改造水泥窑脱附污染土技术论证及实践_赵利卿.pdf

2023.No.6-25-0引言随着我国城市化的快速发展，以及“退二进三”、“退城入园”等产业结构及政策的调整实施，很多农药、化工等工业企业关停或搬离市区，遗留大量污染场地1。这部分被高毒性、挥发有机物与半挥发有机物污染的工业化场地，如果不及时处理，还会对周围的环境空气、地下水、地表水产生更为严重的二次危害。据文献2介绍全国土壤总的点位超标率16.1%，而工矿业废弃地土壤超标点位36.3%，多数污染场地含有机污染物，所以土壤有机污染防治已迫在眉睫。异位热脱附技术对有机污染土具有去除率高、修复周期短等优势，是目前修复有机污染土的有效措施之一3。但是污染土热脱附处理处于起步阶段，有机污染土处理能力尚有较大缺口。水泥窑协同处置有机污染土由于其独特的优势4，已被广泛应用。但由于该方式，处理污染土仅作为协同之用，在不影响水泥产量和质量情况下，处理规模受限，不能满足目前处理能力。如果对水泥窑改造后，利用热脱附技术处理有机污染土，不仅可以节省初次投资，而且可以实现大规模处理。2021年，河南省生态环境厅发布 河南省生态环境分区管控总体要求（试行），提出淘汰2 000 t/d及以下通用水泥熟料生产线。2019年水泥行业大气污染防治攻坚战实施方案 也提出前五十强企业自律淘汰2 000 t/d以下的水泥生产线，对2 000 t/d以上的技术落后的生产线进行减量置换改造。2 000 t/d熟料生产线面临转型挑战的情况下，改造水泥窑热脱附处理有机污染土是转型路线之一。1异位热脱附原理异位热脱附是指通过直接或间接的热量交换方式，污染土加热至目标污染物的沸点以上，通过控制系统温度和停留时间有选择促使污染物气化挥发，使目标污染物与土壤颗粒分离、去除，并对挥发出的污染物进行有效收集并处理的过程5。广义热脱附分为两个阶段，第一阶段热脱附阶段，用以加热待处理的污染土，使污染土中的污染物挥发成气态后分离；第二阶段为气态污染物处理：将含有污染物的气体经过二次燃烧方式及其他方式处理后，达标排放至大气。第一阶段的热脱附过程影响因素包括温度、土壤质地、脱附时间、初始浓度和载气流速等，其中脱附温度和时间是影响污染去除效率的主要因素6。目前，常见污染场地有机污染物类型主要包括钢铁、焦化、化工厂产生的多环芳烃（PAHs）、电力电子工业产生的多氯联苯（PCBs）、石油开采及炼制工业产生的石油烃类、农药厂产生的DDT（双对氯苯基三氯乙烷）、六六六（六氯环己烷）类等。常见污染物沸点见表1。表1污染土中常见有机物沸点物质名称沸点/苯并（a）芘495苯并（a）蒽448苯并（b）荧蒽481二苯并（a，h）蒽541茚并（123-cd）芘497苯80DDT（含氯）260六六六（含氯）288PCBs多氯联苯340375石油烃类60315改造水泥窑脱附污染土技术论证及实践赵利卿1，赵恒帅2，李海龙1，郑金召1，薛景生1（1.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2.天津金隅振兴环保科技有限公司，天津300400）摘要：本文主要从政策、技术方面对水泥窑改造后处理脱附污染土进行了可行性论证。结合国内北方某2 000 t/d水泥窑改造后处理1 500 t/d有机污染土项目，对回转窑、分解炉设备进行核算验证，可以满足热脱附技术要求，提出项目主要改造内容，对改造后项目工艺流程进行了介绍。项目运行后，对脱附后土壤及尾气排放数据进行了监测，结果表明，各类数据均优于GB 366002018和DB11/5012017标准指标。关键词：水泥窑；脱附；污染土；转型中图分类号：TQ172.622.29；X705文献标志码：B文章编号：1002-9877（2023）06-0025-04DOI：10.13739/11-1899/tq.2023.06.006-26-2023.No.6理论上脱附温度高于污染物沸点，即可达到脱附目的。实际中，受到换热效率及接触均匀性的影响，脱附温度要高于沸点，而且停留时间和脱附温度具有关联性。根据文献7-9对石油烃、DDTs、多环芳烃污染土脱附温度300550，脱附时间3050 min，脱附去除率99%以上。另外，根据 异位热解吸技术修复污染土壤工程技术规范（征求意见稿）提供工程实例石油烃、DDTs、多环芳烃，脱附温度500600，脱附去除率99%以上。根据以上分析，脱附温度600，脱附时间3050 min基本可以满足常见有机污染物的脱附要求。实践中，如果污染土中的污染物较单一，可以对照表1沸点，选取最高物质沸点提高50 作为脱附温度即可，脱附时间试验获取。第二阶段的气态污染物处理过程需要根据脱除出来的有机污染物类型确定流程。如果这类有机物多环芳烃、石油烃不含氯有机物，一般包括二次燃烧、脱硝脱硫、除尘等工艺，如果污染物为多氯联苯及农药产物，因为含有氯，存在产生二噁英风险，处理流程与常规固废焚烧废气处理工艺类似，包括二次燃烧、脱硝脱酸、急冷、活性炭吸附、除尘等步骤。2改造技术论证根据上述脱附原理流程，可知其主要包括热脱附系统、二次燃烧、尾气处理系统，与水泥窑系统回转窑、分解炉、尾气处理系统有很多相似之处，但是两种系统工作参数存在较大差异性。下面具体结合国内北方某水泥厂改造热脱附处理污染土进行技术论证。项目基本情况：对现有2 000 t/d熟料生产线进行技术改造为热脱附系统处置有机类污染土。水泥熟料生产线现有设备规格为回转窑4 m60 m（3.5%），分解炉4.8 m20 m，增湿塔7.5 m30 m，高温风机36 700 m3/h（静压8 000 Pa，风温350）。改造后设计参数：污染土处理规模1 500 t/d，脱附温度600，二次燃烧室温度1 100，脱附停留时间4060 min。2.1回转窑改造为脱附窑主要核算回转窑改造为脱附窑的停留时间、填充系数是否满足要求，并和其他规格回转窑及多种处理规模进行比较，供其他项目参考，计算结果见表2。另外，对改造脱附窑后的热平衡进行计算，确定燃料消耗量及产生烟气量，结果见表3。表2停留时间、填充系数计算结果序号方案内容处置能力/（t/d）转速/（r/min）停留时间/min填充系数/%功耗/kW14.0 m60 m斜度：3.5%L/D=151 0001 5002 0002.92.02.92.02.92.04060406040603.24.84.87.26.49.617025717025717025724.0 m60 m斜度：4.0%L/D=151 0001 5002 0002.51.72.51.72.51.74060406040603.24.84.87.26.49.6148222148222148222表3回转窑热平衡计算结果输入项目Nm3/h或t/hMJ输出项目Nm3/h或t/hMJ回用二次风23 54910 316筒体表面散热3 187.5燃料燃烧热2.556 193出窑废气含飞灰36 10731 026污染土62.52 580脱附土51.5311 840漏入空气6 00058水分蒸发热23 167总输入69 221总输出69 221注：计算基准，煤热值23 213 kJ/kg，污染土含水率15%。表4同。计算公式如下：1）物料停留时间t=1.77SDnLi（1）式中：t物料停留时间，min；L筒体长度，m；Di筒体内径，m，内衬200 mm；物料的自然堆积角（），取35；S 筒 体 斜 度，3.5%（2），4.0%（2.3），4.5%（2.58）；n转速，r/min。2）填充系数f=0.0212LDkGti2（2）式中：f 填充系数，相当于窑内物料负荷率，一般取5%13%；k结构影响系数，无挡料板，取k=1；G处理量，kg/h；物料密度，kg/m3，取1 450 kg/m3。3）消耗功率NK LnD=i3（3）式中：N功耗，kW；K 系数，与填充系数及结构形式有关，取2023.No.6-27-赵利卿，等：改造水泥窑脱附污染土技术论证及实践K=0.015。4）热平衡计算项目现有回转窑长径比151，比常规脱附窑（51101）较大，且为了不破坏土壤质量，窑头温度不能太高，导致烟室温度降低，因此改为脱附窑运行，脱附停留时间较常规脱附窑时间延长10 min，保证窑前段高温段停留时间（3050 min），后端作为低温预脱附。根据核算结果，通过调节窑转速为2.92.0 r/min可实现脱附时间4060 min，处理能力1 0002 000 t/d的情况，填充系数远远小于 化工回转窑设计规定（HG/T205662011）要求，说明利用水泥回转窑改为脱附窑，污染土脱附料层薄，热交换效率好，可以保证脱除效果。根据上述分析回转窑调整为脱附窑，设备可以满足要求，仅调整运行参数即可。另外，由于脱附温度较水泥生产烧成温度低，根据热平衡计算，回转窑内燃料消耗量减少很多，烟气量也减少较多，风速变小，有助于气固热交换，这些烟气量、助燃空气变化方面可以通过调整高温风机、冷却风机、三次风比例实现。但是燃料的减少，不单是量的减少，还涉及到燃烧状态的变化，需结合实际运行情况。目前燃烧器很难满足要求，因此需要调整设备及更换燃烧器。2.2分解炉改造为二次燃烧室相比于水泥窑分解炉工作状态生料分解反应，气固热交换工况，分解炉作为脱附污染土的二次燃烧室，主要用于气体的二次燃烧，工况较为稳定，文章主要就热平衡结果，分析尾气的停留时间，计算结果见表4。表4分解炉热平衡计算结果输入项目Nm3/h或t/hMJ输出项目Nm3/h或t/hMJ出窑废气含飞灰36 10731 026出二燃室废气热53 02077 112漏入空气1 80018表面散热95燃料燃烧1.9946 163总输入77 208总输出77 208根据计算结果，二燃室烟气量工况24万m3/h，分解炉容积360 m3，计算烟气停留时间6 s，尽管本项目分解炉炉容相对较小，但也远超过有机废气高温停留时间大于2 s的要求。且烟气在分解炉的风速为3.4 m/s，对颗粒沉降有较好作用。和水泥生产比较，烟气量减少，燃料减少，和回转窑类似，燃烧器设备需做更换调整。2.3增湿塔改造为急冷塔及高温风机核算该部分功能主要用于快速降低烟气温度，为了避免二噁英的再次合成，要求1 s内烟气温度从600 降至200 以下。这部分关键技术是要求急冷，根据文献10急冷塔内烟气温降时间理论上主要取决于喷水量及雾化粒径大小，但实际中急冷塔直径对其也有影响，尤其塔直径过大，烟气流速低，导致横向混合效率降低，进而影响急冷时间，一般推荐流速4 m/s。核 算 项 目 增 湿 塔7.5 m30 m，烟 气 风 速12 m/s，换热距离仅有12 m，较难保证急冷效果，所以急冷设施需从其他部分改造。出二燃室烟气经过冷却降温后，工况烟气量13.5万m3/h，温度200。高温风机36 700 m3/h（静压8 000 Pa，风温350），设备通过变频调速，可以满足要求。2.4主要改造内容根据上述分析回转窑、分解炉可直接利用为脱附窑、二燃室，但是由于温度、气体量工况的不同，需要局部改造，而后面的尾气处理部分则需要较大改造。主要改造内容包括：（1）由于烧成参数调整，需增设油或天然气燃烧器，窑头、分解炉均增设油燃烧器及相关配套设施，能力2 t/h；（2）增湿塔前管道改造为急冷脱酸系统，在C1出口风管处增加四组喷枪系统，喷枪总液体流量18 t/h，总气体流量18 Nm3/min，将600 高温烟气1 s直接降温至200，同时起到二次脱酸作用；（3）新增活性炭喷射系统，进窑尾尾气处理收尘器前的风管上增加活性炭喷射及计量装置。2.5改造后工艺流程项目改造后工艺流程为，污染土先经过预处理，使得含水率小于15%，粒度50 mm，满足入窑要求。预处理后污染土经过计量输送，从脱附窑尾部（烟室）送入窑内，污染土在脱附窑（回转窑）内与高温气体（600）逆向流动交换热量脱除污染物，停留时间60 min。脱附后的土壤进入冷却机冷却，冷却后送入成品库存储回用。从脱附窑出来的烟气，进入二燃室（分解炉）进行焚烧处理，二燃室温度设置为1 100，并且在二燃室喷入氨水脱除氮氧化物，以及从C1喂入石灰石进入分解