熱脫附在石化行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

郭永昌

摘 要：隨著我國石化行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，原油開采和煉化過程積累了大量含油污泥亟待處置，同時化工企業(yè)搬遷遺留了一大批有機(jī)污染場地亟待修復(fù)。熱脫附技術(shù)以其快速、高效等顯著特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。

關(guān)鍵詞：有機(jī)污染場地治理;含油污泥處置;熱脫附技術(shù)

熱脫附熱處理工藝的一種，主要應(yīng)用在揮發(fā)、半揮發(fā)有機(jī)物污染的土壤修復(fù)、含油污泥處理。熱脫附已經(jīng)廣泛用于處理焦油污染土壤、煉廠廢物、木材處理廢物、木榴油污染土壤、烴污染土壤、非氯化VOC、SVOC、PAH、PCB、殺蟲劑、混合（放射性和危險）廢物、合成橡膠處理廢物、油漆廢物。熱脫附系統(tǒng)采用的床溫（170～550℃）和停留時間將選擇的污染物蒸發(fā)出來，去除水分，但是，通常不會氧化或降解有機(jī)物。

1 熱脫附

真空蒸餾用于油氣生產(chǎn)行業(yè)含汞污泥、電池、催化劑、活性炭過濾器、溫度計、牙科廢物、熒光燈管、噴砂和土壤。在一個熱土壤修復(fù)廠，處理量2t/h，汞的原始蒸汽濃度高達(dá)20mg/Nm3，報告的最大去除率99.9%。經(jīng)過熱處理，土壤中的汞含量（1～300mg/kg）降低到5mg/kg以下。另一個處理報告了結(jié)果，汞排放到大氣的百分比為0.0015%。方位范圍0.04～0.2mg/Nm3。在含汞污泥（1～4%）汞的蒸餾中，汞的回收率達(dá)到99.5%。

熱脫附屬于非氧化工藝，通過給污染土壤、沉淀物、漿體、濾餅等材料加熱，去除（蒸發(fā)）揮發(fā)性污染物（如油和溶劑）。熱脫附也會同時蒸發(fā)出材料中的水分，因此，熱脫附也有“干燥器”的功能。熱脫附蒸發(fā)揮發(fā)和半揮發(fā)物?？扇菀椎厝コp質(zhì)烴、芳烴和其他揮發(fā)有機(jī)物，但是，不容易去除重質(zhì)量化合物，如多環(huán)芳烴。低溫?zé)崦摳酵ǔ５倪\(yùn)行溫度250～350℃，足以處理含輕質(zhì)烴、芳烴（BTEX）和其他揮發(fā)性有機(jī)物。高溫系統(tǒng)運(yùn)行溫度可達(dá)520℃，可降低廢物的重質(zhì)化合物濃度，如多環(huán)芳烴。

熱脫附工藝采用常規(guī)的Holo-Fliter間接加熱熱脫附裝置，是有效的廢物減量最少化工藝，或者是達(dá)到最佳驗證使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最終處理方案。干燥器采用一種封閉、非接觸循環(huán)換熱特體，提高處理的固體的溫度。加熱介質(zhì)通過螺旋數(shù)總器的中空漿連續(xù)循環(huán)，通過所有的螺旋長度，通過每個軸的中心回到加熱器。加熱的液體特通過腔的夾套循環(huán)，增加促進(jìn)揮發(fā)的“傳熱面積”。采用的加熱液體為導(dǎo)熱油，最高溫度650℉。但是，可采用蒸汽替代干燥器中的導(dǎo)熱油，根據(jù)現(xiàn)場的條件做出最后的決定。熱處理器設(shè)計接收干燥器的固體殘渣，處理和去除半揮發(fā)性有機(jī)物。標(biāo)準(zhǔn)的處理器包括專利改進(jìn)，提高高沸點(diǎn)有機(jī)物的去除率，減少所需的固體停留時間。系統(tǒng)能夠處理與處理后的濾餅，固體出口溫度高達(dá)900℉。這一系統(tǒng)的加熱介質(zhì)為采用電或燃料油/氣燃燒加熱器加熱的熔融鹽。

驗證試驗包括質(zhì)處理PAH物質(zhì)污染的土壤。污染土壤代表了焦化爐和制氣廠運(yùn)行的污染。土壤樣品非常不均勻，總石油烴和PAH濃度變化很大。所有樣品的平均值表明，材料有機(jī)物含量較高。

從1995年2月22日到25日，USEPA驗證德國處理前煤氣化廠的土壤熱脫附系統(tǒng)。土壤為粉砂。受到高濃度總可回收石油烴、熒蒽、芘、菲、萘和其他多環(huán)芳烴、苯、甲苯、乙苯、總二甲苯、某些金屬的污染。工藝包括三個部分：機(jī)械制備、熱脫附和煙氣處理。系統(tǒng)全自動運(yùn)行，含水20%時的最大處理量6.5t/h。干燥裝置排出的土壤溫度125～131℃。

2 熱脫附技術(shù)原理

熱脫附技術(shù)是指在真空條件下或通入載氣時，通過直接或間接的熱交換，將土壤中的有機(jī)物加熱到足夠溫度，以使有機(jī)污染物從污染介質(zhì)上得以揮發(fā)或分離，進(jìn)入氣體處理系統(tǒng)的過程。

從定義分析，熱脫附包括加熱和氣體處理兩個核心過程，關(guān)鍵在于污染物受熱揮發(fā)后與基質(zhì)分離。揮發(fā)是一個不發(fā)生物質(zhì)變化的物理過程，所以熱脫附中有機(jī)物只是從固相或者液相變?yōu)闅庀啵镔|(zhì)并不發(fā)生改變。這一點(diǎn)是區(qū)分熱脫附與焚燒技術(shù)的關(guān)鍵。

3 熱脫附技術(shù)分類

根據(jù)加熱方式的不同，熱脫附分為直接熱脫附和間接熱脫附兩類。直接熱脫附是指高溫?zé)煔馀c物料直接接觸加熱，優(yōu)點(diǎn)是傳質(zhì)傳熱效率高，缺點(diǎn)是尾氣量大，處理流程長，成本高。直接熱脫附尾氣凈化常用工藝是：二燃室--急冷--除塵--脫酸。間接熱脫附是指高溫?zé)煔馀c物料不直接接觸，優(yōu)點(diǎn)是安全穩(wěn)定、流程短、成本低，缺點(diǎn)是效率低。間接熱脫附氣不與燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨佑|，成分單一，處理簡單，常用工藝是：噴淋洗滌--吸附。

4 熱脫附技術(shù)優(yōu)勢

熱脫附技術(shù)適用于VOCs、SVOCs、PAHs、TPH等有機(jī)污染物的處理，在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

目前環(huán)境修復(fù)主流技術(shù)有生物法、化學(xué)法和熱法。

熱脫附技術(shù)是“熱法”中除焚燒以外最典型技術(shù)之一，它既有“化學(xué)法”的效率高，又有“生物法”的安全徹底。其應(yīng)用范圍非常廣，而且不具有選擇性，多種有機(jī)物混合污染的工況也沒有問題。熱脫附去除效率通?？梢赃_(dá)到85%以上，劉新培等針對有機(jī)污染土壤修復(fù)熱脫附技術(shù)研究數(shù)據(jù)顯示，典型揮發(fā)性有機(jī)物去除率在95%以上。

5 熱脫附的處理對象

石化行業(yè)中，熱脫附的處理對象是含油污泥和有機(jī)污染土壤兩類。石油開采和油煉過程產(chǎn)生的鉆井巖屑、落地泥、罐底泥、油渣等統(tǒng)稱為“含油污泥”。2010年以來，我國每年開采石油約2億t;石油企業(yè)每年產(chǎn)生油泥約700萬t。目前含油污泥沒有一個通用的處置方法。間接熱脫附不僅可以實現(xiàn)含油污泥減量化，而且可以實現(xiàn)油分的價值回收，未來應(yīng)用前景可觀。

除了含油污泥外，熱脫附在化工退役場地土壤修復(fù)行業(yè)應(yīng)用更加廣泛。隨著城市化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)路線調(diào)整，焦化廠、鋼鐵廠、農(nóng)藥廠、化工等很多化工企業(yè)正在搬離城市，遺留了一大批有機(jī)污染場地。這些退役場地的土壤污染引發(fā)了一系列環(huán)境問題。在諸多土壤修復(fù)技術(shù)中，熱脫附是主流技術(shù)之一。美國環(huán)保署（EPA）公開的1982-2005年美國超級基金所開展的場地修復(fù)項目中，采用熱脫附技術(shù)的項目約占8%;根據(jù)粗略統(tǒng)計，我國污染場地修復(fù)項目中，這一比例在20%以上。這與我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及“短平快”的市場需求有密切關(guān)系。

6 熱脫附發(fā)展趨勢

熱脫附相對于其他修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢顯著，同時也存在高能耗等缺點(diǎn)。我國環(huán)境修復(fù)起步晚，正在經(jīng)歷國外引進(jìn)向國產(chǎn)化的轉(zhuǎn)變過程，國產(chǎn)熱脫附技術(shù)和裝備普遍存在效率低的問題。節(jié)能增效是熱脫附技術(shù)和裝備的主要研究方向。

直接熱脫附裝備處置能力一般可以達(dá)到15-20t/h，加拿大NELSON公司公開資料顯示，其最大型號直接熱脫附處置能力高達(dá)70t/h。在較高的處置效率下，能耗成本占總使用成本75%左右。然而為了降低二噁因風(fēng)險，國內(nèi)通常采用了二燃室和噴淋急冷工藝，導(dǎo)致大量熱量被噴淋水產(chǎn)生的蒸氣帶走，造成能量浪費(fèi)。為此，國內(nèi)一線修復(fù)裝備公司正在開發(fā)類似于省煤器的高溫?zé)煔鈸Q熱器，與空氣進(jìn)行熱交換，然后將預(yù)熱后的空氣作為燃燒的助燃空氣，實現(xiàn)能量回收。

間接熱脫附裝備處置能力一般為3t/h，我國最早引進(jìn)的加拿大技術(shù)單套設(shè)備處置能力僅為2t/h，需要配12名操作人員和2臺裝載機(jī)，人工和機(jī)具的均攤成本占運(yùn)行成本的30%以上。另外，處理1萬t土需要200多天，工期太長。圍繞間接熱脫附增效，經(jīng)過多年的研究，我國已經(jīng)形成雙級增效螺旋和增效外熱轉(zhuǎn)窯兩種技術(shù)，其原理都是基于增加傳熱面積、增強(qiáng)擾動從而實現(xiàn)傳質(zhì)傳熱強(qiáng)化。目前公開的單臺間接熱脫附裝備處置能力最大可以達(dá)到10t/h，是常規(guī)設(shè)備的3-5倍，大大降低了運(yùn)行成本，節(jié)約了施工工期。

7 結(jié)束語

與其他土壤修復(fù)技術(shù)相比，熱解吸技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢、強(qiáng)勁的市場需求和廣闊的應(yīng)用前景。為了彌補(bǔ)技術(shù)上的不足，節(jié)能直接熱解吸和高效間接熱解吸是今后的主要發(fā)展趨勢。

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