馬曉宇王士勇

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土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

馬曉宇*王士勇

（上?；ぱ芯吭?

研制了一種異位土壤修復(fù)過(guò)程混合試驗(yàn)系統(tǒng)，可用于土壤修復(fù)中固液、固固等體系的混合試驗(yàn)研究及修復(fù)工藝優(yōu)化。該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅具有較大的彈性操作范圍，可根據(jù)過(guò)程需要實(shí)現(xiàn)間歇操作與連續(xù)操作的切換，對(duì)消耗功率進(jìn)行在線測(cè)試評(píng)估，而且也可為土壤修復(fù)混合過(guò)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(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)綠色、節(jié)能、環(huán)保的土壤修復(fù)技術(shù)及裝備的發(fā)展。

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

0 前言

近幾年，土壤污染問(wèn)題己引起了我國(guó)各界的廣泛關(guān)注。2016年5月28日國(guó)務(wù)院印發(fā)了被稱為“土十條”的《土壤環(huán)境保護(hù)與污染治理防治行動(dòng)計(jì)劃》。無(wú)疑，作為國(guó)家對(duì)環(huán)境治理的具體行動(dòng)計(jì)劃與方案，其出臺(tái)必定會(huì)激勵(lì)相關(guān)企業(yè)參與土壤污染治理與修復(fù)，推動(dòng)土壤治理與修復(fù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和成熟[1-2]。我國(guó)的土壤污染問(wèn)題十分復(fù)雜，切實(shí)有效地推進(jìn)土壤修復(fù)工作并開發(fā)與其相關(guān)的技術(shù)，是問(wèn)題的關(guān)鍵所在[3]。從現(xiàn)有的治理方法來(lái)看，土壤修復(fù)仍然存在成本較高、治理周期長(zhǎng)和修復(fù)效率不高等諸多問(wèn)題。在已見刊的報(bào)道中，有很多關(guān)于土壤修復(fù)方法的研究，但是很少有關(guān)于土壤修復(fù)裝備方面的研究。此外，也沒有規(guī)范的有關(guān)土壤修復(fù)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)或要求可供參考。土壤修復(fù)裝備是土壤修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的載體。實(shí)際上土壤修復(fù)裝備的好壞在很大程度上影響到土壤修復(fù)的效果，因此在關(guān)注土壤修復(fù)技術(shù)的同時(shí)，也需要增加土壤修復(fù)裝備的研發(fā)力度。

土壤修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用需要相關(guān)修復(fù)設(shè)備的支撐，專業(yè)化的修復(fù)設(shè)備是土壤修復(fù)技術(shù)走向市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。物理修復(fù)的攪拌或容器裝備，有機(jī)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(shè)備的參與，因此開發(fā)與應(yīng)用基于專業(yè)設(shè)備的污染土壤修復(fù)技術(shù)是一種發(fā)展趨勢(shì)[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(shù)等土壤異位修復(fù)過(guò)程中的關(guān)鍵工序?，F(xiàn)有的修復(fù)工程中多借鑒建筑、采礦等行業(yè)的工程機(jī)械或攪拌設(shè)備，而關(guān)于土壤修復(fù)中混合過(guò)程工藝條件的優(yōu)化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善方面的研究還少有見刊。為解決異位修復(fù)中混合設(shè)備專業(yè)化不夠、修復(fù)效果難以保證和設(shè)備運(yùn)行能耗高等問(wèn)題，本研究介紹一種土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)，為土壤修復(fù)混合過(guò)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(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)的主體部分結(jié)構(gòu)主要有撬裝平臺(tái)、密封箱、固體進(jìn)口、液體輸送單元、液體進(jìn)料單元、混合元件、設(shè)備筒體等，如圖1所示。該系統(tǒng)可用于土壤修復(fù)中固液、固固等體系的混合試驗(yàn)研究及修復(fù)工藝優(yōu)化。該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅具有較大的彈性操作范圍，可根據(jù)過(guò)程需要實(shí)現(xiàn)間歇操作與連續(xù)操作的切換，對(duì)消耗功率進(jìn)行在線測(cè)試評(píng)估，而且也可用于進(jìn)行土壤混合工藝優(yōu)化，對(duì)工作能耗和效果進(jìn)行綜合考察等。

圖1 土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 撬裝平臺(tái)

撬裝平臺(tái)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(qiáng)的作用。由于設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，因此架體的寬度要大于攪拌設(shè)備本身的寬度，這樣才能保證機(jī)身在運(yùn)行中平穩(wěn)。另外，可根據(jù)土壤修復(fù)的機(jī)動(dòng)性要求，在設(shè)備底部安裝滾輪，以方便移動(dòng)，便于在土壤修復(fù)場(chǎng)地進(jìn)行攪拌混合試驗(yàn)。

1.2 密封箱

密封箱的作用在于對(duì)主體攪拌裝置的攪拌軸進(jìn)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(nèi)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(zhǎng)久使用，在密封箱外部還增加一個(gè)四氟擋圈，以阻止土壤顆粒物的進(jìn)入。

1.3 固體進(jìn)口

固體進(jìn)口由空心金屬圓筒制成。在結(jié)構(gòu)方面最大的特點(diǎn)是，該進(jìn)料口可在攪拌混合設(shè)備頂部按要求人工控制滑動(dòng)，可適應(yīng)不同位置的加料需求。同時(shí)為防止工作時(shí)攪拌粉塵擴(kuò)散到設(shè)備外部，在進(jìn)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(jìn)料單元

液體進(jìn)料單元主要由放置在設(shè)備內(nèi)部的噴淋管和噴嘴組成，其在功能方面可分為系統(tǒng)進(jìn)液和筒體內(nèi)部清洗兩個(gè)功能。結(jié)構(gòu)上，由于需要對(duì)試驗(yàn)液體進(jìn)液量和進(jìn)液速率等參數(shù)進(jìn)行考察，為保證試驗(yàn)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(gè)噴淋管上。該噴淋管可適當(dāng)進(jìn)行軸向旋轉(zhuǎn)，每個(gè)噴淋管上均勻分布有五個(gè)噴嘴接口，可根據(jù)試驗(yàn)需要選擇不同的噴嘴數(shù)量、位置以及噴嘴的旋轉(zhuǎn)角度等，以最大程度地滿足試驗(yàn)要求，進(jìn)行噴淋進(jìn)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(guān)重要。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室用土壤攪拌混合的特點(diǎn)，黏度和顆粒粒徑大小對(duì)攪拌效果的好壞是一個(gè)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(shí)也能夠正常操作。根據(jù)臥式攪拌元件選型準(zhǔn)則[5]，最終選擇了抗黏性較強(qiáng)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(shè)備上設(shè)計(jì)了由法蘭端面連接的方便更換的攪拌元件結(jié)構(gòu)。其中，鏟式攪拌槳和犁式攪拌槳在攪拌過(guò)程中具有將大顆粒破碎的功能，且可根據(jù)情況對(duì)槳葉數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)增減；雙螺帶攪拌槳在攪拌過(guò)程中反混效果很好；特殊設(shè)計(jì)的單螺帶攪拌槳?jiǎng)t為探索連續(xù)操作方法做準(zhǔn)備，在其攪拌軸上可以根據(jù)情況添加犁刀和鏟刀等構(gòu)件，以增強(qiáng)對(duì)堅(jiān)硬的大顆粒進(jìn)行破碎的功能。

圖2 可拆卸的四種攪拌槳

1.6 設(shè)備筒體

設(shè)備筒體主要由頂蓋、主筒體兩部分組成。其中，上蓋有可移動(dòng)進(jìn)料口和觀察用視鏡口，筒體內(nèi)部的筒壁有溢流口和流體液出口，底部有物料出口以及測(cè)溫口等工藝口。為便于溫控調(diào)節(jié)，筒體外部還包有保溫夾套。在筒體外形方面，其長(zhǎng)徑比對(duì)攪拌設(shè)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(guò)程中，相同情況下容器長(zhǎng)度越長(zhǎng)，停留時(shí)間也越長(zhǎng)，攪拌混合也會(huì)越好。在轉(zhuǎn)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(guò)大，會(huì)帶來(lái)能量的無(wú)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(shè)備的長(zhǎng)徑比為2.3。在筒體加工方面，筒體整體為304不銹鋼材質(zhì)。為減少物料沾黏，筒體外表面和內(nèi)表面均經(jīng)過(guò)機(jī)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(jìn)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(chǔ)液筒和輸送泵組成，液相在儲(chǔ)液筒內(nèi)與藥劑混合后經(jīng)底部管道過(guò)濾器分離后進(jìn)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(dòng)力。對(duì)于輸送泵的選擇，應(yīng)考慮試驗(yàn)系統(tǒng)液體進(jìn)料量的變動(dòng)范圍較大這一因素，同時(shí)要保證進(jìn)液噴嘴能夠達(dá)到正常的噴淋效果。一般情況下流量、壓力達(dá)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(diào)節(jié)可通過(guò)改變泵的輸送頻率和添加泵的支路進(jìn)行調(diào)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(huì)隨之改變。為保障泵的出口壓力恒定性，選擇了變頻調(diào)節(jié)后出口壓頭不變化的機(jī)械隔膜泵。

2 土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)的工作過(guò)程

研制的土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。在該系統(tǒng)中，可以對(duì)固體進(jìn)料位置、液體進(jìn)料位置、固體進(jìn)料量、液體進(jìn)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(jìn)行考核和研究。

圖3 土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)（不包含固體進(jìn)料系統(tǒng)）

土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)的工作過(guò)程如下所述。

2.1 安裝混合元件

根據(jù)目標(biāo)土壤物性及處理要求選擇合適的攪拌元件安裝在攪拌設(shè)備內(nèi)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(yīng)當(dāng)考慮便捷性，因此特別設(shè)計(jì)了攪拌元件連接結(jié)構(gòu)，使得更換攪拌元件的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，并可保障攪拌元件安裝完成后其整體的同心度。

2.2 進(jìn)料過(guò)程

進(jìn)料過(guò)程分為固體進(jìn)料過(guò)程和液體進(jìn)料過(guò)程。位于上蓋頂端的可移動(dòng)的進(jìn)料口可以將固體物料按照一定進(jìn)料速率投料，而液體藥劑則可以從右側(cè)藥劑混合罐經(jīng)液體加料單元加入攪拌筒體中。在液體進(jìn)料過(guò)程中，液體藥劑的加入位置、加入角度等可通過(guò)內(nèi)部?jī)膳艊娮爝M(jìn)行調(diào)節(jié)。為達(dá)到目標(biāo)要求，整個(gè)進(jìn)料過(guò)程可根據(jù)需要對(duì)固體進(jìn)料量和液體進(jìn)料量進(jìn)行調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，在進(jìn)料時(shí)，既可以選擇按比例同時(shí)進(jìn)固體物料和液體藥劑，也可以選擇先進(jìn)固體物料或者先進(jìn)液體物料，操作彈性大。

2.3 混合及出料過(guò)程

攪拌過(guò)程按照工作要求分為兩種，一種為連續(xù)混合過(guò)程，另一種為間歇混合過(guò)程。間歇混合過(guò)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?gòu)牡撞孔詣?dòng)出料口排出，混合系統(tǒng)內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)固-固混合或固-液混合。連續(xù)混合過(guò)程則是土壤和液體物料連續(xù)進(jìn)料，兩者在系統(tǒng)內(nèi)部在被向前推進(jìn)的過(guò)程中不斷地混合，經(jīng)過(guò)適當(dāng)混合后從裝置左側(cè)底部出料口排出。整個(gè)混合過(guò)程中進(jìn)料口、出料口始終打開，以確保過(guò)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(guò)改變?cè)囼?yàn)條件，調(diào)整混合元件的結(jié)構(gòu)和形式，可以探索出土壤修復(fù)過(guò)程中不同情況下進(jìn)料量、進(jìn)料速率、攪拌形式等最佳的工藝參數(shù)。

2.4 清洗過(guò)程

由于待修復(fù)的土壤種類不同，液體物料種類也不相同，因此在試驗(yàn)操作結(jié)束后需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行清洗。通過(guò)泵將清洗液輸入攪拌系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行噴淋清洗。為避免清洗過(guò)程留有死角，可通過(guò)上方視鏡觀察清洗情況，并根據(jù)需求打開混合元件調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，以增加清洗強(qiáng)度。

2.5 能耗評(píng)價(jià)

該攪拌系統(tǒng)在攪拌過(guò)程中，可將攪拌功率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到控制平臺(tái)。在試驗(yàn)操作過(guò)程中，首先進(jìn)行空載的功率測(cè)定，然后在相同條件下進(jìn)行負(fù)載過(guò)程的功率測(cè)定，進(jìn)而計(jì)算出混合過(guò)程消耗的有效功率。這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)工藝條件下有效功率消耗的客觀評(píng)價(jià)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)土壤修復(fù)過(guò)程中缺乏有效、適用的試驗(yàn)及過(guò)程評(píng)價(jià)裝置，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作工藝兩方面出發(fā)，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究開發(fā)了異位土壤修復(fù)混合試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，可對(duì)多個(gè)土壤修復(fù)中混合過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為土壤修復(fù)工藝的探索提供必要的硬件支撐，為工業(yè)化土壤修復(fù)攪拌系統(tǒng)的研發(fā)提供一個(gè)良好的試驗(yàn)平臺(tái)，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保的異位土壤修復(fù)打下一定的基礎(chǔ)。

[1]郭修平，郭慶海.“土十條”與土壤污染治理[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2016，32（2）：10.

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世界最大分子篩裝置加熱爐熱效率達(dá)到91.29%

2016年年初以來(lái)，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(gè)百分點(diǎn)，節(jié)省標(biāo)油3309 t，節(jié)資597萬(wàn)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(dá)到26萬(wàn)t，2016年以來(lái)累計(jì)創(chuàng)效4.4億元。他們?cè)谌?chuàng)效的同時(shí)還在節(jié)資上猛下功夫，近年來(lái)采取了多項(xiàng)措施來(lái)提升加熱爐熱效率。一是改變空氣入爐方式，以“旋流風(fēng)”“平流風(fēng)”“斜交風(fēng)”三種不同的空氣入爐方式，實(shí)現(xiàn)與油氣的充分混合，同時(shí)將燃油噴

嘴改為多級(jí)霧化結(jié)構(gòu)，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?fàn)t管的熱通量增加，解決空氣預(yù)熱器管束腐蝕、積灰較多造成的傳熱效率下降問(wèn)題。三是及時(shí)小修小補(bǔ)，維修了空預(yù)器部分損壞熱管，修補(bǔ)內(nèi)襯并更換失靈的煙道擋板。四是從操作上下功夫，加強(qiáng)三門一板操作調(diào)整，加強(qiáng)氧含量及熱效率管理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整，定期對(duì)加熱爐進(jìn)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。