CN111940482B - 原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法：测量所述加热井不同深度位置的实时土壤温度为T_tn，测量所述烟气中氧气、一氧化碳、甲烷的实时浓度分别为C_O2、C_CO、C_CH4；把T_sn和T_tn引入PID控制器a计算天然气流量u，把C^′ _O2、C^′ _CO、C^′ _CH4和C_O2、C_CO、C_CH4引入PID控制器b计算天然气流量v，把u和v引入运算器计算最终天然气流量Q和空气流量Q_k，用Q来控制天然气调节阀的开度，用Q_k来控制空气调节阀的开度，实现对空燃比的控制。本发明具有可自动化调节热脱附燃烧器空燃比，能源利用效率高，维持场地温度均衡等优点，解决了现有原位燃气热脱附系统存在能源利用效率不高，温度控制效果不强等问题。

Description

原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，公开了一种原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法。

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。

原位热脱附技术是通过原地加热地下污染区域，提高土壤和地下水温度，促使有机污染物溶解、挥发，经收集捕获后进行净化处理的一种有机污染场地原位修复工艺。具有适用范围广、修复效果好、速度快、二次污染可控、可用于深层修复等突出优点。该技术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。燃气传导加热技术以天然气或燃油为燃料提供热源，通过热传导加热目标治理区域，同时通过动力控制，形成负压抽提地下蒸汽。因其适用性强，工程周期短，使用清洁能源等突出特点，具有较好的市场应用前景，是原位热脱技术中采用的主流方式。

但目前燃气加热的方式存在能源利用效率低、温度控制效果不强、运行控制粗放的缺陷。修复过程中没有根据实际修复情况对系统进行调节，燃气和空气流量及其配比的不确定性，导致烟气温度波动或造成大量系统热损失，不利于修复过程的效果控制和节能环保。

发明内容

本发明针对现有原位热脱附设备燃烧器能源利用效率不高的缺点，提供了一种原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法，包括以下步骤：

测量不同深度位置的实时土壤温度T_tn；

测量烟气实时氧气浓度C_O2、一氧化碳浓度C_CO、甲烷浓度浓度C_CH4；

把T_tn和不同深度土壤温度的设定值T_sn引入PID控制器a，通过PID算法得到某加热井的天然气流量u；

把C′_O2、C′_CO、C′_CH4和C_O2、C_CO、C_CH4引入PID控制器b，通过PID算法得到某加热井的天然气流量v；

把u和v引入运算器，通过算法得到某加热井的最终天然气流量Q和空气流量Q_k；

把Q引入天然气调节阀控制器中，来控制某加热井天然气调节阀的开度，把Q_k引入空气调节阀控制器中，来控制某加热井空气调节阀的开度；

进一步地，所述实时土壤温度在加热井井壁每隔一定距离检测一次，所述一定距离为1.5～2.5米。

进一步地，PID控制器a通过如下计算公式得到某加热井不同深度位置的天然气流量u_n，

其中：e_n＝T_sn-T_tn，即某加热井不同深度的实测土壤温度与设定温度的偏差；K_Pn、T_In、T_Dn分别为所述PID控制器a的比例增益、积分时间常数和微分时间常数，τ为时间，n表示某加热井的不同深度位置；

换算得到加热井不同深度位置的天然气流量，分别为u₁、u₂···u_n，可综合计算得到某加热井的天然气流量值u，

分别表示在天然气流量计算中不同深度土壤温度的影响程度；

进一步地，PID控制器b通过如下计算公式得到烟气中不同组分浓度影响下的天然气流量v_n，

其中，s₁＝C′_O2-C_O2，s₂＝C′_CO-C_CO，s₃＝C′_CH4-C_CH4，v₁、v₂、v₃分别为氧气、一氧化碳、甲烷三个不同组分浓度影响下的天然气流量；

通过计算得到天然气流量值v，

分别表示在天然气流量计算中不同气体的影响程度；

进一步地，运算器通过如下公式得到最终天然气流量值Q，

Q＝au+bv

其中a+b＝1；

式中：a、b分别表示在天然气流量计算中土壤温度和烟气组分的影响程度；

运算器通过如下公式得到空气流量值Q_k。

Q_k＝Q*K_q

本发明实现了自动化调节空燃比工作，维持场地温度均衡，可以提高能源利用效率。

本发明与传统原位热脱附系统相比有如下优点：

本发明达到了自动化调节空燃比工作，维持场地温度均衡，可以提高能源利用效率。系统自动化程度高，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-流量调节系统将热电偶所测得温度与设定温度进行比较，通过改变空气流量和天然气流量使特定加热井土壤特定深度的温度稳定于设定温度，降低烟气中氧气含量、一氧化碳含量和甲烷含量促进天然气完全燃烧提升能源利用效率。

附图说明

图1是原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法。

图2是本发明一实施例的基于空燃比调节的污染场地原位燃气热脱附修复系统。

附图标记说明

1-燃烧器

2-加热井

3-温度数据收集结构

4-控制系统

5-烟气检测系统

6-天然气控制阀

7-空气控制阀

8-抽提井

9-烟气出口

10-尾气处理单元

11-混合室

具体实施方式

参照图1、图2与具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

如图所示，本实施例所公开的基于空燃比调节的污染场地原位燃气热脱附修复系统，包括燃烧器1、加热井2、抽提井8、温度数据收集结构3、控制系统4及烟气检测系统5，若干个加热井2配一个抽提井8，燃烧器1设置于加热井2的上端开口位置，燃烧器1所产生的高温烟气进入加热井2中，给土壤进行加热。

控制系统4设置于燃烧器1和混合室11顶部，混合室上连通有空气控制阀7和天然气控制阀6，控制系统分别与空气控制阀和天然气控制阀之间形成控制连接。天然气控制阀6和空气控制阀7分别调节天然气流量和空气流量，天然气和空气在混合室11中混合，在燃烧器中燃烧产生高温烟气，高温烟气流经加热井通过热传导对土壤进行加热。温度数据收集结构3采用热电偶传感器检测加热井2土壤温度。

本发明的原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法，选取所述单个加热井作为一个控制区，其期望空燃比K_q，不同深度位置的土壤温度设定值为T_sn，烟气中氧气、一氧化碳、甲烷的浓度设定值分别为C′_O2、C′_CO、C′_CH4，设置单位控制时间区间为τ；

其具体包括以下步骤：

测量不同深度位置的实时土壤温度T_tn；

测量烟气实时氧气浓度C_O2、一氧化碳浓度C_CO、甲烷浓度浓度C_CH4；

把T_tn和修复方案中不同深度土壤温度的设定值T_sn引入PID控制器a，通过PID算法得到某加热井的天然气流量u；

把C′_O2、C′_CO、C′_CH4和C_O2、C_CO、C_CH4引入PID控制器b，通过PID算法得到某加热井的天然气流量v；

把u和v引入运算器，通过算法得到某加热井的最终天然气流量Q和空气流量Q_k；

用Q来控制天然气调节阀的开度，用Q_k来控制空气调节阀的开度，实现对空燃比的控制。

进一步地，所述实时土壤温度在加热井井壁每隔一定距离检测一次，所述一定距离为1.5～2.5米。

进一步地，天然气调节阀和空气调节阀，PID控制器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。

进一步地，检测得到的氧气、一氧化碳、天然气含量传输PID控制器，可通过PID控制算法依据各气体含量监测值与设定值的偏差进行控制，向天然气调节阀和空气调节阀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。

进一步地PID控制器a中不同深度的温度设定值依据土壤污染的污染物类型和浓度、土壤修复进程及环境条件确定。

进一步地，PID控制器b中，甲烷质量分数的设定值为0.2％～0.4％，氧气的设定值为0.2％～0.8％，一氧化碳的设定值为0.2％～0.3％。

进一步地，根据所述实时土壤温度T_tn与修复方案中不同深度土壤温度的设定值T_sn进行比较，PID控制器a通过如下公式换算得到某加热井不同深度位置的天然气流量u_n，

其中：e_n＝T_sn-T_tn，即某加热井不同深度的实测土壤温度与设定温度的偏差；K_Pn、T_In、T_Dn分别为所述PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数，τ为时间，n表示某加热井的不同深度位置。

换算得到加热井不同深度位置的天然气流量，分别为u₁、u₂···u_n，可综合计算得到某加热井的天然气流量值u，

分别表示在天然气流量计算中不同深度土壤温度的影响程度，根据土壤质地、加热井材质、加热井形式、加热工期等参数选取。

根据所述烟气中实时氧气浓度C_O2、一氧化碳浓度C_CO、甲烷浓度浓度C_CH4，与浓度设定值C′_O2、C′_CO、C′_CH4进行比较，PID控制器通过如下计算公式分别换算得到烟气中不同组分浓度影响下的天然气流量v_n，

其中，s₁＝C′_O2-C_O2，s₂＝C′_CO-C_CO，s₃＝C′_CH4-C_CH4，v₁、v₂、v₃分别为氧气、一氧化碳、甲烷三个不同组分浓度影响下的天然气流量。

通过综合计算得到天然气流量值v，

分别表示在天然气流量计算中不同气体的影响程度，根据现场调试选取参数。

运算器通过如下公式得到最终天然气流量值Q，

Q＝au+bv

其中a+b＝1，

式中：a、b分别表示在天然气流量计算中土壤温度和烟气组分的影响程度，根据加热工期等参数可以在0～1之间选取。

运算器通过如下公式得到空气流量值Q_k。

Q_k＝Q*K_q

进一步地，把Q引入天然气调节阀控制器中，来控制某加热井天然气调节阀的开度，把Q_k引入空气调节阀控制器中，来控制某加热井空气调节阀的开度。

Claims (2)

1.一种原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法，包括以下步骤：

测量某加热井不同深度位置的实时土壤温度T_tn；

测量烟气实时氧气浓度C_O2、一氧化碳浓度C_CO、甲烷浓度浓度C_CH4；

把T_tn和不同深度土壤温度的设定值T_sn引入PID控制器a，通过PID算法得到某加热井的天然气流量u；

把浓度设定值C′_O2、C′_CO、C′_CH4和实时浓度值C_O2、C_CO、C_CH4引入PID控制器b，通过PID算法得到某加热井的天然气流量v；

把u和v引入运算器，得到某加热井的最终天然气流量Q和空气流量Q_k；

把Q引入天然气调节阀控制器中，控制某加热井天然气调节阀的开度，把Q_k引入空气调节阀控制器中，控制某加热井空气调节阀的开度；

PID控制器a通过如下计算公式得到某加热井不同深度位置的天然气流量u_n，

其中：e_n＝T_sn-T_tn，即某加热井不同深度的实测土壤温度与设定温度的偏差；K_Pn、T_In、T_Dn分别为所述PID控制器a的比例增益、积分时间常数和微分时间常数，τ为时间，n表示某加热井的不同深度位置；

换算得到加热井不同深度位置的天然气流量，综合计算得到某加热井的天然气流量值u，

分别表示在天然气流量计算中不同深度土壤温度的影响程度；

PID控制器b通过如下计算公式得到烟气中不同组分浓度影响下的天然气流量v_n，

其中，s₁＝C′_O2-C_O2，s₂＝C′_CO-C_CO，s₃＝C′_CH4-C_CH4，v₁、v₂、v₃分别为氧气、一氧化碳、甲烷三个不同组分浓度影响下的天然气流量；

通过计算得到天然气流量值v， 分别表示在天然气流量计算中不同气体的影响程度；

PID控制器a中不同深度的温度设定值依据土壤污染的污染物类型和浓度、土壤修复进程及环境条件确定，PID控制器b中，甲烷质量分数的设定值为0.2％～0.4％，氧气的设定值为0.2％～0.8％，一氧化碳的设定值为0.2％～0.3％；运算器通过如下公式得到最终天然气流量值Q，

Q＝au+bv

其中a+b＝1；

式中：a、b分别表示在天然气流量计算中土壤温度和烟气组分的影响程度；

运算器通过如下公式得到空气流量值Q_k，

Q_k＝Q*K_q。

2.根据权利要求1所述的原位燃气热脱附修复污染土壤的空燃比控制方法，其特征在于，所述实时土壤温度在加热井井壁每隔一定距离检测一次，所述一定距离为1.5～2.5米。