熱脫附修復有機污染土壤節能降耗研究進展

＊高衛國 鈕國耀 邢紹考

（1.上海寶發環科技術有限公司 上海 201999 2.寶武集團環境資源科技有限公司 上海 201999 3.上海大學環境與化學工程學院 上海 200444）

土壤污染嚴重，在現有的土壤修復技術中，熱脫附技術由于處理周期短、污染物去除率高、安全性高等優點被廣泛用于修復有機污染土壤[1-2]。熱脫附技術按照處理區域可分為原位熱脫附和異位熱脫附。對于污染物濃度高，污染面積小，修復目標低的污染場地，常采用原位熱脫附進行修復[3]，但修復周期往往很長，修復成本也較高[4-5]。工業企業搬遷后，對場地進行開發利用，需要在較短時間內完成修復，不適宜采用修復周期長的技術，異位熱脫附是這類場景下的常用技術[6-7]。

《“十四五”節能減排綜合工作方案》明確提出推進節能降耗和污染物深度治理的要求，針對熱脫附修復污染土壤能源消耗大的問題，亟需提出熱脫附節能降耗舉措[8-9]。現階段，熱脫附節能降耗的研究主要是以探究高溫煙氣余熱回收利用和土壤性質對能耗的影響兩方面內容為重點，通過降低加熱溫度，減少加熱時間，添加增效材料以降低能源消耗[10-11]。鋼鐵工業是我國重要的基礎行業，隨著產鋼量的增加，鋼鐵廢物的產量也大幅增加，鋼鐵廢物資源再利用是節能降耗的重要舉措[12]。鋼鐵廢物中含有Fe2O3、CaO、Ca(OH)2等大量具有增強熱脫附效果的成分，將鋼鐵廢物作為添加劑增強熱脫附具有良好的發展前景。現對熱脫附能源消耗和節能措施，以及鋼鐵廢物協同熱脫附應用趨勢進行分析和討論。

1.熱脫附工藝能耗分析和節能措施

熱脫附工藝段各裝置熱損失和管道輸送高溫煙氣過程中的熱損失不可避免且難以利用。熱脫附修復污染土壤完成后，修復后的潔凈土壤溫度較高，攜帶有大量熱能，這部分熱能可采用換熱器回收利用，但不具備經濟性[13]。

通常在熱脫附單元利用后的高溫煙氣未經利用直接排放，會造成大量的能源浪費[14-15]。在原位熱脫附中這部分燃燒后的高溫煙氣可通入另一批未開始運行的加熱井中預熱土壤，實現對余熱的再利用[3]。從土壤中脫離出的污染氣體進入抽提管，通過抽提管輸送至燃燒器中，燃燒分解污染物，減少尾氣處理成本[15]。

異位熱脫附按照加熱方式可分為直接接觸加熱和間接接觸加熱。直接接觸加熱使土壤升溫至目標溫度，將土壤中的污染物脫離出來與高溫煙氣混合排出，二燃室高溫燃燒去除其中的污染物[13]。高溫煙氣中攜帶有大量的熱能，可回用于預熱土壤或預干燥土壤。間接接觸加熱中高溫煙氣未與污染物混合，該部分尾氣量少，攜帶熱能少，不具備回收價值[16]。為減少煙氣熱能損失，高溫煙氣可通過兩種途徑回收利用，途徑一是采用煙氣回用裝置用于預熱土壤或預干燥土壤[13]；途徑二是將熱脫附單元出口高溫煙氣回輸至加熱單元，繼續加熱至目標溫度[16]。

2.土壤性質對能耗的影響和節能措施

土壤性質會對能耗產生重要影響。熱脫附修復初始含水率高的土壤會消耗一部分熱能用于水分蒸發[17]。黃海等[18]在熱脫附修復PAHs污染土壤中發現，修復后土壤攜帶和水分蒸發消耗的熱能占輸入熱能的60%以上。許優等[13]在熱脫附工藝段增設土壤預干燥裝置，發現土壤初始含水率從20%降低到15%時，熱脫附能耗降低了20%?？蓪ν寥肋M行預干燥，將土壤初始含水率降低到合適的水平節約熱脫附過程中的能源消耗。

不同類型的土壤會對熱脫附能源消耗產生不同的影響。Falciglia P P等[19]在熱脫附修復柴油污染土壤中發現，相比于細砂、黏土，粗砂由于傳熱受限，需要提高加熱溫度和增長加熱時間才能達到較高的去除效率。傅海輝等[20]在多溴聯苯醚污染土壤熱脫附實驗研究中發現，細顆粒由于粒間孔隙度小，需要延長加熱時間使污染物從土壤中脫離出來。根據土壤實際情況，可添加含鐵材料增加傳質傳熱，添加堿金屬緩解土壤團聚等措施對土壤進行預處理，減少加熱時間。

3.鋼鐵廢物資源再利用

隨著鋼鐵產量的增加[12]。鋼鐵廢物主要有鋼渣、脫硫灰和除塵灰等。目前，鋼鐵廢物資源再利用途徑主要有兩種，一種是作為建筑材料等使用，另一種是作為煉鋼溶劑等循環再利用[12]。鋼鐵廢物中FeO、Fe2O3等鐵氧化物具有良好的導熱系數，添加到土壤中能夠提高土壤的導熱性能，促進有機污染物的去除。在熱解重烴污染土壤過程中添加Fe2O3能夠降低反應所需要的活化能，顯著提高熱解效率[21]。

鋼鐵廢物主要成分，如表1所示。

鋼鐵廢物中含有的Fe2O3[21]、CaO[22-23]、Ca(OH)2[24]、CaCO3[2,25]等成分已被證實對熱脫附具有增強效果。Liu Y 等[21]提出添加Fe2O3催化熱解重烴污染土壤，結果表明：添加質量分數5% Fe2O3可使加熱溫度降低100℃以上。史志鵬[22]和邵志國等[23]以生石灰為添加劑在油基鉆屑熱脫附過程中發現，添加質量分數5%混合比例的生石灰協同作用最顯著，使熱脫附總能耗降低了20%。戴夢嘉[24]將Ca(OH)2作為添加劑強化修復重烴污染土壤，研究結果表明：停留時間為30min，相比于未添加Ca(OH)2，TPH去除率達到79.0%時，添加質量分數1%的Ca(OH)2使熱解溫度降低約50℃。Chen等[1]研究發現，在300℃加熱20min，添加10%的蛋殼，PAHs去除效率從91.7%提高到96.0%。

各類熱脫附增效材料主要通過如下途徑發揮作用：（1）添加劑均勻分散添加到土壤中可以提高土壤的導熱性能并降低反應所需要的活化能。（2）添加劑能夠對土壤進行調質，降低土壤的水分和粘結性，防止土壤團聚。（3）催化裂解作用。

鋼鐵廢物中含有少量MnO、V2O5、TiO2、ZnO等成分，這些成分在熱脫附完成后會有部分殘留到土壤中，對土壤產生不利影響。吳碧瑩等[26]在探究納米二氧化鈦對水稻的毒性研究中發現，二氧化鈦被水稻吸收后，會減少水稻對營養元素的吸收，從而抑制水稻生長并影響水稻品質。邢勝濤等[27]發現氧化錳對氯苯酚的吸附率隨著pH和離子強度的增大而減小，氧化錳在土壤中會吸附對氯苯酚，增大污染物的去除難度。為減小有毒雜質對熱脫附后潔凈土壤的影響，可通過吸附、提取等方式去除鋼鐵廢物中的有毒雜質，如利用鋼鐵企業中富余的資源如副產物煤氣作為熱源，采用火法等方法脫除鋼鐵廢物中的Pb，ZnO等雜質[28-29]，然而這類工藝也會提高鋼鐵廢物在熱脫附工藝中應用的成本，且效果有限。因此在運用鋼鐵廢物作為熱脫附增效材料是應當表征鋼鐵廢物的化學組成，采用重金屬等污染物質含量較小的鋼鐵廢物和控制鋼鐵廢物添加量，從源頭降低修復后土壤再利用的環境和人類健康風險。

4.結論

本文對熱脫附能耗進行分析，總結了相應的節能降耗措施，并對鋼鐵廢物協同熱脫附的優缺點進行討論。

（1）熱脫附工藝能耗嚴重，高溫煙氣余熱未充分利用，可通過三種方式節約能耗。首先，高溫煙氣余熱可通過煙氣回用裝置用于預干燥土壤。其次，高溫煙氣回輸至加熱單元，繼續加熱至目標溫度。最后，燃燒后的高溫煙氣可通入另一批未開始運行的加熱井中預熱土壤，實現對余熱的再利用。

（2）土壤中初始含水率過高，蒸發吸收熱能，增大熱脫附修復成本，可通過對土壤進行預處理，降低土壤初始含水率以節約能耗。對于不同類型的土壤可以通過粉碎研磨，添加含鐵材料增加傳質傳熱，添加堿金屬緩解土壤團聚等措施減少能源消耗。

（3）鋼鐵廢物含有大量具有增效成分，可將鋼鐵廢物作為添加劑增強熱脫附。在實際應用中，考慮將鋼鐵廢物與CaO等具有增效作用的添加劑復配，選擇合適的復配比例協同熱脫附，同時充分考慮鋼鐵廢物中雜質對熱脫附后土壤的影響。