CN115193904A - 利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法及装置，该方法包括：GTR加热井排出的高温烟道气经多元热流体发生器在线或地下原位生成的多元热流体在压差驱动下被注入目标修复区域，与污染土壤或地下水直接接触；通过对团聚或残留NAPL的增溶、降黏及脱附作用，提高其流动能力；多元热流体与被驱替的地下水、脱附的有机污染物一道被多相抽提井抽出，经地面尾水尾气系统处置后达标排放。本发明可显著提升GTR技术的热利用效率、提升修复效果及效率。此技术所提供的对流加热方式还可作为原位热强化修复技术的重要补充加热方法。本发明即可以单独使用，也可与其它原位修复技术联用。

Description

利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法及装置

技术领域

本发明属于环境修复领域，涉及一种利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法及装置，尤其涉及一种利用原位燃气热脱附高温烟道气形成多元热流体强化抽提技术强化污染土壤/地下水修复的方法及装置。

背景技术

在环境修复领域里的用于修复有机物污染场地（包括土壤、地下水）的原位热脱附技术按加热技术类型分为热传导、电阻加热和蒸汽强化抽提（SEE）三种。此三种原位加热方式中，只有热传导加热，不论能源是电或是燃气，目标加热温度都可以突破水的沸点，达到100℃以上；而电阻加热的应用必须要求水的存在，也就导致无法使目标修复区域的温度达到100℃以上；SEE的目标加热温度上限也基本在100℃。一般而言，有机物污染场往往是挥发性有机物（VOC）和半挥发性有机物（SVOC）的复合污染，而SVOC污染土壤若使用原位热脱附技术，目标加热温度则一般要求在200-350℃之间，只有热传导原位热脱附技术满足此要求。电阻加热和SEE技术只适用于VOC污染的场地，技术应用局限性明显。在热传导原位热脱附技术中，在国内应用最成熟，相对更适合中国国情的是原位燃气热脱附技术（GTR）。GTR技术的原理是：在燃烧器中通入天然气或液化石油气，同时通过抽风机产生的负压将清洁空气吸入，在燃烧器内混合、点燃，产生的高温气体灌入注入加热井，从内管中自上而下，然后从内管与套管的环形空间里返回向上，通过热传导方式对套管管壁外的土壤实施加热，热交换后的高温烟道气仍有约400-500℃，从套管顶部的出口排出。SEE技术与本发明的多元热流体强化抽提技术有相似之处。SEE通过将高温蒸汽通过注射井注入到高渗透性的污染地层（饱和层或非饱和层），辅以多相抽提井，实现对目标修复区域的热强化脱附、治理。以SEE在饱和层应用为例，当高温蒸汽进入地下，遇冷的地层介质和地下水后即凝结成水，此冷凝水与冷的地下水之间形成界面；随着越来越多蒸汽注入地下，冷凝水的水温越来越高，蒸汽与冷凝水之间的界面也逐渐形成，蒸汽/热冷凝水/冷地下水沿着注入井至抽提井的方向蔓延，蒸汽也是沿着这个方向逐渐驱替地下水，污染土壤表面吸附的有机污染物、非水相液体（NAPL）、以及污染地下水通过驱替、强化蒸发、被多相抽提井抽出等多重机理机制得到去除。

现有GTR技术对高温烟道气的余热缺乏好的循环利用方式，导致热能浪费；此外，使用GTR技术执行修复的污染地块，加热井的间距一般在2米左右甚至更短，导致设备及管线安装密集，推高技术应用成本。另一方面，SEE最主要的局限性在于不论浅层还是深层，也不论非饱和层或是饱和层应用，它基本都无法将目标修复区域的土壤温度加热到100℃以上；其次，水蒸汽在地下饱和层的孔隙中波及范围有限，导致SEE技术应用成本高。其它缺点包括：①可凝结气体，遇冷地下水或地层的介质后凝结成水，逐渐形成蒸汽与热水的界面，这个界面随更多的蒸汽注入而逐渐向前驱替地下水，能耗高；②蒸汽/水与NAPL不互溶，之间有界面，驱替效果不是最佳，残留污染物的量相对较高。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种显著提升GTR的热利用效率、提升修复效果及效率的利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法及装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法，所述利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法包括以下步骤：

1）确定目标修复区域，并在目标修复区域的地表做保温阻隔封闭层，在目标修复区域安装GTR加热井、多元热流体注入井、多元热流体发生器、双螺杆空压机、多相抽提井以及地上尾水尾气处置系统；

2）GTR加热井的高温烟道气从排气口排出，在负压下进入双螺杆空压机入口，增压后进入多元热流体发生器；

3）GTR加热井的高温烟道气在多元热流体发生器内与雾化后的经治理/净化的地下水（或补充的净水）按设定比例充分混合后形成多元热流体，在压差驱动下通过多元热流体注入井进入地层后与地层土壤或地下水直接接触；

4）多元热流体在目标修复区域内，通过对团聚的或残留吸附在土壤颗粒表面的NAPL的增溶、降黏以及脱附作用，提高NAPL流动能力，同时发挥对污染地下水的驱替作用，以及高温下有机物的降解作用等机制，强化对目标修复区域的修复效果；

5）多元热流体与被驱替的地下水、脱附的有机污染物一道被多相抽提井抽出，经地面尾水尾气系统处置后达标排放。

上述步骤2）中GTR加热井的高温烟道气的温度常见范围在400-500℃。

上述步骤3）中多元热流体注入井是垂直井、斜井、或水平井。

上述步骤5）中有机污染物存在于团聚的或残留吸附在土壤颗粒表面的NAPL、液相（即污染的地下水）以及气相（即污染的土壤气）之中；所述多相抽提井是垂直井、斜井、或水平井。

一种用于如前所述的利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法的装置，所述装置包括GTR加热井、多元热流体注入井、多元热流体发生器、双螺杆空压机、多相抽提井以及地上尾水尾气处置系统；所述GTR加热井、多元热流体注入井以及多相抽提井均从目标修复区域的地表伸向目标修复区域的地层中；所述GTR加热井的烟道气经过双螺杆空压机增压后进入多元热流体发生器；所述多元热流体发生器将增压后的高温烟道气与雾化的治理后的地下水（或净水）按合适比例混合生成多元热流体，然后在压差驱动下经多元热流体注入井进入目标修复区域地层内，以注入井为起点向外辐射扩散或驱替（NAPL、污染地下水，或土壤气）；被驱替的NAPL、污染地下水或土壤气，以及多元热流体本身相继从临近的多相抽提井被抽出；所述多相抽提井与地上尾水尾气处置系统相连通。

上述多元热流体注入井可以是垂直井、斜井、或水平井。

上述多相抽提井可以是垂直井、斜井、或水平井。

本发明的优点是：

本发明提供了一种利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法及装置，与传统的SEE对比的优势包括：节省了昂贵的SEE系统里的蒸汽发生器或大型蒸汽锅炉；多元热流体是非凝结气体，驱替地下水的效果显著优于SEE；多元热流体内的CO₂成分在有机污染物内有一定的溶解能力，还能起到降低有机污染物粘度/密度，提高其流动性的作用，从而使用此技术治理的目标修复区域内的残留污染物的量相对较低；GTR耦合多元热流体强化抽提技术的目标加热温度可以高于100℃；利用GTR的工艺废物“烟道气”，废物利用，降低二氧化碳排放量；利用GTR烟道气中的热能，实现了余热利用，大大提高整个热修复系统的能源效率。与GTR相比，其优势是最大限度的回收了GTR高温烟道气的热能，同时强化了对目标修复区域的加热效能；有效拉远GTR加热井的间距，降低设备的安装密集程度，节能降本；为热强化原位修复技术提供了一种相对经济的原位加热技术及方法。本发明解决了GTR高温烟道气随排放而被浪费，余热没有合理、充分利用的问题；以及传统SEE技术的能耗高、波及范围小、对污染地下水及NAPL的驱替效果较差的问题。本发明可用于有机物污染土壤、地下水（饱和层）的原位修复，重点应用场景包括（1）高渗透性饱和层地层中的有机物严重污染区域，或有显著游离、团聚NAPL的区域，通过此多元热流体强化抽提技术将污染物驱替、抽出，达到大幅降低目标修复区域内有机相浓度、质量、通量的作用；（2）在中轻度污染区的高渗区作为一种原位加热的辅助形式实施，促使原位热脱附加热井的间距设计、布置可以加大，降低投资和运行成本。

附图说明

图1是本发明所提供的基于GTR高温烟道气的多元热流体强化抽提去除污染土壤或地下水中有机污染物的装置实施示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法，该方法包括以下步骤：

1）使用GTR耦合多远热流体强化抽提技术修复的目标修复区域的地表需做保温阻隔封闭层，起保温、防止有机物污染的土壤气从地表向上逸散、协助在目标修复区域形成微负压环境的作用；目标修复区域安装有GTR加热井、多元热流体注入井、多相抽提井、地上尾水尾气处置系统等。

2）GTR加热井高温烟道气（以400-500℃为常见）从排气口排出，在负压下进入双螺杆空压机入口，增压后排出，进入多元热流体发生器，全程做好隔热保温；

3）多元热流体发生器入口有两路，一路是增压后的烟道气，其温度高，水蒸气含量低；另一路是返排到地面后经过处理的地下水，可以为常温也可能为高温，地下水经过雾化装置后雾化。根据实施工艺要求，控制好两路流体的流量比例，在多元热流体发生器内充分混合后形成多元热流体。然后在压差驱动下进入多元热流体注入井，此注入井可为垂直井、斜井、或水平井，筛管位置处在高渗透性地层之内，多元热流体通过筛管进入地层，与地层土壤及地下水（如果是饱和层应用）直接接触；

4）多元热流体在目标修复区域内，通过对团聚的或残留吸附在土壤颗粒表面的NAPL的增溶、降黏、脱附等作用，提高其流动能力，同时发挥对被污染地下水的驱替作用，以及高温下有机物的降解作用等机制强化对目标修复区域的修复效果；

5）多元热流体与被驱替的地下水、脱附的有机污染物（包括NAPL、液相、气相）一道被多相抽提井（可为垂直井、斜井、或水平井）抽出，经地面尾水尾气系统处置后达标排放。

取决于目标修复区域的污染特征及水文地球化学条件，GTR耦合多远热流体强化抽提技术可以单独使用，也可以与原位化学氧化、化学还原、生物（电化学）修复等原位修复技术联用，形成热强化原位修复技术体系，主要用于中轻度污染区域，目标加热温度一般低于100℃。

本发明在上述的技术上，还提供了一种用于如前所述的利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法的装置，包括GTR加热井、多元热流体发生器、多元热流体注入井、双螺杆空压机、多相抽提井以及地上尾水尾气处置系统；GTR加热井、多元热流体注入井以及多相抽提井均从目标修复区域的地表伸向目标修复区域的地层中；GTR加热井的烟道气出口通过双螺杆空压机与多元热流体发生器相连通；多元热流体发生器包含一个雾化装置，治理或净化后的地下水（或补充的净水）经此雾化装置被雾化；高温烟道气与雾化水在多元热流体发生器内按所需比例充分混合后形成多元热流体，然后在压差驱动下进入多元热流体注入井，多元热流体通过注入井的筛管进入目标修复区域地层，与地层土壤及地下水（如果是饱和层应用）直接接触；多元热流体以注入井筛管为起点向外辐射扩散或驱替（NAPL、污染地下水，或土壤气）；被驱替的NAPL、污染地下水或土壤气，以及多元热流体本身相继从临近的多相抽提井被抽出；多相抽提井与地上尾水尾气处置系统相连通。

本发明的创新点是：

GTR 产出的高温烟道气主要成分包括氮气、二氧化碳和水蒸汽等，与稠油热采中使用的多元热流体的组成相似。鉴于在稠油开采领域业已证实烟道气或多元热流体具有增溶、降黏、强化蒸馏等强化驱油作用和增强地层渗透性作用，因此本发明开创性地提出基于GTR高温烟道气的多元热流体强化抽提技术，将GTR排出的高温烟道气加压注入地下高渗透性土壤层（饱和或非饱和，以饱和层应用为宜），通过工艺调控实现在线（通过补水）或地下原位（通过加热地下水）生成水蒸汽，调节污染区温度分布，进而提升脱除土壤中有机污染物或NAPL的效果。本发明巧妙结合了 GTR 技术天然产生的高温烟道气这个副产品的固有特性，不仅能够替代传统 SEE、显著提高GTR的热利用效率，而且还解决了高温烟道气排放带来的热能损失和温室气体排放问题。本发明所述的基于GTR高温烟道气的多元热流体强化抽提技术最宜与GTR耦合使用。对于中轻污染区域，此技术还可以与其他原位修复技术联用，灵活方便，进一步提升修复效果、效率。

本发明所提供的利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法的应用场景是：

重污染区的中高渗透地层：饱和层应用-高效驱替热容最高的地下水，强化GTR的加热效果；非饱和层应用则加热、去除污染物的效果更佳；多元热流体强化抽提的对流加热机制（直接和介质接触，接触面积显著大于GTR热传导加热周边土壤的接触面积）显著优于热传导加热，是一种更优的加热方式，因此，可以显著拉远GTR加热井的间距，节能降本效果显著；中轻污染区的高渗透地层：以对流加热方式作为一个重要的补充加热方式，从而显著拉远GTR加热井的间距（比如10m以上）；对于中高渗透地层，尤其在非饱和层应用多元热流体强化抽提技术时无需对多元热流体增压；对于饱和层应用，也只是加热见效所需时间长些而已，因为需要驱替地下水。

Claims (7)

1.一种利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法，其特征在于：所述利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法包括以下步骤：

1）确定目标修复区域，并在目标修复区域的地表做保温阻隔封闭层，在目标修复区域内安装GTR加热井、多元热流体注入井、多元热流体发生器、双螺杆空压机、多相抽提井以及地上尾水尾气处置系统；

2）GTR加热井的高温烟道气从排气口排出，在负压下进入双螺杆空压机入口，增压后进入多元热流体发生器；

3）GTR加热井的高温烟道气在多元热流体发生器内与雾化后的经治理/净化的地下水或补充的净水按设定比例充分混合后形成多元热流体，在压差驱动下通过多元热流体注入井进入地层后与地层土壤或地下水直接接触；

4）多元热流体在目标修复区域内，通过对团聚的或残留吸附在土壤颗粒表面的NAPL的增溶、降黏以及脱附作用，提高NAPL流动能力，同时发挥对污染地下水的驱替作用，以及高温下有机物的降解作用强化对目标修复区域的修复效果；

5）多元热流体与被驱替的地下水、脱附的有机污染物一道被多相抽提井抽出，经地面尾水尾气系统处置后达标排放。

2.根据权利要求1所述的利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法，其特征在于：所述步骤2）中GTR加热井的高温烟道气的温度是400-500℃。

3.根据权利要求2所述的利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法，其特征在于：所述步骤3）中多元热流体注入井是垂直井、斜井、或水平井。

4.根据权利要求3所述的利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法，其特征在于：所述步骤5）中有机污染物包括存在于团聚的或残留吸附在土壤颗粒表面的NAPL、被污染的地下水以及被污染的土壤气相；所述多相抽提井是垂直井、斜井、或水平井。

5.一种用于如权利要求1所述的利用高温烟道气强化污染土壤/地下水修复的方法的装置，其特征在于：所述装置包括GTR加热井、多元热流体注入井、多元热流体发生器、双螺杆空压机、多相抽提井以及地上尾水尾气处置系统；所述GTR加热井、多元热流体注入井以及多相抽提井均从目标修复区域的地表伸向目标修复区域的地层中；所述GTR加热井的烟道气经过双螺杆空压机增压后进入多元热流体发生器；多元热流体发生器将增压后的高温烟道气与雾化的治理后的地下水（或净水）按合适比例混合生成多元热流体；，然后在压差驱动下经多元热流体注入井进入目标修复区域地层内，以注入井为起点向外辐射扩散或驱替；被驱替的NAPL、污染地下水或土壤气，以及多元热流体本身相继从临近的多相抽提井被抽出；所述多相抽提井与地上尾水尾气处置系统相连通。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述多元热流体注入井是垂直井、斜井、或水平井。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述多相抽提井是垂直井、斜井、或水平井。

Images