一种节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统及方法与流程

本发明属于土壤技术领域，具体涉及一种节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统及方法。

背景技术：

热脱附技术是通过加热污染土壤至目标污染物沸点之上，达到污染物与土壤颗粒分离、去除的目的。在加热过程中目标污染物发生蒸发、蒸馏、沸腾、氧化和热解等作用，污染物从一相转化为另一相，流动性大大提高。原位热脱附技术在不改变污染土壤位置的前提下将目标污染物在负压条件下从土壤中分离出来，最终在废气处理设施中彻底消除或浓缩收集。该修复技术能够高效地去除污染土壤中的挥发及半挥发性有机污染物（如多环芳烃、农药、石油烃、多氯联苯），污染物去除率最高可达99.98%以上。

热脱附技术根据处理位置不同可分为原位热脱附和异位热脱附，相比于异位热脱附，原位热脱附技术无需对污染土壤进行清挖，二次污染小；且对于污染物深度较深、污染物浓度较大的污染土壤有着更出色的修复效果。

热脱附修复技术是重要的土壤污染修复技术之一，目前在国外有机物污染土壤修复中有着成熟且广泛的应用。近年来在国内也出现了一些热脱附的工艺和装置，但均存在一定的不足，例如燃烧器能耗大、收集装置易造成二次污染、处理能力易受限制等。

鉴于目前污染土壤原位热脱附处理设备的种种不足和缺陷，开发一种高效节能且安全的污染土壤原位热脱附修复系统及方法，具有重要的社会意义和环境意义。

技术实现要素：

本发明的目的针对现有技术中污染土壤原位热脱附处理设备的不足，提供一种节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统，实现修复效果好、能源效率高、技术经济可行的目的。

本发明的技术方案是提供了一种节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统，包括土壤加热单元、抽提单元和废气净化单元，所述土壤加热单元包括天然气供应管路、空气供应管路、燃烧器、导热管和排烟管道，所述天然气供应管路和空气供应管路均与燃烧器连接，所述燃烧器设置在导热管内，所述导热管插入污染土壤内，所述导热管通过排烟管道外接烟囱，所述排烟管道上设有排烟风机，所述抽提单元埋设于污染土壤内，且抽提单元靠近土壤加热单元布置，所述抽提单元与所述废气净化单元连接。

进一步的，所述导热管包括内导热管和外导热管，所述外导热管与污染土壤接触，且插入污染土壤内，所述内导热管位于外导热管内部，且内导热管的底部与外导热管相通，所述燃烧器位于外导热管内，且燃烧器与所述内导热管相通，所述外导热管位于污染土壤外部设有排烟出口，所述排烟管道与排烟出口连接。

进一步的，所述燃烧器为自身预热式燃烧器，且其采用内外双翘片的换热结构。

进一步的，所述抽提单元包括水平抽提井、竖直抽提井以及连接水平抽提井和竖直抽提井的抽提管。

进一步的，所述废气净化单元包括用于对抽提废气进行降温的换热组件，对降温后抽提废气进行净化的尾气处理装置，以及对换热降温的冷凝液进行处理的污水处理装置。

进一步的，所述换热组件包括采用常温水降温的一级换热装置，以及采用冷水进行二次降温的二级换热装置。

进一步的，所述一级换热装置包括一级换热器、一级气液分离器、冷却塔、循环水箱，所述一级换热器的进气口与抽提单元相连，一级换热器的出气口和一级气液分离器相连，一级换热器的出水口与冷却塔入口相连，冷却塔出水口与循环水箱相连，循环水箱出水口与一级换热器入水口相连；所述二级换热装置包括二级换热器、二级气液分离器、冷水机，所述二级换热器的进气口与一级气液分离器的出气口相连，二级换热器出气口和二级气液分离器进气口相连，冷水机出入水口与二级换热器相连。

进一步的，所述尾气处理装置为活性炭吸附装置，并通过两个分支管线分别连接燃烧器和烟囱。

另外，本发明还提供了应用上述节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统的修复方法，包括如下步骤：

1)天然气和助燃空气分别经过天然气供应管路和空气供应管路进入燃烧器内燃烧，燃烧后产生的热烟气进入导热管，对导热管周边的污染土壤进行热传导产生高温环境，使污染土壤中有机污染物挥发为气态；

2)热烟气在导热管回路中完成对污染土壤加热后，经由排烟管道通过烟囱排入大气，同时排烟管道为燃烧器和导热管回路提供负压环境；

3)通过抽提单元将气态有机污染物抽提至废气净化单元进行净化处理。

进一步的，所述废气净化单元处理后的废气经检测达标后由烟囱排入大气，未达标的废气输送至燃烧器再次燃烧。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的这种节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统可用于修复治理多环芳烃、农药、石油烃、多氯联苯等各种挥发和半挥发性有机污染土壤，同时对污染浓度高、污染范围广、污染深度深等特点的污染土壤有很好的治理效果，且不受污染土壤土质的影响；该修复系统具有适应范围广、修复效果好、二次污染低、自动化程度高的特点，具有良好的环保效益及社会效益。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统的结构示意图；

图2是本发明中导热管的安装结构示意图。

附图标记说明：1、土壤加热单元；2、抽提单元；3、一级换热装置；4、一级换热器；5、一级气液分离器；6、冷却塔；7、循环水箱；8、污水处理装置；9、二级换热装置；10、二级换热器；11、冷水机；12、二级气液分离器；13、尾气处理装置；14、烟囱；15、内外双翘片；16、燃烧器；17、外导热管；18、内导热管；19、排烟出口；20、废气焚烧接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统，包括土壤加热单元1、抽提单元2和废气净化单元，所述土壤加热单元1包括天然气供应管路、空气供应管路、燃烧器16、导热管和排烟管道，所述天然气供应管路和空气供应管路均与燃烧器16连接，所述燃烧器16设置在导热管内，所述导热管插入污染土壤内，所述导热管通过排烟管道外接烟囱14，所述排烟管道上设有排烟风机，所述抽提单元2埋设于污染土壤内，且抽提单元2靠近土壤加热单元1布置，所述抽提单元2与所述废气净化单元连接。本实施例中，在土壤加热单元1内实现对污染土壤的加热，助燃空气和天然气分别通过空气供应管路和天然气供应管路进入燃烧器，在燃烧器内燃烧后产生的热烟气进入导热管，对导热管周边的污染土壤进行热传导产生高温环境，高温条件下污染土壤内有机污染物挥发变为气态，由抽提单元2获取，而天然气和空气的燃烧产物是二氧化碳和水蒸气，因此热烟气中不含污染物，热烟气在导热管回路中完成对污染土壤加热后，由排烟管道抽出并通过烟囱排入大气，而且排烟管道同时为燃烧器及导热管提供负压环境；同时抽提单元2抽取的气态有机污染物输送至废气净化单元处理，不会对环境造成二次污染。

细化的实施方式，如图2所示，所述导热管包括内导热管18和外导热管17，所述外导热管17与污染土壤接触，且插入污染土壤内，所述内导热管18位于外导热管17内部，且内导热管18的底部与外导热管17相通，所述燃烧器16位于外导热管17内，且燃烧器17与所述内导热管18相通，所述外导热管17位于污染土壤外部设有排烟出口19，所述排烟管道与排烟出口19连接。热烟气从燃烧器16出来之后首先进入内导热管18，然后经内导热管18底部折返进入外导热管17，从外导热管17顶部排烟出口19排出，经排烟管道从烟囱14排入大气。具体的，所述燃烧器16采用自身预热式燃烧器，利用自身烧嘴燃烧产生的烟气来预热助燃空气，相比于传统的燃烧器，该自身预热式燃烧器能够循环利用烟气的热量预热助燃空气，减少天然气用量，降低成本，提高能源利用效率，达到节能的效果；而烧嘴由壳体、烧嘴内芯以及换热器三部分组成，采用模块化拼装设计，烧嘴本体采用高速燃烧组织火焰，火焰稳定性好，烧嘴运行调节比高。优化的，所述燃烧器16的换热器采用内外双翘片15的换热结构，可获得最高的换热效率，减少能耗。

所述抽提单元2包括水平抽提井、竖直抽提井以及连接水平抽提井和竖直抽提井的抽提管，抽提单元2埋设在污染土壤内，其作用是将加热后从土壤中挥发出来的气体进行收集后送至废气净化单元净化处理。优化的，将地上抽提管按坡度连接至废气净化单元，保证以最优的方式收集污染气体，并在抽气管的位置最低处设置排污口和阀门，用以收集固体物质防止管道堵塞。

如图1所示，所述废气净化单元包括用于对抽提废气进行降温的换热组件，对降温后抽提废气进行净化的尾气处理装置13，以及对换热降温的冷凝液进行处理的污水处理装置8；从抽提单元2中抽提出的抽提废气温度较高，且含有污染物，需对抽提废气进行降温、净化处理，抽提废气由抽提单元2抽出后进入换热组件进行降温，并脱除废气中的水蒸气，从换热组件排出的气体进入尾气处理装置13去除废气中残留的有机污染物，达到排放标准后排放，同时换热组件中收集的含污染物的冷凝液进入污水处理装置8进行处理。本实施例中，采用换热的方式对抽提废气进行降温，相较于传统喷淋降温的方式，不会增加污染废水的量，而且所用的冷却水能够循环利用，减小用水量，更加环保节能，降低废水治理成本。

具体的，所述换热组件包括采用常温水降温的一级换热装置3，以及采用冷水进行二次降温的二级换热装置9；高温抽提废气首先经过常温水降温可大幅度降低废气温度，再通过冷水进行二次降温，能够达到更好的降温效果，且可以降低能耗，减少冷水的用量。一级换热后常温水温度升高，通过风冷降温的方式对其降温，并进行循环利用；二级换热后冷水温度升高，通过冷水机降温的方式对其降温，并进行循环利用。所述一级换热装置3包括一级换热器4、一级气液分离器5、冷却塔6、循环水箱7，所述一级换热器4的进气口与抽提单元2相连，一级换热器4的出气口和一级气液分离器5相连，一级换热器4的出水口与冷却塔6入口相连，冷却塔6出水口同循环水箱7相连，循环水箱7出水口与一级换热器4入水口相连，形成回路；所述二级换热装置9包括二级换热器10、二级气液分离器12、冷水机11，所述二级换热器10的进气口与一级气液分离器5的出气口相连，二级换热器10出气口和二级气液分离器12进气口相连，冷水机11出入水口与二级换热器10相连，形成回路，二级气液分离器12的出气口和尾气处理装置13相连，一级换热器4、一级气液分离器5、二级换热器10、二级气液分离器12均与污水处理装置8相连。

所述尾气处理装置13可采用活性炭吸附装置，并通过两个分支管线分别连接燃烧器16和烟囱14，燃烧器16上设置用于接入土壤废气的废气焚烧接口20，对特定成分的抽提污染废气和通过活性炭净化仍不达标的抽提废气进行直接焚烧处理，在不影响净化效率的基础上降低了燃烧废气所用的天然气量，提高了净化效率，降低了工程成本。而传统原位热脱附的尾气净化设备，或采用单一活性炭吸附装置，在处理污染物浓度高的抽提废气时，处理成本高且不宜达标；或采用增加废气焚烧装置的方式，增加处理成本和能源消耗。

另外，采用上述节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统对污染土壤进行修复的具体过程如下：

(1)将一定比例的天然气和助燃空气分别经过天然气供应管路和空气供应管路进入燃烧器16内内混合，混合气体在燃烧器16的点火装置处被点燃后产生热烟气，热烟气成分为二氧化碳和水蒸气，热烟气从燃烧器16出来之后首先进入内导热管18，然后经内导热管18底部折返进入外导热管17，在此过程中，通过热传导作用加热区域内含污染物的土壤，土壤中的有机污染物被加热后，发生蒸腾、裂解等反应，从土壤中挥发出来。

(2)热烟气在导热管回路中完成对污染土壤加热后，从外导热管17顶部的排烟出口19排出，经由排烟管道通过烟囱14排入大气。而烟气在外导热管17内上升排出过程中，在燃烧器16的内外双翘片15段进行换热，可预热助燃空气，同时也可对排出烟气进行降温。

(3)步骤(1)中土壤挥发出的气态有机污染物由抽提单元2抽提，且抽提废气进入一级换热器4的气体进口，在一级换热器4中温度降至50~80℃由气体出口排出，随后进入一级气液分离器5，分离抽提废气中的大量水蒸气。一级换热器4和一级气液分离器5中产生的冷凝或分离废液全部进入污水处理装置8进行处理。用于换热的常温水在换热之后进入冷却塔6降温至常温，降温后进入循环水箱7，再回到一级换热器4换热，形成回路。

一级气液分离器5出来的抽提废气进入二级换热器10进行进一步降温，温度降低至50°c以下后排出，随后进入二级气液分离器12，分离抽提废气中的水蒸气。二级换热器10和二级气液分离器12中产生的冷凝或分离废液全部进入污水处理装置8进行处理。用于换热的冷水在换热温度升高之后返回冷水机11，冷却之后再进入二级换热器10，形成回路。

抽提废气从二级气液分离器12出来后进入尾气处理装置13进行净化，净化后达标的气体从烟囱14中排放，未达标的气体进入燃烧器16的废气焚烧接口20，抽提废气在燃烧器16火焰处焚烧，可将抽提废气中的污染物焚烧为二氧化碳和水蒸气。

综上所述，本发明提供的这种节能型有机污染土壤原位热脱附修复系统可用于修复治理多环芳烃、农药、石油烃、多氯联苯等各种挥发和半挥发性有机污染土壤，同时对污染浓度高、污染范围广、污染深度深等特点的污染土壤有很好的治理效果，且不受污染土壤土质的影响；该修复系统具有适应范围广、修复效果好、二次污染低、自动化程度高的特点，具有良好的环保效益及社会效益。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。