同。介绍了当今比较流行的海水淡化技术，从能源利用角度探 讨将海水淡化技术应 用于盐溶液再生的可行性，并提出了这一课题的几个研究方向。希望能借助海水淡化的成熟技 术，改 进溶液再生过程，推动这一新型的高效空调形式的进步和应用。关键词：温湿度独立控制空调 溶液除湿 盐溶液再生温湿度独立控制空调系统作为一种全新的空调形式，以其卓越的节能原理越来越受到人们关注。这一空调形式的特点是采用盐溶液处理新风
2、，吸收空气中的水蒸气祛除空调湿负荷。吸湿以后的盐溶液浓度变小，需要经过浓缩处理，重新获得吸湿能力，以循环进行空气除湿。我们把吸湿溶液的浓缩、重新获得吸湿能力的过程称为溶液再生过程。溶液再生过程从根本上说就是将盐溶液中的一部分水分从溶液中分离出来的过程。由工程热力学知识可知，溶解现象是不可逆过程，要实现从混合物中分离纯净物是需要耗费能量的，工程上常用的方法是常压加热蒸发法，也正是因为这个过程消耗的是夏季取之不尽用之不竭的低品位热能，才使得温湿度独立控制空调具有先天性节能特点。但随之而来的麻烦也是显而易见的：由于盐溶液温度对其吸湿性能影响很大，我们必须把再生至规定浓度的热溶液冷却至常温以下才可以使
3、除湿过程顺利进行。于是我们还需要花费建筑空间、热交换设备和运行时间冷却盐溶液至合适的温度。有没有一个在常温下或花费较少代价的过程来分离溶剂呢？将溶剂从溶液中分离出来的热质交换过程实质很容易让我们联想起一种现代工业中已经应用很成熟的技术海水淡化技术。仔细分析，溶液再生和海水淡化却有很多相似之处。从表 1 海水成分表中可以看的出，海水的主要成分是 NaCl，常用的溶液除湿空调采用的吸湿盐溶液为 LiBr 或 CaCl2溶液或其混合物，均为活泼金属卤盐。表 1：海水的主要成分表（多海域平均值）浓度离子种类g/kg ppm mmol/kgNa+ 10.7838 10783.8 469.07Mg2+ 1
4、.2837 1283.7 52.82Ca2+ 0.4121 412.1 10.28K+ 0.3991 399.1 10.21Sr2+ 0.0079 7.9 0.09Cl- 19.3529 19352.9 545.88SO42- 2.7124 2712.4 28.24HCO3-、CO 32- 0.1231 123.1 2.02Br- 0.0672 67.2 0.84B(OH)3、B(OH) 4- 0.0272 27.2 0.41F- 0.0013 1.3 0.07除湿盐溶液再生和海水淡化技术的另一区别在浓度和出水率上。除湿盐溶液浓度很高，2质量浓度达到 6070%，海水质量浓度（一般称为盐度）平
5、均为 34.6。相差一个数量级之多。这就意味溶液再生比海水淡化的分离溶剂过程更加困难。温湿度独立控制空调的除湿过程处理的是室外新风，而新风量是按建筑中人员所需的新风量来确定的，这样估算下来，系统的除湿负荷量级大约在 10103kg/h，作为闭式系统，其相对出水量非常小，大约在 1%以下。而作为以淡水为主产品的海水淡化工程，淡水产量当然是越多越好。应用于工程的海水淡化产量不低于 10t/h。相对产水量在 50%以上。下面，我们就从海水淡化的技术角度出发，探索温湿度独立控制空调形式除湿溶液再生的思路。工程上采用加热法再生除湿溶液过程为：在常压下采用 7080的低品位热能加热吸湿后的稀溶液，溶液表面
6、蒸汽压高于室外空气的水蒸气分压力时溶液中的部分水就会从液体表面扩散到空气中。海水淡化工程中的蒸馏法早已屏弃了单纯的常压加热蒸馏，而是利用各种方法降低溶液沸点、反复利用汽化潜热。根据所用能源、设备、流程不同主要分为以下几种形式：低温多效蒸发法：多效蒸发是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一。低温多效蒸馏技术由于节能的因素，近年发展迅速，装置规模日益扩大，成本日益降低，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，采用廉价材料降低工程造价，提高操作温度，提高传热效率等。图 1 为这种方法的流程图。多
7、级闪蒸法：所谓闪蒸，是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大，技术最成熟，运行安全性高弹性大，主要与火电站联合建设，适合于大型和超大型淡化装置，主要在海湾国家采用。多级闪蒸技术成熟、运行可靠，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，降低单位电力消耗，提高传热效率等。图 2 为这种方法的流程图。压汽蒸馏：压汽蒸馏海水淡化技术，是海水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生的蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧。蒸汽冷
8、凝后作为产品图 1 低温多效海水淡化流程图3水引出，如此实现热能的循环利用。露点蒸发法：露点蒸发淡化技术是一种新的苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿的原理，同时回收冷凝去湿的热量，传热效率受混合气侧的传热控制。各种蒸发类海水淡化技术使用的主要能源为热能，太阳能是最廉价和环保的能源，所以很多淡化工程均利用太阳能。但太阳能也有时间上分配不均、受气象影响严重、能流不易控制的缺点。为克服这些缺点，一些淡化工程与热电厂联合建立，形成水电联产，对提高能量利用率效果很好。受这些海水淡化技术启发，温湿度独立控制空调的溶液再生也可以在加热蒸发的基础上增加多效蒸发、减压蒸发、增压热回收等设备来提高盐溶液的
9、蒸发率，降低再生后浓溶液的温度。建筑在使用中也会产生大量废热，如供配电设备散热、热源烟气，甚至洗浴、蒸熨等生活排热，在技术经济性允许的情况下，我们都可以回收用以再生盐溶液。除加热蒸发法外，还有几种其它原理的海水淡化方法：电渗析法：该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是 0.5-1.0mm 厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为正离子交换膜（阳膜）与负离子交换膜（阴膜） 。电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手段，对污水进行处理再利用。此外，这种方法也
10、越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。反渗透法：通常又称超过滤法，是 1953 年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。反渗透法的
11、最大优点是节能，它的能耗仅为电渗析法的 1/2，蒸馏法的 1/40。因此，从 1974 年起，美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。以上两种方法因其突出的节能特点在工程上得以广泛应用。特别是反渗透法，已成为目前海水淡化技术的发展主流。从原理上讲，这两种技术可实现溶液温度无变化的溶液再生过程，可以避免蒸发法的加热冷却过程，但我们在考虑把海水淡化技术应用于溶液再生图 2 多级闪蒸海水淡化流程图4工程不仅要考虑能量数量的节约，还要衡量能量品质的节约。电渗析法消耗电能，反渗透法消耗机械能，这两种能量形式都是优于热能的高品质能源，也无法像太阳能那样容易获得。在做经济技术性分析时，还要进行热质交换过程
12、的熵分析。把海水淡化技术应用于溶液再生工程另一个不可回避的困难是设备的设置。虽然溶液再生产水量比起海水淡化来微乎其微，但无论以上哪种海水淡化技术均需要非常复杂的成套设备，而现今工程上采用的加热蒸发再生法所使用的再生机组占用建筑空间非常小。这一方面我们可以借鉴船用小型的淡化机组。据最新一期英国新科学家杂志报道，美国佐治亚州的一家公司研制出一种新型海水淡化设备，据称淡化过程的费用只有现有技术的三分之一。这种便携式的新设备每天能够处理 1.1 万升水。它使用了一种称为“迅速喷雾蒸发” （RSE）的技术：含盐的水通过管道喷雾进入分离室，形成非常细小的水滴；在分离室的热空气中，水滴迅速蒸发，水和盐分等杂
13、质分离；水蒸气输入凝结室成为纯水，而盐分则落在分离室的底部，而传统技术盐分回收后集结在管道上面，很难取下。新技术效率比现有的反渗透等技术要高得多。平均算来，它生产 1000 升淡水的成本是 16 至 27 美分。科学家说，这种装置还可以处理废水。RSE 技术回收的效率可达 95，传统技术只能达到 35，投资只有蒸馏法和反渗透法的四分之一且运行维护成本大为降低。希望这种新技术成熟后，能为盐溶液再生技术提供一些启发。参考文献：1刘晓华，江亿.温湿度独立控制空调系统M. 北京：中国建筑工业出版社，20062陆耀庆.供热空调设计手册（第二版）M.北京：中国建筑工业出版社，20083GB50019-2003.采暖通风与空气调节设计规范S4海水淡化百度百科EB
