＊高衛(wèi)國(guó) 鈕國(guó)耀 邢紹考

（1.上海寶發(fā)環(huán)科技術(shù)有限公司 上海 201999 2.寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司 上海 201999 3.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 上海 200444）

土壤污染嚴(yán)重，在現(xiàn)有的土壤修復(fù)技術(shù)中，熱脫附技術(shù)由于處理周期短、污染物去除率高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于修復(fù)有機(jī)污染土壤[1-2]。熱脫附技術(shù)按照處理區(qū)域可分為原位熱脫附和異位熱脫附。對(duì)于污染物濃度高，污染面積小，修復(fù)目標(biāo)低的污染場(chǎng)地，常采用原位熱脫附進(jìn)行修復(fù)[3]，但修復(fù)周期往往很長(zhǎng)，修復(fù)成本也較高[4-5]。工業(yè)企業(yè)搬遷后，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，需要在較短時(shí)間內(nèi)完成修復(fù)，不適宜采用修復(fù)周期長(zhǎng)的技術(shù)，異位熱脫附是這類(lèi)場(chǎng)景下的常用技術(shù)[6-7]。

《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》明確提出推進(jìn)節(jié)能降耗和污染物深度治理的要求，針對(duì)熱脫附修復(fù)污染土壤能源消耗大的問(wèn)題，亟需提出熱脫附節(jié)能降耗舉措[8-9]?，F(xiàn)階段，熱脫附節(jié)能降耗的研究主要是以探究高溫?zé)煔庥酂峄厥绽煤屯寥佬再|(zhì)對(duì)能耗的影響兩方面內(nèi)容為重點(diǎn)，通過(guò)降低加熱溫度，減少加熱時(shí)間，添加增效材料以降低能源消耗[10-11]。鋼鐵工業(yè)是我國(guó)重要的基礎(chǔ)行業(yè)，隨著產(chǎn)鋼量的增加，鋼鐵廢物的產(chǎn)量也大幅增加，鋼鐵廢物資源再利用是節(jié)能降耗的重要舉措[12]。鋼鐵廢物中含有Fe2O3、CaO、Ca(OH)2等大量具有增強(qiáng)熱脫附效果的成分，將鋼鐵廢物作為添加劑增強(qiáng)熱脫附具有良好的發(fā)展前景?，F(xiàn)對(duì)熱脫附能源消耗和節(jié)能措施，以及鋼鐵廢物協(xié)同熱脫附應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行分析和討論。

1.熱脫附工藝能耗分析和節(jié)能措施

熱脫附工藝段各裝置熱損失和管道輸送高溫?zé)煔膺^(guò)程中的熱損失不可避免且難以利用。熱脫附修復(fù)污染土壤完成后，修復(fù)后的潔凈土壤溫度較高，攜帶有大量熱能，這部分熱能可采用換熱器回收利用，但不具備經(jīng)濟(jì)性[13]。

通常在熱脫附單元利用后的高溫?zé)煔馕唇?jīng)利用直接排放，會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)[14-15]。在原位熱脫附中這部分燃燒后的高溫?zé)煔饪赏ㄈ肓硪慌撮_(kāi)始運(yùn)行的加熱井中預(yù)熱土壤，實(shí)現(xiàn)對(duì)余熱的再利用[3]。從土壤中脫離出的污染氣體進(jìn)入抽提管，通過(guò)抽提管輸送至燃燒器中，燃燒分解污染物，減少尾氣處理成本[15]。

異位熱脫附按照加熱方式可分為直接接觸加熱和間接接觸加熱。直接接觸加熱使土壤升溫至目標(biāo)溫度，將土壤中的污染物脫離出來(lái)與高溫?zé)煔饣旌吓懦?，二燃室高溫燃燒去除其中的污染物[13]。高溫?zé)煔庵袛y帶有大量的熱能，可回用于預(yù)熱土壤或預(yù)干燥土壤。間接接觸加熱中高溫?zé)煔馕磁c污染物混合，該部分尾氣量少，攜帶熱能少，不具備回收價(jià)值[16]。為減少煙氣熱能損失，高溫?zé)煔饪赏ㄟ^(guò)兩種途徑回收利用，途徑一是采用煙氣回用裝置用于預(yù)熱土壤或預(yù)干燥土壤[13]；途徑二是將熱脫附單元出口高溫?zé)煔饣剌斨良訜釂卧?，繼續(xù)加熱至目標(biāo)溫度[16]。

2.土壤性質(zhì)對(duì)能耗的影響和節(jié)能措施

土壤性質(zhì)會(huì)對(duì)能耗產(chǎn)生重要影響。熱脫附修復(fù)初始含水率高的土壤會(huì)消耗一部分熱能用于水分蒸發(fā)[17]。黃海等[18]在熱脫附修復(fù)PAHs污染土壤中發(fā)現(xiàn)，修復(fù)后土壤攜帶和水分蒸發(fā)消耗的熱能占輸入熱能的60%以上。許優(yōu)等[13]在熱脫附工藝段增設(shè)土壤預(yù)干燥裝置，發(fā)現(xiàn)土壤初始含水率從20%降低到15%時(shí)，熱脫附能耗降低了20%?？蓪?duì)土壤進(jìn)行預(yù)干燥，將土壤初始含水率降低到合適的水平節(jié)約熱脫附過(guò)程中的能源消耗。

不同類(lèi)型的土壤會(huì)對(duì)熱脫附能源消耗產(chǎn)生不同的影響。Falciglia P P等[19]在熱脫附修復(fù)柴油污染土壤中發(fā)現(xiàn)，相比于細(xì)砂、黏土，粗砂由于傳熱受限，需要提高加熱溫度和增長(zhǎng)加熱時(shí)間才能達(dá)到較高的去除效率。傅海輝等[20]在多溴聯(lián)苯醚污染土壤熱脫附實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒由于粒間孔隙度小，需要延長(zhǎng)加熱時(shí)間使污染物從土壤中脫離出來(lái)。根據(jù)土壤實(shí)際情況，可添加含鐵材料增加傳質(zhì)傳熱，添加堿金屬緩解土壤團(tuán)聚等措施對(duì)土壤進(jìn)行預(yù)處理，減少加熱時(shí)間。

3.鋼鐵廢物資源再利用

隨著鋼鐵產(chǎn)量的增加[12]。鋼鐵廢物主要有鋼渣、脫硫灰和除塵灰等。目前，鋼鐵廢物資源再利用途徑主要有兩種，一種是作為建筑材料等使用，另一種是作為煉鋼溶劑等循環(huán)再利用[12]。鋼鐵廢物中FeO、Fe2O3等鐵氧化物具有良好的導(dǎo)熱系數(shù)，添加到土壤中能夠提高土壤的導(dǎo)熱性能，促進(jìn)有機(jī)污染物的去除。在熱解重?zé)N污染土壤過(guò)程中添加Fe2O3能夠降低反應(yīng)所需要的活化能，顯著提高熱解效率[21]。

鋼鐵廢物主要成分，如表1所示。

鋼鐵廢物中含有的Fe2O3[21]、CaO[22-23]、Ca(OH)2[24]、CaCO3[2,25]等成分已被證實(shí)對(duì)熱脫附具有增強(qiáng)效果。Liu Y 等[21]提出添加Fe2O3催化熱解重?zé)N污染土壤，結(jié)果表明：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% Fe2O3可使加熱溫度降低100℃以上。史志鵬[22]和邵志國(guó)等[23]以生石灰為添加劑在油基鉆屑熱脫附過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%混合比例的生石灰協(xié)同作用最顯著，使熱脫附總能耗降低了20%。戴夢(mèng)嘉[24]將Ca(OH)2作為添加劑強(qiáng)化修復(fù)重?zé)N污染土壤，研究結(jié)果表明：停留時(shí)間為30min，相比于未添加Ca(OH)2，TPH去除率達(dá)到79.0%時(shí)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的Ca(OH)2使熱解溫度降低約50℃。Chen等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在300℃加熱20min，添加10%的蛋殼，PAHs去除效率從91.7%提高到96.0%。

各類(lèi)熱脫附增效材料主要通過(guò)如下途徑發(fā)揮作用：（1）添加劑均勻分散添加到土壤中可以提高土壤的導(dǎo)熱性能并降低反應(yīng)所需要的活化能。（2）添加劑能夠?qū)ν寥肋M(jìn)行調(diào)質(zhì)，降低土壤的水分和粘結(jié)性，防止土壤團(tuán)聚。（3）催化裂解作用。

鋼鐵廢物中含有少量MnO、V2O5、TiO2、ZnO等成分，這些成分在熱脫附完成后會(huì)有部分殘留到土壤中，對(duì)土壤產(chǎn)生不利影響。吳碧瑩等[26]在探究納米二氧化鈦對(duì)水稻的毒性研究中發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦被水稻吸收后，會(huì)減少水稻對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，從而抑制水稻生長(zhǎng)并影響水稻品質(zhì)。邢勝濤等[27]發(fā)現(xiàn)氧化錳對(duì)氯苯酚的吸附率隨著pH和離子強(qiáng)度的增大而減小，氧化錳在土壤中會(huì)吸附對(duì)氯苯酚，增大污染物的去除難度。為減小有毒雜質(zhì)對(duì)熱脫附后潔凈土壤的影響，可通過(guò)吸附、提取等方式去除鋼鐵廢物中的有毒雜質(zhì)，如利用鋼鐵企業(yè)中富余的資源如副產(chǎn)物煤氣作為熱源，采用火法等方法脫除鋼鐵廢物中的Pb，ZnO等雜質(zhì)[28-29]，然而這類(lèi)工藝也會(huì)提高鋼鐵廢物在熱脫附工藝中應(yīng)用的成本，且效果有限。因此在運(yùn)用鋼鐵廢物作為熱脫附增效材料是應(yīng)當(dāng)表征鋼鐵廢物的化學(xué)組成，采用重金屬等污染物質(zhì)含量較小的鋼鐵廢物和控制鋼鐵廢物添加量，從源頭降低修復(fù)后土壤再利用的環(huán)境和人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)。

4.結(jié)論

本文對(duì)熱脫附能耗進(jìn)行分析，總結(jié)了相應(yīng)的節(jié)能降耗措施，并對(duì)鋼鐵廢物協(xié)同熱脫附的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論。

（1）熱脫附工藝能耗嚴(yán)重，高溫?zé)煔庥酂嵛闯浞掷?，可通過(guò)三種方式節(jié)約能耗。首先，高溫?zé)煔庥酂峥赏ㄟ^(guò)煙氣回用裝置用于預(yù)干燥土壤。其次，高溫?zé)煔饣剌斨良訜釂卧^續(xù)加熱至目標(biāo)溫度。最后，燃燒后的高溫?zé)煔饪赏ㄈ肓硪慌撮_(kāi)始運(yùn)行的加熱井中預(yù)熱土壤，實(shí)現(xiàn)對(duì)余熱的再利用。

（2）土壤中初始含水率過(guò)高，蒸發(fā)吸收熱能，增大熱脫附修復(fù)成本，可通過(guò)對(duì)土壤進(jìn)行預(yù)處理，降低土壤初始含水率以節(jié)約能耗。對(duì)于不同類(lèi)型的土壤可以通過(guò)粉碎研磨，添加含鐵材料增加傳質(zhì)傳熱，添加堿金屬緩解土壤團(tuán)聚等措施減少能源消耗。

（3）鋼鐵廢物含有大量具有增效成分，可將鋼鐵廢物作為添加劑增強(qiáng)熱脫附。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮將鋼鐵廢物與CaO等具有增效作用的添加劑復(fù)配，選擇合適的復(fù)配比例協(xié)同熱脫附，同時(shí)充分考慮鋼鐵廢物中雜質(zhì)對(duì)熱脫附后土壤的影響。