CN105032913A - 热脱附装置、热脱附修复系统以及污染土壤的热脱附方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热脱附装置、热脱附修复系统以及污染土壤的热脱附方法，该热脱附装置包括槽式反射镜和集热管，所述集热管由自外向内依次穿套的外层套管、中间套管和内层套管组成，所述外层套管为透明，外层套管与中间套管之间设有真空隔层，所述中间套管和内层套管之间为热交换区，所述热交换区通过管路外接循环泵和油炉，所述内层套管的内部空间为工作区。该热脱附修复系统包括依次连接的预处理装置、进料装置以及所述热脱附装置、除尘装置和尾气处理系统。本发明采用该装置及热脱附系统修复污染土壤可显著降低土壤热脱附过程的能耗，降低处理成本，提高土壤热脱附效果。

Description

热脱附装置、热脱附修复系统以及污染土壤的热脱附方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，尤其涉及热脱附装置、热脱附修复系统以及污染土壤的热脱附方法。

背景技术

热脱附修复技术是经过直接加热或间接加热将污染土壤加热到足够的温度，使其所含的有机污染物得以挥发或分离的过程。热脱附是将污染物从某一相转化为另一相的物理分离过程，通过控制热脱附系统的温度和物料停留时间可以有选择性的使目标污染物挥发。

热脱附修复技术一般分为低温热脱附技术(加热温度为150～315℃)和高温热脱附技术(加热温度为315～540℃)两类。目前，许多热脱附修复工程已经涉及到苯、甲苯、二甲苯、乙苯及TPH等污染物，并取得了很好的修复效果。

通常，热脱附修复技术可分为两步：一为加热污染土壤使其中的有机污染物挥发；二为热脱附后的尾气处理。虽然，热脱附修复技术具有处理效率高、二次污染小以及修复后土壤可利用等特点，但也存在运行能耗高、处理成本大等问题。

申请公布号为CN101712042A的发明专利申请文献公开了一种直接热解析设备，该设备包括送料部分、辅助部分、加热部分、除尘部分、急冷部分、洗涤部分和排放部分，其中，所述的加热部分包括一次加热部分和二次加热部分，所述送料部分及所述辅助部分均与所述一次加热部分相连接，所述除尘部分包括一次除尘部分和二次除尘部分，所述排放部分包括气体排放装置与土壤排放装置，所述依次加热部分依次与所述一次除尘部分、所述二次加热部分、所述急冷部分、所述二次除尘部分、所述洗涤部分以及所述气体排放装置相连接，所述一次加热部分还与所述土壤排放装置相连接，所述洗涤部分为洗涤塔，所述洗涤塔的末端与所述气体排放装置相连接。该设备采用直接加热方式进行热脱附，处理量大、能耗低、处理费用低，但是热源气体与挥发出的污染气体相互混合，增大了后续尾气的处理成本。

申请公布号为CN101780467A的发明专利申请文献公开了一种间接热解析设备，该设备包括送料部分、辅助部分、加热部分、除尘部分、洗涤冷却部分、废液净化-再利用部分、废气吸附过滤部分、排放部分与监控部分，其中，送料部分、辅助部分与加热部分相连接，排放部分由气体排放装置与土壤排放装置构成，洗涤冷却部分与洗涤冷却塔，废液净化-再利用部分与洗涤冷却塔相连接，加热部分依次与除尘部分、洗涤冷却塔、废气吸附过滤部分相连接，上述组件还分别与监控部分相连接，废气吸附过滤部分与辅助部分中的空气导入装置相连接。该设备采用双层回转窑对污染土壤进行间接加热，尽管减少了尾气处理量，但系统能耗高且热利用率低。

由于热脱附修复技术存在上述高能耗、高成本等问题，使该技术的推广应用受到了很大的限制；因此，如何降低热脱附系统运行能耗是当前热脱附修复技术亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种热脱附装置、热脱附修复系统以及污染土壤的热脱附方法，采用该装置及热脱附系统修复污染土壤可显著降低土壤热脱附过程的能耗，降低处理成本，提高土壤热脱附效果。

一种热脱附装置，包括槽式反射镜和集热管，所述集热管由自外向内依次穿套的外层套管、中间套管和内层套管组成，所述外层套管为透明，外层套管与中间套管之间设有真空隔层，所述中间套管和内层套管之间为热交换区，所述热交换区通过管路外接循环泵和油炉，所述内层套管的内部空间为工作区。

所述中间套管和内层套管采用导热材质，热交换区内流通有导热油，该导热油通过循环泵和油炉在热交换区内循环流动；槽式反射镜可将太阳光反射到集热管的外层套管上，并透过真空隔层被中间套管吸收，进而对导热油进行加热，导热油的温度可加热至300～400℃。外层套管与中间套管之间设置真空隔层可防止热量逆向扩散造成的损失。

本发明将集热管设置成三层套管结构，并在中间套管和内层套管之间设置能够循环流通导热油的热交换区，利用导热油热传导效果好、热稳定性高的特点，使在热交换区内流通的导热油吸收中间套管的热量，提升自身温度，并将热量传递至内层套管，从而对内层套管内部的污染土壤进行热脱附。

采用上述结构进行土壤热脱附不仅能够减少热脱附过程的能耗，也可使污染土壤受热均匀，提高脱附效果。

作为优选，所述内层套管内设有搅龙，其用于搅拌输送工作区内的污染土壤。搅龙在电机的带动下可以以一定转速旋转，推动土壤在工作区内前行，保证土壤在工作区内停留一定的时间，通过调节搅龙的转速来调整土壤在热脱附装置内的停留时间。

作为优选，所述中间套筒和内层套筒为金属材质，利于中间套管、内层套管与热交换区之间的热量传递。

本发明还提供了一种污染土壤的热脱附修复系统，包括依次连接的预处理装置、进料装置、热脱附装置、除尘装置和尾气处理系统，热脱附装置如上文所述。

所述预处理装置由土壤破碎装置和振动筛分装置构成，两者相互连接。污染土壤依次经过破碎、筛分处理后，粒径达到10mm以下。

所述进料系统由板式输送机、磁选器和计量称构成，所述板式输送机与振动筛分装置连接，磁选器和计量称分别与板式输送机连接。预处理后的污染土壤在由板式输送机运往热脱附装置的过程中，进行磁选，去除铁块等磁性固体，并进行计量。

作为优选，所述的除尘装置为两个旋风除尘器串联使用的两级除尘装置。上述除尘装置分别通过调整旋风除尘器的风速实现两级除尘处理，在除尘装置和热脱附装置之间设置引风机，热脱附过程后产生的污染尾气，在引风机的作用下，进入两级除尘装置中。

作为优选，所述尾气处理系统包括依次连接的催化燃烧装置、碱洗装置和气体排放装置。

为了进一步降低土壤热脱附修复过程中的能量消耗，作为优选，所述催化燃烧装置与碱洗装置之间还连接有热交换装置。

上述热交换装置的热流体进口端通过引风机与催化燃烧装置相连，而冷流体进口端与热源装置的油炉连通，催化燃烧后排出的剩余尾气，在引风机的作用下，进入热交换装置中，并作为热流体进行热交换；而导热油炉中的导热油通过循环泵从冷流体进口端泵入热交换装置中。

更优选，所述热脱附装置与热源装置相连，所述热源装置由油炉和蓄热装置组成，热脱附装置、油炉和蓄热装置通过管路两两相连接。油炉属于辅助加热装置，在太阳能辐射不足或阴雨天气时，为热脱附系统供热，保证热脱附系统正常运行；与此同时，蓄热装置也为油炉提供能量，并在太阳辐射过强时，通过与热脱附装置连接而将过量太阳能存蓄于蓄热器内。

本发明还提供了一种利用所述热脱附修复系统进行污染土壤热脱附修复的方法，包括：

(1)将污染土壤在预处理装置中破碎、筛分后，进行磁选处理，再输送至热脱附装置中，进行土壤热脱附；

(2)热脱附后的土壤经出料装置排出，脱附出的尾气经除尘后，进行催化燃烧；

(3)催化燃烧后的尾气经碱液喷淋洗涤后，通过气体排放装置排出。

作为优选，热脱附装置中，工作区的温度为300～400℃，土壤在工作区的停留时间为10～30min，以保证污染土壤进行充分的热脱附处理。

常规热脱附处理后获得的尾气通过焚烧、喷淋等方式进行处理，易造成部分有机物无法去除完全；本发明采用催化燃烧的方式，限定具体的催化剂和催化温度，能够更好的去除尾气中的苯系物、多环芳烃以及非氯代有机物等有机污染物，总去除率可在99％以上。

作为优选，所述催化燃烧的温度为300～600℃，催化燃烧过程中采用的催化剂的组分为：以重量百分数计，50％的氧化铝，25％的单质铈，25％的单质钴。

为保证尾气处理过程的效果，在尾气催化燃烧处理前，需要进行除尘处理，作为优选，所述除尘的过程为两级除尘，一级除尘的风速为9m/s～13m/s，二级除尘的风速为18～23m/s。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用太阳能集热以及导热油传热的方式对污染土壤进行热脱附，大大降低了土壤热脱附修复过程的能耗，有利于太阳能集热技术在土壤热脱附领域的推广。

(2)本发明在采用太阳能集热的同时还设置了热源装置，保证在太阳能辐射不足情况下，热脱附系统能够正常供热和运行。

(3)本发明采用催化燃烧技术对尾气进行处理，使得在较低的温度下，尾气中的有机污染物去除率超过99％，显著降低处理成本的同时，实现了尾气安全、高效的排放。

(4)本发明采用监控系统，在系统运行过程中，对各个设备的运行状态进行全程自动监控，实现了热脱附系统的自动化控制。

附图说明

图1为本发明污染土壤热脱附修复系统的结构框图；

其中，1-预处理装置，2-进料装置，3-热脱附装置，4-出料装置，5-除尘装置，6-催化燃烧装置，7-热交换装置，8-碱洗装置，9-热源装置，10-气体排放装置，11-监测系统，20-导热油炉，23-蓄热器。

图2为本发明热脱附修复系统中的热脱附装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明提供的污染土壤热脱附系统做进一步详细说明。

一种污染土壤的热脱附修复系统，如图1所示，该系统包括依次连接的预处理装置1、进料装置2、热脱附装置3、除尘装置5、催化燃烧装置6、热交换装置7、碱洗装置8和气体排放装置10；此外，该系统还包括与热脱附装置3连接的出料装置4，以及连接热交换装置7以及与热脱附装置3连通的热源装置9。

其中，预处理装置1由土壤破碎机和振动筛分机构成，污染土壤依次经过破碎、筛分处理后，粒径达到10mm以下。

进料装置2由板式输送机、磁选器和计量称组成，预处理后的污染土壤由板式输送机运往热脱附装置的过程中，进行磁选，去除铁块等磁性固体，并进行计量。所述板式输送机与振动筛分装置连接，磁选器和计量称分别与板式输送机连接。

热脱附装置3由槽式太阳能反射镜12和集热管13组成；如图2所示，集热管13的中心轴通过支架固定于槽式太阳能反射镜12的抛物柱面的焦线上；槽式太阳能反射镜12为抛物面反射镜，设置在转动的支架上，该支架能够在阳光跟踪系统的支配下，使槽式太阳能反射镜12的太阳光聚焦到集热管13上。

集热管13由自外向内依次穿套的外层套管15、中间套管16和内层套管17组成。其中，外层套管15的材质为透明玻璃，中间套管16和内层套管17均为金属材质的可导热套管；外层套管15与中间套管16之间设有真空隔层14，防止热量逆向扩散损失；中间套管16和内层套管17之间设有热交换区19，内层套管17的内部空间为工作区21。槽式太阳能反射镜12可将太阳光反射到集热管13的玻璃外层套管15上，并透过真空隔层14被金属导热中间套管16吸收，进而对导热油进行加热，导热油温度可加热至300～400℃。

热交换区19的内部有流动的导热油，热交换区19通过管路外接循环泵和导热油炉20，导热油存储于导热油炉20中，并通过循环泵使导热油在热交换区19内流动，进行循环供热。另外，工作区21内部用于盛放污染土壤，该污染土壤通过进料装置2输送至工作区21内。工作区21内还设有螺旋搅龙18，用于搅拌输送污染土壤。螺旋搅龙18在电机的带动下以一定转速旋转，推动土壤在工作区21内前行，使土壤在工作区21内的停留时间为10～30min，可通过调节螺旋搅龙18的转速来调整土壤在热脱附装置内的停留时间。

集热管13的末端设有排放漏斗22，排放漏斗22与出料装置4相连接，出料装置4包括土壤搅拌器、螺旋输送机、传输带等，其中，土壤搅拌器对热脱附处理后的土壤进行水雾化、搅拌、降温处理，最后，通过螺旋输送机、传送带进行堆放。而热脱附出的气体从排放漏斗22的顶部经引风机送到旋风除尘器中。

热源装置9由导热油炉20和蓄热器23构成，导热油炉20既通过管路和循环泵与热脱附装置3连通，又通过管路与蓄热器23连通，而蓄热器23同样与导热油炉20以及热脱附装置3连通。导热油炉20属于太阳能辅助加热装置，在太阳能辐射不足或阴雨天气时，为热脱附系统供热，保证热脱附系统正常运行；蓄热器23是可以蓄热或者给热的装置，当太阳辐射过强时，太阳能大于热脱附装置3的负载，过热的导热油通过管路循环将多余的热量存储在蓄热器23中，反之，蓄热器作为导热油炉的热源进行放热，供导热油炉加热导热油。

除尘装置5为两个旋风除尘器串联使用的两级除尘系统，分别通过调整旋风除尘器的风速实现两级除尘处理，在除尘装置和热脱附装置之间设置引风机，热脱附过程后产生的污染尾气，在引风机的作用下，进入一级旋风除尘器中，实现对粒径45μm以上粗颗粒物的去除，然后，再进入第二级旋风除尘器中，实现对粒径45μm以下、5μm以上细颗粒物的去除。

催化燃烧装置6是在催化剂的作用下对除去颗粒的尾气进行催化燃烧，催化燃烧的温度在300～600℃之间，催化燃烧时间不小于2秒，催化燃烧过程中采用的催化剂均匀固定在催化燃烧室的反应床上，由氧化铝、单质铈和单质钴组成。催化燃烧装置6内部的催化燃烧过程中，经由鼓风机通入空气，并通过在线监控仪确保尾气中氧气含量不低于10％，以保证催化燃烧的高效进行。经过催化燃烧过程后，尾气中的含有的苯系物、多环芳烃以及非氯代有机物等有机污染物得以破坏去除，总去除率可在99％以上。

热交换装置7的热流体进口端通过引风机与催化燃烧装置6相连，而冷流体进口端与热源装置9的导热油炉20连通，热交换装置7由换热器组成；催化燃烧后排出的剩余尾气的温度能够达到300～600℃，在引风机的作用下，剩余尾气进入热交换装置7中，并作为热流体进行热交换；而导热油炉20中的导热油通过循环泵从冷流体进口端泵入热交换装置7中。

碱洗装置为吸收塔，尾气经热交换装置冷却处理后，仍含有硫氧化物和氮氧化物等酸性污染物，通过浓度为30％的NaOH吸收液的喷淋洗涤，除去尾气中残留的硫氧化物和氮氧化物等酸性污染物，使尾气达到排放标准，喷淋形成的吸收液通过循环泵进行循环喷淋吸收，直至吸收液pH达到中性后由吸收塔下部排放口排出。喷淋吸收处理后的尾气经引风机作用由气体排放装置10排放到大气中。

本发明热脱附修复系统中还设有监控系统11，其由中央控制柜、PLC、仪表及附属设备组成，监测探头分别设置于进料装置2、热脱附装置3、出料装置4、除尘装置5、催化燃烧装置6、热交换装置7、碱洗装置8、热源装置9以及气体排放装置10中，能够监测系统相关部位运行的压力、温度及流量，实现监控系统对整套工艺系统的实时监控。

实施例1

采用上述公开的土壤热脱附修复系统处理某退役化工厂苯系物(BTEX)污染土壤，其中主要污染物为苯和二甲苯，污染浓度分别为526mg/kg、1023mg/kg，土壤湿度小于25％。

(1)采用土壤破碎机将上述污染土壤进行破碎，再用振动筛分机筛分土壤，获得粒径小于10mm的土壤；通过板式输送机将筛分后的污染土壤运往热脱附装置中，在运输过程中，对污染土壤进行磁选，去除铁块等磁性固体并计量；

(2)送至热脱附装置的污染土壤进入内层套筒内部的工作区中，在搅龙的转动下缓慢移动，搅龙的转速为0.2m/min，使得污染土壤在工作区内部的停留时间为20min；在热交换区中，导热油经循环泵的作用在热交换区内循环流通，通过油炉以及蓄热器控制导热油的温度，从而使工作区内的温度为280℃～330℃；

热脱附后的土壤通过排放漏斗进入出料装置，经出料装置排出，在排出前，对土壤进行水雾化、搅拌和降温处理，获得修复后的土壤；而热脱附过程中产生的尾气，经引风机作用，从排放漏斗的顶部送至旋风除尘装置中；

(3)脱附出的尾气首先进入一级除尘器中，控制除尘器的风速为10m/s，去除粒径45μm以上的粗颗粒物；在通入二级除尘器中，控制除尘器的风速为20m/s，去除45μm以下、5μm以上的细颗粒物；

(4)尾气经除尘后，进入催化燃烧装置中，控制装置中催化燃烧的温度为450℃，采用以重量百分数计，以50％氧化铝，25％单质铈，25％单质钴为组分的催化剂进行尾气的催化燃烧；催化燃烧后的尾气主要成分为二氧化碳、水及氮氧化物，尾气污染物去除率大于99％；

(5)催化燃烧后的尾气进入以质量浓度30％的NaOH为吸收液的吸收塔中，进行喷淋洗涤；喷淋洗涤后的洁净尾气经引风机通过气体排放装置排放到大气中。

修复效果：经过上述处理，污染土壤中的苯浓度由初始526mg/kg降至4.24mg/kg，二甲苯浓度由1023mg/kg降至25.4mg/kg，修复效果达到《展览会用地土壤环境质量评价标准(暂行)》(HJ350-2007)B级标准，达到修复目标。

Claims (10)

1.一种热脱附装置，包括槽式反射镜和集热管，其特征在于，所述集热管由自外向内依次穿套的外层套管、中间套管和内层套管组成，所述外层套管为透明，外层套管与中间套管之间设有真空隔层，所述中间套管和内层套管之间为热交换区，所述热交换区通过管路外接循环泵和油炉，所述内层套管的内部空间为工作区。

2.如权利要求1所述的热脱附装置，其特征在于，所述内层套管内设有搅龙。

3.如权利要求1所述的热脱附装置，其特征在于，所述中间套筒和内层套筒为金属材质。

4.一种污染土壤的热脱附修复系统，包括依次连接的预处理装置、进料装置、热脱附装置、除尘装置和尾气处理系统，其特征在于，所述热脱附装置如权利要求1～3任一项所述。

5.如权利要求4所述的热脱附修复系统，其特征在于，所述尾气处理系统包括依次连接的催化燃烧装置、碱洗装置和气体排放装置。

6.如权利要求5所述的热脱附修复系统，其特征在于，所述催化燃烧装置与碱洗装置之间还连接有热交换装置。

7.一种利用权利要求5所述的热脱附修复系统进行污染土壤热脱附修复的方法，其特征在于，包括：

(1)将污染土壤在预处理装置中破碎、筛分后，进行磁选处理，再输送至热脱附装置中，进行土壤热脱附；

(2)热脱附后的土壤经出料装置排出，脱附出的尾气经除尘后，进行催化燃烧；

(3)催化燃烧后的尾气经碱液喷淋洗涤后，通过气体排放装置排出。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，热脱附装置中，工作区的温度为300～400℃，土壤在工作区的停留时间为10～30min。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述催化燃烧的温度为300～600℃，催化燃烧过程中采用的催化剂的组分为：以重量百分数计，50％的氧化铝，25％的单质铈，25％的单质钴。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述除尘的过程为两级除尘，一级除尘的风速为9m/s～13m/s，二级除尘的风速为18m/s～23m/s。