周志毅，柴 瑞，黃震威，吳 昊，王進(jìn)卿，毛偉洋，詹明秀,，徐 旭，池作和，焦文濤

1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018

2. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展和人民環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，污染型企業(yè)逐步被改造或搬遷，導(dǎo)致出現(xiàn)大量遺留污染場(chǎng)地[1-2]. 這些場(chǎng)地以有機(jī)污染為主，具有種類多、濃度高、分布不均等特點(diǎn)[3]. 目前，已有多種土壤修復(fù)技術(shù)[4-6]，其中異位熱脫附是處置污染土壤最有效的技術(shù)之一. 異位熱脫附技術(shù)分為直接熱脫附和間接熱脫附，其中，直接熱脫附作為有機(jī)污染場(chǎng)地修復(fù)的主要技術(shù)[7-9]，能夠快速高效去除土壤中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)物(如多環(huán)芳烴[10]、多氯聯(lián)苯[11-12]和總石油烴[13]等)，具有污染物去除徹底、修復(fù)周期短和處理場(chǎng)地靈活等優(yōu)點(diǎn)[14-15].

有機(jī)污染土壤通常具有較高的含水率，在熱脫附過(guò)程中需要消耗大量的熱量將這部分水加熱至有機(jī)物分解溫度(900 ℃以上)，導(dǎo)致能耗大幅提高，經(jīng)濟(jì)性較差. Troxler 等[16]發(fā)現(xiàn)土壤含水率為10%~15%時(shí)，干土壤升溫所需的熱量基本與蒸發(fā)水分的能耗相當(dāng).許優(yōu)等[17]對(duì)熱脫附系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析，結(jié)果表明土壤水分脫除量越大，系統(tǒng)節(jié)能效果越好，當(dāng)利用煙氣余熱預(yù)干燥土壤脫除17%左右水分時(shí)，直接熱脫附裝置可降低能耗20%以上. 因此，該文將熱脫附系統(tǒng)的煙氣余熱進(jìn)行回用，用以預(yù)干燥進(jìn)入熱脫附裝備前的土壤，降低土壤含水率，節(jié)約熱脫附過(guò)程中的能耗，進(jìn)而提升系統(tǒng)能效.

如何高效脫除土壤中的水分，關(guān)鍵在于干化機(jī)的設(shè)計(jì)和干燥特性研究. 根據(jù)土壤的質(zhì)地、理化性質(zhì)及處理量，宜選用轉(zhuǎn)筒式干化機(jī)作為土壤干燥設(shè)備.轉(zhuǎn)筒式干化機(jī)作為一種常見(jiàn)的干燥設(shè)備，常用于農(nóng)產(chǎn)品[18-19]以及水泥、污泥等工業(yè)物料的干燥. 干化機(jī)轉(zhuǎn)速和待干燥物初始含水率是影響干燥特性的關(guān)鍵參數(shù)，研究者重點(diǎn)從這兩方面展開(kāi)研究：溫俊明等[20]通過(guò)自行設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)式污泥干化機(jī)，研究了筒體轉(zhuǎn)速對(duì)干化機(jī)性能和干燥效果的影響；郭延軍等[21]研究了槳葉式污泥干化機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)干化效果的影響，結(jié)果表明，提高轉(zhuǎn)速可以在一定程度上提高干化效率，但并不是轉(zhuǎn)速越快，干化效率越高，過(guò)高的轉(zhuǎn)速甚至?xí)?duì)干化過(guò)程帶來(lái)不利影響；Poos 等[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同含水率的污泥在轉(zhuǎn)筒干化機(jī)內(nèi)的形態(tài)，并采用返混技術(shù)，將干燥后的污泥送回干化機(jī)進(jìn)口以降低進(jìn)口污泥含水率，發(fā)現(xiàn)污泥含水率降到65%時(shí)會(huì)逐漸顆?；?污泥干燥過(guò)程中會(huì)釋放有機(jī)污染物，從而帶來(lái)二次污染問(wèn)題；Chun 等[23]發(fā)現(xiàn)NH3和CO2是污泥干燥過(guò)程中釋放的主要成分，當(dāng)干燥溫度升高時(shí)，兩種成分的含量都會(huì)增加；王飛等[24]發(fā)現(xiàn)，隨著干化溫度的升高，污染物的排放濃度顯著上升. 當(dāng)干化氣體經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝后，除不可凝氣體(如二氧化碳)外，氨氣及有機(jī)酸等氣體濃度均有不同程度的降低，說(shuō)明冷凝操作可降低部分污染物的排放. 張翠翠等[25]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了深度脫水印染污泥的滾筒干化特性，結(jié)果表明，尾氣排放溫度低于190 ℃時(shí)可以有效抑制NH3、H2S及苯系物的釋放. 與污泥相比，有機(jī)污染土壤含水率相對(duì)較低，經(jīng)過(guò)破碎、篩分等預(yù)處理的土壤顆粒粒徑均勻，形態(tài)穩(wěn)定，透氣性好，更適合通過(guò)轉(zhuǎn)筒干化機(jī)干燥. 因此，該文提出將轉(zhuǎn)筒式干化機(jī)應(yīng)用于土壤預(yù)干燥，并利用熱脫附過(guò)程中的煙氣余熱作為熱源. 但目前針對(duì)有機(jī)污染土壤在轉(zhuǎn)筒式干化機(jī)內(nèi)的干燥和污染物析出特性研究較少，而且缺少相應(yīng)的熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)參考值，制約著該技術(shù)在熱脫附領(lǐng)域的應(yīng)用.

該文采用熱重-質(zhì)譜法對(duì)有機(jī)污染土壤的非等溫干燥及污染物析出特性進(jìn)行研究. 采用50 kg/h 處理量的間接轉(zhuǎn)筒干化機(jī)小試平臺(tái)，研究轉(zhuǎn)速、土壤含水率對(duì)干燥特性的影響，并對(duì)干燥過(guò)程的污染物析出情況進(jìn)行分析，最后計(jì)算得到轉(zhuǎn)筒干化機(jī)熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)參考值，為后續(xù)適用于土壤干燥的轉(zhuǎn)筒式干化機(jī)工程應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 土壤性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用有機(jī)污染土壤取自杭州某含多環(huán)芳烴污染場(chǎng)地. 土壤中主要污染物成分及含量如表1 所示. 土壤容重為1.55 g/cm3，質(zhì)地以黏土為主. 由表1可知，土壤中苯并[a]蒽的濃度已經(jīng)超過(guò)了第一類用地的管制值(GB 36600——2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》)，其余污染物濃度也均超過(guò)了篩選值，可見(jiàn)該土壤存在一定的危害性. 土壤的質(zhì)量含水率采用失重法測(cè)定，為12.10%. 同時(shí)，為驗(yàn)證含水率對(duì)干燥過(guò)程的影響，另外分別制備2 種不同含水率土壤，采用加水均勻混合后靜置24 h，最終得到含多環(huán)芳烴有機(jī)污染土壤的含水率分別為12.10%、16.05%和24.03%. 實(shí)驗(yàn)用土壤樣品經(jīng)篩分后粒范圍為5~8 mm.

表1 含多環(huán)芳烴有機(jī)污染土壤主要污染物成分及含量Table 1 Composition and content of pollutants in organically polluted soil containing PAHs

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

土壤干燥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，土壤處理量為50 kg/h. 轉(zhuǎn)筒干化實(shí)驗(yàn)機(jī)采用間接式結(jié)構(gòu)，即高溫?zé)煔馀c土壤不直接接觸，通過(guò)筒壁傳導(dǎo)熱量. 高溫?zé)煔鈴霓D(zhuǎn)筒干化機(jī)前端的煙氣進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)轉(zhuǎn)筒和保溫層之間的間隔層加熱筒體，隨后從煙氣出口引出. 煙氣流動(dòng)方向與轉(zhuǎn)筒內(nèi)土壤運(yùn)動(dòng)方向一致. 加熱土壤后產(chǎn)生的干燥尾氣經(jīng)除塵、冷凝除水后引至煙囪排放.在煙氣進(jìn)出口分別安裝熱電偶，測(cè)量干化機(jī)進(jìn)出口的煙氣溫度. 在轉(zhuǎn)筒干化機(jī)的出口端上設(shè)有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)T1 和Y1，其中測(cè)量點(diǎn)T1 位于土壤出口，此處安裝J 型熱電偶測(cè)量土壤溫度. 測(cè)量點(diǎn)Y1 位于干化機(jī)尾氣出口中心位置，裝有J 型熱電偶，測(cè)量干燥尾氣溫度.J 型熱電偶連接到數(shù)據(jù)采集儀(34927A 型，KEYSIGHT，美國(guó))，讀取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值. 在煙囪前的管道上布置有取樣口，用于收集干燥尾氣樣品.

圖1 土壤干燥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the pre-drying experimental system

轉(zhuǎn)筒干化機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，土壤在處理過(guò)程中依次經(jīng)過(guò)進(jìn)料螺旋段、加熱段和出料螺旋段3 個(gè)部分，前后螺旋段長(zhǎng)度為0.5 m，加熱段長(zhǎng)度為1.0 m，加熱段布置L 型揚(yáng)料板，周向分布8 個(gè)，軸向分布7 排，前后排揚(yáng)料板之間交錯(cuò)22.5°布置，兩排揚(yáng)料板間距為0.05 m.

圖2 間接式轉(zhuǎn)筒干化機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the internal structure of the indirect rotary dryer

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先對(duì)有機(jī)污染土壤的非等溫干燥和污染物析出特性進(jìn)行測(cè)試，可為轉(zhuǎn)筒式干化機(jī)干燥特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋提供指導(dǎo). 采用熱重分析儀(TG-DTG)(STA 449 F5，NETZSCH，德國(guó))和熱重-質(zhì)譜聯(lián)用(TG-MS)(QMS 403，NETZSCH，德國(guó))分別對(duì)土壤的干燥、污染物析出過(guò)程進(jìn)行測(cè)試. 采用TG(熱重法)研究土壤升溫過(guò)程中的失重行為，DTG(微商熱重法)獲得臨界溫度，MS(質(zhì)譜法)對(duì)土壤在加熱過(guò)程中逸出的揮發(fā)性組分加以檢測(cè). 在TG-DTG 測(cè)試中，每組樣品質(zhì)量為(100±2) mg，升溫速率分別為5、10、15、20 °C/min，溫度范圍為30~200 ℃. 在TG-MS 測(cè)試中，溫度范圍為30~350 °C，升溫速率為10 °C/min.

隨后改變轉(zhuǎn)速和土壤初始含水率兩個(gè)影響干化機(jī)干燥性能的主要參數(shù)，分析轉(zhuǎn)筒干化機(jī)對(duì)土壤的干燥性能，工況設(shè)置如表2 所示. 實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)筒干化機(jī)固定傾角為2°，熱源來(lái)自熱脫附系統(tǒng)二次燃燒室的高溫?zé)煔猓M(jìn)口煙氣溫度穩(wěn)定在745~750 ℃之間，模擬了實(shí)際工程中直接熱脫附系統(tǒng)煙氣溫度. 以50 kg/h的進(jìn)料量向干化機(jī)內(nèi)加入污染土壤，待運(yùn)行穩(wěn)定后測(cè)量出口土壤溫度、干燥尾氣溫度等數(shù)據(jù)，并對(duì)干化機(jī)出口土壤進(jìn)行取樣以測(cè)量干燥后土壤含水率. 同時(shí)，為研究干燥尾氣的污染物含量，對(duì)煙囪處的干燥尾氣進(jìn)行采集. 干燥尾氣在工況L3 下采集，采用高效液相色譜法對(duì)尾氣中各污染物濃度進(jìn)行離線檢測(cè).

表2 轉(zhuǎn)筒干化機(jī)實(shí)驗(yàn)工況Table 2 Experimental conditions of the rotary dryer

1.4 體積傳熱系數(shù)計(jì)算方法

體積傳熱系數(shù)是衡量工業(yè)干燥設(shè)備傳熱性能的重要參數(shù)之一，在轉(zhuǎn)筒式干化設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需通過(guò)選定體積傳熱系數(shù)確定轉(zhuǎn)筒的幾何尺寸. 目前研究較多的是用于干燥污泥的轉(zhuǎn)筒干化機(jī)，但是土壤的質(zhì)地、含水率、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)與污泥有較大不同，因此得到適用于土壤干燥過(guò)程的體積傳熱系數(shù)具有重要意義. 體積傳熱系數(shù)定義為單位傳熱溫差下，單位時(shí)間內(nèi)單位體積干燥設(shè)備中傳遞的熱量[26]，即：

式中：KV為體積傳熱系數(shù)，W/(m3?℃)；Q為單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)中的總傳熱量，W；V為轉(zhuǎn)筒式干燥機(jī)的有效體積，m3；ΔTm為傳熱的對(duì)數(shù)平均溫差，℃.

在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，總傳熱量可表示為

式中：QW為干物料從進(jìn)料到出料溫升所需要的熱量，W；QS為干燥過(guò)程中物料水分吸收熱量，包括升溫的顯熱和汽化潛熱，W；Ql為干燥介質(zhì)從進(jìn)口到出口溫升所需要的熱量，W.

轉(zhuǎn)筒干化設(shè)備的有效體積可按式(3)計(jì)算：

式中：D為轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的有效直徑，m；L為轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的有效加熱長(zhǎng)度，m；

傳熱的對(duì)數(shù)平均溫差按照式(4)計(jì)算：

式中：t1為 入口煙氣溫度，℃；t2為出口煙氣溫度，℃；tm1為 物料進(jìn)口溫度，℃；tm2為物料出口溫度，℃.

將式(2) ~ (4)代入式(1)中即可得到干化機(jī)的體積傳熱系數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 非等溫干燥特性

不同升溫速率下的土壤(初始含水率為12.1%)干燥過(guò)程如圖3 所示. 有機(jī)污染土壤的非等溫干燥過(guò)程分為升速干燥和降速干燥階段，土壤處于升速干燥階段時(shí)具有較高的干燥效率[27]. 圖3 所示質(zhì)量變化速率(失重速率)曲線波峰對(duì)應(yīng)的臨界溫度為升速干燥和降速干燥轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度[28]. 分析臨界溫度及其對(duì)應(yīng)的含水率可以發(fā)現(xiàn)，隨著升溫速率的增加，臨界溫度隨之升高，對(duì)應(yīng)臨界含水率也隨之增加，如5 ℃/min 和20 ℃/min 升溫速率下，臨界溫度分別為66.7 和89.2 ℃，土壤含水率分別為2.57%和5.27%. 可見(jiàn)，在低升溫速率下，土壤可在較低的臨界溫度下(升速干燥階段)達(dá)到較高的水分脫除率. 因此，為達(dá)到較好的脫水效果，在干化過(guò)程中應(yīng)合理控制土壤的升溫速率，使其保持較低水平，而土壤升溫速率在工程上可通過(guò)控制干化機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)控. 但升溫速率的降低意味著干化時(shí)間的增加，減少了土壤處理量. 此外，從圖3 還可以看出，當(dāng)土壤溫度超過(guò)臨界溫度后，干燥過(guò)程處于降速階段，即隨著溫度的升高，該階段土壤水分脫除更為困難，為達(dá)到低含水率需要采取額外設(shè)計(jì)，如增加筒內(nèi)擾動(dòng)部件等，從而增加干化機(jī)成本投入. 在土壤干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，土壤干燥后的目標(biāo)含水率應(yīng)統(tǒng)籌效率和成本因素后綜合考慮確定.

圖3 有機(jī)污染土壤TG-DTG 曲線Fig.3 TG-DTG curves for organically contaminated soils

2.2 干化機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)干燥特性影響

不同轉(zhuǎn)速下土壤在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間、土壤出口溫度、干燥尾氣溫度數(shù)據(jù)如圖4 所示. 由圖4 可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為1、2 和3 r/min 時(shí)，土壤顆粒在干化機(jī)中的停留時(shí)間分別為965、634 和457 s，可見(jiàn)轉(zhuǎn)速能顯著影響土壤停留時(shí)間. 停留時(shí)間越長(zhǎng)，土壤顆粒在干化機(jī)內(nèi)加熱越充分，含水率越低，出口溫度越高[20].從圖4 還可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，干燥尾氣溫度也隨之增加，從1 r/min 的101.3 ℃升至3 r/min 的118.4 ℃. 分析原因是，隨著干化機(jī)轉(zhuǎn)速降低，內(nèi)筒外的煙氣擾流運(yùn)動(dòng)變?nèi)酰档土藷煔鈱?duì)干化機(jī)內(nèi)筒壁的換熱效果；同時(shí)低轉(zhuǎn)速時(shí)，揚(yáng)料板揚(yáng)起土壤的能力變?nèi)?，大量土壤堆積在轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁上，隔絕了干燥尾氣與轉(zhuǎn)筒的換熱，導(dǎo)致尾氣溫度隨轉(zhuǎn)速的增加而升高.

圖4 不同轉(zhuǎn)速下干化機(jī)內(nèi)土壤干燥特性Fig.4 Soil drying characteristics in the dryer at different speeds

對(duì)L1、L2、L3 三個(gè)工況的土壤升溫速率和出口含水率進(jìn)行了計(jì)算及測(cè)量，各工況下的土壤出口含水率分別測(cè)量3 次并記錄平均值，結(jié)果如表3 所示. 經(jīng)計(jì)算，L1、L2、L3 三個(gè)工況的升溫速率分別為5.1、8.9、12.1 ℃/min，與非等溫干燥測(cè)試過(guò)程的5、10、10℃/min 升溫速率近似. 從圖4 可以看出，三個(gè)工況的土壤出口溫度在101.9~107.7 ℃之間，對(duì)比圖3 的TG-DTG 測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的土壤出口溫度下，土壤的出口含水率數(shù)據(jù)與熱重測(cè)試中的含水率數(shù)據(jù)基本吻合(見(jiàn)表3)，即此時(shí)三個(gè)工況下土壤在干化機(jī)出口都處于降速干燥階段末期. 可見(jiàn)，土壤的TG-DTG測(cè)試結(jié)果能較好地預(yù)測(cè)土壤在干化機(jī)內(nèi)的干燥階段.另外，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，較高的轉(zhuǎn)速能在相同時(shí)間內(nèi)干燥更多的污染土壤，即處理量更大，且轉(zhuǎn)速為3 r/min 時(shí)也具有較好的脫水效果，與低轉(zhuǎn)速相差很小(見(jiàn)表3)，能耗效益高，因此后面的分析只考慮轉(zhuǎn)速為3 r/min 時(shí)的工況.

表3 不同轉(zhuǎn)速下土壤干燥過(guò)程參數(shù)Table 3 Drying process parameters of soil at different rotation speeds

2.3 含水率對(duì)干燥過(guò)程的影響

在轉(zhuǎn)速為3 r/min 時(shí)，對(duì)不同含水率下土壤出口溫度和干燥尾氣溫度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖5 所示，可見(jiàn)隨著土壤含水率的增加，干燥后土壤出口溫度和干燥尾氣溫度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樗谋葻崛蒿@著大于土壤，且水分在汽化時(shí)具有較大的汽化潛熱. 因此，在干化機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的條件下，熱源提供的熱量基本不變，高濕土壤中水分升溫與蒸發(fā)會(huì)消耗更多能量，導(dǎo)致土壤出口溫度和干燥尾氣溫度降低. 經(jīng)測(cè)量，L3、M3 和H3 三個(gè)工況下土壤出口含水率分別為0.23%、0.27%和0.22%，與原含水率相比均出現(xiàn)大幅降低，可見(jiàn)干化機(jī)能滿足寬范圍初始含水率土壤的干燥效果.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)工況H3 在布袋除塵器中出現(xiàn)了析水糊袋現(xiàn)象. 干燥尾氣的相對(duì)濕度以及相應(yīng)的露點(diǎn)溫度如表4 所示. 可以發(fā)現(xiàn)，隨著土壤含水率的提高，干燥尾氣濕度逐漸變大，該結(jié)果與Ma 等[29]得到的結(jié)論相似；工況H3 露點(diǎn)溫度與L3、M3 相比更高，且工況H3 干燥尾氣溫度最低，尾氣更易達(dá)到露點(diǎn)溫度從而析出水分. 在實(shí)際工程應(yīng)用中，預(yù)干燥窯出口與布袋除塵器位置相距較遠(yuǎn)，熱損失相對(duì)較大，導(dǎo)致煙溫降低，水分冷凝析出風(fēng)險(xiǎn)非常大. 因此現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中干化機(jī)出口尾氣溫度應(yīng)適當(dāng)提高，同時(shí)做好干化機(jī)至除塵器管道的保溫工作，以避免干燥尾氣中的水分在布袋除塵器中冷凝析出，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

表4 不同含水率下干燥尾氣參數(shù)Table 4 Drying tail gas parameters at different moisture contents

2.4 體積傳熱系數(shù)

如表5 所示，土壤在不同含水率下的體積傳熱系數(shù)為89~98 W/(m3·℃). 在工程實(shí)踐中，間接轉(zhuǎn)筒干化機(jī)體積傳熱系數(shù)的選取可參考此范圍. 對(duì)含水率高的污染土壤，為保證干燥效果，在該范圍內(nèi)應(yīng)取較小值.轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的體積傳熱系數(shù)根據(jù)干燥物性質(zhì)的不同有較大的差別，如用于干燥黏性膏狀物料時(shí)，其體積傳熱系數(shù)約為130 W/(m3·℃). 當(dāng)用于干燥散粒狀物料(如焦炭)時(shí)，其體積傳熱系數(shù)較低，僅為9 W/(m3·℃)[30].可見(jiàn)對(duì)于不同的干燥物，適合的體積傳熱系數(shù)也是不同的，因此該體積傳熱系數(shù)對(duì)干燥土壤用的轉(zhuǎn)筒式干化機(jī)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義.

表5 各工況體積傳熱系數(shù)Table 5 Volumetric heat transfer coefficient for each working condition

2.5 干燥尾氣中污染物分布

通過(guò)TG-MS 測(cè)得的污染土壤在升溫過(guò)程中污染物析出的離子流強(qiáng)度曲線如圖6 所示. 由圖6 可知，隨著溫度的升高，幾種主要污染物的析出量均持續(xù)增加，但在0~350 ℃內(nèi)未出現(xiàn)明顯析出峰，且逸出強(qiáng)度量級(jí)較小，這與Mao 等[31-32]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差別.Mao 等[31-32]的研究中，干燥尾氣中的苯含量在干燥溫度達(dá)到82 ℃后開(kāi)始增加，在252 ℃處達(dá)到峰值，然后逐漸下降. 分析原因是，該文土壤中的多環(huán)芳烴沸點(diǎn)較高(見(jiàn)表1)，測(cè)試溫度遠(yuǎn)低于沸點(diǎn)，因此污染物不易揮發(fā)，析出量較低，而苯的沸點(diǎn)較低，較易揮發(fā).

圖6 主要污染物析出離子流強(qiáng)度曲線Fig.6 Desorption ion flow intensity curves for major contaminants

對(duì)轉(zhuǎn)筒干化機(jī)干燥過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表6 所示. 可以發(fā)現(xiàn)，尾氣中的多環(huán)芳烴含量較低，表明土壤中的幾種主要污染物揮發(fā)較少，這與TG-MS 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，即含多環(huán)芳烴的污染土壤在預(yù)干燥階段析出污染物極少. 與此同時(shí)，尾氣中的其他污染物實(shí)測(cè)濃度也均小于《環(huán)境空氣和廢氣 氣相和顆粒中多環(huán)芳烴的測(cè)定 氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 646——2013)所規(guī)定的方法檢出限.

表6 干燥尾氣污染物濃度Table 6 Concentration of pollutants in dry tail gas

3 結(jié)論

a) 等溫干燥過(guò)程分為升速干燥和降速干燥階段，處于升速階段時(shí)土壤的干燥效果較好. 通過(guò)熱重實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤在5、10、15 和20 °C/min 升溫速率下的臨界溫度分別為66.7、75.6、87.8 和89.2 ℃，此時(shí)土壤的含水率分別為2.57%、4.23%、4.11%和5.27%，即低升溫速率時(shí)土壤的干燥效果最好. 但低升溫速率導(dǎo)致干化時(shí)間較長(zhǎng)，降低土壤處理量，此時(shí)土壤干化機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮處理效率及目標(biāo)含水率等因素.

b) 干化機(jī)轉(zhuǎn)速顯著影響土壤停留時(shí)間，轉(zhuǎn)速越高，停留時(shí)間越短，土壤處理量越大. 干化機(jī)轉(zhuǎn)速為1、2 和3 r/min 時(shí)，土壤出口溫度分別為107.7、103.9 和101.9 ℃，均超過(guò)臨界溫度，即3 種轉(zhuǎn)速下土壤在干化機(jī)出口均處于降速干燥階段末期，由于干化機(jī)筒內(nèi)揚(yáng)料板的強(qiáng)擾動(dòng)作用，3 種轉(zhuǎn)速下土壤出口含水率均較低，此時(shí)測(cè)得的結(jié)果與非等溫干燥測(cè)試吻合較好.

c) 相比于低含水率的污染土壤，高含水率土壤的出口溫度和干燥尾氣溫度更低. 在12.10%、16.05%和24.03%的初始含水率下，經(jīng)干燥后土壤出口含水率分別為0.23%、0.27%和0.22%，干化機(jī)能滿足寬范圍初始含水率土壤的干燥效果. 干燥高含水率土壤時(shí)，尾氣易達(dá)到露點(diǎn)溫度導(dǎo)致水分冷凝析出，產(chǎn)生布袋除塵器糊袋現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)在干化機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中提高干燥尾氣出口溫度.

d) 經(jīng)傳熱計(jì)算，對(duì)于初始含水率為12.10%~24.03%的土壤，干化機(jī)的體積傳熱系數(shù)應(yīng)為89~98 W/(m3·℃)，該參數(shù)可用于指導(dǎo)干燥土壤轉(zhuǎn)筒式干化機(jī)的設(shè)計(jì).

e) 由于多環(huán)芳烴沸點(diǎn)較高，在預(yù)干燥過(guò)程中析出極少，尾氣中該類型污染物實(shí)測(cè)濃度均低于《環(huán)境空氣和廢氣 氣相和顆粒中多環(huán)芳烴的測(cè)定 氣相色譜-質(zhì)譜法》(HJ 646——2013)規(guī)定的方法檢出限.