油制氣廠污染土壤電加熱修復研究

摘要：目前，國內污染土壤熱脫附修復的能量來源主要為化石燃料，而電能作為能源在國內鮮見報道。電能用作熱脫附修復的能源，相比化石燃料，具有可控、清潔和可再生的優點。為了驗證電能用作熱脫附修復能量來源的可行性，明確其加熱規律，試驗從廣州市某油制氣廠有機污染場地采集污染土壤樣品，在室內探究不同熱源排列方式與加熱方式對修復效果的影響，并觀測各處理方式下的污染土壤升溫規律。室內模擬試驗結果表明，各電加熱處理組升溫過程均存在平臺期；間歇加熱與持續加熱修復效果相當，間歇加熱能節約61%的電能；與三角形排列相比，熱源六邊形排列能得到更大的影響半徑。試驗從加熱溫度與修復效果方面證明電加熱修復具有一定的可行性，為后續電加熱修復技術的推廣提供數據支撐與實踐經驗。

關鍵詞：油制氣廠；有機污染場地；電加熱修復；污染土壤；熱脫附

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0504

Study on Electric Heating Remediation of Polluted Soil in Oil-to-Gas Plants

YANG Fulin

（Guangdong Kenuo Surveying Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510700， China）

Abstract： At present， the main energy source for thermal desorption remediation of polluted soil in China is fossil fuels， and there are few reports on electricity as an energy source in China. Electric energy used as an energy source for thermal desorption remediation has the advantages of controllability， cleanliness， and renewability compared to fossil fuels. In order to verify the feasibility of using electrical energy as a source of energy for thermal desorption remediation and clarify its heating law， contaminated soil samples are collected from an organic contaminated site in an oil-to-gas plant in Guangzhou city， and the effects of different heat source arrangements and heating methods on remediation effectiveness are explored indoors， and the heating law of contaminated soil under various treatment methods is observed. The indoor simulation test results show that there is a plateau period in the heating process of each electric heating treatment group; intermittent heating and continuous heating have comparable remediation effects， with intermittent heating saving 61% of electrical energy; compared with the triangular arrangement， the hexagonal arrangement of heat sources can obtain a larger influence radius. The experiment proves the feasibility of electric heating remediation in terms of heating temperature and remediation effect， providing data support and practical experience for the promotion of electric heating remediation technology in the future.

Keywords： oil-to-gas plant; organic pollution sites; electric heating remediation; polluted soil; thermal desorption

隨著城市經濟發展與產業轉型升級，大量落后產能被淘汰，化工、冶金等傳統企業紛紛搬遷或關閉，遺留場地土壤含有大量有機污染物。熱脫附技術為一種有效的有機污染土壤修復技術，綜合成本可控制在2 000元/m3左右[1]。有機磷污染土壤修復的較佳控制溫度為400 ℃，水力停留時間為30 min，敵敵畏、氧化樂果和對硫磷去除率可分別達到94.3%、97.8%和99.5%[2]。回轉窯熱脫附系統在350、500 ℃的條件下處理1萬余噸污染土壤，多環芳烴去除率分別為98.92%和99.95%[3]。燃氣原位熱脫附對土壤中苯、氯苯和石油類的最大去除率接近100%[4]。熱脫附技術能有效修復區域內苯和氯苯污染的深部黏性土壤，去除率在99%以上[5]。

目前，國內污染土壤熱脫附修復的熱量來源多為化石燃料，而電能作為能源的加熱方式在國內鮮見報道。電能用作土壤熱脫附的能源，與化石燃料相比，具有可控、清潔和可再生的優點[6]。電加熱修復技術對含水率較高、土質偏黏土、沸點較高的半揮發性有機物污染土壤有較好的修復效果[7]。自投產以后，廣州市某油制氣廠通過重油裂解生產煤氣。該地塊附近的土壤和地下水已經受到嚴重污染，經場地污染調查，污染物主要有石油類、重金屬、氰化物和有機溶劑等。試驗從該油制氣廠有機污染場地采集污染土壤樣品，研究不同電熱源排列方式與電加熱方式對修復效果的影響，并觀測土壤升溫規律，從污染物去除率、能效、加熱溫度和影響范圍等方面評價各電加熱方式，為后續電加熱修復技術的推廣提供數據支撐與實踐經驗。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為采集于油制氣廠的污染土壤樣品，取土深度為4～6 m。經物理性質分析，土壤含水率為20.2%，有機質含量為2.69 g/kg，相對密度為45.6%，液限為45.6%，塑限為29.7%，塑性指數為15.9，液性指數為-0.60。經土壤樣品顆粒組成分析，粗砂含量為26.2%，中砂含量為17.3%，細砂含量為5.6%，細粒土含量為2.7%，粗粒土含量為48.2%。

1.2 試驗設計

試驗裝置構成如圖1所示，電加熱管長為0.8 m，加熱功率為2 000 W，溫度可達500 ℃。試驗分為4個組別。試驗組1將3根加熱管排列成正三角形，24 h持續加熱，真空泵每24 h抽提一次，每次抽提1 h；試驗組2將3根加熱管排列成正三角形，12 h間歇加熱，真空泵每24 h抽提一次，每次抽提1 h；試驗組3將6根加熱管排列成正六邊形，24 h持續加熱，采用空氣壓縮機通風與真空泵抽氣，空氣壓縮機間歇運行12 h，每24 h真空泵抽提1 h，其間調節空氣壓縮機參數，進氣量增加100%；試驗組4將6根加熱管排列成正六邊形，不加熱，采用空氣壓縮機通風與真空泵抽氣，空氣壓縮機間歇運行12 h，每24 h真空泵抽提1 h，其間調節空氣壓縮機參數，進氣量增加100%。

首先進行三管加熱-抽提試驗，溫度監測點的平面分布如圖2（a）所示。電加熱管圍成正三角形，溫度計A、B點分別位于正三角形區域的邊緣和外側，溫度計C點位于正三角形中心。三管試驗結束后，增加電加熱管的數量并排列成正六邊形，溫度監測點的平面分布如圖2（b）所示。溫度計E點、D點分別位于正六邊形區域的外側和內側，F點位于正六邊形正中心。在原先的儀器設備條件下，增設空氣壓縮機與通風管增強抽提。

1.3 采樣與分析

試驗主要監測土壤溫度和有機污染物含量。土壤溫度監測采用定制工業測溫探頭，長度為40 cm，插入土壤，分別在加熱區域中心點、內側和外側設置溫度監測點。土壤有機污染物監測方法為吹掃捕集氣相色譜/質譜分析法。

2 結果與討論

2.1 加熱過程的溫度變化

試驗組1的土壤溫度變化如圖3（a）所示。溫度監測點的溫度排序依次為C＜A＜B，最高溫度監測點位于正三角形的幾何中心。加熱0～22 h時，各溫度監測點快速升溫；加熱22 h時，溫度趨于穩定；加熱24 h時，進行氣相抽提，溫度曲線出現一個小低峰。之后，每次抽提也出現小低峰。溫度監測點A、C的溫度經歷1個平緩期后快速上升，加熱320 h時，土壤溫度出現最高值。試驗組2的土壤溫度變化如圖3（b）所示。各溫度監測點的土壤溫度變化特征與試驗組1基本一致。加熱120 h后，溫度開始波動上升。試驗組2的A、B點溫度差比試驗組1少，說明間歇加熱能使加熱區溫度分布更均勻。此外，試驗組2的C點溫度能達到154.4 ℃，與試驗組1的160.2 ℃相近，間歇加熱達到最高溫度的能力與持續加熱相當。試驗組3的土壤溫度變化如圖3（c）所示，溫度監測點的溫度排序依次為E＜F＜D，中心點F不是最高溫度出現的位置。試驗組3在平緩期持續70 h后開始快速升溫。外側的E點溫度能達到76.4 ℃，較試驗組1和試驗組2的外側B點高，六管加熱溫度場疊加能擴大溫度影響半徑。

2.2 污染物去除率對比

在各試驗組處理前后取深度40 cm內外側的土壤樣品，各試驗組污染土壤修復情況如表1所示。對比正三角形加熱區域的內外側可知，外側土壤的污染物去除率普遍低于內側。三管持續加熱時，試驗組1內側去除率大于50%的有機污染物有6種。三管間歇加熱時，試驗組2內側去除率大于50%的有機污染物有9種。與三管持續加熱相比，三管間歇加熱修復效果較好，成本較低。試驗組1日用電量為584 kW·h，最高溫度為160.2 ℃；試驗組2日用電量為228 kW·h，最高溫度為154.4 ℃。由此可知，相比三管持續加熱，三管間歇加熱能節約61%的電能。電能比化石燃料更具可控性，可利用電子元件減少輸入能量。電熱控制技術可分為溫控與時控兩種。溫控技術的核心元件為溫度傳感器[8-9]，污染土壤成分復雜，會使探頭產生較大的誤差。溫度傳感器較易損壞，需要及時更換，這增加施工費用和修復時間。與溫控方式相比，時控電加熱取消大量的溫度傳感器，能根據設定的時間間隔輸入電能。時控電加熱能夠及時接通和切斷電源，及時加熱或停止加熱，減少溫度傳感器測量誤差與延時，節約電能，減少溫度探頭的安裝與維護工作。

3 結論

試驗采用3種加熱方式，即三管持續加熱、三管間歇加熱與六管持續加熱，對污染土壤進行電加熱修復。結果顯示，3種加熱方式均能取得較好的加熱效果，升溫規律大體一致，前期快速升溫，達到一定溫度后，經歷一定時間的平緩期，將土壤水分烘干，然后繼續升溫。與三管持續加熱相比，三管間歇加熱的修復效果較好，溫度場分布更加均勻，能節約61%的電能。在三管加熱試驗中，正三角形內側點加熱效果顯著高于外側點，而六管加熱試驗中，正六邊形內側土壤溫度明顯高于外側，說明溫度場疊加后六管加熱布局能顯著擴大溫度影響半徑。

參考文獻

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4 張學良，李 群，周 艷，等.某退役溶劑廠有機物污染場地燃氣熱脫附原位修復效果試驗[J].環境科學學報，2018（7）：2868-2875.

5 梅志華，劉志陽，王從利，等.燃氣熱脫附技術在某有機污染場地的中試應用[J].資源節約與環保，2015（1）：34-35.

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9 高顏儒.電加熱管流動性改進方法研究[D].大慶：東北石油大學，2014.

基金項目：中國能源建設股份有限公司重大科技專項（CEEC2021-KJZX-01）；中國電力工程顧問集團有限公司科技項目（DG3-P01-2022）；中國能源建設股份有限公司重大科技專項（CEEC2022-KJZX-02）。

作者簡介：楊富淋（1991—），男，廣東廣州人，碩士，工程師。研究方向：環境修復技術。