热脱附修复有机污染土壤节能降耗研究进展

热脱附修复有机污染土壤节能降耗研究进展

＊高卫国 1,2  钮国耀 3  邢绍文 2

1.上海宝发环科技术有限公司 

 2.宝武集团环境资源科技有限公司  

3.上海大学环境与化学工程学院 

摘 要： 热脱附技术已广泛用于修复有机污染土壤，但该技术存在着能源消耗过高的问题。针对该问题，本文主要从热脱附工艺能耗以及土壤性质对热脱附能耗的影响两个方面进行分析，总结了相应的热脱附节能降耗措施。钢铁行业钢铁废物产量大幅增加，为推进钢铁行业低排放改造，对钢铁废物进行资源再利用，本文讨论了将钢铁废物作为添加剂协同热脱附去除有机污染物的应用趋势和优缺点。钢铁废物中含有Fe 2 O 3 、CaO、Ca(OH) 2 等大量具有增强热脱附效果的成分，将其作为添加剂协同热脱附具有良好的发展前景。钢铁废物中的微量杂质可能会对洁净土壤产生不利影响，在实际工程应用中应充分考虑。

关键词： 热脱附；钢铁废物；节能降耗

土壤污染严重，在现有的土壤修复技术中，热脱附技术由于处理周期短、污染物去除率高、安全性高等优点被广泛用于修复有机污染土壤 [1-2] 。热脱附技术按照处理区域可分为原位热脱附和异位热脱附。对于污染物浓度高，污染面积小，修复目标低的污染场地，常采用原位热脱附进行修复 [3] ，但修复周期往往很长，修复成本也较高 [4-5] 。工业企业搬迁后，对场地进行开发利用，需要在较短时间内完成修复，不适宜采用修复周期长的技术，异位热脱附是这类场景下的常用技术 [6-7] 。

《“十四五”节能减排综合工作方案》明确提出推进节能降耗和污染物深度治理的要求，针对热脱附修复污染土壤能源消耗大的问题，亟需提出热脱附节能降耗举措 [8-9] 。现阶段，热脱附节能降耗的研究主要是以探究高温烟气余热回收利用和土壤性质对能耗的影响两方面内容为重点，通过降低加热温度，减少加热时间，添加增效材料以降低能源消耗 [10-11] 。钢铁工业是我国重要的基础行业，随着产钢量的增加，钢铁废物的产量也大幅增加，钢铁废物资源再利用是节能降耗的重要举措 [12] 。钢铁废物中含有Fe 2 O 3 、CaO、Ca(OH) 2 等大量具有增强热脱附效果的成分，将钢铁废物作为添加剂增强热脱附具有良好的发展前景。现对热脱附能源消耗和节能措施，以及钢铁废物协同热脱附应用趋势进行分析和讨论。

1.热脱附工艺能耗分析和节能措施

热脱附工艺段各装置热损失和管道输送高温烟气过程中的热损失不可避免且难以利用。热脱附修复污染土壤完成后，修复后的洁净土壤温度较高，携带有大量热能，这部分热能可采用换热器回收利用，但不具备经济性 [13] 。

通常在热脱附单元利用后的高温烟气未经利用直接排放，会造成大量的能源浪费 [14-15] 。在原位热脱附中这部分燃烧后的高温烟气可通入另一批未开始运行的加热井中预热土壤，实现对余热的再利用 [3] 。从土壤中脱离出的污染气体进入抽提管，通过抽提管输送至燃烧器中，燃烧分解污染物，减少尾气处理成本 [15] 。

异位热脱附按照加热方式可分为直接接触加热和间接接触加热。直接接触加热使土壤升温至目标温度，将土壤中的污染物脱离出来与高温烟气混合排出，二燃室高温燃烧去除其中的污染物 [13] 。高温烟气中携带有大量的热能，可回用于预热土壤或预干燥土壤。间接接触加热中高温烟气未与污染物混合，该部分尾气量少，携带热能少，不具备回收价值 [16] 。为减少烟气热能损失，高温烟气可通过两种途径回收利用，途径一是采用烟气回用装置用于预热土壤或预干燥土壤 [13] ；途径二是将热脱附单元出口高温烟气回输至加热单元，继续加热至目标温度 [16] 。

2.土壤性质对能耗的影响和节能措施

土壤性质会对能耗产生重要影响。热脱附修复初始含水率高的土壤会消耗一部分热能用于水分蒸发 [17] 。黄海等 [18] 在热脱附修复PAHs污染土壤中发现，修复后土壤携带和水分蒸发消耗的热能占输入热能的60%以上。许优等 [13] 在热脱附工艺段增设土壤预干燥装置，发现土壤初始含水率从20%降低到15%时，热脱附能耗降低了20%。可对土壤进行预干燥，将土壤初始含水率降低到合适的水平节约热脱附过程中的能源消耗。

不同类型的土壤会对热脱附能源消耗产生不同的影响。Falciglia P P等 [19] 在热脱附修复柴油污染土壤中发现，相比于细砂、黏土，粗砂由于传热受限，需要提高加热温度和增长加热时间才能达到较高的去除效率。傅海辉等 [20] 在多溴联苯醚污染土壤热脱附实验研究中发现，细颗粒由于粒间孔隙度小，需要延长加热时间使污染物从土壤中脱离出来。根据土壤实际情况，可添加含铁材料增加传质传热，添加碱金属缓解土壤团聚等措施对土壤进行预处理，减少加热时间。

3.钢铁废物资源再利用

随着钢铁产量的增加 [12] 。钢铁废物主要有钢渣、脱硫灰和除尘灰等。目前，钢铁废物资源再利用途径主要有两种，一种是作为建筑材料等使用，另一种是作为炼钢溶剂等循环再利用 [12] 。钢铁废物中FeO、Fe 2 O 3 等铁氧化物具有良好的导热系数，添加到土壤中能够提高土壤的导热性能，促进有机污染物的去除。在热解重烃污染土壤过程中添加Fe 2 O 3 能够降低反应所需要的活化能，显著提高热解效率 [21] 。

钢铁废物主要成分，如表1所示。

表1 钢铁废物主要成分表

钢铁废物中含有的Fe 2 O 3 [2 1] 、CaO  [2 2-23] 、Ca(OH) 2 [24] 、CaCO 3 [2,25] 等成分已被证实对热脱附具有增强效果。Liu Y 等 [2 1] 提出添加Fe 2 O 3 催化热解重烃污染土壤，结果表明：添加质量分数5% Fe 2 O 3 可使加热温度降低100℃以上。史志鹏 [22] 和邵志国等 [23] 以生石灰为添加剂在油基钻屑热脱附过程中发现，添加质量分数5%混合比例的生石灰协同作用最显著，使热脱附总能耗降低了20%。戴梦嘉 [24] 将Ca(OH) 2 作为添加剂强化修复重烃污染土壤，研究结果表明：停留时间为30min，相比于未添加Ca(OH) 2 ，TPH去除率达到79.0%时，添加质量分数1%的Ca(OH) 2 使热解温度降低约50℃。Chen等 [1] 研究发现，在300℃加热20min，添加10%的蛋壳，PAHs去除效率从91.7%提高到96.0%。

各类热脱附增效材料主要通过如下途径发挥作用：（1）添加剂均匀分散添加到土壤中可以提高土壤的导热性能并降低反应所需要的活化能。（2）添加剂能够对土壤进行调质，降低土壤的水分和粘结性，防止土壤团聚。（3）催化裂解作用。

钢铁废物中含有少量MnO、V 2 O 5 、TiO 2 、ZnO等成分，这些成分在热脱附完成后会有部分残留到土壤中，对土壤产生不利影响。吴碧莹等 [26] 在探究纳米二氧化钛对水稻的毒性研究中发现，二氧化钛被水稻吸收后，会减少水稻对营养元素的吸收，从而抑制水稻生长并影响水稻品质。邢胜涛等 [27] 发现氧化锰对氯苯酚的吸附率随着pH和离子强度的增大而减小，氧化锰在土壤中会吸附对氯苯酚，增大污染物的去除难度。为减小有毒杂质对热脱附后洁净土壤的影响，可通过吸附、提取等方式去除钢铁废物中的有毒杂质，如利用钢铁企业中富余的资源如副产物煤气作为热源，采用火法等方法脱除钢铁废物中的Pb，ZnO等杂质 [28-29] ，然而这类工艺也会提高钢铁废物在热脱附工艺中应用的成本，且效果有限。因此在运用钢铁废物作为热脱附增效材料是应当表征钢铁废物的化学组成，采用重金属等污染物质含量较小的钢铁废物和控制钢铁废物添加量，从源头降低修复后土壤再利用的环境和人类健康风险。

4.结论

本文对热脱附能耗进行分析，总结了相应的节能降耗措施，并对钢铁废物协同热脱附的优缺点进行讨论。

（1）热脱附工艺能耗严重，高温烟气余热未充分利用，可通过三种方式节约能耗。首先，高温烟气余热可通过烟气回用装置用于预干燥土壤。其次，高温烟气回输至加热单元，继续加热至目标温度。最后，燃烧后的高温烟气可通入另一批未开始运行的加热井中预热土壤，实现对余热的再利用。

（2）土壤中初始含水率过高，蒸发吸收热能，增大热脱附修复成本，可通过对土壤进行预处理，降低土壤初始含水率以节约能耗。对于不同类型的土壤可以通过粉碎研磨，添加含铁材料增加传质传热，添加碱金属缓解土壤团聚等措施减少能源消耗。

（3）钢铁废物含有大量具有增效成分，可将钢铁废物作为添加剂增强热脱附。在实际应用中，考虑将钢铁废物与CaO等具有增效作用的添加剂复配，选择合适的复配比例协同热脱附，同时充分考虑钢铁废物中杂质对热脱附后土壤的影响。