CN109702004A - 一种土壤原位热脱附修复电加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤原位热脱附修复电加热装置，该装置主要由防水盒、加热管外管壳、接线棒、电热丝构成，接线棒和电热丝相接，接线棒和电热丝的外侧套有氧化镁固定管，氧化镁固定管紧套在加热管外管壳内侧，接线棒的下方设有固定于加热管外管壳上的绝热保温棉层，绝热保温棉层至防水盒之间的区域为不发热区，绝热保温棉层以下的加热管外管壳区域为加热区；加热区的加热管外管壳内间隔设有陶瓷固定架；氧化镁固定管内与电热丝之间填充有绝缘氧化镁粉，并且可以通过加热棒连接器连接加热延长棒。本发明通过温控设备精准调节、控制加热装置内温度，且电热丝不易发生变形，可适用于不同沸点污染物的场地修复，而且可以适用于不同土壤污染深度的场地修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤修复装置，具体是一种土壤原位热脱附修复电加热装置。
背景技术
随着我国工业化、城镇化和农业现代化深入推进，工业“三废”的无序排放、矿山的粗放式开采及农业生产过程中化肥和农药的过度使用造成资源能源消耗和人为活动强度持续增加，但并未及时重视其污染物排放的监管和治理，致使重金属和有机物污染等污染通过各种途径进入到土壤环境中，污染越来越严重，危及到人类的生命和健康，土壤污染修复问题迫在眉睫。随着全国各地环保意识的提高，急需发展高效率、无二次污染的土壤原位处理技术。
土壤热脱附修复技术是一种针对有机污染场地的修复手段，包括原位热脱附和异位热脱附两种。原位热脱附系统主要包括土壤加热系统、气体收集系统、尾气处理系统、控制系统等。其技术原理是通过升高污染物区域的温度，改变污染物物理化学性质，促进土壤污染物脱附进入气相与水相，再被抽提脱离地下环境，转移至地上进行处理。它作为一种非燃烧技术，原位热脱附技术有以下几个优点：1)广谱、高效；2)可同步处理污染土壤和地下水；3)相对于其他的特别是异位技术，该技术无二次污染，对周围环境干扰少；4)系统灵活，移动性好，可重复使用；5)可与原位淋洗、化学氧化、生物修复配合使用；6)特别适用不可开挖场地的修复。原位热脱附技术在我国已有十多例中试及工程利用，在我国具有比较好的应用前景，尤其在经济发达地区的高风险有机污染场地上，具有极大应用潜力。
但传统原位热脱附系统采用的电加热为U型电热丝，经过长期高温加热，会导致电阻丝发生变形，与自身或外部保护钢管发生接触导致短路、接地，从而使加热器损坏，而且目前加热器都是不可加长或缩短，仅仅是有固定长度，不能灵活运用于不同污染深度的土壤修复当中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种土壤原位热脱附修复电加热装置，该装置使用灵活，电热丝不易发生变形，使用寿命长，而且可以适用于不同土壤污染深度的场地修复。
本发明以如下技术方案解决上述技术问题：
本发明一种土壤原位热脱附修复电加热装置，它主要由防水盒、加热管外管壳、接线棒、电热丝构成，电热丝与接线棒一端相连接，接线棒的另一端伸入防水盒内，防水盒的侧边设有加热棒接线口，从加热棒接线口引入的外接电源线与接线棒相连接；接线棒和电热丝的外侧套有起绝缘及固定作用的氧化镁固定管，氧化镁固定管紧套在加热管外管壳的内侧，接线棒的下方设有固定于加热管外管壳上的绝热保温棉层，绝热保温棉层至防水盒之间的区域为不发热区，绝热保温棉层以下的加热管外管壳区域为加热区；加热区的加热管外管壳内间隔设有陶瓷固定架用于固定电热丝，陶瓷固定架上开设有供电热丝穿过的孔；氧化镁固定管内与电热丝之间填充有绝缘氧化镁粉，电热丝、绝缘氧化镁粉、陶瓷固定架、氧化镁固定管以及加热管外管壳组合构成加热棒。
本发明所述防水盒的顶部设有由防水盒上盖和防水盒下盖组合形成的双层防水盖板；防水盒的底部设有用于安装接线棒的安装法兰；防水盒的侧边还设有防水填料函。
本发明所述电热丝设置三根，与电热丝相接的接线棒及外接电源线分别设置三根，外接电源线上设有单独控制的电热丝电源开关。
本发明所述加热棒通过加热棒连接器连接加热延长棒，加热延长棒的结构与加热棒相同，加热棒连接器由加热棒底端连接法兰、加热延长棒上端连接法兰以及加热棒连接螺钉、加热棒连接螺母组成，加热棒底端连接法兰安装在上端陶瓷连接头上，上端陶瓷连接头与加热棒的加热管外管壳底端相连接，加热延长棒上端连接法兰安装在下端陶瓷连接头上，下端陶瓷连接头与加热延长棒的加热管外管壳顶端相连接，加热棒底端连接法兰和加热延长棒上端连接法兰均设有螺纹孔，通过将连接螺钉拧入螺纹孔中并与连接螺母配合将加热棒底端连接法兰和加热延长棒上端连接法兰连接紧固，并使加热延长棒的电热丝下端接头与加热棒的电热丝上端接头相接触；加热延长棒底端陶瓷连接头连接电热尾部绝缘端。本发明通过加热棒连接器能实现加热装置的加装延长及拆卸缩短加热区长度的效果。
本发明所述防水盒采用Q235普通碳素结构钢制成；所述接线棒采用304不锈钢制作；所述加热管外管壳采用不锈钢2520材质制成；所述氧化镁固定管采用氧化镁材质制成；所述陶瓷固定架采用95陶瓷材质制作，加热棒每1m布设1个陶瓷固定架。
本发明所述电热丝呈螺旋状。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明装置采用电加热，热源获取更加方便、灵活；
2.本发明装置配有三根电热丝，每根电热丝有独立的开关，能够变频调节整个加热装置的功率，通过温控设备精准调节、控制加热器内温度，节约成本，适用于不同沸点污染物的场地修复；
3.本发明装置可以通过钻孔安装在地下或者污染土堆中，可以用于原位场地的修复；
4.本发明装置通过设计加热棒连接部件，能将加热棒延长或者缩短，更加适用于不同污染深度的场地修复当中。
5.本发明装置采用的电热丝呈螺旋状设计，可以避免经过长期高温加热后电阻丝发生变形，与自身或外部保护钢管发生接触导致短路、接地等导致加热器损坏。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图。
图2是本发明装置中加热棒的横截面示意图。
图3是本发明装置中陶瓷固定架的横截面示意图。
图4是本发明装置中加热延长棒的示意图。
图5是本发明装置中加热棒连接器的示意图。
图6是本发明装置中加热棒连接器连接后的示意图。
图7是本发明装置应用实例2的土壤温度监测记录。
图中：防水盒上盖1、防水盒下盖2、电热丝电源开关3、安装法兰4、接线棒5、氧化镁固定管6、加热管外管壳7、绝热保温棉层8、陶瓷固定架9、加热棒连接器10、防水盒11、防水填料函12、电热丝13、电热尾部绝缘端14、绝缘氧化镁粉15、连接螺钉16、加热棒底端连接法兰17、连接螺母18、加热延长棒上端连接法兰19、上端陶瓷连接头20、电热丝下端接头21、螺纹孔22、下端陶瓷连接头23、不发热区24、发热区25、加热棒接线口26、加热延长棒底端陶瓷连接头27、加热延长棒28、电热丝上端接头29。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和应用实例对本发明技术方案作进一步非限制性的详细描述。下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，并非对本发明的限制。
如图1所示，本发明一种土壤原位热脱附修复电加热装置主要由防水盒11、加热管外管壳7、接线棒5、电热丝13构成，电热丝13设置有三根，每根电热丝13与一根接线棒5一端相连接，三根接线棒的另一端伸入防水盒11内，防水盒11的侧边设有加热棒接线口26，从加热棒接线口26引入的外接电源线与接线棒相连接，外接电源线上设有独立控制的电热丝电源开关3；接线棒5和电热丝13的外侧套有起绝缘及固定作用的氧化镁固定管6，氧化镁固定管6紧套在加热管外管壳7的内侧，接线棒5的下方设有固定于加热管外管壳7上的绝热保温棉层8，绝热保温棉层8至防水盒11之间的区域为不发热区24，绝热保温棉层8以下的加热管外管壳区域为加热区25，绝热保温棉层8的作用是将发热区25和非发热区24分隔开，避免发热区产生的热量将非发热区的设备部件给烧坏烧溶；加热区25的加热管外管壳内间隔设有陶瓷固定架9用于固定电热丝，陶瓷固定架9上开设有供电热丝穿过并固定电热丝的孔(如图3所示)；氧化镁固定管6内与电热丝13之间填充有绝缘氧化镁粉15(如图2所示)，电热丝13、绝缘氧化镁粉15、陶瓷固定架9、氧化镁固定管6以及加热管外管壳7组合构成加热棒。
所述防水盒11的顶部设有由防水盒上盖1和防水盒下盖2组合形成的双层防水盖板；防水盒11的底部设有用于安装接线棒5的安装法兰4；防水盒11的侧边还设有防水填料函12，防水填料函12是指电缆与加热棒连接过程中固定部分所装设的密封装置，填料函主要由填料、水封环、填料筒、填料压盖、水封管组成。填料函的作用主要是为了封闭电缆与加热棒连接之间的空隙，可以防止水渗漏到防水盒中导致加热棒短路。
根据需要，加热棒可以通过加热棒连接器10连接一根或多根加热延长棒28，加热延长棒的结构与加热棒相同(如图4所示)，加热棒连接器的结构见图5和图6所示，它由加热棒底端连接法兰17、加热延长棒上端连接法兰19以及加热棒连接螺钉16、加热棒连接螺母18组成，加热棒底端连接法兰17安装在上端陶瓷连接头20上，上端陶瓷连接头20与加热棒的加热管外管壳7底端相连接，加热延长棒上端连接法兰19安装在下端陶瓷连接头23上，下端陶瓷连接头23与加热延长棒28的加热管外管壳6顶端相连接，加热棒底端连接法兰17和加热延长棒上端连接法兰19均设有螺纹孔22，通过将连接螺钉16拧入螺纹孔22中并与连接螺母18配合将加热棒底端连接法兰17和加热延长棒上端连接法兰19连接紧固，并使加热延长棒的电热丝下端接头21与加热棒的电热丝上端接头29相接触；加热延长棒28底端陶瓷连接头27连接电热尾部绝缘端14。
参照图6，本发明通过加热棒连接器10将加热延长棒28连接到主加热棒上，以达到延长本发明加热装置的长度。具体连接步骤如下：
a)将加热延长棒28的下端陶瓷连接头23插入主加热棒的上端陶瓷连接头20中，使电热丝下端接头21与电热丝上端接头29紧密连接；
b)用连接螺钉16和连接螺母18配合将加热棒底端连接法兰17、加热延长棒上端连接法兰19连接起来；
c)本发明加热装置每增加1米就按照a、b步骤进行。
本发明通过加热棒连接器10能实现加热装置的加装延长及拆卸缩短加热区长度的效果，应用更为灵活，而且本发明可以通过温控设备精准调节、控制加热装置内的温度，节约成本，且电热丝不易发生变形，适用于不同沸点污染物的场地修复，而且可以适用于不同土壤污染深度的场地修复。
本发明所述防水盒11采用Q235普通碳素结构钢制成，防水盒11为棱长为80mm的正方形形状；所述防水盒上盖1和防水盒下盖2为边长170mm、厚5mm的方形板。所述接线棒5采用304不锈钢制作，接线棒直径为5mm；所述加热管外管壳7采用不锈钢2520材质制成，直径为30mm，外管壁厚为2mm，用于保护整套加热装置的内部其他部件；所述氧化镁固定管6采用氧化镁材质制成，直径为26mm，壁厚为1mm，紧贴着加热管外壳内部，起到绝缘及固定加热装置内部其他部件的作用；所述陶瓷固定架9采用耐高温、耐腐蚀的95陶瓷材质制作，直径为25mm，其中间设置三个用于固定电热丝13的孔，加热棒每1m布设1个陶瓷固定架，氧化镁固定管6以及陶瓷固定架9支撑固定提供整套加热装置的内部其他部件。
本实例所述的不发热区长为1.5m。
本发明所述电热丝13共有3根，直径为2.3mm，呈螺旋状，材质为2080双相不锈钢，其化学成分(质量分数)为S≤0.03％、P≤0.03％、Si≤0.40％、Mn≤0.60％、Cr11.50％～11.30％、V0.8％、Mn0.9％。
本发明所述绝缘氧化镁粉15采用5种氧化物混合制成，其中氧化镁粉≥94.5％、氧化钙≤1.3％、氧化铁≤0.6％、二氧化硅≤2.8％、氧化铝≤0.7％，流率为≥155g/min，振实密度为≥2.45g/cm3，目数配比为45-330目。
以下是本发明装置的应用实例：
实施例1：
选取含有机污染地块进行修复，具体污染物包括3种SVOCs(α-六六六、β-六六六、苯并(a)芘)和1种VOCs(三氯甲烷)，具体的污染情况见下表1，污染深度为分别为3m、4m、5m。
表1污染物基本情况
用钻机在选定地块指定地点钻的加热井到地下指定深处，为了确保整个地块治理合格钻孔深度比污染深度深0.5m，故钻孔深度分别为3.5m、4.5m、5.5m，共钻3个井。在距离加热井1.5米处，用钻机在指定地点钻的孔到地下指定深处2.5m处，并安装抽提管，抽提出来的尾气进行处理。每钻一个加热井结束就当钢管吊入井内避免塌孔，采用30吨吊车进行下管，然后在井的四周回填粒径4～10mm的砾石直到地面，安装结束后井口要用厚塑料纸覆盖防止杂物掉入。将加热装置延长管按照污染深度进行紧固延长，分别将不同长度的加热装置固定悬挂放置到外管正中。加热井钢管管与加热管间设有热电偶传感器，延长线从套管内伸出，连接至控制仪表。加热管安装完毕后将导热砂填满井管，并在上层用混凝土浇筑密封。安装完毕后，通过电热丝电源开关以及温控仪表调节加热温度。待温度升到目标污染物沸点时，保温5天，待温度下降到50℃后，取修复土壤进行分析，结果见表2。结果表明，经过该加热装置加热后，土壤温度均能达到目标温度，污染物浓度均明显降低。
表2修复结果
| 污染物名称 | 目标加热温度(℃) | 初始浓度(mg/kg) | 修复后浓度(mg/kg) | 去除率 |
| 三氯甲烷 | 60 | 25.2 | 0.15 | 99.4％ |
| α-六六六 | 280 | 32.3 | 0.58 | 98.2％ |
| β-六六六 | 280 | 11.8 | 0.39 | 96.7％ |
| 苯并(a)芘 | 490 | 19.5 | 0.18 | 99.1％ |
实施例2：
选取地块，进行钻3个加热井，并完成加热装置的安装，实时监控土壤温度，并做好相应的记录，验证加热器的加热效果，加热的目标温度为400℃。整个过程共计加热运行200天。运行期间，主要关注原位热脱附区域土壤温度的上升情况，根据以上信息判断热脱附进程。原位热脱附区域地下温度监测情况如图7所示，监测点位置为距离各3个加热井最远的“冷点”。
从图7可以看出，本次中试完整经历了热脱附处理的三个升温阶段：首先是原位热脱附区域土壤温度从环境温度逐渐上升到了水的沸点100℃附近，耗时约16天；其次是原位热脱附区域土壤温度维持在水的沸点100℃附近，耗时约20天；最后加热区域的土壤温度向上突破水的沸点100℃，并逐步上升至350℃目标温度，耗时约90天，达到400℃目标温度最高点耗时约25天。从图中可以知，该发明装置加热升温曲线复合典型污染场地原位热脱附修复过程中各阶段，即提取阶段、加热阶段、抛光阶段。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和结构，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还是会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本要求保护的发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种土壤原位热脱附修复电加热装置，其特征在于，它主要由防水盒、加热管外管壳、接线棒、电热丝构成，电热丝与接线棒一端相连接，接线棒的另一端伸入防水盒内，防水盒的侧边设有加热棒接线口，从加热棒接线口引入的外接电源线与接线棒相连接；接线棒和电热丝的外侧套有起绝缘及固定作用的氧化镁固定管，氧化镁固定管紧套在加热管外管壳的内侧，接线棒的下方设有固定于加热管外管壳上的绝热保温棉层，绝热保温棉层至防水盒之间的区域为不发热区，绝热保温棉层以下的加热管外管壳区域为加热区；加热区的加热管外管壳内间隔设有陶瓷固定架用于固定电热丝，陶瓷固定架上开设有供电热丝穿过的孔；氧化镁固定管内与电热丝之间填充有绝缘氧化镁粉，电热丝、绝缘氧化镁粉、陶瓷固定架、氧化镁固定管以及加热管外管壳组合形成加热棒。
2.根据权利要求1所述土壤原位热脱附修复电加热装置，其特征在于，所述防水盒的顶部设有由防水盒上盖和防水盒下盖组合形成的双层防水盖板；防水盒的底部设有用于安装接线棒的安装法兰；防水盒的侧边还设有防水填料函。
3.根据权利要求1所述土壤原位热脱附修复电加热装置，其特征在于，所述电热丝设置三根，与电热丝相接的接线棒及外接电源线分别设置三根，外接电源线上设有单独控制的电热丝电源开关。
4.根据权利要求1所述土壤原位热脱附修复电加热装置，其特征在于，所述加热棒通过加热棒连接器连接结构与加热棒相同的加热延长棒，加热棒连接器由加热棒底端连接法兰、加热延长棒上端连接法兰以及加热棒连接螺钉、加热棒连接螺母组成，加热棒底端连接法兰安装在上端陶瓷连接头上，上端陶瓷连接头与加热棒的加热管外管壳底端相连接，加热延长棒上端连接法兰安装在下端陶瓷连接头上，下端陶瓷连接头与加热延长棒的加热管外管壳顶端相连接，加热棒底端连接法兰和加热延长棒上端连接法兰均设有螺纹孔，通过将连接螺钉拧入螺纹孔中并与连接螺母配合将加热棒底端连接法兰和加热延长棒上端连接法兰连接紧固，并使加热延长棒的电热丝下端接头与加热棒的电热丝上端接头相接触；加热延长棒底端陶瓷连接头连接电热尾部绝缘端。
5.根据权利要求1所述土壤原位热脱附修复电加热装置，其特征在于，所述防水盒采用Q235普通碳素结构钢制成；所述接线棒采用304不锈钢制作；所述加热管外管壳采用不锈钢2520材质制成；所述氧化镁固定管采用氧化镁材质制成；所述陶瓷固定架采用95陶瓷材质制作，加热棒每1m布设1个陶瓷固定架。
6.根据权利要求1所述土壤原位热脱附修复电加热装置，其特征在于，所述电热丝呈螺旋状。
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