低温熱脱着

環境修復のための低温熱脱着（LTTD ）は、低温熱揮発、熱剥離、土壌焙焼とも呼ばれ、掘削した土壌から石油系炭化水素を熱で物理的に分離する、現場外 修復技術です。熱脱着装置は、土壌を十分な温度まで加熱して、成分を揮発させて土壌から脱着（物理的に分離）するように設計されています。熱脱着装置は有機成分を分解するようには設計されていませんが、存在する特定の有機物と脱着装置システムの温度に応じて、一部の有機成分を完全にまたは部分的に分解することができます。気化した炭化水素は通常、大気中に放出される前に、二次処理装置（アフターバーナー、触媒酸化チャンバー、コンデンサー、または炭素吸着ユニットなど）で処理されます。アフターバーナーと酸化装置は有機成分を破壊します。コンデンサーと炭素吸着ユニットは、その後の処理または廃棄のために有機化合物を捕捉します。

LTTD を使用する場合、土壌の前処理と後処理が必要です。掘削された土壌は、最初にふるいにかけて、大きな物体 (直径 2 インチ以上) を取り除きます。これらの物体は、サイズ調整 (例: 粉砕または細断) されてから、供給材料に戻されます。脱着装置から出た土壌は、冷却され、粉塵を抑えるために再び湿らされ、必要に応じて安定化されて、廃棄または再利用の準備が整います。処理された土壌は、現場で再堆積されるか、埋立地のカバーとして使用されたり、アスファルトに組み入れられたりします。

LTTD は、ガソリン、ジェット燃料、灯油、ディーゼル燃料、暖房用オイル、潤滑油などの石油製品の濃度を下げるのに非常に効果的であることが証明されています。LTTD は、最高 1,200 °F の温度で揮発する成分に適用できます。ほとんどの脱着装置は、300 °F ～ 1,000 °F の温度で動作します。特殊合金で作られた脱着装置は、最高 1,200 °F の温度で動作できます。より揮発性の高い製品 (ガソリンなど) は、より低い動作範囲で脱着できますが、半揮発性の製品 (灯油、ディーゼル燃料など) は、一般に 700 °F を超える温度が必要であり、比較的揮発性のない製品 (暖房用オイル、潤滑油など) はさらに高い温度が必要です。基本的に、すべての土壌タイプは、LTTD システムによる処理に適しています。ただし、土壌が異なると、前処理の程度やタイプが異なる場合があります。たとえば、粗粒度の土壌（砂利や玉石など）は破砕が必要になる場合があります。また、過度に凝集性の高い細粒度の土壌（粘土など）は細断が必要になる場合があります。

州および地方の規制では、石油汚染土壌は、LTTD システムで処理される現場の土壌の一部でパイロット テスト(「テスト バーン」)を行う必要があると規定されています。土壌サンプルの予備テストの結果から、関連する成分特性が特定され、機械の性能記録の検査から、システムが土壌処理にどの程度効果的であるかがわかります。特定の現場または廃棄物に対する特定のシステムの効果が実証されているからといって、それがすべての現場で効果的であることや、達成された処理効率が他の現場でも受け入れられることを保証するものではありません。テスト バーンを実施する場合は、テストされた土壌が平均的な状態を代表していること、および LTTD が有効かどうかを自信を持って判断できるように、処理の前後で十分なサンプルが分析されていることを確認することが重要です。

LTTD ユニットの運用には、さまざまな許可と、許可要件への準拠の証明が必要です。LTTD システムの監視要件は、本質的に、地下貯蔵施設で必要な監視とは異なります。LTTD システムの廃棄物ストリーム (例:煙道ガス中の粒子、揮発性物質、一酸化炭素の濃度)の監視は、施設の運用許可を発行する機関によって義務付けられています。LTTD 施設の所有者/運営者は、許可で指定された制限およびその他の LTTD システム運用パラメータ (例: 脱着器温度、土壌供給速度、アフターバーナー温度) を遵守する責任があります。

LTTD が実用的な修復代替手段であるかどうかの判断は、サイト固有の特性 (汚染土壌の場所と量、サイトのレイアウトなど) に依存します。実行可能性は、規制、ロジスティック、および経済的な考慮事項によっても決定されます。修復オプションとしての LTTD の経済性は、サイトによって大きく異なります。経済的要因には次のものが含まれます。

• 敷地の利用状況（小売店（ガソリンスタンド、コンビニエンスストアなど）の敷地での掘削や敷地内の土壌処理により、長期間にわたり事業の運営ができなくなる可能性が高いため）。
• 他の修復オプションと比較した、土壌の単位体積あたりの LTTD のコスト。
• 最も近い適用可能な LTTD システムの場所 (輸送コストは距離の関数であるため)。

熱脱着システムは、固定式施設と移動式ユニットの 2 つの一般的なクラスに分類されます。汚染された土壌は掘削されて固定式施設に運ばれますが、移動式ユニットは現場で直接操作できます。脱着ユニットは、回転式脱着装置、アスファルトプラント骨材乾燥機、熱スクリュー、コンベア 炉など、さまざまなプロセス構成で利用できます。

土壌の可塑性は、剪断せずに変形する能力の尺度であり、ある程度は水分含有量の関数です。可塑性土壌は、スクリーンやその他の機器に付着し、大きな塊に凝集する傾向があります。供給速度が遅くなることに加えて、可塑性土壌は処理が困難です。可塑性土壌を加熱するには、表面積と体積の比率が低く、水分含有量が多いため、より高い温度が必要です。また、可塑性土壌は非常に細かい粒子になる傾向があるため、有機化合物がしっかりと吸着される傾向があります。可塑性が高い土壌を熱処理するには、細断するか、より砕けやすい土壌や他の改良剤（石膏など） と混合するなどの前処理が必要です。

直径 2 インチを超える材料は、粉砕または除去する必要があります。粉砕された材料は、処理のためにフィードに戻されます。粗粒の土壌は流動性が高く、塊に凝集しません。通常、過剰な水分を保持しないため、汚染物質は簡単に脱着されます。細粒の土壌は土壌水分を保持し、塊に凝集する傾向があります。乾燥すると、バグハウスで捕捉された後にリサイクルが必要になる可能性のある大量の粒子を生成する場合があります。

熱脱着システムの固形物処理能力は、供給材料の水分含有量に反比例します。LTTD ユニットで処理される掘削土壌の水分の存在によって、汚染物質を効果的に除去するために必要な滞留時間と加熱要件が決まります。石油成分の脱着を行うには、土壌水分のほとんどを脱着装置で蒸発させる必要があります。このプロセスでは、脱着装置への大幅な追加熱入力と、脱着装置内の土壌の過度の滞留時間が必要になる場合があります。水分含有量は可塑性にも影響し、土壌の取り扱いに影響します。水分含有量が過剰な土壌 (> 20%) は脱水する必要があります。一般的な脱水方法には、空気乾燥 (土壌を広げるための保管スペースがある場合)、より乾燥した土壌との混合、または機械的脱水があります。

土壌中に金属が存在すると、次の 2 つの影響が生じます。

• 脱着によって生成される固形廃棄物の処分に関する制限。
• 煙突から排出される金属の量を制限する大気汚染防止規制に注意してください。

通常の LTTD動作温度では、重金属が土壌から著しく分離される可能性は低いです。

土壌中の石油製品の濃度が高いと、土壌発熱量が高くなります。土壌から放出される熱により、脱着装置が過熱して損傷する可能性があります。発熱量が 2,000 Btu/lb を超える土壌では、高濃度の炭化水素を希釈するために、よりきれいな土壌と混合する必要があります。オフガス中の炭化水素濃度が高いと、アフターバーナーの熱容量を超え、未処理の蒸気が大気中に放出される可能性があります。土壌中の成分レベルが高すぎると、脱着装置内で爆発下限 (LEL) を超える濃度の蒸気が発生する可能性もあります。LEL を超えると、爆発の可能性があります。

「熱脱着装置」という用語は、石油汚染物質を加熱し、有機物質をパージガスに脱着する主要な処理操作を表します。機械設計の特徴とプロセスの動作条件は、LTTD システムの種類によって大きく異なります。脱着ユニットには、次の 4 つの構成があります。

1. ロータリードライヤー
2. アスファルトプラント骨材乾燥機
3. サーマルスクリュー
4. コンベア炉

すべての LTTD システムは熱を使用して土壌マトリックスから有機汚染物質を分離 (脱着) しますが、各システムにはそれぞれ異なる構成があり、それぞれに長所と短所があります。どのシステムを使用するかは、汚染物質の性質、機械の可用性、システムのパフォーマンス、および経済的な考慮に基づいて決定されます。システムのパフォーマンスは、パイロット テスト (例: テスト燃焼) または過去の機械パフォーマンス記録の調査に基づいて評価できます。処理条件を開発するためのパイロット テストは、通常、石油汚染土壌には必要ありません。

ロータリー ドライヤー システムでは、水平からわずかに傾斜した円筒形の金属リアクター (ドラム) を使用します。片端にあるバーナーが熱を供給し、土壌の温度を上昇させて有機汚染物質を脱着させます。土壌の流れは、パージ ガスの流れの方向と同方向または逆方向になります。ドラムが回転すると、土壌がドラム内を運ばれます。リフターが土壌を持ち上げてドラムの上部近くまで運び、その後加熱されたパージ ガスの中を落下させます。ロータリー ドライヤー内で混合すると、対流による熱伝達が促進され、土壌を急速に加熱できます。ロータリー脱着ユニットは、幅広い処理能力に合わせて製造されており、固定式または移動式です。

ロータリー乾燥機で得られる土壌の最大温度は、乾燥機シェルの構成によって異なります。炭素鋼ドラムの土壌排出温度は通常 300 ～ 600 度 F です。合金ドラムは土壌排出温度を 1,200 度 F まで上げることができます。石油汚染土壌の処理に使用されるほとんどのロータリー乾燥機は炭素鋼製です。処理された土壌がロータリー乾燥機から排出されると、冷却コンベアに入り、冷却と粉塵抑制のために土壌に水が噴霧されます。水の追加は、スクリュー コンベアまたはパグミルで行うことができます。

土壌供給方向に対するパージガスの流れの方向のほかに、向流回転式乾燥機と並流回転式乾燥機の構成には大きな違いが 1 つあります。向流回転式乾燥機からのパージガスは通常 350 °F ～ 500 °F に過ぎず、微粒子が捕捉されるバグハウスに入る前に冷却する必要はありません。欠点は、これらの粒子が除染されていない可能性があり、通常は乾燥機にリサイクルされることです。向流乾燥機には並流システムに比べていくつかの利点があります。パージガスから汚染された土壌への熱伝達がより効率的であり、出口ガスの量と温度が低いため、ガスを冷却せずにバグハウスに直接送ることができます。出口ガスの温度が低く量が少ないため、冷却ユニットが不要になり、下流の処理設備を小型化できます。向流システムは、分子量が No.2 燃料油よりも低い石油製品に効果的です。

並流システムでは、パージガスは土壌排出温度より 50 °F ～ 100 °F 高温になります。その結果、パージガスの出口温度は 400 °F ～ 1,000 °F の範囲になり、バグハウスに直接行くことはできません。パージガスは最初にアフターバーナーに入り、微粒子を除染してから、バグハウスに導入される前に冷却ユニットに入ります。パージガスは温度が高く、量も高いため、バグハウスと他のすべての下流処理設備は、向流システムよりも大きくする必要があります。並流システムには、向流システムに比べていくつかの利点があります。アフターバーナーはバグハウスの上流に配置されているため、微粒子が除染されます。また、加熱されたパージガスはドラムの供給土壌と同じ端から導入されるため、土壌はより速く加熱され、滞留時間が長くなります。温度が高く、滞留時間が長いため、並流システムはより重い石油製品で汚染された土壌の処理に使用できます。並流システムは、6号重油、原油、エンジンオイル、潤滑油などの軽質および重質石油製品に効果的です。

ホットミックス アスファルト プラントでは、液体アスファルトと混合する前に乾燥機で処理された骨材を使用します。骨材材料として石油汚染土壌を使用することは広く行われています。骨材乾燥機は固定式または移動式です。土壌処理能力は 1 時間あたり 25 ～ 150 トンです。土壌はリサイクル プロセスとしてアスファルトに組み込むことも、処理された土壌を他の目的に使用することもできます。

アスファルト ロータリー ドライヤーは通常、炭素鋼で作られており、土壌排出温度は 300 °F ～ 600 °F です。通常、アスファルト プラントの骨材乾燥機は、上記の向流式ロータリー脱着装置と同じで、同じ種類の汚染物質に効果があります。主な違いは、アスファルト ミックスにクリーンな骨材を組み込むためにアフターバーナーが必要ないことです。一部の地域では、骨材に石油汚染土壌を使用するアスファルト プラントにアフターバーナーの装備が求められる場合があります。

熱スクリュー脱着装置は、通常、1～4 本のオーガーで構成されています。オーガー システムは、汚染された土壌を搬送、混合、加熱して、水分と有機汚染物質をパージ ガス ストリームに揮発させます。オーガーは、土壌滞留時間を長くするために直列に配置することも、スループット容量を増やすために並列に配置することもできます。ほとんどの熱スクリュー システムは、オーガーの中空フライトを通して高温の熱伝達オイルを循環させ、シャフトを通して高温オイルを熱伝達流体加熱システムに戻します。加熱されたオイルは、各オーガーが回転するジャケット付きトラフを通しても循環されます。熱スクリューは蒸気加熱も可能です。オイル加熱システムでは土壌温度を最大 500 °F まで上げることができ、蒸気加熱システムでは土壌を約 350 °F まで加熱できます。

熱伝達油の加熱中に発生するガスのほとんどは廃棄物と接触せず、排出制御なしで直接大気中に放出できます。残りの排気ガスは、サーマルスクリューパージガス出口温度を華氏300度以上に維持します。これにより、揮発した有機物と水分が凝縮しないようになります。さらに、リサイクルされた排気ガスは酸素含有量が低いため（体積比2%未満）、有機物の酸化が最小限に抑えられ、爆発の危険性が軽減されます。前処理分析データで有機物含有量が高い（4%を超える）ことが示された場合は、サーマルスクリューの使用をお勧めします。処理された土壌がサーマルスクリューから排出された後、冷却と粉塵抑制のために土壌に水が噴霧されます。サーマルスクリューは、土壌処理能力が1時間あたり3～15トンのものが利用できます。

サーマルスクリューは間接的に加熱されるため、一次熱処理ユニットからのパージガスの量は、同等の土壌処理能力を持つ直接加熱システムからの量の半分以下になります。したがって、オフガス処理システムは、モバイルアプリケーションに適した比較的小さなユニット操作で構成されます。間接加熱では、リサイクルされた排気ガスが不活性であるため、サーマルスクリューで有機含有量の高い材料を処理でき、爆発の危険性が軽減されます。

コンベア炉は、柔軟な金属ベルトを使用して土壌を一次加熱室に搬送します。1 インチの深さの土壌層がベルト上に均一に広げられます。ベルトがシステム内を移動すると、土壌撹拌機がベルトを持ち上げて土壌を回転させ、熱伝達と有機物の揮発を促進します。コンベア炉は土壌を華氏 300 度から 800 度の温度に加熱できます。高温範囲では、コンベア炉は、油または蒸気加熱の熱スクリュー、アスファルトプラント骨材乾燥機、および炭素鋼回転乾燥機よりも、一部の重質石油炭化水素の処理に効果的です。処理された土壌がコンベア炉から排出されると、冷却と粉塵抑制のために水が噴霧されます。1993 年 2 月の時点で、石油汚染土壌の修復に使用されているコンベア炉システムは 1 つだけです。このシステムは移動可能で、1 時間あたり 5 トンから 10 トンの土壌を処理できます。

LTTD システムのオフガス処理システムは、粒子、有機蒸気、一酸化炭素の 3 種類の大気汚染物質に対処するように設計されています。粒子は、湿式 (ベンチュリスクラバーなど) と乾式 (サイクロン、バグハウスなど) の両方のユニット操作で制御されます。ロータリー乾燥機とアスファルト骨材乾燥機では、乾式ガス洗浄ユニット操作が最も一般的に使用されます。サイクロンは、大きな粒子を捕捉し、バグハウスへの粒子負荷を減らすために使用されます。バグハウスは、最終的な粒子制御装置として使用されます。熱スクリュー システムでは、通常、ベンチュリスクラバーが主要な粒子制御として使用されます。

有機蒸気の制御は、破壊または収集のいずれかによって行われます。アフターバーナーは、ロータリー乾燥機とコンベア炉の下流で使用され、有機汚染物質を破壊し、一酸化炭素を酸化します。従来のアフターバーナーは、出口ガス温度が 1,400 °F ～ 1,600 °F に達するように設計されています。有機破壊効率は通常、95% ～ 99% を超えます。

コンデンサーと活性炭は、熱スクリュー システムからの排ガスの処理にも使用できます。コンデンサーは、排ガス温度を 100 °F ～ 140 °F に下げる水冷式または電気冷却式のシステムです。コンデンサーの有機化合物除去効率は 50% ～ 95% 以上です。コンデンサーから排出される非凝縮性ガスは、通常、気相活性炭処理システムで処理されます。活性炭吸着システムの有機汚染物質除去効率は 50% ～ 99% です。コンデンサーからの凝縮液は、非水相有機成分を分離して廃棄またはリサイクルする相分離器で処理されます。残りの水は活性炭で処理され、処理済み土壌の再加湿に使用されます。

処理温度は、有機成分の処理度合いに影響を与える重要なパラメータです。必要な処理温度は、土壌中の石油汚染の種類によって異なります。LTTD システムによって達成される実際の温度は、土壌の水分含有量と熱容量、土壌粒子のサイズ、および熱脱着装置の熱伝達と混合特性によって決まります。

滞留時間は、除染がどの程度達成できるかを左右する重要なパラメータです。滞留時間は、システムの設計と操作、汚染物質と土壌の特性、および必要な処理の程度によって異なります。