摘要

以異位直接熱脫附技術(shù)的原理、適用范圍、工藝流程、優(yōu)缺點(diǎn)等為基礎(chǔ)，建立了輸入、輸出能量平衡關(guān)系式并進(jìn)行了熱平衡計(jì)算；針對(duì)該工藝能耗過(guò)高的問(wèn)題，分析了系統(tǒng)各部分能耗，提出了節(jié)能降耗方案。通過(guò)煙氣熱回用裝置，將二燃室后高溫?zé)煔庥酂崮芰拷?jīng)循環(huán)管道輸送給土壤預(yù)干燥裝置，將有機(jī)污染土壤含水率降低，從而減少系統(tǒng)總能耗。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)熱力計(jì)算，土壤水分預(yù)干燥量越大，系統(tǒng)節(jié)能效果越好；煙氣余熱足夠用于土壤預(yù)干燥減少17%左右土壤水分的要求。通過(guò)土壤預(yù)干燥裝置將土壤水分從20%降低到15%，可使直接熱脫附裝置降低能耗20%以上。

關(guān)鍵詞

土壤修復(fù)；異位熱脫附技術(shù)；余熱回用；熱平衡計(jì)算

隨著“退城進(jìn)園”和“退二進(jìn)三”政策的逐步落實(shí)，大批污染企業(yè)被迫改造或搬遷。高污染工廠舊址土壤中遺留的有機(jī)污染物質(zhì)，會(huì)造成環(huán)境污染，危害人體健康，限制城市發(fā)展。在現(xiàn)有各種污染土壤修復(fù)技術(shù)中，熱脫附技術(shù)由于其具有修復(fù)徹底、快速高效、不引入新的污染物等優(yōu)勢(shì)而發(fā)展較迅速。該技術(shù)早在30年前就開(kāi)始在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用，但近年來(lái)才剛剛引入國(guó)內(nèi)。根據(jù)對(duì)美國(guó)超級(jí)基金1246個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家，污染土壤異位修復(fù)技術(shù)占比為48%。污染土壤熱脫附在異位修復(fù)技術(shù)中占比82%。從2009年異位熱脫附技術(shù)引入到國(guó)內(nèi)以來(lái)，相關(guān)專(zhuān)利逐年上升，并已在“ 十二五”“863”計(jì)劃相關(guān)課題中得到應(yīng)用。異位熱脫附技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用已初具規(guī)模。土壤異位熱脫附技術(shù)發(fā)展至今，主要的研發(fā)方向是修復(fù)更多的污染物類(lèi)型，以及不斷改進(jìn)尾氣處理裝置，減少有害氣體排放。國(guó)外由于能源較為便宜，所以在節(jié)能降耗方面的研究很少，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)能耗的熱平衡和高溫?zé)煔庥酂崂玫难b置研究也不夠，導(dǎo)致能耗較高。而我國(guó)天然氣價(jià)格相比國(guó)外較高，亟需研究和提出直接熱脫附裝備節(jié)能降耗方案。針對(duì)該問(wèn)題，本研究通過(guò)對(duì)熱脫附系統(tǒng)熱平衡進(jìn)行計(jì)算，梳理了每部分設(shè)備的能耗情況，找出了能耗較大且具有余熱回收利用潛力的區(qū)域，有針對(duì)性地提出了熱脫附系統(tǒng)節(jié)能降耗方案，為直接熱脫附節(jié)能降耗裝置的選型提供參考。

1? 熱脫附技術(shù)能耗分析

1.1 工藝簡(jiǎn)介

直接熱脫附是火焰與污染土壤直接接觸，且適用于揮發(fā)性、半揮發(fā)性有機(jī)污染物的處理方式。直接熱脫附處理量大、傳熱效率高、能耗低，適合于大規(guī)模污染場(chǎng)地修復(fù)。該技術(shù)裝置建造成本和運(yùn)行維護(hù)成本低，污染土壤處理能力可達(dá)5~100t·h-1，一般要求水分低于25%。直接熱脫附回轉(zhuǎn)窯熱脫附過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣溫度高、流量大，處理要求相對(duì)較高。直接熱脫附回轉(zhuǎn)窯中燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)熱輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱等方式向污染土壤傳遞熱量，將土壤加熱到一定溫度，使其中的有機(jī)污染物解析分離，析出的污染物氣體送入后續(xù)廢水及尾氣處理單元進(jìn)行后處理。熱脫附過(guò)程一般分為2個(gè)階段：土壤污染物解析階段和廢氣處理階段。圖1為典型直接熱脫附裝置的工藝流程。污染土壤經(jīng)過(guò)破碎、篩分、調(diào)節(jié)含水率(拌石灰)、磁選等預(yù)處理過(guò)程，由傳送帶輸送至回轉(zhuǎn)窯加熱單元進(jìn)行熱處理，其中的有機(jī)污染物經(jīng)加熱后從土壤中揮發(fā)和分離。高溫潔凈土壤從回轉(zhuǎn)窯出口排出，含有機(jī)污染物的煙氣進(jìn)入旋風(fēng)除塵器。旋風(fēng)除塵器的作用是去除煙氣中攜帶的粉塵，以保證管道設(shè)備正常運(yùn)行。除塵后的煙氣進(jìn)入二燃室，在近1000℃高溫下，停留2s以上。此過(guò)程可將煙氣中的絕大多數(shù)有機(jī)污染物燃盡。急冷室將燃燒后的高溫尾氣溫度迅速降低至200℃，以避免二燃室后高溫尾氣在緩慢冷卻后重新生成二惡英等有毒物質(zhì)。急冷室排出的尾氣經(jīng)除塵裝置和洗氣裝置凈化達(dá)標(biāo)后最終排入大氣。

▲圖1 典型直接熱脫附工藝流程

1.2能耗現(xiàn)狀及節(jié)能建議

現(xiàn)有工藝中能源浪費(fèi)嚴(yán)重，故須針對(duì)系統(tǒng)各裝置能耗進(jìn)行分析。污染土壤所含水分被加熱至300℃以上所吸收的能量是不必要的，可通過(guò)土壤預(yù)干燥減少土壤含水量來(lái)減少這部分能耗。土壤熱脫附完成后，高溫潔凈土壤帶走的熱量理論上可以進(jìn)行回收利用，但實(shí)際回收難度大。潔凈土壤運(yùn)輸困難大，溫度不夠高，因而不利于異地回收；而就地采用熱交換器利用余熱又不具備經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)散熱損耗是不可避免的能源浪費(fèi)。近1000℃ 的高溫?zé)煔庠诩崩渌?，降溫?50℃左右的冷卻過(guò)程中消耗大量熱量，這部分熱量可以通過(guò)煙氣熱回用裝置再進(jìn)行利用。排煙帶走的能量可以通過(guò)煙氣熱回用裝置利用余熱，但因排煙溫度很低，不具備回收價(jià)值。利用熱平衡公式對(duì)各部分系統(tǒng)中可回收利用能量進(jìn)行定量計(jì)算，再對(duì)比各部分能量回收的難易程度和成本，最后綜合考慮以上因素，可設(shè)計(jì)出熱脫附裝置節(jié)能降耗方案。本研究提出了在原有熱脫附裝備中加裝煙氣熱回用模塊和土壤預(yù)干燥模塊，通過(guò)循環(huán)管道將二燃室煙氣余熱高效輸送給土壤預(yù)干燥機(jī)作為干燥的熱源，降低回轉(zhuǎn)窯進(jìn)口土壤的含水量，從而降低回轉(zhuǎn)窯加熱過(guò)程中土壤水分升溫吸熱，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 分析方法

通過(guò)建立各個(gè)單元的輸入、輸出能量平衡關(guān)系式，計(jì)算系統(tǒng)中每個(gè)單元每個(gè)部分的能量，整合系統(tǒng)能耗，分析系統(tǒng)各模塊能耗占比。圖2是熱脫附系統(tǒng)熱平衡圖，計(jì)算時(shí)以20℃為基準(zhǔn)溫度。在加熱單元中，設(shè)定進(jìn)口土壤含水率、土壤溫度、出口土壤溫度。能量輸入端是回轉(zhuǎn)窯消耗天然氣熱值，能量輸出端是煙氣焓值、水蒸氣焓值、出口高溫土壤帶走的熱量。熱平衡方程如式(1)所示。

▲圖2 直接熱脫附熱平衡圖

3? 節(jié)能降耗工藝分析與方案的確定

3.1 現(xiàn)有工藝能耗分析

本研究以湘潭某典型土壤直接熱脫附工程為例，對(duì)熱脫附系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算。選取具有代表性的工況作為計(jì)算條件，其中土壤初始含水量為20%，過(guò)量空氣系數(shù)為1.2，系統(tǒng)漏風(fēng)率為10%，二燃室溫度為1000℃。加熱單元、旋風(fēng)除塵單元、二燃室均考慮散熱損失。由于土壤中不同污染物析出所需溫度不同，故分別計(jì)算了清潔土壤溫度為500℃和320℃的2種工況。根據(jù)式(1)和式(2)，對(duì)于現(xiàn)有工藝進(jìn)行了熱平衡計(jì)算，求出系統(tǒng)各部分能耗及所占比例，繪制直接熱脫附能量占比計(jì)算圖(如圖3和圖4所示)。在潔凈土壤加熱至500℃工況下，總能耗為3710MJ·t-1。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，能源輸入端加熱單元占比49%，二燃室占比51%，500℃潔凈土壤系統(tǒng)能耗占比9.0%，急冷室系統(tǒng)能耗占比54.5%，除塵排煙系統(tǒng)能耗占比24.2%。在潔凈土壤加熱至320℃工況下，總能耗為3273MJ·t-1。加熱單元占總能量輸入37%，二燃室占總能量輸入63%，320℃潔凈土壤系統(tǒng)能耗占比6.5%，急冷室系統(tǒng)能耗占比55.1%，除塵排煙系統(tǒng)能耗占比26.1%。

▲圖3 直接熱脫附能量占比(清潔土壤溫度500℃,能耗3710MJ·t-1)

▲圖4 直接熱脫附能量占比(清潔土壤溫度320℃,能耗3273MJ·t-1)

3.2 改進(jìn)方案及能耗分析

通過(guò)分析熱平衡計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，直接熱脫附裝置節(jié)能能耗空間較大。其中急冷室消耗整個(gè)系統(tǒng)55.1%的能量，是最主要的耗能單元，可將1000℃高溫?zé)煔饫鋮s到200℃，前后溫度差可達(dá)到800℃。將這部分熱量利用起來(lái)，可極大地改善直接熱脫附系統(tǒng)能源利用率，從而減小系統(tǒng)總能耗。

在原有熱脫附裝備中加裝煙氣熱回用模塊和土壤預(yù)干燥模塊，在二燃室末端加裝熱交換器，通過(guò)循環(huán)傳熱介質(zhì)將煙氣余熱傳送給土壤預(yù)干燥單元。通過(guò)換熱器將二燃室的末端煙氣溫度從1000℃降低到500℃左右，傳熱介質(zhì)通過(guò)循環(huán)管道將熱量輸送給土壤預(yù)干燥機(jī)作為干燥的熱源。將進(jìn)入加熱單元前的土壤加熱至100℃以上，使土壤中的水分蒸發(fā)。由于水的比熱容很大，故進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯加熱單元的土壤含水率下降就意味著土壤溫度上升所需的熱量大幅降低。干燥完成后的低溫?zé)崴倩氐剿畾鈸Q熱器冷端水進(jìn)口，通過(guò)循環(huán)管路實(shí)現(xiàn)了熱量由二燃室到預(yù)干燥機(jī)的高效轉(zhuǎn)移，保證了二燃室余熱的高效利用。為防止熱水過(guò)熱，在其輸送管路上安裝調(diào)溫?fù)Q熱器對(duì)熱水溫度進(jìn)行調(diào)控，冷卻水來(lái)自急冷塔的急冷水箱。循環(huán)管道中的熱水雖然是循環(huán)使用，但使用過(guò)程中由于管道密封不到位等問(wèn)題會(huì)造成循環(huán)水損耗，因此，需要在管路上加裝補(bǔ)充水箱，以保證循環(huán)管道的正常運(yùn)行。盤(pán)式連續(xù)干燥機(jī)和回轉(zhuǎn)窯干燥機(jī)都可以用于土壤預(yù)干燥，分別適用于不同工況。在使用盤(pán)式連續(xù)干燥機(jī)且換熱介質(zhì)為水的條件下，設(shè)計(jì)了如圖5所示的具有余熱利用模塊的直接熱脫附系統(tǒng)。圖6為加裝節(jié)能裝置后熱脫附能量平衡圖。計(jì)算條件為初始土壤含水量為20%，過(guò)量空氣系數(shù)為1.2，二燃室溫度為1000℃，清潔土壤溫度為320℃。計(jì)算結(jié)果表明，加裝節(jié)能降耗裝置后，系統(tǒng)能耗可從3273MJ·t-1降低到2610MJ·t-1，節(jié)能效率達(dá)到了20%。

▲圖5 加入節(jié)能降耗模塊后的直接熱脫附系統(tǒng)流程圖

▲圖6 加裝節(jié)能裝置后熱脫附能量占比圖(清潔土壤溫度320℃,能耗2610MJ·t-1)

3.3 節(jié)能降耗結(jié)果與分析

通過(guò)熱平衡計(jì)算，得出了不同含水率的土壤在不同出土溫度下的能耗結(jié)果。不同含水率能耗對(duì)預(yù)干燥節(jié)能效果的影響見(jiàn)圖7?？梢钥闯?，隨著土壤濕度從5%上升到25%，系統(tǒng)能耗上升了2.5倍左右，說(shuō)明土壤含水率對(duì)熱脫附加熱單元能耗影響很大。如圖8所示，土壤預(yù)干燥裝置將土壤水分從20%降低到15%時(shí)，降低了20%總能耗。土壤預(yù)干燥裝置將土壤水分從20%降到10%時(shí)，可降低熱脫附裝置總能耗35%~42%，節(jié)能效果非常顯著。二燃室后水氣換熱器余熱占比與預(yù)干燥所需能量的關(guān)系見(jiàn)圖9。可以看出，土壤預(yù)干燥熱效率為50%時(shí)，二燃室后煙氣余熱足夠用于減少10%左右的土壤水分。由于采用了熱水循環(huán)干燥方式，土壤干燥熱效率可提高至85%~90%(只有散熱損失)，煙氣余熱足夠用于減少17%左右的土壤水分。當(dāng)土壤處理速率為30t·h-1時(shí)，煙氣余熱遠(yuǎn)大于土壤進(jìn)行預(yù)干燥去除5%土壤水分所需的熱量。在熱源熱量足夠的情況下，需要考慮的問(wèn)題就集中在選擇合適的干燥機(jī)組將熱量高效、穩(wěn)定地傳遞給土壤以及選擇合適的傳熱介質(zhì)，安全、高效地完成煙氣熱回用裝置和土壤預(yù)干燥裝置間的循環(huán)熱傳導(dǎo)。對(duì)于連續(xù)處理土壤速率達(dá)到30t·h-1的直接熱脫附裝置而言，考慮到干燥機(jī)體積、成本、連續(xù)工作穩(wěn)定性，選擇將濕度20%的污染土壤去除5%水分的預(yù)干燥方案，可帶來(lái)20%左右的節(jié)能效果。

▲圖7 不同含水率對(duì)土壤能耗的影響

▲圖8 預(yù)干燥節(jié)能效果

3.4土壤預(yù)干燥模塊的選型

預(yù)干燥工序要求土壤處理量為30t·h-1，并且能使土壤含水量從20%降低到15%。目前，國(guó)內(nèi)干燥工藝成熟、種類(lèi)多樣，其中盤(pán)式連續(xù)干燥工藝和回轉(zhuǎn)窯干燥工藝由于其對(duì)土壤處理量大，水分脫除效率高，基本可滿(mǎn)足工況要求。

3.4.1盤(pán)式連續(xù)干燥機(jī)預(yù)干燥模塊盤(pán)式干燥機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的預(yù)干燥，且具有水蒸氣蒸發(fā)量大、設(shè)備集成度高、占地面積小、裝置簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)安裝要求低、能耗低、煙塵少的優(yōu)點(diǎn)。考慮到干燥機(jī)的運(yùn)輸難度和運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題，干燥設(shè)備的干燥面積不宜大于300m2，設(shè)備重量不宜超過(guò)50t，否則會(huì)增加運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝難度。在滿(mǎn)足干燥面積和設(shè)備重量的條件下，盤(pán)式干燥機(jī)處理速率約為15t·h-1。因此，當(dāng)土壤處理量較大時(shí)，至少需要2臺(tái)干燥設(shè)備同時(shí)進(jìn)行預(yù)干燥，設(shè)備投資較高。盤(pán)式干燥機(jī)對(duì)進(jìn)料的要求較為苛刻。盤(pán)式干燥機(jī)嚴(yán)格要求進(jìn)料粒徑控制在50mm以下。土壤粒徑較大時(shí)容易導(dǎo)致設(shè)備干燥能力下降，土塊在設(shè)備中堆積，最終堵塞設(shè)備。因此，采用盤(pán)式干燥機(jī)對(duì)土壤破碎篩分工藝要求較高。簡(jiǎn)言之，作為土壤預(yù)干燥設(shè)備，盤(pán)式干燥機(jī)適合土壤處理速率為15t·h-1左右、土壤粒徑小于50mm的工況。由于水-煙氣換熱器的換熱系數(shù)大，采用水作為換熱介質(zhì)可大幅度降低換熱器尺寸，便于實(shí)現(xiàn)裝置的模塊化和快速移動(dòng)。

3.4.2回轉(zhuǎn)窯干燥機(jī)預(yù)干燥模塊回轉(zhuǎn)窯干燥機(jī)加熱介質(zhì)在回轉(zhuǎn)窯中空的筒體內(nèi)對(duì)筒內(nèi)濕物料進(jìn)行熱傳導(dǎo)。物料進(jìn)入窯體，在揚(yáng)料板和筒體自身轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下，不斷被翻動(dòng)的同時(shí)向窯頭滾動(dòng)前進(jìn)。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)揚(yáng)料板將濕物料揚(yáng)起，不斷翻轉(zhuǎn)，從而增大濕物料與熱空氣的換熱面積，使水分更容易蒸發(fā)，干燥后的物料在窯尾排出?；剞D(zhuǎn)窯干燥機(jī)對(duì)物料的適應(yīng)性較強(qiáng)，但回轉(zhuǎn)窯沒(méi)有緊湊的換熱面，換熱介質(zhì)只能選擇傳熱效率低的空氣，故傳熱效率較低，導(dǎo)致物料的干燥時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。在干燥相同物料量時(shí)，設(shè)備體積相對(duì)龐大，不利于設(shè)備的模塊化運(yùn)輸與組裝。

4? 結(jié)論

1）土壤預(yù)干燥工序可降低污染土壤所含水分被加熱至 300℃以上所吸收的能量；煙氣熱回用裝置可回收部分高溫?zé)煔?，冷卻過(guò)程消耗熱量。2）利用煙氣熱回用裝置將二燃室高溫?zé)煔庥酂崮芰客ㄟ^(guò)循環(huán)傳熱管道輸送給土壤預(yù)干燥裝置，可達(dá)到余熱利用的效果，提高能源利用率。通過(guò)對(duì)比二燃室后水氣換熱器余熱能量與預(yù)干燥所需能量間關(guān)系，計(jì)算出在預(yù)干燥工序去除土壤水分17%以下時(shí)，煙氣余熱量足夠用于干燥土壤。與現(xiàn)有熱脫附工藝相比，加入改進(jìn)方案的熱脫附工藝的能耗水平顯著降低，節(jié)能效果達(dá)到20%。3）在2種預(yù)干燥裝置中，盤(pán)式干燥機(jī)傳熱效率高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)有設(shè)備堵塞風(fēng)險(xiǎn)，要求土壤的粒徑小于50mm，土壤處理量偏小?；剞D(zhuǎn)窯干燥機(jī)與盤(pán)式干燥機(jī)相比，干燥性能稍差，但其對(duì)土壤沒(méi)有太苛刻的要求，可作為盤(pán)式連續(xù)干燥方案的備選。