CN109078976B - 热脱附装置、热脱附修复系统及污染土壤热脱附修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了热脱附装置，包括热脱附滚筒，热脱附滚筒包括外筒和内筒，外筒和内筒两端密封连接，外筒和内筒之间形成环形空气通道，热脱附滚筒两端设有土壤进料口和土壤出料口，土壤进料口端设有热脱附燃气入口和热脱附助燃空气入口，内筒侧壁上设有扬料板和破拱链，内筒设有热脱附燃烧器，外筒设有驱动机构。本发明还提供了热脱附修复系统。该热脱附装置采用双层筒体结构，在保证使用寿命和保温效果同时，大幅降低设备重量，便于安装和运输，该系统可根据不同污染土壤特点，采用不同的热脱附温度和加热时间进行热脱附修复处理，对污染土壤土质及含水率适应范围广、处理能力大、修复效果好、二次污染低、自动化程度高，具有良好的环保及社会效益。

Description

热脱附装置、热脱附修复系统及污染土壤热脱附修复方法

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种热脱附装置、热脱附修复系统及污染土壤热脱附修复方法。

背景技术

热脱附技术是通过将污染土壤加热，使目标污染物从土壤中得以挥发或分离的过程，热脱附过程中目标污染物发生蒸发、蒸馏、沸腾、氧化和热解等作用，通过控制系统温度和物料停留时间可以选择性的移除不同的污染物，污染土壤中的污染物在负压条件下从土壤中分离出来，最终在尾气处理设施中彻底消除或浓缩收集。该修复技术能够高效地去除污染土壤中的挥发及半挥发性有机污染物（如多环芳烃、农药、石油烃、多氯联苯），污染物去除率最高可达99.98%以上。

根据目前国内土壤修复行业的特点，急需处理能力大、能耗低、尾气净化效果好、方便在不同污染场地之间移动的热脱附修复设备。而直接热脱附修复技术与间接热脱附和原位热脱附技术相比，具有处理能力大、能耗低、运行成本低等优势，是目前应用最广泛的土壤热脱附修复技术，其在国外有机物污染土壤修复中具有非常成熟和广泛的应用。近年来，国内也出现了一些关于直接热脱附处置工艺和设备的报道，但均存在一定的不足。

专利号为CN102218446A的发明公布了一种污染土的热脱附方法，该发明采用单层回转筒体作为土壤热脱附装置，大量热量会通过单层筒体散失，从而增加系统能耗，同时散失的热量会导致设备外部环境温度升高，影响设备操作人员安全。

专利号为CN207188443U的专利公布了一种有机污染土壤异位热脱附修复系统，该专利技术中污染土壤采用双层结构热脱附滚筒处理，产生热脱附尾气需先后经过旋风除尘、高温焚烧、换热器余热利用、急冷、布袋除尘等环节后方可排放，虽然采用双层热脱附滚筒设计减轻了设备重量、采用换热器实现了余热利用，但实现以上功能需要多台设备，系统过于复杂，难以满足土壤修复项目对设备移动性的要求。

专利号为CN105032913A的发明公布了一种热脱附装置，该发明采用多层滚筒，利用太阳能加热导热油为土壤热脱附提供热量，并设置了包括催化燃烧和碱液喷淋在内的尾气处理装置对热脱附尾气进行处理；虽然该热脱附装置及系统能显著降低土壤热脱附过程中的能耗，降低处理成本，但一方面利用太阳能加热难以达到土壤热脱附处理所需温度，系统运行易受环境影响而不稳定，另一方面，该专利试图通过搅龙增强对土壤的搅动，但由于内层套管采用光滑的金属，修复过程中土壤易受重力作用停留于滚筒底部，不易随搅龙的转动而分散，不利于土壤热脱附处理。

鉴于目前污染土壤直接热脱附修复处理设备的种种不足与局限，开发一种经济适用、高效节能的污染土壤直接热脱附修复系统，具有重要的社会意义和环境意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有污染土壤直接热脱附修复技术存在的不足，提供一种处理能力大、修复效果好、能源效率高、集成度高、可移动性强、技术经济可行的有机污染土壤直接热脱附修复系统。

本发明的技术方式是提供了一种热脱附装置，包括热脱附滚筒，所述热脱附滚筒包括外筒和内筒，所述外筒和内筒两端密封连接，且外筒和内筒之间形成供空气流通的环形空气通道，所述环形空气通道上设有与之连通的第一进气口和第一出气口，所述热脱附滚筒的两端分别设置有与所述内筒连通的土壤进料口和土壤出料口，所述热脱附滚筒的土壤进料口一端设置有热脱附燃气入口和热脱附助燃空气入口，所述内筒内侧壁上设置有若干个扬料板和破拱链，所述内筒上设置有热脱附燃烧器，所述外筒上设有驱动热脱附滚筒转动的驱动机构。

进一步的，所述第一进气口和第一出气口均设置在外筒上侧壁上，所述第一进气口靠近土壤出料口，第一出气口靠近土壤进料口，所述第一进气口上通过管道连接有热脱附助燃风机，所述第一出气口通过管道与所述热脱附助燃空气入口连通。

进一步的，若干个所述扬料板沿所述内筒侧壁的轴向和周向均等间距均匀分布，若干个所述破拱链沿所述内筒侧壁的轴向等间距螺旋分布。

进一步的，所述内筒采用耐高温不锈钢材质制得，所述外筒采用碳钢材质制得。

本发明还提供了一种热脱附修复系统，包括上述的热脱附装置，以及用于处理热脱附尾气的废气焚烧炉；所述废气焚烧炉竖直布置，所述热脱附装置水平倾斜布置，且热脱附装置的土壤出料口与所述废气焚烧炉的底部连通，所述废气焚烧炉的底部连接有灰斗，所述废气焚烧炉的上部设有废气焚烧燃气入口和废气焚烧助燃空气入口，所述废气焚烧炉顶部设有烟气出口，所述废气焚烧炉内设有废气焚烧燃烧器。

进一步的，所述废气焚烧炉为双层筒体结构，包括外层筒体和内层筒体，所述外层筒体和内层筒体的两端密封连接，外层筒体和内层筒体之间设有夹层通道，所述夹层通道上设有与之相连通的第二进气口和第二出气口。

进一步的，所述第二进气口和第二出气口均设置在外层筒体上，所述第二进气口设置在外层筒体底部，第二出气口设置在外层筒体上部，所述第二进气口通过管道连接有废气焚烧助燃风机，所述第二出气口通过管道与所述废气焚烧助燃空气入口连通。

进一步的，所述热脱附装置与废气焚烧炉的连接处通过鳞片密封圈密封连接。

另外，本发明还提供了应用上述热脱附修复系统的污染土壤热脱附修复方法，包括如下步骤：

1)燃气经热脱附燃气入口和废气焚烧炉燃气入口分别进入热脱附滚筒和废气焚烧炉，并通过热脱附燃烧器和废气焚烧燃烧器分别点燃热脱附滚筒和废气焚烧炉内燃气，使得热脱附滚筒和废气焚烧炉内温度升高；

2)待热脱附滚筒和废气焚烧炉内温度达到设置温度后，经土壤进料口向热脱附滚筒内加入污染土壤；

3)污染土壤在热脱附滚筒内被燃气燃烧产生的高温烟气加热，并被扬料板翻动与高温烟气充分接触换热，使得污染土壤被加热至目标污染物沸点以上，热脱附后的土壤从土壤出料口送出热脱附装置，同时富集污染物的烟气从热脱附滚筒直接进入废气焚烧炉内；

4)富集污染物的烟气在废气焚烧炉中再次加热，使得烟气中污染物被彻底分解后，烟气从废气焚烧炉顶部烟气出口排出。

优化的，所述废气焚烧炉内温度为850～1100℃，且烟气在废气焚烧炉内停留时间不少于2s。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种热脱附装置采用双层耐高温材料制作，在保证使用寿命和保温效果的同时，大幅降低了设备重量，便于安装和运输，同时通过扬料板的设计大幅增加了污染土壤在热脱附滚筒内与高温烟气的换热面积，提高污染土壤受热均匀性，从而改善热脱附效果，提高能源利用率。

(2)本发明提供的这种热脱附修复系统可根据不同的污染土壤特点，采用不同的热脱附温度和加热时间进行热脱附修复处理，对污染土壤土质及含水率适应范围广、处理能力大、修复效果好、二次污染低、自动化程度高，可用于各种挥发和半挥发性有机物污染土壤的异位热脱附修复作业，具有良好的环保效益及社会效益。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明中热脱附修复系统的结构示意图；

图2是本发明中热脱附滚筒的截面示意图。

附图标记说明：1、热脱附燃气入口；2、热脱附助燃空气入口；3、土壤进料口；4、窑头；5、鳞片密封圈；6、热脱附滚筒；7、环形空气通道；8、破拱链；9、扬料板；10、热脱附助燃风机；11、废气焚烧燃气入口；12、废气焚烧助燃空气入口；13、废气焚烧炉；14、夹层通道；15、废气焚烧助燃风机；16、灰斗；17、电机；18、小齿轮；19、大齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种热脱附装置，包括热脱附滚筒6，所述热脱附滚筒6采用双层筒体结构，包括外筒和内筒，内筒可采用耐高温不锈钢材质制得，外筒可采用普通碳钢材质制得，所述外筒和内筒两端密封连接，且外筒和内筒之间形成供空气流通的环形空气通道7，所述环形空气通道7上设有与之连通的第一进气口和第一出气口，双层筒体的设计可有效减少热脱附滚筒内的热量流失，且与传统耐火砖或浇注料相比，大幅降低了设备外形尺寸和重量，方便安装和运输；所述热脱附滚筒6的两端分别设置有与所述内筒连通的土壤进料口3和土壤出料口，所述热脱附滚筒6的土壤进料口3一端设置有热脱附燃气入口1和热脱附助燃空气入口2，燃烧的燃气与污染土壤同方向流动的顺流式结构设计，使得从热脱附滚筒6带出的粉尘均已经过热脱附处理，此粉尘经收集后可直接作为干净土壤处置，无需再次进行热脱附处理；而具体的，土壤进料口3、热脱附燃气入口1和热脱附助燃空气入口2通过窑头4与所述热脱附滚筒6端部连接；所述内筒内侧壁上设置有若干个扬料板9和破拱链8，所述内筒上设置有热脱附燃烧器（图中未标示），所述外筒上设有驱动热脱附滚筒6转动的驱动机构。在热脱附过程中，土壤进料口3与土壤仓和定量给料机相连，能实现污染土壤定量进料，污染土壤通过土壤进料口进入热脱附滚筒6内，污染土壤在内筒内与燃烧火焰直接接触，高温条件下污染土壤内有机污染物挥发变为气态，从而将污染物从土壤中分离出来，而在此过程中内筒内的扬料板9带动污染土壤随内筒旋转，防止污染土壤由于重力作用集聚于热脱附滚筒6底部，有助于污染土壤的均匀受热，有效提高热脱附效率，同时破拱链8随内筒转动而摆动，通过敲击内筒内壁，能防止污染土壤粘附于内筒内壁，增大热脱附效率。进一步，为了提高污染土壤受热的均匀性，如图2所示，若干个所述扬料板9沿所述内筒侧壁的轴向和周向均等间距均匀分布，若干个所述破拱链8沿所述内筒侧壁的轴向等间距螺旋分布。而其中，驱动机构包括电机17，电机17驱动的小齿轮18，以及设置在外筒上的大齿轮19，所述大齿轮19和小齿轮18啮合连接，电机17开启后，电机17驱动小齿轮18转动，小齿轮18带动大齿轮19转动，从而带动热脱附滚筒6进行转动，使得热脱附滚筒6内污染土壤充分混合。

优化的实施方式，为了提高该热脱附装置的热效率，降低能耗，所述第一进气口和第二出气口设置在外筒上侧壁上，所述第一进气口靠近土壤出料口，第一出气口靠近土壤进料口3，所述第一进气口上通过管道连接有热脱附助燃风机10，所述第一出气口通过管道与所述热脱附助燃空气入口2连通；用于热脱附燃烧器燃烧用的热脱附助燃空气通过热脱附助燃风机10鼓入环形空气通道7中，热脱附助燃空气在环形空气通道7内流通，并通过与内筒内的高温环境进行热交换被预热，预热后的热脱附助燃空气通过第一出气口经由热脱附助燃空气入口2进入内筒内作为热脱附助燃空气参与燃烧为热脱附过程提供所需能量，促进热脱附过程的完成；同时，热脱附助燃空气在环形空气通道7内流通还可给内筒降温，对内筒起到保护作用，保证了热脱附滚筒6的使用寿命和保温效果。进一步的，为了防止环形空气通道7内的热脱附助燃空气逸出，可在所述热脱附滚筒6两端的外筒和内筒之间设置耐高温密封圈，同时热脱附滚筒6与窑头4之间采用鳞片密封圈5进行密封处理。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图1所示，本实施例提供了一种热脱附修复系统，包括实施例1中的热脱附装置，以及用于处理热脱附尾气的废气焚烧炉13；所述废气焚烧炉13竖直布置，所述热脱附装置水平倾斜布置，其倾斜角度有利于污染土壤能在重力作用下由土壤进料口3向土壤出料口输送为宜，热脱附装置的土壤出料口与所述废气焚烧炉13的底部连通，所述废气焚烧炉13的底部连接有灰斗16，所述废气焚烧炉13的上部设有废气焚烧燃气入口11和废气焚烧助燃空气入口12，所述废气焚烧炉13顶部设有烟气出口，所述废气焚烧炉13内设有废气焚烧燃烧器。污染土壤在热脱附滚筒6内被燃烧器产生的高温烟气加热，污染土壤中污染物被加热到污染物沸点以上气化挥发至烟气中，富集污染物的烟气从热脱附滚筒6进入废气焚烧炉13内，烟气在废气焚烧炉13内由下至上运动过程中继续被加热，使得烟气中的污染物分解而去除，随热脱附烟气进入废气焚烧炉13的粉尘通过沉降作用，直接落向废气焚烧炉13底部的灰斗16内，无需设置旋风除尘器及粉尘收集输送装置，同时经热脱附装置分离出污染物的干净土壤从其土壤出料口直接进入废气焚烧炉13底部的灰斗16中收集。

优化的实施方式，为了提高该热脱附修复系统热效率，降低能耗，所述废气焚烧炉13亦可采用双层筒体结构，包括外层筒体和内层筒体，内层筒体采用耐高温不锈钢材料制，外层筒体采用普通碳钢制作，所述外层筒体和内层筒体的两端密封连接，外层筒体和内层筒体之间设有夹层通道14，夹层通道14上设有与之相连通的第二进气口和第二出气口。所述第二进气口和第二出气口均设置在外层筒体上，所述第二进气口设置在外层筒体底部，第二出气口设置在外层筒体上部，所述第二进气口通过管道连接有废气焚烧助燃风机15，所述第二出气口通过管道与所述废气焚烧助燃空气入口12连通。废气焚烧炉13的废气焚烧助燃气由第二进气口进入夹层通道14，并在夹层通道14内流通被预热，预热后的废气焚烧助燃气由第二出气口通入内层筒体内作为废气焚烧燃烧器的助燃空气，促进废气焚烧过程的完成，提高系统热效率，降低能耗；同时，废气焚烧助燃气在夹层通道14内流通还可给内层筒体降温，在保证使用寿命和保温效果的同时，与传统耐火砖或浇注料相比，大幅降低了设备外形尺寸和重量，便于安装和运输。为了进一步提高废气焚烧炉13的使用寿命，所述废气焚烧炉13内部还可设置有轻质耐高温浇注料；而为了确保热脱附滚筒6在转动过程中与废气焚烧炉13的密封性，所述热脱附装置的热脱附滚筒6与废气焚烧炉13的连接处采用鳞片密封圈5进行密封处理，鳞片密封圈5为柔性密封形式，具有耐高温、抗磨损、密封严实等特点。

应用上述热脱附修复系统对污染土壤进行热脱附修复方法，具体包括如下步骤：

(1)燃气经热脱附燃气入口1和废气焚烧炉燃气入口11分别进入热脱附滚筒6和废气焚烧炉13，并通过热脱附燃烧器和废气焚烧燃烧器分别点燃热脱附滚筒6和废气焚烧炉13内燃气，使得热脱附滚筒6和废气焚烧炉13内温度升高。

(2)待热脱附滚筒6和废气焚烧炉13内温度达到设置温度后，经土壤进料口3向热脱附滚筒6内加入污染土壤，而土壤进料口3外接土壤仓和定量给料机，可实现污染土壤定量进料。

(3)污染土壤在热脱附滚筒6内被燃气燃烧产生的高温烟气加热，并被扬料板9翻动与高温烟气充分接触换热，使得污染土壤被加热至目标污染物沸点以上，热脱附后的土壤从土壤出料口送出热脱附装置，同时富集污染物的烟气从热脱附滚筒6直接进入废气焚烧炉13内。

(4)富集污染物的烟气在废气焚烧炉13中再次加热，使得烟气中污染物被彻底分解后，烟气从废气焚烧炉顶部烟气出口排出。优化的，所述废气焚烧炉内温度为850～1100℃，且烟气在废气焚烧炉内停留时间不少于2s，保证烟气中污染物被彻底分解去除，且不会产生二噁英。

综上所述，本实施例提供的这种热脱附修复系统可根据不同的污染土壤特点，采用不同的热脱附温度和加热时间进行热脱附修复处理，对污染土壤土质及含水率适应范围广、处理能力大、修复效果好、二次污染低、自动化程度高，可用于各种挥发和半挥发性有机物污染土壤的异位热脱附修复作业，具有良好的环保效益及社会效益。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.热脱附装置，包括热脱附滚筒，其特征在于：所述热脱附滚筒包括外筒和内筒，所述外筒和内筒两端密封连接，且外筒和内筒之间形成供空气流通的环形空气通道，所述环形空气通道上设有与之连通的第一进气口和第一出气口，所述热脱附滚筒的两端分别设置有与所述内筒连通的土壤进料口和土壤出料口，所述热脱附滚筒的土壤进料口一端设置有热脱附燃气入口和热脱附助燃空气入口，所述内筒内侧壁上设置有若干个扬料板和破拱链，所述内筒上设置有热脱附燃烧器，所述外筒上设有驱动热脱附滚筒转动的驱动机构；

所述第一进气口和第一出气口均设置在外筒上侧壁上，所述第一进气口靠近土壤出料口，第一出气口靠近土壤进料口，所述第一进气口上通过管道连接有热脱附助燃风机，所述第一出气口通过管道与所述热脱附助燃空气入口连通；所述土壤进料口、热脱附燃气入口和热脱附助燃空气入口通过窑头与所述热脱附滚筒端部连接，所述热脱附滚筒两端的外筒和内筒之间设置耐高温密封圈，所述热脱附滚筒与窑头之间采用鳞片密封圈密封。

2.如权利要求1所述的热脱附装置，其特征在于：若干个所述扬料板沿所述内筒侧壁的轴向和周向均等间距均匀分布，若干个所述破拱链沿所述内筒侧壁的轴向等间距螺旋分布。

3.如权利要求1所述的热脱附装置，其特征在于：所述内筒采用耐高温不锈钢材质制得，所述外筒采用碳钢材质制得。

4.热脱附修复系统，其特征在于：包括权利要求1～3任一项所述的热脱附装置，以及用于处理热脱附尾气的废气焚烧炉；所述废气焚烧炉竖直布置，所述热脱附装置水平倾斜布置，且热脱附装置的土壤出料口与所述废气焚烧炉的底部连通，所述废气焚烧炉的底部连接有灰斗，所述废气焚烧炉的上部设有废气焚烧燃气入口和废气焚烧助燃空气入口，所述废气焚烧炉顶部设有烟气出口，所述废气焚烧炉内设有废气焚烧燃烧器。

5.如权利要求4所述的热脱附修复系统，其特征在于：所述废气焚烧炉为双层筒体结构，包括外层筒体和内层筒体，所述外层筒体和内层筒体的两端密封连接，外层筒体和内层筒体之间设有夹层通道，所述夹层通道上设有与之相连通的第二进气口和第二出气口。

6.如权利要求5所述的热脱附修复系统，其特征在于：所述第二进气口和第二出气口均设置在外层筒体上，所述第二进气口设置在外层筒体底部，第二出气口设置在外层筒体上部，所述第二进气口通过管道连接有废气焚烧助燃风机，所述第二出气口通过管道与所述废气焚烧助燃空气入口连通。

7.如权利要求4所述的热脱附修复系统，其特征在于：所述热脱附装置与废气焚烧炉的连接处通过鳞片密封圈密封连接。

8.应用如权利要求4所述的热脱附修复系统的污染土壤热脱附修复方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)燃气经热脱附燃气入口和废气焚烧炉燃气入口分别进入热脱附滚筒和废气焚烧炉，并通过热脱附燃烧器和废气焚烧燃烧器分别点燃热脱附滚筒和废气焚烧炉内燃气，使得热脱附滚筒和废气焚烧炉内温度升高；

2)待热脱附滚筒和废气焚烧炉内温度达到设置温度后，经土壤进料口向热脱附滚筒内加入污染土壤；

3)污染土壤在热脱附滚筒内被燃气燃烧产生的高温烟气加热，并被扬料板翻动与高温烟气充分接触换热，使得污染土壤被加热至目标污染物沸点以上，热脱附后的土壤从土壤出料口送出热脱附装置，同时富集污染物的烟气从热脱附滚筒直接进入废气焚烧炉内；

4)富集污染物的烟气在废气焚烧炉中再次加热，使得烟气中污染物被彻底分解后，烟气从废气焚烧炉顶部烟气出口排出。

9.如权利要求8所述的污染土壤热脱附修复方法，其特征在于：所述废气焚烧炉内温度为850～1100℃，且烟气在废气焚烧炉内停留时间不少于2s。