CN114811980A - 一种土壤原位热修复热泵废热回收利用系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤原位热修复热泵废热回收利用系统和方法。本发明将修复场地分为不同区域，先将部分污染区域污染物去除，而后将废弃加热井改造为地热井，采用套管式地埋管换热器提取修复完成场地中的余热资源，并采用热泵对热量进行进一步的提升，将废热代替传统的燃气燃烧或电能对其他区域土壤修复场地进行预热。同时，合理利用加热土壤水分和污染物产生的蒸汽余热，通过间接换热将能量蓄存在储热材料中，作为热能输送到未修复的场地中。“一井多用”使用热泵代替部分化石燃料的燃烧或电能的消耗，提高了能量利用率，避免了大量“废热”散失。“分阶段加热”，实现了精准用热，降低了土壤原位热修复过程的运行费用。
Description
技术领域
本发明涉及资源环境技术领域，尤其涉及一种土壤原位热修复热泵废热回收利用系统和方法。
背景技术
现阶段我国城市地区部分重污染的化工、制造产业搬迁、停产，在经济发达、人口密集的城市和周边地区留下了大量的有机污染土壤。土壤原位热脱附技术由于处理周期短、效率高(去除率可达90％以上)、无二次污染、对有机污染物类型及浓度适应性强，且修复期间对周边居民影响较小，在土壤污染修复领域发挥了不可替代的作用。
热脱附技术需要在土壤中输入热能(通常来自化石燃料或电能)，使土壤中赋存的有机污染物在高温下转化为气态，通过抽提井收集并进一步处理。对于常见挥发性、半挥发性有机污染物，通常需要将土壤加热到100～120℃；对于少部分难挥发有机污染物，处理温度可达300～800℃以上。根据我国某焦化厂土壤修复案例，每吨土壤消耗天然气35～38m3，或电力34.1～40.8kW h，而修复面积可达几百甚至上千平方米，修复工程所需能耗巨大。
一方面，挥发出的气态有机污染物及在加热过程中土壤水分蒸发产生的大量水蒸气，带来大量能量流失。冷凝高温尾气也引入大量额外的能耗。另一方面，随着热修复的进行，土壤中的污染物逐渐被脱除，而加热井变为无利用价值的废井；由于土壤具有较高比热容，热脱附完成的土壤区域维持较高温度数日甚至数月。这不仅在能量上是一种浪费，还会引发热“污染”，不利于该区域后续利用及生态环境的恢复。亟需采取适当的处理方式，提取修复完成土壤中的丰富的废热，减少热修复输入能耗以及修复完成后对环境造成的热影响。
现有技术中的热修复系统缺少对余热尤其是热脱附完成后土壤中废热进行合理利用，造成能源浪费。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种土壤原位热修复热泵废热回收利用系统。将修复场地分为不同区域，利用燃气或电能作为能量输入，将部分污染区域污染物去除，而后将废弃井改造为地热井，采用套管式地埋管换热器提取修复完成场地中的余热资源，并采用热泵对热量进行进一步的提升，将土壤“废热”代替传统的燃气燃烧或电能对其他区域土壤修复场地进行加热。同时，合理利用加热土壤水分和污染物产生的蒸汽余热，通过间接换热将能量蓄存在储热材料中，作为热能输送到未修复的场地中。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种土壤原位热修复热泵废热回收利用系统，其包括废热回收循环、储热装置、热泵循环、原位热修复子系统、气体处理子系统；
所述废热回收循环包括通过管路顺次连接构成循环的第一分水器、地热井、第一集水器、热交换器；所述废热回收循环的管路上设置有循环泵；其中，第一分水器将连接热交换器出口的干路分为若干支路，每条支路连接一个地热井、各地热井的出口通过支路连接到第一集水器，由第一集水器将支路合并为干路再连接热交换器入口；
所述热泵循环包括通过管路顺次连接构成循环的蒸发器、压缩机、电子膨胀阀、冷凝器；蒸发器通过换热管路与储热设备相连，换热管路中的工质将储热设备储存的热量传递给蒸发器，热泵循环内的液态制冷剂经蒸发器吸热成饱和或过热的制冷剂蒸汽，压缩机将来自蒸发器的制冷剂蒸汽压缩到冷凝压力，高温高压制冷剂蒸汽输送至冷凝器中进行换热，换热后的制冷剂进入电子膨胀阀节流至蒸发压力并回到蒸发器；
所述原位热修复子系统包括补充热源，以及通过管路顺次连接并与所述的冷凝器构成原位热修复循环的第二分水器、加热井、第二集水器；所述原位热修复循环的管路上设置有工质泵，原位热修复循环与热泵循环在冷凝器中换热；其中，第二分水器将冷凝器出口的干路分为若干支路，每条支路连接一个加热井、各加热井的出口通过支路连接到第二集水器，由第二集水器合并为干路再连接冷凝器；补充热源与各加热井连接补充热量；
所述气体处理子系统包括抽提井、蒸汽换热器和气体处理装置，抽提井收集逸散出来的有机污染物及土壤中的水蒸气，收集的气体进入蒸汽换热器降温后送入气体处理装置；
所述的储热装置分别与所述的热交换器、蒸汽换热器通过换热管路相连，由换热管路内的循环工质从热交换器、蒸汽换热器获取热量，热量在储热装置中存储。
作为本发明的优选方案，所述的地热井为土壤原位热修复后的加热井，地热井和加热井均布设有换热套管，地热井利用套管获取热量，加热井利用套管进行加热。
作为本发明的优选方案，所述套管包括换热管、套设在换热管内的绝热管，换热管与绝热管底端连通。
作为本发明的优选方案，外管与土壤间的空隙用高导热系数回填材料密实填充。
作为本发明的优选方案，所述废热回收循环和原位热修复循环上均设置有测温计用于检测干管处流体进出口温度，均设置有超声波热量表测量流量及显示流体吸收的热能。
作为本发明的优选方案，所述储热装置中的储热材料为相变储热材料。
作为本发明的优选方案，所述相变储热材料可选用氯化物、碳酸盐、硝酸盐的纯组分或多元混合物。
本发明还提供了一种基于上述系统的土壤原位热修复热泵废热回收利用方法，其特征在于，
将土壤修复场地划分为不同的区域，各区域在时间上不同步进行修复；
废热回收循环布设在土壤修复完成区域，原位热修复子系统布设在土壤未修复完成区域，土壤未修复完成区域布设的井包括加热井和抽提井；
废热回收循环中的工质经第一分水器后进入地热井，工质获取地热井内的热量后经第一集水器合流并进入热交换器，工质在热交换器内换热后降温；热交换器获取的热量传送给储热装置进行储存；
储热装置中储存的热量传递给蒸发器，热泵循环内的液态制冷剂经蒸发器吸热成饱和或过热的制冷剂蒸汽，压缩机将来自蒸发器的制冷剂蒸汽压缩到冷凝压力，高温高压制冷剂蒸汽输送至冷凝器中进行换热，换热后的制冷剂进入电子膨胀阀节流至蒸发压力并回到蒸发器；
原位热修复子系统的原位热修复循环内的工质从冷凝器中获取热量，经第二分水器后进入加热井，加热井对土壤原位热修复，工质换热后经第二集水器合流并进入冷凝器完成循环；补充热源用于给各加热井补充热修复所需的热量；
抽提井收集逸散出来的有机污染物及土壤中的水蒸气，与蒸汽换热器换热，经换热冷凝后的蒸汽经过气液分离器汽水分离后，气体通过尾气处理装置达标后排放，液体通过废水处理装置处理达标后，进行排放或进入循环系统；蒸汽换热器获取的蒸汽热能被储存在储热设备中。
在土壤未修复完成区域，根据土壤温度采用不同的工作运行模式；在土壤温度低于常温下水的沸点时，采用热泵循环和原位热修复循环为未修复土壤区域预热；在土壤水沸腾或接近沸腾时，在采用热泵循环和原位热修复循环加热的同时开启补充热源，加热土壤温度至高于水的沸点，使得孔隙中的水与污染物持续沸腾；当抽提井中收集气体量减少至设定阈值时，认为土壤中污染物与水分接近蒸发完全，关闭热泵循环和原位热修复循环，使用补充热源将土壤加热至目标修复温度。
本发明的有益效果为：
(1)将废弃的抽提井与加热井直接改造成地热井，较好的节省了打井费用，使用高效能的热泵代替化石燃料的燃烧或电能的消耗，提高了能量利用率，避免了大量“废热”散失降低了土壤原位热修复过程的运行费用。
(2)减少了不可再生资源的使用，极大地减少了碳排放。将原本废弃的加热井与抽提井进行再利用，通过热泵提取高温修复后土壤废热，减少热量输入与输出间的不平衡，从而减少对周边环境造成的“热污染”。
(3)具有安全性和可调控性。系统运行可通过控制套管式地埋管中工质进出口温度和流量调节加热负荷。若热泵输入能量无法满足场地的目标温度，不足热量部分可以通过太阳能、燃料燃烧、电能等方式进行补充。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明的土壤原位热修复热泵废热回收利用系统安装示意图；
图2为本发明废弃加热井转化为地热井一种可能的具体实施过程。
附图标记：1.地热井、2.加热井、3.抽提井、4.集水器、5.测温计、6.超声波热量表、7.储热装置、8.循环泵、9.分水器、10.热交换器、11.蒸发器、12.压缩机、 13.电子膨胀阀、14.冷凝器、15.工质泵、16.蒸汽换热器、17.气液分离器、18.废水泵、19.废水处理装置、20.风机、21.气体处理装置、22.补充热源、23.阀门； 100.加热井内管、101.加热井外管、102.井壁间空隙；300.绝热管、301.换热管、 302.井壁间空隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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，本实施例的土壤原位热修复热泵废热回收利用系统包括废热回收循环、储热装置7、热泵循环、原位热修复子系统、气体处理子系统；
所述废热回收循环包括通过管路顺次连接构成循环的分水器9、地热井1、集水器4、热交换器10；所述废热回收循环的管路上设置有循环泵8；其中，分水器9将连接热交换器10出口的干路分为若干支路，每条支路连接一个地热井 1、各地热井1的出口通过支路连接到集水器4，由集水器4将支路合并为干路再连接热交换器10入口；
所述热泵循环包括通过管路顺次连接构成循环的蒸发器11、压缩机12、电子膨胀阀13、冷凝器14；蒸发器11通过换热管路与储热设备7相连，换热管路中的工质将储热设备7储存的热量传递给蒸发器11，热泵循环内的液态制冷剂经蒸发器11吸热成饱和或过热的制冷剂蒸汽，压缩机12将来自蒸发器11的制冷剂蒸汽压缩到冷凝压力，高温高压制冷剂蒸汽输送至冷凝器14中进行换热，换热后的制冷剂进入电子膨胀阀13节流至蒸发压力并回到蒸发器11；
所述原位热修复子系统包括补充热源22，以及通过管路顺次连接并与所述的冷凝器14构成原位热修复循环的集水器4、加热井2、分水器9；所述原位热修复循环的管路上设置有工质泵15，原位热修复循环与热泵循环在冷凝器14中换热；其中，分水器将冷凝器14出口的干路分为若干支路，每条支路连接一个加热井2、各加热井2的出口通过支路连接到集水器，由集水器合并为干路再连接冷凝器14；补充热源22与各加热井2连接补充热量；
所述气体处理子系统包括抽提井3、蒸汽换热器16和气体处理装置21，抽提井3收集逸散出来的有机污染物及土壤中的水蒸气，收集的气体进入蒸汽换热器16降温后送入气体处理装置21；
所述的储热装置7分别与所述的热交换器10、蒸汽换热器16通过换热管路相连，由换热管路内的循环工质从热交换器10、蒸汽换热器16获取热量，热量在储热装置7中存储。
在应用时，将土壤修复场地划分不同的区域，各区域在时间上不同步进行修复。在原位热修复子系统布设在土壤未修复完成区域Ⅱ，土壤未修复完成区域Ⅱ布设的井包括加热井2和抽提井3。本发明用套管式地埋管换热器提取修复完成区域Ⅰ中的余热，采用热泵循环对热量进行进一步的提升，利用区域Ⅰ土壤“废热”代替传统的燃气燃烧或电能对未修复完成区域Ⅱ土壤进行加热。通过采用各场地修复时间上不同步的方式，虽延长土壤热修复工期，却避免了将过多高品位能源(化石燃料或电能)转换为低品位能源，减少了能源的浪费。
所述地热井1由加热井2改造而来。由于加热井与套管式地埋管的结构高度相似，且打井过程与钻井设备相似，对于修复完成土壤区域的废弃加热井，将其改造为地热井具有较强可行性。附图2为废弃加热井转化为地热井的一种可能的具体实施案例。由于结构的相似性，废弃加热井较适宜改造成为套管式地热井。常规套管式加热井由热源输出的加热气体注入加热井内管100并通过加热井外管101输出，使得加热气体与污染区域土壤充分换热。加热外管与污染土壤间的空隙102需用高导热系数回填材料密实填充以保证换热效果良好。当该区域修复达相关标准要求后，将废弃加热井改造为套管式地热井，将流体通过安装循环泵 8从换热管301注入，与高温土壤充分换热后经绝热管300流出，将土壤中热量储存至储热装置7中进一步利用。需保证换热管301与井壁空隙处302填充导热效果好的回填材料从而确保换热良好和系统的牢固性。
所述系统通过循环泵8将流体输入地热井1与修复完成土壤区域Ⅰ进行充分热交换，被加热的流体进入热交换器10处将热量释放，冷却后的流体重新进入地热井1中进行换热。热交换器10通过传热流体将热量存储至储热设备7。所述传热流体根据修复后土壤温度决定，通常是水或导热油。若传热流体耗尽，需及时补充以确保系统正常运行。
所述测温计5用于检测干管处流体进出口温度。超声波热量表6通过超声波的方法测量流量及显示流体吸收的热能，实时检测系统的运行情况及再利用的余热热能。
为节约管路所需成本，流经地热井1的流体管路采用串联布设方式，经过集水器4汇入干管，进入热交换器10换热后，通过分水器9重新进入地热井1进行热交换。
所述储热设备7中储热材料可根据修复后土壤温度选择中温相变储热材料。可选用氯化物、碳酸盐、硝酸盐等熔融盐的纯组分或多元混合物作为相变储热材料。其具有原料价格低、使用温度范围广、相变潜热大、储能密度高、热稳定性强等优势，适宜在土壤热修复领域回收利用土壤余热。
所述储热设备7吸收并储存热交换器10、蒸汽换热器16的余热热能，并输入至蒸发器11中，为热泵循环提供热能。
所述热泵循环由蒸发器11、压缩机12、电子膨胀阀13、冷凝器14组成。流经蒸发器11的制冷剂工质在储热设备7吸收热量，液态制冷剂蒸发吸热成饱和或过热的制冷剂蒸汽，压缩机12将来自蒸发器11的制冷剂蒸汽压缩到冷凝压力Pc，高温高压制冷剂蒸汽输送至冷凝器14中，制冷剂蒸汽与来自未加热土壤区域II的传热流体进行冷凝换热形成液态制冷剂，过冷液体进入电子膨胀阀13 节流至蒸发压力。
所述热泵循环输出热量尚不足以使得未加热土壤达到所需目标修复温度，针对此，系统中需引入补充热源22使得土壤污染物完全去除。
研究表明，热修复过程中经历了三个阶段：升温阶段土壤、孔隙中的液态水、污染物从环境温度升温至水的沸点、沸腾阶段孔隙中液态水的蒸发、沸腾及土壤中挥发性、半挥发性污染物的去除，在实际工程中蒸发液态水所需能耗约占修复总能耗一半以上、过热阶段干燥的土壤被加热至目标温度、难挥发污染物去除。为节约加热土壤的能耗，所述系统根据加热土壤的不同温度分阶段运行三种不同工况。在土壤升温阶段，能量主要来源于热泵循环，使得土壤缓慢预热至常压下水的沸点附近；沸腾阶段，补充热源22补充部分热量使得土壤中的水持续蒸发、沸腾；过热阶段，补充热源22提供热量直至土壤达到目标修复温度。分阶段加热方式可大量节省能源消耗，实现精细化用热，避免了在土壤加热前期使用大功率加热导致的能源浪费及过热损失。
加热污染区域土壤过程中，抽提井3收集逸散出来的有机污染物及土壤中的水蒸气，与蒸汽换热器16换热后，蒸汽中的余热热能被储存在储热设备7中。冷凝后的蒸汽经过气液分离器17汽水分离后，气体经风机20进入尾气处理装置 21，通过尾气处理装置21达标后排放，液体经废水泵18进入废水处理装置19，通过废水处理装置19处理达标后，进行排放或进入循环系统。,
所述热泵技术属于中高温热泵技术。相较于冷凝温度低于50℃的常温热泵技术在我国运用尚不成熟，难点在于制冷剂工质的选择，目前或内外研究中高温热泵的最高热输出温度可达97～103℃，COP在3～4左右。受到当前中高温热泵技术冷凝温度的局限性，若土壤热修复后场地温度过高，应选择其他方式进行余热利用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种土壤原位热修复热泵废热回收利用系统，其特征在于，所述系统包括废热回收循环、储热装置(7)、热泵循环、原位热修复子系统、气体处理子系统；
所述废热回收循环包括通过管路顺次连接构成循环的第一分水器、地热井(1)、第一集水器、热交换器(10)；所述废热回收循环的管路上设置有循环泵；其中，第一分水器将连接热交换器(10)出口的干路分为若干支路，每条支路连接一个地热井(1)、各地热井(1)的出口通过支路连接到第一集水器，由第一集水器将支路合并为干路再连接热交换器(10)入口；
所述热泵循环包括通过管路顺次连接构成循环的蒸发器(11)、压缩机(12)、电子膨胀阀(13)、冷凝器(14)；蒸发器(11)通过换热管路与储热设备(7)相连，换热管路中的工质将储热设备(7)储存的热量传递给蒸发器(11)，热泵循环内的液态制冷剂经蒸发器(11)吸热成饱和或过热的制冷剂蒸汽，压缩机(12)将来自蒸发器(11)的制冷剂蒸汽压缩到冷凝压力，高温高压制冷剂蒸汽输送至冷凝器(14)中进行换热，换热后的制冷剂进入电子膨胀阀(13)节流至蒸发压力并回到蒸发器(11)；
所述原位热修复子系统包括补充热源(22)，以及通过管路顺次连接并与所述的冷凝器(14)构成原位热修复循环的第二分水器、加热井(2)、第二集水器；所述原位热修复循环的管路上设置有工质泵，原位热修复循环与热泵循环在冷凝器(14)中换热；其中，第二分水器将冷凝器(14)出口的干路分为若干支路，每条支路连接一个加热井(2)、各加热井(2)的出口通过支路连接到第二集水器，由第二集水器合并为干路再连接冷凝器(14)；补充热源(22)与各加热井(2)连接补充热量；
所述气体处理子系统包括抽提井(3)、蒸汽换热器(16)和气体处理装置(21)，抽提井(3)收集逸散出来的有机污染物及土壤中的水蒸气，收集的气体进入蒸汽换热器(16)降温后送入气体处理装置(21)；
所述的储热装置(7)分别与所述的热交换器(10)、蒸汽换热器(16)通过换热管路相连，由换热管路内的循环工质从热交换器(10)、蒸汽换热器(16)获取热量，热量在储热装置(7)中存储。
2.根据权利要求1所述的土壤原位热修复热泵废热回收利用系统，其特征在于，所述的地热井(1)为土壤原位热修复后的加热井，地热井(1)和加热井均布设有换热套管，地热井(1)利用套管获取热量，加热井利用套管进行加热。
3.根据权利要求2所述的土壤原位热修复热泵废热回收利用系统，其特征在于，所述套管包括换热管(301)、套设在换热管(301)内的绝热管(300)，换热管(301)与绝热管(300)底端连通。
4.根据权利要求3所述的土壤原位热修复热泵废热回收利用系统，其特征在于，外管与土壤间的空隙用高导热系数回填材料密实填充。
5.根据权利要求1所述的土壤原位热修复热泵废热回收利用系统，其特征在于，所述废热回收循环和原位热修复循环上均设置有测温计(5)用于检测干管处流体进出口温度，均设置有超声波热量表(6)测量流量及显示流体吸收的热能。
6.根据权利要求1所述的土壤原位热修复热泵废热回收利用系统，其特征在于，所述储热装置(7)中的储热材料为相变储热材料。
7.根据权利要求6所述的土壤原位热修复热泵废热回收利用系统，其特征在于，所述相变储热材料可选用氯化物、碳酸盐、硝酸盐的纯组分或多元混合物。
8.一种基于权利要求1所述系统的土壤原位热修复热泵废热回收利用方法，其特征在于，
将土壤修复场地划分为不同的区域，各区域在时间上不同步进行修复；
废热回收循环布设在土壤修复完成区域(Ⅰ)，原位热修复子系统布设在土壤未修复完成区域(Ⅱ)，土壤未修复完成区域(Ⅱ)布设的井包括加热井(2)和抽提井(3)；
废热回收循环中的工质经第一分水器后进入地热井(1)，工质获取地热井(1)内的热量后经第一集水器合流并进入热交换器(10)，工质在热交换器(10)内换热后降温；热交换器(10)获取的热量传送给储热装置(7)进行储存；
储热装置(7)中储存的热量传递给蒸发器(11)，热泵循环内的液态制冷剂经蒸发器(11)吸热成饱和或过热的制冷剂蒸汽，压缩机(12)将来自蒸发器(11)的制冷剂蒸汽压缩到冷凝压力，高温高压制冷剂蒸汽输送至冷凝器(14)中进行换热，换热后的制冷剂进入电子膨胀阀(13)节流至蒸发压力并回到蒸发器(11)；
原位热修复子系统的原位热修复循环内的工质从冷凝器(14)中获取热量，经第二分水器后进入加热井(2)，加热井(2)对土壤原位热修复，工质换热后经第二集水器合流并进入冷凝器(14)完成循环；补充热源(22)用于给各加热井(2)补充热修复所需的热量；
抽提井(3)收集逸散出来的有机污染物及土壤中的水蒸气，与蒸汽换热器(16)换热，经换热冷凝后的蒸汽经过气液分离器(17)汽水分离后，气体通过尾气处理装置(21)达标后排放，液体通过废水处理装置(19)处理达标后，进行排放或进入循环系统；蒸汽换热器(16)获取的蒸汽热能被储存在储热设备(7)中。
9.根据权利要求8所述的土壤原位热修复热泵废热回收利用方法，其特征在于：在土壤未修复完成区域(Ⅱ)，根据土壤温度采用不同的工作运行模式；在土壤温度低于常温下水的沸点时，采用热泵循环和原位热修复循环为未修复土壤区域预热；在土壤水沸腾或接近沸腾时，在采用热泵循环和原位热修复循环加热的同时开启补充热源，加热土壤温度至高于水的沸点，使得孔隙中的水与污染物持续沸腾；当抽提井中收集气体量减少至设定阈值时，认为土壤中污染物与水分接近蒸发完全，关闭热泵循环和原位热修复循环，使用补充热源将土壤加热至目标修复温度。
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