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摘要：文章分析了五種異位熱脫附工藝技術的特點，以某市污染紡織印染地塊有機污染土壤項目為例，介紹了新型土壤中有機污染異位熱脫附高效處理集成設備，該設備在有效處理有機污染土壤的同時，實現了尾氣超低排放，并最大限度地利用余熱以減少熱能損失、降低設備運行成本、實現了穩定可靠運行，為我國黏質土壤中有機污染物高效處理集成設備的推廣與應用提供了參考依據。

關鍵詞：土壤有機污染；異位熱脫附處理；余熱利用；尾氣超低排放

隨著工業經濟的快速發展，大量工業污染企業搬遷后，遺留遺棄的工業污染場地被檢出含有高濃度典型有機污染物，由此造成了農產品質量下降、一系列人居環境安全事件等問題，污染地塊亟待開展有機污染場地修復工作[1]。在國內外土壤修復領域中，熱脫附技術作為適用范圍廣、處理指標穩定的一項處置技術，在高濃度典型有機污染場地修復項目上已得到廣泛應用。當前，我國熱脫附設備處在國產化研制起步階段，達到重點工程應用、商業化推廣的案例不多，大部分技術設備仍依賴進口，難以針對性地解決我國土壤污染的實際問題，制約著我國土壤修復產業的發展[2]。此外，國內外現有設備對基理研究少，存在能耗大、維護費用高、易產生二次污染等問題，亟待開展熱脫附設備優化及應用研究[3~5]。因此，開展具有自主知識產權、適應我國污染土壤特點的實用性、經濟性、有效性兼具，能耗低、二次污染控制水平高的國產化設備的優化研究與應用，對于推動我國土壤修復技術的自主研發、工程轉化及產業化進程具有重要意義。

1工程概況

我國某市污染紡織印染地塊修復項目，土壤總修復面積約62999m2，污染土方修復量2860m3。項目主要土壤類型為粉土夾粉質黏土、淤泥質粉質黏土，主要污壤類型為粉土夾粉質黏土、淤泥質粉質黏土，主要污染物為苯并[a]芘、總石油烴。項目需對苯并[a]芘、總石油烴進行修復，有機污染主要集中于土壤風險控制土方量為17900m3的第一層（0～1.7m），第二層（1.7～3.5m）土壤風險控制土方量為1949m3，兩層合計土壤風險控制總土方量為19849m3。項目土壤中苯并[a]芘的修復目標為0.55mg/kg，總石油烴的修復目標為826mg/kg。

2技術分析

熱脫附技術是指通過直接或間接熱交換，將土壤中的有機污染物加熱到足夠的溫度，使有機污染物從污染介質上得以揮發或分離，進入氣體處理系統進行處理，可用于處理較大范圍的有機污染物，如石油烴、揮發性有機物、半揮發性有機物、農藥、多環芳烴、多氯聯苯等。該技術可分為原位熱脫附技術、異位熱脫附技術兩大類。其中，因異位熱脫附技術具有污染物去除率高、處理速度快、適用范圍廣等優點，有機污染場地修復項目大多選用異位熱脫附技術[6~8]。根據技術路線的不同，異位熱脫附可選用回轉窯、流化床、真空間接、微波、紅外線五種主要技術手段。2.1回轉窯熱脫附技術?；剞D窯熱脫附技術根據火焰與污染土壤的接觸方式，分為直接熱脫附和間接熱脫附；根據用于處理土壤有機污染物的加熱溫度，分為高溫熱脫附和低溫熱脫附。預處理、脫附和尾氣處理系統組成整個回轉窯熱脫附處理工藝；其中，篩分、脫水、破碎與磁選等過程在預處理階段完成；脫附系統可采用回轉干燥、熱螺旋推進兩種處理方式；通過焚燒或冷凝回收的方式去除尾氣污染。回轉窯熱脫附技術適用于處理揮發及半揮發性有機污染物（如石油烴、農藥、多氯聯苯）和汞，可處理土方量大，污染物去除率可達98%以上。在國外已廣泛應用于工程實踐，而在我國處在起步和推廣應用階段。2.2流化床熱脫附技術。流化床熱脫附技術是通過導熱介質與污染土壤換熱，使得污染土壤中的有機污染物達到沸點后完成的脫附，具有以下優勢：1）懸浮狀態下的污染土壤因與流體接觸相界面積大，對非均相反應有利；2）氣固兩相間的傳熱傳質速率較其他接觸方式高；3）脫附裝置不含機械運動部件，投資成本低，維修工作量小，符合工程化需要。但流化床技術應用有如下缺陷：1）對被脫附土壤顆粒度有一定限制，一般不大于40mm；2）由于流化床內的土壤返混比較激烈，有可能發生未經完全脫附的土壤隨脫附后的土壤一起排出床層的情況；3）屬于低溫熱脫附設備，只能用于苯等低沸點有機物污染土壤的脫附。2.3真空間接熱脫附技術。真空間接熱脫附技術基于真空蒸發器腔室，采用加熱與受控的真空的方式，對常溫下沸點低于600℃的污染物質進行脫附處理。圓柱形蒸發器內的旋轉軸，可確保蒸發器中物料的充分攪拌混合，以確保高效的熱傳遞，可實現短時間更加節能的批次運行。蒸發完成后，尾氣流經高效蒸汽過濾器，以阻止粉塵與蒸汽結合。特殊設計的換熱器，通過間接冷卻式冷凝方式，從主蒸汽流中分離出氣化的物質。對有價值物質的單獨回收，是通過平緩加熱，確保清晰的分離蒸發與冷凝而實現的。該技術為德國ECON主推技術，系統采用模塊化設計，所有模塊高度預裝，對汞、PCBs以及石油烴等污染物的處理已有實際應用。2.4微波熱脫附技術。與常規加熱方式不同，微波熱脫附是指微波輻射穿透土壤后對土壤中的水和有機污染物進行加熱處理，使有機污染物轉換成蒸汽形態從土壤中釋放，同時，因以電磁波的形式進行能量傳遞，轉換效率高，可用來高效處理揮發、半揮發形態的有機污染物，尤其適用于極性化合物的處理。目前，該技術仍停留在機理研究階段。微波熱脫附具有在較短的反應時長內促成具體反應的優點，例如，無機氧化物與其他物質組成的混合物在幾分鐘內可快速升溫到1200℃～1300℃。因此，在封閉環境系統內，利用微波熱脫附技術可迅速升至高溫，將土壤中典型有機污染物快速分解。2.5紅外線熱脫附技術。紅外線熱脫附技術以輻射加熱為主，遠紅外線作用于土壤顆粒內部，因振動、旋轉達到向外加熱的目的，使顆粒內部的污染物相對更易脫附?；谖锢韺W原理，將密閉空間抽至真空，可大幅降低封閉空間內土壤有機污染物的沸點，可實現在較低溫度下有機物的高效脫附。國外的研究應用結果顯示，該項技術脫附效率可達99.99%以上。與常規的通過熱風或火焰直接或間接與污染物接觸的脫附方式相比，紅外線熱脫附具有脫附效率高、耗能低等優勢，普遍適用于修復針對汽油、苯等低沸點揮發性有機物污染土壤。目前，國內外對沸點高、揮發性低的有機物污染土壤，采用紅外線熱脫附修復技術方式的研究及應用甚少。

3設備技術的選擇及關鍵部件設計

基于項目土壤黏粒、水含量、污染物特性、分布規律、修復目標、合同要求等要素，對異位熱脫附技術中各項主流技術，從技術可行性、經濟性、實用性、去除效果等方面進行綜合選擇，選取異位直接回轉窯熱脫附集成設備對苯并[a]芘、總石油烴進行處理，有機污染土壤異位直接回轉窯熱脫附處理工藝流程如圖1所示。異位直接回轉窯熱脫附設備主要由預處理、脫附、余熱換熱、尾氣處理四大關鍵部件組成，異位直接回轉窯熱脫附設備結構如圖2所示。3.1土壤破碎篩分預處理設計。傳統破碎篩分設備如振動篩、對輥破碎機等廣泛應用于熱脫附前端預處理過程，但當土壤含水率大、黏性高時，易出現設備黏堵、故障率高、工作效率低等問題，很難實現破碎篩分。為解決項目場地黏質土壤的破碎篩分需求，自主創新設計了振動篩分、多軸對輥破碎一體化設備。篩分裝置位于設備上方，土壤經挖掘機或裝載機投入篩分斗的篩格后，篩斗兩側振動電機使篩格上下往復振動，土壤在篩格上被拋起并向前推移，大尺寸土塊被振動松散，小粒徑的土石塊穿過篩格間隙落入下方破碎裝置繼續完成破碎。破碎裝置位于設備下方，采用多輥軸對輥破碎結構，利用設計獨特的對輥傾角和自清理嚙合刀頭，以及兩側的振動模塊，及時清理破碎裝置內壁的積料破拱，解決黏性土壤包軸、不易碎散的難題。3.2兩段式回轉窯設計。采用自主創新設計的上下層布置的兩段式回轉窯，可在實現有機污染物高效處理的同時，降低燃燒爐熱損失、有效提高熱能利用率?；剞D窯由窯頭、加熱爐本體、窯尾和傳動機構組成，由鋼板卷成的圓筒內襯耐火層和保溫層，在加熱爐本體上設有兩組支撐輪和一個大齒圈，傳動機構通過小齒輪與加熱爐本體上的大齒圈連接，通過大齒圈帶動加熱爐本體轉動。預熱干燥回轉窯位于上層、回轉熱解窯位于下層。上層回轉窯干燥室窯尾與下層回轉窯熱解吸室窯頭相連。污染土壤經皮帶輸送機送入回轉窯窯頭，由螺旋輸送機送入回轉窯干燥室，隨回轉窯的轉動向窯尾推進，污染土壤在上層回轉窯干燥室內經預熱干燥，通過上下相連的通道進入回轉窯熱解室，被進一步加熱到200℃～600℃，99.9%的有機污染物被加熱到沸點以蒸汽形式分離出來，分離有機污染物后的土壤隨回轉窯轉動推送至窯尾出料口卸下。而下層回轉窯被分離的有機污染物蒸汽，隨煙氣一起由上層回轉窯進料端的煙氣排放口進入尾氣處理系統。3.3多管旋風除塵設計。采用四管正中進排氣的結構設計，基于氣流旋轉過程產生的離心力，使粉塵從含塵氣流中分離出來。多管除塵器內壁涂有隔熱、防磨材料，外壁包裹200mm厚的保溫材料。為實現多管旋風除塵器的低阻高效性能，做出以下優化設計：1）為調整尾氣中粉塵濃度的分布方式，進氣方式從切向通道改為回轉通道設計，以減少短路排塵量；2）在圓錐體上增加排塵通道，防止抵達壁面的粉塵二次反混；3）為保障去除粉塵時不產生二次污染，粉塵卸料采用密閉輸送（在四個錐體底部設置插板閥，插板閥出口連接螺旋輸送機，螺旋輸送機落料至皮帶輸送機，粉塵與潔凈土壤一同卸至堆場）。3.4二燃室反應塔設計。采用“二燃室助燃器+二次供風裝置+余熱加熱器”工藝結構設計，保障煙氣在二燃室滯留時間符合要求，以確保煙氣在高溫環境下與氧氣充分接觸。根據二燃室出口煙氣含氧量，調整供風量，使未燃盡物質徹底分解達到標準要求。項目還集成了自主研發設計的選擇性非催化還原法脫硝（SNCR）技術，在去除煙氣二噁英、有機污染物的同時實現初步脫硝。3.5余熱換熱器設計。為使土壤熱脫附后的煙氣迅速降溫，在二燃室后設置常壓余熱換熱器。約900℃高溫煙氣經熱水換熱器受熱面吸熱后，被迅速降至204℃左右，進入后續處理設施。余熱換熱器水溫由85℃升至110℃，后經冷卻塔冷凝至85℃，通過循環泵進入熱水換熱器進行循環。3.6半干法脫硫+活性炭噴射+布袋除塵設計。熱脫附煙氣中含有一定量的SO2、HCl等酸性氣體，在尾氣處理系統中設置半干法脫硫塔，通過噴入堿性溶液來凈化煙氣中的酸性氣體，同時控制進入布袋的煙氣溫度低于130℃。因環保要求項目尾氣排放需達到超低排放要求，在布袋除塵前端設置活性炭噴射器，通過噴入活性炭來吸附煙氣中的酸性氣體，保證煙氣出口SO2的含量低于100mg/Nm3（35mg/Nm3需安裝濕法脫硫裝置）、出口HCl的含量低于6mg/Nm3（5mg/Nm3需安裝濕法脫硫裝置）。因回轉窯熱脫附粉塵量大，在二燃室入口前設置多管旋風除塵器，去除煙氣中的粉塵，以減小粉塵對二燃室、熱交換器等設備的磨損和堵塞風險。在半干反應塔脫硫后，設置布袋除塵器，保證煙氣中粉塵含量低于20mg/Nm3。3.7主要參數（見下表）。3.8運行情況。項目實施完成后，因預處理措施較好，熱脫附設備運行良好、故障率低，可實現24h連續穩定運行；創新設計的余熱回收利用模塊，將二燃室回收的余熱用于加熱回轉窯中污染土壤、預熱二燃室助燃空氣，提升了熱量利用率、降低了設備運行能耗。驗收檢測報告顯示，污染場地中苯并[a]芘、總石油烴污染物去除率達99%以上，排放尾氣滿足國家環保標準相關要求。目前，項目已順利通過驗收。

4結論

項目采用“土壤破碎篩分→回轉窯熱脫附→二燃室高溫分解→余熱利用→尾氣超低排放”先進工藝設計、“振動篩分多軸對輥破碎一體化、兩段式回轉窯熱脫附”關鍵核心部件、“余熱回收利用、尾氣超低排放”關鍵技術等，在有機污染土壤得到有效處理的同時，尾氣實現超低排放，并最大限度地利用余熱以減少熱能損失、降低設備運行成本。技術先進、設備運行穩定，適用于我國黏質土壤有機污染物的有效穩定治理。

作者:馬英 劉凱 姚超良 楊有余 舒心 付柳淑 單位:1.永清環保股份有限公司 2.湖南葆華環保有限公司 3.湖南省衡陽生態環境監測中心