CN110586637A - 一种自供电天然气土壤加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自供电天然气土壤加热系统，其与所述加热井连接，包括燃烧器、供电电源、控制器和天然气控制阀，所述燃烧器设置于所述加热井的上端，所述供电电源为半导体温差发电装置，包括升压稳压模块和呈间隔缠绕在所述燃烧器外侧面的多个半导体温差发电片，所述半导体温差发电片与所述升压稳压模块电性连接，所述升压稳压模块分别与所述控制器和天然气控制阀电性连接。本发明使用半导体温差发电装置，因其供电电压较低以及高可靠性，完全可避免高压漏电等安全事故的发生，保证了设备的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种自供电天然气土壤加热系统，该控制单元可实现控制系统自供电，具有节能安全、结构简单的优点。
背景技术
随着工业化进程的加快，大量工业用地和炼油厂的土壤被烃类化合物污染，为了将土壤中的污染物进行去除，国内外学者提出多种土壤修复技术，大致可分为化学修复、生物修复和物理修复。众多修复技术中，热修复技术由于其可快速、有效去除多种有机污染物的能力而备受关注。目前常用的原位热修复技术主要有三种：蒸汽/热空气注入加热、电阻加热(ERH)和热传导加热，其中热传导加热也称原位热脱附(ISTD)。相比于其他两种修复技术，原位热脱附技术通过土壤中的热传导进行加热，可使土壤达到较高的温度，高达600℃左右，从而可实现对高沸点有机物的去除。
原位热脱附的原理是通过将污染场地加热至一定温度，加速污染场地内污染物的挥发或与土壤基质的分离，同时挥发或分离的污染物经由抽提装置抽提回收，并通过处理装置进行处理，从而实现对污染场地的修复。可见，将土壤加热至目标温度是影响原位热脱附的一个关键步骤，目前常用土壤加热装置的能量来源主要包括两种：天然气加热和电加热。天然气土壤加热装置中，天然气和空气在燃烧器中混合燃烧产生高温烟气，高温烟气流经加热井通过热传导的方式实现对土壤的加热。为了达到更好的加热效果，需要对天然气的流量及其空燃比进行实时调控，因此在加热装置中安装有控制器、温度传感器、显示面板以及控制阀等电子设备。
目前，天然气土壤加热装置中电子设备的供电方式是从周围电网中接入电源进行供电，如图6所示，此方式导致整个加热过程不仅消耗天然气，还消耗一定量的电能，造成能源的浪费；在对土壤进行加热过程中，整个场地周围环境温度比较高，如果发生漏电事故可能造成非常严重的安全事故，此外，在现有的控制系统中，只存在天然气控制阀，而空气流量在加热开始之前确定后就不再调整，导致在加热过程中天然气流量和空气流量配比并不是最佳，影响土壤的加热效果，造成天然气能源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于解决目前控制单元依靠电网供电，系统运行存在完全隐患的技术问题，为此，本发明提供了一种自供电天然气土壤加热系统，实现电子设备的自供电，简化整体结构，保障系统节能安全运行。
所采用如下技术方案：
一种自供电天然气土壤加热系统，其与所述加热井连接，包括燃烧器、供电电源、控制器和天然气控制阀，所述燃烧器设置于所述加热井的上端，其特征在于，所述供电电源为半导体温差发电装置，包括升压稳压模块和呈间隔缠绕在所述燃烧器外侧面的多个半导体温差发电片，所述半导体温差发电片与所述升压稳压模块电性连接，所述升压稳压模块分别与所述控制器和天然气控制阀电性连接。
所述控制器设置于所述燃烧器的混合室顶部，所述混合室上连通有空气控制阀和所述天然气控制阀，所述控制器分别与所述的空气控制阀和天然气控制阀之间形成控制连接。
进一步地，多个所述半导体温差发电片为CoSb3或CeFe4Sb12，其沿着所述燃烧器的火焰筒喷射方向设置。
优选地，所述半导体温差发电片的外侧面包裹有散热层，所述半导体温差发电片的内侧面与所述燃烧器的外表面相接触，形成热端；所述半导体温差发电片的外表面经过所述散热层与周围环境接触，形成冷端，所述热端和冷端通过线路分别与所述的控制器和升压稳压模块电性连接后形成供电电路。
相邻两所述半导体温差发电片之间填充有绝热材料。
所述半导体温差发电片的两侧面分别涂抹有用于增强热导率的导热材介质。
所述散热层的外表面密布有针状凸起。
所述燃烧器的外侧还设有用于包裹所述半导体温差发电装置的防护层。
所述升压稳压模块为DC/DC变换器。
所述加热井出口处还设置一温度传感器，用于监测所述加热井出口温度，所述温度传感器将得到的温度值传输给所述控制器，所述控制器通过PID控制算法，且依据所述加热井出口温度监测值与设定值的偏差进行控制，并向所述的天然气控制阀和空气控制阀输出控制信号，对所述燃烧器中的天然气流量和空气流量进行实时调节。
本发明技术方案具有如下优点：
A.本发明在土壤加热系统中的燃烧器表面设置了半导体温差发电装置，通过燃烧器火焰筒外表面与周围环境之间的温差进行热电转换，对燃烧器的部分余热进行二次利用，不再需要外界电力能源的接入，从而节省能源；同时在土壤加热过程中，由于污染场地周围环境温度较高，当从周边电网引入电源时，可能会发生高压漏电等安全事故，本发明使用半导体温差发电装置，因其供电电压较低以及高可靠性，完全可避免此情况的发生，保证了设备的安全运行。
B.本发明中所采用的供电结构简单，当通过外界电源对电子设备进行供电时，需要从周边电网进行引线、布线，需要配电箱等装置，安装复杂，费时费力，当场地中天然气加热装置位置调换后还需重新进行布线；而本发明中所采用的半导体温差发电装置，多个半导体温差发电片紧贴在燃烧器外表面，产生的电能通过引线经由升压稳压模块直接进入上方的控制器等电子设备，结构简单，并可随加热装置随意移动，极大地简化工程人员的操作，降低人力成本。
C.现有的天然气土壤加热装置的控制系统中，仅存在天然气控制阀，而空气的流量仅在加热装置运行之前进行调整，在加热过程中保持不变。本发明中包含天然气控制阀和空气控制阀，在加热过程中可同时调整天然气流量和空气流量，从而实时保证最佳的天然气流量及其空燃比，提高天然气的利用率，减小天然气的消耗量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明自供电天然气土壤加热系统整体安装示意图；
图2是图1中燃烧器上设有半导体温差发电装置结构示意图；
图3是图2所示横截面结构示意图；
图4是图3中半导体温差发电片结构示意图；
图5是本发明中加热井整个处理系统原理框图；
图6是传统的天然气土壤加热系统的原理框图。
附图标记说明：
1-加热井
2-燃烧器
21-混合室，22-火焰筒
3-半导体温差发电装置
31-升压稳压模块
32-半导体温差发电片
32A-内侧面，32B-外表面
33-散热层，34-绝热材料
4-控制器；5-天然气控制阀；6-空气控制阀；7-土壤；8-天然气站。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图5所示，本发明所提供的自供电天然气土壤加热系统与加热井1连接，包括燃烧器2、供电电源、控制器4和天然气控制阀5，天然气控制阀5通过管路与天然气站8连接，天然气站8给燃烧器2供应天然气，燃烧器2设置于加热井1的上端开口位置，燃烧器2所产生的高温烟气进入加热井中，给土壤7进行加热。本发明中的供电电源为半导体温差发电装置3，如图2和图3所示，包括升压稳压模块31和呈间隔缠绕在燃烧器2外侧面的多个半导体温差发电片32，半导体温差发电片32与升压稳压模块31电性连接，升压稳压模块31分别与控制器4和天然气控制阀5电性连接。
进一优选地，本发明中的控制器4设置于燃烧器2的混合室21顶部，混合室21上连通有空气控制阀6和天然气控制阀5，控制器4分别与空气控制阀6和天然气控制阀5之间形成控制连接。在原位热脱附过程中，多个加热井1布置在土壤7中，对于单个加热井1来讲，由其出口端向上依次为燃烧器2、混合室21、控制器4。加热井1置于土壤表面以下，其余装置均位于地表上方，整个场地中燃烧器2的能量来源于天然气站8，天然气控制阀5和空气控制阀6分别调节天然气流量和空气流量，天然气和空气在混合室21中混合，在燃烧器2中燃烧产生高温烟气，高温烟气流经加热井1通过热传导对土壤7进行加热。天然气和空气在燃烧器2中燃烧，部分热量通过燃烧器2散失，导致燃烧器2的管壁温度较高，对于每套加热井所配套的加热系统均为单独的自供电天然气土壤加热系统，对燃烧器管壁散失的热量进行回收利用。
本发明中所采用的半导体温差发电装置3将燃烧器2散失的部分热能转化为电能为电子设备所用，替代了外接电源。本发明中的半导体温差发电装置3中的多个半导体温差发电片32呈均匀粘合在燃烧器2的外侧，不同半导体温差发电片32之间的空隙由绝热材料34填充。半导体温差发电片32的个数由每个加热系统中的电子设备所需的总功率来决定，如图3所示为8个半导体温差发电片的布置模式，所有半导体温差发电片32呈45°等间隔紧贴在燃烧器2的外表面，外侧缠绕一层散热层33。如图4所示，半导体温差发电片32的内侧32A与燃烧器2的外表面紧密接触，温度T1较高，可达300～500℃，为热端；外侧32B经由散热层33与周围环境接触，温度T2较低，由场地所处位置以及季节决定，为冷端，热端和冷端通过线路分别与控制器4和升压稳压模块31电性连接后形成供电电路。
由于半导体温差发电装置3的热源温度较高，因此，需要选择合适的半导体发电材料，如CoSb3、CeFe4Sb12等。为了保证半导体温差发电片32两侧与热冷两端贴合紧密，并增加热导率，优选在半导体温差发电片32的两侧接触面上涂抹导热介质，以保证热量的传导，常用的导热介质有导热银浆、导热硅胶、导热硅脂三大类，可以选择其一。
本发明中所采用的散热层33优选为自然对流散热，同时为提高散热效果，在散热层33的外表面可设计为密布的针状凸起，增大与空气接触面积。
由于燃烧器表面的半导体温差发电装置缠绕在其外侧，暴露在环境中，需要添加安全防护层(图中未示出)，同时为了避免雷雨等恶劣天气的影响，需要添加保护壳包裹整个半导体温差发电装置3。
由于半导体温差发电片31所产生的电动势较低，且受外界条件影响表现为极其不稳定，甚至丢失的电压输出，因此需要升压稳压模块31对半导体温差发电片32产生的电动势进行升压稳压后输出，从而满足电子设备的使用要求。当温差方向确定时，半导体温差发电装置产生的电流方向也是确定的，可视为一个不稳定的直流(DC)电源，故升压稳压模块31优选采用DC/DC变换器。
另外，本发明中的控制器4对控制对象进行监测显示，对主要参数进行重设，并对执行机构输出控制信号。作为本发明实施例中的一种控制策略，将加热井1出口温度作为控制对象，在加热井1出口处放置温度传感器，监测得到的温度值传输给控制器4，可通过PID控制算法依据加热井出口温度监测值与设定值的偏差进行控制，向天然气控制阀5和空气控制阀6输出控制信号进而对天然气流量和空气流量进行实时调节。显示面板可对加热井出口温度的监测值和设定值进行显示，同时可通过按钮对设定值进行调节。
本发明中的天然气控制阀5和空气控制阀6，根据控制器4的控制信号调节各制阀的开度或压强，进而分别对天然气流量和空气流量进行调节，保证加热过程中最佳的天然气流量及其空燃比，提高天然气利用率，降低天然气消耗量。
在本发明中，半导体温差发电装置3缠绕在燃烧器2的外表面，控制器4固定在混合室21的顶部，其中的显示面板对主要信息进行显示，便于工作人员观察。整个装置结构简单，安装简便。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种自供电天然气土壤加热系统，其与所述加热井(1)连接，包括燃烧器(2)、供电电源、控制器(4)和天然气控制阀(5)，所述燃烧器(2)设置于所述加热井(1)的上端，其特征在于，所述供电电源为半导体温差发电装置(3)，包括升压稳压模块(31)和呈间隔缠绕在所述燃烧器(2)外侧面的多个半导体温差发电片(32)，所述半导体温差发电片(32)与所述升压稳压模块(31)电性连接，所述升压稳压模块(31)分别与所述控制器(4)和天然气控制阀(5)电性连接。
2.根据权利要求1所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，所述控制器(4)设置于所述燃烧器(2)的混合室(21)顶部，所述混合室(21)上连通有空气控制阀(6)和所述天然气控制阀(5)，所述控制器(4)分别与所述的空气控制阀(6)和天然气控制阀(5)之间形成控制连接。
3.根据权利要求2所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，多个所述半导体温差发电片(32)为CoSb3或CeFe4Sb12，其沿着所述燃烧器(2)的火焰筒(22)喷射方向设置。
4.根据权利要求3所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，所述半导体温差发电片(32)的外侧面包裹有散热层(33)，所述半导体温差发电片(32)的内侧面(32A)与所述燃烧器(2)的外表面相接触，形成热端；所述半导体温差发电片(32)的外表面(32B)经过所述散热层(33)与周围环境接触，形成冷端，所述热端和冷端通过线路分别与所述的控制器(4)和升压稳压模块(31)电性连接后形成供电电路。
5.根据权利要求4所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，相邻两所述半导体温差发电片(32)之间填充有绝热材料(34)。
6.根据权利要求5所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，所述半导体温差发电片(32)的两侧面分别涂抹有用于增强热导率的导热材介质。
7.根据权利要求6所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，所述散热层(33)的外表面密布有针状凸起。
8.根据权利要求2-7任一所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，所述燃烧器(2)的外侧还设有用于包裹所述半导体温差发电装置(3)的防护层。
9.根据权利要求8所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，所述升压稳压模块(31)为DC/DC变换器。
10.根据权利要求8所述的自供电天然气土壤加热系统，其特征在于，所述加热井(1)出口处还设置一温度传感器，用于监测所述加热井(1)出口温度，所述温度传感器将得到的温度值传输给所述控制器(4)，所述控制器(4)通过PID控制算法，且依据所述加热井(1)出口温度监测值与设定值的偏差进行控制，并向所述的天然气控制阀(5)和空气控制阀(6)输出控制信号，对所述燃烧器(2)中的天然气流量和空气流量进行实时调节。
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