CN112658021A - 一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器及其方法，属于土壤修复技术领域。通过特殊设计的转筒结构实现热介质内循环，并且提出一种利用有机污染物氧化分解加热土壤的途径，在不增加设备规模的前提下，显著提升了设备处理效率和污染物去除效果，同时降低了系统能耗。

Description

一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器及其方法

技术领域

本发明属于污染场地土壤修复技术领域，适用于有机污染场地土壤的修复，具体涉及一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器及其方法。

背景技术

土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，当排入土壤的有害物质过多超过土壤自净能力时就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累通过"土壤→植物→人体"，或通过"土壤→水→人体"间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度，就发生了土壤污染。

目前污染严重的场地主要包括化工厂、农药厂、冶炼厂、加油站、化学品储罐等，这类场地的污染物主要以有机污染为主，根据其熔沸点的差异又可分为挥发性有机物、半挥发性有机物、持久性有机物及农药等。这类污染土壤的修复技术包括焚烧(水泥窑协同处置)、植物修复、生物修复、化学修复及热脱附等，其中热脱附技术具有处理效率高、修复周期短、装置可移动等优点，广泛应用于挥发/半挥发性有机污染场地修复，美国EPA统计显示欧美场地修复案例中热脱附占20～30％，是场地修复主要技术之一。

按加热方式不同，热脱附分为直接热脱附和间接热脱附两种技术。其中间接热脱附技术因其安全性高，二次污染风险低，修复后土壤可再利用等优势，被广泛应用。

间接热脱附技术是通过燃烧产生的高温烟气通过反应器金属壳体间接加热污染土壤，使污染土壤加热至目标温度以上，在加热过程中，高温烟气与污染土壤不直接接触。通过控制系统温度和物料停留时间有选择地使有机污染物气化挥发，从而使有机污染物与土壤颗粒分离、去除。

一般污染场地待修复污染土壤少则数千吨，多则几十万吨，修复后的土地急需再开发房地产，所以要求修复设备处理效率高、能力强，以缩短修复工期。污染土壤在全国各地分布，设备需要经常拆装更换使用场地，以实现设备反复利用。考虑设备的安装、运输和拆卸，要求撬装式集成，单体结构尺寸一般不超过3m×3m×12m。

在不增加设备尺寸的前提下，依赖高温烟气、金属壳体和土壤三者间接传热这种单一的加热方式，限制了传热效率，导致了间接热脱附设备处理效率低，一般为每小时3-4吨，不能满足中大型污染场地土壤修复的需要。

另一方面，有些大块土壤比较密实，热量很难有效传递到内部，阻碍了中心有机污染物挥发，导致污染物去除率不高，一般为90-95％，对于重度污染土壤热脱附效果不能满足修复要求。

此外，现有热脱附技术热量都是来源于燃料燃烧，需要消耗大量燃料，修复成本高。

申请号202010291492.X一种有机污染土壤修复的螺杆式间接热脱附装置，包括水平方向布置的外筒和螺杆；外筒前端上部固定连接带刮料喂料机，外筒后端下部固定连接出料筒；外筒上部设置三个分支管道，用于收集尾气；三个分支管道汇集于集中管道，集中管道上有一个气体抽样口。螺杆固定支撑设置于外筒内；螺杆内具有用于加热土壤的空腔，空腔的后端用于通入热空气，空腔的前端用于排出热空气；热空气在空腔中的流动方向与土壤运动方向相反。申请号202020478031.9一种土壤修复用回转窑间接热脱附系统，包括：进料装置、回转窑、排料装置、二燃室和换热器，所述回转窑包括：窑头、底座、回转窑外套、回转窑内套和窑尾，所述回转窑内套设置在所述回转窑外套内形成热空气夹层，所述回转窑外套设置在所述底座上，所述窑头和所述窑尾分别设置在所述回转窑外套两端，所述进料装置与所述窑头连接，所述排料装置与所述窑尾连接，所述换热器设置在所述二燃室上，所述换热器与所述热空气夹层连接，所述二燃室与所述窑尾连接。这两个专利公开了典型间接热脱附反应器结构原理，加热方式为热风通过“外筒”和“回转窑内套”间接加热内部土壤，传热方式单一，在“外筒”和“回转窑内套”尺寸一定的情况下，传热效率不能实现显著提高；缺少对大块土壤的破碎措施，污染物去除率不高；热量来源均为燃料燃烧，能耗较高。

发明内容

本发明是针对现有技术存在的缺陷提供一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器及其方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器，该反应器包括原土进口的进料装置、进料端固定罩、转筒以及带有处理后土壤出口的出料端固定罩；所述的转筒中设有热介质，转筒的出料端设有用于分离土壤和热介质的挡料筛板。

本发明技术方案中：所述的转筒的外侧设有带有2个烟气进口和1个烟气出口的外罩，转筒的内腔中设有内管束，内管束的烟气进口与外罩的烟气进口相连通，内管束的烟气出口与外罩上的烟气出口相连通；

转筒外侧与外罩内侧之间的区域为烟气夹套，转筒的另一个烟气进口与该烟气夹套连通，转筒的烟气出口设置在进料端固定罩的上方；

反应器进料端高于出料端的高度，且转筒的轴心线与水平线之间的θ角为1-3°。

本发明技术方案中：转筒中还设有位于内管束尾部的呈L形筛网结构的抄板，该抄板沿转筒尾部周向均布且位于挡料筛板的前方，所述抄板的筛网结构用于分离土壤和热介质。

本发明技术方案中：抄板的朝向与筒体转动方向一致，且抄板的外沿与转筒的筒体内表面齐平。

本发明技术方案中：所述的内管束在转筒的内腔中呈喇叭口形状分布，且靠近土壤进料端所在圆直径大，靠近土壤出料端所在圆管直径小；同时靠近土壤进料端的内管束之间的间距大于热介质的直径。

本发明技术方案中：内管束之间的间距大于热介质的直径，其间距大于热介质的直径的长度为内管束长度的1/10～1/30。

本发明技术方案中：出料端固定罩上设有倾斜布置的收集槽，收集槽的槽体穿过挡料筛板深入到转筒的内部，使得抄板扬起的热介质可以落在槽内，并滚动到内管束构成的轨道上。

本发明技术方案中：所述的内管束呈现进料端低、出料端高的倾斜状态，与水平线呈2-3°的α角。

本发明技术方案中：土壤出料端内管束中心所在圆直径小，进料端所在圆直径小大，因此出料端管间距L小，且要小于热介质的直径，进料端端管间距L大，且要大于热介质的直径，内管束的角度和间距结构为热介质从出料端向进料端滚动提供了轨道。

本发明技术方案中：罩体截面为圆顶拱形，罩在转筒外部，两个烟气进口中间有一道隔墙，将罩体与转筒之间的烟气夹套分隔为左右2个空腔，使烟气进口1对应隔墙右侧的内管束出料端，烟气进口2对应隔墙左侧烟气夹套，一路高温烟气从烟气进口1经隔墙右侧空腔进入内管束的出料端，然后穿过内管束从进料端的烟气出口排出，另外一路高温烟气从烟气进口2进入隔墙左侧，穿过烟气夹套，从进料端的烟气出口排出，两路高温烟气在流动过程中，分别通过内管束和转筒的外壁与土壤发生间接热交换。

本发明技术方案中：挡料筛板呈圆环形筛网结构，筛网孔大于土壤粒径而小于热介质的外径，圆环内孔直径等于0.3-0.8倍的筒体直径，随筒体转动过程中，热介质被拦截，无法穿过，土壤从筛孔中漏出，落入出料端固定罩。

一种利用上述的反应器进行热脱附土壤修复的方法，该方法包括以下步骤：

(1)进料装置将原土壤输送至转筒中，转筒绕轴心线旋转，其余部位固定不动；高温烟气从2个烟气进口进入反应器，与内部土壤发生间接热交换，进料端的土壤和热介质在筒体转动力和重力双重作用下，绕筒体周向做圆周运动的同时沿轴向出料端缓慢移动并加热至300～600℃，然后穿过挡料筛板的筛孔，进入出料端固定罩，最后从处理后土壤出口排出；

(2)转筒内的热介质受重力作用，总是位于筒体下部，随着筒体转动，与土壤一起向出料端移动，将大块土壤有挤压破碎，到达出料端时，热介质被挡料筛板拦截，然后被抄板携带并旋转至抄板上部，受重力落入收集槽中，然后滚落在内管束形成的中心轨道上，沿轨道滚动到进料端，然后再次随土壤向出料端移动，如此循环流转；

(3)筒体下部热介质随土壤运动的同时逐渐升温，在出料端的高温热介质携带热量后回到进料端，温度高于进料端土壤，对进料端土有加热作用。

上述方法中：转筒内热介质的填充系数不超过0.25，筒体旋转速度为0.4～10r/min。

上述方法中：热介质为圆球形结构，外径大于土壤粒径1-2cm，材质为多微孔陶瓷。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种介质内循环强化回转热脱附土壤修复反应器及其方法，通过特殊设计的转筒结构实现热介质内循环，并且提出一种利用有机污染物氧化分解加热土壤的途径，通过二方面作用，强化了污染土壤热脱附过程。第一方面,热介质可以将大块土壤挤压破碎，有利于包裹在内部的有机污染物挥发；第二方面，热介质从出料端携带热量到进料端，对进料端土壤有加热作用。

本发明在不增加设备规模的前提下，显著提升了设备处理效率和污染物去除效果，同时降低了系统能耗。

附图说明

图1为本发明反应器的横截面结构示意图。

图2为本发明反应器的纵截面结构示意图。

图3为本发明反应器的出料端局部结构示意图。

其中：1为进料装置，2为进料端固定罩，3为转筒，4为外罩，5为出料端固定罩，6为收集槽，7为内管束，8为抄板，9为热介质，10为土壤，11为挡料筛板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

如图1-3所示，一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器，该反应器包括原土进口的进料装置1、进料端固定罩2、转筒3以及带有处理后土壤出口的出料端固定罩5；转筒3中设有热介质9，转筒3的出料端设有用于分离土壤和热介质的挡料筛板11。

转筒3的外侧设有带有2个烟气进口和1个烟气出口的外罩4，转筒3的内设有内管束，内管束7的烟气进口与转筒3的烟气进口相连通，内管束7的烟气出口与外罩4上的烟气出口相连通；转筒3外侧与外罩4内侧之间的区域为烟气夹套，转筒3的另一个烟气进口与该烟气夹套连通，转筒3的烟气出口设置在进料端固定罩2的上方；反应器进料端的高于出料端的高度，且转筒的轴心线与水平线之间的θ角为1-3°。

转筒3中还设有位于内管束右侧的呈L形筛网结构的抄板8，该抄板8沿转筒3尾部周向均布且位于挡料筛板11的前方。抄板8的筛网结构用于分离土壤和热介质9。抄板8的朝向为筒体3转动方向一致；且抄板与筒体连为一体，外沿与转筒的筒体内表面齐平。

所述的内管束7在转筒3的内腔中呈喇叭口形状分布，且靠近土壤进料端所在圆直径大，靠近土壤出料端所在圆管直径小；同时靠近土壤进料端的内管束7之间的间距大于热介质的直径。且所述的内管束7呈现进料端低、出料端高的倾斜状态，与水平线呈2-3°的α角。

土壤出料端内管束中心所在圆直径小，进料端所在圆直径小大，因此出料端管间距L小，且要小于热介质9的直径，进料端端管间距L大，且要大于热介质9的直径，内管束7的角度和间距结构为热介质9从出料端向进料端滚动提供了轨道。

罩体截面为圆顶拱罩体截面为圆顶拱形，罩在转筒外部，两个烟气进口中间有一道隔墙，将罩体与转筒之间的烟气夹套分隔为左右2个空腔，使烟气进口1对应隔墙右侧的内管束出料端，烟气进口2对应隔墙左侧烟气夹套，一路高温烟气从烟气进口1经隔墙右侧空腔进入内管束的出料端，然后穿过内管束从进料端的烟气出口排出，另外一路高温烟气从烟气进口2进入隔墙左侧，穿过烟气夹套，从进料端的烟气出口排出，两路高温烟气在流动过程中，分别通过内管束和转筒的外壁与土壤发生间接热交换。

出料端固定罩5上设有倾斜布置的收集槽6，收集槽6的槽体穿过挡料筛板11深入到转筒3的内部，使得抄板8扬起的热介质9可以落在槽内，并滚动到内管束7构成的轨道上。

挡料筛板呈圆环形筛网结构，筛网孔大于土壤粒径而小于热介质的外径，圆环内孔直径等于0.3-0.8倍的筒体直径，随筒体转动过程中，热介质被拦截，无法穿过，土壤从筛孔中漏出，落入出料端固定罩。

一种利用上述的反应器进行热脱附土壤的方法，该方法包括以下步骤：

(1)从原土进口的进料装置1将土壤输送至转筒3中，转筒3绕轴心线旋转，其余部位固定不动；高温烟气从2个烟气进口进入反应器，与内部土壤10发生间接热交换，进料端的土壤和热介质在筒体转动力和重力双重作用下，绕筒体周向做圆周运动的同时沿轴向出料端缓慢移动并加热至300～600℃，然后穿过挡料筛板的筛孔，进入出料端固定罩，最后从处理后土壤出口排出；

(2)转筒(3)内的热介质受重力作用，总是位于筒体下部，随着筒体转动，与土壤一起向出料端移动，将大块土壤有挤压破碎，到达出料端时，热介质被挡料筛板拦截，然后被抄板携带并旋转至抄板上部，受重力落入收集槽中，然后滚落在内管束形成的中心轨道上，沿轨道滚动到进料端，然后再次随土壤向出料端移动，如此循环流转；

(3)筒体下部热介质随土壤运动的同时逐渐升温，在出料端的高温热介质携带热量后回到进料端，温度高于进料端土壤，对进料端土有加热作用。

转筒内热介质的填充系数不超过0.25，筒体旋转速度为0.4～10r/min。热介质9为圆球形结构，外径大于土壤粒径1-2cm，材质为多微孔陶瓷。

应用案例：

采用上述系统结构，其中反应器筒体内腔直径2m，长12m，反应器设备规模为3m×3m×12m。

运行条件是：土壤堆积密度1.3t/m³，含水率20％，污染物为挥发性/半挥发性有机物。

实现的效果是：每小时修复污染土壤10吨，有机污染物去除率99％以上，修复每吨平均消耗天然气25立方。

对比例1：

条件同实施例1，除了反应器内没有热介质，反应器筒体内腔直径2m，长12m，反应器设备规模为3m×3m×12m。

运行条件与应用案例相同。

实现的效果是：每小时修复污染土壤6吨，有机污染物去除率90-95％左右，修复每吨平均消耗天然气40立方。

对比例2：

采用申请号为申请号202010291492.X一种有机污染土壤修复的螺杆式间接热脱附装置所公开的实施方式，设定外筒直径2m，长12m反应器设备规模为3m×3m×12m。

运行条件与应用案例相同。

实现的效果是：每小时修复污染土壤4吨，有机污染物去除率90-95％左右，修复每吨平均消耗天然气40立方。

对比例3：

采用申请号为申请号202020478031.9一种土壤修复用回转窑间接热脱附系统所公开的实施方式，设定回转窑内套直径2m，长12m，反应器设备规模为3m×3m×12m。

运行条件与应用案例相同。

实现的效果是：每小时修复污染土壤4吨，有机污染物去除率90-95％左右，修复每吨平均消耗天然气40立方。

对比结果

实施例与对比例的处理效果

Claims (9)

1.一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器，其特征在于：该反应器包括原土进口的进料装置(1)、进料端固定罩(2)、转筒(3)以及带有处理后土壤出口的出料端固定罩(5)；所述的转筒(3)中设有热介质(9)，转筒(3)的出料端设有用于分离土壤和热介质(9)的挡料筛板(11)。

2.根据权利要求1所述的介质内循环强化热脱附土壤修复反应器，其特征在于：所述的转筒(3)的外侧设有带有2个烟气进口和1个烟气出口的外罩(4)，转筒(3)的内腔中设有内管束(7)，内管束(7)的烟气进口与外罩(4)的烟气进口相连通，内管束的烟气出口与外罩(4)上的烟气出口相连通；

转筒(3)外侧与外罩(4)内侧之间的区域为烟气夹套，转筒(3)的另一个烟气进口与该烟气夹套连通，转筒(3)的烟气出口设置在进料端固定罩(2)的上方；

反应器进料端高于出料端的高度，且转筒(3)的轴心线与水平线之间的θ角为1-3°。

3.根据权利要求1所述的介质内循环强化热脱附土壤修复反应器，其特征在于：转筒(3)中还设有位于内管束(7)尾部的呈L形筛网结构的抄板(8)，该抄板(8)沿转筒(3)尾部周向均布且位于挡料筛板(11)的前方，所述抄板(8)的筛网结构用于分离土壤和热介质(9)。

4.根据权利要求3所述的介质内循环强化热脱附土壤修复反应器，其特征在于：抄板(8)的朝向与筒体转动方向一致，且抄板(8)的外沿与转筒(3)的筒体内表面齐平。

5.根据权利要求1-3任一项所述的介质内循环强化热脱附土壤修复反应器，其特征在于：所述的内管束(7)在转筒(3)的内腔中呈喇叭口形状分布，且靠近土壤进料端所在圆直径大，靠近土壤出料端所在圆管直径小；同时靠近土壤进料端的内管束(7)之间的间距大于热介质的直径。

6.根据权利要求1所述的介质内循环强化热脱附土壤修复反应器，其特征在于：出料端固定罩(5)上设有倾斜布置的收集槽(6)，收集槽(6)的槽体穿过挡料筛板(11)深入到转筒(3)的内部，使得抄板(8)扬起的热介质(9)可以落在槽内，并滚动到内管束(7)构成的轨道上。

7.一种利用权利要求1-3任一项所述的反应器进行热脱附土壤修复的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)进料装置(1)将原土壤输送至转筒(3)中，转筒(3)绕轴心线旋转，其余部位固定不动；高温烟气从2个烟气进口进入反应器，与内部土壤(10)发生间接热交换，进料端的土壤和热介质在筒体转动力和重力双重作用下，绕筒体周向做圆周运动的同时沿轴向出料端缓慢移动并加热至300～600℃，然后穿过挡料筛板的筛孔，进入出料端固定罩，最后从处理后土壤出口排出；

(2)转筒(3)内的热介质受重力作用，总是位于筒体下部，随着筒体转动，与土壤一起向出料端移动，将大块土壤有挤压破碎，到达出料端时，热介质被挡料筛板拦截，然后被抄板携带并旋转至抄板上部，受重力落入收集槽中，然后滚落在内管束形成的中心轨道上，沿轨道滚动到进料端，然后再次随土壤向出料端移动，如此循环流转；

(3)筒体下部热介质随土壤运动的同时逐渐升温，在出料端的高温热介质携带热量后回到进料端，温度高于进料端土壤，对进料端土有加热作用。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：转筒内热介质(9)的填充系数不超过0.25，筒体旋转速度为0.4～10r/min。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：热介质(9)为圆球形结构，外径大于土壤粒径1-2cm，材质为多微孔陶瓷。