热传导热脱附尾气特性及处理案例分析

2022-03-07葛传芹沈诣刘志阳袁高洋臧常娟

能源与环境 2022年1期

葛传芹沈诣刘志阳袁高洋臧常娟

（大地益源环境修复有限公司江苏南京 210012）

0 引言

原位热脱附是指通过向地下输入热能，促使污染物挥发与污染介质相分离，并通过土壤气相或多相抽提实现对污染物去除的技术。原位热脱附按照不同的加热方式主要分为电阻热脱附、热传导热脱附、蒸汽热脱附，其中热传导热脱附因具有修复深度大、修复周期短、处理污染物范围广、修复彻底等优势，在污染较重的挥发性和半挥发性有机污染物场地修复中得到越来越广泛的应用［1］。

热传导热脱附过程中地下污染物受热转移到后端尾气处理系统，若产生的尾气不能被高效去除，大量有毒有害物质将扩散到环境中，造成二次污染，因此尾气处理系统对于热传导热脱附技术至关重要［2］。尾气特性分析是尾气处理技术选择的基础，与常见的工业尾气具有明确和稳定的组成、流量等特性显著不同，热传导热脱附尾气根据污染场地的不同在温度、组成、气量、浓度等方面存在较大波动性，因此有必要对热传导热脱附尾气实际特性开展研究，在此基础上选择适用的热传导热脱附尾气处理技术。

本文从温度、组成、气量、浓度等方面对热传导热脱附尾气特性进行了探讨，对常见各尾气处理技术优缺点、适用性进行了对比，并基于实际热传导热脱附项目尾气分析结果，提出了尾气处理组合工艺路线，以期为热传导热脱附尾气的选择和应用提供一定参考。

1 热传导热脱附尾气特性分析

1.1 尾气温度

热传导热脱附场地加热过程中，随热能的持续供给，土壤整体温度逐渐攀升，总体可分为初始升温、沸腾和过热三个阶段［3］。热脱附尾气温度接近加热区域土壤的平均温度，因此从整个加热时间轴来看，热脱附尾气的温度也是逐渐增加的。由于抽提尾气经管路输送过程中存在一定散热损失，最终进入尾气处理系统的尾气温度低于场地土壤平均温度。一般来说，加热中期尾气温度在80 ℃～100 ℃，加热后期在40 ℃～60 ℃。

1.2 尾气组成

来自场地抽提系统的热脱附尾气成分主要包括：①土壤孔隙水和进入加热区域内的地下水蒸发产生的水蒸气；②加热挥发的土壤有机污染物；③从目标加热区域以外抽提的空气以及土壤包气带孔隙中的空气。

工业场地修复工程污染物一般较复杂，抽提尾气中各组分在不同加热时间、加热区域差异性较大。通常，挥发性有机污染物组分沸点较低，更易在加热前期从地层中抽提出来；而半挥发性有机物组分沸点较高，主要在加热中后期场地温度普遍升高后从场地中挥发抽提至尾气中。场地一般在沸腾阶段维持较长时间，该阶段会产生大量水蒸气，水蒸气在被抽提至尾气的过程中携带大量污染物逸出，因此在沸腾阶段，尾气中的水蒸气和污染物成分较多。

1.3 尾气气量

基于热脱附尾气组成，对尾气中各组分气量分析如下。

（1）水蒸气体积。当场地被加热至抽提压力下的沸点时，土壤中的液态水将蒸发变成水蒸气，以1 m3水计算，当1 体积水由液态转化为气态时，体积将增加近1 600 倍，因此水蒸气在热脱附尾气体积中占比很大。根据热脱附工程实施经验，在抽提尾气中，水蒸气量一般占总抽提气量的50%～75%。

（2）空气体积。在负压抽提下，除了土壤固有的空气体积外，目标加热场地外的空气也将进入尾气系统，抽提空气量取决于抽提真空度以及场地渗透性。在给定的真空度下，高渗透性地层将比低渗透性地层抽提更多空气至后端尾气处理系统。随着场地加热持续，土壤孔隙水被蒸发，场地的渗透性还将进一步得到增强［4］，尾气中空气占比将进一步增大。根据修复经验，在抽提尾气中，空气量一般占总抽提气量的25%以上。

（3）污染物组分体积。与水蒸气和空气相比，土壤中的有机污染物物质总量小，且一般分子量较大、沸点较高，与水蒸气及抽提空气量相比，有机物的气量占比很小。

1.4 尾气污染物浓度

热脱附尾气污染物浓度主要由场地性质、地下污染物的性质和分布所决定。

（1）地下污染物性质和分布对浓度的影响。有机污染物在地下可能以4 种形态存在：①自由相；②溶解相；③气相；④吸附相［5］。污染物在上述4 相的分布取决于其自身物理化学性质。一般来说，污染物蒸气压越大，越易挥发进入气相。污染物亨利常数值越大，溶解度越小，其越不易溶于水相，气相中的浓度更高。比如在常温下，烷烃更倾向于留在气相，相反，氯化溶剂和含苯环的物质更倾向于留在水相，且化合物中苯环数量越多，其留在水相中的倾向更大。此外，对于土壤修复很重要的一点是，化合物越疏水，辛醇-水分配系数越大，其越倾向于吸附在土壤有机质上，除了少数化合物外，大部分化合物相较水相，更倾向于吸附在有机质上，这将减缓其向气相或水相的转化和脱附处理速率。

加热条件下，污染物的性质会发生改变，主要表现为有机污染物蒸气压增大、黏度系数降低、亨利常数增大等［6］，污染物更易进入土壤气相中，被后端尾气处理系统所去除。

（2）场地性质对浓度的影响。场地对尾气浓度的影响主要体现在渗透性［7-8］上。一般来说，高渗透性、粗粒度地层（如砂土或硕石）污染物更易挥发到土壤气相中，气相浓度较高，吸附在颗粒上的污染物浓度相对较低。与此同时，高渗透性地层比低渗透性地层的的尾气浓度下降更快。

（3）污染物去除速率。尾气中污染物的最大浓度主要取决于场地中是否存在自由相及溶解相中污染物的挥发程度，污染物浓度降低过程总体可分为三个阶段：初始阶段，若场地存在自由相，或溶解相中污染物易挥发，则场地会在较长的时间内维持高尾气浓度，优先被抽提；第二阶段，污染物浓度将逐渐下降，去除速率主要由其他相向流动相传质的速率所决定；第三阶段，尾气浓度将在较长时间内维持较低浓度，主要由污染物从低渗透性区域向气流通道区的扩散速率或污染物从土壤颗粒上脱附的速率所决定。值得注意的是，该阶段尾气浓度低并不代表地下污染物总量水平低，在污染物达标去除前停止尾气抽提可能造成地下水或土壤气中污染物的浓度反弹。

2 热传导热脱附尾气处理技术

热脱附尾气处理技术从原理上可分为分离型和破坏型［9］两类。分离型技术是通过物理或化学方法实现污染物与尾气污染物的分离再处理，常见的有冷凝法、吸附法和液体吸收法；破坏型技术是指通过热、光、催化剂等实现污染物的无害化转化，主要分为燃烧法（又称热氧化法）和低温等离子技术、光催化氧化法等非燃烧法，其中燃烧法根据燃烧方式和换热方式的不同，又可分为直接燃烧、蓄热燃烧、催化氧化和蓄热式催化氧化。对各处理技术的优缺点及适用范围进行了对比，如表1 所示。

由表1 可知，各处理技术都存在各自的优缺点。结合热脱附尾气高湿度的特性，低温等离子体、光催化氧化法不甚适用。蓄热式催化氧化技术投资大，尾气适用种类少，不建议采用。根据美国超级基金场地修复报告，修复工程尾气处理中70%都采用了吸附法，其次最常用的是热氧化法，占比25%［10］。由于修复场地污染物种类复杂，单一的尾气处理工艺不能满足尾气的达标处理，一般需要采用组合处理技术。

表1 热脱附尾气处理技术对照表

3 热脱附尾气处理案例分析

以国内某有机污染场地原位燃气热脱附工程为例，通过试验对热脱附尾气特性进行分析，在此基础上进行大规模修复场地的尾气处理技术路线设计。

3.1 场地概况

场地修复深度10 m，主要污染因子为苯并芘、萘，土层分布主要以杂填土和粉质黏土为主，地下水埋深0 m～5 m，钻探打井过程发现部分区域存在自由相，场地目标加热温度为350 ℃。

3.2 尾气特性试验分析

检测到尾气处理入口处抽提尾气温度在60 ℃～90 ℃，对抽提尾气进行冷凝，观察到有大量冷凝废液排出，加热中期冷凝液量达到最大。不同加热时期冷凝液性状不同，加热前期和中期可分别在冷凝液中观察到有机相/水相两相分层，有机相中液体分别呈浅色和深色［见图1（a）（b）］，加热后期［图1（c）］冷凝液逐渐澄清，分析浅色、深色有机相应分别对应挥发性和半挥发性有机污染物组分，因沸点差异先后被抽提至尾气中。

图1 不同加热时期热脱附尾气冷凝液

冷凝液中还观察到部分物质析出（如图2 所示），分析抽提尾气中可能存在未调查出的污染物，或可能含有酚类等低凝固点物质。

图2 热脱附尾气冷凝液中的析出固相

对冷凝后的尾气进行气液分离，采用光离子化检测仪（PID）对试验阶段不凝气中的挥发性有机化合物（VOC）浓度进行检测，相应检测值如图3 所示。

由图3 可知，运行初期尾气中不凝气随浓度逐渐增加，中期浓度达到最大，超出PID 最大检测限，高浓度尾气维持约1 周时间后逐渐下降。

图3 试验阶段不凝气中VOC 浓度检测值

3.3 尾气处理工艺选择

根据尾气试验结果，热脱附抽提尾气入口温度及含湿量较高，采用冷凝工艺处理有大量水蒸气和高沸点污染物凝出，效果较好。尾气中可能存在未调查出的污染物或含有低凝固点物质，采用常规的板式或列管式换热器可能出现污染物结晶堵塞，因此，冷凝换热器设计时需做好防堵设计，可通过换热器备用设计或设置高温反吹等方法实现。本项目冷凝工段选择兼具备用和高温反吹功能的列管式换热器设计，以保证尾气冷凝工段的可靠性。

冷凝出口不凝气峰值浓度较高，污染负荷较大，活性炭吸附适用于中低浓度的尾气处理，此处不能适用。采用更适用于高污染负荷的高温氧化（直接燃烧）技术对不凝气进行处理。该技术可同时基于不凝气的PID 检测指标动态调整燃气量和供风量，实现尾气完全燃烧。

经过高温氧化，尾气浓度大幅下降。为确保高温氧化处理后尾气的达标排放，在高温氧化单元后增加活性炭吸附工段，高温氧化后尾气温度较高，为将处理后尾气温度控制在活性炭高效吸附效温度范围内，在高温氧化工段后增加一级冷却。

最终尾气处理工艺采用一级冷凝分离+高温氧化+二级冷凝分离+活性炭吸附，经项目第三方实际采样检测，处理后尾气最终可实现达标排放。