CN110996417A - 原位热脱附集成加热装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原位热脱附集成加热装置和方法,其包括底端密封的金属套管和置于金属套管内的加热棒,所述金属套管能够通过ERH电缆连接至电源,所述加热棒能够通过TCH电缆连接至电源。本发明实现了ERH与TCH加热工艺的集成,在一个加热井内可实现两种加热工艺;两种加热方式联用,既避免了单一使用ERH不能达到去除效率,又避免了单一使用TCH能耗过高的问题;从总体上缩短了加热周期,提高到了加热效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种原位热脱附加热装置和方法。
背景技术
电阻加热(ERH)和热传导加热(TCH)是原位热脱附技术的两种重要方式。ERH是依靠电流在电极之间流动,以土壤本身的电阻产生焦耳热来加热土壤,加热方式以土壤“自发热”为主,热传导为辅,可允许高功率输入,整体升温速度更快,加热区域升温效果更加均匀同步;而TCH则是依靠加热元件发热,产生温度梯度,主要依靠热传导加热周边土壤,可允许最高输入功率相对较低,整体升温速度较慢,加热区域温度差异较大;
从加热温度来看,ERH的最高加热温度为100-120℃,TCH的最高加热温度可达300-500℃甚至更高;因此,ERH适合处理沸点较低的挥发性有机污染物(VOCs),而TCH不仅可处理VOCs,还可处理沸点更高的半挥发性有机污染物(SVOCs)和多氯联苯(PCBs)等。
从土壤含水率对加热效果的影响来看,对于ERH,由于土壤中电流传导需要保持一定的土壤含水率以保证电路通畅,如土壤含水率过低,需要加水进行土壤水分调节;对于TCH,由于水的比热远大于土壤,土壤含水率过高,会造成过多不必要能源的浪费,土壤含水率越低越好。
实际场地污染治理过程中,由于水文地质的复杂性和污染物种类的多样性,应用单一的原位热脱附技术很难达到理想的修复效果,造成修复效率过低或能耗过高等问题。因此,急需开发一种更加高效节能的原位热脱附装置。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种原位热脱附集成加热装置和方法,将电阻加热(ERH)和热传导加热(TCH)的优点集于一身,并弥补各自的缺失与不足。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种原位热脱附集成加热装置,其特征在于:包括底端密封的金属套管和置于金属套管内的加热棒,所述金属套管能够通过ERH电缆连接至电源,所述加热棒能够通过TCH电缆连接至电源。
所述的原位热脱附集成加热装置,其中:所述TCH电缆以及ERH电缆通过切换开关与所述电源形成切换连通。
所述的原位热脱附集成加热装置,其中:所述电源为三相四线交流电的其中一相。
所述的原位热脱附集成加热装置,其中:所述加热棒由密闭防水的金属管和置于金属管内的电阻丝组成,电阻丝的一端从金属管引出并连接所述TCH电缆,另一端导电连接所述金属管。
所述的原位热脱附集成加热装置,其中:所述加热棒与金属套管之间的空隙由一个或多个固定器填充。
所述的原位热脱附集成加热装置,其中:一个金属套管中置入有多个加热棒,相邻的加热棒之间以空心的连接杆进行连接,相邻的加热棒之间以穿过连接杆内部的电线相接而形成串联和/或并联。
所述的原位热脱附集成加热装置,其中:所述金属套管的顶部设有能够拆卸的法兰盖,使所述加热棒能够从金属套管中拔出。
一种原位热脱附集成加热方法,使用前述原位热脱附集成加热装置,其特征在于:
加热起始阶段,土壤含水率相对较高,金属套管通过ERH电缆连接至电源,金属套管作为电极使用,采用ERH方式加热土壤;
加热后期,土壤含水率相对较低,加热棒通过TCH电缆连接至电源,开启TCH加热模式。
一种原位热脱附集成加热方法,使用前述原位热脱附集成加热装置,其特征在于:
对于焦化类污染场地,根据SVOCs主要聚集于浅层的分布特点,加热棒安装在金属套管的上部,并先使金属套管通过ERH电缆连接至电源,采用ERH加热模式,对污染场地的深层和表层的苯系物予以去除,并降低表层土壤的含水率;再使加热棒通过TCH电缆连接至电源,采用TCH加热模式去除表层的SOVCs。
一种原位热脱附集成加热方法,使用前述原位热脱附集成加热装置,其特征在于:
对于分别在粘土层和基岩层裂隙形成了DNAPL区域的污染场地,加热棒安装在金属套管对应于所述基岩层高度的位置,并先使金属套管通过ERH电缆连接至电源,采用ERH加热模式对粘土层进行有效加热;再使加热棒通过TCH电缆连接至电源,采用TCH加热模式对基岩层进行加热。
由此可见,本发明所带来的有益效果是:
(1)实现了ERH与TCH加热工艺的集成,在一个加热井内可实现两种加热工艺;
(2)加热起始阶段,土壤含水率相对较高,有利于采用“低电压高电流”的ERH运行模式,维持较高的输入功率,使土壤快速升温,缩短加热时间,降低热损失;此阶段可以达到去除VOCs目的;
(3)加热后期,特别是对于包气带,土壤含水率降低至某一水平,为保证电路通畅,如继续使用ERH工艺,需要频繁为电极加水,加热这些外加的水分,会导致总体加热能耗的增加;此时,开启TCH加热模式,土壤含水率低,有利于土壤的升温和热场的扩大,缩短加热时间,此阶段可达到去除SVOCs的目的;
(4)两种加热方式联用,既避免了单一使用ERH不能达到去除效率,又避免了单一使用TCH能耗过高的问题;从总体上缩短了加热周期,提高到了加热效率。
(5)此外,加热棒与金属套管的安装为“拔插式”,方便对其检修、回收和再利用;优选地,加热棒制作为“标件”,以便于根据不同的处理深度需要进行组合;
(6)加热棒与加热棒之间能够“拼接”,而且加热棒的表面温度可通过电阻丝的疏密进行调节;因此,便于实现根据地层分布不同沸点污染物设置不同的加热温度,进行“精准加热”,以进一步降低加热能耗。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是本发明的另一实施例的整体结构示意图;
图3是连接杆的结构示意图;
图4是法兰盖上的电缆穿孔设置示意图;
图5、图6是本发明两个应用实例的示意图(粗箭头表示TCH加热,断点细箭头表示ERH加热)。
具体实施方式
以下将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解,这些附图未必是按真实比例绘制的。
如图1所示,是本发明提出的一种高效节能的原位热脱附集成加热装置,包括底端密封的金属套管1和同轴置于金属套管1中央的加热棒2,所述加热棒2与金属套管1之间的空隙由一个或多个固定器3填充,以固定加热棒2的位置,并确保其位于金属套管1的中央;
所述加热棒2由一个密闭防水的金属管21和置于金属管21内的电阻丝22(线圈形式)组成,电阻丝22的一端从金属管21的顶部引出并连接TCH电缆41,另一端导电连接所述金属管21;
金属套管1的顶端为法兰盘,法兰盘上设有两个电缆穿孔11(图4),所述TCH电缆41从其中一个电缆穿孔11穿出,还有一根ERH电缆42从另一个电缆穿孔11中穿入并与所述金属套管1导电连接,所述TCH电缆41以及ERH电缆42通过切换开关5与电源形成切换连通;优选的情况下,所述电源为三相四线交流电的其中一相。
当切换开关5与TCH电缆41接通时,加热棒2中的电阻丝22开始制热,可实现TCH加热功能,将土壤加热到更高温度,以达到去除高沸点SVOCs的目的;当切换开关5与金属套管1接通时,相邻的金属套管1之间可实现ERH加热功能,将土壤加热至100℃以内,以达到去除VOCs的目的。
其中,加热棒2的加热功率可通过电阻丝22的疏密(线圈的圈数)来调节,电阻丝22越紧密,加热棒2的加热功率越大,在相同电压下,加热棒2对应区域的金属套管1表面温度越高,反之亦然;
如图2所示,一个金属套管1中可以置入多个加热棒2,相邻的加热棒2之间以空心的连接杆7进行连接,连接杆7两端设有外螺纹(见图3),能够与加热棒2端部的内螺纹对应结合,方便连接和拆卸;电阻丝22穿过所述连接杆7,能够实现相邻的加热棒2之间的串联和/或并联;采用多个加热棒2的串并联结构,可根据不同沸点污染物的地层分布特点,在金属套管1内安装相应规格的加热棒2,从而实现对不同地层、不同沸点污染物的“精准加热”,以提高加热效率。
使用完毕的加热棒2可从金属套管1中拔出,以方便加热棒2的安装和回收;加热棒2的外壳和电阻丝22为贵重合金,回收价值高,而金属套管1选用普通碳管即可,回收价值低,无需回收。
应用实例1(污染物多样的情形)
对于焦化类污染场地,典型污染是多环芳烃(PAHs)和苯系物(BTEX),多环芳烃属于SVOCs,沸点高,由于分子量较大,容易被土壤颗粒吸附,主要集中分布在表层,土壤含水率相对较低;而苯系物大多属于VOCs,分子量相对较小,容易迁移,大多集中是深层,土壤含水率相对较高。
因此,在修复过程中,针对污染物的分布特点,如图5所示,加热棒2安装在金属套管1的上部,可先采用ERH加热工艺,对深层和表层的苯系物使用ERH工艺进行去除,同时还可降低表层土壤的含水率;之后,再使用TCH工艺,进一步去除表层的SOVCs;从而达到节能高效快速修复的目的。
应用实例2(水文地质复杂情形)
某场地存在三氯乙烷泄漏,并在分别在粘土层和基岩层裂隙形成了明显的DNAPL(Dense Non Aqueous Phase Liquid,重质非水相液体)区域;尽管ERH能够对粘土层进行有效加热,但对于基岩层,由于基岩的孔隙度低和导电性差,ERH很难对基岩层进行加热。
因此,在修复过程中,针对污染物的分布特点,如图6所示,可分别采用ERH和TCH对粘土层、基岩层进行有效加热,以有效去除DNAPL。
由此可见,本发明所带来的有益效果是:
(1)实现了ERH与TCH加热工艺的集成,在一个加热井内可实现两种加热工艺;
(2)加热起始阶段,土壤含水率相对较高,有利于电极向土壤中输入高电流,维持较高的输入功率,使土壤能耗快速升温,缩短加热时间,降低热损失;此阶段可以达到去除VOCs目的;
(3)加热后期,特别是对于包气带,土壤含水率降低至某一水平,为保证电路通畅,如继续使用ERH工艺,需要频繁为电极加水,加热这些外加的水分,会导致总体加热能耗的增加;此时,开启TCH加热模式,土壤含水率低,有利于土壤的升温和热场的扩大,缩短加热时间,此阶段可达到去除SVOCs的目的;
(4)两种加热方式联用,既避免了单一使用ERH不能达到去除效率,又避免了单一使用TCH能耗过高问题;从总体上缩短了加热周期,提高到了加热效率。
(5)此外,加热棒2与金属套管1的安装为“拔插式”,方便对其检修、回收和再利用;加热棒2容易制作为“标件”,便于根据需要进行组合;
(6)加热棒2与加热棒2之间能够“拼接”,而且加热棒2的表面温度可根据电阻丝22的疏密进行调节;因此,便于实现根据地层分布不同沸点污染物设置不同的加热温度,进行“精准加热”,以进一步降低加热能耗。
以上说明对本发明而言只是说明性的,而非限制性的,本领域普通技术人员理解,在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下,可作出许多修改、变化或等效,但都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种原位热脱附集成加热装置,其特征在于:包括底端密封的金属套管和置于金属套管内的加热棒,所述金属套管能够通过ERH电缆连接至电源,所述加热棒能够通过TCH电缆连接至电源。
2.根据权利要求1所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:所述TCH电缆以及ERH电缆通过切换开关与所述电源形成切换连通。
3.根据权利要求1所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:所述电源为三相四线交流电的其中一相。
4.根据权利要求1所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:所述加热棒由密闭防水的金属管和置于金属管内的电阻丝组成,电阻丝的一端从金属管引出并连接所述TCH电缆,另一端导电连接所述金属管。
5.根据权利要求1所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:所述加热棒与金属套管之间的空隙由一个或多个固定器填充。
6.根据权利要求1所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:一个金属套管中置入有多个加热棒,相邻的加热棒之间以空心的连接杆进行连接,相邻的加热棒之间以穿过连接杆内部的电线相接而形成串联和/或并联。
7.根据权利要求1所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:所述金属套管的顶部设有能够拆卸的法兰盖,使所述加热棒能够从金属套管中拔出。
8.一种原位热脱附集成加热方法,使用如权利要求1-7中任一项所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:
加热起始阶段,土壤含水率相对较高,金属套管通过ERH电缆连接至电源,金属套管作为电极使用,采用ERH方式加热土壤;
加热后期,土壤含水率相对较低,加热棒通过TCH电缆连接至电源,开启TCH加热模式。
9.一种原位热脱附集成加热方法,使用如权利要求1-7中任一项所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:
对于焦化类污染场地,根据SVOCs主要聚集于浅层的分布特点,加热棒安装在金属套管的上部,并先使金属套管通过ERH电缆连接至电源,采用ERH加热模式,对污染场地的深层和表层的苯系物予以去除,并降低表层土壤的含水率;再使加热棒通过TCH电缆连接至电源,采用TCH加热模式去除表层的SOVCs。
10.一种原位热脱附集成加热方法,使用如权利要求1-7中任一项所述的原位热脱附集成加热装置,其特征在于:
对于分别在粘土层和基岩层裂隙形成了DNAPL区域的污染场地,加热棒安装在金属套管对应于所述基岩层高度的位置,并先使金属套管通过ERH电缆连接至电源,采用ERH加热模式对粘土层进行有效加热;再使加热棒通过TCH电缆连接至电源,采用TCH加热模式对基岩层进行加热。
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