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摘要：随着城市化进程的加快，环境保护越来越受到人们关注，大批污染企业被迫停业或拆迁，遗留的场地内存在大量有机污染，常规化学氧化已不能满足技术要求，需要采用修复效率高、周期短的异位热脱附技术。文章介绍了异位热脱附修复技术在有机污染场地中的应用，并结合场地概况、污染程度、工艺设计和修复效果，进一步分析了修复过程中遇到的有关问题，并提出了后续的改进方向，希望为相关热脱附修复项目中提供借鉴。
关键词：异位热脱附技术；有机污染场地修复；环境保护
0引言
随着经济的快速发展，城市化进程的加快，人们对环境质量追求越来越高，大批污染较重的企业被迫停业整顿或拆迁郊区进行集中治理，遗留的场地内存在大量有机污染物，需要用到异位热脱附技术进行修复[1]。异位热脱附技术具有污染物修复效率高、修复周期短、处理能力大、范围广和适用性强等特点[2-4]。在异位热脱附有机污染土壤修复过程中，设备存在能量消耗大、有效热效率低，余热回收利用率低、实施过程控制难度大、修复经济成本高和尾气特征污染物监测难度大等问题[5]。文章通过异位热脱附修复技术在有机污染场地中的工程应用，结合场地概况、污染程度、工艺设计和修复效果，进一步分析了修复过程中遇到的有关问题，并提出了后续的改进方向，希望在相关热脱附修复项目中提供一定的参考。
1工程应用
1.1项目场地概况
项目场地位于南方，原先是一家大型烧结厂。该厂的主要工艺流程涵盖原料处理、烧结工艺和后处理工艺。具体来说，将各种原材料经过筛分、干燥和混合后，在高温条件下烧结形成所需的块状材料，并通过热处理后，再进行表面处理、加工和检测后，形成所需的产品。工厂搬迁后经过场地调查和风险评估后，得出场地内主要污染因子为挥发性有机物苯与半挥发性有机物萘、苯并[a]蒽、苯并<b>荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽、苯并[k]荧蒽和䓛，污染土方量为6.8万m3，污染物的含量及超标范围，如表1所示。
根据勘察资料，场地内地层所在区域出露基岩地层均为沉积岩，岩土层为回填土、粉质黏土以及泥岩和砂岩互层。地块后期规划为中小学教育用地、医疗卫生用地、居住用地、公共管理与公共服务用地等。
1.2工艺设计
异位热脱附主要包括进料系统、热脱附系统、余热利用系统、急冷系统、除尘系统以及尾气处理系统。预处理后的土壤经过计量后，通过输送机和进料螺旋送入回转窑，在回转窑内用天然气燃烧的高温烟气直接加热污染土壤进行热脱附处理，使物料在400～650℃的气氛下加热到150～550℃以上，并且停留约15～50 min，促使污染物气化挥发与土壤颗粒分离去除，完成后土壤从窑头送出待检。
回转窑内的尾气经旋风除尘后进入热氧化室进行再加热，加热温度850～1 100℃,停留时间大于2 s，除去尾气中的有害气体，完成后尾气进入余热利用系统与空气换热，尾气冷却至550～650℃,常温空气加热后通过助燃风机进入回转窑作为燃烧器的助燃风，热交换后的尾气进入急冷塔进行冷却，在1 s内冷却至200℃,避免有毒气体二噁英的产生，冷却后的尾气进入布袋除尘器进行除尘，再进入喷淋脱酸除雾塔中和吸收尾气中的酸性气体，除酸后的尾气由烟囱排入大气中。其中，生产过程中产生废水为尾气脱酸后产生的高碱水，设备运行一段时间后定期检测碱液浓度，如果已达到饱和状态，将外运至附近污水处理厂处置。根据HJ 2.2—2018《环境影响评价技术导则大气环境》，运行过程中实时CEMS在线监测烟囱的尾气排放，并委托第三方定期进行采样检测，确保尾气排放满足相关标准。异位热脱附工艺流程如图1所示，主要工艺参数如表2所示。
1.3修复效果
污染土壤预处理后，根据现场中试得到的最佳条件进行热脱附处理，并转运至场地待检区。依据HJ 25.2—2014《场地环境监测技术导则》和HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》，修复后土壤按堆放土方量计算，每500 m3设计一个采样点。根据第三方检测报告显示，检测结果均低于修复目标值。现场施工技术参数，如表3所示。修复后土壤污染物检测值与修复目标值对比，如表4所示。
污染土壤热脱附处理过程中，委托第三方定期对尾气进行有组织排放检测，检测项目有颗粒物、氮氧化物、二氧化硫、非甲烷总烃、苯、恶臭物质、苯并[a]芘、二噁英等。根据检测报告，检测项目值均低于限定值，能够达标排放。同时，定期对喷淋脱酸除雾塔内碱液进行检测，当达到饱和状态时外运至污水处理厂进行处置。尾气有组织排放检测值与限定值对标，如表5所示。
2存在的相关问题
2.1能耗高和热效率低
本项目异位热脱附设备共处置有机污染土壤约70 000 t，累计消耗天然气约3 080 000 m3，累计用电1 404 000 kW·h，累计耗水28 080 m3，平均耗气量约44 m3/t土，耗电量约20 kW·h，耗水约0.4 m3/t。总体来看，该设备能量消耗较大，所需经济成本较大。因此，通过调节空燃比来提高燃烧器热效率，并匹配合适功率的风机，以此来节约能源。回转窑内的尾气进入热氧化室进行再加热，加热温度850～1 100℃,完成后尾气进入余热利用系统与空气换热，尾气冷却至550～650℃,进入急冷塔进行冷却，在1s内冷却至200℃,热效率利用率低。
污染土壤含水率和粒径都将对热效率产生影响。高卫国等[6]在热脱附修复中对节能降耗进行研究，指出土壤性质会对能耗产生重要的影响。黄海[7]采用间接热脱附技术在有机污染土壤修复中，得到修复后土壤携带和水分蒸发消耗的热能占输入热能的60%以上。许优等[8]在热脱附工艺段增设土壤预干燥装置，发现土壤初始含水率从20%降低到15%时，热脱附能耗降低了20%。细颗粒土壤的热脱附效率高于大颗粒土壤，当土壤含水量过高时，土壤中结晶水层会影响颗粒内部和颗粒间的传热传质，对污染物的热脱附有抑制作用[9]。
2.2实施过程控制难度大
异位热脱附主要包括进料系统、热脱附系统、余热利用系统、急冷系统、除尘系统以及尾气处理系统，设备运行前需要对各系统进行单机调试，调试通过后再进行联机调试。同时，在工程实施过程中，各系统要匹配良好，才能使设备运行稳定。因此，异位热脱附设备的运行，需要专业工程师进行控制。热脱附系统主要通过回转窑内天然气燃烧的高温烟气直接加热污染土壤进行热脱附处理，促使污染物气化挥发与土壤颗粒分离。因此，加热温度与停留时间是热脱附系统处理的两个重要影响因素，并且加热的温度越高，停留时间越长，土壤热脱附效果越好[10]。然而，一般加热温度的设置仅仅根据目标污染物的沸点和同类型项目经验，缺乏有针对性的深化研究，造成能量浪费和过度修复的可能。为了节约成本提高生产效率，不断提高转窑转速，最大限制缩短停留时间，会导致污染土壤与高温烟气接触时间不足，土壤验收合格的不均性。因此，热脱附要获得精准加热温度和最佳停留时间，需要专业工程师凭借理论和实践不断地进行现场试验确定。
燃烧器加热时，高温烟气在负压作用下由窑头至窑尾温度逐渐降低，温度差大约为400℃。污染土壤依靠回转窑转动由低温区移动至有效加热区实现热脱附处理，最后通过出料螺旋排出。污染土壤在窑内的停留时间和有效加热区长度，直接影响污染物的去除率。其中，停留时间主要通过调节回转窑转速，观察窑尾卸灰阀是否吐料来判断；有效加热区长度主要通过调节风机流量，观察窑头窑尾的压力差来判断。目前停留时间和有效加热区长度的调节没有明确的标准，主要通过工程师的经验来判断，加热的精准性及污染物去除的精准性尚难控制，可能造成过度修复。
2.3有组织排放
异位热脱附修复过程中，尾气经除尘系统和尾气处理系统处理后，通过烟囱排向空中，主要动力来源于引风机吸力。热脱附设备要求整个系统运行过程中，始终处于负压状态，从而确保废气不逸出。然而，现阶段对该系统负压的控制没有一定范围标准。设备负压过大，虽然能保证运行中不冒灰，但会增加旋风除尘器和布袋除尘器内部的产灰尘量，同时，也会加重引风机的负载。因此，对引风机流量的控制很大程度依赖于工程实际应用经验。
热脱附设备运行过程中，要求定期对烟囱有组织排放进行检测，检测项目主要包括颗粒物、氮氧化物、二氧化硫、非甲烷总烃、苯、恶臭物质、苯并[a]芘和二噁英等指标。然而，现有的CEMS在线监测设备只能对常规因子进行监测，监测项目主要包括氧气、一氧化碳、颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、氯化氢等，不能完成对特征污染物的快速检测，往往需要通过委托第三方实验室进行现场采样和实验室分析，分析结果存在一定的滞后性，当检测结果出现异常时不能及时快速地反映给施工现场。
3改进方向
3.1降低能耗和提高热效率
设备能耗主要为天然气和用电部分，其中天然气主要用于燃烧器加热升温，用电主要为各部件电机。该设备共配置两个燃烧器，功率为8 MW，天然气消耗(标准态)最大1 400 m3/h，分别位于回转窑窑头和热氧化室，设备总用电功率为450 kW。因此，提高燃烧器的热效率值，减少天然气的消耗，是有效节能方式之一。燃烧器的空燃比经计算约为13∶1，调节助燃风机流量使天然气得到充分燃烧，释放出全部热能。同时，在保证旋风除尘器下面粉尘小情况下，尽量调大引风机的流量，使窑头热量均匀地向窑尾辐射，增加热量与污染土壤的接触时间，提高修复的效率，达到节能降耗的目的。回转窑和热氧化室燃烧器助燃风机的功率为45 kW，风量25 000 m3/h，根据燃烧器空燃比，如按照15 t/h进料，耗气量约44 m3/t，每小时消耗天然气约660 m3，消耗空气约9 000 m3。因此，可以更换风量和功率合适的风机，以此减少电能消耗。
回转窑内的尾气由热氧化室到急冷塔，温度由850℃降至200℃,管道间虽然安装了余热回收系统，并通过助燃风机将部分热量引入回转窑。但是由于经过换热器风量小，使管道内尾气温度仅降至550℃,热能利用率仅约35%。因此，可以在换热器到急冷塔之间的管道上加装热量回收装置，将部分热量收集后输送至预处理大棚，用于预干燥土壤。
土壤含水率的高低对于热处理修复有机物污染的土壤有着重要的影响，相对较高的含水率不利于污染物的去除[11]。邢汉君等[12]运用异位热脱附设备，通过场地中试实验得出粒径<10 mm土壤热脱附后的污染物浓度低于粒径<30 mm土壤，土壤粒径越小有机污染物去除效率越高。傅海辉[13]在多溴联苯醚(PBDEs)污染土壤热脱附实验研究，得出在加热温度和停留时间一定，PBDEs总去除率随粒径的增大而增大。因此，污染土壤预处理前需要添加一定质量比生石灰，调节含水率为20%以下，经过阿鲁筛分斗进行初步筛分后，再应用3 cm的振动筛进行精细筛分，以减少热脱附处理过程中的能耗。
3.2提高过程控制精度
如何寻找精准加热温度和最佳停留时间，来提高过程控制的精准度成为主要研究的重点。因此，应该从场地实际情况进行试验与研究，并结合有机污染物沸点特征，设计不同的加热温度与停留时间，通过控制变量的方式分析在达到修复目标值前提下的最佳工艺参数，从而来提供过程控制精度。陈丽红[10]提出加热温度、停留时间是影响热脱附技术修复效果的重要因素，在修复过程中调整热脱附装置的最佳反应时间与反应温度，可以在保证脱附效率最大化的同时，降低热脱附的能耗，减少热脱附过程中的结焦问题保证污染土壤处理效率。胡孙等[14]运用异位热脱附设备在某化工场地进行中试试验，研究加热温度、处理量、停留时间上对土壤中污染物去除效率的影响，结果表明，当热脱附出土温度为350℃,处理量为3 t/h，停留时间为30 min时，该设备对土壤中污染物的处理效果最佳，修复之后的污染物浓度低于场地修复目标值，去除效率达到95%以上。
在热脱附设备运行过程中，转窑内加热温度主要受引风机和助燃风机流量大小的影响。当引风机流量过小时，会使回转窑窑内有效加热温度距离短热效率低，窑内负压变小，导致窑头窑尾失压冒灰；当引风机流量过大，会使旋风除尘器下粉尘增多，并加重布袋除尘器压力。当助燃风机流量过小，会导致回转窑燃烧器缺氧熄火；助燃风机流量过大，会导致天然气燃烧得不充分。为了得到精准的加热温度，在保证燃烧器设置加热温度一定，通过燃烧的空燃比和观察火焰颜色，使助燃风机流量调节到最佳值，并不断调大引风机流量值，直至保持旋风除尘器下粉尘尽量少，得到精准的加热温度。同时，在保证热脱附设备加热温度和进料量不变情况下，不断调节回转窑窑体速率，直至达到窑尾吐料的临界值时，记录污染土壤从窑尾运行至窑头的时间，该时间就是物料在窑内的最佳停留时间。
3.3严格二次污染防控
异位热脱附设备在修复过程中，二次污染主要包括污染土壤颗粒遗留、回转窑内尾气遗漏以及喷淋塔内高碱水等。采取相应措施如下：(1)异位热脱附修复系统，通过皮带输送机上料的过程中辊轮会带动部分污染土壤颗粒遗落地面，需要及时清理。(2)热脱附修复系统采用负压式设计，整个废气系统均为负压，避免污染气体外逸至大气中造成污染；(3)对有机物污染土壤，采用热脱附修复工艺，其尾气经过旋风除尘器、热氧化室、喷淋脱酸除雾塔等工艺环节后彻底净化处理，达标后排放至大气中，修复过程中定期在废气排放口取样检测，监测其尾气排放达标情况。(4)定期对喷淋脱酸除雾塔内碱液进行检测，当发现浓度已达到饱和状态时，应及时外运至附近污水处理厂处置。
4结语
在实际工程应用过程中设备存在能量消耗大、热效率利用率低、实施过程控制难度大、修复经济成本高、有组织排放中特征污染物难以实现在线检测等诸多问题[5]。随着城市化进程加快，遗留的有机污染场地急需要快速开发建设，要求修复效率高、修复周期短、处理能力大、适用范围广的修复技术。因此，异位热脱附技术在我国仍有很大的应用市场。为了适应市场化需要和工程化应用，该技术也要不断创新并与时俱进，高效率、低能耗、轻量化、集成化与智能化已成为该技术未来发展的方向。
目前热脱附设备已从研发走向了工程应用，并在工程应用中不断升级换代。但是自主研发的热脱附设备仍然存在很多不足，主要表现在：热脱附设备由多个功能技术模块组成，缺乏综合性技术人才；过度依赖和高仿，没有从污染场地本身和技术要求深入研究，缺乏创新性；设备多采用固定式，拆装运输成本高，安装耗时较长。因此，应该从热脱附技术和设备研发相结合，借鉴国外成熟设备的基础上，加强技术创新和设备升级改造，提高设备的模块化程度、集成化程度、智能化程度，探索研发多能源供给式设备，以便更好地满足国内市场需要。
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异位热脱附技术在有机污染土壤场地中的应用论文
人参与 2024-09-20 10:51:06 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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