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科技新进展:微波修复有机类污染土壤新技术及装备

时间:2020-08-26 16:03   作者:admin 点击:

一、研究的背景与问题

1、全国土壤环境状况不容乐观

土壤污染指人类生产、生活产生的废气、废水和固体废物向土壤系统排放后,当数量超过土壤自净能力时,会破坏土壤成分结构的平衡和土壤功能,乃至出现危害动植物和人体健康的现象。

全国土壤环境状况总体不容乐观,工矿业废弃地土壤环境问题突出。土壤污染同大气污染及水污染防治的重要性趋于统一。2016528日,国务院印发了《土壤污染防治行动计划》,简称土十条 对今后一个时期我国土壤污染防治工作做出了全面战略部署。十三五以来,国家实施退二进三退城进园,引导化工、钢铁、煤炭、焦化、石油等行业的产业结构调整、产能淘汰,一批具有高污染、高排放的环保技术水平较低的产能被取缔。如何进行工业污染用地修复将是最为现实、最为迫切的难题。

2、土壤污染类型

20144月发布的《全国土壤污染状况调查公报》中,明确指出我国当前的土壤污染超标率达到16.1%,污染类型以无机型为主,有机型次之,复合型污染比重较小,无机污染物超标点位数占全部超标点位的 82.8%。本项目针对有机类污染土壤进行处理修复工作,土壤中的有机类污染物主要包括石油类、卤代烃、挥发性有机物、多环芳烃、多氯联苯、持久性有机污染物、多氯酚、酞酸酯类化合物等,涉及有机污染土壤的行业主要有石油化工、钢铁、炼焦、油漆和涂料制造、农药生产、橡胶制品制造、皮鞋制造、人造板及木质家具制造、汽车及配件喷涂、电子产品制造等,具体如下:

1)挥发性有机物(VOCs),主要包括邻-二甲苯、芳香烃、卤代烃、脂肪烃等,在土壤中以挥发态、溶解态、固态和自由态存在。广泛存在化工、钢铁、焦化工业厂区也土壤中。

2)多环芳烃(PAHs),如苯并(a)蒽、苯并(a)芘,在焦化厂环境中检测出 40 多种多环芳烃煤中多环芳烃通过焦化作业以烟尘、煤粒、焦末以及外排废水形式迁移而污染大气、土壤和水环境。

3)二噁英类(Dioxins),研究中,在钢铁企业厂区内土壤中检测出二噁英类物质,主要来源于烧结厂烟气的排放,烟气通过渗透作用转移到土壤中。

4)酞酸酯类(PAEs),邻苯二甲酸酯,钢铁企业的土壤中含有酞酸酯类化合物,质量浓度范围为 0.753.26 mg/kg ,其中铸钢点位土壤样品PAEs浓度最高,烧结点位土壤样品PAEs浓度最低。

3、现行处理工艺及问题

现阶段,针对有机污染土壤热脱附工程化修复技术有原位热脱附技术、回转窑热脱附技术等。热脱附处理技术指利用热能将污染介质及其所含的有机污染物加热到约300~550℃,使污染物从污染介质挥发或分离的过程。其中原位热脱附技术不对污染土壤进行挖取,而是直接通过加热组件将热量带入污染土壤层中,通过加热升高污染区域的温度,改变污染物的物化性质(蒸汽压及溶解度增加,粘度、表面张力、亨利系数及土水分配系数减小),增加气相或者液相中污染物的浓度,提高液相抽出或土壤气相抽提对污染物的去除率,使污染物通过抽提组件收集并脱除。回转窑热脱附法是将有机物类污染土壤在回转窑中约550℃加热,使有机污染物从土壤中完全脱附出来进入气相,清洁土壤冷却出料后送至成品转运车间进行堆存,含有污染物的烟气则经旋风除尘、二燃室燃烧、余热回收、急冷、干式脱酸、活性炭吸附、布袋除尘后达标排放。

现行的热脱附工艺主要应用于苯系物、多环芳烃、多氯联苯和二噁英等有机污染土壤的修复,虽然能够达到去除有机污染的目的,但是均存在高能耗、高污染、高成本的问题,究其原因是因为这些传统热脱附工艺无差别地使用外部热能通过传统传导、对流和辐射的加热方式来加热土壤,使土壤基质、土壤中的水分以及有机污染物同时加热升温,不仅使工艺的能耗高、烟气量大,还增加了工艺的处置压力和装备规模。

1)土壤由于受热温度较高,理化性质也遭到了破坏,使土壤无法获得重新利用;

2)工艺均采用明火燃烧明火传热的加热方式,存在加热效率低、综合能耗高;

3)现有设施为固定式,且设备系统复杂仅适用于处理某个园区污染土壤,无法满足国内修复市场需求;

4)现有设施采用天然气作为能源介质,安全性要求高,引气难度大,较难适应外部复杂条件;

5)工艺烟气量大、粉尘量大、二次污染处理成本高等缺点,不符合绿色工业的发展理念。

因此,需要开发一种可移动式、能源介质安全可靠、设备系统故障率低、低碳环保的新技术和装备,以满足外部市场的需求。

 

二、解决问题的思路与方案

微波加热具有微波选择性加热优势,根据物质的极性不同、介电常数不同,吸收微波的能力有很大差异,使有机类污染土壤中,有机物的吸波能力强,直接受热气化分离;微波加热具有微波即时性加热优势,可实现缩短有机污染物的处理时间,大大缩短了工艺周期;微波加热具有微波穿透性加热优势能短时间内穿透200~300mm厚的物料,可实现物料的静态处理,烟气中几乎不含粉尘;微波加热具有微波催化等非热效应能使有机物的活性得到激励,促进其裂化分解,加快其气化分离;同时微波加热还具有微波低热惯性加热优势微波的输出功率可调,有利于自动控制和连续化生产的需要。

微波选择性加热、体加热以及穿透性加热等优势,从而能够实现可移动式、能源介质安全可靠、设备系统故障率低、低碳环保。北京首华科技发展有限公司与新冶高科技集团有限公司在微波工业化技术的基础上,联合开发了全新土壤修复工程技术,应用于有机污染土壤的修复工艺中。其工艺流程如下:

 

污染土壤在前处理中筛分去除金属及大颗粒石块等杂物,并进行均匀布料,并控制布料厚度。装载物料的台车在微波脱附腔内受热升温,使有机污染物优先于土壤基质被加热从而从土壤中脱除进入到烟气中,处理完毕台车推出。微波加热过程中实现炉内微负压操作。含有机废物的废气引入烟气处理系统,经过二次燃烧,尾气处理达标后排空。修复后的土壤有机污染物含量满足标准要求。

三、创新性新进展

该工艺充分利用了微波选择性加热、穿透性加热及非热效应的技术优势,使土壤中的有机物受热分解气化,而土壤不受热升温,从而大大减少了烟气量和粉尘含量、降低了处理能耗、保存了土壤理化性能,有机污染土壤修复后达到住宅用地、公园绿地用地及工业商业用地的标准,解决传统工艺的高能耗、废气量大、二次污染大、土壤再利用等问题,很有针对性的现实意义。

1、微波热脱附技术的应用

微波加热不同于一般的常规加热方式,是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热,被置于微波发生器产生的电场中时,微波场以每秒几亿次的高速周期性地改变外加电场的方向,使介质的极性分子迅速摆动,产生显著的热效应,从而使物料内部和表面的温度同时迅速升高。相较于传统热脱附工艺,微波热脱附具有选择性加热优势、即时性加热优势、穿透性加热优势、低热惯性加热优势以及催化等非热效应优势。

 

微波热脱附工艺中的传导性也是优于传统工艺的。传统工艺的热传导是由外到内的,土壤基质优先于有机污染物受热,然后再传热给有机污染物,热效率低、热惯性大,且在处理时易导致土壤结构发生变化,这种变化会阻碍内层土壤中污染物的挥发并影响土壤性能。微波加热使极性较大的有机质和水分优先加热,微波加热造就物料内热源的存在,在微波处理过程中,温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向都同时从内到外,使极性物质的迁移条件得到大大改善。

2、微波场强强化及脱附腔耦合传热技术的应用

利用微波场强强化及脱附腔耦合传热技术实现物料吸波性能优化,缩短物质在缓升区的时间,使其能够在低温状态下更快的升至目标温度或者达到转变点,通过波场强化及脱附腔耦合传热技术,改善了物料的吸波性质和微波加热的工况条件。

 

工艺设计过程中对微波场强分布进行了模型研究,确定了优化的微波场强分布,并对脱附腔进行了耦合设计,通过微波分布密度、馈口角度及垂直距离等的设定,使物料处在最大耦合场强区域。同时还通过穿透加热和体加热的耦合加热模式,在缓升区使强吸波物质形成内热源作为辅助手段使物料升温,使其提高温升速率迅速至转变点。

 

3、静态微负压脱附技术的应用

工艺采用微负压脱附技术,控制脱附腔内压力在-10Pa左右,既促进了有机物气化逸出进入烟气顺利排出,也保障了烟气不会外溢造成二次污染。为了保障工艺安全,生产线工艺设计中除脱附腔采用微负压操作外,原料在气膜大棚储存、经过密闭皮带多次运输分装后布料到台车上,台车装载物料后就要实施密闭处理,一直到台车处理完卸料位置。防止有机污染物的无组织逸出放散,保证了工艺安全和环境控制。

土壤在静态环境下加热,几乎无粉尘污染;修复环境是微负压,烟气量少,仅为传统工艺的几百分之一,故烟尾气处理成本低;新技术无废水和噪音污染,同时新装备占地面积小,避免了环境高温,工人的劳动条件得到大大的改善。

4、高效蓄热烟气处理技术的应用

不同于传统回转窑的土壤热脱附工艺,微波热脱附处理每立土产生的烟气量仅为传统工艺的1/10左右,且粉尘量极低,其典型特征包括:①烟气量低,仅为540m3/立土;②烟气中几乎无粉尘;③温度低,窑炉排出烟气温度约170℃~180℃④烟气含水量高,水分含量约90%以上;⑤烟气有机物含量总VOC 50~130ppm,浓度相对较高。根据以上特点,新技术在高效蓄热焚烧工艺的基础上,增加了急冷和活性炭吸附工序,保证进入烟气中的有机污染物在较低能耗条件下充分焚烧消除,同时急冷控制二噁英再次生成。达标烟气由烟囱排放到大气环境中。

5、模块化装备设计的应用

 

微波修复有机类污染土壤新技术装备是可移动式、能源介质安全可靠、设备系统故障率低、低碳环保的新技术和装备。微波热脱附整装设备采用模块化设计,以可移动模块作为基础设计单元。每个设计单元集成了热脱附腔集成单元和微波发生集成单元,前者集成了微波腔体、载料台车及轨道、透波保温材料、排烟口、检测装置等,后者集成了微波发生器、波导系统、冷却水集成、线缆集成、控制与检测系统、机架及外敷。基础模块配备一个热脱附腔集成单元和两个微波发生集成单元,采用波导管连接。模块通过螺栓实现连接,根据处理能力配置总装规模。

四、应用情况与效果

1、该技术的示范工程

本项目经过3年多的技术开发,形成了完整的工程化技术,并在首钢环境公司贵定土壤修复现场投建了一条年处理1万立有机污染土壤的处理线,项目已于20197月成功投入运行,处理后的土壤中有机污染物含量达到北京市地方标准DB11/T 811-2011。处理后的土壤在海螺水泥厂再次进行重金属污染物的协同处理。

 

海螺水泥厂应用微波修复处理后的土壤进行了连续生产,处理土的添加量约2.3%,自201910月至今,共计使用处理土12126吨,代替原材料12126吨,生产熟料近百批次,共计90多万吨,合计节省成本154万元。生产过程中对烟气成分进行了抽样检测,烟气中VOCs含量未达到检测范围,低于排放标准。经使用验证,处理土不仅不会对水泥质量产生不利影响,而且能够代替部分原材料,降低7~15%生产成本。首华科技公司采用的微波修复有机类污染土壤工艺对土壤中有机物脱除效果显著,具有一定的经济价值和社会效益。

目前该项目的二期工程正在建设中,建成后可达到年处理7万立有机污染土壤的能力。

2、新工艺与传统工艺技术及效益指标对比

传统热脱附工艺无差别地使用外部热能通过传统传导、对流和辐射的加热方式来加热土壤,使土壤基质、土壤中的水分以及有机污染物同时加热升温,不仅使工艺的能耗高、烟气量大,还增加了工艺的处置压力和装备规模。与传统土壤热脱附处理工艺相比,微波修复有机类污染土壤新技术在低碳、环保、安全等方面具有创新性和先进性。通过微波修复土壤工艺的应用,处理每立土壤能够有效节约能源消耗46.2kg标煤,能耗降低幅度达55.3%。技术及经济指标对比见下表:

 

经测试,通过微波修复土壤工艺的应用,处理每立土壤能够有效节约能源消耗46.2kg标煤,能耗降低幅度达55.3%。新工艺处理每立土壤可以减少121kgCO2排放、减少1.1kgSO2排放,减少0.32kgNOx排放,减少粉尘量31.4kg。由于烟气量大幅减少,同时烟气中几乎无粉尘产生,从而大大减少烟气处理潜在能源消耗。

综合测算,折算为每立方土壤修复成本,回转窑修复工艺处理成本约572元,而微波修复工艺的处理成本仅为368元,节约成本35.7%

信息来源:新冶高科技集团有限公司专稿

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