有機污染土壤異位直接熱脫附裝置節(jié)能降耗方案

有機污染土壤異位直接熱脫附裝置節(jié)能降耗方案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)缺點等為基礎(chǔ)，建立了輸入、輸出能量平衡關(guān)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(jīng)循環(huán)管道輸送給土壤預(yù)干燥裝置，將有機污染土壤含水率降低，從而削減系統(tǒng)總能耗。結(jié)果表明：經(jīng)過熱力計算，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)干燥削減17%左右土壤水分的要求。通過土壤預(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(zhì)，會造成環(huán)境污染，危害人體健康，限制城市進展。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)勢而進展較快速。該技術(shù)早在30年前就開頭在發(fā)達國家應(yīng)用，但近年來才剛剛引入國內(nèi)。依據(jù)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(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)引入到國內(nèi)以來，相關(guān)專利逐年上升，并已在“十二五”“863”方案相關(guān)課題中得到應(yīng)用。異位熱脫附技術(shù)在我國的應(yīng)用已初具規(guī)模。土壤異位熱脫附技術(shù)進展至今，主要的研發(fā)方向是修復(fù)更多的污染物類型，以及不斷改進尾氣處理裝置，削減有害氣體排放。國外由于能源較為廉價，所以在節(jié)能降耗方面的討論很少，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討論也不夠，導(dǎo)致能耗較高。而我國自然?氣價格相比國外較高，亟需討論和提出直接熱脫附裝備節(jié)能降耗方案。針對該問題，本討論通過對熱脫附系統(tǒng)熱平衡進行計算，梳理了每部分設(shè)備的能耗狀況，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)能降耗裝置的選型供應(yīng)參考。1

熱脫附技術(shù)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(fù)。該技術(shù)裝置建筑成本和運行維護成本低，污染土壤處理力量可達5~100t·h-1，一般要求水分低于25%。直接熱脫附回轉(zhuǎn)窯熱脫附過程中產(chǎn)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(zhuǎn)窯中燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣通過熱輻射、熱傳導(dǎo)和對流換熱等方式向污染土壤傳遞熱量，將土壤加熱到肯定溫度，使其中的有機污染物解析分別，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(jīng)過破裂、篩分、調(diào)整含水率(拌石灰)、磁選等預(yù)處理過程，由傳送帶輸送至回轉(zhuǎn)窯加熱單元進行熱處理，其中的有機污染物經(jīng)加熱后從土壤中揮發(fā)和分別。高溫干凈土壤從回轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)有機污染物燃盡。急冷室將燃燒后的高溫尾氣溫度快速降低至200℃，以避開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標后最終排入大氣。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006487823.jpg”alt=“1.jpg”width=“523”height=“180”/▲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)有工藝中能源鋪張嚴峻，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℃以上所汲取的能量是不必要的，可通過土壤預(yù)干燥削減土壤含水量來削減這部分能耗。土壤熱脫附完成后，高溫干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。干凈土壤運輸困難大，溫度不夠高，因而不利于異地回收；而就地采納熱交換器利用余熱又不具備經(jīng)濟性。系統(tǒng)散熱損耗是不行避開的能源鋪張。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，最終綜合考慮以上因素，可設(shè)計出熱脫附裝置節(jié)能降耗方案。本討論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)干燥機作為干燥的熱源，降低回轉(zhuǎn)窯進口土壤的含水量，從而降低回轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(zhuǎn)窯消耗自然?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。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006490443.jpg”alt=“1.jpg”width=“688”height=“461”/<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006495415.jpg”alt=“1.jpg”width=“407”height=“114”/▲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)有工藝能耗分析本討論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(shù)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。依據(jù)式(1)和式(2)，對于現(xiàn)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)。在干凈土壤加熱至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℃干凈土壤系統(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%。在干凈土壤加熱至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℃干凈土壤系統(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%。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006498644.jpg”alt=“1.jpg”width=“422”height=“118”/▲圖3直接熱脫附能量占比(清潔土壤溫度500℃,能耗3710MJ·t-1)<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006497880.jpg”alt=“1.jpg”width=“418”height=“118”/▲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(jié)果可發(fā)覺，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(yù)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(zhì)將煙氣余熱傳送給土壤預(yù)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(zhì)通過循環(huán)管道將熱量輸送給土壤預(yù)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(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。干燥完成后的低溫熱水再回到水氣換熱器冷端水進口，通過循環(huán)管路實現(xiàn)了熱量由二燃室到預(yù)干燥機的高效轉(zhuǎn)移，保證了二燃室余熱的高效利用。為防止熱水過熱，在其輸送管路上安裝調(diào)溫換熱器對熱水溫度進行調(diào)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(zhuǎn)窯干燥機都可以用于土壤預(yù)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(zhì)為水的條件下，設(shè)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(shù)為1.2，二燃室溫度為1000℃，清潔土壤溫度為320℃。計算結(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)能效率達到了20%。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006491124.jpg”alt=“1.jpg”width=“578”height=“195”/▲圖5加入節(jié)能降耗模塊后的直接熱脫附系統(tǒng)流程圖<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006500821.jpg”alt=“1.jpg”width=“550”height=“339”/▲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(jié)果。不同含水率能耗對預(yù)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(yù)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(yù)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)能效果特別顯著。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)系見圖9?？梢钥闯觯寥李A(yù)干燥熱效率為50%時，二燃室后煙氣余熱足夠用于削減10%左右的土壤水分。由于采納了熱水循環(huán)干燥方式，土壤干燥熱效率可提高至85%~90%(只有散熱損失)，煙氣余熱足夠用于削減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(yù)干燥去除5%土壤水分所需的熱量。在熱源熱量足夠的狀況下，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(zhì)，平安、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(yù)干燥方案，可帶來20%左右的節(jié)能效果。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006507198.jpg”alt=“1.jpg”width=“298”height=“195”/▲圖7不同含水率對土壤能耗的影響<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009132006509773.jpg”alt=“1.jpg”width=“290”height=“212”/▲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，國內(nèi)干燥工藝成熟、種類多樣，其中盤式連續(xù)干燥工藝和回轉(zhuǎn)窯干燥工藝由于其對土壤處理量大，水分脫除效率高，基本可滿意工況要求。3.4.1盤式連續(xù)干燥機預(yù)干燥模塊盤式干燥機可實現(xiàn)對土壤的預(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、裝置簡潔、現(xiàn)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(shè)備的干燥面積不宜大于300m2，設(shè)備重量不宜超過50t，否則會增加運輸和現(xiàn)場安裝難度。在滿意干燥面積和設(shè)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(shè)備同時進行預(yù)干燥，設(shè)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掌握在50mm以下。土壤粒徑較大時簡單導(dǎo)致設(shè)備干燥力量下降，土塊在設(shè)備中積累，最終堵塞設(shè)備。因此，采納盤式干燥機對土壤破裂篩分工藝要求較高。簡言之，作為土壤預(yù)干燥設(shè)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(shù)大，采納水作為換熱介質(zhì)可大幅度降低換熱器尺寸，便于實