一种高效去除高沸点有机物的热脱附装置及其应用和方法与流程

本发明涉及热脱附技术领域，尤其是一种高效去除高沸点有机物的热脱附装置及其应用和方法。

背景技术：

土壤热脱附主要包括：①加热待处理污染土壤，使目标污染物成气态从土壤颗粒上挥发出来；②尾气处理：将挥发出来的气态目标污染物，经抽提系统抽提，冷凝、收集、焚烧或者化学氧化处理等方式处理至达标后排放到大气中(如图1)。

目前，我国有机物污染状况较为严重，且有机物污染对人体和环境所带来的危害，已经成为世界各国所关注的焦点，尤其是高浓度、高沸点有机物污染土壤，难以采用常规的氧化或多相抽提工艺进行修复。因此，土壤热脱附修复处理技术得到了较快发展，形成了大量的应用研究文献。但是，传统的异位热脱附装置存在烟气余热利用效率低，热损大，能耗高，加热时间较长，对高沸点有机污染物脱除效率和脱除率均较低等缺陷。

例如：专利号为cn201310126280.6的污染土壤的异位热脱附处理方法，公开了将污染土壤筛分、破碎、打堆，污染土壤土堆厚度均匀，污染土壤下置静压室，采用密闭保温层覆盖，在密闭保温层覆盖面上方设抽提主管，并联管道处设切换阀门，切换阀门调节部分或全部气体至接出的两路管道，一路为出风管接入吸附塔，一路为尾气回流管接入燃烧器进风口，燃烧器出口接集热罩，集热罩出口连接耐高温风机进风口，通过次风管接入静压室，排出的气体经过燃烧器回路循环再切换阀门，使排出的部分气体进入吸附塔；对挥发性/半挥发性有机物污染因子去除率可稳定在95％以上，实现对污染土壤气相抽提。但该技术方案使用时，是将燃烧器尾气经由堆土外部循环回流至燃烧器二次升温、燃烧之后利用，烟气余热利用效率较低；且燃烧器尾气直接注入污染土壤容易造成抽提气体温度过高，尾气处理过程中冷凝和吸附压力过大。

再例如：专利号为cn201721876845.2的异位燃气加热抽提一体式热脱附装置，包括燃气加热装置、多个加热抽提一体化井、尾气处理装置、电控装置，多个加热抽提一体化井水平平行排列，单个加热抽提一体化井包括燃气加热管、抽提井管、抽气泵，燃气加热管与燃气加热装置相连接，抽提井管套在所述燃气加热管外，抽提井管上设有抽提管口和通气管口，抽提管口处设有抽提控制阀，通气管口处设有通气控制阀，抽气泵与抽提管口相连；多个加热抽提一体化井所修复土壤区域的外周设有多个隔热板，隔热板上设有用于感应土壤温度的温度传感器。该装置将抽提井管套在燃气加热管外，抽提气体温度较高，热损失较大，能耗高，同时，采用加热抽提一体化井，热辐射面积有限，当一体化井较少时，难以将距离较远的土壤加热，致使热脱附效率和脱除效果不佳。

再例如：专利申请号为cn201910845846.8的异位土壤热脱附修复设备及其修复方法，公开了包括用于堆放待处理污染土堆的施工平台和用于铺设在待处理污染土堆顶部的保温层；所述施工平台自下而上依次设置混凝土层、隔热层、滤水层、土工布，所述滤水层中设置集水腔，所述集水腔中设置用于将水排出的潜水泵；所述保温层上铺设防渗膜；还设有用于插设至待处理污染土堆内部的抽水管、加热管和抽气管。该热脱附设备能够处理含水率较高的污染土壤，但存在加热时间过长，有机污染物脱除率和脱除效率较低，且在该设备运行较佳实施方案中显示，设备连续运行30d后，有机污染土壤中氯乙烯、三氯乙烯的浓度仅降低90％；且氯乙烯和三氯乙烯均是较低沸点的有机污染物，而对于高沸点有机污染物处理，则需要更长时间的加热，脱除效率和污染物脱除率均较低。

综上，在现有热脱附处理有机污染土壤设备，因设备结构设置不合理，导致热能再利用效率低，能耗较高；同时，对有机污染物热脱附效率和脱除率较低，难以降低高沸点有机物在土壤中的残留率。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种高效去除高沸点有机物的热脱附装置及其应用和方法。

具体是通过以下技术方案得以实现的：

本发明创造的目的之一在于高效去除高沸点有机物的热脱附装置，包括围挡，所述围挡外侧上安装有燃烧器，所述围挡内侧安装若干燃烧管组件和若干抽提组件，所述围挡内部用于装填污染土壤层，且在所述污染土壤层顶部设有密封组件，所述密封组件与所述围挡密封连接，所述密封组件顶部设有去尾气处理抽提管；所述燃烧器与所述燃烧管组件连接；所述围挡内侧，沿底部设有排烟管；所述排烟管一端穿出所述围挡，且与烟气处理组件连接；

所述抽提组件包括横向抽提组件和纵向抽提组件，其中，所述的横向抽提组件包括位于所述污染土壤层和所述密封组件之间的表层抽提组件及位于所述污染土壤层底部的底层抽提组件；所述纵向抽提组件是在所述污染土壤层内部呈纵向布置的若干纵向抽提管；所述横向抽提组件和所述纵向抽提组件均与所述去尾气处理抽提管连通，且在连接处设有阀门；

所述燃烧管组件包括上层燃烧管组件和下层燃烧管组件，且所述上层燃烧管组件和所述下层燃烧管组件之间相互平行或垂直；所述上层燃烧管组件和所述下层燃烧管组件均呈u型，且所述上层燃烧管组件和所述下层燃烧管组件一端与所述燃烧器连接，另一端设排烟口；所述排烟口与所述排烟管连通。

优选，所述的表层抽提组件包括横向设置在所述污染土壤层顶部的表层抽提管和与所述表层抽提管相互垂直连接的若干表层抽提支管；和/或所述底层抽提组件包括横向设置在所述污染土壤层底部的底层抽提管和与所述底层抽提管相互垂直连接的若干底层抽提支管；和/或所述纵向抽提管上设有若干纵向抽提支管。

优选，所述的纵向抽提管均匀分布在所述污染土壤层内部。

优选，所述的密封组件包括封闭在所述纵向抽提管与所述污染土壤层顶部伸出位置处，沿所述纵向抽提管圆周方向设置的密封层及浇筑在所述密封层和所述污染土壤层外部的混凝土层。

优选，所述的密封层和/或所述污染土壤层与所述混凝土层之间设有保温层。

优选，所述的围挡内壁设有保温层和/或所述排烟管与所述围挡紧贴面上设有保温层。

优选，所述燃烧管组件包括连接所述燃烧器端的加热管和连接所述排烟管端的余热利用管，且所述余热利用管和所述加热管之间经u型连接管连通。

优选，所述的u型连接管与所述余热利用管连接点处经套管连接；所述的u型连接管与所述加热管连接点处经套管连接。

经所述横向抽提组件和所述纵向抽提组件均与所述去尾气处理抽提管连通，且在连接处设有阀门，实现对抽提流量及抽提管路的控制。采用表层抽提组件和底层抽提组件以及纵向抽提组件，实现对污染土壤层内部、底部、表层所挥发出来的气体进行及时抽提，使得在土壤层内部形成微负压，降低污染土壤内部高沸点有机污染物沸点，使其在较低温度下挥发逃逸出来，提高热脱附效率和热脱附脱除率，改善对污染土壤处理效果。其抽提管路经过外部连接尾气处理组件，实现从污染土壤中挥发出来的有机物成分，经冷凝器冷凝，实现高沸点有机物和低沸点有机物分离，高沸点有机物利用废水处理系统经化学氧化处理技术处理达标后排放；而不凝气体或低沸点有机物经真空泵泵入废气处理系统，经臭氧催化氧化分解之后，经活性炭吸附后达标排放。

本发明创造在实际应用过程中，是将围挡设计并安装在密闭大棚内，在密闭大棚顶端设废气收集管，废气收集管将堆土过程中的废气及时收集进入废气处理系统中处理达标后排放，同时，可以避免在加热过程中逃逸的有机废气污染环境，提高环保效率。

本发明创造的目的之二在于提供上述高效去除高沸点有机物的热脱附装置在含高沸点有机污染物土壤修复中应用。

本发明创造的目的之三在于高效去除高沸点有机物的热脱附处理方法，包括以下步骤：

步骤1：按照上述装置结构，安装高效去除高沸点有机物的热脱附装置；

步骤2：将污染土壤原土输送到所述围挡内，压实形成污染土壤层，采用密封组件密封污染土壤层顶部，开启燃烧器，燃烧器燃烧热量经u型燃烧管组件，与污染土壤层进行热交换，开启抽提组件，抽提废气进入废气处理系统处置达标排放。加热至土壤中污染物浓度达标即可完成。

与现有技术相比，本发明创造的技术效果体现在：

本发明创造结构简单，应用方便，而且能够对高沸点有机物污染土壤实现热脱附处理，降低污染土壤中的污染成分含量，提高脱除率，且经装置应用试验研究，其2,4-二硝基氯苯脱除率达100％，对六氯苯脱除率达97.9％以上，对2,4-二硝基苯酚脱除率达100％，对1,2,4-三氯苯脱除率达99.8％以上；对沸点高达325℃的持久性有机物六氯苯的脱除率达到了97.9％以上，大幅度降低了污染土壤中有机物残留率，提高了污染土壤的改善效果。

具体体现在：

①采用呈u型的燃烧管组件，增大了单位体积土壤堆内热辐射面，增加了热交换效率，节约了能耗，提高了土壤升温速率；

②利用围挡以及堆土完成之后的密封盖密封处理，使得位于围挡内的抽提组件对围挡内部进行抽提处理时，使得土壤堆体内部保持微负压，降低高沸点有机物的去除温度，经围挡四周保温处理，能减少土壤堆体与外界的热交换，降低能耗；

③设置横向抽提和纵向抽提，并设有压力监测系统，根据土壤升温及污染物去除情况，切换并控制各抽提管路流量，既保证土体中的气态污染物及水蒸气能及时抽提，又降低土壤热损耗，实现最优抽提。

④抽提管割缝不均匀布置，靠近真空泵一端疏，远离真空泵一端密，有效提高抽提管端部的气体捕集能力，及时将气态污染物收集进入废气处理系统。

附图说明

图1为土壤热脱附原理示意图。

图2为本发明创造热脱附装置正视结构示意图。

图3为局部剖视结构示意图。

图4为图2a部分剖视结构示意图。

图5为燃烧管组件俯视结构示意图。

图6为燃烧管组件侧视结构示意图。

图7为图3b部分放大结构示意图。

图8为图3c部分放大结构示意图。

1-去尾气处理抽提管2-燃烧器3-围挡4-移动门5-纵向抽提支管6-表层抽提支管7-纵向抽提管8-表层抽提管9-上层燃烧管组件10-下层燃烧管组件11-排烟管12-混凝土层13-保温层14-底层抽提支管15-底层抽提管16-连接管17-支撑架18-控制箱19-余热利用管20-套管21-u型连接管22-加热管23-法兰组件24-密封层25-排烟口26-螺栓27-墙板28-隔热层29-铁丝网30-污染土壤层。

图9为本发明创造工艺流程示意图。

图10为本发明创造装置处理污染土壤原土检测报告。

图11为本发明创造装置处理污染土壤出土检测报告。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。

如图2-8所示，在该实施例中，高效去除高沸点有机物的热脱附装置，包括围挡3，所述围挡3外侧上安装有燃烧器2，所述围挡3内侧安装若干燃烧管组件和若干抽提组件，所述围挡3内部用于装填污染土壤层30，且在所述污染土壤层30顶部设有密封组件，所述密封组件与所述围挡3密封连接，所述密封组件顶部设有去尾气处理抽提管1；所述燃烧器2与所述燃烧管组件连接；所述围挡3内侧，沿底部设有排烟管11；所述排烟管11一端穿出所述围挡3，且与烟气处理组件连接；

所述抽提组件包括横向抽提组件和纵向抽提组件，其中，所述的横向抽提组件包括位于所述污染土壤层30和所述密封组件之间的表层抽提组件及位于所述污染土壤层30底部的底层抽提组件；所述纵向抽提组件是在所述污染土壤层30内部呈纵向布置的若干纵向抽提管17；所述横向抽提组件和所述纵向抽提组件均与所述去尾气处理抽提管1连通，且在连接处设有阀门；

所述燃烧管组件包括上层燃烧管组件9和下层燃烧管组件10，且所述上层燃烧管组件9和所述下层燃烧管组件10之间相互平行或垂直；所述上层燃烧管组件9和所述下层燃烧管组件10均呈u型，且所述上层燃烧管组件9和所述下层燃烧管组件10一端与所述燃烧器2连接，另一端设排烟口25；所述排烟口25与所述排烟管11连通。

在建造时：采用5mm厚的钢板作为围挡3基本材料，焊接时要求满焊不漏，作为热脱附加热处理容器，以供容纳高沸点有机物污染土壤原土，且在该容器中安装燃烧管组件和抽提组件；在某些操作实施例中，且在围挡3一侧边上设移动门，方便将围挡3打开与关闭，实现污染土壤的送入堆放和处理后土壤的运输排出，方便对污染土壤的操作。所述的燃烧器可以为电燃烧器或天然气燃烧器，在某些制作实施例中，可以制作用于控制燃烧器2的控制箱18，具体控制程序参照现有技术中公知常识或者常规技术手段加以实现即可，以实现对热交换过程的温度进行控制。

本发明创造的燃烧管组件是在生产区域提前制作完成，采用直接与燃烧器2连接的加热直管作为加热管，且与加热管同规格设计一根管道作为余热利用管19，且余热利用管19与加热管进行平行设计安装在围挡3的内部，采用螺栓、螺钉以及法兰组件23等配合，连接成整体，在加热管与余热利用管19的另一端采用u型管作为u型连接管连接，使得加热管、u型连接管、余热利用管19形成较大的u型管结构，实现燃烧器所燃烧的热量经加热管与污染土壤热交换之后，能够经u型连接管回转至余热利用管19内，实现对余热利用管19的余热回收利用，降低燃烧器产生热能的损耗量，降低污染土壤加热处理成本。在燃烧管组件制备过程中，加热管采用耐高温的310s的不锈钢管，余热利用管19和u型管采用碳钢钢管。

抽提组件采用碳钢钢管制备，利用切割机切割成2-3mm的缝，缝与缝之间错开布置，相邻两缝之间间距在50mm左右，制备成抽提管之后，其外围采用不锈钢丝编织成钢丝网包裹，有利于提高强度，在更加的优异的实施方式中，对于制备成的抽提管的上的缝，从去尾气处理抽提管1端开始，逐渐远离端，其缝的密度逐渐增大。在某些操作中，对于制备成的抽提管的端部进行封闭处理。

在燃烧管组件以及燃烧器、排烟管等部分与围挡壁接触、贯通穿出所接触位置上所利用的法兰、螺栓均采用隔热垫隔热处理，隔热垫为常规原料。

本发明创造实际运行过程中，采用的横向抽提组件分为两层：距离底部约50cm处设置第一层，即就是底层抽提组件；在污染土壤层表层设第二层，即就是表层抽提组件。纵向抽提组件根据堆体尺寸，每隔两米设置一排纵向抽提管，纵向抽提管位置位于两台燃烧器2中间，每排纵向抽提管在堆体顶部设置一根纵向抽提总管。排烟口25与排烟管11之间经过连接管16对应连通。在某些围挡3一侧面开设移动门4，在开设移动门4后，在外侧设支撑架17，增强稳定性。

所述横向抽提组件和所述纵向抽提组件均与所述去尾气处理抽提管1连通，且在连接处设有阀门；可根据升温情况实现对抽提管路的切换。其抽提管路经过外部连接尾气处理组件，实现对有机废气的达标排放。

在围挡3内铺设保温层，并用不锈钢钢丝固定，采用的保温材料为纳米气凝胶毡，具有憎水型和防火性，其特点是导热系数低，有一定的抗拉及抗压强度。

利用挖掘机、铲车等作业，将污染土壤堆土到围挡3内，并压实，堆土完成之后，覆盖保温层，并采用水泥等材料密封覆盖表层，形成如图3所示结构。在堆土内部，抽提管与堆体表面之间的接触面上设有密封层24，防止漏气现象，提高堆土层内的密封性。

如图7所示，所述围挡3包括螺栓26、墙板27、隔热层28、铁丝网29，从外侧到内侧依次是利用不锈钢板焊接的墙板27，贴紧墙板27内侧壁上安装一层隔热层28，例如纳米气凝胶毡等，再利用不锈钢丝或者铁丝编织成网状，贴附在隔热层28内侧壁上，利用螺栓26将墙板27、隔热层28、铁丝网层29扣紧形成整体，即可作为围挡。

如图2、图3所示，在该实施例中，所述的表层抽提组件包括横向设置在所述污染土壤层30顶部的表层抽提管8和与所述表层抽提管8相互垂直连接的若干表层抽提支管6；和/或所述底层抽提组件包括横向设置在所述污染土壤层30底部的底层抽提管15和与所述底层抽提管15相互垂直连接的若干底层抽提支管14；和/或所述纵向抽提管17上设有若干纵向抽提支管5。实现了均匀分布在围挡3内部，实现对污染土壤内部气体、污染物蒸汽以及挥发分的快速抽提，极大程度降低污染土壤堆内部压力，保障污染土壤处于负压状态环境中被加热脱除。

在该实施例中，所述的纵向抽提管17均匀分布在所述污染土壤层30内部。

如图8所示，在该实施例中，所述的密封组件包括封闭在所述纵向抽提管17与所述污染土壤层30顶部伸出位置处，沿所述纵向抽提管17圆周方向设置的密封层24及浇筑在所述密封层24和所述污染土壤层30外部的混凝土层12。防止了纵向抽提管17伸出污染土壤层30的外表面时，导致漏气现象。密封层24采用硅酸盐水泥配制而成。

在该实施例中，所述的密封层24和/或所述污染土壤层30与所述混凝土层12之间设有保温层13。提高保温性，降低能耗。保温层13为常规材料制备而成，例如纳米气凝胶毡。

在该实施例中，所述的围挡3内壁设有保温层13和/或所述排烟管11与所述围挡3紧贴面上设有保温层13。提高了密封性，极大程度避免了污染土壤堆加热过程漏气、漏液，降低了环境污染率，也保障了污染土壤堆内部压力能够被抽提组件抽提至负压状态，加快对污染土壤处理效率。

在该实施例中，所述的燃烧管组件包括连接所述燃烧器2端的加热管22和连接所述排烟管11端的余热利用管19，且所述余热利用管19和所述加热管22之间经u型连接管21连通。实现了u型管热胀冷缩调节，避免受热之后膨大，冷却之后缩小，导致连接处胀裂，难以实现二次利用的缺陷。所述的u型连接管21与所述余热利用管19连接点处经套管20连接；所述的u型连接管21与所述加热管22连接点处经套管20连接。

本发明创造的燃烧管组件在安装时候，对于上层燃烧管组件9安装时，其u型管开口朝向在呈纵向布置垂直于围挡3内壁，且垂直于围挡3内部底面，如图3所示；对于下层燃烧管组件10安装时，其u型管开口朝向在呈横向布置垂直于围挡3内壁，且平行于围挡3内部底面。实现了均匀加热污染土壤堆，提高对污染土壤堆污染有机物脱除效率和脱除率。利用上层燃烧管组件9和下层燃烧管组件10上下布置，有利于提高污染土壤层30堆层的高度，增大污染土壤处理量。

上述高效去除高沸点有机物的热脱附装置在含高沸点有机污染物土壤修复中应用。尤其适用于对含高沸点有机物的污染土壤的处理，也能够适应于高含水率、高沸点有机物污染土壤的处理。且能够在低于六氯苯成分沸点温度下，使得六氯苯脱除率达到97.9％以上。

一种高效去除高沸点有机物的热脱附处理方法，包括以下步骤：

步骤1：按照上述装置结构，安装高效去除高沸点有机物的热脱附装置；

步骤2：将污染土壤原土输送到所述围挡3内，压实形成污染土壤层30，采用密封组件密封污染土壤层30顶部，开启燃烧器2，燃烧器2燃烧热量经u型燃烧管组件，与污染土壤层30进行热交换，开启抽提组件，抽提废气进入废气处理系统处置达标排放。加热至土壤中污染物浓度达标即可完成。抽提组件经去尾气处理抽提管1与外部尾气处理系统进行连接，经冷凝器冷凝，实现高沸点有机物和低沸点有机物分离，高沸点有机物利用废水处理系统经化学氧化处理技术处理达标后排放；而不凝气体或低沸点有机物经真空泵泵入废气处理系统，经臭氧催化氧化分解之后，经活性炭吸附后达标排放。

装置应用试验：

检测方法：

2,4-二硝基氯苯：危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别gb5085.3-2007附录k固体废物半挥发性有机物化合物的测定气相色谱-质谱法；

六氯苯：semivolatileorganiccompoundsbygaschromatography/massspectrometry(半挥发性有机物的测定气象色谱-质谱法)epa8270e-2018；

2,4-二硝基苯酚：土壤和沉积物酚类化合物的测定气相色谱法hj703-2014；

1,2,4-三氯苯：土壤和沉积物挥发性有机物的测定吹扫捕集-气相色谱-质谱法hj605-2011；

仪器：

gc-2014气相色谱仪h458；

gc-2014气相色谱仪h050；

7890b/5977b气相色谱-质谱联用仪h275；

gcms-qp2010se气相质谱仪h129。

试验检测单位：宁波远大检测技术有限公司。

试验原土检测时间：2020年03月27日-2020年04月07日。

试验出土检测时间：2020年4月10日-2020年04月15日。

送样为受到污染的原土壤和经过上述装置以及在上述温度范围内处理10d后的出土土壤。

原土取样方式为：随机取土3份，并标号为东堆原土1#、2#、3#，其中东堆原土是表达的在对污染土壤处理前后的所在处理厂摆放位置。出土取样方式同原土取样方式。

试验样品提供单位：湖南碧蓝环保科技有限责任公司。

处理方法是将原土采用挖掘机或者铲机送入安装好燃烧管组件、燃烧管组件以及抽提组件的围挡内，并按照分层、分区布置，一层一层压实密封，在堆土完成之后，将移动门关闭密封，并采用水泥等密封材料将土堆顶端浇筑密封完整，再开启燃烧管组件加热，同时开启抽提组件，实现对土堆内的气体浸出抽提出来，进入到冷凝器中冷凝，实现高沸点有机物、低沸点有机物分离，并对高沸点有机物和低沸点有机肥分别处理排空，即可。具体详尽内容，参照本发明创造附图内容以及上述说明书具体实施方式所阐述的相关内容，以及本领域技术人员所熟知的公知常识、常规技术手段或者现有技术中的相关知识加以实现。

检测内容：对土壤样品性状和污染因子进行检测，污染因子：2,4-二硝基氯苯、六氯苯、2,4-二硝基苯酚、1,2,4-三氯苯。土壤样品性状为：暗灰色。

污染因子检测结果(如图10和图11所示)：

表1四种污染因子处理前后含量变化情况

由表1的数据显示可见，本发明创造经过对受到2,4-二硝基氯苯、六氯苯、2,4-二硝基苯酚、1,2,4-三氯苯等有机物污染的土壤进行异位堆土加热处理，能在较短的时间使目标污染物的去除效率达到97.9％以上，极大的节约了能源，提高了热脱附效率，为土壤中高沸点有机污染物的去除提供了一种新方法。

如图9所示，对于本发明创造装置中的燃烧管组件所燃烧的烟气经过与污染土壤换热排出之后，按照常规废气处理方法进行处理至达标，即可排放；对于污染土壤中的有机物成分，经热交换加热挥发出来之后，经抽提组件抽提至冷凝器中，高沸点有机物经冷凝进入冷凝废水中，不凝气体进入尾气处理系统。本热脱附装置产生的废气、废水可以按照常规技术手段以及本领域技术人员所熟知的公知常识加以解决即可，例如：采用化学氧化对废水进行处理；采用催化氧化及吸附对降温后的废气进行处理，均能达标排放。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。