CN115146462B - 复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法 - Google Patents

复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法 Download PDF

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CN115146462B CN202210782719.XA CN202210782719A CN115146462B CN 115146462 B CN115146462 B CN 115146462B CN 202210782719 A CN202210782719 A CN 202210782719A CN 115146462 B CN115146462 B CN 115146462B
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Abstract

本发明涉及原位热处理能效评估技术领域，具体是涉及复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法；包括以下步骤：S1、构建基于能耗和修复效率的能效评价指标体系，并建立能效评估指标的归一化方法，建立评估模型；S2、在实验室内对有机污染物场地原位热处理耦合技术进行模拟实验，并在有机物污染场地进行现场示范，得到需要的数据；根据实际中的研究结果以及数据，开发能效评估软件；S3、利用原位热处理耦合修复技术进行原位热处理，采用能效评估软件进行能效评估，将所需数据输入到能效评估模型软件中进行测算，得到能效结果；本发明提供了一种针对原位热处理耦合技术的能效评估方法以及评估指标。

Description

复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法
技术领域
本发明涉及原位热处理能效评估技术领域，具体是涉及复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法。
背景技术
热脱附技术可以有效降解、去除含氯有机物、苯系物、石油烃类、汞、农药、多氯联苯、二噁英等污染物，也可处理自由相污染物，适用于焦化厂、钢铁厂、煤制气厂、石油化工厂、地下油库、农药厂等有机污染场地。相比异位热脱附，原位热脱附具有以下优点：无需开挖，适合无法实施开挖工程的建筑物或污染深度较大的场地；使绝大多数污染物在地下环境就被降解，只有一小部分被抽出，而可有效避免二次污染。
按照不同的加热方式，原位热脱附技术主要分为电阻加热、热传导加热和蒸汽加热3种类型。
目前国内所采用的原位热处理耦合技术普遍存在能耗高的问题；而针对原位热处理耦合技术又没有相应的能效评估指标以及能效评估方法，不利于原位热处理耦合技术向节能化的进一步发展。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种针对原位热处理耦合技术的能效评估方法，以及评估指标，对原位热处理耦合技术的具体实施提供参考，为降低原位热处理耦合技术的能耗提供便利。
本发明的技术方案是：一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，包括以下步骤：
S1、构建评估模型
构建基于能耗和修复效率的能效评价指标体系，并建立能效评估指标的归一化方法，建立评估模型；
其中，所述修复效率是采用场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1与系统总输入能量Q的比值表示得到的污染物的热利用效率x1；
系统总输入能量Q为场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1、场地土壤和地下水升温热量Q2、场地热散逸能量Q3之和；场地热散逸能量Q3包括燃烧器烟气排放热损失、抽提热损失、四周漏热损失、地下水汇入热损失、人工补水热损失；
通过烟气排放连续监测系统监测烟气温度、压力、湿度、流量、烟气成分，获得不同温度下烟气的焓值，得到烟气焓值-烟气温度的动态曲线；并结合烟气流量计计算烟气带走的燃烧器烟气排放热损失；
抽提热损失同样由烟气排放连续监测系统监测，主要覆盖温度、压力、湿度、流量，抽提气中的污染物的总量通过土壤中污染物的总量对抽提出的污染物的总量进行估算；
四周漏热损失采用直接测量法，在修复场地边界四周土壤内布设热流计，监测单位时间通过某一面积的热能，结合持续时间，计算总的四周漏热损失；
S2、开发能效评估软件
在实验室内对有机污染物场地原位热处理耦合技术进行模拟实验，并在有机物污染场地进行现场示范，得到需要的数据；根据实际中的研究结果以及数据，开发能效评估软件；
S3、进行能效评估
利用原位热脱附-蒸汽强化抽提耦合修复技术和/或原位热强化微生物绿色耦合修复技术和/或原位热强化化学氧化/还原耦合修复技术进行原位热处理，采用所述能效评估软件进行能效评估，将所需数据输入到能效评估模型软件中进行测算，得到能效结果。
进一步地，场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1的计算公式为：
Q1＝∑(Ci-Co)*ρ*V*Cp*(T1-T0)
其中，Ci：场地污染物最大浓度；Co：场地修复目标；Cp：污染物的定压比热；T1：尾气温度；T0：场地初始温度；ρ：土壤容重；V：修复土壤体积。
进一步地，能效以回收每千克污染物所消耗的能量进行计算，采用x2表示场地单位污染物所需要消耗的总能量，采用z表示不同污染物的归一化系数，以水的定压比热作为标准，进行归一化；
x2的计算公式为：
Figure BDA0003720535790000031
进一步地，加热的目标温度低于水的沸点时场地土壤和地下水升温热量Q2的计算公式为：
Figure BDA0003720535790000032
ρR：土壤密度(不含孔隙率)；CR：土壤比热容；
Figure BDA0003720535790000033
土壤孔隙率；ρW：水的密度；CW：水的比热容；SW：水的饱和度；Te：目标温度；Ti：初始温度；V：土壤体积。
进一步地，加热的目标温度高于水的沸点时场地土壤和地下水升温热量Q2的计算公式为：
Figure BDA0003720535790000034
ρR：土壤密度(不含孔隙率)；CR：土壤比热容；
Figure BDA0003720535790000035
土壤孔隙率；ρW：水的密度；CW：水的比热容；Sw：水的饱和度；Te：目标温度；Ti：初始温度；Tb：常温常压下水的沸点；hw：常温常压下水的蒸发焓；V：土壤体积。
进一步地，所述实验室模拟试验和现场示范运行均对原位热脱附-蒸汽强化抽提耦合修复技术、原位热强化微生物绿色耦合修复技术、原位热强化化学氧化/还原耦合修复技术三种技术进行试验和运行。
进一步地，人工补水热损失是水的比热容、补水质量以及温度变化值三者的乘积；在电阻加热工艺中，需要额外补充大量的水弥补蒸发损失的水分，以维持土壤的导电性，由此产生的人工补水热损失。
进一步地，采用Qeg表示燃烧器烟气排放热损失，其计算公式为：
Figure BDA0003720535790000041
Qeg：排烟热量，kJ/S；m：烟气重量，kg/S；h：烟气比焓，kJ/kg；
Figure BDA0003720535790000042
CO2重量(kg/s)；
Figure BDA0003720535790000043
CO2比焓(kJ/kg)；
Figure BDA0003720535790000044
N2重量(kg/s)；
Figure BDA0003720535790000045
N2比焓(kJ/kg)；
Figure BDA0003720535790000046
O2重量(kg/s)；
Figure BDA0003720535790000047
O2比焓(kJ/kg)；
Figure BDA0003720535790000048
湿蒸汽重量(kg/s)；
Figure BDA0003720535790000049
湿蒸汽比焓(kJ/kg)。
进一步地，采用Qge表示抽提热损失，其计算公式为：
Qge＝mh＝mwr1 hwr1+mwr2 hwr2+…+mwrn hwrn+mkhk
Qeg：抽提气热量(kJ)；m：烟气重量(kg)；h：抽提气比焓(kJ/kg)；mwr1：1号污染物重量(kg)；hwr1：1号污染物比焓(kJ/kg)；mwr2：2号污染物重量(kg)；hwr2：2号污染物比焓(kJ/kg)；mwrn：n号污染物重量，(kg/s)；hwrn：n号污染物比焓(kJ/kg)；mk：湿空气重量(kg)；hk：湿空气比焓(kJ/kg)。
本发明的有益效果是：针对原位热处理耦合技术：提供一种针对原位热处理耦合技术的能效评估方法，能够对原位热处理耦合技术进行节能考核，为降低原位热处理耦合技术的能耗提供便利，有利于原位热处理耦合技术向节能化的进一步发展。
本发明以场地单位污染物所需要消耗的总能量作为能效评估指标，并结合污染物的热利用效率x1对原位热处理耦合技术进行能效评估，能够有效提高评估的准确度。
具体实施方式
实施例1
一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，包括以下步骤：
S1、构建评估模型
构建基于能耗和修复效率的能效评价指标体系，并建立能效评估指标的归一化方法，建立评估模型；
其中，所述修复效率是采用场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1与系统总输入能量Q的比值表示得到的污染物的热利用效率x1；
系统总输入能量Q为场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1、场地土壤和地下水升温热量Q2、场地热散逸能量Q3之和；场地热散逸能量Q3包括燃烧器烟气排放热损失、抽提热损失、四周漏热损失、地下水汇入热损失、人工补水热损失；
通过烟气排放连续监测系统监测烟气温度、压力、湿度、流量、烟气成分，获得不同温度下烟气的焓值，得到烟气焓值-烟气温度的动态曲线；并结合烟气流量计计算烟气带走的燃烧器烟气排放热损失；
抽提热损失同样由烟气排放连续监测系统监测，主要覆盖温度、压力、湿度、流量，抽提气中的污染物的总量通过土壤中污染物的总量对抽提出的污染物的总量进行估算；
四周漏热损失采用直接测量法，在修复场地边界四周土壤内布设热流计，监测单位时间通过某一面积的热能，结合持续时间，计算总的四周漏热损失；
场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1的计算公式为：
Q1＝∑(Ci-Co)*ρ*V*Cp*(T1-T0)
其中，Ci：场地污染物最大浓度；Co：场地修复目标；Cp：污染物的定压比热；T1：尾气温度；T0：场地初始温度；ρ：土壤容重；V：修复土壤体积。
加热的目标温度低于水的沸点时场地土壤和地下水升温热量Q2的计算公式为：
Figure BDA0003720535790000061
ρR：土壤密度(不含孔隙率)；CR：土壤比热容；
Figure BDA0003720535790000062
土壤孔隙率；ρW：水的密度；CW：水的比热容；SW：水的饱和度；Te：目标温度；Ti：初始温度；V：土壤体积；
所述实验室模拟试验和现场示范运行均对原位热脱附-蒸汽强化抽提耦合修复技术、原位热强化微生物绿色耦合修复技术、原位热强化化学氧化/还原耦合修复技术三种技术进行试验和运行；
人工补水热损失是水的比热容、补水质量以及温度变化值三者的乘积；
采用Qeg表示燃烧器烟气排放热损失，其计算公式为：
Figure BDA0003720535790000063
Qeg：排烟热量，kJ/S；m：烟气重量，kg/S；h：烟气比焓，kJ/kg；
Figure BDA0003720535790000064
CO2重量(kg/s)；
Figure BDA0003720535790000065
CO2比焓(kJ/kg)；
Figure BDA0003720535790000066
N2重量(kg/s)；
Figure BDA0003720535790000067
N2比焓(kJ/kg)；
Figure BDA0003720535790000068
O2重量(kg/s)；
Figure BDA0003720535790000069
O2比焓(kJ/kg)；
Figure BDA00037205357900000610
湿蒸汽重量(kg/s)；
Figure BDA00037205357900000611
湿蒸汽比焓(kJ/kg)；
采用Qge表示抽提热损失，其计算公式为：
Qge＝mh＝mwr1 hwr1+mwr2 hwr2+…+mwrn hwrn+mk hk
Qeg：抽提气热量(kJ)；m：烟气重量(kg)；h：抽提气比焓(kJ/kg)；mwr1：1号污染物重量(kg)；hwr1：1号污染物比焓(kJ/kg)；mwr2：2号污染物重量(kg)；hwr2：2号污染物比焓(kJ/kg)；mwrn：n号污染物重量，(kg/s)；hwrn：n号污染物比焓(kJ/kg)；mk：湿空气重量(kg)；hk：湿空气比焓(kJ/kg)；
能效以回收每千克污染物所消耗的能量进行计算，采用x2表示场地单位污染物所需要消耗的总能量，采用z表示不同污染物的归一化系数，以水的定压比热作为标准，进行归一化；
x2的计算公式为：
Figure BDA0003720535790000071
S2、开发能效评估软件
在实验室内对有机污染物场地原位热处理耦合技术进行模拟实验，并在有机物污染场地进行现场示范，得到需要的数据；根据实际中的研究结果以及数据，开发能效评估软件；
S3、进行能效评估
利用原位热脱附-蒸汽强化抽提耦合修复技术和/或原位热强化微生物绿色耦合修复技术和/或原位热强化化学氧化/还原耦合修复技术进行原位热处理，采用所述能效评估软件进行能效评估，将所需数据输入到能效评估模型软件中进行测算，得到能效结果。
实施例2
与实施例1不同的是：
加热的目标温度高于水的沸点时场地土壤和地下水升温热量Q2的计算公式为：
Figure BDA0003720535790000081
ρR：土壤密度(不含孔隙率)；CR：土壤比热容；
Figure BDA0003720535790000082
土壤孔隙率；ρW：水的密度；CW：水的比热容；CW：水的饱和度；Te：目标温度；Ti：初始温度；Tb：常温常压下水的沸点；hW：常温常压下水的蒸发焓；V：土壤体积。
试验例1
某污染场地的中的风险污染物为1,2-二氯乙烷、三氯甲烷和氯乙烯，其最大浓度分别为23.8mg/kg、1.98mg/kg和5.45mg/kg；本地块土壤具有强烈刺激性气；
在一类用地方式下需将土壤中1,2-二氯乙烷、三氯甲烷和氯乙烷的浓度分别降至0.712mg/kg、0.303mg/kg、0.177mg/kg；
采用实施例1进行能耗评估；
其中需要说明的是，场地总的耗电量为24480kWh，Q为881280000kJ；
表1：场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量
Figure BDA0003720535790000083
Figure BDA0003720535790000091
计算得到的Q1场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量为3457kJ。
表2：场地土壤和地下水升温热量
Figure BDA0003720535790000092
计算得到的场地土壤和地下水升温热量Q2为219066309。
表3：计算污染物总量
Figure BDA0003720535790000101
然后，计算表示场地单位污染物所需要消耗的总能量x2：
具体算法为污染物总量与场地总能耗Q的比值，得到x2为2.26E+07kJ/kg。
计算的得到污染物的热利用效率x1为0.00039％。
综合来看现有的原位热处理耦合修复技术其热利用效率较低，能耗高。

Claims (9)

1.一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建评估模型
构建基于能耗和修复效率的能效评价指标体系，并建立能效评估指标的归一化方法，建立评估模型；
其中，所述修复效率是采用场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1与系统总输入能量Q的比值表示得到的污染物的热利用效率x1；
系统总输入能量Q为场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1、场地土壤和地下水升温热量Q2、场地热散逸能量Q3之和；场地热散逸能量Q3包括燃烧器烟气排放热损失、抽提热损失、四周漏热损失、地下水汇入热损失、人工补水热损失；
通过烟气排放连续监测系统监测烟气温度、压力、湿度、流量、烟气成分，获得不同温度下烟气的焓值，得到烟气焓值-烟气温度的动态曲线；并结合烟气流量计计算烟气带走的燃烧器烟气排放热损失；
抽提热损失同样由烟气排放连续监测系统监测，主要覆盖温度、压力、湿度、流量，抽提气中的污染物的总量通过土壤中污染物的总量对抽提出的污染物的总量进行估算；
四周漏热损失采用直接测量法，在修复场地边界四周土壤内布设热流计，监测单位时间通过某一面积的热能，结合持续时间，计算总的四周漏热损失；
S2、开发能效评估软件
在实验室内对有机污染物场地原位热处理耦合技术进行模拟实验，并在有机物污染场地进行现场示范，得到需要的数据；根据实际中的研究结果以及数据，开发能效评估软件；
S3、进行能效评估
利用原位热脱附-蒸汽强化抽提耦合修复技术和/或原位热强化微生物绿色耦合修复技术和/或原位热强化化学氧化/还原耦合修复技术进行原位热处理，采用所述能效评估软件进行能效评估，将所需数据输入到能效评估模型软件中进行测算，得到能效结果。
2.根据权利要求1所述的一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，场地总污染物气化及温度升高到目标温度所消耗能量Q1的计算公式为：
Q1∑(Ci-Co)*p*V*Cp*(T1-T0)
其中，Ci：场地污染物最大浓度；Co：场地修复目标；Cp：污染物的定压比热；T1：尾气温度；T0：场地初始温度；ρ：土壤容重；V：修复土壤体积。
3.根据权利要求2所述的一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，能效以回收每千克污染物所消耗的能量进行计算，采用x2表示场地单位污染物所需要消耗的总能量，采用z表示不同污染物的归一化系数，以水的定压比热作为标准，进行归一化；
x2的计算公式为：
Figure FDA0004159816130000021
4.根据权利要求1所述的一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，加热的目标温度低于水的沸点时场地土壤和地下水升温热量Q2的计算公式为：
Figure FDA0004159816130000022
ρR：土壤密度，不含孔隙率；CR：土壤比热容；
Figure FDA0004159816130000023
土壤孔隙率；ρW：水的密度；CW：水的比热容；SW：水的饱和度；Te：目标温度；Ti：初始温度；V：土壤体积。
5.根据权利要求1所述的一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，加热的目标温度高于水的沸点时场地土壤和地下水升温热量Q2的计算公式为：
Figure FDA0004159816130000031
ρR：土壤密度，不含孔隙率；CR：土壤比热容；
Figure FDA0004159816130000032
土壤孔隙率；ρW：水的密度；CW：水的比热容；SW：水的饱和度；Te：目标温度；Ti：初始温度；Tb：常温常压下水的沸点；hW：常温常压下水的蒸发焓；V：土壤体积。
6.根据权利要求1所述的一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，实验室模拟试验和现场示范运行均对原位热脱附-蒸汽强化抽提耦合修复技术、原位热强化微生物绿色耦合修复技术、原位热强化化学氧化/还原耦合修复技术三种技术进行试验和运行。
7.根据权利要求1所述的一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，人工补水热损失是水的比热容、补水质量以及温度变化值三者的乘积。
8.根据权利要求1所述的一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，采用Qeg表示燃烧器烟气排放热损失，其计算公式为：
Figure FDA0004159816130000033
Qeg：排烟热量，kJ/S；m：烟气重量，kg/S；h：烟气比焓，kJ/kg；
Figure FDA0004159816130000034
CO2重量(kg/s)；
Figure FDA0004159816130000035
CO2比焓(kJ/kg)；
Figure FDA0004159816130000036
N2重量(kg/s)；
Figure FDA0004159816130000037
N2比焓(kJ/kg)；
Figure FDA0004159816130000038
O2重量(kg/s)；
Figure FDA0004159816130000039
O2比焓(kJ/kg)；
Figure FDA00041598161300000310
湿蒸汽重量(kg/s)；
Figure FDA00041598161300000311
湿蒸汽比焓(kJ/kg)。
9.根据权利要求1所述的一种复合有机污染物场地原位热处理耦合技术的能效评估方法，其特征在于，采用Qge表示抽提热损失，其计算公式为：
Qge＝mh＝mwr1hwr1+mwr2hwr2+…+mwrnhwrn+mkhk
Qeg：抽提气热量(kJ)；m：烟气重量(kg)；h：抽提气比焓(kJ/kg)；mwr1：1号污染物重量(kg)；hwr1：1号污染物比焓(kJ/kg)；mwr2：2号污染物重量(kg)；hwr2：2号污染物比焓(kJ/kg)：mwrn：n号污染物重量，(kg/s)；hwrn：n号污染物比焓(kJ/kg)；mk：湿空气重量(kg)；hk：湿空气比焓(kJ/kg)。
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