污染场地热脱附技术的绿色低碳评价与措施研究*

姜文超

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司污染场地修复技术研究中心,上海 200092)

随着可持续发展理念日益深入人心,环境修复产业正处于发展与变革的加速时期[1]。在土壤污染治理过程中,人们越来越多地关注到修复技术在实施过程中会不同程度地消耗能源和资源[2]、使用化学或生物药剂[3]、产生废弃物和噪声等[4],这些环境足迹将在修复过程中产生次生环境影响[5-6]。

场地绿色修复是指节约能源、提高修复效率、实施二次污染控制并减少环境足迹的环境友好型修复过程[7]。国外的场地绿色修复框架较为完善,可供参考借鉴的技术导则较多。美国环境保护署的《绿色清洁的标准指南》指出,场地绿色修复过程中应重点关注材料和固废、能源消耗和再生、环境空气、水资源以及土地和生态系统五大核心元素,并量化了21个评价指标。美国环境保护署同时也针对不同的修复技术总结出了“最佳管理措施(BMPs)”[8]。我国目前主要开展场地绿色可持续修复的评价技术和方法研究[9-10]。场地绿色可持续修复评价主要是对经济和社会可持续发展进行评价。与场地绿色可持续修复评价相比,场地绿色修复评价更加关注修复行为本身,所涵盖指标的专业性和客观性更强。目前国内还没形成一套切实可行的场地绿色修复评价方法。近期,在“双碳”目标背景下,场地绿色修复评价还需加入低碳的理念[11]。

热脱附技术因其适用污染物范围广、对污染土壤处理效率高等特点,已成为我国必不可少的场地修复技术之一,但存在高能耗、高碳排放的问题[12]。因此,本研究在现有热脱附工程数据相对缺乏的情况下对热脱附技术中土壤开挖、加热、抽提及尾气处理能耗、碳排放等指标进行分析,并提出绿色低碳评价方法与措施,为热脱附技术的绿色低碳升级改造提供参考。

1 热脱附技术概述

热脱附技术是加热土壤中污染物使其蒸发成气态并从土壤中分离出去再进行尾气处理的一种土壤修复技术。土壤中污染物受热后主要发生相变、扩散迁移等物理过程,同时可能伴随着不同程度的氧化、裂解等化学反应[13]。热脱附技术一般依据处置方式和加热温度进行分类(见图1)。

图1 热脱附技术分类Fig.1 Classification of thermal desorption technologies

根据处置方式不同,热脱附技术可分为原位热脱附和异位热脱附。原位热脱附无需开挖土壤,通过加热井中的热源加热土壤,其工艺主要由土壤开挖单元、加热单元、抽提单元和尾气处理单元组成。热源可采用燃气(燃气热传导脱附)、电能(电热传导脱附和电阻加热脱附)及高温蒸汽(蒸汽热传导脱附)等[14]。燃气热传导脱附是最为常见的原位热脱附技术,其加热井外接燃烧控制器,通过高温气体加热井壁并将热量传递给土壤。电热传导脱附则把电加热棒置于加热井中对土壤进行加热。电阻加热脱附用电极井在土壤和地下水之间形成电回路,将电能转化为热能进行升温[15]。蒸汽热传导脱附则是将蒸汽通过注入井与土壤接触来进行热量传递。抽提单元的作用是通过引风机将蒸汽和汽化的污染物抽入尾气处理单元中,多采用竖向的抽提井。尾气处理单元则通常通过冷凝、气液分离、吸附或燃烧等处理环节完成气相有机污染物的深度净化和达标排放。异位热脱附通常将污染土壤开挖和预处理后,在加热炉膛内高温处理,其工艺与原位热脱附基本相同。异位热脱附根据热源是否与污染土壤直接接触,可分为直接热脱附和间接热脱附。直接热脱附加热温度高所以效率也高,但尾气产生量较大,适用于进料中污染物含量较低的情形,一般污染物质量分数要小于4%;间接热脱附加热温度和效率低于直接热脱附,相应的尾气产生量也小,特别适用于具有回收利用价值的有机物从土壤中脱附。

热脱附技术可处理绝大多数挥发性有机物(VOCs)和半挥发性有机物(SVOCs)[16]。根据加热温度的不同,热脱附技术又可分为中高温热脱附技术和低温热脱附技术。对于苯系物、氯代烃等低沸点的VOCs污染土壤,可以采用低温热脱附技术,加热温度一般小于315 ℃;对于多氯联苯、多环芳烃和长链石油烃等高沸点的SVOCs污染土壤,应采用中高温热脱附技术,加热温度一般大于315 ℃。

2 热脱附技术能耗与碳排放分析

2.1 原位热脱附技术能耗分析

2.1.1 燃气热传导脱附

燃气热传导的能量传递主要分为燃料燃烧向空气传热以及高温气体向土壤传递两个过程。在理想状态下燃料完全燃烧的能量转换效率较高,但燃气热传导的实际能量利用率仅为30%～60%,这主要是烟气温度较高(200～400 ℃),带走余热,而且烟气在加热土壤的过程中常常加热不均匀,由于烟气自加热井由下往上传递,所以深层土壤的温度通常远高于浅层土壤。为使浅层土壤温度达标,常需加大输入能量,导致深层土壤温度过高,能耗进一步加大。

2.1.2 电热传导脱附

理想化的电热传导可较灵活地调节加热井不同深度的温度,实现定深定温加热,从而节约能耗。但电热传导作为高温原位热脱附技术在实际工程中应用较少,暂无成熟的案例参考,已知目前电热脱附的电费投入占总生产投入的50%左右[17]177。

2.1.3 电阻加热脱附

电阻加热脱附是一种能耗较低的原位热脱附技术,这主要是因为该技术受土壤水分及土壤空隙结构限制,升温能力有限,最高大约只有120 ℃,这也决定了它不适用于高沸点污染物的去除[18]。电阻加热脱附以三相电或六相电的形式进行供能,并进行电相变换以防止加热不均。一般而言,土壤结构简单、水分不足的低渗透区域以及电极周边区域的热损失较大。影响电阻加热综合能耗的主要参数有电场强度、土壤水分、盐度及电导率等。

2.1.4 蒸汽热传导脱附

蒸汽热传导脱附属于热强化抽提技术的一种,其温度上限取决于蒸汽的温度,一般不超过170 ℃,属于低温热脱附。蒸汽热传导脱附的能耗主要发生在蒸汽发生和抽提过程中,但因为向目标加热区域注入了大量的蒸汽,后续的抽提能耗远大于其他原位热脱附技术。在国外有关工程案例中,修复1 m3污染土壤需要消耗约1 t蒸汽,其中抽提单元占20%[19]。

2.2 异位热脱附技术能耗分析

2.2.1 直接热脱附

直接热脱附多采用回转窑设备。高温烟气由燃气燃烧产生,每小时每吨土的平均燃气消耗量为40～80 m3。污染土壤与热源(烟气或火焰)直接接触,传热效率高,但土壤吸热占比在10%以下,能源有效利用率很低。此外,直接热脱附产生的尾气量大,温度高,处理尾气时需采用二燃室在1 000 ℃下进一步净化可能形成的二噁英及其他污染物,因此二燃室的能量输入占比甚至高于加热单元[20]2077。一般而言,影响直接热脱附能耗的主要参数包括土壤含水率、土壤加热温度和停留时间等。目前针对直接热脱附能耗过高问题,可以采用的节能方案有添加二燃室烟气热回用模块和土壤预干燥模块等[20]2078。

2.2.2 间接热脱附

现有成套间接热脱附设备多为螺旋推进炉,高温烟气在内外管之间通过间接加热的方式加热内管的土壤,每小时每吨土的平均燃气消耗量为30～60 m3,换热效率很低,总能量利用率不到25%。不过,间接热脱附的尾气量较少,通常无需二燃室,也无需二次能量输入,相比直接热脱附,尾气处理的能耗低很多。影响间接热脱附能耗和利用率的最主要因素是传热过程中的换热面积、传热方式和装置结构等[21]。

2.3 热脱附技术碳排放分析

我国土壤修复的二氧化碳排放主要集中在建设用地修复过程中。目前,我国建设用地土壤修复市场快速增长。有预测数据显示,我国土壤修复行业碳排放总量将随着建设用地土壤修复市场规模的扩大而扩大,2030年二氧化碳排放量将达到11.3万t[22]6。因此,热脱附技术还将大量使用,分析其二氧化碳排放十分必要。目前,国外的场地绿色修复实践的碳排放数据较多[23-25],而国内相关数据较少。不同热脱附技术的各工艺单元二氧化碳排放量占比如图2所示。

图2 不同热脱附技术各工艺单元二氧化碳排放量占比Fig.2 Proportion of carbon dioxide emissions in each process unit for different thermal desorption technologies

2.3.1 原位热脱附技术碳排放

目前,国内有三四十个原位热脱附案例[26],绝大多数原位热脱附工程采用燃气加热方式。若以每立方米污染土壤平均消耗45 m3天然气来计算,排放相关系数取每立方米天然气完全燃烧产生3.316 kg二氧化碳[27],那么以燃气加热方式为主的原位热脱附技术每立方米污染土壤的二氧化碳排放量约为150 kg。在成本允许的情况下,应尽量选择高热值低排放的燃料。此外,尾气中不凝组分若采用二次燃烧净化,有机污染物燃烧将产生更多碳排放,目前缺乏数据资料进行量化,但可以肯定的是,每立方米土壤二氧化碳排放量将大于150 kg。

采用电加热技术时,每使用1 kW·h电相当于排放0.96 kg二氧化碳。现阶段,使用电热传导加热方式的每立方米污染土壤综合能耗为200～400 kW·h,即可产生192～384 kg二氧化碳。华东某多环芳烃污染场地采用电热传导热脱附修复污染土壤约3万m3,工期为250 d,加热井的总功率为6 240 kW[17]175,如按每天加热8 h计算,连续250 d满负荷工作,将使用1 248万kW·h电,折合成每立方米污染土壤所产生的二氧化碳排放量约为399 kg。不同于电热传导,电阻加热温度一般不超过100 ℃,且加热周期只有电热传导的1/4,因此通常其单位体积污染土壤的能耗和二氧化碳排放低于电热传导技术,折算后二氧化碳排放量约为46～92 kg。在美国,电阻加热在原位热脱附工程中占比超过50%,而我国仅在江苏和广东等地开展了工程规模的电阻加热脱附应用。

在蒸汽热传导技术中,蒸汽锅炉可采用燃料或电能作为能源。美国某空军基地用燃料产生热蒸汽,处理污染土壤25.9万m3[28],基于场地概念模型文件和设计文件分别计算得到二氧化碳排放量为4.8万、6.1万t,折算成每立方米污染土壤的二氧化碳排放量约为185.0、235.5 kg,其中燃料燃烧的碳排放占比分别为84%、77%。相比之下,蒸发量为1 t/h的电加热蒸汽锅炉功率若为720 kW,每立方米污染土壤消耗0.92 t水,折算出的每立方米污染土壤将排放二氧化碳约313 kg,高于使用燃料的蒸汽锅炉。蒸汽热传导脱附因直接往地下注入蒸汽,所以抽提量明显大于其他原位热脱附技术,其抽提功率约为其他原位热脱附技术的3倍。在美国某空军基地案例中,抽提单元每立方米污染土壤的二氧化碳排放量约占13%～19%。

2.3.2 异位热脱附技术碳排放

华东某地的间接热脱附工程[29]共处理污染土壤26 250 m3,尾气采用吸附冷凝法,整个工程用电量约为115.2万 kW·h,同时消耗燃气99.7万m3,折算出每立方米污染土壤将排放二氧化碳168 kg。把土壤开挖排放的二氧化碳也考虑进去,其综合排放量预计大于200 kg。

直接热脱附技术尾气处理需多设二燃室,因此其碳排放量大于间接热脱附技术。有研究表明,与直接热脱附类似的水泥窑吨土二氧化碳排放量为230～460 kg[22]5,考虑到直接热脱附的温度低于水泥窑,因此其吨土二氧化碳排放量会低一些。

现阶段,我国的土壤修复工程实践很少关注到可能产生的碳排放,更不必说对这些修复行为进行持续追踪、记录和分析。无法获取这些修复工程的碳排放详细数据资料,导致土壤修复技术碳排放分析还不深入。基于环境保护目标和绿色修复理念,应该逐步建立健全污染场地碳排放量追踪记录制度。

3 热脱附技术绿色低碳评价方法与措施

热脱附技术应遵循场地绿色修复的理念,避免能源和资源浪费[30]。绿色低碳评价同时还注重场地绿色修复过程中降低二氧化碳排放量的行为和措施。开展热脱附技术绿色低碳评价方法和措施研究要在建立健全评价指标体系和量化方法的前提下,基于不同热脱附技术特点有针对性地找到改善工程建设、运行、维护、验收阶段的工程管理措施。

3.1 热脱附技术绿色低碳评价方法

绿色低碳评价主要分析与考核“能源使用效率提高程度”和“二氧化碳排放减量程度”两大指标,使用科学、系统的方法定量评价。

首先,基于场地概念模型文件和设计文件等资料完整梳理出涉及产生环境足迹的所有环节。对于原位热脱附工程而言,涉及产生环境足迹的环节包含场地建设(阻隔及降水工程、大临建设)、井群建设(注入井、抽提井、管路连接以及监制设备安装)、运行维护(电力、天然气、燃油、可再生能源、抽提后可利用有机物、水、蒸汽)、尾气处理(废水净化处理、固废处置、颗粒活性炭再生)、交通运输(物料、设备和人力)和实验室试验等。异位热脱附工程的环境足迹与原位热脱附工程基本类似,不同之处在于它不含井群建设,但增加场地建设的土壤开挖、转运等。

其次,基于梳理出的涉及产生环境足迹的环节搜集量化的基础数据以进行具体环境足迹分析。这些基础数据主要包括燃料消耗量、电能使用量、材料使用量、材料和设备运输距离、废弃物处置量等。这些数据可以从建设单位和施工单位获取。在美国,修复工程师可将获取的基础数据输入到环境足迹分析电子表格(SEFA)[31],得到具体的环境足迹数据,这其中就包括了能源消耗量和二氧化碳排放量,并能够分析出不同环节的占比,从而进行量化评价。

最后,绿色低碳评价报告应包含各环节能源消耗和二氧化碳排放的计算过程和结果,分析并归纳已采用的绿色低碳措施效果,并推荐可进一步节能减排的有效措施。大量案例表明,热脱附工程能源消耗量与二氧化碳排放量呈现出正相关关系,在运维过程中电能以及燃气等的使用对两大指标的贡献均在80%以上。

3.2 热脱附技术绿色低碳措施

现阶段,土壤修复的绿色低碳措施在我国还停留在研究阶段,其推广和应用程度远远不够,甚至不能成为修复工程设计的影响因素之一。但可以相信,在未来土壤修复中绿色低碳措施的运用会成为评价修复技术先进性和可靠性的重要因素。下面针对热脱附技术的绿色低碳推荐措施进行总结。

3.2.1 工艺设计阶段

(1) 充分掌握污染物理化性质,确定合适的加热温度范围。找到加热温度的下限有助于最大限度地降低能耗和节约成本。污染物在升温过程中蒸气压及溶解度增加,共沸机制的存在使得污染物无需达到沸点即可发生脱附[32]。

(2) 精准刻画污染范围,分区制定加热方案。场地污染存在不均质性,不同区域的污染类型、浓度和深度存在差异,应分区确定合适的加热温度、加热深度和加热时间。

(3) 优化加热方式,充分进行余热回用。合理布设加热点位并更高效、更短距离地布设加热管路;当温度突破100 ℃后为预防场地升温过快[33],应降低燃气供应量、电功率、蒸汽量等;充分利用已建设的井,如停用的加热井可考虑改为抽提井和监测井;使用热交换设备收集尾气的部分热量,回用于场地边界保温以及场地和燃料预热。

(4) 尾气处理优先采用回收技术,减少燃烧处理,开发新型净化技术[34]。在达标排放的前提下,采用冷凝技术回收有机物,采用吸附法处理不凝气体,减少非必要的尾气燃烧;使用效率高且无二次污染的低温等离子体等新型技术。

(5) 改变能源类型,提高可再生能源使用占比。推广使用原位电热传导脱附技术,减少燃料使用,条件允许时使用电加热蒸汽锅炉;优先使用液化或压缩天然气等清洁能源,减少使用石油气,避免使用重油等能源作为燃料;条件许可时,可充分利用修复工程现场的广域面积,建设风能发电和太阳能发电装置,产生的电能可供给部分设备使用[35]。

(6) 探索组合修复技术,开展多途径耦合联用[36]。例如,热脱附耦合化学氧化技术可先通过异位热脱附把污染物由高浓度降到低浓度,再在螺旋出料装置中加入氧化药剂,利用化学氧化技术将污染物降解;热脱附耦合原位化学氧化技术先将污染区域进行燃气热传导脱附,将污染物降低到较低浓度后停止加热,向加热井内注入氧化药剂并利用余热的催化作用发挥氧化药剂最大的活性,实现污染物彻底氧化降解。此外还可耦合微生物修复等技术,有效降低高温热脱附的能耗,同时防范修复后期出现“拖尾”现象。

3.2.2 施工及运行阶段

(1) 进行充分的阻隔和降水。原位热脱附技术应在修复边界实施阻隔工程并在场地内进行降水工程,有效阻止地下水回水,提高土壤升温效率。在地下水丰富的地区通过减少场地回水,可节省加热土壤所需的天然气。在我国柳州某原位电阻加热脱附工程场地实施边界阻隔,有效阻止了地下水流入热脱附加热区域,实现了每日约314 m3的天然气节约量及592 kg二氧化碳的减排量。

(2) 严格做好边界保温,防止高温气体逃逸。原位热脱附技术的热量损失尤为严重,应优先使用高密度聚乙烯(HDPE)膜来保持地面的密闭;应使用合适的材料保持边界的隔热性能,避免不需要修复的区域升温;应维持抽提单元在负压状态运行,减少热量外逸。

(3) 处理后的水进行循环使用。抽提废气中的冷凝水经处理后可进行重复利用,包括将其回灌到场地的含水层或用于制造蒸汽。

(4) 使用可再生材料或减少材料的使用。如尾气处理中应使用可再生的颗粒活性炭滤料;碱洗液、氧化剂、絮凝剂的使用应控制在能达到目的的最小使用量。

(5) 使用异位热脱附技术时,污染土壤应进行预干化和预氧化处理。预干化处理可大幅度缩短污染土壤在加热炉膛内的停留时间,降低能量的输入量及冷凝水的处理量;预氧化处理可实现部分高沸点有机污染物的氧化降解,抑或改变高沸点有机污染物与土壤的结合方式,有效降低热脱附所需的温度,提高热脱附效率[37]。

(6) 完善监测系统,降低设备的运行功率及运行时长。通过对场地温度、抽提流量等参数的监控,及时调整加热井或抽提井的工作状态。例如,某区域加热过快或已达到目标温度,则可调整能量输入至保温水平。借助监测系统可灵活操作,从而节约修复工程的能耗。

4 总 结

“双碳”目标背景下土壤修复技术将朝着绿色低碳方向发展,热脱附技术面临节能降碳双重压力。当前我国场地污染修复技术缺乏绿色低碳评价方法和措施。热脱附技术在我国污染场地修复中已经有了长足的发展,但能耗和二氧化碳排放仍处于高位。本研究对不同类型热脱附技术各环节的能耗和二氧化碳排放量进行了分析,初步建立了量化评价热脱附技术能耗与碳排放的指标和步骤,总结出了12条热脱附技术的绿色低碳措施。