CN105834205A - 污染场地原位电加热脱附修复技术及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了污染场地原位电加热脱附修复技术及其装置，属于土壤修复技术领域。它解决了工业污染和农业化学导致的土地及地下水污染等问题。本污染场地原位电加热脱附修复技术：a、将若干个加热井及抽提井插入污染场地；b、在污染场地的表面铺设隔热层；c、将污染场地的地下水做降水处理；d、由加热井内的加热管进行加热污染场地、由抽提井内的真空泵抽出加热后污染场地产生的气态污染物及污染地下水，由此修复污染场地；e、d步骤中抽出的气态污染物及污染地下水送入埋设在边界处地层的边界热循环管进行二次换热，然后送入地面抽提处理装置处理，本发明具有全自动化控温工作；余热充分回用；布局灵活，达到了更高的科技水平等优点。

Description

污染场地原位电加热脱附修复技术及其装置

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，特指一种污染场地原位电加热脱附修复技术及其装置。

背景技术

由于工业污染的加剧和农业化学物质的广泛应用，场地土壤和地下水的有机污染日益严重。土壤和地下水中典型的有机污染物包括苯系物、有机卤化物、石油烃类、农药和多氯联苯等。土壤和地下水环境中这些污染物质的存在可能会对附近人体和周边环境产生严重的不良影响，因此必须通过合理的技术手段来修复这些受污染的土壤和地下水，从而有效的控制场地的人体健康和生态环境风险。

作为高难度有机污染场地土壤地下水修复的一项重要技术，原位热脱附技术可以在较短时间内修复大部分易挥发或者难挥发的有机化合物，而且在低渗透率的污染物场地中具有独特的优势。原位热脱附技术通过各种方式原位加热污染区域，大幅提高场地土壤和地下水的温度，从而促使区域内有机污染物与土壤分离、挥发，或者流动性增加。而挥发或分离后的污染物可在原位通过抽提等方法被捕捉、收集，并进行后期处理。

目前，现有的原位热脱附技术的加热方式主要包括电阻式加热、蒸汽/热空气直接注射加热和热传导加热，其中热传导加热又可分为电加热和燃气加热两种形式。电热传导加热技术采用电能作为能源，将电能转换为热能直接导入地下，再通过土壤和地下水的热传导作用将热量传输至整个场地污染区域来提高场地温度，它具有加热系统设备简单、使用清洁能源、不涉及易燃物质存储、没有燃烧尾气排放等突出特点，具有较好的市场应用前景，因此电热传导加热技术是原位热脱技术中主流采用的方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种污染场地原位电加热脱附修复技术及其装置,它克服现有原位电加热脱附技术在场地修复应用中能耗较高、加热管容易损坏、难以根据加热区域内温度进行供电强度的良好自动反馈调节、无法有效稳定控制污染区域内加热温度等缺陷，提出一种可工程化并适用于中小型污染场地的原位电加热脱附技术和装置。该技术及装置可适用于包气带土壤修复和饱和带土壤和地下水修复，目标污染物包括挥发性有机物、半挥发性有机物以及有机氯农药和多氯联苯等一些难降解、难氧化的特殊有机污染物，以及一般修复技术难以有效修复的轻质和重质非水相流体污染。对于场地修复技术难以适用的低渗透率场地和污染源污染场地同样具有较好的处理效果。

本发明的目的是这样实现的：

污染场地原位电加热脱附修复技术，包括如下步骤：

a、将若干个加热井及抽提井插入污染场地，插入深度为1—4米；

b、在污染场地的表面铺设隔热层，隔热层采用轻质混凝土制成；

c、将污染场地的地下水做降水处理，降至地下水至地下5米位置；

d、供电设施电连接若干个加热井及抽提井，由加热井内的加热管进行加热污染场地、由抽提井内的真空泵抽出加热后污染场地产生的气态污染物及污染地下水，由此修复污染场地；

e、d步骤中抽出的气态污染物及污染地下水送入埋设在边界处地层的边界热循环管进行二次换热，然后送入地面抽提处理装置处理。

污染场地原位电加热脱附修复技术的装置，包括加热井、抽提井、供电控温调节装置、边界余热回用机构及抽提处理装置，所述的加热井及抽提井均电连接供电控温调节装置，所述的抽提井通过输出管路连接边界余热回用机构，边界余热回用机构连接抽提处理装置，由加热井加热污染场地形成气态污染物，由抽提井抽出气态污染物及污染地下水送入边界余热回用机构，边界余热回用机构将气态污染物及污染地下水的温度吸收后在将其送入抽提处理装置处理。

所述的加热井的具体结构是：包括井套管，井套管内安装有电加热管，井套管的内壁上设有碳钢管，井套管与电加热管之间设有热电偶传感器及高温导热填充材料，电加热管是单引线不锈钢加热管，加热管内安装有电热丝并填充有结晶氧化镁颗粒，电加热管的顶部引线与采用绝缘材料制成的电线套管相连接。

所述的供电控温调节装置的具体结构是：包括依次连接的温度数据收集机构、温度控制系统、可控硅整流器及供电设施，温度数据收集机构连接设在若干个加热井内的热电偶传感器，可控硅整流器连接若干加热井的电加热管。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：

1、本发明直接将电能转换为热能，不需要设置燃烧系统和燃料存储系统，没有燃烧尾气排放；电能转换率高，整个电加热管长度上发热均匀。

2、本发明适用于中小型场地污染的原位修复，可以根据场地情况灵活调节加热井和抽提井数量和布局，使整个场地区域得到均匀加热和修复。

3、本发明技术设计自动化程度高，同时充分考虑节能降耗和系统设备的安全稳定性。加热温度-供电调节系统将热电偶所测得温度与设定温度进行比较，并通过改变供电强度使加热棒和冷点位置温自动稳定于设定温度。其中，电加热棒温度监测和控制可防止电加热棒因温度过高而被烧坏，冷点温度监测和控制可确保整个加热区域均达到设定温度，保证修复效果。该自动化系统使用温度、电流反馈回路，不但使加热区域内温度稳定在设定值附近，降低温度震荡，延长电加热管寿命；而且通过使用可控硅整流系统，降低供电过程中电平波动，增加能效。

4、本发明中污染物质经抽提井抽出至地面后，仍处于高温状态。本设计对抽提物质带出热量进行二次利用，抽提出的高温流体在抽提处理装置内设置的真空泵作用下首先沿余热回流管进入边界冷区进行二次换热，并最终汇集于地面处理区域。该设计对加热过程中产生热量进行最大化利用，同时有效降低了抽提出的高温流体的温度，有利于后续的气水分离以及尾气处理。

5、本发明实现了几大优点：一是全自动化控温工作；二是余热充分回用；三是布局灵活，由此刷新了行业的新标准，达到了更高的科技水平。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中供电控温调节装置的工作原理图。

图3是本发明的结构俯视图。

图4是本发明的实施例一的布局示意图。

图5是本发明的实施例二的布局示意图。

图6是本发明的实施例三的布局示意图。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述：参见图1-6，

污染场地原位电加热脱附修复技术，包括如下步骤：

a、将若干个加热井1及抽提井2插入污染场地，插入深度为1—4米；

b、在污染场地的表面铺设隔热层3，隔热层采用轻质混凝土制成；

c、将污染场地的地下水做降水处理，降至地下水至地下5米位置；

d、供电设施4电连接若干个加热井1及抽提井2，由加热井1内的加热管5进行加热污染场地、由抽提井内的真空泵抽出加热后污染场地产生的气态污染物及污染地下水，由此修复污染场地；

e、d步骤中抽出的气态污染物及污染地下水送入埋设在边界处地层的边界热循环管6进行二次换热，然后送入地面抽提处理装置7处理。

污染场地原位电加热脱附修复装置：包括加热井1、抽提井2、供电控温调节装置、边界余热回用机构及抽提处理装置7，所述的加热井1及抽提井2均电连接供电控温调节装置，所述的抽提井2通过输出管路连接边界余热回用机构，边界余热回用机构连接抽提处理装置，由加热井加热污染场地形成气态污染物，由抽提井抽出气态污染物及污染地下水送入边界余热回用机构，边界余热回用机构将气态污染物及污染地下水的温度吸收后在将其送入抽提处理装置处理。

上述的边界余热回用机构即安装在边界地面下的边界热循环管6。当抽出的高温气态污染物及污染地下水经过边界热循环管6时，会将其带有的高温传递至边界的地层，由此将热量继续传导至污染场地使用。

所述的加热井1的具体结构是：包括井套管8，井套管内安装有电加热管9，井套管的内壁上设有碳钢管，井套管与电加热管之间设有热电偶传感器及高温导热填充材料，电加热管是单引线不锈钢加热管，加热管内安装有电热丝并填充有结晶氧化镁颗粒，电加热管的顶部引线与采用绝缘材料制成的电线套管10相连接。

上述的高温导热填充材料可采用钢珠。

加热井的工作原理是：

通电后，电流流经电加热管，电热丝根据其额定功率产生热量，并使加热井内温度快速升高至400-500℃。加热井同周边地层环境存在的温差促使热量向周边传递，使土壤和地下水得到加热。在加热情况下，有机污染物在土壤表面粘附性降低而容易脱离土壤颗粒，同时增加其在地下水和土壤气体中分配量和流动性。

抽提井的工作原理是：

抽提井的外侧设有石英砂过滤层15，抽提井中的真空泵运行会在抽提井内形成负压，使得土壤内气态污染物和污染地下水在压力差作用下迁移至抽提井内。升温的土壤气体和地下水首先通过抽提井内的石英砂过滤层15，再通过筛管进入抽提井内部，之后沿着抽提井被提升至地面管中，进入边界热循环管与边界处地层进行二次换热，然后再进入地面抽提处理装置处理。

所述的供电控温调节装置的具体结构是：包括依次连接的温度数据收集机构11、温度控制系统12、可控硅整流器13及供电设施4，温度数据收集机构11连接设在若干个加热井1内的热电偶传感器14，可控硅整流器13连接若干加热井的电加热管5。

温度控制系统12使用的是比例积分和微分PID控制器，温度控制器根据输入温度和设定温度之差，计算出所需供电调节量，并将该调节信号传递给可控硅整流器。可控硅整流器根据调节信号，调整供电设备对电加热棒的电能输入。PID的使用可以大幅度提高电能利用率，避免供电设备频繁处于开/关状态。PID在接受热电偶所测得温度信号后，将输出信号传递给可控硅整流器，可控硅整流器可以降低供电过程中的电压波动，而且进一步降低电加热管内的温度震荡，使电加热管温度更趋于稳定值。

供电控温调节装置的运行模式如下：温度监测点分别位于冷点位置和加热井，冷点为加热场内温度最低点，冷点处温度达标可确保整个场地均匀加热；由于加热井内安装电加热管，为保护电加热管不会因温度过高而被烧坏，需确保加热井内温度处于电加热管可承受范围。本项目中使用热电偶温度传感器测量温度，由K型热电偶传感器、延长线和显示仪表构成，K型热电偶传感器为NiCr-Ni型。在加热井温度监测时，热电偶被固定在加热井井套管内壁，从深度上每两米固定一个热电偶传感器。热电偶传感器延长线从套管内伸出，并连接至显示仪表。冷点监测点安装测温监测井，它的内径设置为碳钢管，监测井深度需低于污染区域底部。热电偶传感器固定在碳钢管内部，每两米固定一个热电偶传感器，位置最深的热电偶传感器需低于污染区域底部。

下面是本发明的实际案例使用情况及使用反馈数据：

将本原位电加热装置在某场地进行了现场中试。该中试于三块场地进行平行试验，三块场地尺寸相同，地质条件类似，主要构成均为粉质粘土。场地分别采用4加热井、7加热井和9加热井布局法，如图4、图5、图6所示。三块场地保持一定距离，确保场地加热没有相互影响。单块场地为一个6m×6m正方形，平面面积为36m²。场地深度情况如下：目标加热区域为地下1m至4m，地下水面位置为地下1m，为使加热井在深度上覆盖目标加热区域，加热管加热范围为地下0.5m至4.5m，即在目标污染区域的基础上向上和向下各延伸0.5m。目标区域体积为108m³，加热区域为144m³。加热方法如图1所示一致，单根加热棒输出功率为5KW。加热前对场地地下水做降水处理，降低地下水位至地下5m位置，用来减小地下水对加热效率的影响。

如上所述，三块相同场地分别采用4根加热管、7根加热管和9根加热管布局法。4根加热管采用正方形分布，每两个加热井之间距离为4m；7根加热管为正六边形布局，每两个加热井之间距离为2.5m；9根加热管采用正方形布局，每两个加热井之间距离为2m。加热过程中，对场地中心点、加热井点和场地边界点(分别为图4中)三点进行温度监测，读取和存储热电偶在该点所测得平均温度。经过120天系统运行，三块场地在不同点位的最终稳定温度数据如表1所示。

表1原位电加热脱附系统中试温度数据

中试结果显示9根加热管正方形布局法更适用于中小型场地。在9根加热管加热下，系统温度可以在较短时间内达到预先设置的目标温度；系统冷点位置存在于每4个加热井所形成正方形中心和场地边界区域。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.污染场地原位电加热脱附修复技术，其特征在于：包括如下步骤：

a、将若干个加热井及抽提井插入污染场地，插入深度为1—4米；

b、在污染场地的表面铺设隔热层，隔热层采用轻质混凝土制成；

c、将污染场地的地下水做降水处理，降至地下水至地下5米位置；

d、供电设施电连接若干个加热井及抽提井，由加热井内的加热管进行加热污染场地、由抽提井内的真空泵抽出加热后污染场地产生的气态污染物及污染地下水，由此修复污染场地；

e、d步骤中抽出的气态污染物及污染地下水送入埋设在边界处地层的边界热循环管进行二次换热，然后送入地面抽提处理装置处理。

2.如权利要求1所述的污染场地原位电加热脱附修复技术的装置，其特征在于：包括加热井、抽提井、供电控温调节装置、边界余热回用机构及抽提处理装置，所述的加热井及抽提井均电连接供电控温调节装置，所述的抽提井通过输出管路连接边界余热回用机构，边界余热回用机构连接抽提处理装置，由加热井加热污染场地形成气态污染物，由抽提井抽出气态污染物及污染地下水送入边界余热回用机构，边界余热回用机构将气态污染物及污染地下水的温度吸收后在将其送入抽提处理装置处理。

3.根据权利要求2所述的污染场地原位电加热脱附修复技术的装置，其特征在于：所述的加热井的具体结构是：包括井套管，井套管内安装有电加热管，井套管的内壁上设有碳钢管，井套管与电加热管之间设有热电偶传感器及高温导热填充材料，电加热管是单引线不锈钢加热管，加热管内安装有电热丝并填充有结晶氧化镁颗粒，电加热管的顶部引线与采用绝缘材料制成的电线套管相连接。

4.根据权利要求2所述的污染场地原位电加热脱附修复技术的装置，其特征在于：所述的供电控温调节装置的具体结构是：包括依次连接的温度数据收集机构、温度控制系统、可控硅整流器及供电设施，温度数据收集机构连接设在若干个加热井内的热电偶传感器，可控硅整流器连接若干加热井的电加热管。