土壤異位間接熱脫附技術(shù)應(yīng)用研究與優(yōu)化策略分析＊

王 磊，姚佳斌，張海靜

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092；2.同濟大學，上海 200092）

0 引言

隨著我國城市經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在“退二進三”和“退城進園”的背景下，大批工業(yè)企業(yè)將由城市人口稠密區(qū)遷往郊區(qū)或工業(yè)園區(qū)。在搬遷后遺留場地中，有機污染場地占比為67.2%［1］，苯系物、石油烴［2-3］、多環(huán)芳烴［4］等典型有機污染物被高頻率檢出［5］，嚴重威脅居民健康和環(huán)境安全［6］。隨著《土壤污染防治行動計劃》和《土壤污染防治法》的頒布實施，我國土壤污染治理修復工作受重視程度日益提高［7］。異位熱脫附技術(shù)具有污染物去除率高、修復周期短等顯著優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于有機污染土壤的修復治理［8］。

異位熱處理技術(shù)起源于20 世紀30 年代，由固體廢物的高溫焚燒、熱裂解等技術(shù)演變而來，并于20 世紀80 年代起逐漸成熟，在歐美等發(fā)達國家土壤修復工程中已有較為廣泛的應(yīng)用。受經(jīng)濟發(fā)展水平的制約及國內(nèi)外污染場地特性的差異，國外成熟的熱脫附技術(shù)并不完全滿足我國污染場地修復的需要［9］。我國異位熱脫附技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)起步較晚［10］，近年來隨著應(yīng)用需求的增加，對于熱脫附技術(shù)的研究發(fā)展迅速，相關(guān)學者針對多種有機污染物，如多環(huán)芳烴［11］、六六六［12］、滴滴涕［12］、有機磷農(nóng)藥［13-14］、多氯聯(lián)苯［15-16］等污染土壤開展了實驗研究，然而相關(guān)研究主要集中于對熱脫附效率的關(guān)鍵影響因素［17-20］和尾氣處理技術(shù)［21-23］的探索，針對實際工程異位熱脫附設(shè)備的優(yōu)化研究相對較少。異位熱脫附設(shè)備的運行穩(wěn)定性、能效水平以及集成化程度是影響土壤實際處理能力、成本、工期的關(guān)鍵因素［9］。

因此，本研究通過河北、四川、安徽等12 個省份的異位熱脫附工程調(diào)研，基于實際工程運行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，分析異位間接熱脫附技術(shù)應(yīng)用特征，識別熱脫附設(shè)備運行瓶頸問題，并總結(jié)工程中所采用的優(yōu)化完善策略，以期為異位熱脫附技術(shù)工程應(yīng)用提供參考。

1 研究方法

針對河北、四川、安徽等12 個省份的16 個異位間接熱脫附工程進行調(diào)研，調(diào)研范圍如表1所示。調(diào)研內(nèi)容包括項目概況、污染物類型和含量、修復目標值、修復方量和工期、熱脫附工藝參數(shù)（溫度、停留時間等）、修復成本，以及設(shè)備運行狀況、改進措施等。調(diào)研方法以工程資料收集為主，結(jié)合人員訪談對所提供資料進行復核。調(diào)研范圍內(nèi)異位間接熱脫附工程概況如表2 所示。其中，本次調(diào)研所有的熱脫附工程修復后土壤均達到了修復目標值。

表1 異位間接熱脫附工程調(diào)研范圍Table 1 Research scope on the ex-situ indirect thermal desorption engineering

表2 調(diào)研范圍內(nèi)異位間接熱脫附工程概況Table 2 Overview of ex-situ indirect thermal desorption engineering within the research scope

2 結(jié)果與討論

2.1 異位熱脫附修復土壤污染特征

2.1.1 污染物類型

在調(diào)研的16 個案例中，異位熱脫附修復的目標污染物主要包括5 種類型，即苯系物、氯代烴、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥和石油烴。其中，目標污染物涉及多環(huán)芳烴和苯系物的案例較多，占比分別為37% 和27%，一方面可能由于多環(huán)芳烴主要來源于焦煤、石油等熱解和不完全燃燒，苯系物為常見化工原料，兩者來源較為廣泛；另一方面可能由于多環(huán)芳烴和苯系物均含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，采用化學氧化、生物降解等方式去除效果有限［24-26］，而采用熱脫附則可以實現(xiàn)較為徹底地去除。涉及氯代烴污染修復的案例占比為13%，污染物主要為1，2-二氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷、1，2-二氯丙烷、氯苯、六氯苯等。氯代烴由于密度比水大，一旦泄漏極易向下遷移，最終在弱透水層或者隔水層土壤中富集，多相抽提、化學氧化等技術(shù)對于滲透性較差的土壤修復效果有限，采用熱脫附修復的目標可達性更強。此外，農(nóng)藥污染場地一般具有生產(chǎn)歷史較長、多代污染疊加、污染組分復雜、異味問題突出等鮮明特點，通常優(yōu)先選擇熱脫附技術(shù)進行修復，本次調(diào)研有4 個農(nóng)藥污染地塊采用了異位熱脫附修復。異位熱脫附修復不同類型污染物占比如圖1 所示。

圖1 異位熱脫附修復不同類型污染物占比（n=16）Figure 1 Proportion of different types of pollutants in ex-situ thermal desorption remediation （n=16）

2.1.2 污染物含量

在調(diào)研案例中，污染土壤中目標污染物的最大超標倍數(shù)范圍為7.60～4 409.09。根據(jù)污染物含量可將污染程度分為輕度污染、中度污染和重度污染［27］。調(diào)研中熱脫附修復地塊均屬于重度污染地塊（超標污染物最大濃度大于修復目標值的5 倍以上），其中目標污染物最大超標倍數(shù)處于5～＜10、10～＜100、100 及以上的占比分別為14.29%、57.14%、28.57%。污染土壤經(jīng)異位熱脫附修復治理后，污染物含量均低于修復目標值，表明熱脫附修復重度有機污染土壤效果較佳。

2.2 異位間接熱脫附技術(shù)應(yīng)用特征

2.2.1 溫度

溫度是影響熱脫附過程的最主要因素，隨著溫度的升高，污染物脫附效率會顯著提高，但能耗也會相應(yīng)增加。熱脫附溫度主要取決于污染物類型，在本研究調(diào)研案例中污染物最高沸點范圍為202～536 ℃，熱脫附最高溫度范圍為350～750 ℃，86%的案例熱脫附溫度高于該工程污染物最高沸點，熱脫附最高溫度平均值比污染物最高沸點平均值高114 ℃，熱脫附溫度與污染物最高沸點的比值平均為1.32（表3）。部分案例由于調(diào)研時未獲得溫度參數(shù)，故表3 中實際統(tǒng)計樣本數(shù)量n為13。其中，四川某農(nóng)藥廠涉及苯、滴滴涕、敵敵畏等污染物，污染物最高沸點為260 ℃（滴滴涕），而熱脫附的溫度達到550 ℃，熱脫附的溫度比污染物最高沸點高出了290 ℃，其原因在于農(nóng)藥污染土壤異味較重，需要提高熱脫附溫度以徹底去除異味。此外，在實際工程中，同一項目若不同區(qū)域土壤污染物類型和沸點差異較大，可以將污染土壤分類熱脫附，低沸點污染物熱脫附溫度可相對較低，而高沸點污染物可采取較高的熱脫附溫度，以實現(xiàn)精準修復和節(jié)能降耗。

表3 調(diào)研案例污染物沸點與熱脫附溫度統(tǒng)計（n=13）Table 3 Statistics of boiling point and thermal desorption temperature of pollutants in research cases （n=13）

2.2.2 停留時間

污染土壤在熱脫附裝置中停留時間越長，污染物脫附越徹底，工程中主要根據(jù)土壤理化性質(zhì)、污染物種類及其脫附速率設(shè)置熱脫附時間，停留時間通常控制在15～120 min。本研究所調(diào)研案例中，熱脫附時間均未超過40 min，其中不超過30 min的占比為94%，不超過20 min 的占比為63%（圖2），表明大部分情況下熱脫附可實現(xiàn)土壤中污染物的快速去除。提高熱脫附溫度可加快污染物去除，而降低溫度則會延長脫附時間，采用較低溫度較長時間和較高溫度較短時間兩種策略，其能耗水平和污染物去除效果有待進一步論證。

圖2 調(diào)研案例熱脫附停留時間統(tǒng)計（n=12）Figure 2 Statistics of thermal desorption residence time in research cases（n=12）

2.2.3 處理規(guī)模

我國熱脫附技術(shù)歷經(jīng)數(shù)年的發(fā)展，處理規(guī)模已從中試規(guī)模發(fā)展到現(xiàn)今的大規(guī)模應(yīng)用，如廣州某退役化工廠項目工程規(guī)模約達1.2×105m3。本研究調(diào)研案例中，處理土壤方量≤0.5×104m3的項目占比僅為6%，處理土壤方量＞0.5×104m3的項目占比94%，其中土壤方量為1.0×104～1.0×105m3的項目占比達到58%，如圖3 所示。這可能是由于熱脫附修復設(shè)備及廢水、廢氣處理等配套設(shè)施進出場、建設(shè)和運行成本較高，規(guī)模太小會導致處理成本偏高，而處理方量較大時則可以產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)攤低成本。

圖3 調(diào)研案例熱脫附處理規(guī)模統(tǒng)計（n=16）Figure 3 Statistics of thermal desorption treatment scale in research cases（n=16）

在本研究調(diào)研范圍中，間接熱脫附設(shè)備單套設(shè)備處理能力為10～20 t/h，部分項目采用2～3 套設(shè)備以縮短工期。由于污染土壤在全國各地分布，設(shè)備需要經(jīng)常拆裝更換場地以實現(xiàn)反復利用，考慮安裝、運輸和拆卸要求，熱脫附窯體單體結(jié)構(gòu)尺寸一般不超過3 m×3 m×12 m，單套熱脫附窯體尺寸偏小限制了熱脫附處理能力。此外，根據(jù)間接熱傳導原理，高溫煙氣只能通過窯體殼體向污染土壤傳熱，異位熱脫附設(shè)備傳熱面積小，導致處理能力較小。

2.2.4 處理成本

調(diào)研范圍中共9 個項目對熱脫附修復成本進行了單獨核算，其熱脫附修復成本為734～1 400元/m3，成本超過1 000 元/m3的項目占比達到89%，平均值為1 210 元/m3。上述成本包含土壤熱脫附以及相關(guān)的廢水、廢氣處理費用，不包括土壤挖掘、運輸、破碎篩分、回填等費用。土壤熱脫附處理的成本主要由以下方面構(gòu)成：①設(shè)備租賃與折舊費，一般為180～540 元/m3，不同工程廢水、廢氣處理要求不同，配套的設(shè)備差異較大；②能源費用，包括柴油、天然氣等燃料成本以及設(shè)備電耗，一般為270～630 元/m3；③人工費用，一般為180～360 元/m3，與設(shè)備自動化程度有關(guān)；④設(shè)備安拆及運輸費用，每個項目費用一般為40～80萬元；⑤其他費用，包括廢水和廢氣處理所消耗藥劑、活性炭等材料費用，以及檢測費用等，這部分占比相對較少。需要說明的是，近年來隨著設(shè)備成熟度的提高，處理成本呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。

影響異位熱脫附成本的因素主要為：①目標污染物類型。污染物沸點越高，熱脫附所需溫度越高，停留時間越長，能耗越高；②修復目標值。修復目標值越低，處理要求越高，成本越高；③土壤理化性質(zhì)。如黏性土會增加污染物脫附難度，含水率過高會增加能耗；④處理規(guī)模。規(guī)模較大有利于攤低廢水、廢氣等二次污染處理設(shè)施建設(shè)運行成本；⑤設(shè)備運行效率。異位熱脫附設(shè)備運行穩(wěn)定性、能效水平等差異較大，部分設(shè)備故障率高，導致系統(tǒng)檢修、啟停頻繁，不僅影響了處理能力，還提高了處理成本。

2.3 設(shè)備問題識別與優(yōu)化策略

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，土壤修復企業(yè)及相關(guān)科研機構(gòu)通過合作、引進、自主研發(fā)等方式開展了一定程度的熱脫附技術(shù)設(shè)備應(yīng)用實踐，熱脫附設(shè)備的模塊化、集約化等方面都有了一定的創(chuàng)新和提升［28］。然而，熱脫附技術(shù)與設(shè)備在應(yīng)用過程中仍然存在以下兩方面問題：①熱脫附設(shè)備運行穩(wěn)定性差，制約土壤處理能力；②熱脫附系統(tǒng)能量利用效率低，影響土壤處理成本。

2.3.1 設(shè)備穩(wěn)定運行

污染場地待修復土壤少則數(shù)千噸，多則幾十萬噸，修復后的土地亟需再開發(fā)利用，對修復設(shè)備的處理能力提出了較高要求。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，部分工程由于設(shè)備運行穩(wěn)定性差，故障頻發(fā)，導致實際處理能力遠低于設(shè)計值，極大地影響了項目工期。造成熱脫附設(shè)備運行穩(wěn)定性差的原因主要包括以下4 個方面。

1）土壤黏性大影響設(shè)備運轉(zhuǎn)：土壤的黏性受含水率、粒徑分配、有機質(zhì)含量、陽離子交換量等因素影響［29-30］，當黏性較大時易出現(xiàn)堵料、搭橋、堆積、板結(jié)等現(xiàn)象，導致系統(tǒng)無法長時間連續(xù)運行，并降低輸送及處理設(shè)備有效容積。

2）土壤砂石含量高磨損設(shè)備：土壤中含有大量砂石顆粒，在機械作用下不斷翻轉(zhuǎn)跌落，磨損熱脫附爐體［31］，尤其在熱脫附爐體后半段，由于土壤水分蒸發(fā)，更多砂石顆粒暴露出來，爐體磨損相對加重。

3）高溫條件形變和腐蝕加劇：熱脫附爐體在高溫環(huán)境下受到各個方向的持續(xù)或間歇的復雜應(yīng)力，同時在土壤中溶液的作用下爐體會產(chǎn)生不同程度的化學腐蝕和電化學腐蝕［32-33］，加劇了材料的應(yīng)力-應(yīng)變復雜程度，導致設(shè)備故障率較高。

4）不同功能模塊無法充分銜接：熱脫附系統(tǒng)各模塊環(huán)環(huán)相扣、密切關(guān)聯(lián)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)大部分熱脫附核心設(shè)備為非標產(chǎn)品，不同功能模塊之間無法充分銜接，處理能力受薄弱環(huán)節(jié)制約嚴重。

異位熱脫附系統(tǒng)主要包括進料裝置、熱脫附裝置、出料裝置、尾氣處理裝置等功能模塊。針對各功能模塊易發(fā)生故障的部位進行原因剖析，并提出相應(yīng)的設(shè)備改進優(yōu)化策略，如表4 所示。

表4 熱脫附設(shè)備運行問題識別與優(yōu)化策略Table 4 Identification and optimization strategies for operating problems of thermal desorption equipment

2.3.2 系統(tǒng)能量利用

能源成本是熱脫附處理費用的主要組成部分，調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分工程異位間接熱脫附處理過程中能量利用效率較低，原因主要為以下3 個方面。

1）熱能轉(zhuǎn)化率低：燃燒器燃燒過程中未妥善控制空氣流量和燃氣、燃油或生物質(zhì)燃燒流量，空燃比不合理，燃料沒有充分燃燒，導致熱能轉(zhuǎn)化率低。

2）溫度控制精準度差：污染土壤在加熱過程中根據(jù)解吸出來的物質(zhì)不同可分為預熱階段、水分蒸發(fā)的干燥脫水階段和污染物脫附的高溫熱解吸階段，不同階段所需要的加熱溫度和加熱時間都有所不同；而傳統(tǒng)熱脫附設(shè)備以修復最大含水率和最高污染物濃度土壤來設(shè)定加熱參數(shù)，全程無差別加熱，造成能源損失。

3）余熱利用率低：間接熱脫附修復過程中排出的煙氣、尾氣和修復后土壤溫度都較高，蘊含大量熱量，而傳統(tǒng)設(shè)備幾乎未考慮上述能量的回收利用，造成余熱浪費。

本研究針對上述問題提出相應(yīng)優(yōu)化策略，如表5 所示。

表5 熱脫附系統(tǒng)能量利用問題優(yōu)化策略Table 5 Optimization strategies for energy utilization issues in thermal desorption systems

2.4 異位間接熱脫附技術(shù)的展望

單一使用熱脫附技術(shù)修復污染土壤整體能耗較高，而化學氧化技術(shù)具有成本較低、操作簡便、適用性強等特點，可彌補熱脫附技術(shù)的不足。因此，部分工程針對有機污染土壤采用熱脫附與化學氧化組合工藝進行修復，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物高效徹底去除。中輕度污染土壤通過化學氧化處理可以減少熱脫附處理量、降低整體修復成本，并避免化學氧化處理重度污染土壤時可能存在的氧化不徹底、藥劑投加量過多等問題。但在實際工程中，污染物種類復雜、濃度分布不均勻，如何科學界定熱脫附和化學氧化適宜處理的污染物類型和濃度范圍，以及在土壤開挖過程中如何對相應(yīng)污染土壤進行區(qū)分，仍需結(jié)合前期調(diào)查結(jié)果和小試、中試效果進行充分論證。

現(xiàn)階段，我國的土壤修復工程實踐很少關(guān)注到可能產(chǎn)生的碳排放，針對修復過程碳排放的追蹤、記錄和分析更是缺乏。調(diào)研范圍中異位間接熱脫附均采用燃氣加熱，碳排放主要集中于燃料燃燒和耗電。和麗萍等［34］針對云南某多環(huán)芳烴污染土壤熱脫附修復效率進行研究得出，處理單位土壤天然氣消耗量為45～48 m3/t，耗電量為34.1～40.8 kWh/t，碳排放系數(shù)取每立方米天然氣完全燃燒排放3.316 kgCO2，消耗1 kWh 電相當于排放0.96 kgCO2，則修復每噸土壤折合排放182～198 kgCO2。目前，土壤修復的綠色低碳措施在我國還停留在研究階段，針對熱脫附的綠色低碳措施包括：①精準刻畫污染范圍，分質(zhì)制定加熱方案；②充分掌握污染物理化性質(zhì)，合理確定加熱溫度；③提高熱量利用效率，充分進行余熱回用；④改變能源類型，使用可再生能源等［35］。

土壤異位熱脫附的核心在于設(shè)備。我國有較好的工業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)，近年來隨著熱脫附技術(shù)需求的增加，熱脫附設(shè)備開發(fā)發(fā)展迅速，一些原本從事干燥設(shè)備以及水泥窯窯體生產(chǎn)的廠家，也開始根據(jù)土壤修復的要求進行技術(shù)及工藝改造，生產(chǎn)滿足特定項目要求的熱脫附設(shè)備。早期異位間接熱脫附設(shè)備通常采用雙層撬裝的內(nèi)軸螺旋推進型式，而近年來回轉(zhuǎn)窯間接熱脫附設(shè)備應(yīng)用日益廣泛，其處理能力相對前者有所提升，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安拆便利等特點。

土壤間接熱脫附技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展方向如下：

1）加強土壤熱脫附過程傳熱傳質(zhì)機理研究。深入開展高溫條件下土壤固-液-氣界面行為、水分和污染物遷移規(guī)律以及關(guān)鍵影響參數(shù)研究，夯實異位間接熱脫附工藝設(shè)計與設(shè)備開發(fā)理論基礎(chǔ)，創(chuàng)新黏性土壤調(diào)理改良機制。

2）提升土壤熱脫附設(shè)備集成化與標準化水平。提高設(shè)備的模塊化程度，根據(jù)工藝需求靈活增減模塊，便于拆卸組裝，減少占地面積；集成自動控制、在線監(jiān)測等智慧系統(tǒng)并提升匹配性，動態(tài)優(yōu)化運行參數(shù)；結(jié)合工程實踐開展核心設(shè)備產(chǎn)品標準研編，提高設(shè)備的耐高溫、耐磨損、耐腐蝕性能，提升系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

3）提高土壤異位間接熱脫附能量利用效率。提升燃料燃燒效率，優(yōu)化熱脫附爐體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)精細控制、精準脫附；將間接熱脫附加熱煙氣的余熱用于土壤含水率調(diào)整、預熱等，充分回收利用熱量。

3 結(jié)論

1）調(diào)研范圍中異位熱脫附修復的污染物主要包括苯系物、氯代烴、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥和石油烴5種類型，污染物的最大超標倍數(shù)范圍為7.60～4 409.09，修復后含量均低于目標值，熱脫附修復難生化降解有機物、重度有機污染以及農(nóng)藥污染土壤的技術(shù)可達性較好。

2）調(diào)研范圍中熱脫附最高溫度范圍為350～750 ℃，熱脫附溫度比污染物最高沸點平均高114 ℃，熱脫附時間不超過30 min 的工程占比為94%，修復綜合成本為734～1 400 元/m3，平均值為1 210 元/m3。

3）熱脫附設(shè)備在工程應(yīng)用中存在設(shè)備運行穩(wěn)定性差、熱脫附系統(tǒng)能量利用效率低等問題，需進一步加強熱脫附過程傳熱傳質(zhì)機理研究，提升設(shè)備集成化與標準化水平，提高能量利用效率。