土壤異位直接熱脫附技術與設備的研究及應用

朱清

（永清環保股份有限公司，長沙 410330）

隨著我國經濟結構的調整，大量化工廠地遷出城區，遺留的污染場地（主要指有機物污染土壤）往往用作房地產開發，土壤修復任務重、周期較短，不宜采用修復時間較長的原位修復技術，需要采用快速高效的異位土壤修復技術[1]。異位熱脫附技術具有污染物去除率高、適用性強等顯著優勢，因而在有機污染場地土壤修復工程中得到普遍應用。該技術的基本原理是通過直接或者間接加熱，使土壤達到一定溫度，其中的有機污染物向氣相轉換并揮發、分離，進而通過尾氣處理系統徹底去除，實現尾氣達標排放[2]。隨著我國對異位熱脫附技術工藝的研究及實踐，異位熱脫附技術工藝及設備已經逐漸趨向成熟，異位直接熱脫附設備也開始應用于相關工程項目中，通過不斷的應用優化，設備也具備了穩定性、可靠性，相關技術經驗也在逐步積累中。

1 工程概況

某市土壤修復工程項目，場地土壤目標污染物為苯、甲苯、乙苯、對二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯、苯乙烯、1,2-二氯丙烷、1,2,3-三氯丙烷、1,4-二氯苯、柰、苯酚、苯并[a]蒽、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd] 芘、二苯并[a,h]蒽和TPH（C10-C40）。土壤修復工程修復面積為436 085m2，修復土方量為926 009.36m3，修復土層深度為0—14.5m，對應修復深度分為6 層，分別為0—1.5m、1.5—4m、4—6m、6—8m、8—10m 和10—14.5m。地塊修復后規劃作為商業用地、公園及住宅用地。該項目針對各土層范圍及細分區塊制定了不同的修復技術方案，其中異位熱脫附技術主要用于修復0—1.5m、1.5—4m 含PAHs/TPH 的表層高濃度污染土壤（PAHs 超標10 倍以上、TPH 超標20 倍以上），修復土方量約為92 362.05m3，采用一臺15t/h 處理能力的直接熱脫附設備，占地規模為48m×32m，面積約1536m2。

2 技術原理及工藝流程

有機污染土壤異位直接熱脫附技術是通過直接加熱，將污染土壤加熱至目標污染物的沸點以上，通過控制系統溫度和物料停留時間有選擇地促使污染物氣化揮發，使目標污染物與土壤顆粒分離，進入尾氣處理系統完全燃燒分解、冷卻、除塵后排放。

該項目采用土壤異位直接熱脫附技術工藝，將挖掘后的污染土壤運至處理車間暫存區域，通過破碎篩分機進行預處理。預處理后的污染土壤通過密封的皮帶輸送機送至回轉窯料斗，通過螺旋輸送機送至窯內，回轉窯分干燥窯和主回轉窯兩段。窯內土壤在傾斜角重力下不斷回轉，向窯尾熱端移動，燃燒器端不斷放熱產生高溫煙氣，使得土壤與煙氣在逆向運動中進行熱量交換，在回轉窯燃燒器的作用下，污染土壤被均勻加熱至污染物氣化的溫度，通過控制系統溫度和物料停留時間有效促使污染物氣化揮發，使有機污染物與土壤顆粒分離。同時，土壤中的污染物氣化后混入煙氣中形成尾氣，進入后續的煙氣凈化過程，富集氣化污染物的尾氣通過旋風除塵、二燃室高溫分解、換熱器冷卻降溫、半干法脫酸塔堿液反應、布袋除塵等環節去除尾氣中的污染物。而污染土壤則在經過干燥窯和主回轉窯之后隨皮帶輸送機降溫冷卻，從而得到凈化。

3 技術特點

異位直接熱脫附技術適用于揮發及半揮發性有機污染物（如石油烴、農藥、多環芳烴、多氯聯苯）和汞（但對汞的處理效果不好）。物料在窯內停留時間≥30min，窯內填充率約為15%。一般情況下，直接熱脫附處理土壤的溫度為150℃—600℃，滿足絕大多數有機物揮發的氣化溫度。土壤中污染物能夠被均勻、充分脫附，脫附效率達到99.9%以上，有害污染物的高溫氧化率達到99%。排氣中有機物濃度要低于爆炸下限25%。有機物含量高于5%的土壤不適用于直接熱脫附系統。富集氣化污染物的尾氣通過旋風除塵、焚燒、冷卻降溫、布袋除塵、堿液淋洗等環節去除尾氣中的污染物，尾氣處理后排放氣體達到行業相關標準。

該設備可實時觀測窯內火焰情況、實時監控溫度及負壓并及時調節相關參數控制，通過土壤冷卻器末端溫度實時調整水冷器循環水量，回轉窯的轉速、喂料機構的喂料速度、土壤冷卻器的循環水流量等參數均可實現智能化控制，根據系統實際運行情況可手動/自動調節。設備設置了預處理系統、熱脫附系統、尾氣處理系統等三大主要系統。

3.1 預處理系統

對挖掘后的土壤進行適當的預處理，如破碎、篩分、調節土壤含水率、磁選等。預處理時須保證土壤含水率≤30%（宜低于25%），含水率高，會消耗大量熱量且會增加尾氣處理系統的蒸汽負荷，為了實現節能，一般可增設余熱回收裝置用于預處理土壤脫水。最大土壤粒徑不應超過5cm 且超過50%的土壤粒徑應大于200 目，以防止細顆粒土壤隨氣流排出，導致氣體處理系統超載。

3.2 熱脫附系統

污染土壤通過密封的皮帶輸送機送至回轉窯料斗，通過螺旋輸送機送至窯內，窯內土壤在傾斜角重力下不斷回轉，向窯尾熱端移動，燃燒器端不斷放熱產生高溫煙氣，使得土壤與煙氣在逆向運動中進行熱量交換，同時，土壤中的污染物氣化后混入煙氣中，進入后續的煙氣凈化過程。干燥窯與主回轉窯串聯工作，使得土壤在前段干燥窯中充分利用高溫煙氣進行預熱，后端在主回轉窯中充分加熱至有機污染物氣化，確保足夠的停留時間。而污染土壤則在經過干燥窯和主回轉窯之后隨皮帶輸送機降溫冷卻，從而得到凈化?；剞D窯內火焰與污染土壤直接接觸，熱脫附溫度最高可達到600℃以上，而且實際工作溫度、污染土壤停留時間可調。冷卻器內部循環的冷卻水流量可調，以保證冷卻器出口處土壤溫度≤40℃，并采取必要的降塵措施。每個窯身均通過法蘭分段連接，便于轉移、運輸，安裝方便。與危廢項目的回轉窯相比，該回轉窯的直徑小，只需滿足土壤中污染物熱氣化反應溫度，無須達到污染物燃燒溫度，可減少土壤帶走的熱量，減少能耗。干燥窯與主回轉窯采用上下雙層垂直布置，布置緊湊，減少占地。為減少窯內熱量損失，在窯內設置150—200mm 厚度的耐火材料。

3.3 尾氣處理系統

（1）收集脫附過程產生的氣體，通過尾氣處理系統對氣體進行脫硝、脫硫、除塵等處理后達標排放。從回轉窯出來的含污染物的煙氣含有較多粉塵，煙氣經過旋風除塵器，可降低粉塵的分割粒徑，提高粉塵的去除率，減少二燃室的顆粒粉塵量，減少燃料用量。土壤中含有黏土，在高溫水蒸氣作用下，容易氣化，從而去除大量粉塵，防止換熱器結垢。

（2）從旋風除塵器出來的煙氣進入二燃室，煙氣溫度在燃燒器加熱下可達900℃，煙氣中的有害物質如多氯聯苯、二噁英等在高溫下分解。二燃室豎向布置，有利于小顆粒粉塵的排出。在煙氣溫度900℃、停留時間≥2s 的條件下，可使煙氣中有害物質如多氯聯苯、二噁英徹底分解。在二燃室的煙氣入口處，設置噴氨預留接口，在煙氣中含有NOx的情況下，可噴氨脫硝。在二燃室內設置200mm 厚度的耐火材料進行保溫，減少熱量損失。從二燃室出來的高溫煙氣進入換熱器進行快速降溫，煙氣溫度從900℃降至200℃左右，避免了二噁英等有害物質的重新合成。煙氣溫度從900℃快速降至200℃左右，驟冷工藝縮短了煙氣處于二噁英最佳合成溫度（250℃—500℃）的時間，避免二噁英重新合成。

（3）換熱器產生的熱水可進行回收利用，回收的熱水可用于前段土壤預處理或生活用水。設置激波吹灰器，避免換熱器結垢。從換熱器出來的低溫煙氣進入半干法脫酸塔中，在堿液（如NaOH 或Na2CO3）的作用下，將煙氣中SO2、HCl、HF 等酸性氣體去除。

（4）在脫酸塔煙氣入口處設置與筒體成一定傾斜角度的堿液噴嘴，在筒體內部設置螺旋線葉片，使得噴出的霧狀堿液小液滴在塔內成螺旋下降運動，煙氣受堿液螺旋運動的影響，充分混合，達到脫酸效果。入口煙氣SO2含量≤800Nm3/h（干），脫硫效率可達80%—90%，停留時間≥10s，防止后續的布袋除塵器糊袋。

（5）從脫酸塔出來的煙氣進入布袋除塵器，煙氣中絕大部分微小粉塵可被布袋截留去除。在煙氣進入布袋除塵器之前，設置活性炭預留接口，如噴入活性炭，布袋中的活性炭可有效吸附煙氣中重金屬。布袋除塵器的除塵效率≥99%，出口粉塵濃度≤20mg/m3。從布袋除塵器出來的煙氣經過前段的脫硝、脫酸、去除有毒有害物質及除塵工藝，最終通過煙囪排到大氣中。整個處理過程均處于封閉、負壓狀態，不會產生二次污染。

4 修復情況

該項目采用的異位直接熱脫附設備于2021 年2 月開始投入試生產，設備各系統和設施運行正常，2021 年2 月、3 月、4 月，對該項目修復后的土壤及排放尾氣進行了現場檢測（見表1、表2），各污染因子均符合相關標準限值要求。

表1 污染土壤主要污染物修復值（單位：mg/kg）

表2 污染土壤修復廢氣排放值

（1）土壤修復目標值執行《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（暫行）》（GB 36600—2018）中第一類用地篩選值。

（2）有機廢氣污染物排放標準執行《工業企業揮發性有機物排放控制標準》（DB 12/524—2014），異味標準執行《惡臭污染物排放標準》（DB 12/059—2018），天然氣燃燒廢氣排放標準執行《工業窯爐大氣污染物排放標準》（DB 12/556—2015），其他執行行業標準。

5 結語

該項目針對0—1.5m、1.5—4m 含PAHs/TPH 的表層高濃度污染土壤（PAHs 超標10 倍以上、TPH超標20 倍以上），采用異位直接熱脫附技術及設備進行修復，設備投產后穩定運行，處理效果滿足該項目修復目標。有機污染土壤通過破碎篩分機進行預處理后，在回轉窯燃燒器的作用下，污染土壤被均勻加熱至污染物氣化的溫度，通過控制系統溫度和物料停留時間有效促使污染物氣化揮發，使有機污染物與土壤顆粒分離。富集氣化污染物的尾氣經旋風除塵、二燃室高溫分解、換熱器冷卻降溫、半干法脫酸塔堿液反應、布袋除塵等環節能有效去除尾氣中的污染物。異位直接熱脫附技術工藝已經趨向成熟應用，設備運行穩定、可靠，滿足土壤修復要求，尾氣排放滿足國家相關標準，該項目異位直接熱脫附技術和設備具有可復制性。