熱脱着

熱脱着は、熱を利用して汚染物質の揮発性を高め、固体マトリックス（通常は土壌、スラッジ、またはフィルターケーキ）から汚染物質を除去（分離）する環境修復技術です。揮発した汚染物質は、収集されるか、熱で破壊されます。したがって、熱脱着システムには、脱着装置自体とオフガス処理システムという 2 つの主要コンポーネントがあります。熱脱着は焼却ではありません。

熱脱着は、1985年にメイン州ロイヤル川流域のマッキン社スーパーファンドサイトの決定記録に指定され、環境処理技術として初めて登場しました。 ^[1]

高温焼却と区別するために、この方法は「低温」熱脱着と呼ばれることが多い。初期の直接燃焼熱脱着プロジェクトは、1990 年にフロリダ州マリアンナの S&S フライング サービス サイトでトキサフェン (塩素系殺虫剤) に汚染された砂質土壌 8,000 トンの処理であり、その後のプロジェクトでは 1999 年にケープ フィアのコールタール サイトで 170,000 トンを超える処理が行われた。米国環境保護庁の現状報告によると、2000 年度までに 69 のスーパーファンドサイトで熱脱着が使用されてきた。さらに、スーパーファンド以外のサイトで熱脱着を使用して何百もの修復プロジェクトが完了している。

現場での現場での処理オプションとしては、焼却と安定化のみが、スーパーファンドのサイトで多く使用されています。焼却は、一般の人々に受け入れられにくい問題があります。安定化では、汚染物質がまだ現場に残っているため、恒久的な解決策にはなりません。熱脱着は、経済的に競争力のあるコストで恒久的な解決策を提供する、広く受け入れられている技術です。

水銀含有廃棄物処理のための世界初の大規模熱脱着装置は、ドイツ最古とされるマルクトレドヴィッツ化学工場（1788 年設立）の修復のために、ヴォルザウに建設されました。最初の最適化フェーズを含む運用は 1993 年 10 月に開始されました。1993 年 8 月から 1996 年 6 月の間に、50,000 トンの水銀汚染固形廃棄物が処理されました。土壌と瓦礫から 25 トンの水銀が回収されました。残念ながら、文献ではマルクトレドヴィッツ工場はパイロット規模の工場に過ぎないと誤解されることがよくあります。

現在、さまざまなタイプの脱着装置が利用可能です。以下に、より一般的なタイプをいくつか示します。

• 間接燃焼式ロータリー
• 直火ロータリー
• 加熱スクリュー（高温油、溶融塩、電気）
• 赤外線
• 電子レンジ

間接燃焼式回転システムのほとんどは、傾斜した回転金属シリンダーを使用して供給材料を加熱します。熱伝達メカニズムは通常、シリンダー壁を介した伝導です。このタイプのシステムでは、炎も燃焼生成物も供給固体またはオフガスに接触することはありません。両端が炉の外側に突き出ている炉内の回転パイプと考えてください。フルスケールの可搬式システムのシリンダーは、通常、直径が 5 ～ 8 フィートで、加熱長さは 20 ～ 50 フィートです。カーボン スチール シェルの場合、固体の最大温度は約 1,000 °F ですが、特殊合金シリンダーでは 1,800 °F の温度が達成可能です。このタイプの脱着装置での合計滞留時間は通常 30 ～ 120 分です。処理能力は、可搬式ユニットの場合、1 時間あたり 2 ～ 30 トンです。

直火式回転脱着装置は、石油汚染土壌や、米国環境保護庁が定義する資源保全回収法の 有害廃棄物で汚染された土壌の処理に、長年広く使用されてきました。石油汚染土壌の処理に関する 1992 年の論文では、20 ～ 30 社の請負業者が 40 ～ 60 台のロータリー乾燥システムを所有していると推定されています。今日では、6 ～ 10 社の請負業者が 15 ～ 20 台のポータブルシステムを市販しています。これらのシステムの大部分は、二次燃焼室 (アフターバーナー) または触媒酸化装置を使用して、揮発した有機物を熱で破壊します。これらのシステムのいくつかは、酸化装置の後に急冷およびスクラバーも備えており、溶剤や農薬などの塩素化有機物を含む土壌を処理できます。実物大の可搬式システムの脱着シリンダーは、通常、直径が 4 ～ 10 フィートで、加熱長さは 20 ～ 50 フィートです。これらのシステムの実際の最大固体温度は、シリンダーの構造材料に応じて約 750 ～ 900 °F です。このタイプの脱着装置での合計滞留時間は通常 3 ～ 15 分です。処理能力は、移動可能なユニットの場合、1 時間あたり 6 ～ 100 トン以上になります。

加熱スクリュー システムも間接加熱システムです。通常、ジャケット付きトラフと、かみ合うダブル オーガーを使用します。オーガー自体には、熱伝達表面積を増やすために加熱媒体の通路が含まれていることがよくあります。一部のシステムでは、熱伝達媒体の代わりに電気抵抗ヒーターを使用し、各ハウジングに 1 つのオーガーを使用する場合があります。フルスケール システムの場合、オーガーの直径は 12 ～ 36 インチで、長さは最大 20 フィートです。オーガー/トラフ アセンブリは、スループットを増やすために並列または直列に接続できます。フルスケールでは、最大 4 トン/時の処理能力が実証されています。このタイプのシステムは、製油所の廃棄物処理に最も効果的です。

初期には、現在では一般的に使用されていない連続赤外線システムがありました。理論上は、均一で正確に制御された加熱が実現でき、伝熱面の汚れの問題もないため、マイクロ波は優れた技術的選択肢となります。資本コストやエネルギーコストが、商業規模でのマイクロ波熱脱着装置の開発を妨げているとしか考えられません。

オフガス処理には、基本的に 3 つのオプションしかありません。オフガス内の揮発性汚染物質は、大気中に放出するか、収集するか、破壊することができます。収集システムと破壊システムの両方が採用される場合もあります。揮発性成分の管理に加えて、脱着装置から排出される粒子状固体 (粉塵) もオフガスから除去する必要があります。

収集システムを使用する場合、揮発成分の大部分を液体に凝縮するために、オフガスを冷却する必要があります。オフガスは、ほとんどの脱着装置から 350 ～ 900 °F の範囲で排出されます。その後、オフガスは通常、120 ～ 40 °F に冷却され、揮発した水分と有機汚染物質の大部分を凝縮します。40 °F でも、測定可能な量の非凝縮有機物が存在する可能性があります。このため、凝縮ステップの後、オフガスのさらなる処理が必要になるのが通常です。冷却されたオフガスは、炭素吸着または熱酸化によって処理できます。熱酸化は、触媒酸化装置、アフターバーナーを使用するか、オフガスを脱着装置の燃焼熱源に送ることによって実行できます。間接燃焼式脱着装置で処理が必要なガスの量は、直接燃焼式脱着装置に必要な量のほんの一部です。これにより、ガス状プロセス排気排出物用の大気汚染制御トレインが小さくなります。一部の熱脱着システムではキャリアガスをリサイクルし、ガス排出量をさらに削減します。

排ガスを冷却して凝縮した液体は、有機物と水性の部分に分けられます。水は廃棄されるか、処理された固形物を冷却して粉塵を防ぐために使用されます。凝縮した液体有機物は現場から除去されます。液体は、その組成に応じて、補助燃料としてリサイクルされるか、固定式焼却炉で破壊されます。20,000 トンの土壌から 500 mg/kg の有機汚染物質を除去する熱脱着装置では、3,000 米ガロン (11,000 L) 未満の液体有機物が生成されます。つまり、20,000 トンの汚染土壌は、オフサイト処分用にタンクローリー 1 台分未満の抽出液体残留物にまで減らすことができます。

オフガス分解システムを使用する脱着装置は、燃焼を利用して、CO、CO ₂、NOx、 SOx 、HCl を形成する揮発性有機成分を熱分解します。 分解装置は、アフターバーナー、二次燃焼室、または熱酸化装置と呼ばれることがあります。 汚染された媒体の有機ハロゲン化物含有量が十分に低い場合は、触媒酸化装置も使用できます。 名前に関係なく、分解装置は、土壌または廃棄物から除去（揮発）された有害な有機成分を熱分解するために使用されます。

• その場加熱脱着

T. McGowan、T.、R. Carnes、P. Hulon。スーパーファンド サイトにおける農薬汚染土壌の焼却、フロリダ州マリアンナの S&S Flying Services スーパーファンド サイト修復プロジェクトに関する論文、1991 年 10 月、ジョージア州アトランタで開催された HazMat '91 カンファレンスで発表