CN102284172B - 含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法和设备，要解决的技术问题是一次性无害化处理含中高浓度半挥发性有机污染物。本发明的处理方法包括以下步骤：破碎，热脱附，冷凝，萃取分离，等离子体反应器处理。本发明的处理设备，由破碎设备、热脱附装置、冷凝器、萃取器、吸附塔、高压泵、喷枪、等离子体反应器和烟气净化系统组成。本发明与现有技术相比，采用热脱附和等离子体热解组合，进行一次性无害化处理半挥发性有机污染物，处理效率高，成本低，不产生二次污染，可有效处理被POPs废弃物污染的土壤、污泥及其它固体废弃物。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体废物处理方法和设备，特别是一种被持久性有机废弃物污染的土壤、污泥及其它固体废弃物的处理方法和设备。
背景技术
半挥发性有机污染物SVOC是指沸点在170～350℃、蒸汽压在13.3×10-5Pa～1×10-5Pa的有机物。众多半挥发性有机污染物为有毒物质，有些是环境雌激素类污染物，能干扰人体和动物的内分泌系统，引起遗传变异，具有生殖毒性，有致畸、致突变、致癌作用。这些污染物具有的半挥发性使其经过淋溶、挥发和沉降等过程，能够从水体或土壤中以蒸气的形式进入大气环境或被大气中的颗粒物吸附，通过大气环流在大气环境中作远距离迁移，在较冷或海拔高的地方会沉降到地球上，而后在温度升高时，它们会再次挥发进入大气，进行迁移。这就是所谓“全球蒸馏效应”或“蚱蜢跳效应”。由于这种过程不断地发生，使得SVOC可沉降到地球偏远的极地地区。在南极企鹅体内和北极爱斯基摩人体内都能检出有半挥发性有机污染物及其代谢物。
随着20世纪工业的迅速发展，半挥发性有机污染物出现泄漏和污染大面积土壤、水体的案例比比皆是，曾经引起较大轰动的原武汉农药厂280亩黄金宝地变“毒地”事件，万科集团花费一亿元将北京曾经建过农药厂和涂料厂的3万平方米土地受污染的泥土全部运出焚烧处理后运回新土回填，最后才将“毒地”清毒。这些半挥发性污染物降解速度慢，对地下水造成严重威胁，污染环境空气，因此需要进行无害化处理。
现有技术对含有半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，主要有原位热脱附和生物处理，异位填埋、焚烧、淋洗和异位热脱附处理。这些方法有各自的优缺点：生物处理主要利用植物和微生物对污染土壤进行修复，具有成本低的优点，但周期长、生物的选择降解性及效果差制约了其广泛的应用；填埋处理简单易行，但占用库容大、费用昂贵；焚烧处理效果佳，但所需设备复杂，成本高；淋洗需要耗费大量淋洗液，且造成淋洗液的二次污染。因此开发一种成本低廉且能使含半挥发性有机污染物的固体废物得到一次性无害化处理的方法是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法和设备，要解决的技术问题是一次性无害化处理含中高浓度半挥发性有机污染物，避免生成二噁英类二次污染物。
本发明采用以下技术方案：一种含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，包括以下步骤：一、破碎，将含半挥发性有机污染物的固体废物破碎至30mm以下粒径的待处理料；二、热脱附，将待处理料在温度为150-550℃，处理10-30分钟，使含半挥发性有机污染物的固体废物中的气体与固体物分离；三、冷凝，气体进入冷凝器，冷凝后的尾气被排放；冷却填埋，固体物自然冷却后，返回原地填埋；四、萃取分离，气体冷凝后凝结的冷凝液经液液萃取分离，有机溶剂与冷凝液按质量比1∶20-50，搅拌均匀后静置30min，使有害的萃取液与剩余液体分离；剩余液体经过吸附树脂吸附后，进入市政排污管道；有害的萃取液用高压泵加压至7-10bar，由喷枪形成80μm的雾滴进入等离子体反应器处理，按处理量60L/h配备200KW功率的等离子体炬，等离子体处理后的气体经过急冷、除尘、脱酸后由烟囱排放。
本发明的热脱附采用间接加热方式。
本发明的冷凝器为气-水交换的列管式冷凝器。
本发明的冷凝后的尾气作为所述热脱附装置的助燃风，燃烧后经烟囱排放。
本发明的有机溶剂是苯、丙酮或乙醇。
本发明的剩余液体经过2-3级高吸油特性的LS-100大孔吸附树脂作为填料的吸附塔吸附污染物后，进入市政排污管道，按现有技术的污水处理方法处理后排出。
一种含半挥发性有机污染物的固体废物的处理设备，所述含半挥发性有机污染物的固体废物的处理设备由破碎设备、热脱附装置、冷凝器、萃取器、吸附塔、高压泵、喷枪、等离子体反应器和烟气净化系统组成；所述破碎设备将含半挥发性有机污染物的固体废物破碎后，热脱附装置将其气体与固体分离，气体经冷凝器冷凝后形成的冷凝液，在萃取器中经液液萃取分离得到的有害的萃取液，用高压泵加压后，由喷枪喷入等离子体反应器处理；所述冷凝后的气体经吸附塔内吸附污染物后排出。
本发明的热脱附装置设有轴线水平安装的筒状外壳体，外壳体内同轴设置有筒状的内壳体，内壳体一端的上部连接有进料口，内壳体另一端下部连接有出料口，端部连接有排气口，内壳体内设有螺旋推送杆，螺旋推送杆设置在内壳体的底部，其轴线与内壳体的轴线平行，所述螺旋推送杆的一端连接外壳体端部外的驱动装置，所述外壳体外设置的柴油燃烧机的输出燃气管接入外壳体内、内壳体的底部外侧，外壳体内另一端的顶部连接有出气口。
本发明的热脱附装置设有顺序连接的窑头、外壳体和窑尾，窑头、外壳体和窑尾中设有贯通其中、轴线与水平线按3％-5％坡度安装的筒状旋转体，筒状旋转体由驱动装置驱动其绕轴线旋转，筒状旋转体一端的上部连接有进料口，筒状旋转体另一端的下部连接有出料口，端部连接有排气口，所述外壳体外的柴油燃烧机的输出燃气管接入外壳体内、筒状旋转体的底部外侧，外壳体内另一端的顶部连接有向上的出气口。
本发明的等离子体反应器设有筒状的碳钢外壳，碳钢外壳内设置有耐火内衬，碳钢外壳的一端中心沿轴向设有喷枪，在碳钢外壳上连接有等离子体炬，等离子体炬的中心线与碳钢外壳的轴线相交，与喷枪喷出的喷雾气流方向呈锐角。
本发明与现有技术相比，采用热脱附和等离子体热解组合，进行一次性无害化处理半挥发性有机污染物，处理效率高，成本低，不产生二次污染，可有效处理被POPs废弃物污染的土壤、污泥及其它固体废弃物。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明采用的螺旋推进式热脱附装置的剖面示意图。
图3是本发明采用的旋转式热脱附装置的剖面示意图。
图4是本发明采用的等离子体反应器的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。如图1所示，本发明的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，包括以下步骤：
一、破碎，将含半挥发性有机污染物的固体废物破碎至30mm以下粒径的待处理料，破碎采用常规破碎设备。
二、热脱附，破碎后的待处理料由传送装置传送至螺旋推进式热脱附装置或旋转式热脱附装置中，热脱附装置采用间接式加热方式，使热脱附装置内温度为150-550℃之间，处理时间为10-30分钟，使得含半挥发性有机污染物的固体废物中的气体与固体分离。
三、冷凝，气体由出气口进入冷凝系统，由于土壤及污泥等含半挥发性有机污染物的固体废物经热脱附装置处理后，挥发的气体中含水率较高，需要将气体进行冷凝以去除水分，本发明采用现有技术的气-水交换的列管式冷凝器冷却气体，用以去除绝大部分水份，同时其中的半挥发性有机污染物也被冷却和截留下来，冷凝后的尾气作为燃烧器的助燃风返回热脱附器内燃烧后经烟囱排放；
冷却填埋，经热脱附后分离的固体物自然冷却后，保持土壤原有的功能和状态返回原地填埋。
四、萃取分离，气体冷凝后凝结的冷凝液在萃取器中经液液萃取分离，以苯、丙酮或乙醇有机溶剂作为萃取剂，有机溶剂的选择视半挥发性有机物在其中的溶解度而定，尽量选择在其中溶解度较大的物质。有机溶剂与冷凝液的比例视污染物浓度按质量比1∶20-50的配比，搅拌均匀后静置30min，使有机污染物(或叫有害的萃取液)与水(或叫剩余液体)分离，萃取剂相对于水的比重决定了有害萃取液的位置，萃取剂的比重大于水则下层液体为有害的萃取液，萃取液的比重小于水则上层液体为有害的萃取液，析出的有机污染物(有害的萃取液)被排入储桶。
五、废水处理，剩余液体经过2-3级高吸油特性的LS-100型大孔吸附树脂作为填料的吸附塔吸附污染物后，进入市政排污管道，按现有技术的污水处理方法处理后排出。
吸附了有机物的树脂利用本发明所述的热脱附装置进行脱附处理。
六、等离子体处理，有害的萃取液用高压泵加压至7-10bar压力，再由喷枪形成80μm左右粒径的雾滴，雾滴进入等离子体反应器处理，采用深圳市迈科瑞环境科技有限公司的MGC-200型等离子体炬，MGC-200型等离子体炬功率为200KW，按200KW功率的等离子体炬处理60L/h的有害萃取液配备等离子体炬，等离子体处理后的气体经过现有技术的烟气净化系统处理，即急冷、除尘、脱酸后由引风机抽至烟囱排放。
本发明的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理设备，由破碎设备、热脱附装置、冷凝器、萃取器、吸附塔、高压泵、喷枪、等离子体反应器和烟气净化系统组成。破碎设备将含半挥发性有机污染物的固体废物破碎至30mm以下粒径的待处理料后，热脱附装置将其气体与固体分离，气体经冷凝器冷凝后形成的冷凝液，在萃取器中经液液萃取分离得到的有害的萃取液，用高压泵加压至7-10bar，由喷枪形成80μm粒径的雾滴，进入等离子体反应器处理，冷凝后的气体经吸附塔内的大孔吸附树脂吸附污染物后，排入市政排污管道。
如图2所示，所述螺旋推进式热脱附装置，设有轴线为水平安装的筒状外壳体6，外壳体6内同轴设置有筒状的内壳体2，外壳体6的内壁贴有保温层7，内壳体2一端的上部连接有进料口1，进料口1伸出外壳体6的筒状外壁，内壳体2另一端伸出外壳体6的端部，其下部连接有出料口5，端部连接有排气口11，内壳体2内设有螺旋推送杆3(简称螺杆)，螺杆3设置在内壳体2的底部，其轴线与内壳体2的轴线平行，设置在外壳体6一端部外的驱动装置4连接伸出内壳体2和外壳体6的螺杆3一端，驱动装置4为电机连接的摆线针轮减速机，设置在外壳体6外的柴油燃烧机8的输出燃气管接入外壳体6内的一端、内壳体2进料口1一端的底部外侧，外壳体6内另一端的顶部连接有向上的出气口9，内壳体2另一端的上部连接有热电偶10，与固体物质分离后的有害气体由位于内壳体2另一端端部的排气口11进入冷凝系统。
30mm以下粒径的待处理料由进料口1被送入内壳体2里，燃烧机8送出的燃气在外壳体6与内壳体2之间形成的夹层内燃烧，加热内壳体2，在驱动装置4驱动下螺杆3带动物料低速平稳向内壳体2的出料口5移动，并逐渐被加热使其中含有的半挥发性有机污染物挥发出来，被挥发出有机污染物后的物料由出料口5排出，自然冷却后返回原地。螺杆3采用无轴螺旋，具有与物料接触面小，摩擦力低，无堵塞缠绕现象的优点。
如图3所示，所述旋转式热脱附装置，设有窑头16和窑尾12，窑头16与窑尾12之间连接有外壳体6，外壳体6的内壁贴有保温层7，窑头16、外壳体6和窑尾12中设有贯通其中、轴线与水平线按呈3％-5％坡度安装的筒状旋转体14，筒状旋转体14的两端设有轴承座15，筒状旋转体14由设置在窑头16外的驱动装置4驱动其绕轴线旋转，驱动装置4由电机、减速器、内齿轮与筒状旋转体14上的外齿轮组成，筒状旋转体14一端的上部连接有进料口1，筒状旋转体14另一端的下部连接有出料口5，端部连接有排气口11，设置在外壳体6外的柴油燃烧机8的输出燃气管接入外壳体6内的一端、筒状旋转体14的底部外侧，外壳体6内另一端的顶部连接有向上的出气口9，筒状旋转体14另一端的上部连接有热电偶10，与固体物质分离后的有害气体由位于筒状旋转体14另一端端部的排气口11进入冷凝系统。
30mm以下粒径的待处理料由进料口1被送入筒状旋转体14，筒状旋转体14在驱动装置4的驱动下慢速旋转，物料在重力作用下低速平稳向筒状旋转体14的出料口5移动，燃烧机8则在筒状旋转体14与外壳体6之间的夹层内加热筒状旋转体14，逐渐加热待处理料使其中含有的半挥发性有机污染物挥发出来，被挥发出有机污染物后的物料由出料口5排出，自然冷却后返回原地。旋转式热脱附装置具有设备简单、运行可靠、处理量大、可长期连续运转、物料适应范围广和投资小的优点。
根据不同的半挥发性有机污染物中各个有机物成分沸点的不同，利用热电偶10实时测得的温度值，来控制和调节燃烧机8的功率，使内壳体2或筒状旋转体14内的温度控制在150～550℃之间，确保大部分的有机污染物不发生分解，同时热脱附效率达到90％以上，使得固体废物气体脱附后污染物成分的残留量达到土壤环境质量标准GB15618-1995中III类以上标准的要求。因此本发明采用的热脱附装置具有非焚烧、间接加热和低成本的优点。
如图4所示，所述等离子体反应器，设有筒状的碳钢外壳21，碳钢外壳21内设置有耐高温防腐蚀的耐火内衬23，碳钢外壳21与耐火内衬23之间为空冷套管22，碳钢外壳21的一端中心沿轴向设有用于喷射喷雾的喷枪27，在碳钢外壳21上连接有等离子体炬25，等离子体炬25的中心线与碳钢外壳21的轴线相交，与喷枪27喷出的喷雾气流方向呈锐角，碳钢外壳21上连接有用于监测等离子体反应器内的反应情况的火焰探测器26。
碳钢外壳21的厚度根据室体的长度与内径的比例按低压容器的现有技术规范选取。耐火内衬23采用刚玉材质的特种耐火材料，能在还原及贫氧气氛下使用且能耐受1800℃高温，厚度不小于100mm。空冷套管22由碳钢外壳21和耐火内衬23之间的间隔分隔成气流通道，空冷套管22连接有气泵的空气管24。
等离子体炬25的数量根据废弃物的处理量设置，按每支深圳市迈科瑞环境科技有限公司的MGC-200型等离子体炬200KW处理60L/h的有害的萃取液配置。
气、液态有机废物通过喷枪27喷入有耐高温防腐蚀的耐火内衬23的等离子体反应器内，在等离子体炬25炬心附近3000℃以上高温区迅速气化并发生化学反应，随等离子体炬25的冷却风带入部分氧气，通过控制等离子体反应器内的含氧量，使绝大部分C生成CO，主要产物为CO、H2、烷烃、烯烃。
实施例，陕西某污染场地的土壤中六六六含量平均为500ppm，破碎设备采用PE-200×350型颚式破碎机。
采用如图2所示的L 6000×Φ950直径的旋转式热脱附装置，热脱附装置内温度控制为200℃左右，土壤的停留时间为20min左右，处理量为2t/h。
气-水交换的列管式冷凝器采用不锈钢单管程400m2换热面积的列管式冷凝器。
采用苯作萃取剂，与冷凝液按质量比1∶30的配比，搅拌均匀并静置30min，将下层萃取液转移至储桶由等离子体系统处理。
剩余液体经过2级深圳市迈科瑞环境科技有限公司的尺寸为：H1000×Φ950、以LS-100型大孔吸附树脂作填料的树脂吸附器吸附污染物后，排出的水按GB/T 7492-1987的气相色谱法检测，排出的水中六六六含量为0.0005mg/L，排入市政排污管道。
高压泵加压压力为7bar，等离子体反应器为L 1200×Φ500，采用2套深圳市迈科瑞环境科技有限公司的MGC-200型等离子体炬处理，处理后的气体从1200℃经过1s时间冷却至200℃后经CXBC-II41-27型除尘器除尘，并采用填料脱酸塔脱酸后，按危险废物焚烧污染控制标准(GB18484-2001)检测，各项污染物浓度满足排放要求。
经热脱附后分离的固体物自然冷却后，按GB15618-1995土壤环境质量标准中的方法检测，六六六含量＝1ppm，达到土壤环境质量III类标准的要求，保持土壤原有的功能和状态，返回原地填埋。
本发明的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，采用热脱附和等离子体热解组合的方式，一次性无害化处理含半挥发性有机污染物的固体废物，处理效率高，成本低，不产生二次污染，可有效处理被持久性有机污染物POPs(Persistent Organic Pollutants)污染的土壤、污泥及其它固体废弃物。
Claims (10)
1.一种含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，包括以下步骤：一、破碎，将含半挥发性有机污染物的固体废物破碎至30mm以下粒径的待处理料；二、热脱附，将待处理料在温度为150-550℃，处理10-30分钟，使含半挥发性有机污染物的固体废物中的气体与固体物分离；三、冷凝，气体进入冷凝器，冷凝后的尾气被排放；冷却填埋，固体物自然冷却后，返回原地填埋；四、萃取分离，气体冷凝后凝结的冷凝液经液液萃取分离，有机溶剂与冷凝液按质量比1:20-50，搅拌均匀后静置30min，使有害的萃取液与剩余液体分离；剩余液体经过吸附树脂吸附后，进入市政排污管道；有害的萃取液用高压泵加压至7-10bar，由喷枪形成80μm的雾滴进入等离子体反应器处理，按处理量60L/h配备200KW功率的等离子体炬，等离子体处理后的气体经过急冷、除尘、脱酸后由烟囱排放。
2.根据权利要求1所述的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，其特征在于：所述热脱附采用间接加热方式。
3.根据权利要求2所述的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，其特征在于：所述冷凝器为气-水交换的列管式冷凝器。
4.根据权利要求3所述的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，其特征在于：所述冷凝后的尾气作为所述热脱附装置的助燃风，燃烧后经烟囱排放。
5.根据权利要求4所述的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，其特征在于：所述有机溶剂是苯、丙酮或乙醇。
6.根据权利要求5所述的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理方法，其特征在于：所述剩余液体经过2-3级高吸油特性的LS-100大孔吸附树脂作为填料的吸附塔吸附污染物后，进入市政排污管道，按现有技术的污水处理方法处理后排出。
7.一种含半挥发性有机污染物的固体废物的处理设备，其特征在于：所述含半挥发性有机污染物的固体废物的处理设备由破碎设备、热脱附装置、冷凝器、萃取器、吸附塔、高压泵、喷枪、等离子体反应器和烟气净化系统组成；所述破碎设备将含半挥发性有机污染物的固体废物破碎至30mm以下粒径的待处理料后，热脱附装置将其气体与固体分离，气体经冷凝器冷凝后形成的冷凝液，在萃取器中经液液萃取分离得到的有害的萃取液，用高压泵加压至7-10bar，由喷枪形成80μm粒径的雾滴，进入等离子体反应器处理；所述冷凝后的气体经吸附塔内吸附污染物后排出。
8.根据权利要求7所述的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理设备，其特征在于：所述热脱附装置设有轴线水平安装的筒状外壳体（6），外壳体（6）内同轴设置有筒状的内壳体（2），内壳体（2）一端的上部连接有进料口（1），内壳体（2）另一端下部连接有出料口（5），端部连接有排气口（11），内壳体（2）内设有螺旋推送杆（3），螺旋推送杆（3）设置在内壳体（2）的底部，其轴线与内壳体（2）的轴线平行，所述螺旋推送杆（3）的一端连接外壳体（6）端部外的驱动装置（4），所述外壳体（6）外设置的柴油燃烧机（8）的输出燃气管接入外壳体（6）内的一端、内壳体（2）进料口（1）一端的底部外侧，外壳体（6）内另一端的顶部连接有出气口（9）。
9.根据权利要求7所述的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理设备，其特征在于：所述热脱附装置设有顺序连接的窑头（16）、外壳体（6）和窑尾（12），窑头（16）、外壳体（6）和窑尾（12）中设有贯通其中、轴线与水平线按3%-5%坡度安装的筒状旋转体（14），筒状旋转体（14）由驱动装置（4）驱动其绕轴线旋转，筒状旋转体（14）一端的上部连接有进料口（1），筒状旋转体（14）另一端的下部连接有出料口（5），端部连接有排气口（11），所述外壳体（6）外的柴油燃烧机（8）的输出燃气管接入外壳体（6）内、筒状旋转体（14）的底部外侧，外壳体（6）内另一端的顶部连接有向上的出气口（9）。
10.根据权利要求8或9所述的含半挥发性有机污染物的固体废物的处理设备，其特征在于：所述等离子体反应器设有筒状的碳钢外壳（21），碳钢外壳(21)内设置有耐火内衬(23)，碳钢外壳(21)的一端中心沿轴向设有喷枪(27)，在碳钢外壳（21）上连接有等离子体炬(25)，等离子体炬(25)的中心线与碳钢外壳（21）的轴线相交，与喷枪(27)喷出的喷雾气流方向呈锐角。
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