机械蒸汽压缩技术抑制污垢的分析

邹龙生，唐　婧，黄　宇，张　剑

(重庆水利电力职业技术学院 电气工程系，重庆 402160)

机械蒸汽压缩技术抑制污垢的分析

邹龙生，唐婧，黄宇，张剑

(重庆水利电力职业技术学院 电气工程系，重庆 402160)

摘要：通过阐述垃圾渗滤液的特性，探讨机械蒸汽压缩技术处理垃圾渗滤液过程中存在的问题，指出污垢是影响该技术运行的难题。通过对污垢控制方法的分析和对比，发现低温等离子体技术不但可以控制污垢的形成，还可以提高冷凝水的水质，为渗滤液的回收利用提供技术支持。因此可以得出一个结论：即低温等离子体技术在抑制蒸发污垢方面是可行的，它为机械蒸汽压缩技术系统的低成本运行提供保证。

关键词：机械蒸汽压缩；垃圾渗滤液；污垢；低温等离子体

社会的发展，生活的提高，导致垃圾成堆，垃圾渗滤液由此产生，有数据表明垃圾渗滤液含有非常复杂的成分[1]，而且它的成分还受很多因素的影响，经常发生显著的变化。垃圾渗滤液的特点表现在以下4个方面[2]：①溶液中含有很高的有机物，而且BOD5与COD的比值大约为0.5~0.6；②溶液中的水质成分变化大，它主要受填埋场的构造方式的影响；③溶液中的氨氮含量大，更明显的是氨氮浓度在一定时期会随时间的延长而升高；④溶液中的微生物需要的营养元素不成比例，一般垃圾渗滤液中的BOD/TP都大于300，不适合生物法处理。文献[3]中的垃圾渗滤液成分参数在我国是有代表性的。

表1　垃圾渗滤液的成分

从表1可知，垃圾渗滤液中含有不少的有害物质，如果将渗滤液直接排放到自然环境中，必定会损坏自然界的水体环境，因此，渗滤液排放前要进行处理，达到污水排放的标准。我国常用的垃圾渗滤液的处理工艺有絮凝沉淀法、化学法、膜过滤法以及吸附法，有研究者对每种工艺都详细阐述了工艺流程及各自不足[4]。蒸发法是很经典的、提升水质的工艺，通过它可以取得能应用于生活及工业的水源，已经在海水淡化领域得到了长足的应用。目前，蒸发工艺也逐渐推广到高盐及难处理废水的治理。蒸发工艺的操作要点是使溶液中的污染物浓缩，同时将蒸汽冷凝而得到高质量的水源，它已经远远超出环境保护的标准。蒸发工艺的最大不足就是能耗高，为此各种节能的蒸发工艺被推出，特别是机械蒸汽压缩工艺处理废水的技术。Leigh Marks A等[5]以实验的方法，分析蒸发工艺处理渗滤液的流程，以及它具有的某些优势。垃圾渗滤液经过蒸发环节的浓缩，还可以得到应用于能源领域的原料[6-7]。王金发[8]充分分析MVC工艺的特性，治理垃圾渗滤液的原理和工艺特性，计算出了吨水的运行费用。Rehman A[9]研究蒸发技术用于垃圾渗滤液治理的实验，结果发现蒸发器容易结垢，影响设备的运行。从上述文献可知，虽然机械蒸汽压缩工艺应用于渗滤液的处理，在技术上是可行的，但是设备因污垢所造成的问题，没有彻底解决。因此本文阐述抑制蒸发污垢的措施及工艺，并将通过几种的工艺分析和对比，在技术上说明低温等离子体技术抑制蒸发污垢的可行性。

1　机械蒸汽压缩技术的流程及应用

1.1技术特点

机械蒸汽压缩技术的应用已经有一段时间了，但是由于各种因素的限制，直到上世纪中期才开始在舰艇航行作为海水淡水的工艺技术，为船舶提供淡水资源。该技术有以下一些特点，即能量消耗小、冷凝水的质量好、设备运行管理简单、方便。目前从海水淡化领域逐渐向其他方面扩展，处理高难度废水是其重要的一环，如高浓度无机盐废水、有机废水、高浓度化工废液等，垃圾渗滤液的处理等，甚至还应用于洁净水的净化和提纯[10-13]。

机械蒸汽压缩技术现有蒸发工艺中能耗效率较高的，因此能耗也很低的。该系统的主要设备有蒸发器和压缩机，常采用降膜蒸发器，它根据薄膜蒸发的原理，在蒸发器内很容易满足稳定蒸发与分离的条件。

机械蒸汽压缩技术运行时的状态是：当二次蒸汽进入压缩机，通过压缩机使其蒸汽的压力和温度都得到提升，而后高温、高压蒸汽进入换热管束，废水在管外喷淋，两者通过换热器进行传热，蒸汽冷凝形成冷凝水，废水成为二次蒸汽而排出，系统完成一次循环，如此连续工作，并且需要外输能量只有压缩机。本系统还具有结构紧凑、运行稳定性高、废水的适应性广，它能显著地降低蒸发过程的能耗。如果有传热效率高的换热器，更能节约运行成本，因此，性能良好的换热器成为一个主要的研究领域。

1.2工艺流程

机械蒸汽压缩技术处理垃圾渗滤液的工艺流程图如图1所示。详细过程阐述如下，垃圾渗滤液先被料液泵输入蒸发器，在蒸发器内的换热器上完成渗滤液与蒸汽的热量交换。经过预热的垃圾渗滤液与系统的循环液，依靠循环泵的作用，实现充分的混合，然后送入蒸发室上部布水喷嘴系统，经过它的作用将渗滤液均匀喷淋于热交换器的外表面，形成一层液膜。垃圾渗滤液被管内的蒸汽加热至沸腾蒸发，残余料液集中于蒸发器的下部系统而备用。系统产生的二次蒸汽通过高效的压缩机将二次蒸汽的压力和温度显著提高，产生的饱和蒸汽进入蒸发器的内部，通过它将热能传递给渗滤液薄膜以产生蒸发，而该饱和蒸汽在管束内被冷凝下来，形成的蒸馏水被收集后而测定水质参数，然后决定其用途。

图1　机械蒸汽压缩处理垃圾渗滤液的工艺流程

2　污垢的形成及抑制

2.1污垢类型及形成的机理

机械蒸汽压缩技术处理垃圾渗滤液的过程中，设备中的换热器一般会有污垢沉积于其上，而这些污垢绝大部分属于水垢类的物质。水垢具有反常溶解度的盐类，即随着溶液温度的升高，溶解度反而降低，主要物质有碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡等。水垢具有固定的晶格，而且比较坚硬、致密，难以被水冲刷掉。水是自然界中具有较好性质的溶剂，而且无毒、环境友好型物质，常作为溶剂使用。如果水溶液中的离子浓度低于沉积物的溶度积时，溶液中的离子继续以离子状态存在，一旦溶液中离子浓度的满足过饱和的条件，在外在因素的影响下就会形成大颗粒物，并有可能附着于换热设备的表面，逐渐累积而形成水垢。初期污垢比较松软，但是随着时间的推移，污垢厚度的增大，导致换热器的传热条件恶化，水垢中的结晶水逐渐失去，污垢变得十分坚硬，牢固地附着于换热管的管壁上，流体的溶液已经不能将它们带走。如果流体中有机物的杂质较多、而流体的流速较小时，部分有机物也会在换热器的表面沉积，形成疏松、多孔或胶状污垢。根据污垢沉积的过程及机理，可将污垢分为几大类，即颗粒污垢、结晶污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢等。

2.2污垢的抑制

为了防止换热设备污垢形成，可以从以下三点予以考虑：①抑制污垢在换热面上的形成；②控制污垢物质之间的粘结，更要抑制大颗粒在传热表面上的沉积；③采用有效的措施，从传热表面上除去起始的沉积物。下面将分析抑制结垢形成的方法：

2.2.1设计阶段

设计换热器的时候，应该要考虑潜在污垢时的影响。可以从如下几个方面进行规划：换热器应该实现容易清洗和维修的要求；换热器安装后，满足在工作现场进行清洗的条件；尽可能减少溶液流动的低流速区和无流速区；换热器内溶液的流速尽可能分布均匀，降低液面的速度梯度，确保溶液的温度分布比较均匀(如折流板区)；在达到溶液合理的压力降，而且不造成腐蚀的前提下，想办法提高溶液流速，这样有助于减少污垢在换热器壁面的沉积；还应该考虑到换热器壁面度对产生污垢带来的影响。

2.2.2运行阶段

2.2.2.1一般方法

为了抑制生产过程中换热设备污垢的形成，可以从设备的设计方面采取切实可行的措施。如果需要维持设计要求，在运行的时候，为满足工艺条件，需要调节流速和温度，从而取得与设计的要求有所不同，可以通过旁路系统来尽量维持设计条件 (比如流速和温度)以延长设备的运行时间，推迟污垢的产生。为防止系统运行参数的控制，物料进口参数的变化，因此要定期测试流体中易结垢物质或者离子的浓度、颗粒的大小和溶液的酸碱性等参数。要求保持系统维修措施良好，如果换热设备在维修过程中出现焊点、划痕，它们会给污垢的形成创造条件，可能加速换热设备壁面污垢的沉积，甚至能加速颗粒沉积和化学反应污垢的形成。

2.2.2.2化学法

对于机械蒸汽压缩技术运行过程中，污垢的控制方法也可以使用化学添加剂。它是根据不同类型的污垢形成机理，采用不同的化学添加剂来减少或消除溶液中颗粒的沉积，以防污垢的形成。有时溶液蒸发浓缩过程中，也常采用将化学试剂与溶液混合，通过它的作用来抑制溶液污垢的形成。化学阻垢剂的作用机理主要有：化学阻垢剂的螯合增溶作用、晶格畸变作用、分散作用和双电层作用等。化学阻垢剂应用起来操作方便、而且能有效地抑制污垢的形成，但是它带来严重的副作用，比如缩短换热器的寿命，给冷凝水带来杂质，带来二次污染[11]。

2.2.2.3低温等离子体

除了上述的污垢控制方法之外，还可以采用物理法来抑制换热设备污垢的生成。常用的工艺有紫外线、超声波、磁场和电场等来可以抑制设备的污垢。近年来低温等离子体技术作为一种崭新的废水治理工艺受到研究者的广泛关注。低温等离子体工艺多用于有机化合物的降解、废水脱色、有毒液体的处理等领域，已经取得丰富的成果[14-16]。另外，由于在低温等离子体技术在发生过程中会进行多重高级氧化反应，并生产大量的自由基，自由基可以和垃圾渗滤液含有的微粒进行反应，甚至结合，可以有效降低污垢产生的机率。文献已经阐述了低温等离子体在降解废水中有机物的作用和提高水质的效果[17-18]。文献指出了低温等离子体在抑制污垢方面的显著效果[19-20]。初步分析认为，低温等离子体技术是一种可以降解垃圾渗滤液的有机物杂质，并且能够缓解换热设备结垢的潜在物理方法，因此采用它来抑制垃圾渗滤液浓缩时的蒸发器结垢是可行的。

3　结论

本文阐述了机械蒸汽压缩处理技术垃圾渗滤液过程时的污垢控制方案，通过分析认为，低温等离子体技术通过预处理渗滤液来抑制换热设备的污垢是比较合适的。它不但能实现控制污垢的作用，还可以提高冷凝水的水质，实现水的纯化，为渗滤液的回收利用打下坚实的基础。

参考文献：

[1]Jerry J,Wu C,Ma H W,et al.Treatment of landfill leachate by ozone-based advanced oxidation processes[J].Chemosphere,2004,129(13):997-1003.

[2]蔡涛,王丹,宋志祥,等.垃圾渗滤液的处理技术及其国内研究进展[J].化工中间体,2010,37(1):1-6.

[3]彭思甲,周庆华.垃圾渗滤液处理技术研究进展[J].广东化工,2010,41(9):102.

[4]Kurniawan T A,Lo W H,Chan G Y.Physico-chemical treatments for removal of recalcitrant contaminants from land leachate[J].Journal of Hazardous Materials,2006,70(13):80-100.

[5]Marks A L,Luthy R G,Diwekar U M.Semi-continuous evaporation model for leachate treatment process evaluation[J]. Environmental Progress,1994,68(4):278-502.

[6]Birchler D R，Milke M W,Marks A L，et al.Landfill leachate treatment by evaporation[J].Journal of Environmental Engineering,1994,79(5):1109-1131.

[7]Birchler D R,Milke M W,Marks A L,et al.Leachate treatment:autoflash-multistage-evaporator[M].Chardon:Hofstetter Company,1991.

[8]Rehman A.Landfill leachate treatment using evaporation technology[D].Ottawa:Carleton University,2003.

[9]王金发.MVC蒸发工艺在处理垃圾渗滤液方面的应用[J].城市建设,2010,23(26):189-190.

[10]王磊刚.垃圾填埋场渗滤液处理技术探讨[J].工业安全与环保,2009,20(1):35-38.

[11]许玉东,聂永丰,岳东北.垃圾填埋场渗滤液的蒸发处理工艺[J].环境污染治理技术与设备,2005,31(1):68-72.

[12] 季建刚,王如竹,倪海,等.单效热压缩蒸馏海水淡化热力过程数值模拟[J].化学工程,2008,23(3):17-21.

[13]姚培正,包秀萍,郭丽梅,等.油田水阻垢剂的阻垢机理及其研究进展[J].杭州化工,2009,25(1):16-19.

[14]竹涛,万艳东,李坚,等.低温等离子体：催化耦合降解甲苯的研究及机理探讨[J].高校学工程学报,2011,26(1): 161-167.

[15]区瑞锟,陈砺,严宗诚,等.低温等离子体:催化协同降解挥发性有机废气[J].环境科学与技术,2011,22(1):79-84.

[16]陈琳.低温等离子体:催化选择性转化甲烷研究进展[J].天然气化工,2011,26(2):70-74.

[17]Cheng H H,Chen S S,Wu Y C,et al.Non-thermal plasma technology for degradation of organic compounds in wastewater control：A critical review[J].J.Environ.Eng.Manage. 2007,29(6),427-433.

[18]邹龙生,陈德珍,周伟国,等.低温等离子体处理稠油废水后的回收效果[J].石油学报，2013(6):1067-1071.

[19]Cho Y L,Fan C F,Choi B G.Theory of electronic antifouling technology to control precipitation fouling in heat exchangers[J].Int.Comm.Heat MassTransfer.1997,67(6): 757-770.

[20]Cho Y I,Fan C F,Choi B G.Use of electronic anti-fouling technology with filtration to prevent fouling in a heat exchanger[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1998,78(41):2961-2966.

（责任编辑：叶丽娜）

中图分类号：X799.3

文献标识码：A

文章编号：1674-2109(2015)09-0034-04

收稿日期：2015-04-30

基金项目：重庆水利电力职业技术学院人才引进项目(KRC201406)。

作者简介：邹龙生(1973-)，男，汉族，副教授，主要研究方向：节能与环保。

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