CN112658023A - 一种热风循环式间接热脱附土壤修复系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热风循环式间接热脱附土壤修复系统及方法，属于土壤修复技术领域。该系统包括热脱附反应器、除尘器、热风循环风机、热风加热器、空气预热器、助燃风机、燃烧装置等。该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，同时又保持高温烟气不与土壤直接接触，具有处理能力强、设备规模小等优点。
Description
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，具体涉及一种热风循环式间接热脱附土壤修复系统及其方法。
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。
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。
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。
直接热脱附技术中高温烟气接触土壤，直接传热，传热效率高，但是高温烟气与气态有机污染物混合在一起。申请号为CN201110201582.6连续的持久性有机污染土壤直接热脱附的方法，用轻油燃烧器燃烧产生的高温烟气在回转式热脱附器内，直接加热污染土，高温烟气和土壤加热产生的气体从回转式热脱附器的出气口进入二燃室热解、燃烧再经过烟气处理装置除酸、降温、除尘后排放。申请号为20190662303.8一种应用于土壤修复中的热脱附系统，包括预处理子系统、热脱附子系统和废气处理子系统，该废气处理子系统，包括依次连通的二燃室、一级换热装置、急冷塔、烟气净化装置、第一除尘装置、引风机、二级换热装置和脱酸塔。申请号为CN201920670997.X一种应用于土壤修复中热脱附的烟气净化系统，包括二燃室、一级换热装置、急冷塔、烟气净化装置、第一除尘装置、引风机、二级换热装置和脱酸塔，其中，二燃室的排出的废气依次经过一级换热装置换热后，再通过管路依次进入急冷塔降温、烟气净化装置净化、第一除尘装置除尘、二级换热装置二次换热以及脱酸塔脱酸，最后进入烟囱。这三个专利均采用了直接热脱附技术，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。然而，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，现有直接热脱附技术所需净化的尾气量很大，导致设备规模大，拆装运输的成本非常高，成为限制直接热脱附技术应用推广的主要因素。
间接热脱附技术中，高温烟气不接触土壤，通过金属壳体间接传热，避免了高温烟气与气态有机污染物混合，所需净化处理的尾气量小。申请号为CN201410474990.2一种持久性有机物污染土壤间接热脱附处置装置及方法，包括污染土壤预处理系统、进料系统、热脱附系统、出料系统、尾气净化系统、自动控制系统；污染土壤预处理系统通过进料系统与热脱附系统的进料口相连，热脱附系统的固体出料口与出料系统相连，热脱附系统的气体出料口与尾气净化系统的进口相连。方法是污染土壤经预处理后，输送至热脱附系统400～600℃下脱附10～40min后，脱附废气采用旋风除尘—二级喷淋—干燥—活性炭吸附/滑动弧降解工艺。申请号为CN201821545107.4一种有机污染土壤修复用间接热脱附装置，包括进料系统、热脱附系统、出料系统和废气净化系统，热脱附系统包括间接热脱附机，间接热脱附机包括筒体，筒体的两端开设有进料口和固体出料口，进料系统密闭连通于筒体的进料口，出料系统密闭连通于筒体的固体出料口，筒体的顶端开设有气体出料口，废气净化系统密闭连通于筒体的气体出料口；筒体外壁套设有燃烧炉，燃烧炉通过管道顺次串联连通有热交换器和助燃风机，燃烧炉的上方通过管道连通有排烟风机，排烟风机通过管道连通于热交换器。这两个专利均采用了间接热脱附技术，需净化的尾气量较小，但是固态土壤流动性差，复杂的反应器结构会导致堵塞等故障，因此在方便拆卸运输的条件下，设备规模受限，传热面积较小，导致传热效率低，设备处理能力通常仅为每小时3-4吨左右。然而，污染场地需修复的土壤动辄数千甚至几万吨，目前设备处理能力远远不能满足修复需要，修复工期非常长，制约了间接热脱附技术应用推广。
发明内容
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种热风循环式间接热脱附土壤修复系统，该系统包括热脱附反应器，所述的热脱附反应器的内腔中设有转筒，该热脱附反应器设有两个烟气通路，第一个烟气通路是转筒内部的加热系统，该系统的构成是依次相连的转筒的循环热风出口、除尘器、热风循环风机和热风加热器和转筒的循环热风进口；第二个烟气通路是用于转筒外部的加热系统，该系统的构成是依次相连的热脱附反应器的烟气出口、空气预热器、助燃风机、燃烧装置、热风加热器和热脱附反应器的烟气进口相连。
在一些技术方案中：所述的转筒的外周侧设有隔热外罩，所述的转筒的外周侧设有隔热外罩，一端为进料装置和进料端固定罩，另一端为出料端固定罩；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，隔热外罩靠近出料端设有烟气进口，靠近进料端设有烟气出口，出料端固定罩上设有循环热风进口和处理后土壤出口。
在一些技术方案中：热风循环风机还有一个输出端通过催化氧化装置与冷凝器相连，所述的冷凝器的上方设有冷水塔以及循环泵，通过循环泵实现冷凝器和冷水塔中水的换热过程。
在一些技术方案中：转筒的筒体轴线与水平面夹角为0～6°，或者内部设有偏向出料端的导料装置。
一种利用上述的系统实现热风循环式间接热脱附土壤修复方法，该方法包括以下步骤：
(1)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，该热风从转筒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，一部分经过热风加热器间接换热升温至550～650℃，再由转筒的循环热风进口返回转筒的内部，与污染土壤直接逆流接触传热，温度降低至380～420℃，并携带污染土壤受热产生的热脱附尾气，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)燃料在燃烧装置中燃烧产生高温950～1050℃的烟气，经过热风加热器与循环热风发生间接热交换，温度降至700～800℃，然后从隔热外罩的烟气进口进入反应器内的烟气通道，与热转筒内的污染土壤发生间接热交换，温度降低350～450℃左右，之后从隔热外罩的烟气出口到空气预热器，与空气发生间接热交换，温度降低至150～250℃，最后从烟囱排向大气，该烟气与土壤和循环热风不接触；
(3)常温原土由进料装置送入转筒的进料端，随转筒旋转并向出料端移动过程中，被转筒内部的热风直接加热，同时被转筒外部的烟气间接加热，温度逐渐上升至300～500℃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，处理后的土壤排出。
上述方法中：热风循环风机出口的循环热风的剩余部分经过催化氧化装置，有机污染物在380～420℃发生热氧化反应成为二氧化碳和水蒸气，然后经过冷凝器，与循环冷却水发生间接热交换，降温冷凝至55～65℃，并由引风机驱动，最后通过排气筒排向大气。
上述方法中：常温空气经过到空气预热器与隔热外罩烟气出口的烟气发生间接热交换，温度升至150～250℃，由助燃风机驱动，到燃烧装置，作为燃料燃烧的助燃空气，实现余热回用。
上述方法中：清洁水作为循环水，经冷凝器与催化氧化装置出口的尾气进行间接热交换，循环水升温至40-60℃，然后经过冷水塔降温至35℃左右，并由循环泵驱动循环使用。
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65～90％的气体作为循环热风，在第一个烟气通路中循环使用，剩余的气体从热风循环风机出口分支进入催化氧化装置与冷凝器，经过净化处理后排放。
上述方法中：筒体旋转速度为0.4～10r/min，筒体内土壤填充系数不超过0.25。
在一些优选的技术方案中：热风循环风机和引风机采用变频控制，其中热风循环风机根据对比土壤出口实测温度和目标温度来调整，当实测温度低于目标温度，频率增大，反之减小；引风机与热风循环风机的频率同步调整，并根据对比转筒内的实测气体压力和目标压力来微调，当实测气体压力高于目标压力时，频率增大，反之减小；通过风机频率的调整，确保循环热风和多余气体全部抽出，转筒内维持微负压，避免有机废气外逸引起二次污染，同时可以根据处理的土壤重量、含水率以及有机污染物所需脱附温度，调整和维持系统稳定。
本发明的有益效果：
本发明公开了一种热风循环式间接热脱附土壤修复系统，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。
附图说明
图1为热风循环式间接热脱附土壤修复系统流程图。
图2为热脱附反应器结构示意图。
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为催化氧化装置，8为冷凝器，9为引风机，10为排气筒，11为冷水塔，12为循环泵，13为空气预热器，14为助燃风机，15为进料装置，16为进料端固定罩，17为隔热外罩，18为转筒，19为出料端固定罩。
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：
如图1～2，一种热风循环式间接热脱附土壤修复系统，该系统包括热脱附反应器1，所述的热脱附反应器1的内腔中设有转筒18，该热脱附反应器1设有两个烟气通路，其中一个烟气通路是转筒18内部的加热系统，该系统的构成是依次相连的转筒18的循环热风出口、除尘器2、热风循环风机3和热风加热器4和转筒18的循环热风进口；另一个烟气通路是用于转筒18外部的加热系统，该系统的构成是依次相连的热脱附反应器1的烟气出口、空气预热器13、助燃风机14、燃烧装置5、热风加热器4和热脱附反应器1的烟气进口相连。
所述的转筒18的外周侧设有隔热外罩17，所述的转筒18的一端为进料装置15，另一端为出料端固定罩19，且转筒18的进料装置15端通过进料端固定罩16实现密封；进料装置15上设有原土进口，进料端固定罩16上设有循环热风出口，隔热外罩17靠近出料端设有烟气进口，靠近进料端设有烟气出口，出料端固定罩19上设有循环热风进口和处理后土壤出口。
热风循环风机3还有一个输出端通过催化氧化装置7与冷凝器8相连，所述的冷凝器8的上方设有冷水塔11以及循环泵12，通过循环泵12实现冷凝器8和冷水塔11中水的换热过程。
转筒18的筒体轴线与水平面夹角一般为0～6°，或者内部设有偏向出料端的导料装置。
实施例1：
结构尺寸和主要技术参数是：装置结构如上所述，其中反应器中的转筒直径2m，长12m，循环风量16000kg/h，需净化处理尾气量4000kg/h，折算成修复每吨土壤需净化处理废气量200kg；燃烧装置天然气耗量800Nm3/h。全套系统集成为反应器为1个单元，除尘器、热风循环风机和催化氧化装置为1个单元，燃烧装置、助燃风机和热风加热器为1个单元，冷凝器、冷水塔、循环泵和引风机为1个单元，共计4个撬装单元，每个单元长13m×宽3m×高3m，方便拆装和运输，拆装运输需要4车次。4个单元并排布置，中间间距1.5m维修操作空间，系统占地面积是16.5m×13m＝214.5m2。
其中：转筒材质为0Cr25Ni20，筒体轴线与水平面夹角为1.5°，转速3r/min，筒体内土壤填充系数为0.2。除尘器采用脉冲清灰高温陶瓷滤管除尘器，设计风量20000Nm3/h，耐温≥500℃；热风循环风机风量50000m3/h，全压4000Pa，变频控制；热风加热器热负荷4000kw；燃烧装置出力8000kw；冷凝器热负荷为3000kw；引风机风量10000m3/h，全压2000Pa，变频控制。
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。利用上述系统实现热脱附的方法：
(1)污染土壤在热脱附反应器1的转筒18内部受热产生的热脱附尾气作为循环热风的初始来源，该热风从转筒18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，一部分经过热风加热器4间接换热升温至600℃，再由转筒18的循环热风进口返回转筒18的内部，与污染土壤直接逆流接触传热，温度降低至400℃，并携带污染土壤受热产生的热脱附尾气，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)燃料在燃烧装置5中燃烧产生高温1000℃的烟气，经过热风加热器4与循环热风发生间接热交换，温度降至700℃，然后从隔热外罩17的烟气进口进入反应器内的烟气通道，与转筒18内的污染土壤发生间接热交换，温度降低400℃，之后从隔热外罩17的烟气出口到空气预热器13，与常温空气发生间接热交换，温度降低至200℃，最后从烟囱6排向大气，该烟气与土壤和循环热风不接触；
(3)常温原土由进料装置15送入转筒18的进料端，随转筒18旋转并向出料端移动过程中，被转筒18内部的热风直接加热，同时被转筒18外部的烟气间接加热，温度逐渐上升至350℃，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19的土壤出口排出。
转筒中20％的400℃气体经过催化氧化装置7，有机污染物在380～420℃发生热氧化反应成为二氧化碳和水蒸气，然后经过冷凝器8，与循环冷却水发生间接热交换，降温冷凝至55～65℃，并由引风机9驱动，最后通过排气筒10排向大气。剩余80％的400℃气体作为循环热风。
常温空气经过到空气预热器13与隔热外罩17烟气出口的烟气发生间接热交换，温度升至150～250℃，由助燃风机14驱动，到燃烧装置5，作为燃料燃烧的助燃空气，实现余热回用。
清洁水作为循环水，经冷凝器8与催化氧化装置7出口的尾气进行间接热交换，循环水升温至40-60℃，然后经过冷水塔11降温至35℃左右，并由循环泵12驱动循环使用。
实现的效果是：每小时修复污染土壤20吨，修复每吨污染土壤平均消耗天然气40Nm3，有机污染物去除率99％以上。
对比例1：
结构尺寸和主要技术参数是：采用申请号为CN201110201582.6连续的持久性有机污染土壤直接热脱附的方法所公开的具体实施方式记载的方案，设定回转式热脱附器直径2m，长12m，回转窑内的燃烧器和二燃室内的燃烧器燃料消耗相加再折合成天然气耗量为1500Nm3/h，燃烧产生的高温烟气量为20500kg/h，土壤被加热产生热脱附气量为4000kg/h，需净化处理的总废气量为24500kg/h，折算成修复每吨土壤需净化处理废气量1225kg。全套系统按长13m×宽3m×高3m单元划分约为10个单元，即拆装运输需要10车次。考虑维修操作空间，系统占地面积为30m×17.5m＝525m2。
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。
温度设定是：燃烧产生的高温烟气600℃，经过回转窑与土壤发生间接热交换，温度降至400℃；然后与土壤被加热产生热脱附气混合在一起进入二燃室，被二次加热至1200℃，停留时间不小于2s，充分热解燃烧；之后经过除酸、降温、除尘后通过引风机和烟囱排放；污染土壤初始为常温20℃，加热后温度为350℃。
实现的效果是：每小时修复污染土壤20吨，修复每吨污染土壤平均消耗天然气75Nm3，有机污染物去除率99％以上。
对比例2：结构尺寸和主要技术参数是：采用申请号为CN201821545107.4一种有机污染土壤修复用间接热脱附装置所公开的具体实施方式记载的方案，，设定间接热脱附机筒体直径2m，长12m，燃烧炉天然气耗量140Nm3/h，土壤被加热产生热脱附气量为700kg/h，折算成修复每吨土壤需净化处理废气量200kg。全套系统按长13m×宽3m×高3m单元划分约为热脱附子系统、燃烧炉子系统、废气净化子系统、循环水冷却子系统共计4个单元，即拆装运输需要4车次。考虑维修操作空间，系统占地面积为16.5m×13m＝214.5m2。
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。
温度设定是：燃烧产生的高温烟气800℃，经过间接热脱附机与土壤发生间接热交换，温度降至400℃，最后从烟囱排出；污染土壤初始为常温20℃，加热后温度为350℃。
实现的效果是：每小时修复污染土壤3.5吨，修复每吨污染土壤平均消耗天然气40Nm3，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)
1.一种热风循环式间接热脱附土壤修复系统，其特征在于：该系统包括热脱附反应器(1)，所述的热脱附反应器(1)的内腔中设有转筒(18)，该热脱附反应器(1)设有两个烟气通路，第一个烟气通路是转筒(18)内部的加热系统，该系统的构成是依次相连的转筒(18)的循环热风出口、除尘器(2)、热风循环风机(3)和热风加热器(4)和转筒(18)的循环热风进口；第二个烟气通路是用于转筒(18)外部的加热系统，该系统的构成是依次相连的热脱附反应器(1)的烟气出口、空气预热器(13)、助燃风机(14)、燃烧装置(5)、热风加热器(4)和热脱附反应器(1)的烟气进口相连。
2.根据权利要求1所述的热风循环式间接热脱附土壤修复系统，其特征在于：所述的转筒(18)的外周侧设有隔热外罩(17)，所述的转筒(18)的一端为进料端固定罩(16)和以及进料装置(15)，另一端为出料端固定罩(19)；进料装置(15)上设有原土进口，进料端固定罩(16)上设有循环热风出口，隔热外罩(17)靠近出料端设有烟气进口，靠近进料端设有烟气出口，出料端固定罩(19)上设有循环热风进口和处理后土壤出口。
3.根据权利要求1所述的热风循环式间接热脱附土壤修复系统，其特征在于：热风循环风机(3)还有一个输出端通过催化氧化装置(7)与冷凝器(8)相连，所述的冷凝器(8)的上方设有冷水塔(11)以及循环泵(12)，通过循环泵(12)实现冷凝器(8)和冷水塔(11)中水的换热过程。
4.根据权利要求1所述的热风循环式间接热脱附土壤修复系统，其特征在于：转筒(18)的筒体轴线与水平面夹角般为0～6°，或者内部设有偏向出料端的导料装置。
5.一种利用权利要求1所述的系统实现热风循环式间接热脱附土壤修复方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)污染土壤在热脱附反应器(1)的转筒(18)内部受热产生的热脱附尾气作为循环热风的初始来源，该热风从转筒(18)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，一部分经过热风加热器(4)间接换热升温至550～650℃，再由转筒(18)的循环热风进口返回转筒(18)的内部，与污染土壤直接逆流接触传热，温度降低至380～420℃，并携带污染土壤受热产生的热脱附尾气，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)燃料在燃烧装置(5)中燃烧产生高温950～1050℃的烟气，经过热风加热器(4)与循环热风发生间接热交换，温度降至700～800℃，然后从隔热外罩(17)的烟气进口进入反应器内的烟气通道，与转筒(18)内的污染土壤发生间接热交换，温度降低350～450℃左右，之后从隔热外罩(17)的烟气出口到空气预热器(13)，与常温空气发生间接热交换，温度降低至150～250℃，最后从烟囱(6)排向大气，该烟气与土壤和循环热风不接触；
(3)常温原土由进料装置(15)送入转筒(18)的进料端，随转筒(18)旋转并向出料端移动过程中，被转筒(18)内部的热风直接加热，同时被转筒(18)外部的烟气间接加热，温度逐渐上升至300～500℃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(19)的土壤出口排出。
6.根据权利要求5所述的热风循环式间接热脱附土壤修复方法，其特征在于：热风循环风机(3)出口的循环热风的剩余部分经过催化氧化装置(7)，有机污染物在380～420℃发生热氧化反应成为二氧化碳和水蒸气，然后经过冷凝器(8)，与循环冷却水发生间接热交换，降温冷凝至55～65℃，并由引风机(9)驱动，最后通过排气筒(10)排向大气。
7.根据权利要求5所述的热风循环式间接热脱附土壤修复方法，其特征在于：常温空气经过到空气预热器(13)与隔热外罩(17)烟气出口的烟气发生间接热交换，温度升至150～250℃，由助燃风机(14)驱动，到燃烧装置(5)，作为燃料燃烧的助燃空气，实现余热回用。
8.根据权利要求5所述的热风循环式间接热脱附土壤修复方法，其特征在于：清洁水作为循环水，经冷凝器(8)与催化氧化装置(7)出口的尾气进行间接热交换，循环水升温至40-60℃，然后经过冷水塔(11)降温至35℃左右，并由循环泵(12)驱动循环使用。
9.根据权利要求5所述的热风循环式间接热脱附土壤修复方法，其特征在于：筒体旋转速度为0.4～10r/min，筒体内土壤填充系数不超过0.25。
10.根据权利要求5所述的热风循环式间接热脱附土壤修复方法，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(18)中65～90％的气体作为循环热风，在第一个烟气通路中循环使用，剩余气体从热风循环风机(3)出口分支进入催化氧化装置(7)与冷凝器(8)，经过净化处理后排放。
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