土壤异位间接热脱附技术应用研究与优化策略分析＊

王 磊，姚佳斌，张海静

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092；2.同济大学，上海 200092）

0 引言

随着我国城市经济发展和产业结构调整，在“退二进三”和“退城进园”的背景下，大批工业企业将由城市人口稠密区迁往郊区或工业园区。在搬迁后遗留场地中，有机污染场地占比为67.2%［1］，苯系物、石油烃［2-3］、多环芳烃［4］等典型有机污染物被高频率检出［5］，严重威胁居民健康和环境安全［6］。随着《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》的颁布实施，我国土壤污染治理修复工作受重视程度日益提高［7］。异位热脱附技术具有污染物去除率高、修复周期短等显著优势，已被广泛应用于有机污染土壤的修复治理［8］。

异位热处理技术起源于20 世纪30 年代，由固体废物的高温焚烧、热裂解等技术演变而来，并于20 世纪80 年代起逐渐成熟，在欧美等发达国家土壤修复工程中已有较为广泛的应用。受经济发展水平的制约及国内外污染场地特性的差异，国外成熟的热脱附技术并不完全满足我国污染场地修复的需要［9］。我国异位热脱附技术与设备的研发起步较晚［10］，近年来随着应用需求的增加，对于热脱附技术的研究发展迅速，相关学者针对多种有机污染物，如多环芳烃［11］、六六六［12］、滴滴涕［12］、有机磷农药［13-14］、多氯联苯［15-16］等污染土壤开展了实验研究，然而相关研究主要集中于对热脱附效率的关键影响因素［17-20］和尾气处理技术［21-23］的探索，针对实际工程异位热脱附设备的优化研究相对较少。异位热脱附设备的运行稳定性、能效水平以及集成化程度是影响土壤实际处理能力、成本、工期的关键因素［9］。

因此，本研究通过河北、四川、安徽等12 个省份的异位热脱附工程调研，基于实际工程运行数据和经验，分析异位间接热脱附技术应用特征，识别热脱附设备运行瓶颈问题，并总结工程中所采用的优化完善策略，以期为异位热脱附技术工程应用提供参考。

1 研究方法

针对河北、四川、安徽等12 个省份的16 个异位间接热脱附工程进行调研，调研范围如表1所示。调研内容包括项目概况、污染物类型和含量、修复目标值、修复方量和工期、热脱附工艺参数（温度、停留时间等）、修复成本，以及设备运行状况、改进措施等。调研方法以工程资料收集为主，结合人员访谈对所提供资料进行复核。调研范围内异位间接热脱附工程概况如表2 所示。其中，本次调研所有的热脱附工程修复后土壤均达到了修复目标值。

表1 异位间接热脱附工程调研范围Table 1 Research scope on the ex-situ indirect thermal desorption engineering

表2 调研范围内异位间接热脱附工程概况Table 2 Overview of ex-situ indirect thermal desorption engineering within the research scope

2 结果与讨论

2.1 异位热脱附修复土壤污染特征

2.1.1 污染物类型

在调研的16 个案例中，异位热脱附修复的目标污染物主要包括5 种类型，即苯系物、氯代烃、多环芳烃、农药和石油烃。其中，目标污染物涉及多环芳烃和苯系物的案例较多，占比分别为37% 和27%，一方面可能由于多环芳烃主要来源于焦煤、石油等热解和不完全燃烧，苯系物为常见化工原料，两者来源较为广泛；另一方面可能由于多环芳烃和苯系物均含有苯环结构，采用化学氧化、生物降解等方式去除效果有限［24-26］，而采用热脱附则可以实现较为彻底地去除。涉及氯代烃污染修复的案例占比为13%，污染物主要为1，2-二氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷、1，2-二氯丙烷、氯苯、六氯苯等。氯代烃由于密度比水大，一旦泄漏极易向下迁移，最终在弱透水层或者隔水层土壤中富集，多相抽提、化学氧化等技术对于渗透性较差的土壤修复效果有限，采用热脱附修复的目标可达性更强。此外，农药污染场地一般具有生产历史较长、多代污染叠加、污染组分复杂、异味问题突出等鲜明特点，通常优先选择热脱附技术进行修复，本次调研有4 个农药污染地块采用了异位热脱附修复。异位热脱附修复不同类型污染物占比如图1 所示。

图1 异位热脱附修复不同类型污染物占比（n=16）Figure 1 Proportion of different types of pollutants in ex-situ thermal desorption remediation （n=16）

2.1.2 污染物含量

在调研案例中，污染土壤中目标污染物的最大超标倍数范围为7.60～4 409.09。根据污染物含量可将污染程度分为轻度污染、中度污染和重度污染［27］。调研中热脱附修复地块均属于重度污染地块（超标污染物最大浓度大于修复目标值的5 倍以上），其中目标污染物最大超标倍数处于5～＜10、10～＜100、100 及以上的占比分别为14.29%、57.14%、28.57%。污染土壤经异位热脱附修复治理后，污染物含量均低于修复目标值，表明热脱附修复重度有机污染土壤效果较佳。

2.2 异位间接热脱附技术应用特征

2.2.1 温度

温度是影响热脱附过程的最主要因素，随着温度的升高，污染物脱附效率会显著提高，但能耗也会相应增加。热脱附温度主要取决于污染物类型，在本研究调研案例中污染物最高沸点范围为202～536 ℃，热脱附最高温度范围为350～750 ℃，86%的案例热脱附温度高于该工程污染物最高沸点，热脱附最高温度平均值比污染物最高沸点平均值高114 ℃，热脱附温度与污染物最高沸点的比值平均为1.32（表3）。部分案例由于调研时未获得温度参数，故表3 中实际统计样本数量n为13。其中，四川某农药厂涉及苯、滴滴涕、敌敌畏等污染物，污染物最高沸点为260 ℃（滴滴涕），而热脱附的温度达到550 ℃，热脱附的温度比污染物最高沸点高出了290 ℃，其原因在于农药污染土壤异味较重，需要提高热脱附温度以彻底去除异味。此外，在实际工程中，同一项目若不同区域土壤污染物类型和沸点差异较大，可以将污染土壤分类热脱附，低沸点污染物热脱附温度可相对较低，而高沸点污染物可采取较高的热脱附温度，以实现精准修复和节能降耗。

表3 调研案例污染物沸点与热脱附温度统计（n=13）Table 3 Statistics of boiling point and thermal desorption temperature of pollutants in research cases （n=13）

2.2.2 停留时间

污染土壤在热脱附装置中停留时间越长，污染物脱附越彻底，工程中主要根据土壤理化性质、污染物种类及其脱附速率设置热脱附时间，停留时间通常控制在15～120 min。本研究所调研案例中，热脱附时间均未超过40 min，其中不超过30 min的占比为94%，不超过20 min 的占比为63%（图2），表明大部分情况下热脱附可实现土壤中污染物的快速去除。提高热脱附温度可加快污染物去除，而降低温度则会延长脱附时间，采用较低温度较长时间和较高温度较短时间两种策略，其能耗水平和污染物去除效果有待进一步论证。

图2 调研案例热脱附停留时间统计（n=12）Figure 2 Statistics of thermal desorption residence time in research cases（n=12）

2.2.3 处理规模

我国热脱附技术历经数年的发展，处理规模已从中试规模发展到现今的大规模应用，如广州某退役化工厂项目工程规模约达1.2×105m3。本研究调研案例中，处理土壤方量≤0.5×104m3的项目占比仅为6%，处理土壤方量＞0.5×104m3的项目占比94%，其中土壤方量为1.0×104～1.0×105m³的项目占比达到58%，如图3 所示。这可能是由于热脱附修复设备及废水、废气处理等配套设施进出场、建设和运行成本较高，规模太小会导致处理成本偏高，而处理方量较大时则可以产生规模效应摊低成本。

图3 调研案例热脱附处理规模统计（n=16）Figure 3 Statistics of thermal desorption treatment scale in research cases（n=16）

在本研究调研范围中，间接热脱附设备单套设备处理能力为10～20 t/h，部分项目采用2～3 套设备以缩短工期。由于污染土壤在全国各地分布，设备需要经常拆装更换场地以实现反复利用，考虑安装、运输和拆卸要求，热脱附窑体单体结构尺寸一般不超过3 m×3 m×12 m，单套热脱附窑体尺寸偏小限制了热脱附处理能力。此外，根据间接热传导原理，高温烟气只能通过窑体壳体向污染土壤传热，异位热脱附设备传热面积小，导致处理能力较小。

2.2.4 处理成本

调研范围中共9 个项目对热脱附修复成本进行了单独核算，其热脱附修复成本为734～1 400元/m3，成本超过1 000 元/m³的项目占比达到89%，平均值为1 210 元/m³。上述成本包含土壤热脱附以及相关的废水、废气处理费用，不包括土壤挖掘、运输、破碎筛分、回填等费用。土壤热脱附处理的成本主要由以下方面构成：①设备租赁与折旧费，一般为180～540 元/m³，不同工程废水、废气处理要求不同，配套的设备差异较大；②能源费用，包括柴油、天然气等燃料成本以及设备电耗，一般为270～630 元/m³；③人工费用，一般为180～360 元/m³，与设备自动化程度有关；④设备安拆及运输费用，每个项目费用一般为40～80万元；⑤其他费用，包括废水和废气处理所消耗药剂、活性炭等材料费用，以及检测费用等，这部分占比相对较少。需要说明的是，近年来随着设备成熟度的提高，处理成本呈现逐步降低的趋势。

影响异位热脱附成本的因素主要为：①目标污染物类型。污染物沸点越高，热脱附所需温度越高，停留时间越长，能耗越高；②修复目标值。修复目标值越低，处理要求越高，成本越高；③土壤理化性质。如黏性土会增加污染物脱附难度，含水率过高会增加能耗；④处理规模。规模较大有利于摊低废水、废气等二次污染处理设施建设运行成本；⑤设备运行效率。异位热脱附设备运行稳定性、能效水平等差异较大，部分设备故障率高，导致系统检修、启停频繁，不仅影响了处理能力，还提高了处理成本。

2.3 设备问题识别与优化策略

调研中发现，土壤修复企业及相关科研机构通过合作、引进、自主研发等方式开展了一定程度的热脱附技术设备应用实践，热脱附设备的模块化、集约化等方面都有了一定的创新和提升［28］。然而，热脱附技术与设备在应用过程中仍然存在以下两方面问题：①热脱附设备运行稳定性差，制约土壤处理能力；②热脱附系统能量利用效率低，影响土壤处理成本。

2.3.1 设备稳定运行

污染场地待修复土壤少则数千吨，多则几十万吨，修复后的土地亟需再开发利用，对修复设备的处理能力提出了较高要求。调研中发现，部分工程由于设备运行稳定性差，故障频发，导致实际处理能力远低于设计值，极大地影响了项目工期。造成热脱附设备运行稳定性差的原因主要包括以下4 个方面。

1）土壤黏性大影响设备运转：土壤的黏性受含水率、粒径分配、有机质含量、阳离子交换量等因素影响［29-30］，当黏性较大时易出现堵料、搭桥、堆积、板结等现象，导致系统无法长时间连续运行，并降低输送及处理设备有效容积。

2）土壤砂石含量高磨损设备：土壤中含有大量砂石颗粒，在机械作用下不断翻转跌落，磨损热脱附炉体［31］，尤其在热脱附炉体后半段，由于土壤水分蒸发，更多砂石颗粒暴露出来，炉体磨损相对加重。

3）高温条件形变和腐蚀加剧：热脱附炉体在高温环境下受到各个方向的持续或间歇的复杂应力，同时在土壤中溶液的作用下炉体会产生不同程度的化学腐蚀和电化学腐蚀［32-33］，加剧了材料的应力-应变复杂程度，导致设备故障率较高。

4）不同功能模块无法充分衔接：热脱附系统各模块环环相扣、密切关联，调研发现大部分热脱附核心设备为非标产品，不同功能模块之间无法充分衔接，处理能力受薄弱环节制约严重。

异位热脱附系统主要包括进料装置、热脱附装置、出料装置、尾气处理装置等功能模块。针对各功能模块易发生故障的部位进行原因剖析，并提出相应的设备改进优化策略，如表4 所示。

表4 热脱附设备运行问题识别与优化策略Table 4 Identification and optimization strategies for operating problems of thermal desorption equipment

2.3.2 系统能量利用

能源成本是热脱附处理费用的主要组成部分，调研发现部分工程异位间接热脱附处理过程中能量利用效率较低，原因主要为以下3 个方面。

1）热能转化率低：燃烧器燃烧过程中未妥善控制空气流量和燃气、燃油或生物质燃烧流量，空燃比不合理，燃料没有充分燃烧，导致热能转化率低。

2）温度控制精准度差：污染土壤在加热过程中根据解吸出来的物质不同可分为预热阶段、水分蒸发的干燥脱水阶段和污染物脱附的高温热解吸阶段，不同阶段所需要的加热温度和加热时间都有所不同；而传统热脱附设备以修复最大含水率和最高污染物浓度土壤来设定加热参数，全程无差别加热，造成能源损失。

3）余热利用率低：间接热脱附修复过程中排出的烟气、尾气和修复后土壤温度都较高，蕴含大量热量，而传统设备几乎未考虑上述能量的回收利用，造成余热浪费。

本研究针对上述问题提出相应优化策略，如表5 所示。

表5 热脱附系统能量利用问题优化策略Table 5 Optimization strategies for energy utilization issues in thermal desorption systems

2.4 异位间接热脱附技术的展望

单一使用热脱附技术修复污染土壤整体能耗较高，而化学氧化技术具有成本较低、操作简便、适用性强等特点，可弥补热脱附技术的不足。因此，部分工程针对有机污染土壤采用热脱附与化学氧化组合工艺进行修复，能够实现污染物高效彻底去除。中轻度污染土壤通过化学氧化处理可以减少热脱附处理量、降低整体修复成本，并避免化学氧化处理重度污染土壤时可能存在的氧化不彻底、药剂投加量过多等问题。但在实际工程中，污染物种类复杂、浓度分布不均匀，如何科学界定热脱附和化学氧化适宜处理的污染物类型和浓度范围，以及在土壤开挖过程中如何对相应污染土壤进行区分，仍需结合前期调查结果和小试、中试效果进行充分论证。

现阶段，我国的土壤修复工程实践很少关注到可能产生的碳排放，针对修复过程碳排放的追踪、记录和分析更是缺乏。调研范围中异位间接热脱附均采用燃气加热，碳排放主要集中于燃料燃烧和耗电。和丽萍等［34］针对云南某多环芳烃污染土壤热脱附修复效率进行研究得出，处理单位土壤天然气消耗量为45～48 m³/t，耗电量为34.1～40.8 kWh/t，碳排放系数取每立方米天然气完全燃烧排放3.316 kgCO2，消耗1 kWh 电相当于排放0.96 kgCO2，则修复每吨土壤折合排放182～198 kgCO2。目前，土壤修复的绿色低碳措施在我国还停留在研究阶段，针对热脱附的绿色低碳措施包括：①精准刻画污染范围，分质制定加热方案；②充分掌握污染物理化性质，合理确定加热温度；③提高热量利用效率，充分进行余热回用；④改变能源类型，使用可再生能源等［35］。

土壤异位热脱附的核心在于设备。我国有较好的工业生产基础，近年来随着热脱附技术需求的增加，热脱附设备开发发展迅速，一些原本从事干燥设备以及水泥窑窑体生产的厂家，也开始根据土壤修复的要求进行技术及工艺改造，生产满足特定项目要求的热脱附设备。早期异位间接热脱附设备通常采用双层撬装的内轴螺旋推进型式，而近年来回转窑间接热脱附设备应用日益广泛，其处理能力相对前者有所提升，且具有结构紧凑、占地面积小、安拆便利等特点。

土壤间接热脱附技术与设备的发展方向如下：

1）加强土壤热脱附过程传热传质机理研究。深入开展高温条件下土壤固-液-气界面行为、水分和污染物迁移规律以及关键影响参数研究，夯实异位间接热脱附工艺设计与设备开发理论基础，创新黏性土壤调理改良机制。

2）提升土壤热脱附设备集成化与标准化水平。提高设备的模块化程度，根据工艺需求灵活增减模块，便于拆卸组装，减少占地面积；集成自动控制、在线监测等智慧系统并提升匹配性，动态优化运行参数；结合工程实践开展核心设备产品标准研编，提高设备的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，提升系统的运行稳定性。

3）提高土壤异位间接热脱附能量利用效率。提升燃料燃烧效率，优化热脱附炉体结构，实现精细控制、精准脱附；将间接热脱附加热烟气的余热用于土壤含水率调整、预热等，充分回收利用热量。

3 结论

1）调研范围中异位热脱附修复的污染物主要包括苯系物、氯代烃、多环芳烃、农药和石油烃5种类型，污染物的最大超标倍数范围为7.60～4 409.09，修复后含量均低于目标值，热脱附修复难生化降解有机物、重度有机污染以及农药污染土壤的技术可达性较好。

2）调研范围中热脱附最高温度范围为350～750 ℃，热脱附温度比污染物最高沸点平均高114 ℃，热脱附时间不超过30 min 的工程占比为94%，修复综合成本为734～1 400 元/m3，平均值为1 210 元/m³。

3）热脱附设备在工程应用中存在设备运行稳定性差、热脱附系统能量利用效率低等问题，需进一步加强热脱附过程传热传质机理研究，提升设备集成化与标准化水平，提高能量利用效率。