土壤修復混合試驗系統(tǒng)的研制

馬曉宇王士勇

（上海化工研究院)

土壤修復混合試驗系統(tǒng)的研制

馬曉宇*王士勇

（上海化工研究院)

研制了一種異位土壤修復過程混合試驗系統(tǒng)，可用于土壤修復中固液、固固等體系的混合試驗研究及修復工藝優(yōu)化。該試驗系統(tǒng)不僅具有較大的彈性操作范圍，可根據(jù)過程需要實現(xiàn)間歇操作與連續(xù)操作的切換，對消耗功率進行在線測試評估，而且也可為土壤修復混合過程的數(shù)據(jù)支持和工藝優(yōu)化提供必要的硬件支撐，有利于進一步推動我國綠色、節(jié)能、環(huán)保的土壤修復技術及裝備的發(fā)展。

異位土壤修復混合系統(tǒng)試驗裝置工藝優(yōu)化固固混合固液混合環(huán)境保護

0 前言

近幾年，土壤污染問題己引起了我國各界的廣泛關注。2016年5月28日國務院印發(fā)了被稱為“土十條”的《土壤環(huán)境保護與污染治理防治行動計劃》。無疑，作為國家對環(huán)境治理的具體行動計劃與方案，其出臺必定會激勵相關企業(yè)參與土壤污染治理與修復，推動土壤治理與修復產(chǎn)業(yè)發(fā)展和成熟[1-2]。我國的土壤污染問題十分復雜，切實有效地推進土壤修復工作并開發(fā)與其相關的技術，是問題的關鍵所在[3]。從現(xiàn)有的治理方法來看，土壤修復仍然存在成本較高、治理周期長和修復效率不高等諸多問題。在已見刊的報道中，有很多關于土壤修復方法的研究，但是很少有關于土壤修復裝備方面的研究。此外，也沒有規(guī)范的有關土壤修復設備的標準或要求可供參考。土壤修復裝備是土壤修復技術應用的載體。實際上土壤修復裝備的好壞在很大程度上影響到土壤修復的效果，因此在關注土壤修復技術的同時，也需要增加土壤修復裝備的研發(fā)力度。

土壤修復技術的應用需要相關修復設備的支撐，專業(yè)化的修復設備是土壤修復技術走向市場化和產(chǎn)業(yè)化的基礎。物理修復的攪拌或容器裝備，有機污染土壤的熱脫附，重金屬污染土壤的淋洗及淋洗液的后處理等都需要設備的參與，因此開發(fā)與應用基于專業(yè)設備的污染土壤修復技術是一種發(fā)展趨勢[4]。攪拌混合是溶液淋洗法、固化穩(wěn)定法、氧還原法和土壤改良劑投加技術等土壤異位修復過程中的關鍵工序?，F(xiàn)有的修復工程中多借鑒建筑、采礦等行業(yè)的工程機械或攪拌設備，而關于土壤修復中混合過程工藝條件的優(yōu)化、系統(tǒng)結構的完善方面的研究還少有見刊。為解決異位修復中混合設備專業(yè)化不夠、修復效果難以保證和設備運行能耗高等問題，本研究介紹一種土壤修復混合試驗系統(tǒng)，為土壤修復混合過程的數(shù)據(jù)支持和工藝優(yōu)化提供了必要的硬件支撐。

1 土壤修復混合試驗系統(tǒng)的構成

土壤修復混合試驗系統(tǒng)的主體部分結構主要有撬裝平臺、密封箱、固體進口、液體輸送單元、液體進料單元、混合元件、設備筒體等，如圖1所示。該系統(tǒng)可用于土壤修復中固液、固固等體系的混合試驗研究及修復工藝優(yōu)化。該試驗系統(tǒng)不僅具有較大的彈性操作范圍，可根據(jù)過程需要實現(xiàn)間歇操作與連續(xù)操作的切換，對消耗功率進行在線測試評估，而且也可用于進行土壤混合工藝優(yōu)化，對工作能耗和效果進行綜合考察等。

圖1 土壤修復混合試驗系統(tǒng)結構

1.1 撬裝平臺

撬裝平臺由厚鋼板與方鋼焊接而成，其中鋼板為主要支撐部分，而方鋼起到架體加強的作用。由于設備在工作時會產(chǎn)生旋轉振動，因此架體的寬度要大于攪拌設備本身的寬度，這樣才能保證機身在運行中平穩(wěn)。另外，可根據(jù)土壤修復的機動性要求，在設備底部安裝滾輪，以方便移動，便于在土壤修復場地進行攪拌混合試驗。

1.2 密封箱

密封箱的作用在于對主體攪拌裝置的攪拌軸進行密封。根據(jù)工藝要求該密封箱為常壓密封箱，外部金屬材料為304不銹鋼，內部填料密封部分選用耐溫性、耐腐蝕性較好的四氟材料的填料。此外，為保證填料的長久使用，在密封箱外部還增加一個四氟擋圈，以阻止土壤顆粒物的進入。

1.3 固體進口

固體進口由空心金屬圓筒制成。在結構方面最大的特點是，該進料口可在攪拌混合設備頂部按要求人工控制滑動，可適應不同位置的加料需求。同時為防止工作時攪拌粉塵擴散到設備外部，在進料口與上蓋之間由耐高溫的軟性非金屬材料連接。

1.4 液體進料單元

液體進料單元主要由放置在設備內部的噴淋管和噴嘴組成，其在功能方面可分為系統(tǒng)進液和筒體內部清洗兩個功能。結構上，由于需要對試驗液體進液量和進液速率等參數(shù)進行考察，為保證試驗要求，該套裝備的噴嘴安放在位于筒體上方、平行于筒蓋的兩個噴淋管上。該噴淋管可適當進行軸向旋轉，每個噴淋管上均勻分布有五個噴嘴接口，可根據(jù)試驗需要選擇不同的噴嘴數(shù)量、位置以及噴嘴的旋轉角度等，以最大程度地滿足試驗要求，進行噴淋進料工藝以及清洗工藝的探索。

1.5 混合元件

混合元件作為核心元件，其形式的選擇至關重要。根據(jù)實驗室用土壤攪拌混合的特點，黏度和顆粒粒徑大小對攪拌效果的好壞是一個重要的影響因素[5]。由于涉及的物料黏度范圍很大，這就要求系統(tǒng)在遇到較大黏度的泥漿時也能夠正常操作。根據(jù)臥式攪拌元件選型準則[5]，最終選擇了抗黏性較強的鏟式攪拌槳、犁刀攪拌槳、單螺帶攪拌槳和雙螺帶攪拌槳等四種攪拌槳葉（如圖2所示），并根據(jù)此要求在設備上設計了由法蘭端面連接的方便更換的攪拌元件結構。其中，鏟式攪拌槳和犁式攪拌槳在攪拌過程中具有將大顆粒破碎的功能，且可根據(jù)情況對槳葉數(shù)量進行適當增減；雙螺帶攪拌槳在攪拌過程中反混效果很好；特殊設計的單螺帶攪拌槳則為探索連續(xù)操作方法做準備，在其攪拌軸上可以根據(jù)情況添加犁刀和鏟刀等構件，以增強對堅硬的大顆粒進行破碎的功能。

圖2 可拆卸的四種攪拌槳

1.6 設備筒體

設備筒體主要由頂蓋、主筒體兩部分組成。其中，上蓋有可移動進料口和觀察用視鏡口，筒體內部的筒壁有溢流口和流體液出口，底部有物料出口以及測溫口等工藝口。為便于溫控調節(jié)，筒體外部還包有保溫夾套。在筒體外形方面，其長徑比對攪拌設備的攪拌效果、攪拌功率和攪拌傳熱等都有影響。在連續(xù)操作過程中，相同情況下容器長度越長，停留時間也越長，攪拌混合也會越好。在轉速一定的條件下，攪拌功率與攪拌槳葉直徑的5次方成正比，如果直徑過大，會帶來能量的無謂損耗[6]。因此根據(jù)加工難度以及攪拌混合需求，該攪拌設備的長徑比為2.3。在筒體加工方面，筒體整體為304不銹鋼材質。為減少物料沾黏，筒體外表面和內表面均經(jīng)過機械拋光處理，表面粗糙度Ra≤0.8，上蓋和筒體的緊固由操作方便的快開鎖扣進行鎖緊。

1.7 液體輸送單元

液體輸送單元主要由帶有攪拌混合功能的儲液筒和輸送泵組成，液相在儲液筒內與藥劑混合后經(jīng)底部管道過濾器分離后進入輸送泵中。輸送泵的功能是為料液或者清洗液提供必要的輸送動力。對于輸送泵的選擇，應考慮試驗系統(tǒng)液體進料量的變動范圍較大這一因素，同時要保證進液噴嘴能夠達到正常的噴淋效果。一般情況下流量、壓力達到噴嘴的額定要求，才能保證噴嘴的正常噴灑效果[7]。泵流量的調節(jié)可通過改變泵的輸送頻率和添加泵的支路進行調節(jié)[8]，但噴嘴工作壓力則不能改變。一般的離心泵在變頻之后其出液壓頭會隨之改變。為保障泵的出口壓力恒定性，選擇了變頻調節(jié)后出口壓頭不變化的機械隔膜泵。

2 土壤修復混合試驗系統(tǒng)的工作過程

研制的土壤修復混合試驗系統(tǒng)如圖3所示。在該系統(tǒng)中，可以對固體進料位置、液體進料位置、固體進料量、液體進料量、液固比、固固比、固液比混合元件的優(yōu)化形式、攪拌工藝條件等進行考核和研究。

圖3 土壤修復混合試驗系統(tǒng)（不包含固體進料系統(tǒng)）

土壤修復混合試驗系統(tǒng)的工作過程如下所述。

2.1 安裝混合元件

根據(jù)目標土壤物性及處理要求選擇合適的攪拌元件安裝在攪拌設備內部，配備的四種攪拌元件可滿足不同物料的攪拌要求。攪拌元件的更換應當考慮便捷性，因此特別設計了攪拌元件連接結構，使得更換攪拌元件的操作相對簡單，并可保障攪拌元件安裝完成后其整體的同心度。

2.2 進料過程

進料過程分為固體進料過程和液體進料過程。位于上蓋頂端的可移動的進料口可以將固體物料按照一定進料速率投料，而液體藥劑則可以從右側藥劑混合罐經(jīng)液體加料單元加入攪拌筒體中。在液體進料過程中，液體藥劑的加入位置、加入角度等可通過內部兩排噴嘴進行調節(jié)。為達到目標要求，整個進料過程可根據(jù)需要對固體進料量和液體進料量進行調節(jié)。也就是說，在進料時，既可以選擇按比例同時進固體物料和液體藥劑，也可以選擇先進固體物料或者先進液體物料，操作彈性大。

2.3 混合及出料過程

攪拌過程按照工作要求分為兩種，一種為連續(xù)混合過程，另一種為間歇混合過程。間歇混合過程就是先將土壤和固體粉料或者液體物料放入混合系統(tǒng)，充分混合后再從底部自動出料口排出，混合系統(tǒng)內部可以實現(xiàn)固-固混合或固-液混合。連續(xù)混合過程則是土壤和液體物料連續(xù)進料，兩者在系統(tǒng)內部在被向前推進的過程中不斷地混合，經(jīng)過適當混合后從裝置左側底部出料口排出。整個混合過程中進料口、出料口始終打開，以確保過程連續(xù)操作。但該混合系統(tǒng)的連續(xù)操作僅限于液固比較高的混合操作?？傊?，通過改變試驗條件，調整混合元件的結構和形式，可以探索出土壤修復過程中不同情況下進料量、進料速率、攪拌形式等最佳的工藝參數(shù)。

2.4 清洗過程

由于待修復的土壤種類不同，液體物料種類也不相同，因此在試驗操作結束后需對整個系統(tǒng)內部進行清洗。通過泵將清洗液輸入攪拌系統(tǒng)內部進行噴淋清洗。為避免清洗過程留有死角，可通過上方視鏡觀察清洗情況，并根據(jù)需求打開混合元件調整旋轉速度，以增加清洗強度。

2.5 能耗評價

該攪拌系統(tǒng)在攪拌過程中，可將攪拌功率數(shù)據(jù)實時傳送到控制平臺。在試驗操作過程中，首先進行空載的功率測定，然后在相同條件下進行負載過程的功率測定，進而計算出混合過程消耗的有效功率。這樣便可實現(xiàn)對每個工藝條件下有效功率消耗的客觀評價。

3 結語

本文針對土壤修復過程中缺乏有效、適用的試驗及過程評價裝置，從系統(tǒng)結構和操作工藝兩方面出發(fā)，結合實際試驗過程進行設計，研究開發(fā)了異位土壤修復混合試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構簡單、操作方便，可對多個土壤修復中混合過程的關鍵參數(shù)進行試驗研究，為土壤修復工藝的探索提供必要的硬件支撐，為工業(yè)化土壤修復攪拌系統(tǒng)的研發(fā)提供一個良好的試驗平臺，為我國實現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保的異位土壤修復打下一定的基礎。

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[3]吳平.詳解《土十條》[J].中國經(jīng)濟報告，2016，7：70.

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世界最大分子篩裝置加熱爐熱效率達到91.29%

2016年年初以來，撫順石化石油三廠兩套分子篩裝置的加熱爐熱效率均值為91.29%，提高了1.34個百分點，節(jié)省標油3309 t，節(jié)資597萬元。這兩套分子篩裝置組成了世界最大的液蠟生產(chǎn)線，年最高產(chǎn)量可達到26萬t，2016年以來累計創(chuàng)效4.4億元。他們在全力創(chuàng)效的同時還在節(jié)資上猛下功夫，近年來采取了多項措施來提升加熱爐熱效率。一是改變空氣入爐方式，以“旋流風”“平流風”“斜交風”三種不同的空氣入爐方式，實現(xiàn)與油氣的充分混合，同時將燃油噴

嘴改為多級霧化結構，保證了燃料的充分燃燒，提高了加熱爐熱效率。二是給爐管表面噴涂ATT陶瓷涂層，使爐管的熱通量增加，解決空氣預熱器管束腐蝕、積灰較多造成的傳熱效率下降問題。三是及時小修小補，維修了空預器部分損壞熱管，修補內襯并更換失靈的煙道擋板。四是從操作上下功夫，加強三門一板操作調整，加強氧含量及熱效率管理，發(fā)現(xiàn)問題及時調整，定期對加熱爐進行吹灰清理，從而有效地提升了加熱爐熱效率。(錢松)

Development of Mixing System for Soil Remediation

Ma XiaoyuWang Shiyong

A mixing system for the ex-site soil remediation has been developed,which can be used for the mixing study of solid-liquid system and solid-solid system,and also can be used to optimize the repair process.The test system has greater operation flexibility,the switchover can be achieved between intermittent operation and continuous operation according to the needs of the remediation process,and the power consumption of the system can be evaluated online.The system provides a necessary hardware support for the data support and process optimization of the mixing process during soil remediation,and it is conducive to further promoting the development of green,energy-efficient and environment-friendly technologies and equipments for soil remediation.

Ex-site soil remediation;Mixing system;Test device;Process optimization;Solid-solid mixing; Solid-liquid mixing;Environmental protection

TQ 051.7

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.006

2016-08-08)

*馬曉宇，男，1983年生，工程師。上海市，200062。