CN109078975A - 一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***及方法。所述***中的低温热脱附窑炉出口分别与高温热脱附窑炉入口和冷凝器入口相连通，高温热脱附窑炉出口分别与出料装置入口和旋风除尘器入口相连通，布袋除尘器A出口和旋风除尘器出口分别与催化降解单元入口相连通。分级热脱附窑炉利用电能对污染土壤进行间接加热，低温热脱附窑炉实现污染土壤的干化以及低沸点有机污染物的脱附过程，防止水分进一步加热造成不必要的能量浪费。高温热脱附窑炉实现较高沸点污染物的彻底脱附过程，尾气经过冷凝除水和净化除尘等工艺后，气相有机污染物进入催化降解单元内，借助V₂O₅‑WO₃/TiO₂的催化降解功能实现污染物彻底氧化降解，防止二次污染的产生。

Description

一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***及方法

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，具体而言，涉及一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***及方法，可用于有机物污染土壤异位热脱附修复。

背景技术

随着经济和城镇建设的快速发展以及国家相关政策的颁布，许多城市对产业结构和城市规划做了调整，关闭和搬迁了许多化工企业，从而遗留下大量的有机污染场地。这些有机物不仅直接对土壤动植物、微生物乃至生态***造成巨大危害，并可通过蒸汽吸入、皮肤接触、食物链等方式进入人体，并在体内不断富集，对人体健康产生巨大危害。例如2004年，北京地铁5号线在宋家庄工地挖掘过程中，因场地挥发性污染物造成多人中毒事件。有机污染场地土壤的修复治理工作已经成为中国不可避免的、关系民生的重大问题，其治理和修复需求引起了国家和社会的高度关注。

近些年，针对有机污染场地的各类修复技术、装备研究广泛开展，相关研究成果也已应用于污染场地修复中。热脱附修复技术以其处理效率高、修复周期短、适用范围广等优点，自1985年美国EPA首次将该技术采纳为一项可行的土壤环境修复技术起，已被广泛应用于处理含挥发性和半挥发性有机污染物的土壤、污泥、沉淀物、滤渣等污染场地。热脱附可处理的污染物包括硝基苯、多溴联苯醚(PBDEs)、滴滴涕(DDTs)、六氯苯、六六六、汞、苯系物、多氯联苯(PCBs)以及多环芳烃(PAHs)等。

然而，污染土壤域中污染物分布不均，且污染物往往具有较高的沸点，处理过程中需要消耗大量热能。据美国海军工程服务中心的报告统计，燃料成本占运行成本的40-50％。考虑到美国的燃气价格远低于国内的价格，因此在国内燃料成本占运行成本的比例要高于50％。根据实际工程的初步统计，燃料成本占运行成本的60％。污染土壤含水率对能耗的影响尤为显著，Troxler在其论文《Treatment of Pesticide-Contaminated Soilswith Thermal Desorption Technologies》中指出，在土壤有机质含量10g/kg、比热容为0.58kJ/(kg.℃)、加热温度343℃、热脱附尾气温度178℃等恒定的条件下，当土壤含水率在10％-15％时，加热土壤消耗的热量基本与蒸发水分的能耗相当；而含水率高于15％时，蒸发水分的能耗超过了加热土壤消耗的能量。另外，专利号为CN 103658165 A指出修复过程产生的高温尾气是热脱附***中热能损失的主要部分，对于传统的回转窑加热***，土壤处理量为25m³/h时，高温烟气散发的热量损失为30％-60％。而高温烟气在带来热量流失的同时，也会产生尾气处理困难的问题，导致尾气处理成本增加。因此，如何通过优化热脱附***，对于减少热量流失，降低污染土壤处置成本，具有重要工程意义。

专利号为CN101530858A的发明公布了一种污染土壤直接热脱附装置，该设备采用直接加热方式进行热脱附，导致热源气体与挥发出的污染气体相互混合，这种加热方式容易产生二次污染，增大了后续尾气的处理成本。

专利号CN104226681A的发明公布了一种持久性有机物污染土壤间接热脱附装置，该装置包括污染土壤预处理***、进料***、热脱附***、出料***、尾气净化***和自动控制***。污染土壤经预处理后，输送至双层圆筒回转窑炉体，采用间接加热，实现污染物的热脱附过程。其中，水蒸汽也吸收大量的热量温度升高，***能耗高且热利用率低，造成了能源的浪费。

专利号为CN 104874593 A的发明公布了一种两段式间接热解析工艺处理有机污染土方法及设备，采用燃气(油)产生的热量逆向间接加热回转窑中的有机污染土壤，在低温余热段出口处引出产生的水蒸汽进行冷凝，防止水蒸汽进入高温段加热造成热量的不必要损失。不过该套装置对于天然气、燃油等供应不充足等地区应用比较受限；而且，该装置采用二燃室处理有机废气，增加了***能耗以及总体处置成本。

专利号为CN104307865A的发明公布了一种污染土壤热驱脱附修复***和方法，以高温烟气、高温空气、高温蒸汽或高温液体等余热为热源，采用间接加热进行污染土壤修复过程。该法的不足之处是，该装置必须安装在靠近产生此类热源的设备附近，若该设备距离污染场地较远，污染土壤运输费用增加，提高处理成本，经济性差。

专利号为CN105080957A的发明公布了一种余热再利用的污染土壤热脱附修复***，采用表面式热交换装置，将修复过程中产生的高温尾气对常温的助燃用空气进行预热处理，由于尾气处理过程采用活性炭吸附，没有实现污染物的彻底降解，只是实现了污染物由气相向固相的转移过程，活性炭吸附饱和后成为危险废物，需进行二次处理，处置成本较高。

专利号为CN102218446A的发明公布了一种污染土的热脱附方法，该发明将污染土在400℃～650℃下进行热脱附，脱附产生烟气在750℃～1200℃下进行焚烧处置，即增加能耗和处置成本，又有产生二噁英污染的风险。热脱附装置如果采用燃烧液化天然气时，需要建设储存罐。出于安全考量，一系列的审批流程非常复杂；而且，近年来由于全国用气量的加大，部分地区出现了“气荒”现象，导致供气不足，有可能拖延治理工期。

专利号为CN105032913A的发明公布了一种热脱附装置、热脱附修复***以及污染土壤的热脱附方法，污染物和水分通过间接热脱附装置加热蒸发后，经过除尘装置，直接进入催化降解单元。水分将对催化剂的活性产生不利影响，降低催化降解效率。

专利号CN105057337A公布了一种高效间接热脱附装置，土壤处理单元包括进料斗、进料锁气器、外筒、出料锁气器、电机、燃烧器和烟囱组成。污染土壤进入到外筒和燃烧管之间的空间内，在无轴绞龙的转动向左端移动，在此过程中，污染土壤被不断地加热、干燥，水分和有机污染物形成蒸汽进入尾气处理***。该法的不足之处是，使用无轴绞龙装置，不仅在运行过程中容易磨损，而且限制了其自身的处置能力。

以上有机污染土壤直接或间接热脱附***和方法存在天然气作为燃料时安全审批复杂，单级热脱附***使得水分被不必要地加热造成能源浪费，脱附后污染物没有彻底降解去除，存在二次污染风险等问题，需要进一步优化***设计，提高能源利用效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种分级间接热脱附耦合催化降解修复有机物污染土壤的***及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，包括：土壤挖运及暂存车间、土壤预处理***、进料计量***、低温热脱附窑炉、冷凝器、污水处理站、布袋除尘器A、高温热脱附窑炉、旋风除尘器、出料装置、土壤加湿降温装置、土壤待检车间、催化降解单元、活性炭罐、布袋除尘器B、脱酸塔、引风机，烟囱，电器控制***和电能供给装置；其特征在于，所述进料计量***出口与低温热脱附窑炉入口相连通，低温热脱附窑炉出口分别与高温热脱附窑炉入口和冷凝器入口相连通，冷凝器出口分别与污水处理站和布袋除尘器A入口相连通，高温热脱附窑炉出口分别与出料装置和旋风除尘器入口相连通，布袋除尘器A出口和旋风除尘器出口分别与催化降解单元入口相连通，催化降解单元出口与布袋除尘器B入口相连通，活性炭罐出口与气路管道相连通，布袋除尘器B出口与脱酸塔入口相连通，脱酸塔出口与引风机相连通，引风机的出口与烟囱相连通。

进一步的，所述低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉均为间接热脱附装置，且均为夹套式结构，包括外筒和内筒，耐高温保温棉覆盖在外筒的内表面，电加热带有序排列在保温棉表面，内筒为回转窑形式在内部旋转，保证污染土壤均匀受热。

进一步的，所述间接热脱附装置的电热元件为镍铬合金电加热带，所述镍铬合金电加热带是Cr20Ni80电阻加热扁带，电加热带的功率密度为1W/cm²，最高使用温度1400℃；低温和高温间接加热炉的总功率均为360kW，各分3组，120kW/组，不同组之间电源并联连接。

进一步的，所述低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉的外筒炉体均为310S不锈钢，内筒炉体均为316L不锈钢。

进一步的，所述低温热脱附窑炉轴线与水平面夹角呈5-10°，高温热脱附窑炉轴线与水平面夹角呈0°设置。

进一步的，所述冷凝器选用波纹管换热器，尾气经过冷凝后，温度降低至40℃以下。

进一步的，所述催化降解单元内部为多级床层式反应环境，在多级U型的管路中进行，催化反应器内部为催化剂模块盒，长方体型的蜂窝状催化剂放置在催化剂模块盒内。

进一步的，所述催化剂采用过渡金属氧化物型催化剂V₂O₅-WO₃/TiO₂，反应温度为350℃，去除尾气中99％以上的苯系物或多环芳烃有机污染物。

进一步的，土壤经过加湿降温装置后含水率处于5％-15％之间。

一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复方法，其特征在于，使用上述污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，包括以下步骤：

步骤一、通过电器控制***，接通电源，低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉内部的电加热带将电能转化为热能，待两个热脱附装置分别达到设定温度时，开启引风机；

步骤二、污染土壤经筛分、破碎、调节含水率，除铁预处理操作后，污染土粒径小于30mm，含水率小于20％，通过进料计量***首先进入低温热脱附窑炉，土壤中含有的水分和沸点较低的有机污染物被间接加热蒸发出来，进入到尾气中；同时，经干化后的污染土壤从低温热脱附窑炉的出口落至高温热脱附窑炉入口；

步骤三、从低温热脱附窑炉出来的尾气首先进入冷凝器，冷凝器为波纹管式换热器，管内部流动冷却水，尾气在管外流动，尾气中的水蒸气和沸点高于40℃的有机污染物被冷凝下来，混合收集后，运送至污水处理站进行处理；

步骤四、经过冷凝之后的尾气，进一步使用布袋除尘器，对尾气中存在的粉尘进行过滤净化；从布袋除尘器出来的尾气仍含有少量沸点低于40℃的有机污染物，将这股气流引至催化降解单元的入口，和高温热脱附窑炉流出的较高温度的尾气混合，升高温度后，流入催化降解单元；催化降解单元内安装有蜂窝状的V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂，将尾气中有机污染物催化分解；

步骤五、催化降解单元流出的尾气进一步使用活性炭喷射耦合布袋除尘净化过程，实现有机污染物的彻底脱除，同时，对尾气中的粉尘进行再次过滤过程，进一步强化污染物的净化过程；

步骤六、借助引风机为整个***提供的负压，尾气进一步流至脱酸塔，借助顶部喷射的碱液中和作用，完成酸性气体的脱除过程；经处理合格的尾气，被引送至烟囱，实现达标排放；

步骤七、高温热脱附处理后的土壤通过出料装置，在加湿降温装置内再经加湿降温过程，运送至土壤待检场。

在上述分级间接热脱附耦合催化降解修复有机物污染土壤的方法中，有机物污染土壤在密闭车间中经过挖运，转移至土壤预处理车间进行暂存。污染土壤先后经过破碎、筛分、调节含水率和除铁等预处理过程，由皮带计量秤输送至低温热脱附窑炉。该窑炉为间接加热型式，且为夹套式结构(分为外筒和内筒)，耐高温保温棉覆盖在外筒的内表面，电加热带有序排列在保温棉表面，通过将电能供给设备输送的电能转化为热能，提供热脱附过程所需要的能量。热量通过内外炉筒之间的孔隙传输，设计内外炉筒之间的孔隙距离为15～25cm。内筒的内壁设有一定倾角的螺旋叶片，污染土壤在内筒内借助螺旋叶片随着内筒的旋转向前运动且被加热，螺旋叶片的另一个作用是增大内筒壁的传热面积，强化换热。控制低温热脱附窑炉出土温度在105℃左右，低温热脱附窑炉主要实现较低沸点污染物和水分的脱除过程，防止这部分水蒸气流入后续高温热脱附窑炉因被高温加热而造成不必要的能量损失过程。从低温热脱附窑炉出来的尾气首先进入冷凝器，冷凝器为波纹管式换热器，管内部流动冷却水，尾气中的水蒸气和沸点高于40℃的有机污染物被冷凝下来，混合收集后，运送至污水处理站进行处理。经过冷凝之后的尾气，进一步使用布袋除尘器，对尾气中存在的粉尘进行过滤净化。从布袋除尘器出来的尾气可能仍含有少量沸点低于40℃的有机污染物，将这股气流引至催化降解***的入口，和高温热脱附窑炉流出的较高温度的尾气混合，升高温度后，在催化降解***内完成催化降解过程，分解成水、二氧化碳和氯化氢等。

从低温热脱附窑炉出来的土壤，自动落入高温热脱附窑炉。该装置仍为间接热脱附装置，且为夹套式结构(分为外筒和内筒)，耐高温保温棉覆盖在外筒的内表面，电加热带有序排列在保温棉表面，通过电能供给装置输送的电能，提供热脱附过程所需要的能量。污染土壤在内筒内随着内筒的旋转向前运动且被加热，控制高温热脱附出土温度在300℃左右，以保证污染土壤内含有的高沸点有机污染物实现彻底脱附。污染土壤起始加热至105℃时，由于自身湿度大，粉尘产生量较小，所以在低温热脱附窑炉出口处并未设置旋风除尘器，而经过高温热脱附窑炉的高温加热过程后，污染土壤变得松散，很有可能产生较多的粉尘，因此，在高温热脱附窑炉后设置旋风除尘器，对粉尘进行净化过程。经过旋风分离后的尾气含有高沸点有机污染物，将连同布袋除尘器A出来的尾气中的低沸点有机污染物，一起流入催化降解单元。催化降解单元内安装了蜂窝状的成型催化剂，用于将有机污染物降解为二氧化碳、水和氯化氢。为防止少量有机污染物未在催化降解单元内实现彻底降解，造成污染物超标排放，催化降解单元流出的尾气进一步使用活性炭喷射耦合布袋除尘过程，实现污染物的彻底脱除，同时，对尾气中的粉尘实现过滤过程。借助引风机为整个***提供的负压，尾气进一步流至脱酸塔，完成酸性气体的脱除过程。经处理合格的尾气，被引送至烟囱，实现达标排放。同时，高温热脱附处理后的土壤再经加湿降温过程，运送至土壤待检场，等待检测验收过程。

由于土壤经预处理后，含水率相对较高，因此，设置低温热脱附窑炉轴线与水平面夹角呈5-10°，有利于土壤在内筒内的运动；而设置高温热脱附窑炉轴线与水平面夹角呈0°，目的是为了延长土壤在高温热脱附窑炉内的受热时间，使得热脱附过程更加充分，确保出土达标。同时，0°夹角的设置也有利于保持设备运行过程中的稳定，减少设备磨损，降低运行维护费用和成本。

本发明的有益效果：

1、用电能代替液化天然气或燃油

热脱附装置的燃料如果采用液化天然气或燃油时，需要建设临时天然气或燃油储存罐。然而，当地政府出于安全考量，一系列的审批流程非常复杂。而且，近年来由于全国用气量的加大，部分地区出现了“气荒”现象。如果将燃烧天然气，更改为使用电能，为热脱附装置提供热量，将有如下优势：

(1)电能是一种最为清洁环保的能源，提供能量的过程不会增加尾气处理负担；而且，电能来源更广泛，安全、经济；生产、使用方便，不会因为全国“气荒”等问题，出现供能不足；另外，电能可以有效提高能源利用效率，减少能源浪费。工业窑炉效率在40％左右，电窑炉的效率可达70％-80％。

(2)使用电能，无须安装燃烧器，热脱附设备变得更加简洁。而且，由于不需要设置专门的液化气站或燃油站，整套设备的可移动化程度更高。

(3)由于使用液化天然气或燃油等，存在很大安全隐患，所以需要很多审批。相比于燃烧天然气，使用电能可以减少很多安全审批环节，更有利于工程项目的顺利履约实施。

综上所述，将用气改为用电，进行前端土壤热脱附过程，具有重大的实用价值和工程意义。

2、分级间接热脱附工艺

本套设备设置低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉，实现对污染土壤的分级加热。通过控制窑炉内电加热带的发热量，控制窑炉内部的温度。低温热脱附窑炉主要实现污染土壤的干化过程，降低土壤中的含水率，避免水分在后续过程中因被高温加热，而造成不必要的能量损失。高温热脱附窑炉实现了沸点较高污染物的彻底脱附过程，实现土壤的修复彻底治理。

另外，低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉均采用间接加热且均为夹套式结构(分为外筒和内筒)的形式，即电加热带通过将电能转化为热能为热脱附过程提供热量，同时，加热内筒外壁。而内筒则为回转窑形式，带动土壤在内部转动，吸收外部热量，使得土壤温度升高，加速热脱附过程。相比于直接加热形式，间接加热大幅减小尾气量，降低尾气净化的负荷，有利于降低整套设备的运行成本。

3、催化降解的优势

传统热脱附处理装置采用活性炭吸附污染物的方式，只是实现了污染物的转移，并未实现污染物在修复过程的彻底氧化降解；而采用二燃室燃烧去除有机物的方式，则需消耗大量能源，造成不必要的能量浪费。

催化降解技术因能实现有机污染物的彻底氧化降解，被认为最具潜力的一种控制技术。催化氧化降解法具有反应温度低，能耗小，可实现彻底氧化降解等优点，得到了越来越多研究者的关注。

本发明采用催化燃烧的方式，催化剂采用过渡金属氧化物型催化剂V₂O₅-WO₃/TiO₂，该催化剂属于价格较低、活性较高且抗中毒能力强的过渡金属氧化物，已被广泛用于催化降解有机污染物。该催化剂最佳反应温度350℃，能够更好的去除尾气中的苯系物、多环芳烃等有机污染物，总去除率可在99％以上。模块化及标准化程度高，便于使用和运输，以更紧凑的结构设计降低了投资成本。

4、降低催化剂受影响的风险

低温热脱附窑炉将土壤中水分变成水蒸气，进而在冷凝器中冷凝下来。同时，低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉出来的尾气，在进入催化降解单元前，均采取除尘措施，减少尾气中粉尘含量。而且，间接热脱附过程，对土壤运动过程中扰动较小，使得尾气中粉尘含量较低，相比于直接热脱附过程，减少对催化剂的堵塞。以上通过降低尾气中含水率以及粉尘含量的措施，可以有效降低水分和粉尘对催化剂造成的不利影响，避免堵塞等现象造成催化降解效率降低的情况，延长催化剂的使用寿命。

附图说明

图1为一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复装置示意图，其中，实线代表固相流，短线虚线代表气相流，点虚线代表液相流，短线和点相间虚线代表电路控制。

图中附图标记:

1-土壤挖运及暂存车间，2-土壤预处理结构，3-进料计量结构，4-低温热脱附窑炉，5-冷凝器，6-污水处理站，7-第一布袋除尘器，8-高温热脱附窑炉，9-旋风除尘器，10-出料结构，11-土壤加湿降温结构，12-待检车间，13-催化降解结构，14-活性炭罐，15-第二布袋除尘器，16-脱酸塔，17-引风机，18-烟囱，19-电器控制***，20-电能供给***。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本实施例所涉及的一种分级间接热脱附耦合催化降解修复污染土壤的***，包括：土壤挖运及暂存车间1、土壤预处理***2、进料计量***3、低温热脱附窑炉4、冷凝器5、污水处理站6、布袋除尘器A7、高温热脱附窑炉8、旋风除尘器9、出料装置10、土壤加湿降温装置11、土壤待检车间12、催化降解单元13、活性炭罐14、布袋除尘器B15、脱酸塔16、引风机17，烟囱18，电器控制***19和电能供给装置20。所述进料计量***3出口与低温热脱附窑炉4入口相连通，低温热脱附窑炉4出口分别与高温热脱附窑炉8入口和冷凝器5入口相连通，冷凝器5出口分别与污水处理站6和布袋除尘器A7入口相连通，高温热脱附窑炉8出口分别与出料装置10和旋风除尘器9入口相连通，布袋除尘器A7出口和旋风除尘器9出口分别与催化降解单元13入口相连通，催化降解单元13出口与布袋除尘器B15入口相连通，活性炭罐14出口与气路管道相连通，布袋除尘器B15出口与脱酸塔16入口相连通，脱酸塔16出口与引风机17相连通，引风机17的出口与烟囱18相连通。

所述冷凝器5为波纹管式换热器。所述低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉均为间接热脱附窑炉。

本实施例所涉及的一种间接热脱附耦合催化降解修复有机物污染土壤的方法，各部分运行介绍如下所示。

1、污染土壤挖运与暂存

以轻、中、重度污染区域分别进行污染土壤开挖，均在密闭车间内进行。清挖后的污染土壤被运送至暂存车间，先在暂存间中进行沥干、风干脱水，避免多余水分对热脱附效率的影响。暂存间底部采用水泥浇灌，中间铺设防渗膜，在水泥面顶部铺设碎石作为滤层。

2、污染土壤预处理***

预处理车间可以防止污染物挥发及污染土壤以粉尘方式进入大气，整个预处理过程均在预处理车间内进行，预处理车间设置尾气处理装置，采用负压模式，尾气经布袋除尘及活性炭吸附处理达标后排放，防止粉尘及挥发性污染物进入周边大气环境。

污染土壤预处理阶段主要包括筛分、破碎、调节含水率、除铁。污染土壤预处理在密闭车间内进行，采用筛分机对污染土壤进行筛分，筛分后的超规格土块(粒径大于50mm)，使用破碎机粉碎，以便降低土壤的颗粒度，从而减少后续处理过程中的传热、传质阻力，提高处理效率。土壤经破碎后再次进行筛分，以使热脱附过程受热均匀，同时提高升温效率。如遇到含水率较高的粘土，要在热脱附处置前预处理阶段添加一定比例的修复药剂，所述修复药剂为氧化钙等药剂，一方面可以降低污染土壤(或底泥)中的含水率，便于后期搅拌处理，另一方面可以使土壤更加松散，有利于增强回转窑中的传热过程，以便降低处置过程的能耗。使用除铁磁选设备将污染土壤中的铁质金属去除，以避免铁质金属在热脱附窑炉中熔融并附着在内壁上，影响其导热能力并严重降低窑炉使用寿命。

3、进料计量***

所述进料计量***包括密闭上料皮带及位于该上料皮带进料端并对预处理过的污染土壤进行称重的计量皮带秤，该上料皮带将称重后污染土壤输送至低温间接热脱附窑炉入口。

4、间接热脱附窑炉

低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉结构类似，只需控制窑体内部的温度实现不同温度区间的加热过程。间接热脱附窑炉主要由外筒、炉衬、电加热带、内筒和螺旋叶片等部件组成，电加热炉体分左、中、右三段组成，总功率为360kW，每段功率为120kW。

(1)炉壳结构：由于内筒炉体与污染土壤长期接触，有必要增强其抗腐蚀性能，所述低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉的外筒炉体均为310S不锈钢，内筒炉体均为316L不锈钢，由于炉体较大，炉壳钢板采用8mm不锈钢板卷制而成，强度高，整体刚性好，充分考虑到炉子整体强度、架体结构下挠、变形等问题。采用不锈钢支撑块与外炉壳固定以提高炉衬结构强度。

(2)炉衬结构：炉衬采用陶瓷纤维棉填充而成，采用陶瓷纤维棉进行保温。陶瓷纤维棉板由若干块纤维棉模块组成，之间采用陶瓷钉以及其他附件固定。陶瓷钉进行表面局部喷釉处理，达到良好的绝缘性能。外皮温度达到规范要求：按照GB/T 8175-2008《设备及管道绝热设计》导则规定，保温层外表面温度不超过60℃。

(3)电热材料的选型：采用高电阻耐高温电热合金电阻带，由镍铬合金(Cr20Ni80)制成上下来回“U”形，用带螺纹的陶瓷钉分别安装在炉衬结构的内表面，加热状态稳定。与传统螺旋状电阻丝相比可提高热效率约15％。根据炉内的热量消耗情况对加热元件合理布置，发热表面积大，辐射率高，传热阻力小。

间接热脱附窑炉的电热元件为合金电阻电加热带，电加热带的功率密度为1W/cm²，间接加热窑炉的总功率为360kW，分3组，120kW/组。

(4)电加热带和引杆的压接：首先将电加热带来回弯成U型，嵌装在特制的带有凹槽的陶瓷钉内，由于陶瓷钉经过表面局部喷釉处理，当陶瓷钉吸收水分后很难与保温材料构成回路，从某种程度上就提高了电加热带的绝缘电阻，另外，在引杆的中间进行开槽，将电加热带嵌装在槽内，再通过螺栓将电加热带与引杆有效可靠的连接在一起，即使电加热带由于热膨胀，也不容易拉断。

(5)温度测量点：将12个0-1200℃的K分度号热电偶设置在每个间接热脱附窑炉的内筒和外筒之间，用于监控间接热脱附窑炉的内筒和外筒之间的温度，防止超温过热现象，每段间接热脱附窑炉设4个热电偶。

5、冷凝器

冷凝器选用波纹管式换热器，该换热器是在传统的列管式换热器的基础上，应用强化传热理论及换热管独特的波峰与波谷的设计，使换热器的性能实现重大突破。它继承了列管式换热器坚固、耐用、安全、可靠等优点，同时又克服了其换热能力差、易结垢等特点。

从低温热脱附窑炉出来的尾气通过管道输送到冷凝器，尾气由冷凝器进气口进入波纹管式换热器，出气口出换热器；冷却水的走向与尾气走向相反；冷凝水收集口设置在换热器的底部，并有管路与冷凝水处理单元连接在一起。尾气经过换热器后，温度可降低到40℃以下，尾气中的水蒸气和沸点介于40-105℃的有机物(如1,1-二氯乙烷、氯仿和苯等)被冷却为液态，以确保经过冷却后尾气中的水含量和有机物含量足够低，降低对催化剂的影响，减轻后续尾气处理单元的负荷。

6、污水处理站

经过冷凝器后产生的冷凝液在污水处理站中进行油水分离和水处理过程。所述污水处理站包括油水分离器、水处理装置、储油罐和储水罐。所述油水分离器用于将有机相和水相分离，分离的有机相污染物储存于储油罐中，分离的水相进入水处理装置。所述水处理装置对油水分离后的水相进行净化和处理，处理后的水一部分用于冷凝器和土壤加湿降温装置的工艺水，一部分被储存于储水罐中。

7、催化降解单元

本发明涉及一种VOCs和SVOCs催化降解单元，属于尾气净化处理设备领域，包括尾气进口、催化反应器及保温材料、催化剂、尾气出口。其中，反应器内部为中空结构，两端预留开口作为尾气的进出口。为达到更好的降解效果，设计了多级的床层式反应环境，在多级U型的管路中进行。催化反应器内部为催化剂模块盒，长方体型的催化剂放置在催化剂模块盒内。催化反应器外表面包覆陶瓷纤维棉保温材料，降低内部热量散失。催化降解单元采用模块化设计，可快速地安装与拆卸，具备可移动性，可用于不同地区污染场地修复工程，满足设备快速转移、便于运输、连续使用的需求。

本发明采用催化燃烧的方式，催化剂采用过渡金属氧化物型催化剂V₂O₅-WO₃/TiO₂，该催化剂属于价格较低、活性较高且抗中毒能力强的过渡金属氧化物，已被广泛用于催化降解有机污染物。该催化剂最佳反应温度350℃，能够更好的去除尾气中的苯系物、多环芳烃等有机污染物，总去除率可在99％以上。

8、出料装置

本发明净化后的洁净土采用高温密闭输送设备，如链斗式输送机出料，从而确保热脱附过程的负压状态。

9、土壤加湿降温装置

从出料装置出口排出的土壤，经过入口处的加湿降温装置，在该装置内通过喷水混合，使温度较高的热土壤充分与冷却水进行换热，从而降低土壤温度，使其变为含水率为5％-15％的清洁土壤。

10、活性炭罐

为了防止在处理高浓度有机污染土壤时，催化降解单元的处理效率下降，导致部分有机污染物未经处理就排空的风险。因此，特意加装活性炭罐，喷射活性炭粉末，吸附尾气中有机污染物，与布袋除尘器组成联用***。当处理高浓度有机污染土壤时，活性炭主要用于吸附未经催化降解单元完全氧化降解的有机化合物，确保尾气排放达标。

11、布袋除尘器

经过催化降解单元后的烟气进入到脉冲式袋式除尘器，将烟气中所含的粉尘颗粒富集在滤布上，通过空压机将滤布上的细颗粒吹脱至下方出口进行收集。布袋除尘器设飞灰收集料斗和卸灰阀，采用密闭的螺旋出灰输送设备，将飞灰输送至专用的飞灰收集装置进行冷却，冷却后的飞灰运送至待检车间进行待检验收。如果飞灰中污染物浓度超过修复目标值，则运回至高温热脱附窑炉，进行再次处置；若飞灰中污染物浓度验收合格，则与修复后的洁净土壤一起回填。

12、脱酸塔

烟气离开布袋除尘器后，进入脱酸塔，废气与碱液进行气液两相充分接触反应，中和烟气中的酸性物质。

13、引风机和烟囱

在引风机的作用下，尾气经过脱酸塔通过烟囱排入到大气中。烟囱上装有烟气实时在线监测装置，可以持续监测通过监测点烟气中的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物质的浓度，辅助操作人员实时监控尾气排放浓度，净化后的气体满足《大气污染综合排放标准》(GB 1621)，确保尾气中有害组分和粉尘等达到排放标准。

14、电能供给装置

电能供给装置主要包括电源、电缆和数显电量表。电源是为了提供电加热带升温所需电能，所需输入功率根据土壤单位处置量及设定的加热温度而定，采用380V交流电源，频率50Hz，三相电。电缆则用于接通电源和电加热带，将电源中的电能引至电加热带产生热量。

15、电器控制***

电器控制***实现整个热脱附***的电路控制、保护和功率调节，此部分所有器件将集成在若干个电器柜内。

目前电器控制***应至少包含如下器件：微型断路器、接触器、可控硅调功器、中间继电器、温控表和主控表、按钮、指示灯、数显电量表、开关电源和柜壳等。

微型断路器由操作机构、触点、保护装置(各种脱扣器)、灭弧***等组成，用于防止电路发生短路或严重过载。接触器是通过控制接在控制电路的辅助触点的通断来控制接在主电路的主触点的通断以达到控制电路的要求。中间继电器用于继电保护与自动控制***中，以增加触点的数量及容量。可控硅调功器是一种以可控硅(电力电子功率器件)为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器，简称可控硅调功器，具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。主要作用是：“晶闸管调功器”通过对电压、电流和功率的精确控制，从而实现精密控温。并且凭借其先进的数字控制算法，优化了电能使用效率，对节约电能起了重要作用。

本实施例所涉及的一种分级间接热脱附耦合催化降解修复污染土壤的方法，包括以下步骤：

一、通过电器控制***，接通电源，低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉内部的电加热带将电能转化为热能，待两个热脱附装置分别达到设定温度时，开启引风机。

二、污染土壤经筛分、破碎、调节含水率(污染土粒径小于30mm，含水率小于20％)和除铁等预处理操作后通过进料计量***首先进入低温热脱附窑炉，土壤中含有的水分和沸点较低的有机污染物被间接加热蒸发出来，进入到尾气中。同时，经干化后的污染土壤从低温热脱附窑炉的出口落至高温热脱附窑炉入口。

三、从低温热脱附窑炉出来的尾气首先进入冷凝器，冷凝器为波纹管式换热器，管内部流动冷却水，尾气在管外流动，尾气中的水蒸气和沸点高于40℃的有机污染物被冷凝下来，混合收集后，运送至污水处理站进行处理。

四、经过冷凝之后的尾气，进一步使用布袋除尘器，对尾气中存在的粉尘进行过滤净化。从布袋除尘器出来的尾气可能仍含有少量沸点低于40℃的有机污染物，将这股气流引至催化降解单元的入口，和高温热脱附窑炉流出的较高温度的尾气混合，升高温度后，流入催化降解单元。催化降解单元内安装了蜂窝状的V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂，可将尾气中有机污染物分解成水、二氧化碳和氯化氢等。

五、催化降解单元流出的尾气进一步使用活性炭喷射耦合布袋除尘净化过程，实现有机污染物的彻底脱除，同时，对尾气中的粉尘进行再次过滤过程，进一步强化污染物的净化过程。

六、借助引风机为整个***提供的负压，尾气进一步流至脱酸塔，借助顶部喷射的碱液中和作用，完成酸性气体的脱除过程。经处理合格的尾气，被引送至烟囱，实现达标排放。

七、高温热脱附处理后的土壤通过出料装置，在加湿降温装置内再经加湿降温过程，运送至土壤待检场，等待检测验收过程。

步骤二中，所述低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉的外筒炉体均为310S不锈钢，内筒炉体均为316L不锈钢。

步骤四中，所述V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂的钒含量为5wt.％，钨含量为10wt.％。

步骤七中，采用水冷的方式，控制喷水降温后的洁净土中含水率在5％～15％之间。

工作原理：

污染土壤经过挖运，转移至土壤预处理车间进行暂存，等待异位处理过程。污染土壤先后经过破碎、筛分、调节含水率和除铁等预处理过程，由皮带计量秤输送至低温热脱附窑炉。该窑炉为夹套式结构(分为外筒和内筒)，耐高温保温棉覆盖在外筒的内表面，电加热带有序排列在保温棉表面，通过电能供给装置输送的电能，提供热脱附过程所需要的能量。热量通过内、外炉筒之间的孔隙传输，设计内外炉筒之间的孔隙距离为15～25cm。内筒的内壁设有一定倾角的螺旋叶片，污染土壤在内筒内借助螺旋叶片随着内筒的旋转向前运动且被加热，螺旋叶片的另一个作用是增大内筒壁的传热面积，强化换热。控制低温热脱附出土温度在100℃左右，低温热脱附窑炉主要实现较低沸点污染物和水分的脱除过程，防止这部分水蒸气流入后续高温热脱附窑炉因被高温加热而造成不必要的能量损失过程。从低温热脱附窑炉出来的尾气首先进入冷凝器，冷凝器为波纹管式换热器，管内部流动冷却水，尾气中的水蒸气和沸点高于40℃的有机污染物被冷凝下来，混合收集后，运送至污水处理站进行处理。经过冷凝之后的尾气，进一步使用布袋除尘器，对尾气中存在的粉尘进行过滤净化。从布袋除尘器出来的尾气可能仍还有少量沸点低于40℃的有机污染物，将这股气流引至催化降解单元的入口，和高温热脱附窑炉流出的较高温度的尾气混合，升高温度后，在催化降解单元内完成催化降解过程，分解成水、二氧化碳和氯化氢等气体。

从低温热脱附窑炉出来的土壤，自动落入高温热脱附窑炉。污染土壤在内筒内随着内筒的旋转向前运动且被加热，控制高温热脱附出土温度在300℃左右，以保证污染土壤内含有的高沸点有机污染物实现彻底脱附。污染土壤起始加热至100℃时，由于自身湿度大，粉尘产生量较小，所以在低温热脱附窑炉出口处并未设置旋风除尘器，而经过高温热脱附窑炉的高温加热过程后，污染土壤变得松散，很有可能产生较多的粉尘，因此，在高温热脱附窑炉后设置旋风除尘器，对粉尘进行净化过程。经过旋风分离后的尾气含有高沸点有机污染物，将连同布袋除尘器A出来的尾气中的较低沸点有机污染物，一起流入催化降解单元。催化降解单元内安装了蜂窝状的成型催化剂，用于将有机污染物降解为二氧化碳、水和氯化氢。为防止污染物未在催化降解单元内实现彻底降解，造成污染物超标排放，催化降解单元流出的尾气进一步使用活性炭喷射耦合布袋除尘过程，实现污染物的彻底脱除，同时，对尾气中的粉尘实现过滤过程。借助引风机为整个***提供的负压，尾气进一步流至脱酸塔，完成酸性气体的脱除过程。经处理合格的尾气，被引送至烟囱，实现达标排放。同时，高温热脱附处理后的土壤再经加湿降温过程，运送至土壤待检场，等待检测验收过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，包括：土壤挖运及暂存车间(1)、土壤预处理***(2)、进料计量***(3)、低温热脱附窑炉(4)、冷凝器(5)、污水处理站(6)、布袋除尘器A(7)、高温热脱附窑炉(8)、旋风除尘器(9)、出料装置(10)、土壤加湿降温装置(11)、土壤待检车间(12)、催化降解单元(13)、活性炭罐(14)、布袋除尘器B(15)、脱酸塔(16)、引风机(17)，烟囱(18)，电器控制***(19)和电能供给装置(20)；其特征在于，所述进料计量***(3)出口与低温热脱附窑炉(4)入口相连通，低温热脱附窑炉(4)出口分别与高温热脱附窑炉(8)入口和冷凝器(5)入口相连通，冷凝器(5)出口分别与污水处理站(6)和布袋除尘器A(7)入口相连通，高温热脱附窑炉(8)出口分别与出料装置(10)和旋风除尘器(9)入口相连通，布袋除尘器A(7)出口和旋风除尘器(9)出口分别与催化降解单元(13)入口相连通，催化降解单元(13)出口与布袋除尘器B(15)入口相连通，活性炭罐(14)出口与气路管道相连通，布袋除尘器B(15)出口与脱酸塔(16)入口相连通，脱酸塔(16)出口与引风机(17)相连通，引风机(17)的出口与烟囱(18)相连通。

2.根据权利要求1所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，其特征在于，所述低温热脱附窑炉(4)和高温热脱附窑炉(8)均为间接热脱附装置，且均为夹套式结构，包括外筒和内筒，耐高温保温棉覆盖在外筒的内表面，电加热带有序排列在保温棉表面，内筒为回转窑形式在内部旋转，保证污染土壤均匀受热。

3.根据权利要求2所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，其特征在于，所述间接热脱附装置的电热元件为镍铬合金电加热带，所述镍铬合金电加热带是Cr20Ni80电阻加热扁带，电加热带的功率密度为1W/cm²，最高使用温度1400℃；低温和高温间接加热炉的总功率均为360kW，各分3组，120kW/组，不同组之间电源并联连接。

4.根据权利要求3所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，其特征在于，所述低温热脱附窑炉(4)和高温热脱附窑炉(8)的外筒炉体均为310S不锈钢，内筒炉体均为316L不锈钢。

5.根据权利要求4所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，其特征在于，所述低温热脱附窑炉(4)轴线与水平面夹角呈5-10°，高温热脱附窑炉(8)轴线与水平面夹角呈0°设置。

6.根据权利要求5所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，其特征在于，所述冷凝器(5)选用波纹管换热器，尾气经过冷凝后，温度降低至40℃以下。

7.根据权利要求6所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，其特征在于，所述催化降解单元(13)内部为多级床层式反应环境，在多级U型的管路中进行，催化反应器内部为催化剂模块盒，长方体型的蜂窝状催化剂放置在催化剂模块盒内。

8.根据权利要求7所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，其特征在于，所述催化剂采用过渡金属氧化物型催化剂V₂O₅-WO₃/TiO₂，反应温度为350℃，去除尾气中99％以上的苯系物或多环芳烃有机污染物。

9.根据权利要求8所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，其特征在于，土壤经过加湿降温装置(11)后含水率处于5％-15％之间。

10.一种污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复方法，其特征在于，使用权利要求1至9中任意一条所述的污染土壤分级间接热脱附耦合催化降解修复***，包括以下步骤：

步骤一、通过电器控制***，接通电源，低温热脱附窑炉和高温热脱附窑炉内部的电加热带将电能转化为热能，待两个热脱附装置分别达到设定温度时，开启引风机；

步骤二、污染土壤经筛分、破碎、调节含水率，除铁预处理操作后，污染土粒径小于30mm，含水率小于20％，通过进料计量***首先进入低温热脱附窑炉，土壤中含有的水分和沸点较低的有机污染物被间接加热蒸发出来，进入到尾气中；同时，经干化后的污染土壤从低温热脱附窑炉的出口落至高温热脱附窑炉入口；

步骤三、从低温热脱附窑炉出来的尾气首先进入冷凝器，冷凝器为波纹管式换热器，管内部流动冷却水，尾气在管外流动，尾气中的水蒸气和沸点高于40℃的有机污染物被冷凝下来，混合收集后，运送至污水处理站进行处理；

步骤四、经过冷凝之后的尾气，进一步使用布袋除尘器，对尾气中存在的粉尘进行过滤净化；从布袋除尘器出来的尾气仍含有少量沸点低于40℃的有机污染物，将这股气流引至催化降解单元的入口，和高温热脱附窑炉流出的较高温度的尾气混合，升高温度后，流入催化降解单元；催化降解单元内安装有蜂窝状的V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂，将尾气中有机污染物催化分解；

步骤五、催化降解单元流出的尾气进一步使用活性炭喷射耦合布袋除尘净化过程，实现有机污染物的彻底脱除，同时，对尾气中的粉尘进行再次过滤过程，进一步强化污染物的净化过程；

步骤六、借助引风机为整个***提供的负压，尾气进一步流至脱酸塔，借助顶部喷射的碱液中和作用，完成酸性气体的脱除过程；经处理合格的尾气，被引送至烟囱，实现达标排放；

步骤七、高温热脱附处理后的土壤通过出料装置，在加湿降温装置内再经加湿降温过程，运送至土壤待检场。