CN114101307A - 一种熔盐循环式原位热脱附土壤修复系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔盐循环式原位热脱附土壤修复系统及方法，属于土壤修复技术领域。该系统包括熔盐槽、熔盐炉和加热器，所述的熔盐槽通过熔盐泵和熔盐炉相连，所述熔盐炉的输出端与嵌入污染土壤中的加热器相连，加热器的输出端与熔盐槽相连，抽出管布置在加热器的周围且抽出管也嵌入污染土壤中；抽出管通过废气管路与废气处理装置相连。本发明的间接热脱附传热效率大幅提升，熔盐可循环使用，可以满足难挥发性有机物热脱附温度需要，适用范围更广。
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，具体涉及一种熔盐循环式原位热脱附土壤修复系统。
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。
热脱附技术是通过直接或间接加热，使开挖的污染土壤加热至目标污染物的沸点以上，通过控制系统温度和物料停留时间有选择地使污染物气化挥发，使目标污染物与土壤颗粒分离、去除。热脱附技术根据传热方式分为直接热脱附和间接热脱附，根据实施方式分为原位热脱附和异位热脱附，其中原位间接热脱附具有实用性广，尾气处理量小等优点，可以在有建筑物的场地进行实施，应用广泛。
根据生态环境部发布的《污染土壤修复工程技术规范原位热脱附》HJ1165-2021，现有原位间接热脱附根据加热方式分为燃气热传导加热、电热传导加热、电极加热、蒸汽注入加热4种形式。其中燃气热传导加热需要多点布设小功率燃烧器，燃料燃烧产生的烟气通过加热井后直接排放，存在设备多，系统复杂，故障率高的问题，同时由于加热井内外分别是烟气和土壤，气固传热效率很低，排出的烟气仍然携带大量热量，能量利用率低，能耗高；电热传导加热是利用电阻棒发热，加热土壤，1度电能只能产生1kw热量，1度燃气或1升燃油可以产生10～12kw热量，结合工业用电价格和燃气、燃油价格，对比可见，电热传导加热的成本较高，不经济，而且一吨土壤完成热脱附反应通常需要约300kw热量，一旦多加热点规模化实施，需要大规模供电设施辅助，因此使用规模受限；电极加热利用电极之间放电，通过土壤导电发热，同样存在成本较高，不经济，规模受限等问题，同时还存在电流泄露的安全风险；蒸汽注入加热需要地块周边存在满足项目要求的蒸汽源时优先选用，现场自行生产一般采用蒸汽锅炉，由于蒸汽温度一般在200℃以下，半挥发性有机物和多环芳烃等有机污染物热脱附温度通常要求350℃～550℃，因此蒸汽注入加热只能适用于易挥发有机物热脱附，不能满足难挥发性有机物热脱附温度需要，并且生产蒸汽需要额外消耗淡水资源，蒸汽降温后会形成冷凝水，在土壤逐渐升温过程中需再次吸收热量，导致水资源和能量的浪费。
发明内容
本发明针对现有上述技术存在的缺陷提供了一种熔盐循环式原位热脱附土壤修复系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种熔盐循环式原位热脱附土壤修复系统，该系统包括熔盐槽、熔盐炉和加热器，所述的熔盐槽通过熔盐泵和熔盐炉相连，所述熔盐炉的输出端与嵌入污染土壤中的加热器相连，加热器的输出端与熔盐槽相连，抽出管布置在加热器的周围且抽出管也嵌入污染土壤中；抽出管通过废气管路与废气处理装置相连。
上述系统中：所述的加热器包括内管和外管，内管套装在外管中形成夹套，内管顶部和底部敞开，外管底部封闭，顶部设有输出端。
上述系统中：加热器间隔1.5～3.5m呈蜂窝状多点间隔布设在污染土壤中，通过加热管路和回流管路汇集到总管，最终对应熔盐炉。
一种利用上述系统实现熔盐循环式原位热脱附土壤修复的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：熔盐槽中400～600℃的熔盐由熔盐泵驱动，在循环回路的熔盐炉被燃料燃烧产生的烟气加热，吸收热量，升温至700～800℃，再通过加热器加热污染土壤，释放热量；
第二步：加热器中的熔盐冷却至400～600℃左右，最后经过回流管路返回熔盐槽，如此循环流动的同时不断吸热和放热，熔盐为能量传输介质将燃料燃烧产生的热量间接传递给污染土壤；污染土壤受热后发生热脱附反应，产生的热脱附废气，通过抽出管抽出，经废气管路，最后在废气处理装置中完成净化处置。
上述方法中：熔盐介质从内管顶部进入，再从底部流入夹套，最后从外管上部流出。
上述方法中：：当停止加热盐循环时，通入压缩气将循环回路中残余的熔盐吹扫回熔盐槽中，避免降温后熔盐凝固堵塞管路。
上述方法中：：熔盐的成分是NaCl、BaCl2和CaCl2；进一步优选：NaCl、BaCl2和CaCl2的质量比为10～30：20～40：40～60。
本发明的有益效果：
(1)间接热脱附传热效率大幅提升：因为传统烟气通过不锈钢筒体间接加热的的效率受到烟气与不锈钢筒体传热性能的限制(传热系数通常仅为20-30W/m2.℃)。而液态熔盐与不锈钢筒体的传热效率很高(估计达到200W/m2.℃以上)。相对于燃气热传导加热传热性能提升了，所以传热效率大幅提升。
(2)熔盐循环使用，即熔盐放热后携带的剩余热量没有浪费，因此能量利用率很高，相对于燃气热传导加热节约能量，能耗低。
(3)熔盐炉可以采用燃气、燃油等多种方式，更灵活方便，而且不需要大功率供电设备、锅炉设备辅助，也不需要消耗额外的淡水资源，相对于电热传导加热、电极加热、蒸汽注入加热更容易规模化应用，使用成本也更低。
(4)熔盐工作温度高达700℃以上，可以满足难挥发性有机物热脱附温度需要，适用范围更广。
附图说明
图1熔盐循环式原位热脱附土壤修复系统流程图。
其中：1为熔盐槽，2熔盐，3为熔盐泵，4为熔盐炉，5为加热管路，6为加热器，7为回流管路，8为抽出管，9废气管路，10为废气处理装置，11为压缩气。
图2加热器结构示意图。
其中：6-1为内管，6-2为外管。
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1～2，一种熔盐循环式原位热脱附土壤修复系统，该系统包括熔盐槽1、熔盐炉4和加热器6，所述的熔盐槽1通过熔盐泵3和熔盐炉4相连，所述熔盐炉4的输出端与嵌入污染土壤中的加热器6相连，加热器6的输出端与熔盐槽1相连，872根抽出管8围绕加热器6呈蜂窝状分布，且抽出管也嵌入污染土壤中；抽出管8通过废气管路9与废气处理装置10相连。
所述的加热器6包括内管6-1和外管6-2，内管6-1套装在外管6-2中形成夹套，内管6-1顶部和底部敞开，外管6-2底部封闭，顶部设有输出端。
190组加热器6间隔2.6m呈蜂窝状多点间隔布设在污染土壤中，通过加热管路5和回流管路7的中若干支管汇集到总管，最终对应同一套熔盐炉4。
190组加热器6和872根抽出管8构成了长宽均为50m，共计2500平方米的原位热脱附区域。
该区域仅需配熔盐槽1和熔盐炉4各1台，即1台燃烧器及其控制阀组。
采用上述方案，其工作过程和参数如下：
第一步：熔盐槽2中500～520℃的熔盐2由熔盐泵3驱动，在循环回路的熔盐炉4被燃料燃烧产生的烟气加热，吸收热量，升温至700～720℃，再通过加热器6加热污染土壤，释放热量；
第二步：加热器中的熔盐冷却至500～520℃，最后经过回流管路7返回熔盐槽1，如此循环流动的同时不断吸热和放热，熔盐为能量传输介质将燃料燃烧产生的热量间接传递给污染土壤；污染土壤受热后发生热脱附反应，产生的热脱附废气，通过抽出管8抽出，经废气管路9，最后在废气处理装置10中完成净化处置。
熔盐介质从内管6-1顶部进入，再从底部流入夹套，最后从外管6-2上部流出。
当熔停止加热盐循环时，通入压缩气将循环回路中残余的熔盐吹扫回熔盐槽1中，避免降温后熔盐凝固堵塞管路。
熔盐2的成分是NaCl、BaCl2和CaCl2的质量比为20：30：50。
整套装置用电功率约250千瓦，每小时天然气消耗量300立方。
对比案例1：
一种烟气加热式原位热脱附土壤修复系统，该系统包括燃气供应装置、空气供给装置、加热器、烟气风机、抽出管、废气处理装置。其中加热器、抽出管的数量与实施案例相同，分布为190组和872根，分布方式也相同。废气处理装置与实施案例相同。
每个加热器配1台小型燃烧器，共计190台燃烧器。每个燃烧器需配燃气减压阀、过滤器、火焰探测器等控制阀组，共计190组。
燃气供应装置和空气供给装置需分配190组支管到每个燃烧器，且每组支管需配置空气调节阀组，共计190组。
190台燃烧器产生的烟气全部通过汇总管引至烟气风机，且每个支管需配烟气流量调节阀，共计190组。
190组加热器6和872根抽出管8构成了长宽均为50m，共计2500平方米的原位热脱附区域。
整套装置用电功率约500千瓦，每小时天然气消耗量400立方。
采用上述方案，其工作过程和参数如下：
每台加热器所配的燃烧器燃烧产生700℃高温烟气，通过加热器后将部分热量传递给周边土壤，同时烟气冷却后至400℃，携带该热量排向大气。
对比案例2：
一种电加热式原位热脱附土壤修复系统，该系统包括燃气供电装置、漏电保护装置、加热器、抽出管、废气处理装置。其中加热器、抽出管的数量与实施案例相同，分布为190组和872根，分布方式也相同。废气处理装置与实施案例相同。
190组加热器(6)和872根抽出管(8)构成了长宽均为50m，共计2500平方米的原位热脱附区域。
每组加热器电功率12千瓦，共计2280千瓦。
190组加热器共用1台供电装置。
每组加热器需配漏电保护装置1台，共计190台。
采用上述方案，其工作过程和参数如下：
每台加热器每小时消耗15千瓦时电能，形成350℃的加热棒，加热周边土壤。
对比案例3：
一种蒸汽注入式原位热脱附土壤修复系统，该系统包括燃气蒸汽发生装置、加热器、抽出管、废气处理装置。其中加热器、抽出管的数量与实施案例相同，分布为190组和872根，分布方式也相同。废气处理装置与实施案例相同。
190组加热器(6)和872根抽出管(8)构成了长宽均为50m，共计2500平方米的原位热脱附区域。
蒸汽发生装置包括1台蒸汽锅炉、1台热风炉、1套软水供应装置。
整套装置用电功率约250千瓦，每小时天然气消耗量400立方。
采用上述方案，其工作过程和参数如下：
蒸汽锅炉产生180℃的蒸汽，通过加热器，加热周边土壤。
Claims (7)
1.一种熔盐循环式原位热脱附土壤修复系统，其特征在于：该系统包括熔盐槽(1)、熔盐炉(4)和加热器(6)，所述的熔盐槽(1)通过熔盐泵(3)和熔盐炉(4)相连，所述熔盐炉(4)的输出端与嵌入污染土壤中的加热器(6)相连，加热器(6)的输出端与熔盐槽(1)相连，抽出管(8)布置在加热器(6)的周围且抽出管(8)也嵌入污染土壤中；抽出管(8)通过废气管路(9)与废气处理装置(10)相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的加热器(6)包括内管(6-1)和外管(6-2)，内管(6-1)套装在外管(6-2)中形成夹套，内管(6-1)顶部和底部敞开，外管(6-2)底部封闭，顶部设有输出端。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：加热器(6)间隔1.5～3.5m呈蜂窝状多点间隔布设在污染土壤中，通过加热管路(5)和回流管路(7)汇集到总管，最终对应熔盐炉(4)。
4.一种利用权利要求1所述的系统实现熔盐循环式原位热脱附土壤修复的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
第一步：熔盐槽(2)中400～600℃的熔盐(2)由熔盐泵(3)驱动，在循环回路的熔盐炉(4)被燃料燃烧产生的烟气加热，吸收热量，升温至700～800℃，再通过加热器(6)加热污染土壤，释放热量；
第二步：加热器中的熔盐冷却至400～600℃左右，最后经过回流管路(7)返回熔盐槽(1)，如此循环流动的同时不断吸热和放热，熔盐为能量传输介质将燃料燃烧产生的热量间接传递给污染土壤；污染土壤受热后发生热脱附反应，产生的热脱附废气，通过抽出管(8)抽出，经废气管路(9)，最后在废气处理装置(10)中完成净化处置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：熔盐介质从内管(6-1)顶部进入，再从底部流入夹套，最后从外管(6-2)上部流出。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：当停止加热盐循环时，通入压缩气将循环回路中残余的熔盐吹扫回熔盐槽(1)中，避免降温后熔盐凝固堵塞管路。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：熔盐(2)的成分是NaCl、BaCl2和CaCl2；进一步优选：NaCl、BaCl2和CaCl2的质量比为10～30：20～40：40～60。
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