土壤修复混合试验系统的研制

马晓宇王士勇

（上海化工研究院)

土壤修复混合试验系统的研制

马晓宇*王士勇

（上海化工研究院)

研制了一种异位土壤修复过程混合试验系统，可用于土壤修复中固液、固固等体系的混合试验研究及修复工艺优化。该试验系统不仅具有较大的弹性操作范围，可根据过程需要实现间歇操作与连续操作的切换，对消耗功率进行在线测试评估，而且也可为土壤修复混合过程的数据支持和工艺优化提供必要的硬件支撑，有利于进一步推动我国绿色、节能、环保的土壤修复技术及装备的发展。

异位土壤修复混合系统试验装置工艺优化固固混合固液混合环境保护

0 前言

近几年，土壤污染问题己引起了我国各界的广泛关注。2016年5月28日国务院印发了被称为“土十条”的《土壤环境保护与污染治理防治行动计划》。无疑，作为国家对环境治理的具体行动计划与方案，其出台必定会激励相关企业参与土壤污染治理与修复，推动土壤治理与修复产业发展和成熟[1-2]。我国的土壤污染问题十分复杂，切实有效地推进土壤修复工作并开发与其相关的技术，是问题的关键所在[3]。从现有的治理方法来看，土壤修复仍然存在成本较高、治理周期长和修复效率不高等诸多问题。在已见刊的报道中，有很多关于土壤修复方法的研究，但是很少有关于土壤修复装备方面的研究。此外，也没有规范的有关土壤修复设备的标准或要求可供参考。土壤修复装备是土壤修复技术应用的载体。实际上土壤修复装备的好坏在很大程度上影响到土壤修复的效果，因此在关注土壤修复技术的同时，也需要增加土壤修复装备的研发力度。

土壤修复技术的应用需要相关修复设备的支撑，专业化的修复设备是土壤修复技术走向市场化和产业化的基础。物理修复的搅拌或容器装备，有机污染土壤的热脱附，重金属污染土壤的淋洗及淋洗液的后处理等都需要设备的参与，因此开发与应用基于专业设备的污染土壤修复技术是一种发展趋势[4]。搅拌混合是溶液淋洗法、固化稳定法、氧还原法和土壤改良剂投加技术等土壤异位修复过程中的关键工序。现有的修复工程中多借鉴建筑、采矿等行业的工程机械或搅拌设备，而关于土壤修复中混合过程工艺条件的优化、系统结构的完善方面的研究还少有见刊。为解决异位修复中混合设备专业化不够、修复效果难以保证和设备运行能耗高等问题，本研究介绍一种土壤修复混合试验系统，为土壤修复混合过程的数据支持和工艺优化提供了必要的硬件支撑。

1 土壤修复混合试验系统的构成

土壤修复混合试验系统的主体部分结构主要有撬装平台、密封箱、固体进口、液体输送单元、液体进料单元、混合元件、设备筒体等，如图1所示。该系统可用于土壤修复中固液、固固等体系的混合试验研究及修复工艺优化。该试验系统不仅具有较大的弹性操作范围，可根据过程需要实现间歇操作与连续操作的切换，对消耗功率进行在线测试评估，而且也可用于进行土壤混合工艺优化，对工作能耗和效果进行综合考察等。

图1 土壤修复混合试验系统结构

1.1 撬装平台

撬装平台由厚钢板与方钢焊接而成，其中钢板为主要支撑部分，而方钢起到架体加强的作用。由于设备在工作时会产生旋转振动，因此架体的宽度要大于搅拌设备本身的宽度，这样才能保证机身在运行中平稳。另外，可根据土壤修复的机动性要求，在设备底部安装滚轮，以方便移动，便于在土壤修复场地进行搅拌混合试验。

1.2 密封箱

密封箱的作用在于对主体搅拌装置的搅拌轴进行密封。根据工艺要求该密封箱为常压密封箱，外部金属材料为304不锈钢，内部填料密封部分选用耐温性、耐腐蚀性较好的四氟材料的填料。此外，为保证填料的长久使用，在密封箱外部还增加一个四氟挡圈，以阻止土壤颗粒物的进入。

1.3 固体进口

固体进口由空心金属圆筒制成。在结构方面最大的特点是，该进料口可在搅拌混合设备顶部按要求人工控制滑动，可适应不同位置的加料需求。同时为防止工作时搅拌粉尘扩散到设备外部，在进料口与上盖之间由耐高温的软性非金属材料连接。

1.4 液体进料单元

液体进料单元主要由放置在设备内部的喷淋管和喷嘴组成，其在功能方面可分为系统进液和筒体内部清洗两个功能。结构上，由于需要对试验液体进液量和进液速率等参数进行考察，为保证试验要求，该套装备的喷嘴安放在位于筒体上方、平行于筒盖的两个喷淋管上。该喷淋管可适当进行轴向旋转，每个喷淋管上均匀分布有五个喷嘴接口，可根据试验需要选择不同的喷嘴数量、位置以及喷嘴的旋转角度等，以最大程度地满足试验要求，进行喷淋进料工艺以及清洗工艺的探索。

1.5 混合元件

混合元件作为核心元件，其形式的选择至关重要。根据实验室用土壤搅拌混合的特点，黏度和颗粒粒径大小对搅拌效果的好坏是一个重要的影响因素[5]。由于涉及的物料黏度范围很大，这就要求系统在遇到较大黏度的泥浆时也能够正常操作。根据卧式搅拌元件选型准则[5]，最终选择了抗黏性较强的铲式搅拌桨、犁刀搅拌桨、单螺带搅拌桨和双螺带搅拌桨等四种搅拌桨叶（如图2所示），并根据此要求在设备上设计了由法兰端面连接的方便更换的搅拌元件结构。其中，铲式搅拌桨和犁式搅拌桨在搅拌过程中具有将大颗粒破碎的功能，且可根据情况对桨叶数量进行适当增减；双螺带搅拌桨在搅拌过程中反混效果很好；特殊设计的单螺带搅拌桨则为探索连续操作方法做准备，在其搅拌轴上可以根据情况添加犁刀和铲刀等构件，以增强对坚硬的大颗粒进行破碎的功能。

图2 可拆卸的四种搅拌桨

1.6 设备筒体

设备筒体主要由顶盖、主筒体两部分组成。其中，上盖有可移动进料口和观察用视镜口，筒体内部的筒壁有溢流口和流体液出口，底部有物料出口以及测温口等工艺口。为便于温控调节，筒体外部还包有保温夹套。在筒体外形方面，其长径比对搅拌设备的搅拌效果、搅拌功率和搅拌传热等都有影响。在连续操作过程中，相同情况下容器长度越长，停留时间也越长，搅拌混合也会越好。在转速一定的条件下，搅拌功率与搅拌桨叶直径的5次方成正比，如果直径过大，会带来能量的无谓损耗[6]。因此根据加工难度以及搅拌混合需求，该搅拌设备的长径比为2.3。在筒体加工方面，筒体整体为304不锈钢材质。为减少物料沾黏，筒体外表面和内表面均经过机械抛光处理，表面粗糙度Ra≤0.8，上盖和筒体的紧固由操作方便的快开锁扣进行锁紧。

1.7 液体输送单元

液体输送单元主要由带有搅拌混合功能的储液筒和输送泵组成，液相在储液筒内与药剂混合后经底部管道过滤器分离后进入输送泵中。输送泵的功能是为料液或者清洗液提供必要的输送动力。对于输送泵的选择，应考虑试验系统液体进料量的变动范围较大这一因素，同时要保证进液喷嘴能够达到正常的喷淋效果。一般情况下流量、压力达到喷嘴的额定要求，才能保证喷嘴的正常喷洒效果[7]。泵流量的调节可通过改变泵的输送频率和添加泵的支路进行调节[8]，但喷嘴工作压力则不能改变。一般的离心泵在变频之后其出液压头会随之改变。为保障泵的出口压力恒定性，选择了变频调节后出口压头不变化的机械隔膜泵。

2 土壤修复混合试验系统的工作过程

研制的土壤修复混合试验系统如图3所示。在该系统中，可以对固体进料位置、液体进料位置、固体进料量、液体进料量、液固比、固固比、固液比混合元件的优化形式、搅拌工艺条件等进行考核和研究。

图3 土壤修复混合试验系统（不包含固体进料系统）

土壤修复混合试验系统的工作过程如下所述。

2.1 安装混合元件

根据目标土壤物性及处理要求选择合适的搅拌元件安装在搅拌设备内部，配备的四种搅拌元件可满足不同物料的搅拌要求。搅拌元件的更换应当考虑便捷性，因此特别设计了搅拌元件连接结构，使得更换搅拌元件的操作相对简单，并可保障搅拌元件安装完成后其整体的同心度。

2.2 进料过程

进料过程分为固体进料过程和液体进料过程。位于上盖顶端的可移动的进料口可以将固体物料按照一定进料速率投料，而液体药剂则可以从右侧药剂混合罐经液体加料单元加入搅拌筒体中。在液体进料过程中，液体药剂的加入位置、加入角度等可通过内部两排喷嘴进行调节。为达到目标要求，整个进料过程可根据需要对固体进料量和液体进料量进行调节。也就是说，在进料时，既可以选择按比例同时进固体物料和液体药剂，也可以选择先进固体物料或者先进液体物料，操作弹性大。

2.3 混合及出料过程

搅拌过程按照工作要求分为两种，一种为连续混合过程，另一种为间歇混合过程。间歇混合过程就是先将土壤和固体粉料或者液体物料放入混合系统，充分混合后再从底部自动出料口排出，混合系统内部可以实现固-固混合或固-液混合。连续混合过程则是土壤和液体物料连续进料，两者在系统内部在被向前推进的过程中不断地混合，经过适当混合后从装置左侧底部出料口排出。整个混合过程中进料口、出料口始终打开，以确保过程连续操作。但该混合系统的连续操作仅限于液固比较高的混合操作。总之，通过改变试验条件，调整混合元件的结构和形式，可以探索出土壤修复过程中不同情况下进料量、进料速率、搅拌形式等最佳的工艺参数。

2.4 清洗过程

由于待修复的土壤种类不同，液体物料种类也不相同，因此在试验操作结束后需对整个系统内部进行清洗。通过泵将清洗液输入搅拌系统内部进行喷淋清洗。为避免清洗过程留有死角，可通过上方视镜观察清洗情况，并根据需求打开混合元件调整旋转速度，以增加清洗强度。

2.5 能耗评价

该搅拌系统在搅拌过程中，可将搅拌功率数据实时传送到控制平台。在试验操作过程中，首先进行空载的功率测定，然后在相同条件下进行负载过程的功率测定，进而计算出混合过程消耗的有效功率。这样便可实现对每个工艺条件下有效功率消耗的客观评价。

3 结语

本文针对土壤修复过程中缺乏有效、适用的试验及过程评价装置，从系统结构和操作工艺两方面出发，结合实际试验过程进行设计，研究开发了异位土壤修复混合试验系统。该系统结构简单、操作方便，可对多个土壤修复中混合过程的关键参数进行试验研究，为土壤修复工艺的探索提供必要的硬件支撑，为工业化土壤修复搅拌系统的研发提供一个良好的试验平台，为我国实现绿色、节能、环保的异位土壤修复打下一定的基础。

[1]郭修平，郭庆海.“土十条”与土壤污染治理[J].生态经济，2016，32（2）：10.

[2]杜悦英.“土十条”的新意味[J].中国发展观察，2016（12）：19.

[3]吴平.详解《土十条》[J].中国经济报告，2016，7：70.

[4]骆永明.污染土壤修复技术研究现状与趋势[J].化学进展，2009，21（2/3）：558-565.

[5]华依青.搅拌器在化工单元设备中的选用[J].化工设计，2004，14（6）：12.

[6]陈志平，章序文，林兴华，等.搅拌与混合设备设计选用手册[M].北京：化学工业出版社，2004:122-145.

[7]沈彦成.喷嘴雾化动态特性数值及试验研究[D].上海：上海交通大学，2014.

[8]赵陈儒，薄涵亮.水泵变频调节及旁路调节对系统流量的影响[J].原子能科学技术，2012，46（12）：866.

世界最大分子筛装置加热炉热效率达到91.29%

2016年年初以来，抚顺石化石油三厂两套分子筛装置的加热炉热效率均值为91.29%，提高了1.34个百分点，节省标油3309 t，节资597万元。这两套分子筛装置组成了世界最大的液蜡生产线，年最高产量可达到26万t，2016年以来累计创效4.4亿元。他们在全力创效的同时还在节资上猛下功夫，近年来采取了多项措施来提升加热炉热效率。一是改变空气入炉方式，以“旋流风”“平流风”“斜交风”三种不同的空气入炉方式，实现与油气的充分混合，同时将燃油喷

嘴改为多级雾化结构，保证了燃料的充分燃烧，提高了加热炉热效率。二是给炉管表面喷涂ATT陶瓷涂层，使炉管的热通量增加，解决空气预热器管束腐蚀、积灰较多造成的传热效率下降问题。三是及时小修小补，维修了空预器部分损坏热管，修补内衬并更换失灵的烟道挡板。四是从操作上下功夫，加强三门一板操作调整，加强氧含量及热效率管理，发现问题及时调整，定期对加热炉进行吹灰清理，从而有效地提升了加热炉热效率。(钱松)

Development of Mixing System for Soil Remediation

Ma XiaoyuWang Shiyong

A mixing system for the ex-site soil remediation has been developed,which can be used for the mixing study of solid-liquid system and solid-solid system,and also can be used to optimize the repair process.The test system has greater operation flexibility,the switchover can be achieved between intermittent operation and continuous operation according to the needs of the remediation process,and the power consumption of the system can be evaluated online.The system provides a necessary hardware support for the data support and process optimization of the mixing process during soil remediation,and it is conducive to further promoting the development of green,energy-efficient and environment-friendly technologies and equipments for soil remediation.

Ex-site soil remediation;Mixing system;Test device;Process optimization;Solid-solid mixing; Solid-liquid mixing;Environmental protection

TQ 051.7

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.006

2016-08-08)

*马晓宇，男，1983年生，工程师。上海市，200062。