楊承志，黃　沖，馮自平?，李帥旗，何世輝（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640）

垃圾滲濾液濃縮用MVR蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3結(jié)垢過程數(shù)值分析*

楊承志1，2，3，黃沖1，2，3，馮自平1，2，3?，李帥旗1，2，3，何世輝1，2，3
（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640）

基于圓管立式降膜蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)的相關(guān)理論，建立了其管內(nèi)CaCO3結(jié)垢過程的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于垃圾滲濾液濃縮用機械蒸汽再壓縮（MVR）立式降膜蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3結(jié)垢過程研究，得到了各結(jié)垢參數(shù)在不同結(jié)垢階段的變化規(guī)律。結(jié)果表明：結(jié)垢初期，蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3的沉積速率遠大于剝蝕速率，凈存速率較大，污垢層厚度、污垢熱阻快速增加，使得蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)快速減小，進而引起蒸發(fā)器的蒸發(fā)量、濃縮比快速減??；結(jié)垢中期，CaCO3的凈存速率變小，污垢增加變緩，各結(jié)垢參數(shù)變化趨勢由急變緩；結(jié)垢末期，CaCO3的凈存速率趨近于零，污垢不再增加，各結(jié)垢參數(shù)趨于穩(wěn)定；相比蒸發(fā)管入口，出口液膜溶液的流量小、CaCO3濃度高，結(jié)垢更嚴重，且受整個蒸發(fā)管結(jié)垢的影響，液膜溶液流量、CaCO3濃度變化較大，各結(jié)垢參數(shù)變化更迅速，更早趨于穩(wěn)定。

垃圾滲濾液；濃縮；機械蒸汽再壓縮（MVR）；蒸發(fā)管；CaCO3污垢

0　引　言

垃圾滲濾液作為一種成分極為復(fù)雜的有機污水，具有濃度高、液量大的特點，如果不經(jīng)有效處理而直接進入環(huán)境，會造成嚴重的環(huán)境污染。常規(guī)的處理方法主要有生物處理、物化處理、回灌、膜處理等，受當前各自處理技術(shù)發(fā)展水平的限制，處理效果和經(jīng)濟性并不能同時滿足垃圾滲濾液的處理要求［1］。

蒸發(fā)技術(shù)是一種有效的垃圾滲濾液處理技術(shù)，其方法是首先將滲濾液進行蒸發(fā)濃縮，然后再采用焚燒、生物、膜分離等方式處理，其成本低、效果好、易達標、適用性廣，具有廣闊的發(fā)展前景［2］。其中，機械蒸汽再壓縮（MVR）技術(shù)能耗很低，分別比傳統(tǒng)的單效、三效蒸發(fā)技術(shù)節(jié)能90％和70％以上，因此，其在垃圾滲濾液處理領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮螅?］。

但MVR技術(shù)用于垃圾滲濾液的蒸發(fā)濃縮時，蒸發(fā)器結(jié)垢問題突出，造成蒸發(fā)濃縮效果變差，影響設(shè)備的正常運行，嚴重時可造成蒸發(fā)器失效，設(shè)備停機，從而制約了其在該領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［4］。經(jīng)測算，典型的垃圾滲濾液污垢的主要成分是CaCO3，含量可達85％左右。為此，有必要對垃圾滲濾液在MVR蒸發(fā)濃縮過程中CaCO3污垢的形成規(guī)律開展深入的研究。

目前，林培滋等［5］、張小霓等［6］研究了溫度對CaCO3結(jié)垢過程的影響，得到了晶核生長反應(yīng)速度常數(shù)與溫度的關(guān)系式。BRAHIM等［7］根據(jù)晶體壁面生長規(guī)律，基于傳熱傳質(zhì)理論，建立了結(jié)垢過程的數(shù)學(xué)模型，并通過了實驗測試驗證。在此基礎(chǔ)上，徐志明等［8］、程浩明［9］等建立了水平圓管結(jié)垢過程的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值分析獲得了溶液中不同濃度CaCO3對其結(jié)垢過程的影響；鄒龍生等［10-11］先后建立了油田廢水臥式降膜蒸發(fā)結(jié)垢過程的數(shù)學(xué)模型和三層析晶結(jié)垢模型，通過數(shù)值分析，分別獲得了濃縮倍數(shù)對臥式降膜蒸發(fā)的傳熱特性的影響規(guī)律，以及多鹽共存溶液蒸發(fā)濃縮過程中的析晶結(jié)垢規(guī)律。然而，采用數(shù)值計算對立式降膜蒸發(fā)的污垢形成規(guī)律的研究較少。

本文以垃圾滲濾液蒸發(fā)濃縮用MVR立式降膜蒸發(fā)器圓形蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3結(jié)垢過程為研究對象，在前人的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab數(shù)值計算分析，對其結(jié)垢過程各結(jié)垢參數(shù)的變化進行較為詳細的研究，為進一步的防垢、除垢設(shè)計提供理論依據(jù)。

1　物理模型

用于垃圾滲濾液蒸發(fā)濃縮的MVR蒸發(fā)管束采用豎直圓形光管，物理模型如圖1所示。管內(nèi)壁面為待蒸發(fā)的向下流動的滲濾液液膜溶液，由上至下污垢逐漸增加、滲濾液液膜溶液的流量逐漸減??；管外為提供管內(nèi)蒸發(fā)所需熱量的經(jīng)壓縮機加壓升溫后的二次蒸汽，管外壁面為二次蒸汽的冷凝水膜，由上至下冷凝水的流量逐漸增加。

圖1　立式降膜蒸發(fā)管結(jié)垢物理模型Fig.1　Physical model of fouling in vertical drop film evaporation tube

由于通常待處理的滲濾液經(jīng)預(yù)熱后抵達蒸發(fā)管束入口處的溫度接近其沸點蒸發(fā)溫度，故可假設(shè)滲濾液從蒸發(fā)管束入口處即開始發(fā)生沸騰蒸發(fā)。另外，在垃圾滲濾液結(jié)垢過程中，CaCO3污垢起主導(dǎo)作用，為研究方便，本文在數(shù)值計算時將垃圾滲濾液簡化為僅含CaCO3的過飽和水溶液。

本文所研究的垃圾滲濾液濃縮用MVR立式降膜蒸發(fā)器的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1　MVR立式降膜蒸發(fā)器主要設(shè)計參數(shù)Table 1　Main design parameters of MVR vertical drop film evaporator

2　污垢形成過程數(shù)學(xué)模型

2.1污垢沉積模型

CaCO3屬于一種微溶鹽，其飽和濃度隨溫度升高而降低，垃圾滲濾液中的Ca2+濃度很高，一般在0.35 kg/m3左右，與CO2反應(yīng)后，生成CaCO3溶液，濃度達0.875 kg/m3左右，遠高于CaCO3的溶解度，極易發(fā)生如下沉淀反應(yīng)：

因此，垃圾滲濾液液膜溶液在MVR蒸發(fā)管束內(nèi)壁很容易形成CaCO3污垢，其某時刻某位置的沉積速率（dm˙）可用下式計算［7-9］：

其中，hm，L、kR和Δc分別為CaCO3污垢傳質(zhì)系數(shù)、表面反應(yīng)速度常數(shù)和考慮已有污垢沉積以及滲濾液蒸發(fā)相變影響的液膜溶液CaCO3濃度與相應(yīng)溫度下的飽和濃度的差值。

首先，hm，L可根據(jù)傳熱傳質(zhì)的柯爾本類比性，以及路易斯準則的普遍關(guān)系式計算［8-9］：

其中，hf，L、ρL、cp，L和Le分別為管內(nèi)液膜溶液對流傳熱系數(shù)、液膜溶液密度、液膜溶液定壓比熱容和路易斯數(shù)。

若不考慮汽相剪切力對液膜厚度的影響，降膜蒸發(fā)管內(nèi)液膜溶液對流傳熱系數(shù)（hf，L）的求解可利用CHUN等［12］提出的關(guān)聯(lián)式：

其中，λL、g、νL、ReL、PrL分別為液膜溶液的導(dǎo)熱系數(shù)、重力加速度、運動粘度、雷諾數(shù)和普朗特數(shù)。和PrL的計算公式分別為：

其中，m、μL分別為蒸發(fā)管內(nèi)液膜溶液的流率、動力粘度。

Le由以下式（7）～式（9）求?。?3］：

其中，a、D、KB和rd分別為液膜溶液的熱擴散率、質(zhì)擴散系數(shù)、Boltzman常數(shù)和CaCO3溶質(zhì)半徑。

其次，CaCO3污垢表面反應(yīng)速度常數(shù)（kR），可通過阿倫尼烏斯方程計算求得：

其中，A、Ea和R分別為指前因子、CaCO3晶核生長活化能和摩爾氣體常數(shù)。根據(jù)林培滋等［5］的實驗數(shù)據(jù)，作曲線，利用圖解法可求得Ea= 48.14 kJ/mol，見圖2。

圖2　圖解法求CaCO3晶核生長活化能Fig.2　Activation energy of CaCO3crystal growth obtained through graphical method

最后，液膜溶液CaCO3濃度與相應(yīng)溫度下的飽和濃度的差值Δc計算公式如下：

其中，cf和cs分別為液膜溶液CaCO3濃度和相應(yīng)溫度下對應(yīng)的飽和濃度。

根據(jù)STEPHEN等［14］提供的不同溫度下cs數(shù)據(jù)擬合得到CaCO3溶解度曲線，可知其在98℃下的飽和濃度cs= 0.0062 kg/m3。

2.2污垢剝蝕模型

垃圾滲濾液流經(jīng)MVR立式降膜蒸發(fā)管內(nèi)壁面時，會對已形成的CaCO3污垢沉淀進行沖刷剝蝕，使得最終污垢沉積數(shù)量有一定的減少，其某時刻某位置的剝蝕速率（）可用下式計算［7-9］：

其中，uL、mt，Last、β、Tw、TL、dP，CaCO3分別為液膜溶液流速、前一時刻CaCO3污垢的總凈存量、液膜線性膨脹系數(shù)、管壁熱力學(xué)溫度、液膜溶液熱力學(xué)溫度、CaCO3結(jié)晶體粒徑。

液膜溶液流速（Lu）的計算公式如下：

其中，Wm、N、RL，o和RL，i分別為滲濾液每小時總質(zhì)量流量、蒸發(fā)管數(shù)量、蒸發(fā)管內(nèi)液膜外半徑和液膜內(nèi)半徑。和RL，i可分別由式（14）～式（15）求得：

其中，Ri、δCaCO3，Last、δL分別為蒸發(fā)管內(nèi)半徑、前一時刻CaCO3污垢層厚度、液膜厚度。相應(yīng)的δL計算公式如下［15］：

2.3污垢凈存及熱阻模型

某時刻某位置的CaCO3污垢的凈存速率（）的計算公式為：

CaCO3污垢的總凈存量（tm）計算公式為：

其他時刻，τ ＞ 1時，

相應(yīng)的污垢層厚度（δCaCO3）及污垢熱阻（RCaCO3）的計算公式為：

2.4整體參數(shù)計算模型

利用所建立的CaCO3污垢凈存及熱阻模型，計算得到某一時刻MVR立式降膜蒸發(fā)管入口與出口兩個位置的CaCO3污垢層厚度和污垢熱阻，然后通過式（23）～式（25）可以計算得到相應(yīng)時刻蒸發(fā)管內(nèi)平均污垢層厚度平均污垢熱阻和液膜溶液平均對流傳熱系數(shù)

MVR立式降膜蒸發(fā)管外二次蒸汽冷凝為水，按膜狀冷凝考慮，其傳熱系數(shù)（ho）計算公式［16］如下：

其中，λLo、νLo和ReLo分別為冷凝水的導(dǎo)熱系數(shù)、運動粘度和雷諾數(shù)。

冷凝水的雷諾數(shù)ReLo可由下式計算：

其中，Wmo、μLo、Do分別為蒸發(fā)器管外冷凝水每小時的總質(zhì)量流量、動力粘度，蒸發(fā)管外徑。

進而，可以通過式（29）～式（31），求得蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)（U）、蒸發(fā)器的蒸發(fā)量（Wm，evap）和濃縮比（k）。

其中，A、ΔT、Qv，inlet、Qv，outlet分別為蒸發(fā)管傳熱面積、蒸發(fā)管有效傳熱溫差、蒸發(fā)器入口滲濾液的體積流量、蒸發(fā)器出口滲濾液的體積流量。

3　結(jié)果與分析

取時間步長Δτ = 1 d，每天運行按20 h考慮，則Δτ = 72 000 s，計算周期為一年，按照表1選取各計算參數(shù)，借助Matlab數(shù)值計算工具，根據(jù)CaCO3污垢形成過程的迭代計算公式（19）～公式（20），利用所建立的數(shù)學(xué)模型，對MVR立式降膜蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3污垢形成過程的污垢總凈存量進行迭代計算，可以得到蒸發(fā)器的總體運行參數(shù)，以及蒸發(fā)管入口與出口兩個位置的液膜溶液CaCO3濃度、結(jié)垢參數(shù)一年內(nèi)隨時間的變化情況。

3.1蒸發(fā)器總體運行參數(shù)變化情況分析

數(shù)值計算得到的MVR立式降膜蒸發(fā)器總體運行參數(shù)包括蒸發(fā)管內(nèi)污垢層平均厚度蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)（U）、蒸發(fā)器的蒸發(fā)量（Wm，evap）和濃縮比（k），它們在計算周期內(nèi)隨時間的變化情況如圖3所示。

圖3　MVR立式降膜蒸發(fā)器運行參數(shù)隨時間變化情況Fig.3　Operating parameters of MVR vertical drop film evaporator changing with time

由圖3可知，蒸發(fā)器結(jié)垢初期，由于設(shè)計工況下MVR蒸發(fā)器管內(nèi)液膜溶液CaCO3濃度整體較高，污垢快速增加，經(jīng)過15天，蒸發(fā)器圓管內(nèi)的污垢層的平均厚度便達到了0.40mm左右，使得蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)快速減小，進而引起蒸發(fā)器的蒸發(fā)量、濃縮比急劇減小，導(dǎo)致蒸發(fā)器嚴重偏離正常工況；結(jié)垢中期，污垢增加變緩，相應(yīng)的蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)、蒸發(fā)器蒸發(fā)量和濃縮比減小也變緩；結(jié)垢末期，污垢層的平均厚度超過1.50mm之后，污垢將很少增加，甚至不再增加，蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)、蒸發(fā)器蒸發(fā)量和濃縮比也將減小到最低值并趨于穩(wěn)定。

3.2蒸發(fā)管入口與出口CaCO3濃度變化分析

數(shù)值計算得到MVR立式降膜蒸發(fā)管入口與出口處液膜溶液的CaCO3濃度變化如圖4所示。

圖4　MVR立式降膜蒸發(fā)管入口與出口液膜溶液的CaCO3濃度隨時間變化情況Fig.4　CaCO3concentration of liquid membrane in the inlet and outlet of vertical drop film evaporation tube changing with time

由圖4可知，在整個計算周期，蒸發(fā)管入口液膜溶液流量不變，CaCO3濃度相對較低，且始終保持0.9302 kg·m-3不變。然而，受到整個蒸發(fā)器結(jié)垢的影響，蒸發(fā)管出口液膜溶液流量和CaCO3濃度變化較大。結(jié)垢初期，由于污垢的快速增加、蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)快速降低，引起了蒸發(fā)量的急劇降低，導(dǎo)致了這一時期出口液膜溶液CaCO3濃度在沒有阻垢劑的情況下，經(jīng)過15天便由設(shè)計值的9.302 kg·m-3（濃縮比k = 10時）急速降低至1.70 kg·m-3左右，蒸發(fā)器失效；結(jié)垢中期，隨著污垢的增加變緩，蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)減小變緩，蒸發(fā)量減小變緩，進而導(dǎo)致出口液膜溶液CaCO3濃度減小變緩；結(jié)垢末期，污垢增加到一定程度后不再增加，蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)、蒸發(fā)器蒸發(fā)量減小至最小值附近，趨于穩(wěn)定，出口液膜溶液CaCO3濃度減小到1.20 kg·m-3左右，并保持穩(wěn)定。

3.3蒸發(fā)管入口與出口污垢變化分析

數(shù)值計算得到MVR立式降膜蒸發(fā)管入口與出口兩個位置處的CaCO3污垢的質(zhì)量變化速率（包括沉積速率剝蝕速率凈存速率污垢層厚度和污垢熱阻在一年內(nèi)隨時間的變化情況分別如圖5所示。

由圖5a1、圖5b1和圖5 c1可知，蒸發(fā)管入口結(jié)垢參數(shù)變化如下：整個結(jié)垢過程CaCO3污垢的沉積速率僅略微減小；結(jié)垢初期，污垢剝蝕速率快速增加，凈存速率快速減小，但由于CaCO3的沉積速率遠大于剝蝕速率，凈存速率數(shù)值較大，污垢層厚度、污垢熱阻快速增加，經(jīng)過15天，分別達到了0.16mm、0.42 × 10-4m2·K·W-1左右；結(jié)垢中期，隨著蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3的剝蝕速率的增大，凈存速率變小，污垢層厚度和污垢熱阻增加變緩；結(jié)垢末期，污垢積累到一定程度，液膜溶液流速也增大到一定數(shù)值，CaCO3污垢剝蝕速率等于沉積速率，凈存速率趨于零，污垢層厚度和污垢熱阻不再增加，分別穩(wěn)定在1.12mm、2.97 × 10-4m2·K·W-1左右，各參數(shù)趨于穩(wěn)定。

由圖5a2、圖5b2和圖5c2可知，蒸發(fā)管出口結(jié)垢參數(shù)變化如下：結(jié)垢初期，起初蒸發(fā)管出口液膜溶液的流量很小、CaCO3濃度很大，CaCO3污垢沉積速率很高、剝蝕速率很低，相應(yīng)的凈存速率很高，污垢層厚度和污垢熱阻一開始便很快達到了較大值，隨著蒸發(fā)器污垢的迅速積累，蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)急速降低，蒸發(fā)量急速減小，出口液膜溶液流量急速增加和CaCO3濃度急速減小，相應(yīng)的CaCO3污垢沉積速率迅速減小，剝蝕速率迅速增加，凈存速率迅速減小。但由于CaCO3的沉積速率遠大于剝蝕速率，凈存速率數(shù)值較大，污垢層厚度和污垢熱阻迅速增加，經(jīng)過15天，分別達到了0.61mm、1.62 × 10-4m2·K·W-1左右；結(jié)垢中期，隨著蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3的沉積速率的減小，剝蝕速率的增大，凈存速率變小，污垢層厚度、污垢熱阻增加變緩；結(jié)垢末期，蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3污垢剝蝕速率也將趨近于沉積速率，凈存速率趨近于零，污垢層厚度和污垢熱阻不再增加，分別穩(wěn)定在1.90mm、5.04 × 10-4m2·K·W-1左右，各參數(shù)趨于穩(wěn)定。相比蒸發(fā)管入口，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后的管出口在整個結(jié)垢過程中的液膜溶液流量小，CaCO3濃度高，因而結(jié)垢問題更嚴重，且受整個蒸發(fā)管結(jié)垢的影響，液膜溶液流量、CaCO3濃度變化較大，各結(jié)垢參數(shù)變化更迅速，更早趨于穩(wěn)定。

圖5　MVR立式降膜蒸發(fā)管入口（a1、b1和c1）與出口（a2、b2和c2）處的CaCO3結(jié)垢過程參數(shù)隨時間變化情況Fig.5　Process parameters of CaCO3fouling in the inlet and outlet of MVR vertical drop film evaporation tube

4　結(jié)　論

通過對垃圾滲濾液濃縮用MVR立式降膜蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3結(jié)垢過程的數(shù)值計算分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）MVR蒸發(fā)器結(jié)垢初期，由于蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3污垢的沉積速率遠大于剝蝕速率，凈存速率較大，污垢層厚度和污垢熱阻快速增加，使得蒸發(fā)管總傳熱系數(shù)快速減小，進而引起蒸發(fā)器的蒸發(fā)量、濃縮比快速減??；結(jié)垢中期，隨著蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3污垢的凈存速率減小，污垢增加變緩，各結(jié)垢參數(shù)變化趨勢由急變緩；結(jié)垢末期，蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3污垢的凈存速率趨近于零，污垢不再增加，各參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）通過對MVR立式降膜蒸發(fā)管入口與出口兩個位置結(jié)垢過程比較可知，相比蒸發(fā)管入口，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后的管出口在整個結(jié)垢過程的液膜溶液流量小，CaCO3濃度高，結(jié)垢問題更嚴重，且受整個蒸發(fā)管結(jié)垢影響，液膜溶液流量和CaCO3濃度變化較大，各結(jié)垢參數(shù)變化更迅速，更早趨于穩(wěn)定。

（3）MVR蒸發(fā)器CaCO3污垢的快速增加主要發(fā)生在結(jié)垢初期，并集中于蒸發(fā)管下部。為此，需要在蒸發(fā)器運行初期便加大污垢防治，可考慮在滲濾液進入蒸發(fā)器前去除其大部分Ca2+；或采用阻垢物化手段（電磁波、靜電、阻垢劑）減緩蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3晶體生長；或增加液膜溶液流速，提高蒸發(fā)管內(nèi)CaCO3剝蝕速率，防止CaCO3污垢快速生長；與此同時，還應(yīng)該加強對蒸發(fā)管下部污垢以及蒸發(fā)器蒸發(fā)量的監(jiān)測，以便及時掌握蒸發(fā)器結(jié)垢情況，進行必要的酸洗，從而保證MVR蒸發(fā)濃縮設(shè)備的長期高效安全運行。

［1］張浩， 孫力平， 安瑩， 等.垃圾滲濾液水質(zhì)特性研究進展［J］.四川環(huán)境， 2010， 29（2）： 113-118.DOI： 10.3969/ j.issn.1001-3644.2010.02.027.

［2］許玉東， 聶永豐， 岳東北.垃圾填埋場滲濾液的蒸發(fā)處理工藝［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備， 2005， 6（1）：68-72.DOI： 10.3969/j.issn.1673-9108.2005.01.014.

［3］高麗麗， 張琳， 杜明照.MVR蒸發(fā)與多效蒸發(fā)技術(shù)的能效對比分析研究［J］.現(xiàn)代化工， 2012， 32（10）： 84-86.DOI： 10.3969/j.issn.0253-4320.2012.10.022.

［4］區(qū)藏器， 李穗中.MVR處理垃圾填埋滲濾液的合理途徑［J］.廣州環(huán)境科學(xué)， 2011， 26（1）： 17-22.

［5］林培滋， 黃世煜， 初惠萍.溫度對碳酸鈣結(jié)垢過程的影響［J］.石油與天然氣化工， 1999， 28（2）： 128-129.

［6］張小霓.電導(dǎo)率法評定阻垢劑及碳酸鈣結(jié)晶動力學(xué)研究［D］.武漢： 武漢大學(xué)， 2004.

［7］BRAHIM F， AUGUSTIN W， BOHNET M.Numerical simulation of the fouling process［J］.International journal of thermal sciences， 2003， 42（3）： 323-334.DOI：10.1016/S1290-0729（02）00021-2.

［8］徐志明， 張仲彬， 程浩明.管內(nèi)CaCO3污垢形成過程的數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學(xué)報， 2009， 30（12）：2099-2101.DOI： 10.3321/j.issn：0253-231X.2009.12.034.

［9］程浩明.CaCO3污垢生長過程的數(shù)值模擬［D］.吉林：東北電力大學(xué)， 2009.

［10］鄒龍生， 謝加才， 周偉國， 等.水平管降膜蒸發(fā)器綜合傳熱系數(shù)研究［J］.中國電機工程學(xué)報， 2011， 31（S1）：175-180.DOI： 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2011.s1.022.

［11］鄒龍生， 陳德珍， 尹麗潔， 等.稠油廢水高倍蒸發(fā)濃縮污垢的形成和模擬［J］.同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014， 42（3）： 441-446.DOI： 10.3969/j.issn.0253-374x.2014.03.018.

［12］CHUN K R， SEBAN R A.Heat transfer to evaporating liquid films［J］.Journal of heat transfer， 1971， 93（4）：391-396.DOI：10.1115/1.3449836.

［13］威爾特J R， 威克斯C E， 威爾遜R E， 等.動量、熱量和質(zhì)量傳遞原理［M］.馬紫峰， 吳衛(wèi)生， 等， 譯.4版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2005： 322.

［14］STEPHEN H， STEPHEN T.Solubilities of inorganic and organic compounds.Vol.1（part 1）［M］.Oxford：Pergamon Press， 1963.

［15］尾花英朗.熱交換器設(shè)計手冊 下冊［M］.徐中權(quán)， 譯.北京： 石油工業(yè)出版社， 2007： 376-414.

［16］朱玉峰， 董金華.豎管降膜蒸發(fā)器的性能研究［J］.輕工機械， 2005， 23（2）： 13-15.DOI： 10.3969/j.issn.1005-2895.2005.02.004.

Numerical Analysis on the Process of CaCO3Fouling of MVR Evaporation Tube for Landfill Leachate Concentration

YANG Cheng-zhi1，2，3， HUANG Chong1，2，3， FENG Zi-ping1，2，3，LI Shuai-qi1，2，3， HE Shi-hui1，2，3
（1.Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；2.Key Laboratory of Renewable Energy， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development， Guangzhou 510640， China）

Based on the related theories of heat and mass transfer in vertical falling film evaporation， the mathematical model of the process of CaCO3fouling in the tube was established.It was applied to the research on the process of CaCO3fouling in the vertical drop film evaporation tube of mechanical vapour recompression（MVR）for landfill leachate concentration， and the fouling parameters’ change rules of different stages were obtained.The results showed： in the initial stage of fouling， the deposition rate of CaCO3was much larger than the removal rate in the evaporation tube， the total rate was larger， and the fouling layer thickness and fouling resistance increased rapidly， which caused that the total heat transfer coefficient of the evaporator reduced quickly， and that the evaporation capacity and concentration ratio of the evaporator decreased rapidly； in the middle stage of fouling， the total rate of CaCO3became smaller， the accumulation rate of fouling became slow， and the change trend of all the fouling parameters was from fast to slow； in the end stage of fouling， the total rate of CaCO3reached zero， the fouling no longer increased， and all the fouling parameters gradually stabilized； compared to the evaporation tube inlet， liquid film flow in outlet was smaller and the concentration of CaCO3was higher， so the fouling in outlet was more serious.And affected by the whole evaporation tube fouling， liquid film flow and CaCO3concentration in outlet greatly changed， which caused all the fouling parameters to change more quickly and tend to be stable relatively earlier.

landfill leachate； concentration； mechanical vapour recompression（MVR）； evaporation tube； CaCO3fouling

TK11

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.04.009

2095-560X（2016）04-0320-08

2016-05-13

2016-06-12

廣東省科技計劃項目（2014B050505014）；佛山市院市合作項目（2014HK100061）

馮自平，E-mail：fengzp@ms.giec.ac.cn

楊承志（1986-），男，碩士，助理研究員，主要從事MVR蒸發(fā)濃縮技術(shù)、換熱器防垢除垢技術(shù)研究。

馮自平（1968-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事高效換熱技術(shù)、先進蓄能技術(shù)等研究。