摘要

以異位直接熱脫附技術的原理、適用范圍、工藝流程、優(yōu)缺點等為基礎，建立了輸入、輸出能量平衡關系式并進行了熱平衡計算；針對該工藝能耗過高的問題，分析了系統(tǒng)各部分能耗，提出了節(jié)能降耗方案。通過煙氣熱回用裝置，將二燃室后高溫煙氣余熱能量經循環(huán)管道輸送給土壤預干燥裝置，將有機污染土壤含水率降低，從而減少系統(tǒng)總能耗。結果表明：經過熱力計算，土壤水分預干燥量越大，系統(tǒng)節(jié)能效果越好；煙氣余熱足夠用于土壤預干燥減少17%左右土壤水分的要求。通過土壤預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。

關鍵詞

土壤修復；異位熱脫附技術；余熱回用；熱平衡計算

隨著“退城進園”和“退二進三”政策的逐步落實，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污染物質，會造成環(huán)境污染，危害人體健康，限制城市發(fā)展。在現有各種污染土壤修復技術中，熱脫附技術由于其具有修復徹底、快速高效、不引入新的污染物等優(yōu)勢而發(fā)展較迅速。該技術早在30年前就開始在發(fā)達國家應用，但近年來才剛剛引入國內。根據對美國超級基金1246個項目進行的統(tǒng)計，在發(fā)達國家，污染土壤異位修復技術占比為48%。污染土壤熱脫附在異位修復技術中占比82%。從2009年異位熱脫附技術引入到國內以來，相關專利逐年上升，并已在“ 十二五”“863”計劃相關課題中得到應用。異位熱脫附技術在我國的應用已初具規(guī)模。土壤異位熱脫附技術發(fā)展至今，主要的研發(fā)方向是修復更多的污染物類型，以及不斷改進尾氣處理裝置，減少有害氣體排放。國外由于能源較為便宜，所以在節(jié)能降耗方面的研究很少，對于整個系統(tǒng)能耗的熱平衡和高溫煙氣余熱利用的裝置研究也不夠，導致能耗較高。而我國天然氣價格相比國外較高，亟需研究和提出直接熱脫附裝備節(jié)能降耗方案。針對該問題，本研究通過對熱脫附系統(tǒng)熱平衡進行計算，梳理了每部分設備的能耗情況，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? 熱脫附技術能耗分析

1.1 工藝簡介

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)模污染場地修復。該技術裝置建造成本和運行維護成本低，污染土壤處理能力可達5~100t·h-1，一般要求水分低于25%。直接熱脫附回轉窯熱脫附過程中產生的尾氣溫度高、流量大，處理要求相對較高。直接熱脫附回轉窯中燃燒產生的高溫煙氣通過熱輻射、熱傳導和對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行后處理。熱脫附過程一般分為2個階段：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。污染土壤經過破碎、篩分、調節(jié)含水率(拌石灰)、磁選等預處理過程，由傳送帶輸送至回轉窯加熱單元進行熱處理，其中的有機污染物經加熱后從土壤中揮發(fā)和分離。高溫潔凈土壤從回轉窯出口排出，含有機污染物的煙氣進入旋風除塵器。旋風除塵器的作用是去除煙氣中攜帶的粉塵，以保證管道設備正常運行。除塵后的煙氣進入二燃室，在近1000℃高溫下，停留2s以上。此過程可將煙氣中的絕大多數有機污染物燃盡。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。急冷室排出的尾氣經除塵裝置和洗氣裝置凈化達標后最終排入大氣。

▲圖1 典型直接熱脫附工藝流程

1.2能耗現狀及節(jié)能建議

現有工藝中能源浪費嚴重，故須針對系統(tǒng)各裝置能耗進行分析。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，可通過土壤預干燥減少土壤含水量來減少這部分能耗。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行回收利用，但實際回收難度大。潔凈土壤運輸困難大，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濟性。系統(tǒng)散熱損耗是不可避免的能源浪費。近1000℃ 的高溫煙氣在急冷塔中，降溫到250℃左右的冷卻過程中消耗大量熱量，這部分熱量可以通過煙氣熱回用裝置再進行利用。排煙帶走的能量可以通過煙氣熱回用裝置利用余熱，但因排煙溫度很低，不具備回收價值。利用熱平衡公式對各部分系統(tǒng)中可回收利用能量進行定量計算，再對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，可設計出熱脫附裝置節(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干燥模塊，通過循環(huán)管道將二燃室煙氣余熱高效輸送給土壤預干燥機作為干燥的熱源，降低回轉窯進口土壤的含水量，從而降低回轉窯加熱過程中土壤水分升溫吸熱，達到節(jié)能降耗的目的。

2 分析方法

通過建立各個單元的輸入、輸出能量平衡關系式，計算系統(tǒng)中每個單元每個部分的能量，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，計算時以20℃為基準溫度。在加熱單元中，設定進口土壤含水率、土壤溫度、出口土壤溫度。能量輸入端是回轉窯消耗天然氣熱值，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，對熱脫附系統(tǒng)進行熱平衡計算。選取具有代表性的工況作為計算條件，其中土壤初始含水量為20%，過量空氣系數為1.2，系統(tǒng)漏風率為10%，二燃室溫度為1000℃。加熱單元、旋風除塵單元、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，故分別計算了清潔土壤溫度為500℃和320℃的2種工況。根據式(1)和式(2)，對于現有工藝進行了熱平衡計算，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。對于整個系統(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 改進方案及能耗分析

通過分析熱平衡計算結果可發(fā)現，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系統(tǒng)55.1%的能量，是最主要的耗能單元，可將1000℃高溫煙氣冷卻到200℃，前后溫度差可達到800℃。將這部分熱量利用起來，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干燥模塊，在二燃室末端加裝熱交換器，通過循環(huán)傳熱介質將煙氣余熱傳送給土壤預干燥單元。通過換熱器將二燃室的末端煙氣溫度從1000℃降低到500℃左右，傳熱介質通過循環(huán)管道將熱量輸送給土壤預干燥機作為干燥的熱源。將進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，故進入回轉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。干燥完成后的低溫熱水再回到水氣換熱器冷端水進口，通過循環(huán)管路實現了熱量由二燃室到預干燥機的高效轉移，保證了二燃室余熱的高效利用。為防止熱水過熱，在其輸送管路上安裝調溫換熱器對熱水溫度進行調控，冷卻水來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，但使用過程中由于管道密封不到位等問題會造成循環(huán)水損耗，因此，需要在管路上加裝補充水箱，以保證循環(huán)管道的正常運行。盤式連續(xù)干燥機和回轉窯干燥機都可以用于土壤預干燥，分別適用于不同工況。在使用盤式連續(xù)干燥機且換熱介質為水的條件下，設計了如圖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。計算條件為初始土壤含水量為20%，過量空氣系數為1.2，二燃室溫度為1000℃，清潔土壤溫度為320℃。計算結果表明，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)能降耗結果與分析

通過熱平衡計算，得出了不同含水率的土壤在不同出土溫度下的能耗結果。不同含水率能耗對預干燥節(jié)能效果的影響見圖7。可以看出，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，說明土壤含水率對熱脫附加熱單元能耗影響很大。如圖8所示，土壤預干燥裝置將土壤水分從20%降低到15%時，降低了20%總能耗。土壤預干燥裝置將土壤水分從20%降到10%時，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干燥所需能量的關系見圖9。可以看出，土壤預干燥熱效率為50%時，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。當土壤處理速率為30t·h-1時，煙氣余熱遠大于土壤進行預干燥去除5%土壤水分所需的熱量。在熱源熱量足夠的情況下，需要考慮的問題就集中在選擇合適的干燥機組將熱量高效、穩(wěn)定地傳遞給土壤以及選擇合適的傳熱介質，安全、高效地完成煙氣熱回用裝置和土壤預干燥裝置間的循環(huán)熱傳導。對于連續(xù)處理土壤速率達到30t·h-1的直接熱脫附裝置而言，考慮到干燥機體積、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%水分的預干燥方案，可帶來20%左右的節(jié)能效果。

▲圖7 不同含水率對土壤能耗的影響

▲圖8 預干燥節(jié)能效果

3.4土壤預干燥模塊的選型

預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，國內干燥工藝成熟、種類多樣，其中盤式連續(xù)干燥工藝和回轉窯干燥工藝由于其對土壤處理量大，水分脫除效率高，基本可滿足工況要求。

3.4.1盤式連續(xù)干燥機預干燥模塊盤式干燥機可實現對土壤的預干燥，且具有水蒸氣蒸發(fā)量大、設備集成度高、占地面積小、裝置簡單、現場安裝要求低、能耗低、煙塵少的優(yōu)點?？紤]到干燥機的運輸難度和運行穩(wěn)定性問題，干燥設備的干燥面積不宜大于300m2，設備重量不宜超過50t，否則會增加運輸和現場安裝難度。在滿足干燥面積和設備重量的條件下，盤式干燥機處理速率約為15t·h-1。因此，當土壤處理量較大時，至少需要2臺干燥設備同時進行預干燥，設備投資較高。盤式干燥機對進料的要求較為苛刻。盤式干燥機嚴格要求進料粒徑控制在50mm以下。土壤粒徑較大時容易導致設備干燥能力下降，土塊在設備中堆積，最終堵塞設備。因此，采用盤式干燥機對土壤破碎篩分工藝要求較高。簡言之，作為土壤預干燥設備，盤式干燥機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大，采用水作為換熱介質可大幅度降低換熱器尺寸，便于實現裝置的模塊化和快速移動。

3.4.2回轉窯干燥機預干燥模塊回轉窯干燥機加熱介質在回轉窯中空的筒體內對筒內濕物料進行熱傳導。物料進入窯體，在揚料板和筒體自身轉動的作用下，不斷被翻動的同時向窯頭滾動前進?；剞D窯內揚料板將濕物料揚起，不斷翻轉，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窯干燥機對物料的適應性較強，但回轉窯沒有緊湊的換熱面，換熱介質只能選擇傳熱效率低的空氣，故傳熱效率較低，導致物料的干燥時間相對較長。在干燥相同物料量時，設備體積相對龐大，不利于設備的模塊化運輸與組裝。

4? 結論

1）土壤預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煙氣，冷卻過程消耗熱量。2）利用煙氣熱回用裝置將二燃室高溫煙氣余熱能量通過循環(huán)傳熱管道輸送給土壤預干燥裝置，可達到余熱利用的效果，提高能源利用率。通過對比二燃室后水氣換熱器余熱能量與預干燥所需能量間關系，計算出在預干燥工序去除土壤水分17%以下時，煙氣余熱量足夠用于干燥土壤。與現有熱脫附工藝相比，加入改進方案的熱脫附工藝的能耗水平顯著降低，節(jié)能效果達到20%。3）在2種預干燥裝置中，盤式干燥機傳熱效率高，但其結構復雜，長時間連續(xù)工作時有設備堵塞風險，要求土壤的粒徑小于50mm，土壤處理量偏小?；剞D窯干燥機與盤式干燥機相比，干燥性能稍差，但其對土壤沒有太苛刻的要求，可作為盤式連續(xù)干燥方案的備選。