基于海水淡化技术的溶液再生新方法设想.doc

基于海水淡化技术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再生过程和海水淡化技术, 列举了两项技术工作介质成份、 初终浓度、 产水量等数据, 比较这两项技术异同。介绍了当今比较流行海水淡化技术, 从能源利用角度探讨将海水淡化技术应用于盐溶液再生可行性, 并提出了这一课题多个研究方向。期望能借助海水淡化成熟技术, 改善溶液再生过程, 推进这一新型高效空调形式进步和应用。
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个全新空调形式, 以其卓越节能原理越来越受到大家关注。这一空调形式特点是采取盐溶液处理新风, 吸收空气中水蒸气祛除空调湿负荷。吸湿以后盐溶液浓度变小, 需要经过浓缩处理, 重新取得吸湿能力, 以循环进行空气除湿。我们把吸湿溶液浓缩、 重新取得吸湿能力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一部分水分从溶液中分离出来过程。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花费能量, 工程上常见方法是常压加热蒸发法, 也正是因为这个过程消耗是夏季取之不尽用之不竭低品位热能, 才使得温湿度独立控制空调含有先天性节能特点。但随之而来麻烦也是显而易见: 因为盐溶液温度对其吸湿性能影响很大, 我们必需把再生至要求浓度热溶液冷却至常温以下才能够使除湿过程顺利进行。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适宜温度。有没有一个在常温下或花费较少代价过程来分离溶剂呢？
将溶剂从溶液中分离出来热质交换过程实质很轻易让我们联想起一个现代工业中已经应用很成熟技术——海水淡化技术。仔细分析, 溶液再生和海水淡化却有很多相同之处。从表1海水成份表中能够看出, 海水关键成份是NaCl, 常见溶液除湿空调采取吸湿盐溶液为LiBr或CaCl2溶液或其混合物, 均为活泼金属卤盐。

表1: 海水关键成份表（多海域平均值）
离子种类
浓度
g/kg
ppm
mmol/kg
Na+
10.7838
10783.8
469.07
Mg2+
1.2837
1283.7
52.82
Ca2+
0.4121
412.1
10.28
K+
0.3991
399.1
10.21
Sr2+
0.0079
7.9
0.09
Cl-
19.3529
19352.9
545.88
SO42-
2.7124
2712.4
28.24
HCO3-、 CO32-
0.1231
123.1
2.02
Br-
0.0672
67.2
0.84
B(OH)3、 B(OH)4-
0.0272
27.2
0.41
F-
0.0013
1.3
0.07

除湿盐溶液再生和海水淡化技术另一区分在浓度和出水率上。除湿盐溶液浓度很高, 质量浓度达成60~70%, 海水质量浓度（通常称为盐度）平均为34.6‰。相差一个数量级之多。这就意味溶液再生比海水淡化分离溶剂过程愈加困难。
温湿度独立控制空调除湿过程处理是室外新风, 而新风量是按建筑中人员所需新风量来确定, 这么估算下来, 系统除湿负荷量级大约在10~103kg/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海水淡化工程, 淡水产量当然是越多越好。应用于工程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思绪。
工程上采取加热法再生除湿溶液过程为: 在常压下采取70~80℃低品位热能加热吸湿后稀溶液, 溶液表面蒸汽压高于室外空气水蒸气分压力时溶液中部分水就会从液体表面扩散到空气中。海水淡化工程中蒸馏法早已屏弃了单纯常压加热蒸馏, 而是利用多种方法降低溶液沸点、 反复利用汽化潜热。依据所用能源、 设备、 步骤不一样关键分为以下多个形式:
低温多效蒸发法: 多效蒸发是让加热后海水在多个串联蒸发器中蒸发, 前一个蒸发器蒸发出来蒸汽作为下一蒸发器热源, 并冷凝成为淡水。其中低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能方法之一。低温多效蒸馏技术因为节能原因, 多年发展快速, 装置规模日益扩大, 成本日益降低, 关键发展趋势为提升装置单机造水能力, 采取廉价材料降低工程造价, 提升操作温度, 提升传热效率等。图1为这种方法步骤图。
图1 低温多效海水淡化步骤图

多级闪蒸法: 所谓闪蒸, 是指一定温度海水在压力忽然降低条件下, 部分海水急骤蒸发觉象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热海水, 依次在多个压力逐步降低闪蒸室中进行蒸发, 将蒸汽冷凝而得到淡水。现在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, 关键与火电站联合建设, 适合于大型和超大型淡化装置, 关键在海湾国家采取。多级闪蒸技术成熟、 运行可靠, 关键发展趋势为提升装置单机造水能力, 降低单位电力消耗, 提升传热效率等。图2为这种方法步骤图。
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。所产生蒸汽经压缩机压缩提升压力后引入到蒸发器加热侧。蒸汽冷凝后作为产品水引出, 如此实现热能循环利用。
露点蒸发法: 露点蒸发淡化技术是一个新苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿原理, 同时回收冷凝去湿热量, 传热效率受混合气侧传热控制。
图2 多级闪蒸海水淡化步骤图

多种蒸发类海水淡化技术使用关键能源为热能, 太阳能是最廉价和环境保护能源, 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、 能流不易控制缺点。为克服这些缺点, 部分淡化工程与热电厂联合建立, 形成水电联产, 对提升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溶液再生也能够在加热蒸发基础上增加多效蒸发、 减压蒸发、 增压热回收等设备来提升盐溶液蒸发率, 降低再生后浓溶液温度。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, 在技术经济性许可情况下, 我们都能够回收用以再生盐溶液。
除加热蒸发法外, 还有多个其它原理海水淡化方法:
电渗析法: 该法技术关键是新型离子交换膜研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度功效性膜片, 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）。电渗析法是将含有选择透过性阳膜与阴膜交替排列, 组成多个相互独立隔室海水被淡化, 而相邻隔室海水浓缩, 淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅能够淡化海水, 也能够作为水质处理手段, 对污水进行处理再利用。另外, 这种方法也越来越多地应用于化工、 医药、 食品等行业浓缩、 分离与提纯。
反渗透法: 通常又称超出滤法, 是1953年才开始采取一个膜分离淡化法。该法是利用只许可溶剂透过、 不许可溶质透过半透膜, 将海水与淡水分隔开。在通常情况下, 淡水经过半透膜扩散到海水一侧, 从而使海水一侧液面逐步升高, 直至一定高度才停止, 这个过程为渗透。此时, 海水一侧高出水柱静压称为渗透压。假如对海水一侧施加一大于海水渗透压外压, 那么海水中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连续降低, 关键发展趋势为降低反渗透膜操作压力, 提升反渗透系统回收率, 廉价高效预处理技术, 增强系统抗污染能力等。反渗透法最大优点是节能, 它能耗仅为电渗析法1/2, 蒸馏法1/40。所以, 从1974年起, 美日等发达国家前后把发展重心转向反渗透法。
以上两种方法因其突出节能特点在工程上得以广泛应用。尤其是反渗透法, 已成为现在海水淡化技术发展主流。从原理上讲, 这两种技术可实现溶液温度无改变溶液再生过程, 能够避免蒸发法加热冷却过程, 但我们在考虑把海水淡化技术应用于溶液再生工程不仅要考虑能量数量节省, 还要衡量能量品质节省。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高品质能源, 也无法像太阳能那样轻易取得。在做经济技术性分析时, 还要进行热质交换过程熵分析。
把海水淡化技术应用于溶液再生工程另一个不可回避困难是设备设置。即使溶液再生产水量比起海水淡化来微乎其微, 但不管以上哪种海水淡化技术均需要非常复杂成套设备, 而现今工程上采取加热蒸发再生法所使用再生机组占用建筑空间非常小。这首先我们能够借鉴船用小型淡化机组。
据最新一期英国《新科学家》杂志报道, 美国佐治亚州一家企业研制出一个新型海水淡化设备, 据称淡化过程费用只有现有技术三分之一。这种便携式新设备天天能够处理1.1万升水。它使用了一个称为“快速喷雾蒸发”（RSE）技术: 含盐水经过管道喷雾进入分离室, 形成非常细小水滴; 在分离室热空气中, 水滴快速蒸发, 水和盐分等杂质分离; 水蒸气输入凝结室成为纯水, 而盐分则落在分离室底部, 而传统技术盐分回收后集结在管道上面, 极难取下。新技术效率比现有反渗透等技术要高得多。平均算来, 它生产1000升淡水成本是16至27美分。科学家说, 这种装置还能够处理废水。RSE技术回收效率可达95％, 传统技术只能达成35％, 投资只有蒸馏法和反渗透法四分之一且运行维护成本大为降低。期望这种新技术成熟后, 能为盐溶液再生技术提供部分启发。

参考文件:

[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,
[2]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,
[3]GB50019-.采暖通风与空气调整设计规范[S]
[4]海水淡化——baidu百科[EB]