CN104289513A - 一种汞污染土壤热脱附处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汞污染土壤热脱附处理装置及处理方法，该装置包括预处理单元、进料单元、燃料供应单元、热脱附单元、高温除尘单元、冷凝水处理单元、出料单元、尾气冷却单元和尾气处理单元；所述预处理单元与进料单元相连，进料单元、燃料供应单元、出料单元和高温除尘单元均与热脱附单元相连，高温除尘单元与尾气冷却单元相连，尾气冷却单元与尾气处理单元和冷凝水处理单元相连，冷凝水处理单元与出料单元相连，热脱附单元采用热螺旋输送器，通过间接加热使污染物挥发并从受污染土壤中分离出来，可有效去除汞污染土壤中汞，同时还可通过水力旋流分离的方法回收脱附尾气中的汞，并实现尾气和废水的达标排放。

Description

一种汞污染土壤热脱附处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及一种针对汞污染土壤采用热脱附工艺进行处理与回收汞的可移动式系统，属于污染土壤修复领域。

背景技术

我国是最大的汞生产国和消费国，燃煤、汞矿采冶、有色金属冶炼企业及水泥厂等重点污染源排放的汞已经对周边大气、水体和土壤造成污染，局部地区污染严重。根据资料初步估计，我国被汞污染的土壤面积有 3.2×10⁴ ha,每年产生污染环境的汞达1.9×10⁸ kg。热脱附工艺是高浓度汞污染土壤的最佳处理技术之一，是采用直接或间接加热方式，将污染土壤加热到足够高的温度并保持一段时间后，使污染物挥发并从受污染土壤中分离出来的过程，其具有处理时间短、处理效果高等特点。

目前，国内外已有回转窑、输送带式加热炉等形式的热脱附设备用于汞污染土壤的热脱附处理，可有效去除污染土壤中的汞。然而，上述类型的设备存在不适合作为可移动式设备、尾气产生量大等问题。同时，对于热脱附过程中产生的脱附尾气和废水处理工艺还尚有待完善，以避免二次污染；另一方面，为实现汞的资源化利用，在汞污染土壤的处理工艺中亦需考虑汞的回收。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种汞污染土壤热脱附处理装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种汞污染土壤热脱附处理装置，包括预处理单元、进料单元、燃料供应单元、热脱附单元、高温除尘单元、冷凝水处理单元、出料单元、尾气冷却单元和尾气处理单元；所述预处理单元与进料单元相连，进料单元、燃料供应单元、出料单元和高温除尘单元均与热脱附单元相连，高温除尘单元与尾气冷却单元相连，尾气冷却单元与尾气处理单元和冷凝水处理单元相连，冷凝水处理单元与出料单元相连；

所述热脱附单元包括燃烧器、燃烧室和安装于燃烧室内的螺旋输送器，燃烧器位于燃烧室下方；热螺旋输送器与进料单元相连，进料单元将待处理土壤输送到热螺旋输送器；燃烧器与燃料供应单元相连，燃料供应单元将燃料输送到燃烧器中；在燃烧器中燃烧燃料，将热螺旋输送器中的待处理土壤在300~500℃热处理20~30 min，使含汞污染物从土壤中挥发出来，并将分离了含汞污染物的土壤送至出料单元；

所述高温除尘单元包括一级高温除尘设备、二级高温除尘设备和高温气体输送管道，一级高温除尘设备与热螺旋输送器通过高温管道相连；二级高温除尘设备通过高温气体输送管道与一级高温除尘设备连接，热脱附单元产生的脱附尾气依次经过一级高温除尘设备、二级高温除尘设备，去除脱附尾气中固体颗粒物；经过除尘处理的高温脱附尾气经高温气体输送管道输送到尾气冷却单元；

所述尾气冷却单元包括换热器、循环水冷却系统和循环水箱，换热器包括气体通道和循环水通道，气体通道的进气口通过高温气体输送管道与二级高温除尘设备相连，气体通道的出气口与尾气处理单元相连，气体通道底部设置有冷凝水出水口，冷凝水出水口通过管道与冷凝水处理单元相连；循环水通道、循环水冷却系统、循环水箱依次连接，形成一个闭合回路，且冷却水的走向与尾气走向相反；经高温除尘单元处理后的高温尾气经换热器冷却后，通过管道输至尾气处理单元，高温尾气中的水蒸气被冷凝成液态水，通过管道输送到冷凝水处理单元；

所述尾气处理单元由多级串联的活性炭吸附装置、引风机和排气管组成，多级串联的活性炭吸附装置、引风机和排气管依次连接，活性炭吸附装置与尾气冷却单元相连，经冷却的尾气依次通过活性炭吸附装置、引风机和排气管，排入大气；

所述冷凝水处理单元包括依次连接的冷凝水收集装置、水力旋流器、离心机、石英砂过滤罐、活性炭吸附罐和回湿水箱，冷凝水收集装置的收集端与换热器相连，回湿水箱与出料单元相连；冷凝水收集装置收集换热器产生的冷凝水后通过管道将其输送至水力旋流器；水力旋流器将汞和水的分离，并收集分离出的汞，与汞分离后的废水溢流进入离心机；离心机将冷凝水的泥水分离；泥水分离后的污水经石英砂过滤和活性炭吸附后储存于回湿水箱，用于处理后土壤的加湿，或处理达标后排放。

进一步地所述高温除尘单元中的一级高温除尘设备、二级高温除尘设备和高温气体输送管道均由50~150 mm厚的保温材料包裹。

一种汞污染土壤热脱附处理方法，该方法是在汞污染土壤热脱附处理装置实现的，包括以下步骤：

（1）预处理单元将待处理的汞污染土壤进行初筛、破碎后，送至进料单元；所述初筛的筛孔为25 mm×25 mm，破碎后的粒径为2～20 mm；

（2）进料单元将步骤1处理后的土壤匀速送至热脱附单元，同时，燃料供应单元将燃料送至热脱附单元；

（3）热脱附单元中的热螺旋输送器利用燃料将步骤2送入的土壤进行间接式加热，将土壤在300℃~500℃温度下热处理20~30 min，使含汞污染物从土壤中挥发出来，并将分离了含汞污染物的土壤送至出料单元中； 

（4）步骤3挥发的尾气经管道输至高温除尘单元中，并在高温除尘单元中进行除尘；

（5）经步骤4去除固体颗粒物的尾气通过管道输送到尾气冷却系统，并在尾气冷却系统中冷却至40~50 ℃以下；尾气冷却单元在冷却过程中产生的冷凝水经管道输送到冷凝水处理单元中；

（6）经步骤5处理后的尾气通过管道输至尾气处理单元，经尾气处理单元中的活性炭吸附后达标排放；同时，步骤5产生的冷凝水在冷凝水处理单元中经旋汞分离、离心和活性炭吸附处理后添加到出料单元；

（7）将步骤3处理后的土壤与步骤6处理后的水在出料单元中与处理后高温干燥土壤混合，对处理后土壤进行降温加湿处理。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）采用热螺旋输送器，通过间接加热实现汞污染土壤的热脱附处理，处理后的土壤中总汞浓度不高于10 mg/kg；

（2）通过含汞污染物的挥发、分解、冷凝和水力分离等过程，可回收汞污染土壤中汞，回收率可达95%～99%，实现汞的资源化利用；

（3）本系统采用模块化设计，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、连续使用的需求；

（4）采用间接加热的方式进行热脱附，脱附尾气产生量较小，尾气经二级高温除尘、间接冷却、活性炭吸附后，实现达标排放；

（5）采用高温除尘技术可避免除尘器中尾气温度降低使得水蒸气冷凝堵塞除尘器和气体管道，有效避免后续尾气冷却单元中冷却装置和气体管道因集尘发生的堵塞，可降低尾气冷却单位的冷凝水中悬浮性固体（SS）含量，降低冷凝水处理难度，同时可避免从污染土壤脱附出来的气态污染物重新被尾气中的固体颗粒吸附；

（6）废水经水力旋流分离汞、离心分离、石英砂过滤、活性炭吸附等处理后可用于处理后土壤的加湿过程或达标排放；

（7）热脱附单元可充分混合污染土壤，使之受热均匀，提高了热脱附处理效果；

（8）通过减少热脱附过程的热量散失、提高了传热效果，降低了其热能消耗。

附图说明

图1为汞污染土壤热脱附处理装置的工作流程图。

具体实施方式

一种汞污染土壤热脱附处理装置，包括预处理单元、进料单元、燃料供应单元、热脱附单元、高温除尘单元、冷凝水处理单元、出料单元、尾气冷却单元和尾气处理单元；所述预处理单元与进料单元相连，进料单元、燃料供应单元、出料单元和高温除尘单元均与热脱附单元相连，高温除尘单元与尾气冷却单元相连，尾气冷却系统与尾气处理单元和冷凝水处理单元相连，冷凝水处理单元与出料单元相连；

所述进料单元，可以由皮带秤和皮带输送机组成，待处理土壤存经皮带秤均匀落入皮带输送机上，然后通过皮带输送机输送到热螺旋输送器中。

所述燃料供应单元，可以由燃料罐、燃料供应管路组成，燃料储存于燃料罐中，通过燃料供应管路输送到燃烧器中。还可以再燃料供应管路上安装一个燃料流量控制器，用于控制燃料的进料流量。

所述热脱附单元包括燃烧器、燃烧室和轴线方向穿过燃烧室的螺旋输送器，燃烧器位于燃烧室下方；热螺旋输送器与进料单元相连，燃烧器与燃料供应单元相连；在燃烧器中燃烧燃料，将热螺旋输送器中的土壤在300℃~500℃温度下热处理20~30 min，使含汞污染物从土壤中挥发出来，并将分离了含汞污染物的土壤送至出料单元中；

所述高温除尘单元包括一级高温除尘设备、二级高温除尘设备和高温气体输送管道，一级高温除尘设备、二级高温除尘设备依次连接，一级高温除尘设备通过高温气体输送管道与热螺旋输送器相连，热脱附单元产生的尾气依次经过一级高温除尘设备、二级高温除尘设备，去除挥发的含汞污染物中的固体颗粒物；去除固体颗粒物的高温脱附尾气通过高温气体输送管道输送到尾气冷却系统；高温除尘单元中的一级高温除尘设备和二级高温除尘以及连接管道均由50~150 mm厚的保温材料包裹，有效避免后续尾气冷却单元中冷却装置和气体管道因集尘发生的堵塞，可降低尾气冷却单位的冷凝水中悬浮性固体（SS）含量，降低冷凝水处理难度，同时可避免从污染土壤脱附出来的气态污染物重新被尾气中的粉尘颗粒吸附； 

所述尾气冷却单元包括换热器、循环水冷却系统和循环水箱，换热器包括气体通道和循环水通道，气体通道的进气口通过高温气体输送管道与二级高温除尘设备相连，气体通道的出气口与尾气处理单元相连，气体通道底部设置有冷凝水出水口，冷凝水出水口通过管道与冷凝水处理单元相连；循环水通道、循环水冷却系统、循环水箱依次连接，形成一个闭合回路，且冷却水的走向与尾气走向相反；循环水箱中的水进入循环水通道，对气体通道中的高温尾气进行冷却，循环水受热后进循环水冷却系统进行冷却，冷却后的循环水进入循环水箱。经高温除尘单元处理后的污染物在换热器冷却后，通过管道输至尾气处理单元；经二级高温除尘设备除尘后的尾气中含有大量的水蒸气，水蒸气在换热器中受冷后，形成冷凝水，该冷凝水通过管道输送到冷凝水处理单元；

尾气处理单元由多级串联的活性炭吸附装置、引风机和排气管组成，多级串联的活性炭吸附装置、引风机和排气管依次连接，引风机可以使热脱附单元保持微负压，以保证热脱附出来的气体不外溢及热脱附过程中尽可能少地产生固体颗粒物。活性炭吸附装置与尾气冷却单元相连，经冷却的尾气依次通过活性炭吸附装置、引风机和排气管，排入大气；

所述冷凝水处理单元包括依次连接的冷凝水收集装置、水力旋流器、离心机、石英砂过滤罐、活性炭吸附罐和回湿水箱，冷凝水收集装置的收集端与换热器相连，回湿水箱与出料单元相连；冷凝水收集装置对换热器产生的冷凝水进行收集，并将收集的冷凝水通过管道输至水力旋流器，水力旋流器利用汞与水的比重差和旋转分离作用实现汞和水的分离，并对分离出的汞进行收集，与汞分离后的废水经溢流进至离心机，去除冷凝水中的污泥，泥水分离后的污水经石英砂过滤和活性炭吸附后，储存于回湿水箱，用于处理后的土壤的加湿过程，或处理达标后排放。

所述出料单元可以与输送机和搅拌机连接组成，输送机将热脱附单元处理后的土壤输送到搅拌机中，回湿水箱中的水通过管道输入到搅拌机中，搅拌机将土壤与水混合，完成对汞污染土壤热脱附处理。

一种汞污染土壤热脱附处理方法，该方法是在汞污染土壤热脱附处理装置实现的，包括以下步骤：

（1）使用铲车把经过晾晒后的汞污染土壤运送到预处理单元上的振动筛上方过筛（筛孔为15~25 mm×15~25mm），以去除石块等杂物，之后使用铲车把经过筛分的污染土壤运送到复合式破碎机的进料斗内，污染土壤经过复合破碎机破碎。预处理后的土壤粒径为2～20 mm，其含水率不高于20%。污染土壤经预处理后，可减少土壤对设备的磨损，同时控制土壤粒径的均匀性，保证处理效果；

（2）使用铲车把步骤1预处理后的污染土壤送至进料单元的失重式皮带秤的进料斗内，污染土壤经过皮带秤的计量称重后均匀下落到皮带输送机进料斗内，在皮带输送机的抬升输送下，均匀下落到热脱附单元的进料斗；同时，燃料供应单元将燃料送至热脱附单元中的燃烧室中；

（3）进料斗中土壤进入热螺旋输送器，通过设置在燃烧室上燃烧器的作业，对热螺旋输送器中的土壤进行加热，并将土壤在300~500℃热处理20~30 min，使含汞污染物从土壤中挥发出来，并将分离了含汞污染物的土壤送至出料单元中；该步骤中采用热螺旋输送器，通过间接加热实现汞污染土壤的热脱附处理，处理后的土壤中总汞浓度不高于10 mg/kg； 

（4）步骤3挥发的尾气经管道输至高温除尘单元中，高温尾气在尾气处理单元后面设置的引风机作用下，依次通过一级高温除尘设备（粗除尘）、二级高温除尘设备（精细除尘）。经过二级高温除尘设备后，尾气中的固体颗粒物可去除99%。

（5）经步骤4去除固体颗粒物的尾气通过管道输送到尾气冷却系统，高温尾气由换热器进气口进入换热器，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，尾气中的水蒸气被冷却为液态水，以确保经过冷却后的尾气中的水含量和汞含量足够低，减轻后续尾气处理单元的负荷，也增加汞的回收率。

（6）经步骤5处理后的尾气通过管道输至尾气处理单元，经尾气处理单元中的活性炭吸附，排放到大气中；同时，步骤5产生的冷凝水进入冷凝水处理单元，通过水力旋流器利用汞与水的比重差和旋转离心力实现汞和水的分离，并对分离出的汞进行收集；与汞分离后的废水经溢流进至离心机，去除冷凝水中95%~98%的大部分污泥，泥水分离后的污水经石英砂过滤和活性炭吸附后，添加到出料单元；

（7）将步骤3处理后的土壤与步骤6处理后的水在出料单元中进行混合后，完成对汞污染土壤热脱附处理。

所述汞污染土壤热脱附处理装置的处理量为2 ton/h，运行温度为400~450℃，占地面积为45 m×25 m。在处理前，汞污染土壤总汞浓度为180~1000 mg/kg，含水率小于20 %。经热脱附处理后，土壤中总汞浓度为6~9.5 mg/kg；尾气经处理达到《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996），其总汞浓度为300～400 ng/m³；废水经处理后达到《污水排入城市下水道水质标准》（CJ3082-1999），其总汞浓度为0.005~0.018 mg/L。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种汞污染土壤热脱附处理装置，其特征在于，包括预处理单元、进料单元、燃料供应单元、热脱附单元、高温除尘单元、冷凝水处理单元、出料单元、尾气冷却单元和尾气处理单元；所述预处理单元与进料单元相连，进料单元、燃料供应单元、出料单元和高温除尘单元均与热脱附单元相连，高温除尘单元与尾气冷却单元相连，尾气冷却单元分别与尾气处理单元和冷凝水处理单元相连，冷凝水处理单元与出料单元相连；

所述热脱附单元包括燃烧器、燃烧室和安装于燃烧室内的热螺旋输送器，燃烧器位于燃烧室下方；热螺旋输送器与进料单元相连，进料单元将待处理土壤输送到热螺旋输送器；燃烧器与燃料供应单元相连，燃料供应单元将燃料输送到燃烧器中；在燃烧器中燃烧燃料，将热螺旋输送器中的待处理土壤在300~500℃热处理20~30 min，使含汞污染物从土壤中挥发出来，并将分离了含汞污染物的土壤送至出料单元；

所述高温除尘单元包括一级高温除尘设备、二级高温除尘设备和高温气体输送管道，一级高温除尘设备与热螺旋输送器通过高温管道相连；二级高温除尘设备的一端通过高温气体输送管道与一级高温除尘设备连接，另一端一端通过高温气体输送管道与尾气冷却单元相连；热脱附单元产生的脱附尾气依次经过一级高温除尘设备、二级高温除尘设备，去除脱附尾气中固体颗粒物；经过除尘处理的高温脱附尾气经高温气体输送管道输送到尾气冷却单元；

所述尾气冷却单元包括换热器、循环水冷却系统和循环水箱，换热器包括气体通道和循环水通道，气体通道的进气口通过高温气体输送管道与二级高温除尘设备相连，气体通道的出气口与尾气处理单元相连，气体通道底部设置有冷凝水出水口，冷凝水出水口通过管道与冷凝水处理单元相连；循环水通道、循环水冷却系统、循环水箱依次连接，形成一个闭合回路，且冷却水的走向与尾气走向相反；经高温除尘单元处理后的高温尾气经换热器冷却后，通过管道输至尾气处理单元，高温尾气中的水蒸气被冷凝成液态水，通过管道输送到冷凝水处理单元；

所述尾气处理单元由多级串联的活性炭吸附装置、引风机和排气管组成，多级串联的活性炭吸附装置、引风机和排气管依次连接，活性炭吸附装置与尾气冷却单元相连，经冷却的尾气依次通过活性炭吸附装置、引风机和排气管，排入大气；

所述冷凝水处理单元包括依次连接的冷凝水收集装置、水力旋流器、离心机、石英砂过滤罐、活性炭吸附罐和回湿水箱，冷凝水收集装置的收集端与换热器相连，回湿水箱通过管道与出料单元相连；冷凝水收集装置收集换热器产生的冷凝水后通过管道将其输送至水力旋流器；水力旋流器将汞和水的分离，并收集分离出的汞，与汞分离后的废水溢流进入离心机；离心机将冷凝水的泥水分离；泥水分离后的污水经石英砂过滤和活性炭吸附后储存于回湿水箱，用于处理后土壤的加湿，或处理达标后排放。

2.根据权利要求1所述的一种汞污染土壤热脱附处理装置，其特征在于，所述高温除尘单元中的一级高温除尘设备、二级高温除尘设备和高温气体输送管道均由50~150 mm厚的保温材料包裹。

3.一种汞污染土壤热脱附处理方法，该方法是在权利要求1所述的汞污染土壤热脱附处理装置实现的，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）预处理单元将待处理的汞污染土壤进行初筛、破碎后，送至进料单元；所述初筛的筛孔为15~25 mm×15~25 mm，破碎后的粒径为2～20 mm；

（2）进料单元将步骤1处理后的土壤匀速送至热脱附单元，同时，燃料供应单元将燃料送至热脱附单元；

（3）热脱附单元中的热螺旋输送器利用燃料将步骤2送入的土壤进行加热，并将土壤在300~500℃热处理20~30 min，含汞污染物从土壤中挥发出来，并将分离了含汞污染物的土壤送至出料单元中； 

（4）步骤3产生的脱附尾气经管道输至高温除尘单元中，并在高温除尘单元中进行除尘；

（5）经步骤4去除固体颗粒物的尾气通过管道输送到尾气冷却单元，并在尾气冷却单元中冷却至40~50 ℃以下；尾气冷却系统在冷却过程中产生的冷凝水经管道输送到冷凝水处理单元中；

（6）经步骤5处理后的尾气通过管道输至尾气处理单元，经尾气处理单元中的活性炭吸附后达标排放；同时，步骤5产生的冷凝水在冷凝水处理单元中进行旋汞分离、离心分离和活性炭吸附处理后送至出料单元；

（7）将步骤3处理后的土壤与步骤6处理后的水在出料单元中与处理后高温干燥土壤混合，对处理后土壤进行降温加湿处理。