有机污染物高效处理集成设备与应用

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摘要：文章分析了五种异位热脱附工艺技术的特点，以某市污染纺织印染地块有机污染土壤项目为例，介绍了新型土壤中有机污染异位热脱附高效处理集成设备，该设备在有效处理有机污染土壤的同时，实现了尾气超低排放，并最大限度地利用余热以减少热能损失、降低设备运行成本、实现了稳定可靠运行，为我国黏质土壤中有机污染物高效处理集成设备的推广与应用提供了参考依据。

关键词：土壤有机污染；异位热脱附处理；余热利用；尾气超低排放

随着工业经济的快速发展，大量工业污染企业搬迁后，遗留遗弃的工业污染场地被检出含有高浓度典型有机污染物，由此造成了农产品质量下降、一系列人居环境安全事件等问题，污染地块亟待开展有机污染场地修复工作[1]。在国内外土壤修复领域中，热脱附技术作为适用范围广、处理指标稳定的一项处置技术，在高浓度典型有机污染场地修复项目上已得到广泛应用。当前，我国热脱附设备处在国产化研制起步阶段，达到重点工程应用、商业化推广的案例不多，大部分技术设备仍依赖进口，难以针对性地解决我国土壤污染的实际问题，制约着我国土壤修复产业的发展[2]。此外，国内外现有设备对基理研究少，存在能耗大、维护费用高、易产生二次污染等问题，亟待开展热脱附设备优化及应用研究[3~5]。因此，开展具有自主知识产权、适应我国污染土壤特点的实用性、经济性、有效性兼具，能耗低、二次污染控制水平高的国产化设备的优化研究与应用，对于推动我国土壤修复技术的自主研发、工程转化及产业化进程具有重要意义。

1工程概况

我国某市污染纺织印染地块修复项目，土壤总修复面积约62999m2，污染土方修复量2860m3。项目主要土壤类型为粉土夹粉质黏土、淤泥质粉质黏土，主要污壤类型为粉土夹粉质黏土、淤泥质粉质黏土，主要污染物为苯并[a]芘、总石油烃。项目需对苯并[a]芘、总石油烃进行修复，有机污染主要集中于土壤风险控制土方量为17900m3的第一层（0～1.7m），第二层（1.7～3.5m）土壤风险控制土方量为1949m3，两层合计土壤风险控制总土方量为19849m3。项目土壤中苯并[a]芘的修复目标为0.55mg/kg，总石油烃的修复目标为826mg/kg。

2技术分析

热脱附技术是指通过直接或间接热交换，将土壤中的有机污染物加热到足够的温度，使有机污染物从污染介质上得以挥发或分离，进入气体处理系统进行处理，可用于处理较大范围的有机污染物，如石油烃、挥发性有机物、半挥发性有机物、农药、多环芳烃、多氯联苯等。该技术可分为原位热脱附技术、异位热脱附技术两大类。其中，因异位热脱附技术具有污染物去除率高、处理速度快、适用范围广等优点，有机污染场地修复项目大多选用异位热脱附技术[6~8]。根据技术路线的不同，异位热脱附可选用回转窑、流化床、真空间接、微波、红外线五种主要技术手段。2.1回转窑热脱附技术。回转窑热脱附技术根据火焰与污染土壤的接触方式，分为直接热脱附和间接热脱附；根据用于处理土壤有机污染物的加热温度，分为高温热脱附和低温热脱附。预处理、脱附和尾气处理系统组成整个回转窑热脱附处理工艺；其中，筛分、脱水、破碎与磁选等过程在预处理阶段完成；脱附系统可采用回转干燥、热螺旋推进两种处理方式；通过焚烧或冷凝回收的方式去除尾气污染。回转窑热脱附技术适用于处理挥发及半挥发性有机污染物（如石油烃、农药、多氯联苯）和汞，可处理土方量大，污染物去除率可达98%以上。在国外已广泛应用于工程实践，而在我国处在起步和推广应用阶段。2.2流化床热脱附技术。流化床热脱附技术是通过导热介质与污染土壤换热，使得污染土壤中的有机污染物达到沸点后完成的脱附，具有以下优势：1）悬浮状态下的污染土壤因与流体接触相界面积大，对非均相反应有利；2）气固两相间的传热传质速率较其他接触方式高；3）脱附装置不含机械运动部件，投资成本低，维修工作量小，符合工程化需要。但流化床技术应用有如下缺陷：1）对被脱附土壤颗粒度有一定限制，一般不大于40mm；2）由于流化床内的土壤返混比较激烈，有可能发生未经完全脱附的土壤随脱附后的土壤一起排出床层的情况；3）属于低温热脱附设备，只能用于苯等低沸点有机物污染土壤的脱附。2.3真空间接热脱附技术。真空间接热脱附技术基于真空蒸发器腔室，采用加热与受控的真空的方式，对常温下沸点低于600℃的污染物质进行脱附处理。圆柱形蒸发器内的旋转轴，可确保蒸发器中物料的充分搅拌混合，以确保高效的热传递，可实现短时间更加节能的批次运行。蒸发完成后，尾气流经高效蒸汽过滤器，以阻止粉尘与蒸汽结合。特殊设计的换热器，通过间接冷却式冷凝方式，从主蒸汽流中分离出气化的物质。对有价值物质的单独回收，是通过平缓加热，确保清晰的分离蒸发与冷凝而实现的。该技术为德国ECON主推技术，系统采用模块化设计，所有模块高度预装，对汞、PCBs以及石油烃等污染物的处理已有实际应用。2.4微波热脱附技术。与常规加热方式不同，微波热脱附是指微波辐射穿透土壤后对土壤中的水和有机污染物进行加热处理，使有机污染物转换成蒸汽形态从土壤中释放，同时，因以电磁波的形式进行能量传递，转换效率高，可用来高效处理挥发、半挥发形态的有机污染物，尤其适用于极性化合物的处理。目前，该技术仍停留在机理研究阶段。微波热脱附具有在较短的反应时长内促成具体反应的优点，例如，无机氧化物与其他物质组成的混合物在几分钟内可快速升温到1200℃～1300℃。因此，在封闭环境系统内，利用微波热脱附技术可迅速升至高温，将土壤中典型有机污染物快速分解。2.5红外线热脱附技术。红外线热脱附技术以辐射加热为主，远红外线作用于土壤颗粒内部，因振动、旋转达到向外加热的目的，使颗粒内部的污染物相对更易脱附。基于物理学原理，将密闭空间抽至真空，可大幅降低封闭空间内土壤有机污染物的沸点，可实现在较低温度下有机物的高效脱附。国外的研究应用结果显示，该项技术脱附效率可达99.99%以上。与常规的通过热风或火焰直接或间接与污染物接触的脱附方式相比，红外线热脱附具有脱附效率高、耗能低等优势，普遍适用于修复针对汽油、苯等低沸点挥发性有机物污染土壤。目前，国内外对沸点高、挥发性低的有机物污染土壤，采用红外线热脱附修复技术方式的研究及应用甚少。

3设备技术的选择及关键部件设计

基于项目土壤黏粒、水含量、污染物特性、分布规律、修复目标、合同要求等要素，对异位热脱附技术中各项主流技术，从技术可行性、经济性、实用性、去除效果等方面进行综合选择，选取异位直接回转窑热脱附集成设备对苯并[a]芘、总石油烃进行处理，有机污染土壤异位直接回转窑热脱附处理工艺流程如图1所示。异位直接回转窑热脱附设备主要由预处理、脱附、余热换热、尾气处理四大关键部件组成，异位直接回转窑热脱附设备结构如图2所示。3.1土壤破碎筛分预处理设计。传统破碎筛分设备如振动筛、对辊破碎机等广泛应用于热脱附前端预处理过程，但当土壤含水率大、黏性高时，易出现设备黏堵、故障率高、工作效率低等问题，很难实现破碎筛分。为解决项目场地黏质土壤的破碎筛分需求，自主创新设计了振动筛分、多轴对辊破碎一体化设备。筛分装置位于设备上方，土壤经挖掘机或装载机投入筛分斗的筛格后，筛斗两侧振动电机使筛格上下往复振动，土壤在筛格上被抛起并向前推移，大尺寸土块被振动松散，小粒径的土石块穿过筛格间隙落入下方破碎装置继续完成破碎。破碎装置位于设备下方，采用多辊轴对辊破碎结构，利用设计独特的对辊倾角和自清理啮合刀头，以及两侧的振动模块，及时清理破碎装置内壁的积料破拱，解决黏性土壤包轴、不易碎散的难题。3.2两段式回转窑设计。采用自主创新设计的上下层布置的两段式回转窑，可在实现有机污染物高效处理的同时，降低燃烧炉热损失、有效提高热能利用率。回转窑由窑头、加热炉本体、窑尾和传动机构组成，由钢板卷成的圆筒内衬耐火层和保温层，在加热炉本体上设有两组支撑轮和一个大齿圈，传动机构通过小齿轮与加热炉本体上的大齿圈连接，通过大齿圈带动加热炉本体转动。预热干燥回转窑位于上层、回转热解窑位于下层。上层回转窑干燥室窑尾与下层回转窑热解吸室窑头相连。污染土壤经皮带输送机送入回转窑窑头，由螺旋输送机送入回转窑干燥室，随回转窑的转动向窑尾推进，污染土壤在上层回转窑干燥室内经预热干燥，通过上下相连的通道进入回转窑热解室，被进一步加热到200℃～600℃，99.9%的有机污染物被加热到沸点以蒸汽形式分离出来，分离有机污染物后的土壤随回转窑转动推送至窑尾出料口卸下。而下层回转窑被分离的有机污染物蒸汽，随烟气一起由上层回转窑进料端的烟气排放口进入尾气处理系统。3.3多管旋风除尘设计。采用四管正中进排气的结构设计，基于气流旋转过程产生的离心力，使粉尘从含尘气流中分离出来。多管除尘器内壁涂有隔热、防磨材料，外壁包裹200mm厚的保温材料。为实现多管旋风除尘器的低阻高效性能，做出以下优化设计：1）为调整尾气中粉尘浓度的分布方式，进气方式从切向通道改为回转通道设计，以减少短路排尘量；2）在圆锥体上增加排尘通道，防止抵达壁面的粉尘二次反混；3）为保障去除粉尘时不产生二次污染，粉尘卸料采用密闭输送（在四个锥体底部设置插板阀，插板阀出口连接螺旋输送机，螺旋输送机落料至皮带输送机，粉尘与洁净土壤一同卸至堆场）。3.4二燃室反应塔设计。采用“二燃室助燃器+二次供风装置+余热加热器”工艺结构设计，保障烟气在二燃室滞留时间符合要求，以确保烟气在高温环境下与氧气充分接触。根据二燃室出口烟气含氧量，调整供风量，使未燃尽物质彻底分解达到标准要求。项目还集成了自主研发设计的选择性非催化还原法脱硝（SNCR）技术，在去除烟气二噁英、有机污染物的同时实现初步脱硝。3.5余热换热器设计。为使土壤热脱附后的烟气迅速降温，在二燃室后设置常压余热换热器。约900℃高温烟气经热水换热器受热面吸热后，被迅速降至204℃左右，进入后续处理设施。余热换热器水温由85℃升至110℃，后经冷却塔冷凝至85℃，通过循环泵进入热水换热器进行循环。3.6半干法脱硫+活性炭喷射+布袋除尘设计。热脱附烟气中含有一定量的SO2、HCl等酸性气体，在尾气处理系统中设置半干法脱硫塔，通过喷入碱性溶液来净化烟气中的酸性气体，同时控制进入布袋的烟气温度低于130℃。因环保要求项目尾气排放需达到超低排放要求，在布袋除尘前端设置活性炭喷射器，通过喷入活性炭来吸附烟气中的酸性气体，保证烟气出口SO2的含量低于100mg/Nm3（35mg/Nm3需安装湿法脱硫装置）、出口HCl的含量低于6mg/Nm3（5mg/Nm3需安装湿法脱硫装置）。因回转窑热脱附粉尘量大，在二燃室入口前设置多管旋风除尘器，去除烟气中的粉尘，以减小粉尘对二燃室、热交换器等设备的磨损和堵塞风险。在半干反应塔脱硫后，设置布袋除尘器，保证烟气中粉尘含量低于20mg/Nm3。3.7主要参数（见下表）。3.8运行情况。项目实施完成后，因预处理措施较好，热脱附设备运行良好、故障率低，可实现24h连续稳定运行；创新设计的余热回收利用模块，将二燃室回收的余热用于加热回转窑中污染土壤、预热二燃室助燃空气，提升了热量利用率、降低了设备运行能耗。验收检测报告显示，污染场地中苯并[a]芘、总石油烃污染物去除率达99%以上，排放尾气满足国家环保标准相关要求。目前，项目已顺利通过验收。

4结论

项目采用“土壤破碎筛分→回转窑热脱附→二燃室高温分解→余热利用→尾气超低排放”先进工艺设计、“振动筛分多轴对辊破碎一体化、两段式回转窑热脱附”关键核心部件、“余热回收利用、尾气超低排放”关键技术等，在有机污染土壤得到有效处理的同时，尾气实现超低排放，并最大限度地利用余热以减少热能损失、降低设备运行成本。技术先进、设备运行稳定，适用于我国黏质土壤有机污染物的有效稳定治理。

作者:马英 刘凯 姚超良 杨有余 舒心 付柳淑 单位:1.永清环保股份有限公司 2.湖南葆华环保有限公司 3.湖南省衡阳生态环境监测中心