回轉(zhuǎn)窯技術(shù)在土壤修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

趙鳳

（北京京城環(huán)保股份有限公司，北京 100027）

前言

土地污染在我國已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)峻問題，由于產(chǎn)業(yè)布局不當(dāng)及污染控制措施不足導(dǎo)致大量土地被污染。根據(jù)相關(guān)調(diào)查[1]，工業(yè)“三廢”排放、各種農(nóng)用化學(xué)品使用、城市污染向農(nóng)村的轉(zhuǎn)移以及通過大氣和水體進(jìn)入土壤的污染物，導(dǎo)致重金屬和難降解有機(jī)物在土壤中長期累積，已經(jīng)嚴(yán)重影響了居民的身體健康和社會(huì)穩(wěn)定。《全國土壤污染狀況調(diào)查報(bào)告》顯示，耕地土壤污染點(diǎn)位超標(biāo)率約20%，重污染企業(yè)、工礦企業(yè)及采礦區(qū)等土壤污染點(diǎn)位超標(biāo)率大于30%。我國土壤污染狀況嚴(yán)重，土壤修復(fù)需求迫切[2、3]。土壤修復(fù)則是世界性難題，我國土壤修復(fù)行業(yè)仍處于初始階段，政策是主要推動(dòng)力，即通過推動(dòng)土壤修復(fù)方面的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)等制度建設(shè)，推動(dòng)土壤修復(fù)市場(chǎng)的不斷釋放[4、5]，目前在我國中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的土壤修復(fù)工程公司較多，并逐漸形成產(chǎn)業(yè)鏈。

土壤修復(fù)技術(shù)主要有熱處理技術(shù)、淋洗浸提技術(shù)、電動(dòng)修復(fù)技術(shù)、固化/穩(wěn)定化技術(shù)、微生物降解技術(shù)、植物富集/隔離技術(shù)。其中，熱解吸技術(shù)是直接或間接加熱污染土壤使其所含的有機(jī)污染物揮發(fā)或分離的過程[6]，熱解吸技術(shù)通常采用回轉(zhuǎn)窯作為熱解吸設(shè)備，具有較高的工藝成熟度、處理量穩(wěn)定、整個(gè)修復(fù)周期可控的優(yōu)點(diǎn)[7]。

1 熱解吸處理污染土壤工藝流程

熱解吸技術(shù)用于去除土壤、污泥和沉積物中的揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOC）和半揮發(fā)性有機(jī)污染物（SVOC），即使用加熱的方法使污染組分揮發(fā)。熱解吸常常應(yīng)用在那些污染土壤的深淺度是通過機(jī)械設(shè)備挖掘能夠達(dá)到的地方，相比其他技術(shù)具有更快和更好的處理效果。根據(jù)美國環(huán)保署（US EPA）的描述，熱解吸適用于在污染土地搭建設(shè)施進(jìn)行土壤的就地修復(fù)，或者通過卡車等交通工具運(yùn)輸污染土壤至集中處理場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)。處理工藝流程見圖1。

圖1 熱解吸處理工藝流程

以回轉(zhuǎn)窯作為加熱設(shè)備為例，典型的土壤熱解吸處置系統(tǒng)主要包括以下部分：待處理土壤與處理后土壤存儲(chǔ)系統(tǒng)、篩分處理系統(tǒng)、土壤輸送系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯及二燃室焚燒系統(tǒng)、助燃系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、煙氣調(diào)溫系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、灰渣收集與輸送系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣站系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。回轉(zhuǎn)窯熱解吸土壤處理工程應(yīng)用見圖2。熱解吸技術(shù)用于土壤修復(fù)只能除去土壤中的揮發(fā)性有機(jī)污染物和半揮發(fā)性有機(jī)污染物，對(duì)于含有重金屬等污染物的情況，需要增加工藝設(shè)備做進(jìn)一步處理。

圖2 應(yīng)用熱解吸技術(shù)處理污染土壤

2 回轉(zhuǎn)窯熱解吸處理污染土壤的工藝設(shè)計(jì)

2.1 土壤參數(shù)

土壤的特性對(duì)于熱解吸技術(shù)的應(yīng)用效果有很大影響，因此在設(shè)計(jì)前需要掌握土壤等級(jí)和土壤參數(shù)特點(diǎn)，并理解熱解吸技術(shù)在土壤修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性與局限性。為了獲得土壤修復(fù)工程的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，熱解吸技術(shù)通常不適用下列有機(jī)物污染土壤的處理：

1）土壤濕度過高。高濕度土壤需要脫水，并會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過高的汽化潛熱；2）土壤顆粒直徑過大（＞5cm）。土壤中過大的顆粒需要經(jīng)過分割細(xì)化或者人工分揀；3）含較多低揮發(fā)性/或難揮發(fā)性污染物。土壤多次循環(huán)加熱會(huì)提高處理成本；4）土壤過于粗糙。粗糙的土壤顆粒具有研磨作用，損毀工藝單元，縮短系統(tǒng)壽命；5）含大量腐殖質(zhì)。高腐殖質(zhì)性的物質(zhì)會(huì)使得污染物與土壤的結(jié)合更加牢固，導(dǎo)致停留時(shí)間的延長。

2.2 回轉(zhuǎn)窯設(shè)備

回轉(zhuǎn)窯熱解吸處理污染土壤最廣泛應(yīng)用的技術(shù)是利用回轉(zhuǎn)窯在順流或逆流兩種模式下進(jìn)行干燥處理。回轉(zhuǎn)干燥窯操作不同于常規(guī)的回轉(zhuǎn)窯焚燒操作，干燥窯是由碳鋼（用于低溫?zé)峤馕┗蚝辖痄摚ㄓ糜诟邷責(zé)峤馕?gòu)成，沒有耐火襯料，啟爐相對(duì)快速。干燥窯整體沿物料流向傾斜1°～2°，保證土壤在工藝單元中的移動(dòng)。啟爐時(shí)回轉(zhuǎn)窯的初始填充率在內(nèi)部斷面的6%～14%，此后土壤存量可以調(diào)整，以適應(yīng)物料停留時(shí)間的需求。

干燥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁設(shè)有揚(yáng)料板，揚(yáng)料板翻攪土壤至熱氣流中，增加土壤與熱源的接觸面積。揚(yáng)料板以一定間隔在窯內(nèi)呈圓周分布，由壁面向內(nèi)延展，高度為整個(gè)窯直徑的8%～12%。揚(yáng)料板根據(jù)土壤的流動(dòng)性來調(diào)整設(shè)計(jì)，如果土壤參數(shù)隨著干燥進(jìn)程變化很大，則沿回轉(zhuǎn)窯長度方向調(diào)整揚(yáng)料板的設(shè)計(jì)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，干燥回轉(zhuǎn)窯是通過插入內(nèi)部的燃燒器直接焚燒加熱，也有系統(tǒng)是間接焚燒加熱，即高溫燃燒氣體在環(huán)繞回轉(zhuǎn)窯外壁設(shè)置的一個(gè)爐膛結(jié)構(gòu)里生成，熱量從窯壁向內(nèi)部土壤傳導(dǎo)。在間接焚燒系統(tǒng)中，土壤的停留時(shí)間在1～2h。間接焚燒在轉(zhuǎn)化熱能方面效率不佳，但其生成尾氣濃縮度高，從而減少了二次燃燒的費(fèi)用。同時(shí)，由于間接焚燒干燥窯內(nèi)的氣體流速明顯低于直接焚燒干燥窯，進(jìn)入到氣體中的土壤也減少了。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部分為干燥區(qū)和污染物揮發(fā)區(qū)，土壤的停留時(shí)間通過旋轉(zhuǎn)速度、傾斜角度和揚(yáng)料板的排列來調(diào)整，具體取決于處理設(shè)備的形式結(jié)構(gòu)和污染物的揮發(fā)性。例如，處理揮發(fā)性溶劑污染的干燥土壤，采用間接焚燒處理6～10min能得到令人滿意的效果，而處理多氯聯(lián)苯污染的潮濕土壤，采用間接焚燒可能需要90min甚至更長的時(shí)間。熱解吸所需時(shí)間與溫度之間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，使用更高溫度的加熱氣體會(huì)減少物料停留時(shí)間并提升系統(tǒng)處理能力，但同時(shí)導(dǎo)致燃料成本增加。

根據(jù)土壤和高溫?zé)煔獾倪\(yùn)動(dòng)方向，順流干燥窯和逆流干燥窯的特點(diǎn)比較見下表。

順流干燥窯與逆流干燥窯的特點(diǎn)比較表[8]

2.3 處理溫度

高溫?zé)煔獾臏囟群屯寥浪_(dá)到的溫度都是熱解吸工藝的關(guān)鍵參數(shù)，煙氣的溫度范圍限定了進(jìn)料量以適應(yīng)系統(tǒng)的處理能力。對(duì)于給定的工藝系統(tǒng)，提高進(jìn)口煙氣溫度，可以減少加熱氣體的用量，也就意味著系統(tǒng)后端需要處理的氣體量減少。土壤所達(dá)到的溫度同時(shí)決定著污染物的去除程度和被脫除污染物的種類范圍，土壤在進(jìn)行修復(fù)時(shí)的目標(biāo)溫度取決于污染物的蒸發(fā)特性。有時(shí)由于強(qiáng)大的吸附能，為了獲得可接受的修復(fù)效果所需的溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過污染物在標(biāo)況條件下的沸點(diǎn)。

回轉(zhuǎn)窯總熱量傳導(dǎo)可用下式進(jìn)行估算：

式中：

Qt—傳導(dǎo)的總熱量，kcal/h；

L—回轉(zhuǎn)窯長度，m；

D—回轉(zhuǎn)窯直徑，m；

G—?dú)怏w傳質(zhì)速率，kg/hr·m2；

?tm—回轉(zhuǎn)窯進(jìn)出口濕球溫度差值的對(duì)數(shù)平均數(shù)，℃。

因?yàn)槲侥艿挠绊憽饬鲃冸x效應(yīng)和揚(yáng)料板作用，傳熱和傳質(zhì)是很難通過計(jì)算得到，實(shí)際中往往通過試驗(yàn)檢驗(yàn)。

值得注意的是，高溫使揮發(fā)性有機(jī)物與土壤分離的同時(shí)，對(duì)土壤本身的有機(jī)質(zhì)含量、粒度分布等參數(shù)也有重要影響[9]，高溫處理后土壤需要重新評(píng)估土壤性能，再利用與回填處理時(shí)需要考慮土壤性質(zhì)的變化。

2.4 停留時(shí)間

土壤的停留時(shí)間與溫度共同決定著土壤的熱解吸效果，通常，在高溫條件下進(jìn)行操作可以適當(dāng)減少停留時(shí)間。因?yàn)閾P(yáng)料板的作用，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯中的物料停留時(shí)間規(guī)律并不適用于估算土壤在干燥回轉(zhuǎn)窯中的情況，對(duì)于不同特點(diǎn)的土壤和揚(yáng)料板設(shè)計(jì)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系需要通過實(shí)際測(cè)試獲得。回轉(zhuǎn)窯的停留時(shí)間可用Friedman和Marshall的下述理論進(jìn)行估算：

式中：

土壤逆流流動(dòng)做加法，土壤順流流動(dòng)做減法。

L—回轉(zhuǎn)窯長度，m；

S—回轉(zhuǎn)窯斜率，m/m；

N—轉(zhuǎn)速，rpm；

D—回轉(zhuǎn)窯直徑，m；

G—?dú)怏w傳質(zhì)速率，kg/h·m2；

F—回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料速率，kg干物料/h·m2；

Dp—物料的平均粒徑，μm。

土壤熱解吸修復(fù)的時(shí)間主要取決于污染場(chǎng)地面積和深度、解吸設(shè)備處理能力、污染物濃度、土壤中是否含有導(dǎo)致污染物不易解吸的大量塵土、黏土或有機(jī)物，以及是否含有需要破碎或移除的大量雜質(zhì)。

2.5 尾氣凈化

回轉(zhuǎn)窯熱解吸處理污染土壤與焚化技術(shù)相比，熱解吸工藝釋放了較少的煙氣。熱解吸處理污染土壤的尾氣凈化主要指煙氣除塵、可燃?xì)怏w焚燒、煙氣脫酸、煙氣除濕等工藝，工藝流程圖見圖3。

圖3 回轉(zhuǎn)窯熱解吸修復(fù)污染土壤工藝流程

對(duì)于直接焚燒加熱的干燥回轉(zhuǎn)窯，通常采用旋風(fēng)除塵器捕集氣體中的大部分顆粒物。旋風(fēng)除塵器后是再燃室，用來用于破壞去除有機(jī)物質(zhì)。如果沒有酸性氣體控制的要求（有機(jī)物質(zhì)稀薄或不是鹵代物），則再增加一個(gè)蒸氣冷卻器和布袋除塵器就可完成整個(gè)工藝流程。如果HCl或者其他酸性氣體大量生成，必須進(jìn)行酸性氣體控制，則需設(shè)置能夠添加苛性堿的洗滌設(shè)備。在短期修復(fù)情況下，濕法洗滌會(huì)帶來廢水處理處置上的難題。

對(duì)于間接焚燒的干燥回轉(zhuǎn)窯處理系統(tǒng)，如果尾氣中有機(jī)污染物的濃度足夠高，可以在回轉(zhuǎn)窯后增設(shè)濃縮裝置來冷卻并回收這些成分。二燃室的焚燒處理作為有效的凈化段要保證設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)避免火焰和煙氣蔓延回前端的濃縮裝置或者回轉(zhuǎn)窯。二燃室后設(shè)備工藝同直接焚燒加熱的干燥回轉(zhuǎn)窯尾氣處理工藝相同。

3 結(jié)論

污染土壤的熱解吸處理技術(shù)是重要的土壤修復(fù)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于處理揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)污染物的土壤。回轉(zhuǎn)窯作為熱解吸設(shè)備處理污染土壤，其處理污染效果受到土壤參數(shù)、回轉(zhuǎn)窯形式、處理溫度與停留時(shí)間、尾氣凈化工藝等影響，具有容積熱負(fù)荷高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

回轉(zhuǎn)窯目前在水泥生產(chǎn)、危險(xiǎn)廢物處理方面應(yīng)用較多，隨著土壤修復(fù)在環(huán)保領(lǐng)域的崛起，將進(jìn)一步拓展回轉(zhuǎn)窯的市場(chǎng)應(yīng)用。實(shí)際中，由于污染土壤土質(zhì)成分復(fù)雜或污染情況嚴(yán)重等因素，導(dǎo)致修復(fù)難度系數(shù)較高或處理效果難以預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)一般通過中試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)合理化設(shè)置并設(shè)定符合實(shí)際的目標(biāo)。