CN112496017B - 一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统及其工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，包括：柱状发热体，加热供能器、地下蒸汽生成管、测温装置、多相抽提井、排液管和真空抽气口；本发明还公开了一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附工艺，该方法通过在特定的条件下，往地下蒸汽生成管加水，高温状态的柱状发热体会将加入的水迅速气化成水蒸气，生成的蒸气将直接进入待修复土壤中；本发明创造性的结合了蒸汽加热修复工艺和原位热脱附工艺，解决了传统蒸汽加热修复过程中，蒸汽温度过低，以及蒸汽在传递的过程中热量损失导致脱附效率低的问题，也解决了传统原位热传导修复过程中，土壤中气体定向流速缓慢的问题。

Description

一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统及其工艺

技术领域

本发明涉及土壤处理技术领域，特别是涉及一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统及其工艺。

背景技术

持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants,POPs)因为具有长期残留、生物蓄积、半挥发和高毒等特性，并能够在大气、水和土壤等环境中长距离迁移，最终通过食物链进入人体，引起了国际社会的广泛关注。研究发现长期慢性暴露POPs可能会导致癌症，损害中枢和外周神经系统，破坏免疫系统，破坏生殖力及影响婴幼儿正常发育；某些持久性有机污染物对人类的影响会持续几代，对人类生存繁衍和可持续发展构成重大威胁。

随着工业化和城镇化快速推进，一些涉及POPs的生产企业关闭或转产。由于生产设备陈旧、工艺落后、厂房简陋以及生产过程中的跑冒滴漏、“三废”排放等不可避免的会导致这些POPs化学品的生产厂址、有毒有害POPs废弃物的堆放地点及周边场地成为POPs污染场地。POPs污染场地的土壤失去了原有的理化及生物特性，对周围环境和人体造成明显的不利影响，必须加以治理才可重新利用。

热脱附技术是一种针对POPs场地污染修复技术已被验证、广泛采用的修复手段。热脱附技术是指向土壤输入热能，加热土壤及地下水，提高目标污染物的蒸气压及溶解度，促进污染物挥发或溶解，并通过土壤气相抽提或多相抽提实现对目标污染物去除的技术。POPs场地污染修复技术根据修复工程的位置可分为原位修复技术和异位修复技术。原位修复是指对污染场地中的污染物就地处置；异位修复是指将土壤挖出后再处理。原位热脱附技术根据加热特点主要可以分为热传导加热、电阻加热、蒸汽加热等。热传导加热指热量通过传导的方式由热源传递到污染区域从而加热地下土壤和地下水的原位热脱附技术。热传导加热可以通过电能等能源直接加热方式对加热井进行加热，也可以通过燃气等能源产生的高温热烟气等介质对加热井进行加热。电阻加热指将电流通过污染区域加热土壤和地下水的原位热脱附技术。电阻加热也称为电流加热等。蒸汽加热通过将高温水蒸汽注入污染区域，加热土壤和地下水的原位热脱附技术。

在传统蒸汽加热修复过程中，一般注入的蒸汽温度难以高于150℃，所以土壤加热的最高温度为100℃。传统蒸汽加热过程，本质上是水蒸气从注入端向抽提端的传质过程，因此不适用于渗透系数较小的区域，且不适用于地层均质性差的污染区域。在污染深度浅及污染范围大时，由于热量损失过大及蒸汽注入压力受限，限制传统蒸汽加热的应用。在蒸汽传递界面前端容易形成NAPL层，导致污染物的竖向迁移。

在传统原位热传导修复过程中，土壤加热温度主要取决于发热体的温度，因此加热的最高温度可以超过到700℃。传统原位热传导过程，本质上是热量从加热端向四周传热的过程，因此土壤(尤其是深层土壤)中，在修复中后期，土壤中土壤气的定向流速非常缓慢，此时污染物的脱附速度也大幅减慢。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：

对于现有技术中的蒸汽加热修复工艺，一般注入的蒸汽温度难以高于150℃，并且不适用于渗透系数较小和地层均质性差的污染区域；对于现有技术中的原位热脱附工艺，在修复中后期，土壤中土壤气的定向流速非常缓慢。

本发明提供了一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统及其工艺，巧妙的解决了上述问题；具体的说，本发明提供的一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，包括：柱状发热体，加热供能器、地下蒸汽生成管、测温装置、多相抽提井、排液管和真空抽气口；

所述柱状发热体竖向设置在待修复土壤一侧处，所述柱状发热体连接有所述加热供能器；靠近所述柱状发热体的一侧处设有地下蒸汽生成管和测温装置；

所述多相抽提井竖向设置在所述待修复土壤另一侧处，所述多相抽提井内部设有排液管，所述多相抽提井的侧壁处设有真空抽气口；

所述待修复土壤表面敷设有阻隔层。

进一步的，所述多相抽提井内部设有潜水泵与潜水泵供能线；所述潜水泵供能线与所述潜水泵连接。

进一步的，当所述加热供能器为燃气燃烧控制器时，所述柱状发热体为高温烟气管；当所述加热供能器为供电控制器时，所述柱状发热体为电热管。

进一步的，当所述潜水泵为电动式潜水泵时，所述潜水泵供能线为供电电缆；当所述潜水泵为气动式潜水泵时，所述潜水泵供能线为供气管线。

进一步的，所述柱状发热体超出所述待修复土壤的部分设有加热供能器；所述多相抽提井超出所述待修复土壤的部分为全封闭结构，并且在其侧壁上设有真空抽气口；所述多相抽提井设于所述待修复土壤中的部分，其井身的结构形式为：花管、割缝管或者开孔管，其长度高于0.5米。

进一步的，所述井身的的四周设有阻挡材料；所述井身和所述阻挡材料，其中至少一种材料为导电材料。

进一步的，所述井身的材质为：不锈钢管或者混凝土管；所述阻挡材料为：金属丝网、导电炭粒、砂砾。

本发明还提供了一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附工艺，包括如下步骤：

步骤S1、在待修复土壤中设置柱状发热体、地下蒸汽生成管、测温装置和多相抽提井；

步骤S2、通过加热供能器对所述柱状发热体进行加热；并且使用多相抽提井抽出挥发的有毒物质和水蒸气；

步骤S3、当待修复土壤中的含水率小于某一特定值并且温度高于某一特定值时，往地下蒸汽生成管加水，高温状态的柱状发热体3会将加入的水迅速气化成水蒸气，生成的蒸气将直接进入待修复土壤中；

步骤S4、使用多相抽提井抽取待修复土壤中的水蒸气。

本发明的有益效果是：

本发明创造性的结合了蒸汽加热修复工艺和原位热脱附工艺，解决了传统蒸汽加热修复过程中，蒸汽温度过低，以及蒸汽在传递的过程中热量损失导致脱附效率低的问题，也解决了传统原位热传导修复过程中，土壤中气体定向流速缓慢的问题；本发明通过在待修复土壤表面敷设阻隔层，阻碍污染物的竖向迁移，增大了多相抽提井的抽提效率。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

附图说明：1-待修复土壤、2-阻隔层、3-柱状发热体、4-加热供能器、5-地下蒸汽生成管、6-测温装置、7-潜水泵供能线、8-排液管、9-真空抽气口、10-多相抽提井、11-潜水泵。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定：本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

实施例1

参见图1，本实施例提供了一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，其特征在于，包括：柱状发热体3，加热供能器4、地下蒸汽生成管5、测温装置6、多相抽提井10、排液管8和真空抽气口9；

柱状发热体3竖向设置在待修复土壤1一侧处，并且超出待修复土壤1，超出待修复土壤1的部分设有加热供能器4。加热供能器4作用在于加热柱状发热体3，加热柱状发热体3一部分设置在待修复土壤1中目的：是在于加热土壤中的土、土壤中的水以及持久性有机污染物。

多相抽提井10竖向设置在待修复土壤1另一侧处，并且超出待修复土壤1，超出待修复土壤1的部分为全封闭结构，并且在其侧壁上设有真空抽气口9，多相抽提井10设于待修复土壤1中的部分，其长度高于0.5米，具体需要多少米，根据需要修复的土壤深度进行确定。受加热的水蒸气以及气态状的持久性有机污染物被多相抽提井10抽出，经过真空抽气口9排放。

其井身的结构形式具有多种选择，可以选择花管、割缝管或者开孔管，具体选用何种结构，视现场情况而定，前提是需要保证井身具有良好的透水性，井身的材质可以选择：不锈钢管或者混凝土管；井身的的四周还设有阻挡材料，阻挡材料可以选择：金属丝网、导电炭粒或者砂砾。

需要注意的是，在具体的实施当中，井身的材质和阻挡材料材质，其中一种至少为可以导电的材料。

多相抽提井10内部设有排液管8，设置排液管8的目的：通过排液管8排出土壤中的水分。多相抽提井10内部还设有潜水泵11与潜水泵11供能线7，潜水泵11供能线7与潜水泵11连接，设置潜水泵11和供能线7的目的：当修复土壤1的深度较深时，地层中含水率高甚至有地下暗流的情况时，潜水泵11和供能线7可以起到一个比较好的抽水效果。

在柱状发热体3和多相抽提井10之间且靠近柱状发热体3的一侧处设有地下蒸汽生成管5和测温装置6；往地下蒸汽生成管5加水，高温状态的柱状发热体3会将加入的水迅速蒸发成水蒸气，生成的蒸气将直接进入待修复土壤1中，测温装置6用于监控整个工艺流程的温度。待修复土壤1表面敷设有阻隔层2，阻隔层2起到阻挡水和气体的作用。

具体的说，加热供能器4在实施当中可以选择燃气燃烧控制器或者供电控制器，更具体的，当加热供能器4为燃气燃烧控制器时，柱状发热体3选择为高温烟气管；当加热供能器4为供电控制器时，柱状发热体3选择为电热管；具体选择何种，视现场情况而定。

具体的说，潜水泵11在实施当中可以选择为电动式潜水泵11或者气动式潜水泵11，更具体的，当潜水泵11选择为电动式潜水泵11时，潜水泵11供能线7选择为供电电缆；当潜水泵11选择为气动式潜水泵11时，潜水泵11供能线7选择为供气管线。

本发明还提供了一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附工艺，包括如下步骤：

步骤S1、在待修复土壤1中设置柱状发热体3、地下蒸汽生成管5、测温装置6和多相抽提井10。

步骤S2、此时为原位热脱附工艺的前期，待修复土壤1中含有较高的土壤水，通过加热供能器4对柱状发热体进行加热；柱状发热体对待修复土壤1进行加热，对土壤中的水进行加热；在使用多相抽提井10抽出挥发的有毒物质和水蒸气。

步骤S3、当待修复土壤1中的含水率小于某一特定值并且温度高于某一特定值时，此时为原位热脱附工艺的后期，此时采用蒸汽加热修复工艺，也即是通过向地下蒸汽生成管5加水；此时，高温状态的柱状发热体3会将加入的水迅速气化成水蒸气；具体的说，上述两个特定值需要根据待修复土壤1的深度，范围、土壤的种类、渗透系数、孔隙半径以及含水量等多种因素进行综合判断进行决定。

步骤S4、使用多相抽提井10抽取待修复土壤1中的水蒸气，此时因为经过步骤S2中的原位热脱附工艺的处理，土壤中的整体含水率都很低，土壤的气流压相对于最初状态大大降低，高温水蒸气会高速通过修复区域深层土壤进入多相抽提井10，此过程会极大的增加污染物脱附速度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，其特征在于，包括：

柱状发热体，加热供能器、地下蒸汽生成管、测温装置、多相抽提井、排液管和真空抽气口；

所述柱状发热体竖向设置在待修复土壤一侧处，所述柱状发热体连接有所述加热供能器；靠近所述柱状发热体的一侧处设有地下蒸汽生成管和测温装置；

所述多相抽提井竖向设置在所述待修复土壤另一侧处，所述多相抽提井内部设有排液管，所述多相抽提井的侧壁处设有真空抽气口；

所述待修复土壤表面敷设有阻隔层；

其中，当处于原位热脱附工艺的前期，待修复土壤中含有较高的土壤水，通过加热供能器对柱状发热体进行加热；柱状发热体对待修复土壤进行加热，对土壤中的水进行加热；再使用多相抽提井抽出挥发的有毒物质和水蒸气；

当待修复土壤中的含水率小于某一特定值并且温度高于某一特定值时，此时为原位热脱附工艺的后期，此时采用蒸汽加热修复工艺，也即是通过向地下蒸汽生成管加水；此时，高温状态的柱状发热体会将加入的水迅速气化成水蒸气。

2.根据权利要求1所述的一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，其特征在于：所述多相抽提井内部设有潜水泵与潜水泵供能线；所述潜水泵供能线与所述潜水泵连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，其特征在于：

当所述加热供能器为燃气燃烧控制器时，所述柱状发热体为高温烟气管；

当所述加热供能器为供电控制器时，所述柱状发热体为电热管。

4.根据权利要求2所述的一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，其特征在于：

当所述潜水泵为电动式潜水泵时，所述潜水泵供能线为供电电缆；

当所述潜水泵为气动式潜水泵时，所述潜水泵供能线为供气管线。

5.根据权利要求1所述的一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，其特征在于：所述柱状发热体超出所述待修复土壤的部分设有加热供能器；

所述多相抽提井超出所述待修复土壤的部分为全封闭结构，并且在其侧壁上设有真空抽气口；

所述多相抽提井设于所述待修复土壤中的部分，其井身的结构形式为：花管、割缝管或者开孔管，其长度高于0.5米。

6.根据权利要求5所述的一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，其特征在于：

所述井身的的四周设有阻挡材料；

所述井身和所述阻挡材料，其中至少一种材料为导电材料。

7.根据权利要求6所述的一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统，其特征在于：

所述井身的材质为：不锈钢管或者混凝土管；

所述阻挡材料为：金属丝网、导电炭粒或砂砾。

8.采用权利要求1-7任意一项权利要求所述的一种基于蒸汽强化的原位热传导脱附系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、在待修复土壤中设置柱状发热体、地下蒸汽生成管、测温装置和多相抽提井；

步骤S2、通过加热供能器对所述柱状发热体进行加热；并且使用多相抽提井抽出挥发的有毒物质和水蒸气；

步骤S3、当待修复土壤中的含水率小于某一特定值并且温度高于某一特定值时，往地下蒸汽生成管加水；高温状态的柱状发热体会将加入的水迅速气化成水蒸气，生成的蒸气将直接进入待修复土壤中；

步骤S4、使用多相抽提井抽取待修复土壤中的水蒸气；

其中，在步骤S3中，两个特征值，其根据修复土壤的深度，范围、土壤的种类、渗透系数、孔隙半径以及含水量进行综合判断进行决定。

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