CN112658022B - 一种热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置及方法，一方面利用土壤受热挥发自身产生的热脱附气作为传热媒介，通过循环加热的方式，既实现了热风与土壤接触式高效传热，设备处理能力强，同时又保持高温烟气不与土壤直接接触，避免了高温烟气与气态有机污染物混合，仅有少量多余气需要净化处理，设备规模小；另一方面通过在反应器上负载热管和陶瓷蓄热体，提供了第二种土壤加热渠道，提高反应器单位体积的传热容量，实现在同等规模下，处理效率的显著提升。

Description

一种热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置及方法

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，具体涉及一种热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置及方法。

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。

热脱附技术是通过燃烧产生的高温烟气直接或间接加热，使污染土壤加热至目标温度以上，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。

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，要求撬装式单元化集成，单体结构尺寸一般不超过3m×3m×12m。同时，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。因此，充分利用有限的空间尺寸，设备处理能力越高，对降低成本、缩短工期越有利。限制热脱附处理能力的主要是热脱附反应器，基于热脱附传热特性，提高反应器单位体积的传热容量具有重要意义。

目前，按高温烟气与土壤的加热方式不同，分为直接热脱附和间接热脱附两种技术。

申请号为CN201010598161.7一种有机物污染土壤滚筒式逆向热脱附系统，包括土壤进料系统，土壤进料系统、热源系统与逆向热脱附系统相连，逆向热脱附系统依次与除尘系统、冷却系统、活性炭吸附系统相连，上述子系统控制端和控制系统连接，经点火系统使热空气进入逆向热脱附滚筒，污染土壤经土壤输送装置进入逆向热脱附滚筒，热空气与土壤逆向接触，将其所含的有机污染物加热，使其挥发。申请号为CN201910814270.9用于有机污染土壤热脱附的回转热脱附窑、装置及工艺，包括用于容纳有机污染土壤并对其热脱附的热脱附腔和用于燃烧热脱附产生的有机气体的燃烧室，二者均为热脱附回转热脱附窑中的独立分隔的腔室；所述热脱附腔与燃烧室之间有气体通道连通，气体通道贯穿窑头罩和窑尾罩。这两个专利公开了典型的直接热脱附结构系统，该系统中虽然热气与污染土壤在热脱附滚筒内逆向接触，但是只有接触传热一种方式，传热渠道单一，反应器单位体积的传热容量不高。高温烟气和土壤加热产生的气体混合在一起，需净化的尾气量很大，而且大量尾气需要先经过二燃室在1100-1200℃高温处理，导致处理流程长、设备规模大、能耗高，投资成本和使用成本很高。

申请号为CN201920224738.4一种回转式间接热脱附装置及系统，包括窑头，窑尾，回转筒体，燃烧腔，进料口，出料口，烟囱，所述窑头，回转筒体，窑尾依次连接，燃烧腔套设在回转筒体上，烟囱设在燃烧腔上，进料口设在窑头上，出料口设在窑尾上，窑头上还设有排气口，燃烧腔的底部设有多个燃烧器。申请号为CN201721044803.2外热式热脱附回转窑，包括相互气密隔绝的炉管与炉膛，炉管一端为进料端，另一端为出料端，所述炉膛包覆在所述炉管的两端之间的外部，向所述炉管提供热量。申请号为CN201510207851.8一种两段式绞龙间接热脱附装置，包括上下布置的上橇和下橇，上橇内设有上层热解吸室、进料斗、进料锁气器、空预器、鼓风机、第一急冷喷淋塔、第二急冷喷淋塔、除雾塔以及引风机，下橇内设有下层热解吸室、活性炭过滤罐、燃烧室、出料斗以及出料锁气器，上层热解吸室内设有第一绞龙，上层热解吸室外面套有上层烟气夹套，下层热解吸室内设有第二绞龙，下层热解吸室外面套有下层烟气夹套。这三个专利公开了典型的间接热脱附系统以及反应器结构，虽然实现了撬装式单元化集成，但是只高温烟气通过反应器壳体向污染土壤传热一种方式，反应器单位体积的传热容量很低。特别是受间接传热原理以及设备规模限制，传热面积较小，传热效率低，设备处理能力通常仅为每小时3-4吨左右。

发明内容

本发明是针对现有技术存在的缺陷提供一种热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置，该修复装置包括热脱附反应器、除尘器、热风循环风机和热风加热器，所述的热脱附反应器与除尘器、热风循环风机、热风加热器依次相连并构成热风循环回路，燃烧装置与热风加热器、烟囱依次相连构成烟气通路，尾气净化装置与引风机、排气筒依次相连构成尾气净化通路。

上述装置中：所述的热脱附反应器包括进料装置、进料端固定罩、转筒、出料端固定罩，其中进料装置、转筒、出料端固定罩依次连通构成土壤通道，进料端固定罩、转筒出料端固定罩依次连通构成反应器内的热风通道，热风通道在转筒内与土壤通道连通，进料装置上设有原土进口，进料端固定罩上设有循环热风出口，出料端固定罩上设有循环热风进口和处理后土壤出口，转筒绕中心轴线做旋转运动，其余部分固定不动。

上述装置中：所述的转筒筒体轴线与水平面夹角为1～6°，且所述的转筒包括外层的隔热层，内层的蓄热体和部分插入蓄热体的热管，蓄热体内部构成圆柱形空腔，是循环热风与土壤热传热和发生热脱附反应的空间，热管沿筒体周向和轴向均布，相邻两根热管的距离大于土壤的最大粒径。

上述装置中：转筒的筒体内腔直径1.5～2m，长度8～12m；其中：隔热层厚度80～120mm，蓄热体厚度20～30cm，热管的直径2～5cm，长45～55cm，间距1～15cm；优选：所述的蓄热体成分为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。

在一些优选的技术方案中：热管长度的1/3～2/3竖直插入蓄热体中。

在一些具体的实施方案中：所述的热管管壳采用奥氏体不锈钢，工作液为汞，内部负压为(0.5～1.5)*10^-4Pa，工作温度250-650℃。

一种利用上述的装置实现热管强化蓄热的间接热脱附土壤的修复方法，该方法是污染土壤由进料装置输送至转筒的进料端，并被两种方式加热；第一种，来自热风加热器出口的550～650℃的热风从出料端固定罩的循环热风进口进入转筒，与污染土壤直接逆流接触传热，加热污染土壤；第二种，转筒底部的蓄热体通过热管释放热量，加热污染土壤；污染土壤温度逐渐上升至300～500℃左右，土壤中水分和有机污染物挥发成为气态，并携带粉尘，成为热脱附尾气，与固态土壤分离，处理后的土壤从出料端固定罩的处理后土壤出口排出。

上述方法或者能够：转筒截面按水平线为基准分为放热区和蓄热区，位于底部放热区的蓄热体温度高于土壤温度，热量通过热管传给土壤，温度降低到与土壤温度相近；位于顶部蓄热区的蓄热体温度低于热风温度，热管将热风的热量传给蓄热体，蓄热体温度上升到与热风温度相近；随着转筒绕中心轴线做旋转运动，蓄热体通过热管进行蓄热和放热循环，将热风的热量传递给土壤。

上述方法中：污染土壤在热脱附反应器的转筒内部受热产生的热脱附尾气作为循环热风的初始来源，该热风从进料端固定罩的循环热风出口到除尘器经过除尘处理，并由热风循环风机驱动，大部分经过热风加热器间接换热升温至550～650℃，再由出料端固定罩的循环热风进口返回转筒的内部，与污染土壤直接接触传热同时通过热管加热蓄热体，温度降低至200～300℃，并携带污染土壤受热产生的热脱附气，部分继续在热风循环回路循环使用，剩余部分净化处理后排放。

上述方法中：燃料在燃烧装置中燃烧产生950～1050℃高温烟气，经过热风加热器与循环热风发生间接热交换，温度降至300℃左右，然后从烟囱排向大气，高温烟气与循环热风不直接接触。

上述方法中：随着土壤的连续处理，不断产生热脱附尾气，循环热风携带了热脱附尾气并与之混合，气体量变多，转筒中60～90％的气体作为循环热风，循环使用，剩余的气体从热风循环风机出口分支，经过尾气净化装置净化处理后排放。

上述方法汇总：旋转速度为0.4～10r/min，筒体内土壤填充系数不超过0.25。

本发明技术方案中：热管由管壳、工作液、吸液芯和端盖组成，管内抽成负压后充以适量的工作液，受重力作用，管的下端为蒸发吸热段，上端为冷凝放热段，两端功能随着上下位置颠倒可以互换，它利用了热传导原理与工作液的相变快速热传递性质，是一种导热能力超过任何已知金属的导热能力的传热元件。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种热管陶瓷蓄热式间接热脱附土壤修复系统及方法，一方面利用土壤受热挥发自身产生的热脱附气作为传热媒介，通过循环加热的方式，既实现了热风与土壤接触式高效传热，设备处理能力强，同时又保持高温烟气不与土壤直接接触，避免了高温烟气与气态有机污染物混合，仅有少量多余气需要净化处理，设备规模小；另一方面通过在反应器上负载热管和陶瓷蓄热体，提供了第二种土壤加热渠道，提高反应器单位体积的传热容量，实现在同等规模下，处理效率的显著提升。

附图说明

图1热管陶瓷蓄热式间接热脱附土壤修复系统流程图。

图2热脱附反应器结构示意图。

图3转筒截面结构示意图。

其中：1为热脱附反应器，2为除尘器，3为热风循环风机，4为热风加热器，5为燃烧装置，6为烟囱，7为尾气净化装置，8为引风机，9为排气筒，10为进料装置，11为进料端固定罩，12为转筒，13为出料端固定罩，14为热管，15为陶瓷蓄热体，16为隔热层。

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1～3，一种热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置，该修复装置包括热脱附反应器(1)、除尘器(2)、热风循环风机(3)和热风加热器(4)，所述的热脱附反应器(1)与除尘器(2)、热风循环风机(3)、热风加热器(4)依次相连并构成热风循环回路，燃烧装置(5)与热风加热器(4)、烟囱(6)依次相连构成烟气通路，尾气净化装置(7)与引风机(8)、排气筒(9)依次相连构成尾气净化通路。

所述的热脱附反应器(1)包括进料装置(10)、进料端固定罩(11)、转筒(12)、出料端固定罩(13)，其中进料装置(10)、转筒(12)、出料端固定罩(13)依次连通构成土壤通道，进料端固定罩(11)、转筒(12)出料端固定罩(13)依次连通构成反应器内的热风通道，热风通道在转筒(12)内与土壤通道连通，进料装置(10)上设有原土进口，进料端固定罩(11)上设有循环热风出口，出料端固定罩(13)上设有循环热风进口和处理后土壤出口，转筒(12)绕中心轴线做旋转运动，其余部分固定不动。

所述的转筒(12)筒体轴线与水平面夹角为1～6°，且所述的转筒(12)包括外层的隔热层(16)，内层的蓄热体(15)和部分插入蓄热体(15)的热管(14)，蓄热体内部构成圆柱形空腔，是循环热风与土壤热传热和发生热脱附反应的空间，热管(14)沿筒体周向和轴向均布，相邻两根热管的距离大于土壤的最大粒径。

转筒(12)的筒体内腔直径1.5～2m，长度8～12m；其中：隔热层厚度80～120mm，蓄热体厚度20～30cm，热管(14)的直径2～5cm，长45～55cm，间距1～15cm；所述的蓄热体成分为氧化铝陶瓷。

所述的热管(14)由管壳、工作液、吸液芯和端盖组成，管内抽成负压后充以适量的工作液，受重力作用，管的下端为蒸发吸热段，上端为冷凝放热段，两端功能随着上下位置颠倒可以互换，它利用了热传导原理与工作液的相变快速热传递性质，是一种导热能力超过任何已知金属的导热能力的传热元件，管壳采用奥氏体不锈钢，工作液为汞，工作温度250-650℃。

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，筒体外隔热层厚度100mm，陶瓷蓄热体厚度25cm，热管直径3.2cm，长50cm，间距10cm。热管管壳采用奥氏体不锈钢，工作液为汞，工作温度250-650℃。

温度设定是：燃烧产生的高温烟气1000℃经过热风加热器与循环热风发生间接热交换，温度降至300℃。热风加热器进口热风温度为250℃，出口的热风温度为600℃；污染土壤最终加热温度350℃。

一种利用上述装置实现热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复的方法，污染土壤由进料装置输送至转筒的进料端，并被两种方式加热；第一种，来自热风加热器出口的600℃的热风从出料端固定罩的循环热风进口进入转筒，与污染土壤直接逆流接触传热，加热污染土壤；第二种，转筒底部的陶瓷蓄热体通过热管释放热量，加热污染土壤；污染土壤温度逐渐上升至350℃左右，土壤中水分和有机污染物挥发成为气态，并携带粉尘，成为热脱附尾气，与固态土壤分离，处理后的土壤从出料端固定罩的处理后土壤出口排出。

转筒截面按水平线为基准分为放热区和蓄热区，位于底部放热区的陶瓷蓄热体温度高于土壤温度，热量通过热管传给土壤，温度降低到与土壤温度相近；位于顶部蓄热区的陶瓷蓄热体温度低于热风温度，热管将热风的热量传给陶瓷蓄热体，蓄热体温度上升到与热风温度相近；随着转筒绕中心轴线做旋转运动，陶瓷蓄热体通过热管进行蓄热和放热循环，将热风的热量传递给土壤，即前述第二种加热方式。

污染土壤在热脱附反应器的转筒内部受热产生的热脱附尾气作为循环热风的初始来源，该热风从进料端固定罩的循环热风出口到除尘器经过除尘处理，并由热风循环风机驱动，大部分经过热风加热器间接换热升温至600℃，再由出料端固定罩的循环热风进口返回转筒的内部，与污染土壤直接接触传热同时通过热管加热陶瓷蓄热体，温度降低至200～300℃，并携带污染土壤受热产生的热脱附气，部分继续在热风循环回路循环使用，剩余部分净化处理后排放。

上述方法中：燃料在燃烧装置中燃烧产生1000℃高温烟气，经过热风加热器与循环热风发生间接热交换，温度降至300℃，然后从烟囱排向大气，高温烟气与循环热风不直接接触。

上述方法中：随着土壤的连续处理，不断产生热脱附尾气，循环热风携带了热脱附尾气并与之混合，气体量变多，转筒(12)中80％的气体作为循环热风，循环使用，剩余的气体从热风循环风机出口分支，经过尾气净化装置净化处理后排放。

上述方法中：转筒旋转速度为5r/min，筒体内土壤填充系数为0.2。

实现的效果是：每小时修复污染土壤20吨，有机污染物去除率99％以上。

对比例1：

除了热管和陶瓷蓄热体以外，其余结构同实施例1，其中反应器筒体内腔直径2m，长12m，筒体外隔热层厚度100mm。

温度设定是：燃烧产生的高温烟气1000℃经过热风加热器与循环热风发生间接热交换，温度降至300℃。热风加热器进口热风温度为250℃，出口的热风温度为600℃；污染土壤最终加热温度350℃。

实现的效果是：每小时修复污染土壤12吨，有机污染物去除率99％以上。

对比结果

实施例与对比例的处理效果

Claims (10)

1.一种热管强化蓄热的间接热脱附土壤的修复方法，其特征在于：该方法是污染土壤由进料装置（10）输送至转筒（12）的进料端，并被两种方式加热；第一种，来自热风加热器（4）出口的550~650℃的热风从出料端固定罩（13）的循环热风进口进入转筒（12），与污染土壤直接逆流接触传热，加热污染土壤；第二种，转筒底部的蓄热体（15）通过热管（14）释放热量，加热污染土壤；污染土壤温度逐渐上升至300~500℃左右，土壤中水分和有机污染物挥发成为气态，并携带粉尘，成为热脱附尾气，与固态土壤分离，处理后的土壤从出料端固定罩（13）的处理后土壤出口排出；

污染土壤在热脱附反应器（1）的转筒（12）内部受热产生的热脱附尾气作为循环热风的初始来源，该热风从进料端固定罩（11）的循环热风出口到除尘器（2）经过除尘处理，并由热风循环风机（3）驱动，大部分经过热风加热器（4）间接换热升温至550~650℃，再由出料端固定罩（13）的循环热风进口返回转筒（12）的内部，与污染土壤直接接触传热同时通过热管（14）加热蓄热体（15），温度降低至200~300℃，并携带污染土壤受热产生的热脱附气，部分继续在热风循环回路循环使用，剩余部分净化处理后排放。

2. 根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于： 转筒（12）截面按水平线为基准分为放热区和蓄热区，位于底部放热区的蓄热体（15）温度高于土壤温度，热量通过热管（14）传给土壤，温度降低到与土壤温度相近；位于顶部蓄热区的蓄热体（15）温度低于热风温度，热管（14）将热风的热量传给蓄热体（15），蓄热体温度上升到与热风温度相近；随着转筒（12）绕中心轴线做旋转运动，蓄热体（15）通过热管（14）进行蓄热和放热循环，将热风的热量传递给土壤。

3.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于：燃料在燃烧装置（5）中燃烧产生950~1050℃高温烟气，经过热风加热器（4）与循环热风发生间接热交换，温度降至300℃左右，然后从烟囱（6）排向大气，高温烟气与循环热风不直接接触。

4.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于：随着土壤的连续处理，不断产生热脱附尾气，循环热风携带了热脱附尾气并与之混合，气体量变多，转筒（12）中60~90%的气体作为循环热风，循环使用，剩余的气体从热风循环风机（3）出口分支，经过尾气净化装置（7）净化处理后排放。

5.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于：旋转速度为0.4~10r/min，筒体内土壤填充系数不超过0.25。

6.一种采用权利要求1所述的方法实现热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置，其特征在于：该修复装置包括热脱附反应器（1）、除尘器（2）、热风循环风机（3）和热风加热器（4），所述的热脱附反应器（1）与除尘器（2）、热风循环风机（3）、热风加热器（4）依次相连并构成热风循环回路，燃烧装置（5）与热风加热器（4）、烟囱（6）依次相连构成烟气通路，尾气净化装置（7）与引风机（8）、排气筒（9）依次相连构成尾气净化通路。

7.根据权利要求6所述的热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置，其特征在于：所述的转筒（12）筒体轴线与水平面夹角为1~6°，且所述的转筒（12）包括外层的隔热层（16），内层的蓄热体（15）和部分插入蓄热体（15）的热管（14），蓄热体内部构成圆柱形空腔，是循环热风与土壤热传热和发生热脱附反应的空间，热管（14）沿筒体周向和轴向均布，相邻两根热管的距离大于土壤的最大粒径。

8.根据权利要求6所述的热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置，其特征在于：所述的热脱附反应器（1）包括进料装置（10）、进料端固定罩（11）、转筒（12）、出料端固定罩（13），其中进料装置（10）、转筒（12）、出料端固定罩（13）依次连通构成土壤通道，进料端固定罩（11）、转筒（12）出料端固定罩（13）依次连通构成反应器内的热风通道，热风通道在转筒（12）内与土壤通道连通，进料装置（10）上设有原土进口，进料端固定罩（11）上设有循环热风出口，出料端固定罩（13）上设有循环热风进口和处理后土壤出口，转筒（12）绕中心轴线做旋转运动，其余部分固定不动。

9.根据权利要求6所述的热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置，其特征在于：转筒（12）的筒体内腔直径1.5~2m，长度8~12m；其中：隔热层厚度80~120mm，蓄热体厚度20~30cm，热管（14）的直径2~5cm，长45~55cm，间距1~15cm。

10.根据权利要求6所述的热管强化蓄热的间接热脱附土壤修复装置，其特征在于：所述的蓄热体成分为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。

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