污染場地熱脫附技術的綠色低碳評價與措施研究*

姜文超

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司污染場地修復技術研究中心,上海 200092)

隨著可持續(xù)發(fā)展理念日益深入人心,環(huán)境修復產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展與變革的加速時期[1]。在土壤污染治理過程中,人們越來越多地關注到修復技術在實施過程中會不同程度地消耗能源和資源[2]、使用化學或生物藥劑[3]、產(chǎn)生廢棄物和噪聲等[4],這些環(huán)境足跡將在修復過程中產(chǎn)生次生環(huán)境影響[5-6]。

場地綠色修復是指節(jié)約能源、提高修復效率、實施二次污染控制并減少環(huán)境足跡的環(huán)境友好型修復過程[7]。國外的場地綠色修復框架較為完善,可供參考借鑒的技術導則較多。美國環(huán)境保護署的《綠色清潔的標準指南》指出,場地綠色修復過程中應重點關注材料和固廢、能源消耗和再生、環(huán)境空氣、水資源以及土地和生態(tài)系統(tǒng)五大核心元素,并量化了21個評價指標。美國環(huán)境保護署同時也針對不同的修復技術總結出了“最佳管理措施(BMPs)”[8]。我國目前主要開展場地綠色可持續(xù)修復的評價技術和方法研究[9-10]。場地綠色可持續(xù)修復評價主要是對經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展進行評價。與場地綠色可持續(xù)修復評價相比,場地綠色修復評價更加關注修復行為本身,所涵蓋指標的專業(yè)性和客觀性更強。目前國內(nèi)還沒形成一套切實可行的場地綠色修復評價方法。近期,在“雙碳”目標背景下,場地綠色修復評價還需加入低碳的理念[11]。

熱脫附技術因其適用污染物范圍廣、對污染土壤處理效率高等特點,已成為我國必不可少的場地修復技術之一,但存在高能耗、高碳排放的問題[12]。因此,本研究在現(xiàn)有熱脫附工程數(shù)據(jù)相對缺乏的情況下對熱脫附技術中土壤開挖、加熱、抽提及尾氣處理能耗、碳排放等指標進行分析,并提出綠色低碳評價方法與措施,為熱脫附技術的綠色低碳升級改造提供參考。

1 熱脫附技術概述

熱脫附技術是加熱土壤中污染物使其蒸發(fā)成氣態(tài)并從土壤中分離出去再進行尾氣處理的一種土壤修復技術。土壤中污染物受熱后主要發(fā)生相變、擴散遷移等物理過程,同時可能伴隨著不同程度的氧化、裂解等化學反應[13]。熱脫附技術一般依據(jù)處置方式和加熱溫度進行分類(見圖1)。

圖1 熱脫附技術分類Fig.1 Classification of thermal desorption technologies

根據(jù)處置方式不同,熱脫附技術可分為原位熱脫附和異位熱脫附。原位熱脫附無需開挖土壤,通過加熱井中的熱源加熱土壤,其工藝主要由土壤開挖單元、加熱單元、抽提單元和尾氣處理單元組成。熱源可采用燃氣(燃氣熱傳導脫附)、電能(電熱傳導脫附和電阻加熱脫附)及高溫蒸汽(蒸汽熱傳導脫附)等[14]。燃氣熱傳導脫附是最為常見的原位熱脫附技術,其加熱井外接燃燒控制器,通過高溫氣體加熱井壁并將熱量傳遞給土壤。電熱傳導脫附則把電加熱棒置于加熱井中對土壤進行加熱。電阻加熱脫附用電極井在土壤和地下水之間形成電回路,將電能轉化為熱能進行升溫[15]。蒸汽熱傳導脫附則是將蒸汽通過注入井與土壤接觸來進行熱量傳遞。抽提單元的作用是通過引風機將蒸汽和汽化的污染物抽入尾氣處理單元中,多采用豎向的抽提井。尾氣處理單元則通常通過冷凝、氣液分離、吸附或燃燒等處理環(huán)節(jié)完成氣相有機污染物的深度凈化和達標排放。異位熱脫附通常將污染土壤開挖和預處理后,在加熱爐膛內(nèi)高溫處理,其工藝與原位熱脫附基本相同。異位熱脫附根據(jù)熱源是否與污染土壤直接接觸,可分為直接熱脫附和間接熱脫附。直接熱脫附加熱溫度高所以效率也高,但尾氣產(chǎn)生量較大,適用于進料中污染物含量較低的情形,一般污染物質量分數(shù)要小于4%;間接熱脫附加熱溫度和效率低于直接熱脫附,相應的尾氣產(chǎn)生量也小,特別適用于具有回收利用價值的有機物從土壤中脫附。

熱脫附技術可處理絕大多數(shù)揮發(fā)性有機物(VOCs)和半揮發(fā)性有機物(SVOCs)[16]。根據(jù)加熱溫度的不同,熱脫附技術又可分為中高溫熱脫附技術和低溫熱脫附技術。對于苯系物、氯代烴等低沸點的VOCs污染土壤,可以采用低溫熱脫附技術,加熱溫度一般小于315 ℃;對于多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴和長鏈石油烴等高沸點的SVOCs污染土壤,應采用中高溫熱脫附技術,加熱溫度一般大于315 ℃。

2 熱脫附技術能耗與碳排放分析

2.1 原位熱脫附技術能耗分析

2.1.1 燃氣熱傳導脫附

燃氣熱傳導的能量傳遞主要分為燃料燃燒向空氣傳熱以及高溫氣體向土壤傳遞兩個過程。在理想狀態(tài)下燃料完全燃燒的能量轉換效率較高,但燃氣熱傳導的實際能量利用率僅為30%～60%,這主要是煙氣溫度較高(200～400 ℃),帶走余熱,而且煙氣在加熱土壤的過程中常常加熱不均勻,由于煙氣自加熱井由下往上傳遞,所以深層土壤的溫度通常遠高于淺層土壤。為使淺層土壤溫度達標,常需加大輸入能量,導致深層土壤溫度過高,能耗進一步加大。

2.1.2 電熱傳導脫附

理想化的電熱傳導可較靈活地調節(jié)加熱井不同深度的溫度,實現(xiàn)定深定溫加熱,從而節(jié)約能耗。但電熱傳導作為高溫原位熱脫附技術在實際工程中應用較少,暫無成熟的案例參考,已知目前電熱脫附的電費投入占總生產(chǎn)投入的50%左右[17]177。

2.1.3 電阻加熱脫附

電阻加熱脫附是一種能耗較低的原位熱脫附技術,這主要是因為該技術受土壤水分及土壤空隙結構限制,升溫能力有限,最高大約只有120 ℃,這也決定了它不適用于高沸點污染物的去除[18]。電阻加熱脫附以三相電或六相電的形式進行供能,并進行電相變換以防止加熱不均。一般而言,土壤結構簡單、水分不足的低滲透區(qū)域以及電極周邊區(qū)域的熱損失較大。影響電阻加熱綜合能耗的主要參數(shù)有電場強度、土壤水分、鹽度及電導率等。

2.1.4 蒸汽熱傳導脫附

蒸汽熱傳導脫附屬于熱強化抽提技術的一種,其溫度上限取決于蒸汽的溫度,一般不超過170 ℃,屬于低溫熱脫附。蒸汽熱傳導脫附的能耗主要發(fā)生在蒸汽發(fā)生和抽提過程中,但因為向目標加熱區(qū)域注入了大量的蒸汽,后續(xù)的抽提能耗遠大于其他原位熱脫附技術。在國外有關工程案例中,修復1 m3污染土壤需要消耗約1 t蒸汽,其中抽提單元占20%[19]。

2.2 異位熱脫附技術能耗分析

2.2.1 直接熱脫附

直接熱脫附多采用回轉窯設備。高溫煙氣由燃氣燃燒產(chǎn)生,每小時每噸土的平均燃氣消耗量為40～80 m3。污染土壤與熱源(煙氣或火焰)直接接觸,傳熱效率高,但土壤吸熱占比在10%以下,能源有效利用率很低。此外,直接熱脫附產(chǎn)生的尾氣量大,溫度高,處理尾氣時需采用二燃室在1 000 ℃下進一步凈化可能形成的二噁英及其他污染物,因此二燃室的能量輸入占比甚至高于加熱單元[20]2077。一般而言,影響直接熱脫附能耗的主要參數(shù)包括土壤含水率、土壤加熱溫度和停留時間等。目前針對直接熱脫附能耗過高問題,可以采用的節(jié)能方案有添加二燃室煙氣熱回用模塊和土壤預干燥模塊等[20]2078。

2.2.2 間接熱脫附

現(xiàn)有成套間接熱脫附設備多為螺旋推進爐,高溫煙氣在內(nèi)外管之間通過間接加熱的方式加熱內(nèi)管的土壤,每小時每噸土的平均燃氣消耗量為30～60 m3,換熱效率很低,總能量利用率不到25%。不過,間接熱脫附的尾氣量較少,通常無需二燃室,也無需二次能量輸入,相比直接熱脫附,尾氣處理的能耗低很多。影響間接熱脫附能耗和利用率的最主要因素是傳熱過程中的換熱面積、傳熱方式和裝置結構等[21]。

2.3 熱脫附技術碳排放分析

我國土壤修復的二氧化碳排放主要集中在建設用地修復過程中。目前,我國建設用地土壤修復市場快速增長。有預測數(shù)據(jù)顯示,我國土壤修復行業(yè)碳排放總量將隨著建設用地土壤修復市場規(guī)模的擴大而擴大,2030年二氧化碳排放量將達到11.3萬t[22]6。因此,熱脫附技術還將大量使用,分析其二氧化碳排放十分必要。目前,國外的場地綠色修復實踐的碳排放數(shù)據(jù)較多[23-25],而國內(nèi)相關數(shù)據(jù)較少。不同熱脫附技術的各工藝單元二氧化碳排放量占比如圖2所示。

圖2 不同熱脫附技術各工藝單元二氧化碳排放量占比Fig.2 Proportion of carbon dioxide emissions in each process unit for different thermal desorption technologies

2.3.1 原位熱脫附技術碳排放

目前,國內(nèi)有三四十個原位熱脫附案例[26],絕大多數(shù)原位熱脫附工程采用燃氣加熱方式。若以每立方米污染土壤平均消耗45 m3天然氣來計算,排放相關系數(shù)取每立方米天然氣完全燃燒產(chǎn)生3.316 kg二氧化碳[27],那么以燃氣加熱方式為主的原位熱脫附技術每立方米污染土壤的二氧化碳排放量約為150 kg。在成本允許的情況下,應盡量選擇高熱值低排放的燃料。此外,尾氣中不凝組分若采用二次燃燒凈化,有機污染物燃燒將產(chǎn)生更多碳排放,目前缺乏數(shù)據(jù)資料進行量化,但可以肯定的是,每立方米土壤二氧化碳排放量將大于150 kg。

采用電加熱技術時,每使用1 kW·h電相當于排放0.96 kg二氧化碳。現(xiàn)階段,使用電熱傳導加熱方式的每立方米污染土壤綜合能耗為200～400 kW·h,即可產(chǎn)生192～384 kg二氧化碳。華東某多環(huán)芳烴污染場地采用電熱傳導熱脫附修復污染土壤約3萬m3,工期為250 d,加熱井的總功率為6 240 kW[17]175,如按每天加熱8 h計算,連續(xù)250 d滿負荷工作,將使用1 248萬kW·h電,折合成每立方米污染土壤所產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為399 kg。不同于電熱傳導,電阻加熱溫度一般不超過100 ℃,且加熱周期只有電熱傳導的1/4,因此通常其單位體積污染土壤的能耗和二氧化碳排放低于電熱傳導技術,折算后二氧化碳排放量約為46～92 kg。在美國,電阻加熱在原位熱脫附工程中占比超過50%,而我國僅在江蘇和廣東等地開展了工程規(guī)模的電阻加熱脫附應用。

在蒸汽熱傳導技術中,蒸汽鍋爐可采用燃料或電能作為能源。美國某空軍基地用燃料產(chǎn)生熱蒸汽,處理污染土壤25.9萬m3[28],基于場地概念模型文件和設計文件分別計算得到二氧化碳排放量為4.8萬、6.1萬t,折算成每立方米污染土壤的二氧化碳排放量約為185.0、235.5 kg,其中燃料燃燒的碳排放占比分別為84%、77%。相比之下,蒸發(fā)量為1 t/h的電加熱蒸汽鍋爐功率若為720 kW,每立方米污染土壤消耗0.92 t水,折算出的每立方米污染土壤將排放二氧化碳約313 kg,高于使用燃料的蒸汽鍋爐。蒸汽熱傳導脫附因直接往地下注入蒸汽,所以抽提量明顯大于其他原位熱脫附技術,其抽提功率約為其他原位熱脫附技術的3倍。在美國某空軍基地案例中,抽提單元每立方米污染土壤的二氧化碳排放量約占13%～19%。

2.3.2 異位熱脫附技術碳排放

華東某地的間接熱脫附工程[29]共處理污染土壤26 250 m3,尾氣采用吸附冷凝法,整個工程用電量約為115.2萬 kW·h,同時消耗燃氣99.7萬m3,折算出每立方米污染土壤將排放二氧化碳168 kg。把土壤開挖排放的二氧化碳也考慮進去,其綜合排放量預計大于200 kg。

直接熱脫附技術尾氣處理需多設二燃室,因此其碳排放量大于間接熱脫附技術。有研究表明,與直接熱脫附類似的水泥窯噸土二氧化碳排放量為230～460 kg[22]5,考慮到直接熱脫附的溫度低于水泥窯,因此其噸土二氧化碳排放量會低一些。

現(xiàn)階段,我國的土壤修復工程實踐很少關注到可能產(chǎn)生的碳排放,更不必說對這些修復行為進行持續(xù)追蹤、記錄和分析。無法獲取這些修復工程的碳排放詳細數(shù)據(jù)資料,導致土壤修復技術碳排放分析還不深入。基于環(huán)境保護目標和綠色修復理念,應該逐步建立健全污染場地碳排放量追蹤記錄制度。

3 熱脫附技術綠色低碳評價方法與措施

熱脫附技術應遵循場地綠色修復的理念,避免能源和資源浪費[30]。綠色低碳評價同時還注重場地綠色修復過程中降低二氧化碳排放量的行為和措施。開展熱脫附技術綠色低碳評價方法和措施研究要在建立健全評價指標體系和量化方法的前提下,基于不同熱脫附技術特點有針對性地找到改善工程建設、運行、維護、驗收階段的工程管理措施。

3.1 熱脫附技術綠色低碳評價方法

綠色低碳評價主要分析與考核“能源使用效率提高程度”和“二氧化碳排放減量程度”兩大指標,使用科學、系統(tǒng)的方法定量評價。

首先,基于場地概念模型文件和設計文件等資料完整梳理出涉及產(chǎn)生環(huán)境足跡的所有環(huán)節(jié)。對于原位熱脫附工程而言,涉及產(chǎn)生環(huán)境足跡的環(huán)節(jié)包含場地建設(阻隔及降水工程、大臨建設)、井群建設(注入井、抽提井、管路連接以及監(jiān)制設備安裝)、運行維護(電力、天然氣、燃油、可再生能源、抽提后可利用有機物、水、蒸汽)、尾氣處理(廢水凈化處理、固廢處置、顆粒活性炭再生)、交通運輸(物料、設備和人力)和實驗室試驗等。異位熱脫附工程的環(huán)境足跡與原位熱脫附工程基本類似,不同之處在于它不含井群建設,但增加場地建設的土壤開挖、轉運等。

其次,基于梳理出的涉及產(chǎn)生環(huán)境足跡的環(huán)節(jié)搜集量化的基礎數(shù)據(jù)以進行具體環(huán)境足跡分析。這些基礎數(shù)據(jù)主要包括燃料消耗量、電能使用量、材料使用量、材料和設備運輸距離、廢棄物處置量等。這些數(shù)據(jù)可以從建設單位和施工單位獲取。在美國,修復工程師可將獲取的基礎數(shù)據(jù)輸入到環(huán)境足跡分析電子表格(SEFA)[31],得到具體的環(huán)境足跡數(shù)據(jù),這其中就包括了能源消耗量和二氧化碳排放量,并能夠分析出不同環(huán)節(jié)的占比,從而進行量化評價。

最后,綠色低碳評價報告應包含各環(huán)節(jié)能源消耗和二氧化碳排放的計算過程和結果,分析并歸納已采用的綠色低碳措施效果,并推薦可進一步節(jié)能減排的有效措施。大量案例表明,熱脫附工程能源消耗量與二氧化碳排放量呈現(xiàn)出正相關關系,在運維過程中電能以及燃氣等的使用對兩大指標的貢獻均在80%以上。

3.2 熱脫附技術綠色低碳措施

現(xiàn)階段,土壤修復的綠色低碳措施在我國還停留在研究階段,其推廣和應用程度遠遠不夠,甚至不能成為修復工程設計的影響因素之一。但可以相信,在未來土壤修復中綠色低碳措施的運用會成為評價修復技術先進性和可靠性的重要因素。下面針對熱脫附技術的綠色低碳推薦措施進行總結。

3.2.1 工藝設計階段

(1) 充分掌握污染物理化性質,確定合適的加熱溫度范圍。找到加熱溫度的下限有助于最大限度地降低能耗和節(jié)約成本。污染物在升溫過程中蒸氣壓及溶解度增加,共沸機制的存在使得污染物無需達到沸點即可發(fā)生脫附[32]。

(2) 精準刻畫污染范圍,分區(qū)制定加熱方案。場地污染存在不均質性,不同區(qū)域的污染類型、濃度和深度存在差異,應分區(qū)確定合適的加熱溫度、加熱深度和加熱時間。

(3) 優(yōu)化加熱方式,充分進行余熱回用。合理布設加熱點位并更高效、更短距離地布設加熱管路;當溫度突破100 ℃后為預防場地升溫過快[33],應降低燃氣供應量、電功率、蒸汽量等;充分利用已建設的井,如停用的加熱井可考慮改為抽提井和監(jiān)測井;使用熱交換設備收集尾氣的部分熱量,回用于場地邊界保溫以及場地和燃料預熱。

(4) 尾氣處理優(yōu)先采用回收技術,減少燃燒處理,開發(fā)新型凈化技術[34]。在達標排放的前提下,采用冷凝技術回收有機物,采用吸附法處理不凝氣體,減少非必要的尾氣燃燒;使用效率高且無二次污染的低溫等離子體等新型技術。

(5) 改變能源類型,提高可再生能源使用占比。推廣使用原位電熱傳導脫附技術,減少燃料使用,條件允許時使用電加熱蒸汽鍋爐;優(yōu)先使用液化或壓縮天然氣等清潔能源,減少使用石油氣,避免使用重油等能源作為燃料;條件許可時,可充分利用修復工程現(xiàn)場的廣域面積,建設風能發(fā)電和太陽能發(fā)電裝置,產(chǎn)生的電能可供給部分設備使用[35]。

(6) 探索組合修復技術,開展多途徑耦合聯(lián)用[36]。例如,熱脫附耦合化學氧化技術可先通過異位熱脫附把污染物由高濃度降到低濃度,再在螺旋出料裝置中加入氧化藥劑,利用化學氧化技術將污染物降解;熱脫附耦合原位化學氧化技術先將污染區(qū)域進行燃氣熱傳導脫附,將污染物降低到較低濃度后停止加熱,向加熱井內(nèi)注入氧化藥劑并利用余熱的催化作用發(fā)揮氧化藥劑最大的活性,實現(xiàn)污染物徹底氧化降解。此外還可耦合微生物修復等技術,有效降低高溫熱脫附的能耗,同時防范修復后期出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象。

3.2.2 施工及運行階段

(1) 進行充分的阻隔和降水。原位熱脫附技術應在修復邊界實施阻隔工程并在場地內(nèi)進行降水工程,有效阻止地下水回水,提高土壤升溫效率。在地下水豐富的地區(qū)通過減少場地回水,可節(jié)省加熱土壤所需的天然氣。在我國柳州某原位電阻加熱脫附工程場地實施邊界阻隔,有效阻止了地下水流入熱脫附加熱區(qū)域,實現(xiàn)了每日約314 m3的天然氣節(jié)約量及592 kg二氧化碳的減排量。

(2) 嚴格做好邊界保溫,防止高溫氣體逃逸。原位熱脫附技術的熱量損失尤為嚴重,應優(yōu)先使用高密度聚乙烯(HDPE)膜來保持地面的密閉;應使用合適的材料保持邊界的隔熱性能,避免不需要修復的區(qū)域升溫;應維持抽提單元在負壓狀態(tài)運行,減少熱量外逸。

(3) 處理后的水進行循環(huán)使用。抽提廢氣中的冷凝水經(jīng)處理后可進行重復利用,包括將其回灌到場地的含水層或用于制造蒸汽。

(4) 使用可再生材料或減少材料的使用。如尾氣處理中應使用可再生的顆粒活性炭濾料;堿洗液、氧化劑、絮凝劑的使用應控制在能達到目的的最小使用量。

(5) 使用異位熱脫附技術時,污染土壤應進行預干化和預氧化處理。預干化處理可大幅度縮短污染土壤在加熱爐膛內(nèi)的停留時間,降低能量的輸入量及冷凝水的處理量;預氧化處理可實現(xiàn)部分高沸點有機污染物的氧化降解,抑或改變高沸點有機污染物與土壤的結合方式,有效降低熱脫附所需的溫度,提高熱脫附效率[37]。

(6) 完善監(jiān)測系統(tǒng),降低設備的運行功率及運行時長。通過對場地溫度、抽提流量等參數(shù)的監(jiān)控,及時調整加熱井或抽提井的工作狀態(tài)。例如,某區(qū)域加熱過快或已達到目標溫度,則可調整能量輸入至保溫水平。借助監(jiān)測系統(tǒng)可靈活操作,從而節(jié)約修復工程的能耗。

4 總 結

“雙碳”目標背景下土壤修復技術將朝著綠色低碳方向發(fā)展,熱脫附技術面臨節(jié)能降碳雙重壓力。當前我國場地污染修復技術缺乏綠色低碳評價方法和措施。熱脫附技術在我國污染場地修復中已經(jīng)有了長足的發(fā)展,但能耗和二氧化碳排放仍處于高位。本研究對不同類型熱脫附技術各環(huán)節(jié)的能耗和二氧化碳排放量進行了分析,初步建立了量化評價熱脫附技術能耗與碳排放的指標和步驟,總結出了12條熱脫附技術的綠色低碳措施。