CZ31272U1 - Zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží - Google Patents

Description

Technické řešení je technologickým prvkem doplňujícím stávající systémy používané pro in-situ sanace horninového prostředí znečištěného průmyslovými aktivitami. Zařízení umožňuje přímou aplikaci mikrovlnného ohřevu v ohnisku znečištění za účelem zvýšení účinnosti odstranění kontaminantů. Aplikací mikrovlnného ohřevu v různé hloubce nesaturované, nebo saturované zóny dojde k mobilizaci kontaminantů z vnitřní struktury horniny do parní či kapalné fáze, což pomůže účinné extrakci kontaminantů spolu s půdním vzduchem, resp. podzemní vodou. Zařízení lze aplikovat v prostředí s různým geochemickým složením znečištěným těkavými nebo málo těkavými organickými látkami, mezi něž řadíme např. organická chlorovaná či aromatická rozpouštědla, organické směsi ropného původu (paliva, maziva), polycyklické aromatické uhlovodíky nebo polyhalogenované perzistentní kontaminanty.

Dosavadní stav techniky

Řešení starých ekologických zátěží, stejně jako rychlá likvidace současných ekologických havárií, patří mezi prioritní oblasti technické péče o životní prostředí. Obtížně odstranitelné z horninového prostředí jsou zejména málo těkavé organické látky, např. polycyklické aromatické uhlovodíky nebo perzistentní polutanty, při jejichž odstraňování některé dostupné sanační techniky ve svém účinku selhávají nebo se neúměrně prodražují.

Pro zvýšení výkonnosti běžných in-situ sanačních technologií, založených na odčerpávání kontaminovaného půdního vzduchu či podzemní vody, lze využít tepelnou energii. Při zvýšení teploty kontaminovaného materiálu narůstá mobilita (těkavost, rozpustnost ve vodě) kontaminantů, což významně urychluje a zefektivňuje jejich odstranění z horninového prostředí. Z procesů využívajících ohřevu matrice je známá především ex-situ technologie termické desorpce, nicméně ve světě se používá i řada metod pro in-situ aplikace tepelné energie v kontaminovaných oblastech, např. využívající vyhřívané vrty, vtláčení horké páry nebo vzduchu do podloží nebo aplikace odporového ohřevu. Použití těchto technik s sebou přináší vysoké provozní náklady, řadu rizik a technických problémů, které jejich uplatnění a rozšíření v praxi limitují.

Efektivnějším nástrojem, jak vyhřát znečištěný materiál, je pak aplikace mikrovlnného ohřevu, jež je důsledkem interakce elektromagnetického vlnění o frekvenci nejčastěji 2,45 GHz s kapalnými nebo pevnými materiály. Tato interakce umožňuje objemový ohřev matrice, jenž napomáhá rychlejšímu a efektivnějšímu dosažení zvýšené teploty v materiálu.

Princip využití mikrovlnného ohřevu pro účely termické desorpce kontaminantů ze zeminy je předmětem několika patentů, např. US 5532462, příp. mobilní zařízení využívající tohoto principu je v ČR chráněno užitným vzorem CZ 26360 Ul. Tento způsob sanace kontaminovaných území však vyžaduje odtěžbu často obrovského množství materiálu, jeho následnou předúpravu, přepravu a dávkování, což proces finančně značně zatěžuje. Využití mikrovlnného ohřevu přímo při in-situ dekontaminaci je z tohoto pohledu vzhledem kjeho vlastnostem racionální způsob, jak sanační práce zefektivnit. Tímto způsobem řešení pro podpovrchové kontaminace se zabývají patenty WO 9408739, WO 03074204, US 5449889 nebo JP 2006150157. Techniku potřebnou k aplikaci mikrovln in-situ popisují v ČR užitný vzor CZ 27238 Ul, kde se mikrovlnný ohřev používá pro povrchové znečištění, a také užitné vzory CZ 29176 Ul a CZ 29933 Ul popisující odlišné technické řešení aplikace mikrovlnného ohřevu v horninovém prostředí. Tyto vzory se zaměřují na technické řešení vlnovodu, zatímco nově popsané zařízení rozvíjí potřebnou techniku zejména s ohledem na řešení aplikátoru mikrovln v horninovém prostředí a dalších důležitých prvků této techniky. Popsané inovativní řešení zajistí homogenní aplikaci mikrovln v horninovém prostředí v delším časovém horizontu, zároveň zavádí nové prvky podporující šíření tepla do okolí aplikačního vrtu.

-1 CZ 31272 Ul

Podstata technického řešení

Zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží slouží pro přímou aplikaci mikrovln v horninovém prostředí umožňující účinnější sanaci kontaminovaného území. Sanace ekologické zátěže s využitím tohoto technického řešení spočívá v použití jakékoli běžné stávající sanační techniky založené na čerpání půdních médií z horninového prostředí, jejíž účinnost je aplikovaným mikrovlnným ohřevem významně zvýšena, což v důsledku sanační práce urychluje a zefektivňuje. Takovéto zařízení umístěné v aplikačním vrtu, nebo s výhodou více zařízení ve více aplikačních vrtech, je efektivně zavedeno do soustavy vrtů využívaných k sanaci na dané lokalitě. Aplikovaným mikrovlnným ohřevem je posléze postupně vyhřátá znečištěná matrice v horninovém prostředí a čerpacími vrty je odtud následně čerpáno medium (vzduch či voda) obsahující zvýšené množství kontaminantů. V zasažené oblasti horninového prostředí jsou tak rychleji dosaženy sanační limity.

Technické řešení tohoto zařízení je založeno na technice potřebné ke generování a vedení mikrovln a speciálně navrženém aplikátoru, pomocí něhož dochází k potřebné interakci mikrovlnného záření s exponovanou matricí, v jejímž důsledku se matrice ohřeje. Všechny součásti zařízení aplikující mikrovlnné záření do horninového prostředí jsou společně bezpečně propojeny. Zařízení umožňuje odvod par vznikajících v průběhu mikrovlnného ohřevu horninového prostředí v blízkém okolí aplikačního vrtu a zároveň umožňuje aplikaci vody, vzduchu nebo jejich směsi do aplikátoru pro podporu konvektivního šíření tepla v jeho okolí. Výstup ze zařízení pro páry vyžaduje propojení systémem potrubí s navazující technikou čištění od plynů, jejíž provedení již nepatří do tohoto technického řešení, stejně tak jako technika aplikace vody a vzduchu do zařízení. Popsané zařízení vyžaduje pro svou funkci zdroj elektrické energie a zdroj chladicí vody pro mikrovlnný generátor, vedle toho pro uplatnění své podpůrné funkce pri sanacích ekologických zátěží musí být umístěno v efektivní blízkosti funkčních čerpacích (např. ventingových) vrtů, které umožní odstranění organické kontaminace z horninového prostředí po jejím ohřevu. Instalace zařízení předpokládá za použití běžné vrtné techniky vyhloubení aplikačního vrtu o dostatečném průměru a o hloubce, kde je na lokalitě předpokládáno ohnisko výskytu znečištění.

Zařízení pro aplikaci mikrovlnného záření obsahuje mikrovlnný generátor o frekvenci 2,45 GHz a výkonu 2 až 6 kW, který umožňuje plynulou regulaci aplikovaného výkonu mikrovln a měření výkonu odraženého záření. Tento generátor je umístěn v ochranném boxu na zemském povrchu nad aplikačním vrtem, v ochranném boxu je umístěna také potřebná ovládací a měřicí technika. V ochranném boxu jsou veškeré citlivé elektrotechnické součásti ochráněny proti změnám venkovní teploty a vlhkosti vzduchu. Ochranný box je zevnitř tepelně izolován, zatěsněn proti vniknutí vody a výměně vzduchu a opatřen výkonnou klimatizací a elektrickou třífázovou přípojkou.

Generované mikrovlnné záření je nad povrchem z mikrovlnného generátoru vedeno do tuneru. Pomocí tuneru lze v průběhu aplikace mikrovln tlumit odraženou energii a snížit tak energetické ztráty a mikrovlnný ohřev zefektivnit. Mikrovlny jsou vedeny dále vlnovodem obdélníkového průřezu pod povrch do speciálně navrženého aplikátoru mikrovln. Vlnovod je na vstupu mikrovln z tuneru zatěsněn teflonovou nebo křemennou těsnicí destičkou. Tato těsnicí destička zabraňuje vniknutí par do mikrovlnného generátoru. Nad povrchem je vlnovod opatřen prostupem vzduchu. Rozměry prostupu vzduchu musí efektivně zabraňovat úniku mikrovln do okolního prostředí. Aplikátor umístěn vertikálně na dně vyhloubeného aplikačního vrtu slouží pro bezpečnou interakci mikrovln s matricí. Jeho technické řešení vychází z požadavků na mechanickou a tepelnou odolnost a na efektivitu při aplikaci mikrovln v horninovém prostředí. Prostor aplikátoru má tvar válce o výšce 1 až 2 m. Jeho spodní podstava je tvořena kovovou deskou, svrchní podstava pak kovovou obručí, na níž je položena průchodka vlnovodu z kovové síťoviny. Průchodka zabraňuje šíření mikrovln mimo prostor aplikátoru, ale je zároveň propustná pro tekutiny. Středem průchodky a kovové obruče prochází vlnovod do prostřední třetiny výšky aplikátoru. Tento systém umožňuje při instalaci zařízení do aplikačního vrtu snadné a bezpečné zavedení vlnovodu do aplikátoru. Boční stěny aplikátoru jsou tvořeny pouze skelnou izolací, jež je transparentní pro

-2CZ 31272 Ul mikrovlny. Obě podstavy válce aplikátoru jsou vzájemně připevněny pomocí 2 až 5 kovových nosných tyčí umístěných po obvodu podstav.

Nad prostorem aplikátoru je umístěna kovová zárubnice. V jejím středu je umístěn vlnovod a vzniklý prostor mezi stěnami vlnovodu a kovovou zárubnicí umožňuje transport různých tekutin mezi prostorem aplikátoru a zemským povrchem. Tímto prostorem mohou být buď odváděny páry produkované mikrovlnným ohřevem v bezprostředním okolí aplikátoru, nebo může být do prostoru zaváděn vzduch či voda. Na zemském povrchu je kovová zárubnice uzavřena víkem s prostupem vody a prostupem plynného média, jímž je buď odcházející pára, nebo vstupující vzduch.

Výhody uvedeného technického řešení spočívají v rychlé a účinné dekontaminaci znečištěného území bez nutnosti vytěžení kontaminovaného materiálu a jeho úpravy, příp. následného zpracování. Mikrovlnný ohřev je ve srovnání s klasickým způsobem ohřevu rychlejší, lze jím teplo přesněji zacílit do kontaminované zóny a snižuje ztráty energie, čímž lze dosáhnout nezanedbatelné úspory a zemina se ohřeje do větší vzdálenosti od aplikačního vrtu s nižším teplotním gradientem, lze tak dekontaminovat větší množství materiálu s nižší teplotní zátěží. Výhodou tohoto technického řešení je také modulární provedení, kdy aplikací vyššího počtu těchto zařízení lze dekontaminovat rozsáhlejší území. Instalace kompletního technického řešení je po vyhloubení vrtu specialistou snadná, stejně tak deinstalace a přemístění techniky na další lokalitu. Speciální otevřený aplikátor, jehož použití je jednorázové, je zhotoven z levných materiálů a nenáročný na výrobu. Vyhřátý materiál po ukončení aplikace mikrovln postupně zchladne a průsaky deště umožní brzy dosáhnout původních fyzikálních vlastností zeminy.

Objasnění výkresu

Součásti zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží jsou schematicky objasněny na přiloženém výkresu, kde je na Obr. 1 znázorněn příklad technického řešení.

Příklad uskutečnění technického řešení

Po připravení aplikačního vrtu o průměru 170 mm do hloubky 3 m je na jeho dno vloženo zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu. Zařízení zahrnuje aplikátor 5 o tvaru válce s výškou 1 m. Spodní podstavu aplikátoru 5 tvoří kovová deska 10, svrchní podstavu kovová obruč 11 spojená s kovovou deskou 10 čtyřmi nosnými tyčemi 13 obalenými skelnou izolací 14. Aplikační vrt je nad prostorem aplikátoru vystrojen 2,2 m dlouhou kovovou zárubnicí 6 tak, aby přečnívala 20 cm nad zemský povrch 20. Středem průřezu aplikátoru 5 a kovové zárubnice 6 je nad zemský povrch 20 veden vlnovod 4. Vlnovod 4 je vyrobený z hliníkové slitiny o vnějším obdélníkovém průřezu s rozměry 5x10 cm a délce 2,7 m. Ve svrchním otvoru nad zemským povrchem 20 je zatěsněn teflonovou těsnicí destičkou 15, opatřen prostupem 16 vzduchu z boku 5 cm pod homí přírubou o průměru 1/8 a délce 3 cm a průchodkou 12 z kovové síťoviny. Umístění průchodky 12 zajišťuje zasunutí vlnovodu 4 do aplikátoru 5 přesně 40 cm pod svrchní kovovou obručí 1L Kovová zárubnice 6 je uzavřena víkem 17 na jejím konci vyčnívajícím nad zemským povrchem 20. Víko 17 obsahuje prostup 18 vody o průměru 1/8 a délce 3 cm a prostup 19 plynného média. Prostup 19 plynného média má průměr 5/4 a délku 10 cm a je hadicí připojen k T-kusu spojeným systémem ventilů s výstupem z ventilátoru a se systémem čištění od plynů, který je založený na kondenzaci a adsorpci těkavých kontaminantů. Na vlnovod 4, jehož příruba je zavěšená za dno ochranného boxu 3, je těsně připevněný manuální tříšroubový tuner 2. Na tuneru 2 je připevněn průmyslový mikrovlnný generátor 1 s maximálním výkonem 6 kW a frekvencí 2,45 GHz. Kovový ochranný box 3 obsahuje mikrovlnný generátor I, klimatizaci 8, rozvaděč s třífázovou elektrickou přípojkou 9 s voltampérovou charakteristikou 380 V/32 A a ovládací a měřicí techniku 7. Ovládací a měřicí technika 7 se skládá z PC pro ovládání mikrovlnného generátoru 1 s odpovídající softwarovou výbavou a ze systému měření teploty, jehož základ tvoří převodníky propojené se senzory z okolních vrtů.

Tri ventingové vrty pro odsávání kontaminovaného půdního vzduchu jsou rovnoměrně rozmístěné v okolí aplikačního vrtu vždy ve vzdálenosti 2 m od jeho středu. V prostoru mezi ventingo-3 CZ 31272 Ul vými vrty a aplikačním vrtem jsou umístěny tři teplotní monitorovací vrty ve vzdálenosti 30, 75 a 100 cm od aplikačního vrtu. Vyhřívané horninové prostředí je tvořeno antropogenní navážkou s kontaminací ropnými uhlovodíky hodnocenými na základě parametru C10-C40 s počáteční koncentrací až 3000 mg/kg.

Po dvou měsících provozu s kontinuálně aplikovaným výkonem mikrovln 5 až 6 kW s odraženou energií udržovanou do 10 % se měřená teplota v monitorovacích vrtech pohybovala vždy nad 100 °C, přičemž teplota s rostoucí vzdáleností od aplikačního vrtu klesá, teplota ve ventingových vrtech se tedy pohybovala mezi 50 až 60 °C. Tento nárůst teploty ve vymezeném sanovaném horninovém prostředí zajistil dle analýz vzorků zemin odebraných po ukončení mikrovlnného ohřevu vymezeného prostoru více než 95% účinnost dekontaminace, kdy byly koncentrace uhlovodíků C10-C40 ve všech vzorcích pod sanačním limitem. S využitím tohoto zařízení lze tedy během 2 měsíců bez nutnosti od těžby dekontaminovat přibližně 501 materiálu, v případě aplikace většího počtu zařízení v efektivní soustavě se dekontaminační výkon zvýší včetně energetické účinnosti provozu z důvodu relativně nižších ztrát energie na tunu zeminy. Měření elektromagnetického záření v okolí zařízení během provozu prokázalo vysokou bezpečnost s ohledem na hygienické normy.

Průmyslová využitelnost

Popsané zařízení představuje inovativní sanační techniku, kterou lze aplikovat v místech, kde se vyskytuje lokální podpovrchová kontaminace v nesaturované ěi saturované zóně horninového prostředí. Mezi typické lokality pro aplikaci uvedeného zařízení patří staré ekologické zátěže jako např. současné a bývalé průmyslové areály nebo vojenské a zemědělské objekty, které jsou kontaminované nebezpečnými organickými těkavými a málo těkavými látkami. Do cílových polutantů se řadí zejména různé ropné produkty, organické pesticidy či polycyklické aromatické uhlovodíky.

Claims (6)

1. Zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží, vyznačující se tím, že je tvořeno mikrovlnným generátorem (1), tunerem (2), ochranným boxem (3), vlnovodem (4), aplikátorem (5) a kovovou zárubnicí (6).

2. Zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží podle nároku 1, vyznačující se tím, že mikrovlnný generátor (1) generuje mikrovlny o frekvenci 2,45 GHz a výkonu 2 až 6 kW s výstupem do tuneru (2), umožňuje regulovat aplikovaný výkon mikrovln a měřit výkon odraženého záření a je umístěn v ochranném boxu (3).

3. Zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že ochranný box (3) je zevnitř tepelně izolován a obsahuje ovládací a měřicí techniku (7), zvnějšku je zatěsněn a opatřen klimatizací (8) a elektrickou třífázovou přípojku (9).

4. Zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží podle nároku 1, vyznačující se tím, že aplikátor (5) je vertikálně uložen na dně vrtu, má tvar válce o výšce 1 až 2 m, jehož spodní podstavu tvoří kovová deska (10), svrchní podstavu tvoří kovová obruč (11) s průchodkou (12) vlnovodu (4) z kovové síťoviny, obě podstavy jsou spojeny po obvodu 2 až 5 nosnými tyčemi (13) a plášť je tvořen skelnou izolací (14).

5. Zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží podle nároku la4, vyznačující se tím, že vlnovod (4) je vertikálně umístěn ve vrtu a propojuje tuner (2) s aplikátorem (5), na vstupu mikrovln je opatřen teflonovou nebo křemennou těsnicí destičkou (15), výstup mikrovln je zaveden skrz kovovou obruč (11) pomocí průchodky

-4CZ 31272 Ul (12) vlnovodu (4) do prostřední třetiny výšky aplikátoru (5) a nad zemským povrchem (20) je opatřen prostupem (16) vzduchu.

6. Zařízení pro aplikaci mikrovlnného ohřevu při in-situ sanacích ekologických zátěží podle nároku la4, vyznačující se tím, že kovová zárubnice (6) je umístěna mezi kovovou

5 obručí (11) aplikátoru (5) a zemským povrchem (20), kde je opatřena víkem (17) s prostupem (18) vody a prostupem (19) plynného média.

1 výkres

Seznam vztahových značek:

1 mikrovlnný generátor 11 kovová obruč 2 tuner 12 průchodka vlnovodu 3 ochranný box 13 nosné tyče 4 vlnovod 14 skelná izolace 5 aplikátor 15 těsnici destička 6 kovová zárubnice 16 prostup vzduchu 7 ovládací a měřicí technika 17 víko 8 klimatizace 18 prostup vody 9 třífázová elektrická přípojka 19 prostup plynného média 10 kovová deska 20 zemský povrch