焦化类污染场地堆式燃气热脱附工程示范与效果评估

近年来,有机污染土壤堆式燃气热脱附技术因具有二次污染可控、污染物去除率高以及修复成本低等优势得到快速发展,然而目前国内外关于该技术的工程示范与效果评估仍有待研究. 针对我国北方某退役焦化厂污染土壤,开展了2 000 m3的堆式燃气热脱附工程试验,系统分析热脱附过程中土壤的温湿度变化规律、修复效果以及能源消耗等情况,并提出堆式燃气热脱附技术的应用条件和优化方法. 结果表明:当加热运行至35 d时,堆体测温点平均温度达175 ℃,抽检的12组土壤样品中污染物浓度均远低于GB 36600—2018《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》中第一类用地筛选值,修复达标率为100%;运行至39 d时,收集水量共计310.4 m3,土壤体积含水率从25.8%降至10.3%左右;同时,该试验采用的烟气余热再利用技术将排烟温度降至300 ℃以下,使修复能耗降低约11.5%,即每修复1 m3污染土壤消耗约49.5 Nm3天然气和16 kW?h电量;此外,采用COMSOL软件模拟堆体的温度和湿度结果与试验结果的平均相对误差分别小于7.36%和7.49%,具有较好的吻合性. 研究显示,热脱附修复过程中堆体的底层平均温度处于较低水平,需提高底层加热管温度,或铺设岩棉板进行隔热保温措施,以提高堆体底层土壤的修复效率,研究结果可为有机污染土壤堆式燃气热脱附技术应用提供技术支撑.      

有机污染土壤堆式热脱附过程中热湿迁移试验及数值模拟

堆式燃气热脱附技术因具有二次污染小、污染物去除率高和处理周期短等优势而得到快速发展. 土壤中的水分是影响堆体热修复过程中土壤升温的关键因素,然而其热湿迁移机理尚不明晰,工程设计主要依赖于实践经验. 该研究以山东省某污染场地的砂质壤土开展堆体热湿迁移试验,结合COMSOL仿真模拟,系统分析加热过程中土壤温度和湿度在竖直及水平方向上的变化规律. 结果表明:热源附近土壤水分呈逐渐升高并出现短暂峰值(高于初始值10.9%)后再下降的趋势,水分峰值随温度提高而升高;热源温度越高,土壤中水汽的对流和扩散作用愈加明显,当热源温度由50.0 ℃升至100 ℃时,监测点体积含水量下降率由4.50%升至27.2%,且水汽的浓度扩散机制在水分迁移过程中占主导作用;对于相同热源作用下,初始体积含水量较高的土壤具有相对较高的温度变化,温升过程中对流传热以及热传导的作用更显著,当初始体积含水量由0.0700 m3/m3升至0.160 m3/m3时,监测点的温度由37.1 ℃升至40.0 ℃,其中多孔基体间的热传导作用占主导. 研究显示,堆体热脱附过程中土壤水分迁移规律与土壤体积含水量、距热源的距离、热源温度有关,且多孔基体间的热传导是引起土壤升温的主要机制.      

有机污染土壤异位直接热脱附装置节能降耗方案

以异位直接热脱附技术的原理、适用范围、工艺流程、优缺点等为基础,建立了输入、输出能量平衡关系式并进行了热平衡计算;针对该工艺能耗过高的问题,分析了系统各部分能耗,提出了节能降耗方案。通过烟气热回用装置,将二燃室后高温烟气余热能量经循环管道输送给土壤预干燥装置,将有机污染土壤含水率降低,从而减少系统总能耗。结果表明：经过热力计算,土壤水分预干燥量越大,系统节能效果越好;烟气余热足够用于土壤预干燥减少17%左右土壤水分的要求。通过土壤预干燥装置将土壤水分从20%降低到15%,可使直接热脱附装置降低能耗20%以上。     

回填材料对土壤原位热传导修复的影响及数值模拟

原位热传导修复技术是一种有机污染土壤高效修复手段。由于施工过程中加热井与土壤间会存在一定空隙,关于是否使用回填材料以及回填材料的选取原则,尚未有明确的指导意见。利用实验和数值模拟方法,对原位热传导修复过程中回填材料的影响进行了研究,分析了不同加热温度(200、400 、600 、800 ℃)、回填材料(空气、原土)、回填厚度(40、100、150 mm)对传热的影响。结果表明,基于实验数据所建立的原位热传导数值预测模型是可靠的,模拟计算值与实测值最小平均相对误差为6.69%;当加热温度高于450 ℃时,无回填料时传热效果更好;当加热温度小于300 ℃时,用土壤回填较好;在300~450 ℃时,有无回填料传热效果相差不明显;原位热传导修复技术工程在应用过程中,回填材料厚度100 mm时传热效果最佳。本研究结果可为污染土壤原位热传导修复的工程实践提供参考。     

原位热传导修复过程中热量传递的数值模拟

目前原位热传导修复技术存在热量传递机理不明、主要影响因子作用关系不清的问题,通过模拟室内土柱实验实现对土壤内部热湿耦合迁移机理的验证,并应用到室外场地尺寸,明确场地尺寸下热源温度、初始含水率对原位热传导修复的影响作用.建立了原位热传导修复耦合模型,利用小试实验对其进行了数值模拟验证,在场地尺寸下探究了热源温度、初始含水...     

原位热修复过程中土壤内热质传递研究现状与展望

近年来,原位热修复技术因其具有修复周期短、可靠性高、适用性强、二次污染可控等优点,已被广泛应用于有机污染地块修复领域。概述了国内外原位热修复技术研究进展,对比了蒸汽强化抽提技术(SEE)、电阻加热技术(ERH)和热传导加热技术(TCH) 3种典型原位热修复技术的优缺点和适用条件,并分析了污染物性质、土壤非均质性、含水率及加热温度等主要因素对不同技术的修复效果的影响。在此基础上,从理论、实验和数值3方面阐述了原位热修复过程中热质传递机理的研究现状。     

污染土壤直接热脱附燃烧器低氮优化设计及数值模拟

为解决直接热脱附设备二燃室燃烧器氮氧化物排放高的问题,利用热平衡计算方法建立其输入和输出能量平衡关系式,得到二燃室温度维持1 100 ℃时所需燃气量和助燃风量;同时,结合空气分级技术、燃料分级技术和部分预混燃烧技术对燃烧器进行优化设计,并对其燃烧情况进行了数值模拟计算。热平衡计算结果表明,维持二燃室燃烧温度1 100 ℃所需的燃气量和助燃风量分别为1 003和22 066 m³·h⁻¹。数值模拟结果表明,增加燃气预混喷口可显著强化燃气/空气混合,使燃烧更为迅速,可防止滞后的火焰冲刷壁面,也有助于分散火焰,避免局部高温。增加二级空气通道可降低空气的出口流速,防止出现脱火现象,且利于燃气径向扩散,避免火焰集中。以上2种方法均能有效降低氮氧化物排放量,且采用燃气部分预混后二燃室出口处一氧化碳浓度大幅降低。在同时采用燃气预混喷口和二级空气通道后,NO_x浓度稳定在45 mg·m⁻³左右,相比于现有燃烧器减少了85%。该研究结果可为直接热脱附设备二燃室燃烧器的低氮设计提供参考。     

过硫酸盐在土壤中的电动输运特性

为提高过硫酸盐氧化剂在土壤中的传输效率,对以电渗流为主导因素的电动输运特性进行研究。通过土壤箱体的实验和数值模拟,研究电势梯度、土壤间隙水盐浓度和温度、过硫酸钠投放电极和浓度、pH对电渗流速和电渗系数影响,并分析过硫酸盐电动输运特性。结果表明,过硫酸盐在阳极投放与在两极投放时电动输运效果较好;提高投放的过硫酸盐浓度可以同比例提高相同时刻土壤中的过硫酸根浓度,但不改变电动输运所需的时间;提高电势梯度可以等比例提高电渗流速,但不能提高电渗系数;提高盐浓度可使电渗流速和电渗系数以相同比例提高;土壤升温至60 ℃和在2~12区间内的pH改变对电渗流速和电渗系数的提高比例为14.5%和4.8%;当盐浓度低于0.1 mol·L⁻¹时,在1、2 V·cm⁻¹的电势梯度下,土壤的最大温升分别为8 ℃、40 ℃。因此,在过硫酸盐的电动输运过程中,建议采用1V·cm⁻¹电势梯度以降低过硫酸盐的活化速率。本研究结果可为电动输运过硫酸盐的传输方案提供参考。     

基于声波团聚的热脱附装置除尘的关键影响因素研究

针对土壤热脱附装置存在着严重的扬尘问题,将声波团聚联合喷雾的方法应用于热脱附装置的除尘,研究了声频、粉尘初始浓度、声压级和喷雾流量等对除尘效果的影响(粉尘的平均粒径小于10μm)。实验发现,在声频为1 400 Hz、喷雾浓度为1.0 L·m^-3的条件下,团聚室的除尘效率在60 s内达到98%;声压级从145 dB提高至153 dB后,除尘效率提高了38%;SEM结果表明,声波处理后的颗粒被碾碎并团聚;添加喷雾可以提高除尘效率,但不同的喷雾浓度对最终的除尘效率影响不大,施加喷雾后的最佳声频仍为1 400 Hz;粉尘和喷雾的初始浓度越大,团聚前期的除尘速率和最后的除尘效率越大,当喷雾浓度为2.0 L·m^-3时比没有喷雾时的除尘效率提高了44%,说明声波团聚对高浓度气溶胶的使用效果更好,研究结果可为热脱附装置除尘技术的研发提供参考。