CN103894412A - 一种土壤修复提质方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土壤修复提质的方法，包括土壤热解析、生物质秸秆的热解和气化、焚烧和燃烧。生物质秸秆通过热解和气化反应分别生成热解气和生物炭以及气化气和活性炭，待修复土壤通过热解析处理后产生热解析气体和净化后的土壤，热解气直接燃烧生成热烟气，并以直接换热的方式为热解析提供热量，解析后的土壤返回参与热解反应，后与热解产物生物炭混合达到提质目的，而热解析气体在气化气燃烧形成的高温环境中发生分解反应，产生的高温烟气为气化反应提供热量和气化介质，然后烟气通过活性炭吸收脱除其中的污染物后排入大气。本发明实现了土壤修复提质过程中产物的循环利用和能量的梯级利用，具有节约能源、无污染、设备结构紧凑等优点。

Description

一种土壤修复提质方法
技术领域
本发明属于土壤污染治理技术领域，具体地涉及一种土壤修复提质方法。
背景技术
土壤是生态环境系统的有机组成部分，是人类生存与发展最重要和最基本的综合性自然资源。然而，随着我国工业化的快速发展，矿产资源的不合理开采及其冶炼排放、长期对土壤进行污水灌溉和污泥施用、人为活动引起的大气沉降、化肥和农药的施用等原因，造成了土壤污染严重。目前，我国是世界上土壤污染最严重的国家之一。据环保部2006年公布的数据显示，我国受污染耕地约1.5亿亩，占18亿亩耕地的8.3％。如何保护我国土地，修复土壤污染，建立良性循环的生态系统，实现经济、环境、社会效益的和谐统一，已成为当前亟待解决的重要问题。
土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低到可接受水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。常用的土壤修复技术有热力学修复、热解析修复、焚烧法修复、土地填埋法修复、化学淋洗法修复、堆肥法修复、植物修复、渗透反应墙修复、生物修复等。其中，热解析修复技术是指采用直接或间接换热方式，将有机污染物加热到足够高的温度，使其蒸发并从受污染介质中分离出来的过程，具有工艺原理简单、处理迅速等优点，被广泛应用于处理挥发性和半挥发性有机污染物的土壤和地块。
然而，目前采用的土壤热解析修复技术尚存在不足之处，如发明专利CN101712042A公开了一种直接热解析设备，该设备通过一次加热和二次加热把有机物从污染土壤中分离出来并进行处理，很显然，该发明在具体实施过程中需要对一次和二次加热部分提供专门的燃料，尤其是在产生高温环境的二次加热补燃器，这对于设备经济性的提高是非常不利的，转移的污染物并未完全得到净化处理。发明专利CN101947543A提供了一种利用发电厂清洁尾气处理挥发性有机物污染土的装置，该装置采用发电厂经脱硫、脱硝及除尘等清洁处理后的无毒蒸汽作为供气源，利用其高温、高湿特点强化热解析土壤中的挥发性有机污染物，但挥发性有机污染物解析后随烟气排放至大气，会引起二次污染，这对于土壤污染治理是得不偿失的。专利CN102527705A发明了一种土壤修复方法，该方法将待修复土壤送到回转窑中加热解析，经过焙烧的土壤通过破碎机破碎后使用，废气通过脱汞、燃烧和除尘后排至大气，虽然该方法对尾气进行了污染控制处理，但处理过程中需要消耗额外能量，而且450～800℃的回转窑温度也极大地破坏了土壤的肥力。
综上所述，目前采用的土壤热解析修复方法普遍存在需要消耗大量热量、修复后土壤肥力下降、有二次污染等问题，迫切需要开发出一种经济、高效、无二次污染的土壤修复提高土壤质量的如让修复提质方法。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种土壤修复方法，以解决常规的土壤热解析修复过程中需要消耗大量热量、修复后的土壤由于pH值降低导致肥力下降、产生的热解析气体因含有污染性有机物质易引起二次污染等问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种土壤修复提质方法，包括如下步骤：
(1)土壤热解析：将待修复的土壤在高温烟气的作用下进行热解析处理，产生热解析气体和携带热量的净化土壤，此时土壤吸收烟气的物理显热而发生热解析，其中热解析气体包括一些挥发性和半挥发性的有机污染物；
(2)原料生物质秸秆的热解：利用步骤(1)中的携带热量的净化土壤的热量使原料生物质秸秆发生热解反应，生成热解气和生物碳，生成的生物碳和换热后的净化土壤混合均匀后排出系统，含有生物碳的土壤的肥力大大增加，其中，所述的热解气包括一氧化碳、氢气、甲烷和一些大分子碳氢链；
(3)气化生物质秸秆的气化：在导热油提供的高温条件下，使生物质秸秆与水蒸气和氧气一起发生气化反应，产生气化气和活性炭，其中，气化气的主要成分为一氧化碳、氢气、甲烷等可燃组分；
(4)焚烧：将空气和步骤(3)中产生的气化气一起焚烧形成燃烧带，同时，将步骤(1)中产生的热解析气体引入所述燃烧带的燃烧高温区域，将热解析气体中大部分有机污染物转化成无污染气态物并生成高温烟气，产生的高温烟气通过第一次间接换热将热量传递给导热油，第一次降温后的高温烟气通过水加热器将气化水加热成饱和蒸汽，高温烟气第二次降温为低温烟气，低温烟气与步骤(3)中的活性炭充分接触进行净化，净化后的烟气排入大气；
(5)燃烧：将空气和步骤(2)中产生的热解气一起燃烧生成高温热烟气，所述高温热烟气通过第一次间接换热的方式将热量传递给步骤(4)中过来的导热油，加热后的导热油在步骤(3)中循环使用，第一次降温后的高温烟气通过蒸汽过热器将饱和蒸汽加热至过热蒸汽，高温烟气第二次降温，第二次降温后的高温烟气返回到步骤(1)中参与土壤热解析过程。
其中，步骤(1)中土壤热解析的温度保持在420～560℃。
步骤(1)中的热解析气体和携带热量的土壤通过旋风分离器进行分离。
步骤(2)中，生物质秸秆的热解的反应温度保持在400～500℃。
步骤(3)中，气化生物质秸秆的气化反应温度为700～850℃。
步骤(4)中，生成的高温烟气的温度控制在900～1100℃，第一次降温后的高温烟气的温度为600～700℃，第二次降温后高温烟气的温度为150～180℃。
步骤(5)中生成的高温热烟气的温度控制在1000～1200℃，所述高温热烟气第一次间接换热将导热油加热至850～880℃，第一次降温后的烟气温度控制在780～820℃，第二次降温后的烟气温度控制在500～580℃。
上述步骤(1)中温度可通过调节通入烟气的流量进行控制，步骤(2)中反应温度可通过调节引入携带热量的净化土壤的通量进行控制，步骤(3)中反应温度可通过调节通入导热油的流量进行控制，步骤(4)和(5)中生成的高温烟气的温度控制均可以通过调节通入空气的流量进行控制。
总体来说，用于热解的原料生物质秸秆通过热解反应生成热解气和生物炭，用于气化的原料生物质秸秆通过气化反应生成气化气和活性炭，待修复土壤通过热解析处理后产生含有机污染物的热解析气体和净化后的土壤，其中，热解析过程所消耗热量由热解气燃烧生成的烟气通过直接换热的方式提供，净化后的土壤通过直接提供热量的方式返回参与热解反应，同时与热解产物生物炭混合，而热解析气体通过气化气燃烧形成的高温环境把其中的大部分有机污染物分解成无污染气态物，产生的高温烟气通过间接换热方式为气化反应提供热量和气化介质，降温后的烟气则通过活性炭吸收脱除其中的污染物形成无污染烟气，最终排入大气，这样，待修复土壤和原料生物质秸秆经过热解、气化、热解析、焚烧和燃烧五个相互耦合的物化过程完成土壤的修复提质目的。
有益效果：与常规的土壤修复方法相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明在常规土壤热解析修复过程中耦合了原料生物质秸秆的热解、气化过程、热解析气焚烧和热解气燃烧过程，这充分体现了全局系统的功能集成性，实现了每个过程中产物和能量供需之间的相互匹配，节约能源并减少有害气体的排放。
(2)采用常规的土壤热解析修复方法，修复后的土壤温度较高，含有大量的物理显热，且由于土壤有机质和结构水遭到破坏、PH值降低导致肥力下降，而原料生物质秸秆热解过程需要消耗大量热量，热解产物生产的生物炭具有疏松多孔的性质和较大的比表面积，是一种使土壤保持营养和水份的木炭产品，本发明将这两个过程相互结合，让携带物理显热的修复后土壤参与热解过程，不仅解决了修复后土壤的物理显热回收问题，而且解决了原料生物质秸秆热解过程需要热量的问题，同时也解决了修复后土壤肥力下降的问题。
(3)原料生物质秸秆热解产生的热解气含有易堵塞管路的焦油，具有较高的热值，本发明将热解气通过燃烧方式直接处理，避免了焦油堵管，燃烧产生的高温烟气不仅加热导热油和水蒸汽，而且以作为流化介质的方式为土壤热解析过程提供了热量，因此，通过耦合燃烧和热解析过程间接利用原料生物质秸秆的化学能，实现了土壤热解析过程中所需的能量问题。
(4)采用常规的土壤热解析修复方法，修复后的热解析气体通常含有有机污染物，若要实现近零排放，需要配备专门的污染物处理设备，本发明将热解析和气化耦合，不仅通过气化气燃烧分解了挥发性污染物，而且采用活性炭脱除了挥发性重金属，使得整套装置无二次污染，真正实现了污染物的零排放。
(5)本发明通过热解和气化两种高值利用方式，将原料生物质秸秆中的有机成分进行了目标化分离，并针对土壤热解析修复过程及其不同产物的处理要求进行合理匹配，这不仅实现了固态产物和气态产物的高效利用，而且实现了农林废弃物的减量化、无害化和资源化处理，为固废处理提供了一条新的途径。
(6)本发明将土壤修复和土壤提质耦合，同时资源化处理农林废弃物，特别适用于城镇化过程中在原料生物质秸秆丰富的农村地区修复受污染土壤。
附图说明
图1是本发明的一种土壤修复提质方法的流程示意图。
具体实施方式
以下参照图1详细说明本发明的实施。本实施例在以本技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明的土壤修复提质方法包括5个部分：
(1)土壤热解析：将待修复的土壤在500℃的高温烟气的流化作用下发生热解析反应，其中土壤中挥发性和半挥发性的有机污染物析出变成热解析气体，同时使土壤变为携带热量的净化土壤，热解析气体和携带热量的净化土壤通过旋风分离系统分离；
(2)原料生物质秸秆的热解：利用步骤(1)中的携带热量的净化土壤的热量使原料生物质秸秆发生热解反应，此时原料生物质秸秆物料吸收净化土壤的显热快速升温，通过调节净化土壤的量使反应温度保持在500℃左右，生成热解气和生物碳，生成的生物碳和换热后的净化土壤混合均匀后排出系统，含有生物碳的净化土壤肥力增加；
(3)燃料生物质秸秆的气化：利用导热油的传热，使反应床层温度上升至820℃左右，在这样的高温条件下，使原料生物质秸秆与水蒸气和氧气一起发生气化反应，产生含一氧化碳、氢气、甲烷等可燃组分为主的气化气和活性炭；
(4)焚烧：将空气和步骤(3)中产生的气化气一起焚烧形成燃烧带，同时，将步骤(1)中产生的热解析气体引入所述燃烧带的燃烧高温区域，将热解析气体中大部分有机污染物转化成无污染气态物并生成1000℃左右的高温烟气，产生的高温烟气通过第一次间接换热将热量传递给步骤(3)中的导热油，使导热油加热到620℃左右，而高温烟气的温度则降到650℃左右，然后650℃左右的高温烟气通过水加热器将气化水加热成饱和蒸汽，而高温烟气温度进一步降低到160℃左右的低温烟气，使该低温烟气与步骤(3)中的活性炭充分接触进行净化，净化后的烟气排入大气；
(5)燃烧：将空气和步骤(2)中产生的热解气一起燃烧生成1100℃左右的高温热烟气，该高温热烟气通过第一次间接换热的方式将热量传递给步骤(3)中的导热油，将从热解析气体焚烧系统过来的导热油加热至860℃左右，加热后的导热油在步骤(3)中循环使用，而高温烟气则降温至800℃左右，接着800℃左右的烟气通过蒸汽过热器将饱和蒸汽加热至过热蒸汽，高温烟气温度进一步降低至500℃左右，通过增压，使500℃左右的烟气再次返回至热解析系统，参与土壤热解析过程。
其中，上述步骤(1)中温度可通过调节通入烟气的流量进行控制，步骤(2)中反应温度可通过调节引入携带热量的净化土壤的通量进行控制，步骤(3)中反应温度可通过调节通入导热油的流量进行控制，步骤(4)和(5)中生成的高温烟气的温度控制均可以通过调节通入空气的流量进行控制。
本发明在土壤热解析修复过程中耦合了原料生物质秸秆的热解、气化过程、热解析气焚烧和热解气燃烧过程，这充分体现了全局系统的功能集成性，实现了每个过程中产物和能量供需之间的相互匹配，节约能源并减少有害气体的排放。且相比较常规的土壤热解析修复方法，修复后的土壤温度较高，含有大量的物理显热，且由于土壤有机质和结构水遭到破坏、pH值降低导致肥力下降，而原料生物质秸秆热解过程需要消耗大量热量，热解产物生产的生物炭具有疏松多孔的性质和较大的比表面积，是一种使土壤保持营养和水份的木炭产品，本发明将这两个过程相互结合，让携带物理显热的修复后土壤参与热解过程，不仅解决了修复后土壤的物理显热回收问题，而且解决了原料生物质秸秆热解过程需要热量的问题，同时也解决了修复后土壤肥力下降的问题。同时，本发明将热解析和气化耦合，不仅通过气化气燃烧分解了挥发性污染物，而且采用活性炭脱除了挥发性重金属，使得整套装置无二次污染，真正实现了污染物的零排放；通过热解和气化两种高值利用方式，将原料生物质秸秆中的有机成分进行了目标化分离，并针对土壤热解析修复过程及其不同产物的处理要求进行合理匹配，这不仅实现了固态产物和气态产物的高效利用，而且实现了农林废弃物的减量化、无害化和资源化处理，为固废处理提供了一条新的途径。通过将土壤修复和土壤提质耦合，同时资源化处理农林废弃物，特别适用于城镇化过程中在原料生物质秸秆丰富的农村地区修复受污染土壤。

Claims (7)

1.一种土壤修复提质方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)土壤热解析：将待修复的土壤在高温烟气的作用下进行热解析处理，产生热解析气体和携带热量的净化土壤；
(2)原料生物质秸秆的热解：利用步骤(1)中的携带热量的净化土壤的热量使原料生物质秸秆发生热解反应，生成热解气和生物碳，生成的生物碳和换热后的净化土壤混合均匀后排出系统；
(3)原料生物质秸秆的气化：在导热油提供的高温条件下，使原料生物质秸秆与水蒸气和氧气一起发生气化反应，产生气化气和活性炭；
(4)焚烧：将空气和步骤(3)中产生的气化气一起焚烧形成燃烧带，同时，将步骤(1)中产生的热解析气体引入所述燃烧带的燃烧高温区域，将热解析气体中的有机污染物转化成无污染气态物并生成高温烟气，产生的高温烟气通过第一次间接换热将热量传递给导热油，第一次降温后的高温烟气通过水加热器将气化水加热成饱和蒸汽，高温烟气第二次降温为低温烟气，低温烟气与步骤(3)中的活性炭充分接触进行净化，净化后的烟气排入大气；
(5)燃烧：将空气和步骤(2)中产生的热解气一起燃烧生成高温热烟气，所述高温热烟气通过第一次间接换热的方式将热量传递给从步骤(4)中过来的导热油，加热后的导热油在步骤(3)中循环使用，第一次降温后的高温烟气通过蒸汽过热器将饱和蒸汽加热至过热蒸汽，高温烟气第二次降温，第二次降温后的高温烟气返回到步骤(1)中参与土壤热解析过程。
2.根据权利要求1所述的土壤修复提质方法，其特征在于，步骤(1)中土壤热解析的温度保持在420～560℃。
3.根据权利要求1所述的土壤修复提质方法，其特征在于，步骤(1)中的热解析气体和携带热量的土壤通过旋风分离器进行分离。
4.根据权利要求1所述的土壤修复提质方法，其特征在于，步骤(2)中，生物质秸秆的热解的反应温度保持在400～500℃。
5.根据权利要求1所述的土壤修复提质方法，其特征在于，步骤(3)中，气化生物质秸秆的气化反应温度为700～850℃。
6.根据权利要求1所述的土壤修复提质方法，其特征在于，步骤(4)中，生成的高温烟气的温度控制在900～1100℃，第一次降温后的高温烟气的温度为600～700℃，第二次降温后高温烟气的温度为150～180℃。
7.根据权利要求1所述的土壤修复提质方法，其特征在于，步骤(5)中生成的高温热烟气的温度控制在1000～1200℃，所述高温热烟气第一次间接换热将导热油加热至850～880℃，第一次降温后的烟气温度控制在780～820℃，第二次降温后的烟气温度控制在500～580℃。
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