土壤异位直接热脱附技术与设备的研究及应用

朱清

（永清环保股份有限公司，长沙 410330）

随着我国经济结构的调整，大量化工厂地迁出城区，遗留的污染场地（主要指有机物污染土壤）往往用作房地产开发，土壤修复任务重、周期较短，不宜采用修复时间较长的原位修复技术，需要采用快速高效的异位土壤修复技术[1]。异位热脱附技术具有污染物去除率高、适用性强等显著优势，因而在有机污染场地土壤修复工程中得到普遍应用。该技术的基本原理是通过直接或者间接加热，使土壤达到一定温度，其中的有机污染物向气相转换并挥发、分离，进而通过尾气处理系统彻底去除，实现尾气达标排放[2]。随着我国对异位热脱附技术工艺的研究及实践，异位热脱附技术工艺及设备已经逐渐趋向成熟，异位直接热脱附设备也开始应用于相关工程项目中，通过不断的应用优化，设备也具备了稳定性、可靠性，相关技术经验也在逐步积累中。

1 工程概况

某市土壤修复工程项目，场地土壤目标污染物为苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯、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]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd] 芘、二苯并[a,h]蒽和TPH（C10-C40）。土壤修复工程修复面积为436 085m2，修复土方量为926 009.36m3，修复土层深度为0—14.5m，对应修复深度分为6 层，分别为0—1.5m、1.5—4m、4—6m、6—8m、8—10m 和10—14.5m。地块修复后规划作为商业用地、公园及住宅用地。该项目针对各土层范围及细分区块制定了不同的修复技术方案，其中异位热脱附技术主要用于修复0—1.5m、1.5—4m 含PAHs/TPH 的表层高浓度污染土壤（PAHs 超标10 倍以上、TPH 超标20 倍以上），修复土方量约为92 362.05m3，采用一台15t/h 处理能力的直接热脱附设备，占地规模为48m×32m，面积约1536m2。

2 技术原理及工艺流程

有机污染土壤异位直接热脱附技术是通过直接加热，将污染土壤加热至目标污染物的沸点以上，通过控制系统温度和物料停留时间有选择地促使污染物气化挥发，使目标污染物与土壤颗粒分离，进入尾气处理系统完全燃烧分解、冷却、除尘后排放。

该项目采用土壤异位直接热脱附技术工艺，将挖掘后的污染土壤运至处理车间暂存区域，通过破碎筛分机进行预处理。预处理后的污染土壤通过密封的皮带输送机送至回转窑料斗，通过螺旋输送机送至窑内，回转窑分干燥窑和主回转窑两段。窑内土壤在倾斜角重力下不断回转，向窑尾热端移动，燃烧器端不断放热产生高温烟气，使得土壤与烟气在逆向运动中进行热量交换，在回转窑燃烧器的作用下，污染土壤被均匀加热至污染物气化的温度，通过控制系统温度和物料停留时间有效促使污染物气化挥发，使有机污染物与土壤颗粒分离。同时，土壤中的污染物气化后混入烟气中形成尾气，进入后续的烟气净化过程，富集气化污染物的尾气通过旋风除尘、二燃室高温分解、换热器冷却降温、半干法脱酸塔碱液反应、布袋除尘等环节去除尾气中的污染物。而污染土壤则在经过干燥窑和主回转窑之后随皮带输送机降温冷却，从而得到净化。

3 技术特点

异位直接热脱附技术适用于挥发及半挥发性有机污染物（如石油烃、农药、多环芳烃、多氯联苯）和汞（但对汞的处理效果不好）。物料在窑内停留时间≥30min，窑内填充率约为15%。一般情况下，直接热脱附处理土壤的温度为150℃—600℃，满足绝大多数有机物挥发的气化温度。土壤中污染物能够被均匀、充分脱附，脱附效率达到99.9%以上，有害污染物的高温氧化率达到99%。排气中有机物浓度要低于爆炸下限25%。有机物含量高于5%的土壤不适用于直接热脱附系统。富集气化污染物的尾气通过旋风除尘、焚烧、冷却降温、布袋除尘、碱液淋洗等环节去除尾气中的污染物，尾气处理后排放气体达到行业相关标准。

该设备可实时观测窑内火焰情况、实时监控温度及负压并及时调节相关参数控制，通过土壤冷却器末端温度实时调整水冷器循环水量，回转窑的转速、喂料机构的喂料速度、土壤冷却器的循环水流量等参数均可实现智能化控制，根据系统实际运行情况可手动/自动调节。设备设置了预处理系统、热脱附系统、尾气处理系统等三大主要系统。

3.1 预处理系统

对挖掘后的土壤进行适当的预处理，如破碎、筛分、调节土壤含水率、磁选等。预处理时须保证土壤含水率≤30%（宜低于25%），含水率高，会消耗大量热量且会增加尾气处理系统的蒸汽负荷，为了实现节能，一般可增设余热回收装置用于预处理土壤脱水。最大土壤粒径不应超过5cm 且超过50%的土壤粒径应大于200 目，以防止细颗粒土壤随气流排出，导致气体处理系统超载。

3.2 热脱附系统

污染土壤通过密封的皮带输送机送至回转窑料斗，通过螺旋输送机送至窑内，窑内土壤在倾斜角重力下不断回转，向窑尾热端移动，燃烧器端不断放热产生高温烟气，使得土壤与烟气在逆向运动中进行热量交换，同时，土壤中的污染物气化后混入烟气中，进入后续的烟气净化过程。干燥窑与主回转窑串联工作，使得土壤在前段干燥窑中充分利用高温烟气进行预热，后端在主回转窑中充分加热至有机污染物气化，确保足够的停留时间。而污染土壤则在经过干燥窑和主回转窑之后随皮带输送机降温冷却，从而得到净化。回转窑内火焰与污染土壤直接接触，热脱附温度最高可达到600℃以上，而且实际工作温度、污染土壤停留时间可调。冷却器内部循环的冷却水流量可调，以保证冷却器出口处土壤温度≤40℃，并采取必要的降尘措施。每个窑身均通过法兰分段连接，便于转移、运输，安装方便。与危废项目的回转窑相比，该回转窑的直径小，只需满足土壤中污染物热气化反应温度，无须达到污染物燃烧温度，可减少土壤带走的热量，减少能耗。干燥窑与主回转窑采用上下双层垂直布置，布置紧凑，减少占地。为减少窑内热量损失，在窑内设置150—200mm 厚度的耐火材料。

3.3 尾气处理系统

（1）收集脱附过程产生的气体，通过尾气处理系统对气体进行脱硝、脱硫、除尘等处理后达标排放。从回转窑出来的含污染物的烟气含有较多粉尘，烟气经过旋风除尘器，可降低粉尘的分割粒径，提高粉尘的去除率，减少二燃室的颗粒粉尘量，减少燃料用量。土壤中含有黏土，在高温水蒸气作用下，容易气化，从而去除大量粉尘，防止换热器结垢。

（2）从旋风除尘器出来的烟气进入二燃室，烟气温度在燃烧器加热下可达900℃，烟气中的有害物质如多氯联苯、二噁英等在高温下分解。二燃室竖向布置，有利于小颗粒粉尘的排出。在烟气温度900℃、停留时间≥2s 的条件下，可使烟气中有害物质如多氯联苯、二噁英彻底分解。在二燃室的烟气入口处，设置喷氨预留接口，在烟气中含有NOx的情况下，可喷氨脱硝。在二燃室内设置200mm 厚度的耐火材料进行保温，减少热量损失。从二燃室出来的高温烟气进入换热器进行快速降温，烟气温度从900℃降至200℃左右，避免了二噁英等有害物质的重新合成。烟气温度从900℃快速降至200℃左右，骤冷工艺缩短了烟气处于二噁英最佳合成温度（250℃—500℃）的时间，避免二噁英重新合成。

（3）换热器产生的热水可进行回收利用，回收的热水可用于前段土壤预处理或生活用水。设置激波吹灰器，避免换热器结垢。从换热器出来的低温烟气进入半干法脱酸塔中，在碱液（如NaOH 或Na2CO3）的作用下，将烟气中SO2、HCl、HF 等酸性气体去除。

（4）在脱酸塔烟气入口处设置与筒体成一定倾斜角度的碱液喷嘴，在筒体内部设置螺旋线叶片，使得喷出的雾状碱液小液滴在塔内成螺旋下降运动，烟气受碱液螺旋运动的影响，充分混合，达到脱酸效果。入口烟气SO2含量≤800Nm3/h（干），脱硫效率可达80%—90%，停留时间≥10s，防止后续的布袋除尘器糊袋。

（5）从脱酸塔出来的烟气进入布袋除尘器，烟气中绝大部分微小粉尘可被布袋截留去除。在烟气进入布袋除尘器之前，设置活性炭预留接口，如喷入活性炭，布袋中的活性炭可有效吸附烟气中重金属。布袋除尘器的除尘效率≥99%，出口粉尘浓度≤20mg/m3。从布袋除尘器出来的烟气经过前段的脱硝、脱酸、去除有毒有害物质及除尘工艺，最终通过烟囱排到大气中。整个处理过程均处于封闭、负压状态，不会产生二次污染。

4 修复情况

该项目采用的异位直接热脱附设备于2021 年2 月开始投入试生产，设备各系统和设施运行正常，2021 年2 月、3 月、4 月，对该项目修复后的土壤及排放尾气进行了现场检测（见表1、表2），各污染因子均符合相关标准限值要求。

表1 污染土壤主要污染物修复值（单位：mg/kg）

表2 污染土壤修复废气排放值

（1）土壤修复目标值执行《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（暂行）》（GB 36600—2018）中第一类用地筛选值。

（2）有机废气污染物排放标准执行《工业企业挥发性有机物排放控制标准》（DB 12/524—2014），异味标准执行《恶臭污染物排放标准》（DB 12/059—2018），天然气燃烧废气排放标准执行《工业窑炉大气污染物排放标准》（DB 12/556—2015），其他执行行业标准。

5 结语

该项目针对0—1.5m、1.5—4m 含PAHs/TPH 的表层高浓度污染土壤（PAHs 超标10 倍以上、TPH超标20 倍以上），采用异位直接热脱附技术及设备进行修复，设备投产后稳定运行，处理效果满足该项目修复目标。有机污染土壤通过破碎筛分机进行预处理后，在回转窑燃烧器的作用下，污染土壤被均匀加热至污染物气化的温度，通过控制系统温度和物料停留时间有效促使污染物气化挥发，使有机污染物与土壤颗粒分离。富集气化污染物的尾气经旋风除尘、二燃室高温分解、换热器冷却降温、半干法脱酸塔碱液反应、布袋除尘等环节能有效去除尾气中的污染物。异位直接热脱附技术工艺已经趋向成熟应用，设备运行稳定、可靠，满足土壤修复要求，尾气排放满足国家相关标准，该项目异位直接热脱附技术和设备具有可复制性。