回转窑技术在土壤修复领域的应用

赵凤

（北京京城环保股份有限公司，北京 100027）

前言

土地污染在我国已经成为一个严峻问题，由于产业布局不当及污染控制措施不足导致大量土地被污染。根据相关调查[1]，工业“三废”排放、各种农用化学品使用、城市污染向农村的转移以及通过大气和水体进入土壤的污染物，导致重金属和难降解有机物在土壤中长期累积，已经严重影响了居民的身体健康和社会稳定。《全国土壤污染状况调查报告》显示，耕地土壤污染点位超标率约20%，重污染企业、工矿企业及采矿区等土壤污染点位超标率大于30%。我国土壤污染状况严重，土壤修复需求迫切[2、3]。土壤修复则是世界性难题，我国土壤修复行业仍处于初始阶段，政策是主要推动力，即通过推动土壤修复方面的标准、法规等制度建设，推动土壤修复市场的不断释放[4、5]，目前在我国中东部经济发达地区的土壤修复工程公司较多，并逐渐形成产业链。

土壤修复技术主要有热处理技术、淋洗浸提技术、电动修复技术、固化/稳定化技术、微生物降解技术、植物富集/隔离技术。其中，热解吸技术是直接或间接加热污染土壤使其所含的有机污染物挥发或分离的过程[6]，热解吸技术通常采用回转窑作为热解吸设备，具有较高的工艺成熟度、处理量稳定、整个修复周期可控的优点[7]。

1 热解吸处理污染土壤工艺流程

热解吸技术用于去除土壤、污泥和沉积物中的挥发性有机污染物（VOC）和半挥发性有机污染物（SVOC），即使用加热的方法使污染组分挥发。热解吸常常应用在那些污染土壤的深浅度是通过机械设备挖掘能够达到的地方，相比其他技术具有更快和更好的处理效果。根据美国环保署（US EPA）的描述，热解吸适用于在污染土地搭建设施进行土壤的就地修复，或者通过卡车等交通工具运输污染土壤至集中处理场进行修复。处理工艺流程见图1。

图1 热解吸处理工艺流程

以回转窑作为加热设备为例，典型的土壤热解吸处置系统主要包括以下部分：待处理土壤与处理后土壤存储系统、筛分处理系统、土壤输送系统、回转窑及二燃室焚烧系统、助燃系统、烟风系统、余热锅炉系统、烟气调温系统、除尘系统、灰渣收集与输送系统、循环冷却水系统、压缩空气站系统、电控系统等。回转窑热解吸土壤处理工程应用见图2。热解吸技术用于土壤修复只能除去土壤中的挥发性有机污染物和半挥发性有机污染物，对于含有重金属等污染物的情况，需要增加工艺设备做进一步处理。

图2 应用热解吸技术处理污染土壤

2 回转窑热解吸处理污染土壤的工艺设计

2.1 土壤参数

土壤的特性对于热解吸技术的应用效果有很大影响，因此在设计前需要掌握土壤等级和土壤参数特点，并理解热解吸技术在土壤修复领域应用的可能性与局限性。为了获得土壤修复工程的实用性和经济性，热解吸技术通常不适用下列有机物污染土壤的处理：

1）土壤湿度过高。高湿度土壤需要脱水，并会导致系统负担过高的汽化潜热；2）土壤颗粒直径过大（＞5cm）。土壤中过大的颗粒需要经过分割细化或者人工分拣；3）含较多低挥发性/或难挥发性污染物。土壤多次循环加热会提高处理成本；4）土壤过于粗糙。粗糙的土壤颗粒具有研磨作用，损毁工艺单元，缩短系统寿命；5）含大量腐殖质。高腐殖质性的物质会使得污染物与土壤的结合更加牢固，导致停留时间的延长。

2.2 回转窑设备

回转窑热解吸处理污染土壤最广泛应用的技术是利用回转窑在顺流或逆流两种模式下进行干燥处理。回转干燥窑操作不同于常规的回转窑焚烧操作，干燥窑是由碳钢（用于低温热解吸）或合金钢（用于高温热解吸）构成，没有耐火衬料，启炉相对快速。干燥窑整体沿物料流向倾斜1°～2°，保证土壤在工艺单元中的移动。启炉时回转窑的初始填充率在内部断面的6%～14%，此后土壤存量可以调整，以适应物料停留时间的需求。

干燥回转窑内壁设有扬料板，扬料板翻搅土壤至热气流中，增加土壤与热源的接触面积。扬料板以一定间隔在窑内呈圆周分布，由壁面向内延展，高度为整个窑直径的8%～12%。扬料板根据土壤的流动性来调整设计，如果土壤参数随着干燥进程变化很大，则沿回转窑长度方向调整扬料板的设计。

在大多数系统中，干燥回转窑是通过插入内部的燃烧器直接焚烧加热，也有系统是间接焚烧加热，即高温燃烧气体在环绕回转窑外壁设置的一个炉膛结构里生成，热量从窑壁向内部土壤传导。在间接焚烧系统中，土壤的停留时间在1～2h。间接焚烧在转化热能方面效率不佳，但其生成尾气浓缩度高，从而减少了二次燃烧的费用。同时，由于间接焚烧干燥窑内的气体流速明显低于直接焚烧干燥窑，进入到气体中的土壤也减少了。

回转窑内部分为干燥区和污染物挥发区，土壤的停留时间通过旋转速度、倾斜角度和扬料板的排列来调整，具体取决于处理设备的形式结构和污染物的挥发性。例如，处理挥发性溶剂污染的干燥土壤，采用间接焚烧处理6～10min能得到令人满意的效果，而处理多氯联苯污染的潮湿土壤，采用间接焚烧可能需要90min甚至更长的时间。热解吸所需时间与温度之间具有很强的关联性，使用更高温度的加热气体会减少物料停留时间并提升系统处理能力，但同时导致燃料成本增加。

根据土壤和高温烟气的运动方向，顺流干燥窑和逆流干燥窑的特点比较见下表。

顺流干燥窑与逆流干燥窑的特点比较表[8]

2.3 处理温度

高温烟气的温度和土壤所达到的温度都是热解吸工艺的关键参数，烟气的温度范围限定了进料量以适应系统的处理能力。对于给定的工艺系统，提高进口烟气温度，可以减少加热气体的用量，也就意味着系统后端需要处理的气体量减少。土壤所达到的温度同时决定着污染物的去除程度和被脱除污染物的种类范围，土壤在进行修复时的目标温度取决于污染物的蒸发特性。有时由于强大的吸附能，为了获得可接受的修复效果所需的温度会远远超过污染物在标况条件下的沸点。

回转窑总热量传导可用下式进行估算：

式中：

Qt—传导的总热量，kcal/h；

L—回转窑长度，m；

D—回转窑直径，m；

G—气体传质速率，kg/hr·m2；

∆tm—回转窑进出口湿球温度差值的对数平均数，℃。

因为吸附能的影响、气流剥离效应和扬料板作用，传热和传质是很难通过计算得到，实际中往往通过试验检验。

值得注意的是，高温使挥发性有机物与土壤分离的同时，对土壤本身的有机质含量、粒度分布等参数也有重要影响[9]，高温处理后土壤需要重新评估土壤性能，再利用与回填处理时需要考虑土壤性质的变化。

2.4 停留时间

土壤的停留时间与温度共同决定着土壤的热解吸效果，通常，在高温条件下进行操作可以适当减少停留时间。因为扬料板的作用，传统回转窑中的物料停留时间规律并不适用于估算土壤在干燥回转窑中的情况，对于不同特点的土壤和扬料板设计之间的经验关系需要通过实际测试获得。回转窑的停留时间可用Friedman和Marshall的下述理论进行估算：

式中：

土壤逆流流动做加法，土壤顺流流动做减法。

L—回转窑长度，m；

S—回转窑斜率，m/m；

N—转速，rpm；

D—回转窑直径，m；

G—气体传质速率，kg/h·m2；

F—回转窑进料速率，kg干物料/h·m2；

Dp—物料的平均粒径，μm。

土壤热解吸修复的时间主要取决于污染场地面积和深度、解吸设备处理能力、污染物浓度、土壤中是否含有导致污染物不易解吸的大量尘土、黏土或有机物，以及是否含有需要破碎或移除的大量杂质。

2.5 尾气净化

回转窑热解吸处理污染土壤与焚化技术相比，热解吸工艺释放了较少的烟气。热解吸处理污染土壤的尾气净化主要指烟气除尘、可燃气体焚烧、烟气脱酸、烟气除湿等工艺，工艺流程图见图3。

图3 回转窑热解吸修复污染土壤工艺流程

对于直接焚烧加热的干燥回转窑，通常采用旋风除尘器捕集气体中的大部分颗粒物。旋风除尘器后是再燃室，用来用于破坏去除有机物质。如果没有酸性气体控制的要求（有机物质稀薄或不是卤代物），则再增加一个蒸气冷却器和布袋除尘器就可完成整个工艺流程。如果HCl或者其他酸性气体大量生成，必须进行酸性气体控制，则需设置能够添加苛性碱的洗涤设备。在短期修复情况下，湿法洗涤会带来废水处理处置上的难题。

对于间接焚烧的干燥回转窑处理系统，如果尾气中有机污染物的浓度足够高，可以在回转窑后增设浓缩装置来冷却并回收这些成分。二燃室的焚烧处理作为有效的净化段要保证设计参数，同时避免火焰和烟气蔓延回前端的浓缩装置或者回转窑。二燃室后设备工艺同直接焚烧加热的干燥回转窑尾气处理工艺相同。

3 结论

污染土壤的热解吸处理技术是重要的土壤修复技术，被广泛应用于处理挥发性和半挥发性有机污染物的土壤。回转窑作为热解吸设备处理污染土壤，其处理污染效果受到土壤参数、回转窑形式、处理温度与停留时间、尾气净化工艺等影响，具有容积热负荷高、稳定性好等特点。

回转窑目前在水泥生产、危险废物处理方面应用较多，随着土壤修复在环保领域的崛起，将进一步拓展回转窑的市场应用。实际中，由于污染土壤土质成分复杂或污染情况严重等因素，导致修复难度系数较高或处理效果难以预测，设计时一般通过中试对系统进行参数合理化设置并设定符合实际的目标。