CN208825190U - 一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利提出一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统，通过使用燃气内燃机所产生的高温烟气和电力给污染土壤进行原位间接加热修复，高温烟气和电阻加热的结合使用，可同时进行烟气热修复和电阻热修复，形成多能互补机制，具有双重保障。

Description

一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统

技术领域

本实用新型属于环境修复领域，具体涉及一种污染土壤原位热修复系统。

背景技术

土壤是生态系统中最基本的要素之一，对人类生存发展具有重要的意义，保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护生态安全的重要内容。当前，我国土壤环境总体状况不容乐观，根据2014年发布的《全国污染土壤状况调查公报》，全国范围内有16.1％的调查位点污染物超标，土壤污染问题日益凸显并已成为当前重要的环境问题之一。

土壤作为环境污染物的源和汇，具有污染物来源广、种类多、新老污染物并存、无机型与有机型污染复合存在的特点。其中，无机污染物以镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍等重金属为主，有机污染物种类繁多，包括甲苯等苯系物、三氯乙烯等卤代烃等挥发性有机污染物和多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药等半挥发性有机污染物等。

从污染控制的角度来看，土壤修复处理技术思路可分为以下两类：(1)去除、降解土壤中的污染物，减少其绝对含量，降低环境风险；(2)改变污染物在土壤中的赋存形态，降低其在环境中的可迁移性与生物可利用性，控制其向动植物、水体、大气中的迁移转化。

多年来对土壤修复处理的研究已经较为成熟，部分技术已得到广泛的工程应用。由于土壤中污染物组成复杂、性质各异，针对各种类型污染物可采用不同的修复处理技术，大体可分为物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术三大类。

物理修复技术包括针对重金属污染的土壤置换、土壤隔离、熔融玻璃化、电动修复等，以及针对有机型污染的热脱附、土壤气相抽提(SVE)等技术。化学修复技术包括针对重金属污染的固化稳定化、土壤淋洗技术，和针对有机污染物的电化学修复、土壤清洗、化学氧化等技术。生物修复则分为微生物修复和植物修复两大类。目前土壤修复工程中，常采用固化稳定化技术修复重金属污染土壤，采用土壤气相抽提、热处理技术修复有机污染土壤。

一种使用生物处理或化学处理方法亦可进行原位土壤修复。通过向地下注入化学反应剂或生物降解介质改善土壤污染环境，但是，此种方法一般投资较高，对于深层土壤且较难将污染土壤污染物降低到达标水平，且可能形成二次污染。

一种原位修复方法使用土壤气相抽提技术(亦称土壤蒸气浸提)利用真空泵在地下土壤中产生负压，促使空气流经污染土壤孔隙，携带挥发性与半会发行污染物从抽气井排出，并在地面进行处置，从而减少土壤中污染物的总量。该技术可以与空气注入技术联用，主要用于修复非饱和区(包气带)的污染土壤，但对于土壤自身的渗透性要求较高，有一定的局限性。

一种原位方法是直接利用电极插入污染土壤进行修复电动力学修复，此种方法在湿环境中进行，需要考虑土壤的污染物的极性，加热温度在100℃左右，修复温度较低，但修复周期较长。

根据土壤修复是否需要开挖土壤，还可将土壤修复技术分为原位修复技术与异位修复技术。一般来说，对于高浓度的污染土壤以异位修复技术为主，修复后一般不可回填继续做土壤使用；对于挥发性有机物污染场地来说，开挖移位运输的过程易导致污染物对环境的二次污染。

实用新型内容

本实用新型专利提出一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统，通过使用燃气内燃机所产生的高温烟气和电力给污染土壤进行原位间接加热修复。

本实用新型提供的技术方案是：

一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统，包括燃气内燃机发电及烟气供应系统、污染土壤电阻加热及烟气加热结合修复系统、污染气体抽提收集及烟气处理系统；燃气内燃机发电及烟气供应系统包括燃气内燃机，发电机，变压器，润滑油冷却器，缸套水冷却器，换热器，注射介质容器，高压注射泵，供电线路、回电线路，注射介质管路，温度及压力测试数据传输，排烟管路，抽提污染物管网；污染土壤电阻加热及烟气加热结合修复系统包括高温辐射套管，U型电阻加热元件，温度或压力测试井，污染物真空抽提井，注射井，烟气排放套管，烟气注射套管，电阻加热器，烟气加热器；污染气体抽提收集及烟气处理系统包括真空抽提泵，高温热氧化器，喷淋式冷凝器，气液分离器，活性炭吸附装置，布袋除尘器，烟气脱硫脱硝装置，排烟烟囱，过滤器，水处理器；

天然气和空气进入燃气内燃机的气缸中燃烧，驱动燃气内燃机活塞做功，活塞驱动与曲轴和连杆相连的发电机，进行发电，所发电力经过变压器可调节供给电阻加热器的功率，控制电阻加热温度，经过变压之后的电力经过供电线路、回电线路分别于接线头电阻加热器接线的正负极相连，燃气内燃机活塞做功后排气，经过排烟管道，进入烟气注射套管注射口，通过换热器与冷却器、缸套水冷却器进行换热，用于换热的介质存在容器中，通过高压注射泵送入注射井中；

需要修复的污染土壤层，含水层，在进行土壤热修复之前，预先使用真空抽提泵抽取污染土壤中的自由水，降低水位线，对于与污染物的化学结合水和土壤颗粒吸湿水，使用加热器进行加热高于水的沸点，实现水的蒸发，在进行热修复土壤区域上部需要使用覆盖层进行密封，

使用声波钻预先打加热井，然后将电阻加热器、烟气加热器插入其中，加热井的直径大于加热器的直径，将加热器放入加热井之后，使用小鹅卵石和砾石，均匀排布在加热器周围，填充加热井的空隙；

同样的使用声波钻预先打井，将污染物真空抽提井插入其中，使用小鹅卵石和砾石填补空隙，

流体介质注射的介质为与换热器换热后的水、空气及反应催化剂，通过高压注射泵打入注射井，

温度及压力测试井，通过使用温度传感器和压力传感器，监测及控制污染土壤层的温度和压力真空度，温度及压力信号通过数据采集及变换装置送入到监控平台进行分析，进而调节烟气加热、电阻加热温度和污染土壤中的真空度；

从真空抽提泵出来的污染物，通过抽提污染物管网传递到高温热氧化器，污染物经过高温热氧化器对污染物进一步氧化分解，气态污染物经过喷淋式冷凝器中进一步冷却降低污染物温度，冷却后的流体进入气液分离器中，将液态的污染物分离出来，然后再通入活性炭吸附装置，从喷淋式冷凝器、气液分离器和活性炭吸附装置中出来的液态污染物，首先进入过滤器，然后进入水处理器中进行处理，从排烟管路出来的烟气和从活性炭吸附装置中出来的气态污染物在布袋除尘器中汇合，降低气体中的尘埃，混合气体通入烟气脱硫脱硝装置，降低气体中的硫化物和硝化物浓度，最后经过排烟烟囱排放达标的气体。

所述烟气加热器包含烟气排放套管、烟气注射套管，烟气从烟气注射套管中注入，其底部开孔，烟气沿着烟气注射管外壁面与烟气排放管内壁面排除，并在其中进行对流换热将高温烟气所携带的热量传递到换热壁面进而传到土壤。

所述电阻加热器包含高温辐射套管、U型电阻加热元件及上部法兰及正负极连接线，高温辐射套管与法兰和加热元件组成的空间为真空区域，U型电阻加热元件内部中心有加热丝，材料为Ni80合金、铁镉镁合金耐高温软化且强电阻热的合金材料；使用氧化镁材料填充。

本实用新型专利提出一种新型的污染土壤原位热修复系统，通过使用燃气内燃机所产生的高温烟气和电力给污染土壤进行原位间接加热修复，高温烟气和电阻加热的结合使用，可同时进行烟气热修复和电阻热修复，形成多能互补机制，具有双重保障。

附图说明

图1是分布式能源的污染土壤原位热修复系统示意图。

图2是显示的是一种烟气井、电加热井和抽提井平面布置方式图。

其中有：

天然气01，空气02，烟气03，供电线路04、回电线路05，注射介质管路06，温度及压力测试数据传输07，排烟08，抽提污染物管网09；

燃气内燃机10，发电机11，变压器12，润滑油冷却器13，缸套水冷却器 14，换热器15，注射介质容器16，高压注射泵17；

污染土壤层20，含水层21，水泥盖板22；

小鹅卵石和砾石30，高温辐射套管31，U型电阻加热元件32，温度或压力测试井33，污染物真空抽提井34，注射井35，烟气排放套管36，烟气注射套管37，电阻加热器38，烟气加热器39；

真空抽提泵40，高温热氧化器41，喷淋式冷凝器42，气液分离器43，活性炭吸附装置44，布袋除尘器45，烟气脱硫脱硝装置46，排烟烟囱47，过滤器48，水处理器49。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。

如图1，一种燃气分布式能源的污染土壤热修复系统，

燃气分布式能源选用燃气内燃机10，天然气01和空气02进入燃气内燃机的气缸中燃烧，驱动燃气内燃机10活塞做功，活塞驱动与曲轴和连杆相连的发电机11，进行发电。所发电力，根据内燃机的大小不同，电压等级可分为0.4kV 和10kV，经过变压器12可调节供给电阻加热器38的功率，控制电阻加热温度。经过变压之后的电力经过供电线路04、回电线路05分别于接线头电阻加热器 38接线的正负极相连。燃气内燃机10活塞做功后排气，排气温度为500℃，经过排烟管道03，进入烟气注射套管37注射口。此时烟气加热温度可以通过空气 02过量系数来调节，还可以通过增减天然气01的流量进行调节。润滑油冷却器 13，缸套水冷却器14是燃气内燃机10的附属部件，通过换热器15与润滑油冷却器13，缸套水冷却器14进行换热，用于换热的介质存在注射介质容器16中，该介质可以为水、反应催化剂或者是空气。通过高压注射泵17送入注射井35 中。注射井中注射水有利于提高地下污染土壤渗透性，和抽提井形成通路；通入空气或者反映催化剂有利于加速土壤污染物的氧化和解析。当为空气使可不使用容器16。

需要修复的污染土壤层20，含水层21。在进行土壤热修复之前，可预先使用真空抽提泵抽取污染土壤中的自由水，降低水位线，可减少天然气的使用节约能源。对于与污染物的化学结合水和土壤颗粒吸湿水，使用加热器进行加热高于水的沸点，实现水的蒸发。在进行热修复土壤区域上部需要使用覆盖层22 进行密封。覆盖层使用水泥，亦可在水泥下面增加一层石棉等隔热材料组成组合的覆盖层。覆盖层有四个作用：1)能够有效阻碍土壤热修复过程中渗透出来的污染物气体，降低二次污染；2)能够进行隔热，防止土壤表面温度过高；3) 能够为加热设备提供支撑平台；4)能够阻碍雨水进入所修复的污染土壤区域。

使用声波钻预先打加热井，然后将电阻加热器38、烟气加热器39插入其中，声波钻所打井的直径大于加热器的直径，将加热器放入所打的井之后，使用小鹅卵石和砾石30，均匀排不在加热器周围，填充加热井的空隙。小鹅卵石和砾石30具有较强的导热性。

烟气加热器39包含烟气排放套管36、烟气注射套管37，烟气从烟气注射套管37中注入，其底部开孔，烟气沿着烟气注射管外壁面与烟气排放管内壁面排除，并在其中进行对流换热将高温烟气所携带的热量传递到换热壁面进而传到土壤。烟气套筒材料推荐使用ND不锈钢，其材料高温极限较高，且耐酸腐蚀能力较强，完全满足烟气的高温及酸腐蚀条件。烟气加热温度在500℃以内。

电阻加热器38包含高温辐射套管31，U型电阻加热元件32及上部法兰及正负极连接线组成。高温辐射套管31材料为310S不锈钢，表面涂黑或粗糙处理，以增强表面热辐射，辐射套管31与法兰和加热元件32组成的空间为真空区域。U型电阻加热元件21内部中心有加热丝，材料可为Ni80合金、铁镉镁合金等耐高温软化且强电阻热的合金材料；使用氧化镁材料填充，氧化镁材料具有电绝缘性和良好的导热性。最外层选择310S不锈钢，能维持材料稳定性，其软化温度为800℃。电阻加热器推荐加热温度为500℃以内。

同样的使用声波钻预先打井，将污染物真空抽提井34插入其中，使用小鹅卵石和砾石30填补空隙。小鹅卵石和砾石30具有较强的流体渗透性。抽提井在污染区域小孔或开槽能够使小孔，能够将加热后的污染物气体或液体渗透到真空抽提井34中。这里所说的真空是指由于真空抽提泵40不断抽吸地下所引起的地下污染土壤区域的真空状态。提高污染土壤的真空度，有利于污染物的解析和脱附，同时方式加热过程气体逸散到空气中。真空抽提井布置与烟气加热井和电阻加热井之间，有时候，由于加热井附近也可以产生污染物，真空抽提井可以在加热井较近的位置。

流体介质注射的介质为与换热器15换热后的水、空气及反应催化剂，通过高压注射泵17打入注射井35。注射井35的结构和抽提井类似，注射井35一般布置在靠近加热井区域。注射水时在热驱动下有利于土壤的渗透，更有利于与抽提井形成通路；注射空气使有利于污染物在高温环境下发生氧化反应，注射反映催化剂时能够加快污染物的分解和脱附效率，改变污染物物质结构。注射井在运行过程中，可以不一直处于运行状态。

温度及压力测试井33，通过使用温度传感器和压力传感器，监测及控制污染土壤层20的温度和压力真空度，温度及压力信号通过数据采集及变换装置送入到监控平台进行分析，进而调节烟气加热、电阻加热温度和污染土壤中的真空度。污染土壤内部温度及压力的测量亦可不测试井，直接插入污染土壤。在进行项目之前，需进行土壤污染物含量的测试，可以使用污染物测试井以确定其位置、污染物浓度和体量。在土壤热修复过程中可检测出真空抽提泵40的流体中污染物的浓度。

以上所述烟气加热井、电阻加热井、注射井、真空抽提井及测试井都使用水泥密封开口处。防止其体从管井外泄漏到大气环境造成二次污染。

从真空抽提泵40出来的污染物气体或者气液混合物，通过污染物管网09 传递到污染物处理系统。污染物气体经过热氧化器41进行对污染物进一步氧化分解。气态污染物经过喷淋式冷凝器42中，进一步冷却降低污染物温度，冷却后的流体进入气液分离器43中，将液态的污染物分离出来。然后再通入活性炭吸附装置44。从喷淋式冷凝器42、气液分离器43和活性炭吸附装置44中出来的液态污染物，首先进入过滤器48，然后进入水处理器49中进行处理，处理后的液体需满足排放要求。从排烟管08出来的烟气和从活性炭吸附装置44中出来的气态污染物在布袋除尘器45中汇合，降低气体中的尘埃，混合气体通入烟气脱硫脱硝装置46，降低气体中的硫化物和硝化物浓度，最后经过排烟烟囱47 排放达标的气体。另外，以上只列出污染物处理方式的一种情况，对于含有不含烃类可燃性的污染物，可以使用换热器及冷凝器直接冷凝，然后进行后续处理，省去高温热氧化步骤。

如图2所示，表示的为一种电阻加热井38、烟气加热井39和真空抽提井 34之间平面布置方式。抽提井布置于加热井中间。加热井之间的距离为3～8m，距离越近就越有利于快速修复污染场地。

本实用新型技术可应用于烃类化合物及其衍生物的污染土壤修复，适应于挥发性、半挥发性及难挥发性的污染物，同时对一些沸点低的重金属污染物也可以应用。

Claims (3)

1.一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统，其特征在于，包括燃气内燃机发电及烟气供应系统、污染土壤电阻加热及烟气加热结合修复系统、污染气体抽提收集及烟气处理系统；燃气内燃机发电及烟气供应系统包括燃气内燃机(10)，发电机(11)，变压器(12)，润滑油冷却器(13)，缸套水冷却器(14)，换热器(15)，注射介质容器(16)，高压注射泵(17)，供电线路(04)、回电线路(05)，注射介质管路(06)，温度及压力测试数据传输(07)，排烟管路(08)，抽提污染物管网(09)；污染土壤电阻加热及烟气加热结合修复系统包括高温辐射套管(31)，U型电阻加热元件(32)，温度或压力测试井(33)，污染物真空抽提井(34)，注射井(35)，烟气排放套管(36)，烟气注射套管(37)，电阻加热器(38)，烟气加热器(39)；污染气体抽提收集及烟气处理系统包括真空抽提泵(40)，高温热氧化器(41)，喷淋式冷凝器(42)，气液分离器(43)，活性炭吸附装置(44)，布袋除尘器(45)，烟气脱硫脱硝装置(46)，排烟烟囱(47)，过滤器(48)，水处理器(49)；

天然气(01)和空气(02)进入燃气内燃机的气缸中燃烧，驱动燃气内燃机(10)活塞做功，活塞驱动与曲轴和连杆相连的发电机(11)，进行发电，所发电力经过变压器(12)可调节供给电阻加热器(38)的功率，控制电阻加热温度，经过变压之后的电力经过供电线路(04)、回电线路(05)分别于接线头电阻加热器(38)接线的正负极相连，燃气内燃机(10)活塞做功后排气，经过排烟管道(03)，进入烟气注射套管(37)注射口，通过换热器(15)与冷却器(13)、缸套水冷却器(14)进行换热，用于换热的介质存在注射介质容器(16)中，通过高压注射泵(17)送入注射井(35)中。

2.根据权利要求1所述的一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统，其特征在于，所述烟气加热器(39)包含烟气排放套管(36)、烟气注射套管(37)，烟气从烟气注射套管(37)中注入，其底部开孔，烟气沿着烟气注射管外壁面与烟气排放管内壁面排除，并在其中进行对流换热将高温烟气所携带的热量传递到换热壁面进而传到土壤。

3.根据权利要求1所述的一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统，其特征在于，所述电阻加热器(38)包含高温辐射套管(31)、U型电阻加热元件(32)、上部法兰及正负极连接线，高温辐射套管(31)与法兰和U型电阻加热元件(32)组成的空间为真空区域，U型电阻加热元件(32)内部中心有加热丝。