CN110586638A - 一种正压回热型天然气土壤加热修复系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正压回热型天然气土壤加热修复系统及其方法，系统包括燃烧器、与、燃烧器连接的加热井、空气压缩机、引射器和换热器，所述加热井中排出的尾气和所述空气压缩机中排出的压缩空气分别与换热器相连接，经换热器进行热量交换后的空气进入引射器入口，输入的天然气作为引射流体与引射器的引流管路连接，引射器的出口与燃烧器的进口连接。采用引射混合型燃烧器和正压强化换热加热井，将空气在进入燃烧器之前进行压缩并利用加热井尾气能量进行预热，提高空气温度，本发明有效利用了原本方案中因为将尾气直接排出而废弃的余热能量，将这部分能量通过空气再次带回系统中，不需要风机的抽吸，去除了传统系统中安置在加热井后的风机，节省了能量。

Description

一种正压回热型天然气土壤加热修复系统及其方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种正压回热型天然气土壤加热修复系统及其方法，可实现节能和提高尾气温度和压力目的。

背景技术

土壤污染问题作为制约人类社会可持续发展的问题正受到日益广泛关注。污染土壤的修复技术研究成为当前环境保护工程科学和技术研究的新热点。治理土壤污染通常有异位修复和原位修复两种形式。异位修复涉及挖土和运土，严重破坏土壤结构，成本较高，不宜治理深度污染及建筑物下面的污染。土壤原位修复技术是指不经挖掘，直接在污染场地就地修复污染土壤的土壤修复技术，具有投资低，能够节约修复成本，且无需挖掘和运输污染土壤，对周边环境影响小的特点，是土壤修复的研究热点。通过加热土壤的方式来修复土壤是其中一种较为成熟有效的原位土壤修复技术，通过直接或间接热交换，将土壤中的污染介质及其所含的污染物加热至沸点温度，以使其得以挥发、分离或裂解。

土壤加热修复系统，一般使用燃烧化石能源作为能量来源，天然气土壤加热修复系统是其中一种比较常见的系统。化石能源是地球上极重要的资源，充分的利用化石能源并有效节约是对以能量为核心和出发点的各个学科的挑战。对于加热土壤来修复的系统来说，在将土壤中污染物加热到沸点的过程中需要的能量极大。原位加热过程一般分为低温(100～350℃)和高温(350～600℃)两个阶段。其中，热脱附是低温阶段污染物去除的主要机制，热解是高温阶段污染物去除的主要机制。众多研究显示，温度显著影响有机物的热脱附过程，较低的加热温度不利于污染物质的去除。而消耗化石能源产生的能量并不能完全用于加热土壤，大部分能量会随着高温尾气的排入环境而直接流失，并因此使整个系统的加热效能变低。

如图5所示，传统的天然气土壤加热修复系统中，天然气和空气直接通入并联的燃烧器进行燃烧，尾气通过与燃烧器连接的各自的加热井中，将热量传至土壤。各加热井排出的尾气通过尾气管网收集到一起，通过风机的抽吸产生负压，吸引尾气管网中的尾气排至环境。如此，对于整个系统来说，加热井尾气的能量随着尾气直接排出，没有得到利用，浪费了此部分能量且降低了整个系统的效能。

发明内容

本发明的目的在于解决目前加热井尾气能量直接排出，没有得到充分利用，加热效能低的技术问题，为此，本发明提供了一种正压回热型天然气土壤加热修复系统及其方法，实现土壤加热修复系统加热效能强化并节省能源。

所采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种正压回热型天然气土壤加热修复系统，包括燃烧器和与所述燃烧器连接的加热井，所述系统还包括空气压缩机、引射器和换热器，所述加热井中排出的尾气和所述空气压缩机中排出的压缩空气分别与所述换热器相连接，经所述换热器进行热量交换后的空气进入所述引射器入口，输入的天然气作为引射流体与所述引射器的引流管路连接，所述引射器的出口与所述燃烧器的进口连接。

所述燃烧器入口与引射器出口之间的连接管路上还设有自由空气控制阀。

所述系统中还设有控制器，所述引射器入口与所述换热器之间的空气输出管路上还设有一压缩空气控制阀，所述控制器分别与所述自由空气控制阀和压缩空气控制阀形成控制连接。

所述系统还设有用于检测土壤温度的第一温度传感器、用于检测所述燃烧器出口温度的第二温度传感器和用于检测所述加热井周围环境中天然气浓度的浓度传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器和浓度传感器分别与所述控制器的输入端连接。

所述控制器通过PID比例控制方式对所述的自由空气控制阀和压缩空气控制阀进行自动调节。

所述的换热器为间壁式换热器。

另一方面，本发明还提供了一种正压回热型天然气土壤加热修复方法，空气经空气压缩机加压后输入换热器中，加压后的空气与进入换热器中的加热井尾气进行热量交换；经预热后的空气由换热器输出并进入引射器中形成工作流体；工作流体与输入引射器中的引射流体混合后形成高压高温气体进入燃烧器中；混合气体在燃烧器中燃烧后形成高温高压烟气注入加热井中，高温高压烟气与加热井周围土壤进行换热，加热井尾气排出后输入换热器中进行换热。

经引射器输出后的混合气体进一步与无压力的自由空气混合，再进入燃烧器的炉膛内进行燃烧得到高温高压烟气。

通过传感器检测加热井周围土壤温度、燃烧器出口温度及加热井周围环境中天然气浓度，并输入至控制器中，控制器通过PID比例控制方式来控制压缩空气和自由空气的进量。

本发明技术方案具有如下优点：

A.本发明在土壤加热修复系统中增加了压缩空气预热装置，采用引射混合型燃烧器和正压强化换热加热井，压缩空气预热装置将空气在进入燃烧器之前进行压缩并利用加热井尾气能量进行预热，提高空气温度。本发明有效利用了原本方案中因为将尾气直接排出而废弃的余热能量，将这部分能量通过空气再次带回系统中，在整个系统中都是正压，利用管道中流体压力和环境压力的压差流动，不需要风机的抽吸，去除了传统系统中安置在加热井后的风机，节省了能量。

B.本发明将压缩空气引流天然气的方式，混合气体进入燃烧器前通过两次空气的进入，在燃烧器中实现正压燃烧的同时也尽量克服正压燃烧条件下天然气的泄露问题。空气压缩机压缩空气增加空气的压力，在燃烧器中的正压燃烧过程进一步提高烟气温度压力，高温高压的烟气作为加热土壤的流体能传给土壤更多的热量，温度越高换热效能越大，回热利用余热能量，也能进一步提高加热效能。

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是正压回热型天然气土壤加热修复系统组成图；

图2是压缩空气预热系统结构图；

图3是引射混合型燃烧器结构流程图；

图4是正压强化换热加热井结构图；

图5是传统天然气土壤加热修复系统组成图。

附图标记说明：

1-燃烧器；2-加热井；3-空气压缩机；4-引射器；5-换热器；6-自由空气控制阀；7-连接管路；8-控制器；9-空气输出管路；10-压缩空气控制阀；20-土壤；30-天然气控制阀；40-引流管路。

A-压缩空气预热装置；B-正压强化换热加热井；C-引射混合型燃烧器。

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所示，本发明所提供的正压回热型天然气土壤加热修复系统，包括压缩空气预热装置A、引射混合型燃烧器C和正压强化换热加热井B。

其中的压缩空气预热装置A用于压缩并预热进入燃烧器1的一次进口空气。本发明中的空气压缩机3用于压缩空气，是一种将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械。它从吸气管吸入低温低压的空气，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的空气。压缩空气为正压燃烧提供高压力气体。其中的空气压缩机3按其原理可分为容积型压缩机与速度型压缩机。容积型压缩机又分为：往复式压缩机、回转式压缩机；速度型压缩机又分为：轴流式压缩机、离心式压缩机和混流式压缩机。不同类型和型号的压缩机应用于不同规模的工程活动中。中型和小型离心压缩机通常采取电机驱动的方式，蒸汽轮机的驱动方式则普遍存在于近现代化石油和化学工业的大型装置中。透平压缩机组广泛应用于有大量废热产生的石油化学工业中，充分利用废热做动力源。往复式压缩机广泛应用于机械制造、石化、矿山机械、制冷等各个领域，是行业重要生产运行设备。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。在本发明中用于利用加热井2出口的尾气预热压缩空气。结合本发明的实际应用情况，适用于间壁式换热器。间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。间壁式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。陶瓷换热器是一种新型的列管式高温热能回收装置，主要成份为碳化硅，可以广泛用于冶金、机械、建材、化工等行业，直接回收各种工业窑炉排放的850－1400℃高温烟气余热，以获得高温助燃空气或工艺气体。

引射混合型燃烧器C用于提供高温高压的烟气。本发明中的引射器4应用于工作流体与引射流体的状态相同的条件下，适用于气-气引射器，作为机械用于输送流体。压力较高的流体压缩空气作为工作流体以很高的速度从喷嘴流出，进入吸入室，在射流的湍流扩散作用下，卷吸周围压力较低的流体天然气作为引射流体。工作流体与引射流体在混合室内混合，随后，混合流体进入扩散室，压力因流速的降低而升高。同时还在燃烧器1入口与引射器4出口之间的连接管路7上设有自由空气控制阀6，用于输入无压力的空气，即作为二次自由空气进行输入，由于引射器4出口的天然气和空气的混合气体仍然保持一个较高的流速，在通向燃烧器1的管道中，可以引射吸引自由空气的流入。压缩空气通过引射器4后形成高压的混合气体，高压的混合气体再与二次自由空气混合进入燃烧器1进行正压燃烧。正压燃烧时，燃烧器1的炉膛内的压力高于环境，存在气体溢出的情况。而天然气泄露到环境中即是浪费能源又是有一定危险性。为了解决这个问题，本发明在系统中设置了控制器8，引射器4入口与换热器5之间的空气输出管路9上还设有一压缩空气控制阀10，控制器8分别与自由空气控制阀6和压缩空气控制阀10形成控制连接。

如图3所示，控制器8的输入信号有三路，用于检测土壤20温度的第一温度传感器(图3中的①)、用于检测燃烧器1出口温度的第二温度传感器(图3中的③)和用于检测加热井2周围环境中天然气浓度的浓度传感器(图3中的②)，第一温度传感器、第二温度传感器和浓度传感器分别与控制器8的输入端连接，所得的信号通过PID控制(比例、积分、微分控制)进行调整处理，由控制器8作出判断并发出命令信号。输出信号有两路，分别用于控制压缩空气控制,10和自由空气控制阀6的开度，而位于引射器4引流管路40的天然气控制阀30根据目前的工作状态和工作温度的需要来调节。

如图4所示，本发明中的正压强化换热加热井B用于使来自燃烧器1出口的高温高压烟气在加热井2中高压自流与低温土壤20进行换热。加热井2是一个套管，气体从内管流入，在管的底端气体改变方向，由外管流出。在外管中流动时，通过管壁与土壤有直接的热传导。同时，外管内的气体与内管内的气体也有对流换热来交换热量。最后的热量除了用来加热土壤20，剩余的能量由加热井2排出并流入压缩空气预热装置中的换热器5中。图4中所绘制的为竖直加热井，水平的加热井也可以采用本发明所提供的正压回热系统。以竖直加热井为例，加热井的单井效能主要由内外管径尺寸、管长、内外管长差等因素决定。加热井2的场地布置以三角形、四边形和六边形的形式居多，管距和场地布置形式同样是影响加热效果的因素。在同样的尺寸和场地布置下，用于加热的高温烟气温度越高，加热效能越高。

本发明具体的正压回热型天然气土壤加热修复方法如下：

步骤1，空气经空气压缩,3加压后输入换热器5中，加压后的空气与进入换热器5中的加热井2尾气进行热量交换；

步骤2，经预热后的空气由换热器5输出并进入引射器4中形成工作流体；

步骤3，工作流体与输入引射器4中的引射流体混合后形成高压高温气体进入燃烧器1中；进一步优选地，经引射器4输出后的混合气体进一步与无压力的自由空气混合，再进入燃烧器1的炉膛内进行燃烧得到高温高压烟气。

步骤4，混合气体在燃烧器1中燃烧后形成高温高压烟气注入加热井2中，高温高压烟气与加热井2周围土壤20进行换热，加热井2尾气排出后输入换热器4中进行换热，如图2所示。

通过传感器检测加热井周围土壤温度、燃烧器出口温度及加热井周围环境中天然气浓度，并输入至控制器中8，控制器8通过PID比例控制方式来控制压缩空气和自由空气的进量。

图1中的换热器将两套加热井中的尾气进行热量回收，当然还可以将更多个加热井的尾气汇合在一起，整个土壤加热修复系统的三个部分相互配合，完成节约能源，提高加热土壤效能的目的。外界空气通过空气压缩机后，压缩空气在换热器内与加热井出口的尾气进行热量交换。预热过的压缩空气通过引射器引射天然气后，充分混合的气体进入燃烧器内正压燃烧，二次自由空气作为补充。燃烧产生的高温高压气体在加热井内自流，与土壤换热。高温的尾气又通过换热器加热压缩空气完成循环。引射器是指利用其喷嘴的形状使工作流体降压加速，产生高速射流，并通过高速流体的湍流扩散作用进行传能传质的抽吸流体、多相混合的设备。本发明中采用引射器的结构包括喷嘴、吸入室、混合室和扩散室。它的优点在于：结构相对简易、噪声低、体积小巧，加工与生产方便，成本低廉，便于维修更换；无机械传动设备，可以降低由于传动部件自身的摩擦力造成的能量损失；结构的密封性能良好，工作效能高，能够在高温高压等极端环境中长期稳定运行。

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 (9)

1.一种正压回热型天然气土壤加热修复系统，包括燃烧器(1)和与所述燃烧器(1)连接的加热井(2)，其特征在于，所述系统还包括空气压缩机(3)、引射器(4)和换热器(5)，所述加热井(2)中排出的尾气和所述空气压缩机(3)中排出的压缩空气分别与所述换热器(5)相连接，经所述换热器(5)进行热量交换后的空气进入所述引射器(4)入口，输入的天然气作为引射流体与所述引射器(4)的引流管路(40)连接，所述引射器(4)的出口与所述燃烧器(1)的进口连接。

2.根据权利要求1所述的正压回热型天然气土壤加热修复系统，其特征在于，所述燃烧器(1)入口与引射器(4)出口之间的连接管路(7)上还设有自由空气控制阀(6)。

3.根据权利要求2所述的正压回热型天然气土壤加热修复系统，其特征在于，所述系统中还设有控制器(8)，所述引射器(4)入口与所述换热器(5)之间的空气输出管路(9)上还设有一压缩空气控制阀(10)，所述控制器(8)分别与所述自由空气控制阀(6)和压缩空气控制阀(10)形成控制连接。

4.根据权利要求3所述的正压回热型天然气土壤加热修复系统，其特征在于，所述系统还设有用于检测土壤(20)温度的第一温度传感器、用于检测所述燃烧器(1)出口温度的第二温度传感器和用于检测所述加热井(2)周围环境中天然气浓度的浓度传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器和浓度传感器分别与所述控制器(8)的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的正压回热型天然气土壤加热修复系统，其特征在于，所述控制器(8)通过PID比例控制方式对所述的自由空气控制阀(6)和压缩空气控制阀(10)进行自动调节。

6.根据权利要求1所述的正压回热型天然气土壤加热修复系统，其特征在于，所述的换热器(5)为间壁式换热器。

7.一种正压回热型天然气土壤加热修复方法，其特征在于，空气经空气压缩机(3)加压后输入换热器(5)中，加压后的空气与进入换热器(5)中的加热井(2)尾气进行热量交换；经预热后的空气由换热器(5)输出并进入引射器(4)中形成工作流体；工作流体与输入引射器(4)中的引射流体混合后形成高压高温气体进入燃烧器(1)中；混合气体在燃烧器(1)中燃烧后形成高温高压烟气注入加热井(2)中，高温高压烟气与加热井(2)周围土壤进行换热，加热井(2)尾气排出后输入换热器(5)中进行换热。

8.根据权利要求7所述的正压回热型天然气土壤加热修复方法，其特征在于，经引射器(4)输出后的混合气体进一步与无压力的自由空气混合，再进入燃烧器(1)的炉膛内进行燃烧得到高温高压烟气。

9.根据权利要求8所述的正压回热型天然气土壤加热修复方法，其特征在于，通过传感器检测加热井(2)周围土壤温度、燃烧器(1)出口温度及加热井(2)周围环境中天然气浓度，并输入至控制器(8)中，控制器(8)通过PID比例控制方式来控制压缩空气和自由空气的进量。