鄒龍生，唐　婧，黃　宇，張　劍

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，重慶 402160)

機械蒸汽壓縮技術(shù)抑制污垢的分析

鄒龍生，唐婧，黃宇，張劍

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，重慶 402160)

摘要：通過闡述垃圾滲濾液的特性，探討機械蒸汽壓縮技術(shù)處理垃圾滲濾液過程中存在的問題，指出污垢是影響該技術(shù)運行的難題。通過對污垢控制方法的分析和對比，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體技術(shù)不但可以控制污垢的形成，還可以提高冷凝水的水質(zhì)，為滲濾液的回收利用提供技術(shù)支持。因此可以得出一個結(jié)論：即低溫等離子體技術(shù)在抑制蒸發(fā)污垢方面是可行的，它為機械蒸汽壓縮技術(shù)系統(tǒng)的低成本運行提供保證。

關(guān)鍵詞：機械蒸汽壓縮；垃圾滲濾液；污垢；低溫等離子體

社會的發(fā)展，生活的提高，導(dǎo)致垃圾成堆，垃圾滲濾液由此產(chǎn)生，有數(shù)據(jù)表明垃圾滲濾液含有非常復(fù)雜的成分[1]，而且它的成分還受很多因素的影響，經(jīng)常發(fā)生顯著的變化。垃圾滲濾液的特點表現(xiàn)在以下4個方面[2]：①溶液中含有很高的有機物，而且BOD5與COD的比值大約為0.5~0.6；②溶液中的水質(zhì)成分變化大，它主要受填埋場的構(gòu)造方式的影響；③溶液中的氨氮含量大，更明顯的是氨氮濃度在一定時期會隨時間的延長而升高；④溶液中的微生物需要的營養(yǎng)元素不成比例，一般垃圾滲濾液中的BOD/TP都大于300，不適合生物法處理。文獻[3]中的垃圾滲濾液成分參數(shù)在我國是有代表性的。

表1　垃圾滲濾液的成分

從表1可知，垃圾滲濾液中含有不少的有害物質(zhì)，如果將滲濾液直接排放到自然環(huán)境中，必定會損壞自然界的水體環(huán)境，因此，滲濾液排放前要進行處理，達到污水排放的標準。我國常用的垃圾滲濾液的處理工藝有絮凝沉淀法、化學(xué)法、膜過濾法以及吸附法，有研究者對每種工藝都詳細闡述了工藝流程及各自不足[4]。蒸發(fā)法是很經(jīng)典的、提升水質(zhì)的工藝，通過它可以取得能應(yīng)用于生活及工業(yè)的水源，已經(jīng)在海水淡化領(lǐng)域得到了長足的應(yīng)用。目前，蒸發(fā)工藝也逐漸推廣到高鹽及難處理廢水的治理。蒸發(fā)工藝的操作要點是使溶液中的污染物濃縮，同時將蒸汽冷凝而得到高質(zhì)量的水源，它已經(jīng)遠遠超出環(huán)境保護的標準。蒸發(fā)工藝的最大不足就是能耗高，為此各種節(jié)能的蒸發(fā)工藝被推出，特別是機械蒸汽壓縮工藝處理廢水的技術(shù)。Leigh Marks A等[5]以實驗的方法，分析蒸發(fā)工藝處理滲濾液的流程，以及它具有的某些優(yōu)勢。垃圾滲濾液經(jīng)過蒸發(fā)環(huán)節(jié)的濃縮，還可以得到應(yīng)用于能源領(lǐng)域的原料[6-7]。王金發(fā)[8]充分分析MVC工藝的特性，治理垃圾滲濾液的原理和工藝特性，計算出了噸水的運行費用。Rehman A[9]研究蒸發(fā)技術(shù)用于垃圾滲濾液治理的實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器容易結(jié)垢，影響設(shè)備的運行。從上述文獻可知，雖然機械蒸汽壓縮工藝應(yīng)用于滲濾液的處理，在技術(shù)上是可行的，但是設(shè)備因污垢所造成的問題，沒有徹底解決。因此本文闡述抑制蒸發(fā)污垢的措施及工藝，并將通過幾種的工藝分析和對比，在技術(shù)上說明低溫等離子體技術(shù)抑制蒸發(fā)污垢的可行性。

1　機械蒸汽壓縮技術(shù)的流程及應(yīng)用

1.1技術(shù)特點

機械蒸汽壓縮技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有一段時間了，但是由于各種因素的限制，直到上世紀中期才開始在艦艇航行作為海水淡水的工藝技術(shù)，為船舶提供淡水資源。該技術(shù)有以下一些特點，即能量消耗小、冷凝水的質(zhì)量好、設(shè)備運行管理簡單、方便。目前從海水淡化領(lǐng)域逐漸向其他方面擴展，處理高難度廢水是其重要的一環(huán)，如高濃度無機鹽廢水、有機廢水、高濃度化工廢液等，垃圾滲濾液的處理等，甚至還應(yīng)用于潔凈水的凈化和提純[10-13]。

機械蒸汽壓縮技術(shù)現(xiàn)有蒸發(fā)工藝中能耗效率較高的，因此能耗也很低的。該系統(tǒng)的主要設(shè)備有蒸發(fā)器和壓縮機，常采用降膜蒸發(fā)器，它根據(jù)薄膜蒸發(fā)的原理，在蒸發(fā)器內(nèi)很容易滿足穩(wěn)定蒸發(fā)與分離的條件。

機械蒸汽壓縮技術(shù)運行時的狀態(tài)是：當二次蒸汽進入壓縮機，通過壓縮機使其蒸汽的壓力和溫度都得到提升，而后高溫、高壓蒸汽進入換熱管束，廢水在管外噴淋，兩者通過換熱器進行傳熱，蒸汽冷凝形成冷凝水，廢水成為二次蒸汽而排出，系統(tǒng)完成一次循環(huán)，如此連續(xù)工作，并且需要外輸能量只有壓縮機。本系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行穩(wěn)定性高、廢水的適應(yīng)性廣，它能顯著地降低蒸發(fā)過程的能耗。如果有傳熱效率高的換熱器，更能節(jié)約運行成本，因此，性能良好的換熱器成為一個主要的研究領(lǐng)域。

1.2工藝流程

機械蒸汽壓縮技術(shù)處理垃圾滲濾液的工藝流程圖如圖1所示。詳細過程闡述如下，垃圾滲濾液先被料液泵輸入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)的換熱器上完成滲濾液與蒸汽的熱量交換。經(jīng)過預(yù)熱的垃圾滲濾液與系統(tǒng)的循環(huán)液，依靠循環(huán)泵的作用，實現(xiàn)充分的混合，然后送入蒸發(fā)室上部布水噴嘴系統(tǒng)，經(jīng)過它的作用將滲濾液均勻噴淋于熱交換器的外表面，形成一層液膜。垃圾滲濾液被管內(nèi)的蒸汽加熱至沸騰蒸發(fā)，殘余料液集中于蒸發(fā)器的下部系統(tǒng)而備用。系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽通過高效的壓縮機將二次蒸汽的壓力和溫度顯著提高，產(chǎn)生的飽和蒸汽進入蒸發(fā)器的內(nèi)部，通過它將熱能傳遞給滲濾液薄膜以產(chǎn)生蒸發(fā)，而該飽和蒸汽在管束內(nèi)被冷凝下來，形成的蒸餾水被收集后而測定水質(zhì)參數(shù)，然后決定其用途。

圖1　機械蒸汽壓縮處理垃圾滲濾液的工藝流程

2　污垢的形成及抑制

2.1污垢類型及形成的機理

機械蒸汽壓縮技術(shù)處理垃圾滲濾液的過程中，設(shè)備中的換熱器一般會有污垢沉積于其上，而這些污垢絕大部分屬于水垢類的物質(zhì)。水垢具有反常溶解度的鹽類，即隨著溶液溫度的升高，溶解度反而降低，主要物質(zhì)有碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇等。水垢具有固定的晶格，而且比較堅硬、致密，難以被水沖刷掉。水是自然界中具有較好性質(zhì)的溶劑，而且無毒、環(huán)境友好型物質(zhì)，常作為溶劑使用。如果水溶液中的離子濃度低于沉積物的溶度積時，溶液中的離子繼續(xù)以離子狀態(tài)存在，一旦溶液中離子濃度的滿足過飽和的條件，在外在因素的影響下就會形成大顆粒物，并有可能附著于換熱設(shè)備的表面，逐漸累積而形成水垢。初期污垢比較松軟，但是隨著時間的推移，污垢厚度的增大，導(dǎo)致?lián)Q熱器的傳熱條件惡化，水垢中的結(jié)晶水逐漸失去，污垢變得十分堅硬，牢固地附著于換熱管的管壁上，流體的溶液已經(jīng)不能將它們帶走。如果流體中有機物的雜質(zhì)較多、而流體的流速較小時，部分有機物也會在換熱器的表面沉積，形成疏松、多孔或膠狀污垢。根據(jù)污垢沉積的過程及機理，可將污垢分為幾大類，即顆粒污垢、結(jié)晶污垢、化學(xué)反應(yīng)污垢、腐蝕污垢、生物污垢等。

2.2污垢的抑制

為了防止換熱設(shè)備污垢形成，可以從以下三點予以考慮：①抑制污垢在換熱面上的形成；②控制污垢物質(zhì)之間的粘結(jié)，更要抑制大顆粒在傳熱表面上的沉積；③采用有效的措施，從傳熱表面上除去起始的沉積物。下面將分析抑制結(jié)垢形成的方法：

2.2.1設(shè)計階段

設(shè)計換熱器的時候，應(yīng)該要考慮潛在污垢時的影響?？梢詮娜缦聨讉€方面進行規(guī)劃：換熱器應(yīng)該實現(xiàn)容易清洗和維修的要求；換熱器安裝后，滿足在工作現(xiàn)場進行清洗的條件；盡可能減少溶液流動的低流速區(qū)和無流速區(qū)；換熱器內(nèi)溶液的流速盡可能分布均勻，降低液面的速度梯度，確保溶液的溫度分布比較均勻(如折流板區(qū))；在達到溶液合理的壓力降，而且不造成腐蝕的前提下，想辦法提高溶液流速，這樣有助于減少污垢在換熱器壁面的沉積；還應(yīng)該考慮到換熱器壁面度對產(chǎn)生污垢帶來的影響。

2.2.2運行階段

2.2.2.1一般方法

為了抑制生產(chǎn)過程中換熱設(shè)備污垢的形成，可以從設(shè)備的設(shè)計方面采取切實可行的措施。如果需要維持設(shè)計要求，在運行的時候，為滿足工藝條件，需要調(diào)節(jié)流速和溫度，從而取得與設(shè)計的要求有所不同，可以通過旁路系統(tǒng)來盡量維持設(shè)計條件 (比如流速和溫度)以延長設(shè)備的運行時間，推遲污垢的產(chǎn)生。為防止系統(tǒng)運行參數(shù)的控制，物料進口參數(shù)的變化，因此要定期測試流體中易結(jié)垢物質(zhì)或者離子的濃度、顆粒的大小和溶液的酸堿性等參數(shù)。要求保持系統(tǒng)維修措施良好，如果換熱設(shè)備在維修過程中出現(xiàn)焊點、劃痕，它們會給污垢的形成創(chuàng)造條件，可能加速換熱設(shè)備壁面污垢的沉積，甚至能加速顆粒沉積和化學(xué)反應(yīng)污垢的形成。

2.2.2.2化學(xué)法

對于機械蒸汽壓縮技術(shù)運行過程中，污垢的控制方法也可以使用化學(xué)添加劑。它是根據(jù)不同類型的污垢形成機理，采用不同的化學(xué)添加劑來減少或消除溶液中顆粒的沉積，以防污垢的形成。有時溶液蒸發(fā)濃縮過程中，也常采用將化學(xué)試劑與溶液混合，通過它的作用來抑制溶液污垢的形成?；瘜W(xué)阻垢劑的作用機理主要有：化學(xué)阻垢劑的螯合增溶作用、晶格畸變作用、分散作用和雙電層作用等?；瘜W(xué)阻垢劑應(yīng)用起來操作方便、而且能有效地抑制污垢的形成，但是它帶來嚴重的副作用，比如縮短換熱器的壽命，給冷凝水帶來雜質(zhì)，帶來二次污染[11]。

2.2.2.3低溫等離子體

除了上述的污垢控制方法之外，還可以采用物理法來抑制換熱設(shè)備污垢的生成。常用的工藝有紫外線、超聲波、磁場和電場等來可以抑制設(shè)備的污垢。近年來低溫等離子體技術(shù)作為一種嶄新的廢水治理工藝受到研究者的廣泛關(guān)注。低溫等離子體工藝多用于有機化合物的降解、廢水脫色、有毒液體的處理等領(lǐng)域，已經(jīng)取得豐富的成果[14-16]。另外，由于在低溫等離子體技術(shù)在發(fā)生過程中會進行多重高級氧化反應(yīng)，并生產(chǎn)大量的自由基，自由基可以和垃圾滲濾液含有的微粒進行反應(yīng)，甚至結(jié)合，可以有效降低污垢產(chǎn)生的機率。文獻已經(jīng)闡述了低溫等離子體在降解廢水中有機物的作用和提高水質(zhì)的效果[17-18]。文獻指出了低溫等離子體在抑制污垢方面的顯著效果[19-20]。初步分析認為，低溫等離子體技術(shù)是一種可以降解垃圾滲濾液的有機物雜質(zhì)，并且能夠緩解換熱設(shè)備結(jié)垢的潛在物理方法，因此采用它來抑制垃圾滲濾液濃縮時的蒸發(fā)器結(jié)垢是可行的。

3　結(jié)論

本文闡述了機械蒸汽壓縮處理技術(shù)垃圾滲濾液過程時的污垢控制方案，通過分析認為，低溫等離子體技術(shù)通過預(yù)處理滲濾液來抑制換熱設(shè)備的污垢是比較合適的。它不但能實現(xiàn)控制污垢的作用，還可以提高冷凝水的水質(zhì)，實現(xiàn)水的純化，為滲濾液的回收利用打下堅實的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：葉麗娜）

中圖分類號：X799.3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-2109(2015)09-0034-04

收稿日期：2015-04-30

基金項目：重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院人才引進項目(KRC201406)。

作者簡介：鄒龍生(1973-)，男，漢族，副教授，主要研究方向：節(jié)能與環(huán)保。

Analysis on Inhibition Fouling in Mechanical Vapor Compression Technology

ZOU Longsheng，TANG Jing，HUANG Yu，ZHANG Jian

(DepartmentofElectricalEngineering，ChongqingWaterResourcesandElectricEngineeringCollege,Chongqing402160)

Abstract:This paper expounded characteristics of landfill leachate,discussed mechanical vapor compression processing technology of landfill leachate and pointed out that fouling was affecting operation problem.Through analysis and comparison of fouling control method, found that low temperature plasma technology could not only control formation of fouling,also could improve water quality of distilled water,provided basis for leachate recycle.Therefore can be concluded that low temperature plasma technology in suppressing fouling of mechanical vapor compression process is feasible,it provides guarantee for low cost operation.

Key words:mechanical vapor compression;landfill leachate;fouling;low temperature plasma