CN110180882B - 一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，包括进料单元、加热单元、辅助排气单元、土壤收集单元以及废气净化单元，进料单元，用于将预处理单元破碎后的土壤输送至加热单元；加热单元，用于将进料单元输入的土壤加热；辅助排气单元，用于借助氮气将加热单元排出的废气送至废气净化单元；土壤收集单元，用于收集加热后被净化的土壤；废气净化单元，用于将含汞废气净化过滤后排出；加热单元中热旋转窑内部设有搅拌轴以翻转土壤使其均匀受热；含汞废气在进氮气管道输送的氮气推动下通过管道I和管道II送至废气净化单元。该装置在使土壤加热均匀的基础上，能够使含汞废气完全排出并有效提高含汞废气的排出速度，整体结构简单，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种处理土壤中汞的装置，尤其是涉及一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置。
背景技术
汞对于动物、植物、和人体健康都有很大的危害，且为全球性第一级的污染物质，汞元素进入土壤中，污染环境，危害农作物等。如何合理有效的去除土壤中的汞元素对保护环境具有重要意义，因此该项技术也成为当今人们所关注研究的。
热脱附技术是修复污染土壤的主要技术之一，该技术是用直接或间接的热交换加热，使土壤中的污染组分达到足够高的温度，使其蒸发并与土壤媒介相分离的过程。目前，国内外已有回转窑、输送带式加热炉等形式的热脱附设备用于汞污染土壤的热脱附处理，可有效分离出污染土壤中的汞。然而目前的设备存在以下问题：第一，土壤加热时受热不均匀，以至于部分土壤中的汞完全排除需要更长的加热时间；第二，含汞废气排出速度慢，含汞废气滞留在加热炉中无法完全排出，第三，含汞废气的净化不彻底。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，在使土壤加热均匀的基础上，能够使含汞废气完全排出并有效提高含汞废气的排出速度。
本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，包括进料单元、加热单元、辅助排气单元、土壤收集单元以及废气净化单元，所述进料单元，用于将预处理单元破碎后的土壤输送至加热单元；
所述加热单元，用于将进料单元输入的土壤加热，加热后净化的土壤输送至土壤收集单元，含汞的废气经辅助排气单元输送至废气净化单元；
所述辅助排气单元，用于借助氮气将加热单元排出的废气输送至废气净化单元；
所述土壤收集单元，用于收集经加热单元加热后被净化的土壤；
所述废气净化单元，用于将含汞的废气通过多个净化设备净化过滤后排出；
其中，所述加热单元包括由支撑杆支撑于底座上的加热炉以及套设于加热炉中部的两端延伸至加热炉外部的热旋转窑；加热炉下部设有多个点火器以点燃燃料供应装置所供给燃料为热旋转窑加热，加热炉顶部设有与空气泵连接的空气入口以提供燃料燃烧用空气；热旋转窑一端设有与进料单元连接的进料漏斗以将待处理土壤输送至热旋转窑内，进料漏斗临近出料口处设有控制进料量的进料控制阀，热旋转窑另一端设有与土壤收集单元连接的星型卸料器；热旋转窑内部设有与热旋转窑轴线一致的能够独立转动的搅拌轴以翻转土壤使其均匀受热，搅拌轴延伸至热旋转窑外部的一端电连接驱动装置；
所述辅助排气单元固定于加热炉上方竖直设置的支撑板上，辅助排气单元包括直接与热旋转窑连通的进氮气管道，进氮气管道的进气口依次与氮气泵和氮气罐连接以向热旋转窑输送氮气，进氮气管道一侧设有一端与热旋转窑连通的呈倒U型的管道I，管道I的另一端与水平倾斜向下的管道II的顶部连通，管道II向下倾斜一端的顶部设有废气排出口；加热过程中，热旋转窑内部的废气在进氮气管道输送的氮气推动下通过管道I被送至管道II中再通过废气排出口排出；进氮气管道上设有控制氮气流通的氮气控制阀，废气排出口与废气净化单元连通的管道上设有控制废气流通的废气控制阀。
进一步地，所述搅拌轴包括螺旋叶片以及与螺旋叶片固定连接的同心主轴。
进一步地，所述废气净化单元包括依次通过管道连接的除尘器、冷凝器和过滤器；从废气排出口排出的废气经除尘器进气口流入除尘器中以除去含汞废气中的粒状物，从除尘器出气口排出的废气经冷凝器进气口流入冷凝器中以除去废气中的水分和气相汞，从冷凝器出气口排出的废气经过滤器进气口流入过滤器中以除去废气中的液态水、焦油和灰分后从过滤器出气口排至大气中。
进一步地，所述除尘器为挡板式除尘器，挡板式除尘器中设有多个首尾连接的呈折线分布的过滤挡板。
进一步地，除尘器下部设置的排尘口管道连接有颗粒物收集器。
进一步地，所述冷凝器为套管式冷凝器，冷凝器上除设有位于上部的冷凝器进气口以及位于冷凝器进气口相对侧下部的冷凝器出气口外，还设有位于上部的与冷凝器出气口同侧的冷媒进口以及位于下部的与冷凝器进气口同侧的冷媒出口，冷媒进口和冷媒出口与冷媒储罐连接；冷凝器内部连接冷凝器进气口和冷凝器出气口的螺旋状气流管道外部包覆有可流通冷媒的分别与冷媒进口和冷媒出口连接的套管，废气的流向与冷媒的流向相反，经过除尘器处理后的废气通过冷凝器进气口进入冷凝器中与冷媒换热；冷凝器内部的气流管道底部设置有冷凝液出水口，冷凝液出水口通过管道连接有用于回收凝结的水分和汞的冷凝液回收器。
进一步地，所述过滤器为吸附过滤器，吸附过滤器中含有多层吸附介质；过滤器进气口位于下部，过滤器出气口位于相对侧的上部。
进一步地，所述预处理单元为土壤破碎机。
有益效果：
如上所述，本发明的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，具有以下有益效果：
1）、加热单元中采用加热热旋转窑的方式间接加热土壤，利用热旋转窑内部的搅拌轴搅动土壤使其均匀受热，以使土壤中的汞能够完全挥发出来。
2）、本装置中向加热单元中通入氮气，在加热前先通过氮气进气口通入氮气，使热旋转窑内部达到平衡后再加热；在加热过程中通入氮气，可以保证热旋转窑内部的废气迅速排出；在加热停止后再通一段时间的氮气以保证废气能够全部排出。
3）、为有效捕集含汞废气中的气相汞，通过设置冷凝器的冷凝作用收集烟气中的水分和大部分的气相汞，结构简单，含汞废气的走向与冷媒走向相反，有利于传热。
4）、挡板式除尘器能够利用过滤挡板捕集排气中的粒状物，粒状物收集至颗粒物收集器后再送至进料单元，结构简单，维护方便且除尘效率好。
5）、吸附过滤器采用吸附介质分层设计，对废气过滤效果好，且吸附介质更换方便。
6）、该装置整体结构简单，使用方便，以热脱附法对于高浓度汞污染土壤进行处理，加热温度高于500℃时土壤残余汞浓度均可达到法规管制标准值20 mg/kg以下，且随着操作温度的增加，去除效率也提升至接近100%。
下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中的热吸附装置的结构示意图。
图2是本发明中辅助排气单元的气体流向示意图。
图3是图2中A-A处的剖面图。
图示标记，1、预处理单元，2、进料单元，3、加热单元，301、进料漏斗，302、进料控制阀，303、驱动装置，304、热旋转窑，305、加热炉，306、点火器，307、星型卸料器，308、搅拌轴，309、空气入口，4、土壤收集单元，5、除尘器，501、除尘器进气口，502、排尘口，503、过滤挡板，504、除尘器出气口，6、颗粒物收集器，7、冷凝器，701、冷凝器进气口，702、套管、703、冷媒出口，704、冷凝液回收器，705、冷凝器出气口，706、冷媒进口，8、过滤器，801、过滤器进气口，802、吸附介质，803、过滤器出气口，9、辅助排气单元，901、氮气控制阀，902、进氮气管道，903、管道I，904、管道II，905、废气排出口，906、废气控制阀。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，在进一步完善含汞废气净化单元的基础上，能够使含汞废气完全排出并有效提高含汞废气的排出速度。
本发明中所称的“I”、“II”等并不是对相应技术特征在数量上的限定，而是为区分相关技术特征而作出的命名。
请参考图1，图1为本发明所提供的热吸附装置图。
本发明所提供的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，该热脱附装置包括预处理单元1、进料单元2，加热单元3和废气净化单元。
具体地，含高浓度汞的原始土壤先经过预处理单元1将其中颗粒较大的有害物质破碎成细小颗粒，有助于其随后充分受热分解或气化，所述预处理单元1为现有技术中的破碎设备，如土壤破碎机。
进料单元采用现有技术中的进料设备，作为本发明的一个实施例，进料单元2包括用于接收预处理单元1流出的土壤的带有筛子的漏斗和皮带输送机，所述漏斗通过下方的出料口通向皮带输送机，皮带输送机输送土壤进入加热单元3中的进料漏斗301中。
如图2所示，所述加热单元3包括由支撑杆支撑于底座上的加热炉305，加热炉305下部设有多个用于点燃燃料供应装置所供给燃料的点火器306，加热炉305内部设有两端延伸至加热炉305外部的用于使土壤受热的热旋转窑304，加热炉305顶部设有与空气泵连接的空气入口309以提供燃料燃烧用空气；热旋转窑304一端设有与进料单元2连接的进料漏斗301，进料漏斗301下部设有控制进料量的进料控制阀302，热旋转窑304另一端设有与土壤收集单元4连接的星型卸料器307；热旋转窑304内部设有能够独立转动的搅拌轴308以搅动土壤翻转使其均匀受热，搅拌轴308延伸至热旋转窑304外部的一端电连接有驱动装置303。
可选地，点火器306不仅能够设置在加热炉305的底部，也能够设置在加热炉305的侧壁上，以保证对热旋转窑304进行加热。
热旋转窑304的两端部安装有轴承座，搅拌轴308的相应位置装有与轴承座匹配的轴承以满足搅拌轴308的独立转动，搅拌轴308的一端位于热旋转窑304的外部，其电连接有驱动电机带动搅拌轴308转动。
搅拌轴308的具体结构包括螺旋叶片以及与螺旋叶片固定连接的同心主轴。
所述辅助排气单元9固定在加热炉304上方竖直设置的支撑板上，辅助排气单元9包括与热旋转窑304连通的进氮气管道902，进氮气管道902一侧设有与热旋转窑304连通的呈倒U型的管道I 903，以及与管道I 903连通的呈直线型水平倾斜向下的管道II 904，管道II 904的一端设有与废气净化单元连接的废气排出口905以将排出的含汞的废气排至废气净化单元内部。管道I 903与管道II904的顶部连通，是由于氮气的密度小于空气而易占据上层空间，从顶部将废气送至管道II 904内时，有利于氮气更充分的推动废气向废气排出口移动。
需要提到的是，在加热前先通过辅助排气单元向热旋转窑内部通入氮气，使其达到平衡后再进行加热。氮气进气口设有气流量控制阀，控制氮气流量为1L/min。而在加热过程中，辅助排气单元仍然会通入氮气，此时含汞的废气通过管道I 903进入管道II 904，在氮气的推动下，含汞的废气沿管道II 904流至废气排出口905，有利于含汞的废气的顺利排出。
进氮气管道902临近氮气进气口的一端设有氮气控制阀901用于控制氮气的流通，废气排出口与废气净化单元之间连通的管道上设有废气控制阀906用于控制废气的流通。
需要说明的是，废气净化单元包括除尘器5、冷凝器6、过滤器7。
所述废气排出口905通过管道连接除尘器进气口501，热解气化后的有害产物随气流通过除尘器进气口501进入除尘器5中作一级净化处理，被除尘器5捕集的粒状物，收集至土壤收集单元6中能够再返送至进料单元2；所述除尘器5的除尘器出气口504通过管道连接冷凝器进气口701，经过除尘器5处理后的气流通过冷凝器进气口701进入冷凝器7捕集热解系统气流中的气相汞，经过冷凝器7处理后的气流，其中的水分和大部的气相汞已被脱除；所述冷凝器7的冷凝器出气口705与过滤器8的过滤器进气口801管道连接，经过冷凝器7处理后的气流，通过过滤器进气口801进入过滤器8中做二级净化处理。经过过滤器8二级净化的气体，其中的液态水、焦油和灰分等被进一步分离出来。处理后的尾气气流中汞浓度低于我国的排放标准50μg/Nm3，可以直接排放。
其中，所述除尘器5为挡板式除尘器，挡板式除尘器中含有多个首尾相接的呈折线形状排列的过滤挡板503，采用惯性除尘的原理，固体保持其原有惯性，通过设置多层过滤挡板503使含尘气流急剧变向，在重力引起的惯性作用下使尘粒从气流中分离出来，可有效捕集气流中99%以上粒状污染物；所述挡板式除尘器下端有排尘口502，当有气流穿过时，灰粉尘粒撞击在挡板上脱落下来，再通过箱体下端的排尘口502进入到管道连接的颗粒物收集器6中，收集后再返送至土壤进料单元2。挡板式除尘器作为一级净化装置，结构简单，造价低，维护方便，除尘效率较高，捕集排气中的粒状物。
所述冷凝器7为套管式冷凝器，冷凝器7上除设有位于上部的冷凝器进气口701以及位于冷凝器进气口701相对侧下部的冷凝器出气口705外，还设有位于上部的与冷凝器出气口705同侧的冷媒进口706，以及位于下部的与冷凝器进气口701同侧的冷媒出口703，冷媒进口706和冷媒出口703与冷媒供应箱连接；冷凝器7内部连接冷凝器进气口701和冷凝器出气口705的螺旋状气流管道外部包覆有可流通冷媒的套管702，废气的流向与冷媒的流向相反；冷凝器7内部的气流管道底部设置有冷凝液出水口，冷凝液出水口通过管道连接有冷凝液回收器704以回收凝结的水分和汞。经过除尘器5一级净化处理后的废气通过冷凝器进气口701进入冷凝器7中，与冷媒换热，废气中的水分和大部的气相汞充分冷凝并滴下，被冷凝液回收器704收集回收。
所述过滤器8为吸附过滤器，吸附过滤器中含有多层吸附介质802，过滤器进气口801位于下部，过滤器出气口803位于相对侧的上部。如图1所示，吸附过滤器中含有三层密集的吸附介质802，吸附介质802可以选择球状活性炭介质。进入吸附过滤器的废气与多孔固体接触时，流体中的某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，从而将液态水、焦油和灰分等从气体中进一步分离出来，三层密集的球状活性炭经过层层过滤对杂质进行完全吸附脱除；经过吸附过滤器处理后的气体已经达到排放标准，从过滤器出气口803直接排放。
吸附过滤器作为二级净化装置，过滤器8采用分层式设计，使用球状活性碳作为吸附介质进行吸附，气体由下而上通过吸附床，结构简易，气体流通阻力小，可定期拆洗和更换吸附介质。
一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，其使用方法主要包括以下步骤：
(1)、预处理单元1处理后的破碎土壤在进料单元2的作用进入加热单元3中的热旋转窑304内部，关闭进料控制阀302和星型卸料器307；
(2)、打开氮气控制阀901，关闭废气控制阀906，辅助排气单元9向热旋转窑304内通入氮气使其达到平衡；
(3)、向加热单元3中的加热炉305内通入空气，点开点火器306点燃燃料供应装置提供的燃料以对热旋转窑304进行加热，打开驱动装置303使搅拌轴308转动，打开氮气控制阀901和废气控制阀906，将土壤在500℃下热处理20-30min，使含汞污染物从土壤中挥发出来，打开星型卸料器307，将净化后的土壤送至土壤收集单元4中，挥发的废气在氮气推动下经管道输送至辅助排气单元9中；
(4)、废气由辅助排气单元9经管道输送至除尘器5中进行除尘，收集的颗粒物进入颗粒物收集器6中；
(5)、经除尘器6处理后的废气进入冷凝器7中，经冷媒逆流冷却后，部分水和汞凝结流入冷凝液回收器704中；
(6)、经冷凝器7处理后的废气进入过滤器8中，经过滤器8中的吸附介质802吸附后达标排放；
(7)、关闭点火器306，持续一段时间再关闭氮气控制阀901和废气控制阀906。
利用该装置以热脱附法对高浓度汞污染土壤进行处理，在合适的加热范围内，加热温度越高，去除汞的速度越快。加热温度高于500℃时土壤残余汞浓度均可达到法规管制标准值20 mg/kg以下，且随着操作温度的增加，去除效率也提升至接近100%，装置整体结构简单，使用方便。
以上对本发明所提供的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和具体实施方式进行了阐述，上述实施例仅用来帮助理解本发明的方法和核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，包括进料单元(2)、加热单元(3)、辅助排气单元(9)、土壤收集单元(4)以及废气净化单元，其特征在于：
所述进料单元(2)，用于将预处理单元(1)破碎后的土壤输送至加热单元(3)；
所述加热单元(3)，用于将进料单元(2)输入的土壤加热，加热后净化的土壤输送至土壤收集单元(4)，含汞的废气经辅助排气单元(9)输送至废气净化单元；
所述辅助排气单元(9)，用于借助氮气将加热单元(3)排出的废气输送至废气净化单元；
所述土壤收集单元(4)，用于收集经加热单元(3)加热后被净化的土壤；
所述废气净化单元，用于将含汞的废气通过多个净化设备净化过滤后排出；
其中，所述加热单元(3)包括由支撑杆支撑于底座上的加热炉(305)以及套设于加热炉(305)中部的两端延伸至加热炉(305)外部的热旋转窑(304)；加热炉(305)下部设有多个点火器(306)以点燃燃料供应装置所供给燃料为热旋转窑(304)加热，加热炉(305)顶部设有与空气泵连接的空气入口(309)以提供燃料燃烧用空气；热旋转窑(304)一端设有与进料单元(2)连接的进料漏斗(301)以将待处理土壤输送至热旋转窑(304)内，进料漏斗(301)临近出料口处设有控制进料量的进料控制阀(302)，热旋转窑(304)另一端设有与土壤收集单元(4)连接的星型卸料器(307)；热旋转窑(304)内部设有与热旋转窑(304)轴线一致的能够独立转动的搅拌轴(308)以翻转土壤使其均匀受热，搅拌轴(308)延伸至热旋转窑(304)外部的一端电连接驱动装置(303)；
所述辅助排气单元(9)固定于加热炉(305)上方竖直设置的支撑板上，辅助排气单元(9)包括直接与热旋转窑(304)连通的进氮气管道(902)，进氮气管道(902)的进气口依次与氮气泵和氮气罐连接以向热旋转窑(304)输送氮气，进氮气管道(902)一侧设有一端与热旋转窑(304)连通的呈倒U型的管道I(903)，管道I (903)的另一端与水平倾斜向下的管道II(904)的顶部连通，管道II (904)向下倾斜一端的顶部设有废气排出口(905)；加热过程中，热旋转窑(304)内部的废气在进氮气管道(902)输送的氮气推动下通过管道I (903)被送至管道II (904)中再通过废气排出口 (905)排出；进氮气管道(902)上设有控制氮气流通的氮气控制阀(901)，废气排出口(905)与废气净化单元连通的管道上设有控制废气流通的废气控制阀(906)。
2.根据权利要求1所述的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，其特征在于：所述搅拌轴(308)包括螺旋叶片以及与螺旋叶片固定连接的同心主轴。
3.根据权利要求1所述的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，其特征在于：所述废气净化单元包括依次通过管道连接的除尘器(5)、冷凝器(7)和过滤器(8)；从废气排出口(905)排出的废气经除尘器进气口(501)流入除尘器(5)中以除去含汞废气中的粒状物，从除尘器出气口(504)排出的废气经冷凝器进气口(701)流入冷凝器(7)中以除去废气中的水分和气相汞，从冷凝器出气口(705)排出的废气经过滤器进气口(801)流入过滤器(8)中以除去废气中的液态水、焦油和灰分后从过滤器出气口(803)排至大气中。
4.根据权利要求3所述的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，其特征在于：所述除尘器(5)为挡板式除尘器，挡板式除尘器中设有多个首尾连接的呈折线分布的过滤挡板(503)。
5.根据权利要求4所述的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，其特征在于：除尘器(5)下部设置的排尘口(502)管道连接有颗粒物收集器(6)。
6.根据权利要求3所述的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，其特征在于：所述冷凝器(7)为套管式冷凝器，冷凝器(7)上除设有位于上部的冷凝器进气口(701)以及位于冷凝器进气口(701)相对侧下部的冷凝器出气口(705)外，还设有位于上部的与冷凝器出气口(705)同侧的冷媒进口(706)以及位于下部的与冷凝器进气口(701)同侧的冷媒出口(703)，冷媒进口(706)和冷媒出口(703)与冷媒储罐连接；冷凝器(7)内部连接冷凝器进气口(701)和冷凝器出气口(705)的螺旋状气流管道外部包覆有可流通冷媒的分别与冷媒进口(706)和冷媒出口(703)连接的套管(702)，废气的流向与冷媒的流向相反，经过除尘器(5)处理后的废气通过冷凝器进气口(701)进入冷凝器(7)中与冷媒换热；冷凝器(7)内部的气流管道底部设置有冷凝液出水口，冷凝液出水口通过管道连接有用于回收凝结的水分和汞的冷凝液回收器(704)。
7.根据权利要求3所述的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，其特征在于：所述过滤器(8)为吸附过滤器，吸附过滤器中含有多层吸附介质(802)；过滤器进气口(801)位于下部，过滤器出气口(803)位于相对侧的上部。
8.根据权利要求1所述的一种用于处理汞污染土壤的热脱附装置，其特征在于：所述预处理单元(1)为土壤破碎机。
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