KR100925129B1 - 열적으로 강화된 토양 정화 방법 - Google Patents

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Abstract

오염된 토양(102)에서 오염물질을 제거하는 방법이 제공된다. 본 방법은 증기 추출 웰(202)에서 증기를 배출하고, 증기 추출 웰에서 배출된 증기로 오염된 토양(102)에서 제거된 수증기의 양을 추정하며, 추정되는 수증기의 양을 증발시키는 것보다 크지 않은 속도로 복수의 히터 웰(203)에서 오염된 토양에 열을 가하는 것을 포함할 수 있다. 토양의 투과성은 가열로 증가될 수 있다. 6개 이상의 열 주입 웰이 각 증기 추출 웰에 제공될 수 있고, 열 주입 웰이 증기 추출 웰(202) 주위에 규칙적 패턴으로 놓이고 전류가 공급될 수 있으며, 각 증기 추출 웰 주위에 히터의 다중 링을 포함할 수 있다.

Description

열적으로 강화된 토양 정화 방법{THERMALLY ENHANCED SOIL DECONTAMINATION METHOD}
본 발명은 일반적으로 토양 복원 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시형태는 처리 영역 내의 토양오염을 안전하게, 효과적으로 그리고 경제적으로 제거 또는 줄이기 위해 처리 영역 내에 토양 복원 웰을 설치하고 작동시키는 것에 관한 것이다.
HERON G 등의 "염소화 용제의 강화된 복원을 위한 토양 가열 : 트리클로로메틸렌으로 오염된 미사, 저투과성 토양에서의 저항 가열 및 증기 추출에 대한 실험실 연구"( 환경 공학 및 기술, 미국 화학 협회, 이스턴, 팬실배니아주, 미국, vol. 32, no.10, 1998년 5월 15일, p.1474 - 1481, SP000751672 ISSN:0013-936X )에서, 토양의 저항 가열 및 증기 추출에 의한 토양에서 염소화 탄화수소를 제거하기 위한 실험 장비 및 검사가 개시되어 있다.
미국 특허 No. 5,360,067 에서, 토양에서 오염물질을 제거하기 위한 연소가스의 오염된 토양으로의 주입 및 유전체 가열이 개시되어 있다.
WO 98/52704 에서, 토양에서 오염물질을 제거하기 위해 증발한 생성물을 다른 수평 도관에서 제거하면서 메몰된 수평 파이프를 통해 연소가스를 통과시켜 가열하는 것이 제안되었다.
DE 19648929 에서, 곡분 중심 및 지표면 쪽으로 음의 온도 구배를 갖는 온도 곡분( temperature trough )이 형성되는 방법이 제안되었다. 온도 곡분은 오염물질의 제거를 이루기 위해 지표면쪽으로 향한다.
DE 19824930 에서, 휘발성 성분을 동원하기 위해 표면 전극을 이용하는 고주파 전기에너지로써 토양을 가열한 후 휘발성 성분을 흡입하여 제거하는 것이 제안되었다.
토양 오염이, 많은 지역에서 중요한 걱정거리가 되었다. "토양"은 땅에 통합되지 않은 물질과 통합된 물질을 가리킨다. 토양은 먼지, 모래 및 바위와 같은 천연 구성 물질뿐만 아니라 충전재와 같은 다른 물질을 포함할 수 있다. 토양은 화학적, 생물학적 그리고/또는 방사능 오염물질로 오염될 수 있다. 토양의 오염은 재료 유출, 저장용기에서의 누출, 매립 누출 등의 다양한 방식으로 발생할 수 있다. 상기 오염물질이 대수층 또는 공기 중으로 옮겨간다면 추가적인 공중 위생 문제가 발생할 것이다. 또한 토양 오염물질은 먹이사슬에서의 다양한 종의 생체축적을 통해 식품 공급으로 확산될 수 있다.
오염된 토양을 복원하는 많은 방법이 존재한다. "토양의 복원"은 토양 오염물질을 제거하거나 또는 토양 내 오염물질을 줄이기 위해( 용인될 수 있는 정도로 ) 토양을 처리하는 것을 의미한다. 오염된 지역을 복원하는 방법은 토양내 오염물질을 제거 또는 줄이기 위해 토양을 굴착하고 개별 처리 설비로 처리한다. 이러한 방법에 따른 많은 문제점으로 인해 사용과 효과가 제한될 수 있다. 예를 들면, 굴착시 발생하는 먼지로 주변 환경과 작업자가 토양 오염에 노출된다. 또한, 적은 오염 지역을 효과적으로 처리하기 위해서 수 톤의 토양을 굴착할 필요가 있다. 장비, 노동력, 운송 그리고 처리 비용으로 인해 상기 방법이 다른 토양 복원 방법에 비해 엄청나게 비싸게 될 수 있다.
또한 생물학적 처리 및 현장( in situ ) 화학적 처리도 토양 복원에 사용될 수 있다. 생물학적 그리고/또는 화학적 처리에서는, 물질이 토양 내 오염물질을 이동시키거나 반응하도록, 토양에 물질이 주입될 수 있다. 생물학적 또는 화학적 처리시 주입된 물질은, 토양 오염물질과 반응하여 오염시키지 않는 반응 생성물을 생성하는 반응물일 수 있다. 반응 생성물 중 몇몇은 휘발성일 수 있다. 이 반응 생성물은 토양에서 제거될 수 있다.
화학적 처리시 주입된 물질은, 토양에서 오염물질을 제거하는 추출 웰 쪽으로 오염을 유도하기 위한 구동유체일 수 있다. 구동유체는 증기, 이산화탄소, 또는 다른 유체일 수 있다. 그러나, 토양 불균질과 다른 요소가 생물학적 처리 그리고/또는 화학적 처리 이용시 토양 내 오염물질 레벨의 균일한 환원을 방해할 수 있다. 더욱이, 유체 주입으로 인접한 토양으로 오염물질이 옮겨갈 수 있다.
토양 증기 추출( SVE )은 지하 토양에서 오염물질을 제거하는데 사용가능한 방법이다. SVE 동안, 지하 토양을 통해 공기를 배출하는데 약간의 진공이 사용된다. 진공은 토양/공기 계면에서 또는 토양 내 진공 웰을 통해 가해질 수 있다. 상기 공기는 진공원 쪽으로 휘발성 오염물질을 동반하여 운반할 수 있다. 진공에 의해 토양에서 제거된 발생가스( off-gas )는 토양 내에 있던 오염물질을 포함할 수 있다. 상기 발생가스는 처리 설비에 운송될 수 있다. 토양에서 제거된 발생가스는, 발생가스 내의 오염물질을 제거 또는 줄이기 위해 처리 설비 내에서 처리될 수 있다. SVE 에 의하면, 토양을 옮기거나 심하게 훼손하지 않고 토양에서 오염물질을 제거할 수 있다. 예를 들면, SVE 는 도로, 연못 그리고 다른 고정된 구조물에서 실시될 수 있다.
지하 토양의 투과성으로 SVE 의 효율이 제한될 수 있다. 공기와 증기가 주로 토양의 고투과성 영역을 통해 지하 토양을 관류할 수 있다. 공기와 증기는, 토양에 비교적 많은 양의 오염물질이 잔존할 수 있는 토양의 저투과성 영역을 우회할 수 있다. 고투과성 영역과 저투과성 영역은 예를 들면 토양 내 습기, 층상의 토양층 및 분쇄와 물질 불균질로 특정될 수 있다.
물이 토양 내에 존재할 수 있다. 일부 토양 내 특정 레벨로, 토양 내 공극이 물로 포화된다. 이 레벨은 포화대 (saturation zone) 로서 알려져 있다. 상기 포화대 위의 불포화대 (vadose zone) 에서, 토양 내 공극은 물과 가스로 채워져 있다. 불포화대와 포화대 사이의 계면은 지하수면으로 알려져 있다. 지하수면의 깊이는 포화대의 깊이를 가리킨다. 포화대는 반투수층에 의해 제한될 수 있다. 반투수층은 물의 이동을 제지하는 토양의 저투과성층이다.
수분저류로 인해 감소된 공기 투과성으로 인해, SVE 토양 복원시 유동 공기가 토양 내 오염물질과 접촉하는 것이 제지될 수 있다. 토양의 탈수로 수분저류 문제를 부분적으로 해결할 수 있다. 토양은 지하수면을 낮춤으로써 그리고/또는 진공 탈수 기술을 이용함으로써 탈수될 수 있다. 이 방법들은 공기 유동이 가능하도록 토양의 기공을 여는데 효과적인 방법이 아닐 수 있다. 지하수면이 낮아질 때, 모세관력 (capillary force) 이 토양에서 물이 제거되는 것을 제지할 수 있다. 지하수면이 낮아지면 습한 토양이 발생할 수 있고, 이는 공기 전도성을 제한할 수 있다.
진공 탈수 기술은 실천적 제한을 갖는다. 진공 탈수 기술시 생성되는 진공은 탈수 웰에서 거리가 증가함에 따라 급속히 줄어든다. 진공 탈수의 사용은 토양에 수분저류를 크게 줄일 수 없다. 또한, 이 방법에서는 탈수 웰에 인접하는 공기 전도용 바람직한 통로가 형성될 수 있다.
많은 종류의 토양은 고투과성 층과 저투과성 층이 교대로 배열된 수평층에 의해 특징지워 진다. 층상 토양의 일반적인 예로는, 얇은 미사층과 모래층이 교대로 형성된 것을 특징으로 하는 호성층이 있다. 그러한 층에 SVE 를 실시하려 하면, 실질적으로 모래층을 통과하고 미사층을 우회하는 공기 유동이 발생한다.
토양에는 불균질이 존재할 수 있다. 공기와 증기가 자갈층과 같은 불균질 토양의 특정 영역 또는 층을 바람직하게 관류한다. 공기와 증기는 점토 층과 같은 불균질 토양의 다른 영역 또는 층을 관류하기는 힘들 것이다. 또한, 예를 들면, 공기와 증기는 잘 압축되지 않은 충전제의 보이드 (void) 를 바람직하게 관류한다. 공기와 증기는 잘 압축된 충전재를 관류하기는 힘들 것이다. 충전재 내의 매몰된 파편이 공기의 토양 관류를 방해할 수 있다.
토양 오염의 몇몇 성분은 유독성일 수 있다. 그러한 토양 오염은 수은, 디메틸 수은과 같은 수은 함유 화합물, 플루토늄과 같은 방사성 물질, 휘발성 유독 화합물, 및 이들의 합성물을 포함할 수 있다. 토양 오염의 위치와 정도를 확인하기 위한 웰의 설치 또는 적극적 검사 절차의 사용은, 상기 웰 또는 검사 절차의 설치 및 사용시 주위 환경과 작업자가 오염된 증기, 먼지 또는 다른 형태의 오염에 노출되지 않음을 보장하기 위한 특별한 조치가 요구될 수 있다. 그러한 조치는, 환경으로 오염물질의 누출을 막기 위해 작업시 생성되는 먼지 또는 증기를 인클로저 내에 두는 것, 인클로저 내 공기를 대기 중으로 방출하기 전에 처리하여 오염물질을 제거하거나 줄이는 것, 작업자가 적절한 보호 의복을 착용하는 것, 그리고/또는 작업자가 적절한 호흡용 필터 또는 개별 공기 공급원을 구비하는 것을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.
몇몇의 경우에 있어, 오염된 토양에서 일부 오염물질의 제거는 비현실적일 수 있지만, 다른 오염물질의 제거는 바람직할 수 있다. 예를 들면, 방사능 물질로 오염된 토양은 또한 수은, 수은 함유 화합물, 탄화수소, 염소화 탄화수소 등의 다른 오염물질로 오염될 수 있다. 방사능 물질의 제거는 불가능 또는 비현실적일 수 있지만, 그러한 오염이 토양을 통해 다른 지역으로 퍼지는 것을 막기 위해 토양 내의 다른 오염물질을 제거하거나 줄이는 것은 바람직할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시형태의 목적은, 현장 가열 및 증기 추출에 의해 오염물질이 초기 위치에서 퍼지지 않으면서 토양으로부터 휘발성 오염물질을 제거하는 효과적인 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
현장 열탈착( "ISTD" ) 토양 복원 시스템이 처리 지역 내의 오염된 토양을 복원하는데 이용될 수 있다. ISTD 토양 복원 시스템에서는, 히터 웰이 토양을 가열하여 토양에 포함되어 있는 오염물질을 흡수하거나 또는 흡수하고 파괴하는데 사용될 수 있다. 토양 복원 시스템은 토양에서 발생가스를 제거하는 다수의 증기 추출 웰 ("추출 웰"로 불리기도 함) 그리고/또는 히터-증기 추출 웰 ("히터-추출 웰"로 불리기도 함) 을 포함할 수 있다. 토양은 히터-증기 추출 웰에 의해 그리고 히터 웰 웰에 의해 가열될 수 있다. 히터 웰은 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰 주위에 링형으로 배치될 수 있다. 처리지역 내에 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰의 설치 및 작동으로, 다른 이용가능한 토양 처리 시스템보다 상당한 경제적 이점을 누리면서 처리지역 내 토양 오염의 감소가 가능하다. 히터 웰, 증기 추출 웰, 그리고/또는 히터-증기 추출 웰은 토양 내 양압 (positive pressure) 의 생성을 피하기 위해 연속하여 작동될 수 있다. 토양 내 양압에 의해, 처리지역의 오염이 퍼질 수 있다.
토양 복원 시스템 실시형태는 복수의 히터 웰과 하나 이상의 증기 추출 웰을 포함할 수 있다. 실시형태는 처리지역을 규정하기 위해 배리어를 포함할 수 있고, 이로써 복원될 토양의 체적이 한정된다. 배리어는 처리지역의 경계를 부분적으로 또는 완전히 규정할 수 있다. 배리어는 처리지역 내 토양으로 물이 재충전되는 것을 막을 수 있다. 또한, 배리어는 인접한 지역으로 유체가 처리지역에서 벗어나는 것을 막을 수 있다. 배리어는 토양에 삽입된 시트, 그라우트벽, 그리고/또는 결빙벽일 수 있으나, 이에 국한되지 않는다. 다른 토양 복원 시스템 실시형태에서, 처리지역은 배리어로 둘러싸이지 않을 수 있다.
처리지역에서 채취한 코어를 검사함으로써, 로깅( logging ) 기술로써, 그리고/또는 토양에서 제거된 발생가스 내 물의 양을 측정함으로써, 처리지역 내 물의 양을 추정할 수 있다. 처리지역 내 물을 증발시키기에 충분한 속도로 히터 웰로부터 오염된 토양에 열이 가해질 수 있다. 양압이 토양 내에 생성되지 않도록, 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰에 의해 제거될 수 있는 양의 수증기가 토양 내에 생성되도록 가열 속도가 제어될 수 있다. 이것은 토양 내 양압으로 인해 토양의 오염이 처리지역에서 벗어날 수 있기 때문에 바람직하다. 증발한 물, 증발한 오염, 동반된 오염, 그리고 다른 물질이 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰을 통해 발생가스로서 토양으로부터 제거될 수 있다.
토양에 열을 가하고 토양에서 발생가스를 제거하면, 토양 복원시 토양 투과성이 증가할 수 있다. 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰은 비교적 투과성인 토양에서 더 효과적으로 작동한다. 그러므로, 비교적 투과성인 토양은 토양의 단위 체적 당 적은 수의 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰이 필요할 수 있다. 적은 수의 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰은 토양 복원 시스템의 경제적 측면을 개선할 수 있다. 증기 추출 웰, 그리고 결합된 히터-증기 추출 웰은 히터 웰 보다 일반적으로 더 비싸다. 증기 추출 그리고/또는 히터-증기 추출 웰의 수를 제한하여 토양 복원 시스템의 비용을 줄일 수 있다.
또한, 증기 추출 또는 히터-증기 추출 웰의 수를 제한하면 다른 비용 절감이 발생한다. 주어진 토양 표면 지역에 있어서, 실질적으로 규칙적이고 효율적인 패턴으로 배열된 더 적은 수의 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰의 경우, 비효율적으로 배치된 증기 추출 웰 사이의 불균일한 증기 유동으로 인한 더 많은 발생가스 유동에 비해 토양으로부터 발생가스의 더 적은 유동이 발생할 수 있다. 더 단순하고 더 작은 증기 수집 파이프와 처리 설비로 토양에서 더 적은 유동의 발생가스 제거를 조정할 수 있는 반면, 더 큰 증기 수집 파이프와 처리 설비는 토양에서 더 큰 유동의 발생가스 제거를 수용할 필요가 있다. 그러므로, 효율적으로 배치된 웰의 경우, 토양 복원 시스템의 처리 설비에 관한 작동 및 기본 비용이 감소될 수 있다.
히터 웰은 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰 주위에 링형으로 배치될 수 있다. 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰, 그리고 히터 웰의 제 1 링이 작동되어 토양의 복원을 시작할 수 있다. 히터 웰의 제 2 링이 일정한 시간이 흐른 뒤 작동될 수 있다. 또다른 실시형태에서, 진공이 히터 웰의 제 2 링에 영향을 미친 후에 히터 웰의 제 2 링이 작동될 수 있다. 얻어진 진공은, 작동된 웰이 작동된 웰로부터 히터 웰의 제 2 링의 선택된 거리에서 토양의 투과성을 증가시켰음을 의미할 수 있다. 오염된 토양의 증가된 투과성은 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰을 통해 추출된 증기의 양으로써 표시될 수 있다. 히터 웰의 제 2 링은, 작동된 웰의 안쪽 링에 소정량의 열이 주입된 후 작동될 수 있다. 온도 그리고/또는 압력은 제 2 히터 웰 링의 히터 웰에서, 또는 작동된 웰과 제 2 히터 웰 링 사이의 검사 웰(들)에서 측정될 수 있다.
몇몇의 토양 복원 시스템 실시형태에서는, 토양에 유체를 공급하는 것이 유리할 수 있다. 유체는 구동유체, 반응물, 용제, 계면활성제, 그리고/또는 열전달유체일 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다. 구동유체는 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰쪽으로 오염을 이동시킬 수 있다. 반응물은 오염과 반응하여 오염을 파괴하고 그리고/또는 일부 발생가스로서 토양에서 제거될 수 있는 휘발성 반응 생성물을 생성할 수 있다. 용제 또는 계면활성제는 웰에 인접한 유체 유동을 증가시키는데 이용될 수 있다. 열전달유체는 토양에 열을 대류 열전달하는데 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서는, 유체가 가압 주입 웰을 통해 토양에 주입될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 유체가 주입 웰에 공급될 수 있고, 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰에 의해 토양에서 배출시키는 진공이 토양 내 유체를 당길 수 있다. 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰이 토양 내 유체를 당길 수 있으면, 바람직하게는 토양 내 양압의 생성을 방지할 수 있다.
다른 실시형태에서는, 주입 웰이 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰로 대체될 수 있다. 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰은 진공 시스템과 끊어져 있을 수 있고, 이 웰들은 유체를 웰에 공급하는 유체 공급 시스템과 연결되어 있을 수 있다. 몇몇의 실시형태에서는, 개별 주입 웰이 토양 내에 패턴으로 설치될 수 있다. 토양 내에 패턴으로 배열된 추출 웰( 추출기 ), 주입 웰( 주입기 ) 그리고 히터 웰을 조합하면, 강화된 토양 복원을 가능하게 하는 유체 및 열의 분배가 가능하다.
몇몇의 토양 복원법 실시형태는 토양에의 열 주입으로 인한 오염물질의 확산을 제지 또는 방지할 수 있다. 증기 추출 웰의 링은 목적하는 처리지역을 포위할 수 있다. 선택된 시간에, 또는 토양의 복원에 사용된 히터 웰, 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰에 의해 증기 추출 웰이 영향을 받았거나 곧 영향을 받을 수 있음을 측정치가 나타낼 때, 바깥쪽 링에 있는 증기 추출 웰은 작동될 수 있다. 측정치는 온도 그리고/또는 압력 측정치일 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
본 발명의 목적 및 장점은 첨부된 도면 및 이하의 상세한 설명에 의해 명확해질 것이다.
도 1 은 땅 속에 삽입되는 웰의 실시형태의 단면도이다.
도 2 는 현장 토양 복원 시스템의 실시형태의 개략적인 도면이다.
도 3 의 (a) ∼ (d) 는 4개의 히터/추출 웰 비에 대한 꼭지점 배치 배열의 높이 간격 패턴의 히터 웰 및 증기 추출 웰의 계획도이다.
도 4 의 (a) ∼ (d) 는 4개의 히터/추출 웰 비에 대한 꼭지점 배치 배열의 선 간격 패턴의 히터 웰 및 증기 추출 웰의 계획도이다.
도 5 의 (a) ∼ (d) 는 4개의 히터/추출 웰 비에 대한 꼭지점 배치된 히터 웰과 삼각형 배치된 패턴의 증기 추출 웰의 개획도이다.
도 6 의 (a) ∼ (d) 는 다양한 배열의 증기 추출 웰, 히터 웰 및 유체 주입 웰의 계획도이다.
본 발명이 다양한 변형예와 다른 형태가 가능하지만, 특정 실시형태가 도면 으로 예로서 기재되고 이하에서 자세히 기재될 것이다. 도면은 일정한 축척이 아니다. 그러나, 도면과 상세한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하는 것이 아니고, 본 발명은 모든 변형예, 동등물, 및 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 보호범위 내의 다른 실시를 포함하는 것으로 이해해야 한다.
현장 열탈착( ISTD ) 처리 시스템은 오염된 토양의 복원에 사용될 수 있다. ISTD 토양 복원 처리는 진공으로 발생가스를 동시에 제거하면서 토양의 온도를 높이기 위한 토양의 현장 가열과 관련된다. 토양을 가열하면 많은 메커니즘으로 오염물질이 제거될 수 있다. 그러한 메커니즘은 토양에서의 오염물질의 증발 및 증기 운송, 공기 중으로의 또는 수증기 흐름으로의 오염물질의 증발, 동반 및 제거, 그리고/또는 토양 내 열분해, 산화 또는 다른 화학작용에 의한 비오염 화합물로의 오염물질의 열적 열화 또는 전환을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
ISTD 토양 복원 처리는, 토양 증기 추출( SVE ) 처리, 및 토양에의 구동유체, 화학적 반응물, 그리고/또는 생물학적 반응물의 주입에 의존하는 처리에 비해 상당한 장점을 제공할 수 있다. 평균 토양의 유체 유동의 전도성은, 부분적으로는 토양 불균질과 토양 내 물에 의해, 토양 전체에서 108 개의 인자에 의해 변할 수 있다. 여기서 사용되는 "유체"는 액상 또는 기상의 물질을 가리킨다. 토양을 통한 유체의 물질 전달은 SVE 또는 토양의 화학적 그리고/또는 생물학적 처리를 사용하는 처리 지점의 복원에 있어 제한요소가 될 수 있다. 토양 내 유체 유동 투과성의 변화와 대조적으로, 토양 내 열유동은 토양 전체에서 단지 약 2 개의 인자에 의해 변할 수 있다. 더욱이, 토양으로의 열 주입은 동일한 토양을 통한 유체의 주입보다 매우 더 균일할 수 있다. 토양에 열을 주입하면, 촘촘한 토양의 투과성이 바람직하게 증가할 수 있다. 주입된 열은 토양을 건조시킬 수 있다. 토양이 건조되면, 토양의 미시적 그리고 거시적 투과성이 증가할 수 있다. 가열된 토양의 투과성이 증가하면, ISTD 토양 복원 처리를 통해 처리지역 전체에서 오염물질을 수용가능한 정도까지 더 균일하게 제거하거나 줄일 수 있다. 토양 투과성이 증가하면, 표준 토양 증기 추출 처리를 받을 수 없는 작은 투과성의 점토 및 미사의 현장 복원이 가능할 수 있다.
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토양 복원의 실시형태에서, 정화법은 오염물질이 증발 그리고/또는 열분해로 제거되는 온도까지 오염된 토양을 가열하는 것을 포함한다. 현장 물은 증발하 여 오염물질을 동반할 수 있으므로, 추출 웰을 통해 토양에서 제거될 수 있다.
토양은 다양한 방법으로 가열될 수 있다. 토양을 가열하는 방법은 열원으로부터 열 복사 또는 전도에 의한 가열, 고주파 가열에 의한 가열, 또는 전기적 토양 비저항 가열에 의한 가열을 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. "복사 가열"은 고온의 열원으로부터 찬 표면으로의 복사 열전달을 가리킨다. ISTD 처리에서는, 주로 열은 가열된 토양 표면으로부터 인접한 토양으로 전도에 의해 전달되고, 이로써 열원으로부터 어느 정도 떨어져 있는 토양의 온도가 상승한다. 복사 그리고/또는 전도 가열은, 그러한 가열에 의해 얻을 수 있는 온도가 토양 내 존재하는 물의 양에 의해 제한을 받지 않기 때문에 유리할 수 있다. 복사 그리고/또는 전도 가열을 이용하면, 실질적으로 물의 끓는점보다 높은 토양의 온도를 얻을 수 있다. 복사 그리고/또는 전도 가열을 이용하면, 약 212 ℉(100 ℃), 250 ℉(121 ℃), 300 ℉(149 ℃), 400 ℉(204 ℃), 750 ℉(399 ℃), 1000 ℉(538 ℃) 또는 그 이상의 토양 온도를 얻을 수 있다. 복사 그리고/또는 전도 가열의 열원은 웰보어( wellbore )에 놓인 전기 저항 히터, 웰보어를 통해 순환하는 열전달 유체, 또는 웰보어 내의 연소일 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
토양을 가열하기 위해 히터를 토양 내에 또는 토양 표면에 놓을 수 있다. 토양 표면에서 약 3 피트 이내의 토양 오염의 경우, 토양 위의 열담요 (thermal blanket) 그리고/또는 지면 히터 (ground heater) 로 토양에 열을 전도로 공급할 수 있다. 진공 시스템은 열담요를 관통하는 진공 포트를 통해 토양에 진공을 만들 수 있다. 상기 히터는 약 1600 ℉(871 ℃)에서 작동할 수 있다. 본 명세서에서 참조한 Marsden 등의 미국 특허 No. 5,221,827 에 열담요 토양 복원 시스템이 기재되어 있다. 본 명세서에서 참조한 Vinegar 등의 미국 특허 No. 4,984,594 에, 불투과성의 유연한 시트 아래의 토양에 진공을 가하고 시트 아래 토양 표면에 놓인 전기 표면 히터로 토양을 가열하여, 표면 및 표면 근처 토양에서 오염물질을 제거하는 현장 방법이 기재되어 있다.
더 깊은 오염의 경우, 히터 웰이 토양에 열을 가하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 참조한 Vinegar 등의 미국 특허 No. 5,318,116 및 미국 특허출원 No. 09/549,902, 및 Vinegar 등의 미국 특허출원 No. 09/836,447 에, 오염된 지하 토양을 복사 그리고/또는 전도 가열로 처리하는 ISTD 토양 복원 처리가 기재되어 있다. 또한, Wellington 등의 미국 특허출원 No. 09/841,432, Wellington 등의 미국 특허출원 No. 10/131,123, 그리고 Wellington 등의 "배리어를 이용한 탄화수소 함유 구성물에서의 현장 회복( In Situ Recovery From A Hydrocarbon Containing Formation Using Barriers)"이라는 발명의 명칭으로 2002년 10월 24일 출원된 미국 특허출원 No. 10/279,291 에 히터와 여러 장비가 기재되어 있다. 이들 각각을 본 명세서에서 참조한다.
몇몇의 히터 웰은 토양에서 액체를 제거할 수 있도록 구멍난 케이싱을 포함할 수 있다. 구멍난 케이싱을 갖는 히터 웰로 인해 유체가 토양으로 배출되거나 또는 주입될 수 있다. 토양에서 유체를 배출하기 위해 토양에 진공이 가해질 수 있다. 진공은 표면에서 또는 토양 내에 놓인 추출 웰을 통해 가해질 수 있다.
"웰"이라는 용어는 히터 웰, 추출 웰, 주입 웰 및 검사 웰을 가리킨다. 히터 웰을 이용하여 토양 온도를 높일 수 있다. 추출 웰을 통해 토양의 유체를 토양에서 추출할 수 있다. 몇몇의 추출 웰은 히터 부재를 포함할 수 있다. "히터-추출 웰"로 표기되는 그러한 추출 웰은 토양 온도를 높이고 토양에서 유체를 제거할 수 있다. 히터-추출 웰에 인접한 영역에서, 열 유동은 유체유동에 대한 대향류일 수 있다. 히터-추출 웰에서 추출된 유체는 히터-추출 웰 내에서 유체 내의 오염물질 중 일부를 파괴하기에 충분히 높은 온도에 노출될 수 있다. 주입 웰로 유체가 토양 내에 삽입될 수 있다. 토양 복원 시스템의 웰 패턴 내의 바람직한 위치에 놓인 검사 웰을 이용하여 토양에서의 토양 또는 유체의 샘플링 또는 로깅이 실시될 수 있다.
현장 토양 복원 시스템은 복수의 히터 웰과 하나 이상의 증기 추출 웰을 포함할 수 있다. 또한, 증기 추출 웰은 하나 이상의 히터 부재를 포함할 수 있다. 히터-증기 추출 웰 히터 부재는 증기 추출 웰 근방에 초기 투과성을 부여하기 위해 열을 공급한다. 또한, 추가적인 열이 웰 내 수증기 및 오염물질의 농축을 방지할 수 있다. 몇몇의 추출 웰 실시형태에서는, 추출 웰은 히터 부재를 포함하지 않을 수 있다. 증기 추출 웰에서 히터 부재의 부존재로 증기 추출 웰보어의 설계가 단순화될 수 있고 몇몇의 용도에서는 바람직할 수 있다.
웰은 토양 내의 줄 (row) 과 원주 패턴으로 배열될 수 있다. 웰이 삼각형 패턴이 되도록 웰의 줄은 요동칠 수 있다. 또는, 웰은 직사각형 패턴, 오각형 패턴, 육각형 패턴, 또는 그 이상의 다각형 패턴으로 배열될 수 있다. 다각형 웰 패턴이 등변 삼각형 또는 사각형의 규칙적인 배열로 구성되도록, 인접한 웰 사이의 거리는 실질적으로 고정된 거리일 수 있다. 패턴의 인접한 웰 사이의 간격은 약 1 미터 (3 피트) ∼ 약 13 미터 (40 피트) 또는 그 이상일 수 있다. 일반적인 간격은 약 2 ∼ 4 미터 (6 ∼ 12 피트) 이다. 큰 열전달 능력을 갖는 통합된, 또는 실질적으로 통합된 토양의 경우, 인접한 히터 웰 사이에 비교적 더 넓은 간격을 사용할 수 있다. 통합되지 않은, 또는 실질적으로 통합되지 않은 토양은 히터 웰 사이에 비교적 더 좁은 간격이 필요할 것이다. 몇몇 웰은 패턴 내의 방해물을 피하도록 규칙적 패턴에서 벗어나게 위치될 수 있다.
ISTD 토양 복원 처리는 SVE 에 비해 몇몇의 장점을 가질 수 있다. 오염된 토양에 공급된 열이 토양의 온도를 토양 내 오염물질의 증발온도보다 높이 상승시킬 수 있다. 토양 온도가 토양 오염물질의 증발온도를 초과하면, 오염물질은 증발할 것이다. 토양에 가해진 진공은 증발한 오염물질을 토양 밖으로 당길 수 있다. 토양을 오염물질의 증발온도보다 낮은 온도까지 가열하는 경우에도 장점이 있을 수 있다. 토양 온도의 상승은 토양 내 오염물질의 증기압을 증가시키고, 공기 흐름이 토양으로부터 오염물질을 더 낮은 토양 온도에서 가능한 것보다 더 많이 제거할 수 있게 해준다. 가열로 인해 증가된 토양의 투과성으로 인해, 토양 처리지역 전체에서 오염물질을 제거할 수 있다.
많은 토양 구성물은 오염물질에 비해 많은 양의 물을 포함한다. 물의 증발온도로 토양의 온도를 상승시키면 물이 증발할 수 있다. 수증기는 토양 내 오염물질의 휘발 그리고/또는 동반을 도울 수 있다. 토양에 가해진 진공으로 토양에서 휘발된 그리고/또는 동반된 오염물질을 제거할 수 있다. 오염물질의 휘발과 동반으로 토양에서 매체와 높은 끓는점의 오염물질이 제거될 수 있다.
토양에서 오염물질을 더 많이 제거함은 물론, 토양의 증가된 열로 인해 현장에서 오염물질이 파괴된다. 공기 또는 수증기와 같은 산화제의 존재로 인해 고온의 토양을 관통하는 오염물질의 산화가 가능하다. 산화재가 부존재하는 경우는, 토양 내 오염물질이 열분해에 의해 변경될 수 있다. 토양에 가해진 진공으로 토양에서 반응 생성물을 제거할 수 있다.
가열 및 증기 추출 시스템은 히터 웰, 추출 웰, 주입 웰, 그리고/또는 검사 웰을 포함할 수 있다. 히터 웰은 토양의 온도를 높이기 위해 토양에 열에너지를 가한다. 가열 및 증기 추출 시스템의 추출 웰은 발생가스가 토양에서 제거될 수 있는 구멍난 케이싱을 포함할 수 있다. 케이싱의 전체 또는 일부가 화학적 그리고/또는 열적 열화에 견딜 수 있는 금속으로 제조될 수 있다. 웰 케이싱의 구멍은 케이싱을 땅에 삽입하기 전에 제거가능한 재료로 막을 수 있다. 케이싱을 땅에 삽입한 후, 구멍의 플러그를 제거할 수 있다. 본 명세서에서 참조한 미국 특허출원 No. 09/716,366 에, 웰 케이싱의 구멍에 제거가능한 플러그를 구비한 웰이 기재되어 있다. 웰 케이싱의 구멍은 호울 (hole) 그리고/또는 슬롯일 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 구멍은 차단될 수 있다. 케이싱은 케이싱의 길이방향을 따라 상이한 위치에 몇몇의 구멍난 구역을 가질 수 있다. 토양에 케이싱을 삽입할 때, 구멍난 구역은 토양의 오염된 층에 인접하게 위치될 수 있다. 케이싱의 구멍난 구획에 인접한 지역은 자갈 또는 모래로 차있을 수 있다. 케이싱은 비오염 토양으로 오염물질의 확산을 막기 위해 비생성 토양층에 인접한 토양에 대해 봉인될 수 있다.
도 1 은 케이싱 (101) 의 개략도이다. 케이싱 (101) 은 토양 또는 땅 (102) 속에 놓일 수 있다. 케이싱 (101) 은 유체가 케이싱에 유입 또는 유츨할 수 있는 구멍 또는 개구 (103) 를 포함할 수 있다. 케이싱 (101) 의 일부가 근사 (proximate) 오염된 토양 (104) 에 위치되고, 케이싱의 일부가 근사 오염되지 않은 토양 (105) 에 위치될 수 있다. 계면 (106) 에 의해, 근사 토양층들이 분리되어 있다. 웰 케이싱 (101) 은 증기 추출 웰, 열 또는 유체 주입 웰, 히터-증기 추출 웰 또는 검사 웰의 일부를 형성할 수 있다. 증기 추출 웰은 오염된 토양 (104) 에서 발생가스를 제거하는데 이용될 수 있다. 발생가스는 공기, 물, 및 토양 (102) 내에 있던 오염물질을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
유체는 주입 웰을 통해 토양에 공급될 수 있다. 유체는 스팀 (steam) 과 같은 열원, 용제, 계면활성제, 산화제와 같은 화학적 반응물, 생물학적 처리 캐리어, 그리고/또는 토양 (102) 내 유체를 증기 추출 웰쪽으로 흐르도록 하는 구동유체일 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 유체를 토양 (102) 에 주입하는 구동력은 케이싱 (101) 을 통해 또는 근사 웰(들)로부터 공급될 수 있다. 주입 웰은 구멍난 케이싱을 포함할 수 있다. 유체가 웰 케이싱의 구멍을 통해 토양에서 제거되는 대신에 웰 케이싱의 구멍을 통해 토양에 삽입되는 점을 제외하면, 주입 웰은 추출 웰과 유사할 수 있다. 유체는 토양에 배출되거나 또는 삽입될 수 있다.
검사 웰은 토양 (102) 의 구조 및 층을 결정하는데 이용될 수 있는데, 가스 샘플을 채취하여 오염물질의 위치 및 농도를 결정하거나, 또는 압력 및 온도와 같은 토양 내 특성을 판정하기 위한 감마선 로깅 툴, 중성자 로깅 툴, 또는 다른 종류의 로깅 툴을 사용하기 위한 로깅 웰 역할을 한다.
ISTD 토양 복원 시스템은 다수의 성분 시스템을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 가열 및 증기 추출 시스템, 발생가스 수집 파이프 시스템, 발생가스 처리 시스템, 그리고 장치 및 전력 제어 시스템을 포함할 수 있다. 가열 및 증기 추출 시스템은 표면에서 가까운 오염된 토양을 처리하기 위한 열담요, 또는 더 깊은 곳의 오염된 토양을 처리하기 위한 히터 웰을 포함할 수 있다. 토양 복원 시스템은 열담요와 히터 웰 모두를 포함할 수 있다.
추출, 주입 또는 검사 웰은 드릴 또는 오거로 뚫은 호울 안에 놓일 수 있다. 커팅 (cutting) 내 오염물질을 제거하기 위해 호울의 형성시 만들어진 커팅을 개별 처리할 필요가 있을 수 있다. 또는, 추출, 주입 또는 검사 웰은 토양 내로 진동되거나 그리고/또는 운전될 수 있다. Bodine 의 미국 특허 No. 3,684,037, White 의 미국 특허 No. 6,039,508 에는 웰을 음속으로 드릴링하는 시스템이 기재되어 있다. 이 두 특허는 본 명세서에서 참조한다. 땅속으로 웰을 진동 또는 운전하는 것은, 땅속으로 웰을 삽입하는 동안 커팅 그리고/또는 증기의 생성을 제한할 수 있다.
발생가스 수집 파이프 시스템은 가열 및 증기 추출 시스템의 추출 웰에 연결될 수 있다. 또한, 발생가스 수집 파이프 시스템은 발생가스 처리 시스템에 연결되어, 토양에서 제거된 발생가스가 처리 시스템에 전달될 수 있다. 발생가스 수집 파이프는 발생가스와 응축물은 처리 설비로 운반하는 비가열된 파이프일 수 있다. 본 명세서에서 참조한 미국 특허출원 No. 09/549,902 에는 ISTD 복원 시스템을 위한 증기 수집 시스템이 기재되어 있다. 또는, 발생가스 수집 파이프는 수집 파이프 내에 발생가스의 응축이 억제되는 가열된 파이프일 수 있다.
장치 및 전력 제어 시스템은 히터 시스템의 가열 속도를 모니터하고 제어하는데 이용될 수 있다. 또한, 장치 및 전력 제어 시스템은 토양에 가해지는 진공을 모니터하고 발생가스 처리 시스템의 작동을 제어하는데에도 이용될 수 있다.
도 2 는 토양 복원 시스템 (201) 의 실시형태의 개략적인 도면이다. 토양 복원 시스템 (201) 은 토양 (102) 내 오염의 양을 제거하거나 또는 실질적으로 줄임으로써 오염된 토양을 처리하는데 이용될 수 있다. 토양 복원 시스템 (201) 은 토양 증기 추출 (SVE) 시스템 또는 현장 열탈착 (ISTD) 복원 시스템일 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 토양 복원 시스템 (201) 은 하나 이상의 증기 추출 또는 히터-증기 추출 웰 (202) 을 포함할 수 있다. 토양 복원 시스템 (201) 은 하나 이상의 히터 또는 유체 주입 웰(203) 및 하나 이상의 검사 웰(204)을 선택적으로 포함할 수 있다. 주입 웰 (203) 그리고/또는 검사 웰 (204) 은 증기 추출 웰 (202) 의 패턴의 내부 또는 외부에 위치될 수 있다. 구멍 또는 개구를 포함하는 웰 케이싱은 토양 복원 시스템 (201) 의 증기 추출 웰 (202), 주입 웰 (203), 또는 검사 웰 (204) 의 일부일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 증기 추출 웰 그리고/또는 주입 웰의 일부는 개방된 웰보어 부분을 포함할 수 있다.
토양 복원 시스템 (201) 은 지면 커버 (205), 처리 장비 (206), 증기 수집 시스템 (208), 제어 시스템 (209) 그리고 복수의 추출 웰 (202) 을 포함할 수 있다. 또한, 토양 복원 시스템 (201) 은 주입 웰 (203) 그리고/또는 검사 웰 (204) 을 또한 포함할 수 있다. 지면 커버 (205) 는 대기 중으로의 열손실 및 바람직하지 않은 오염물질의 증기 손실을 막기 위해 웰 (202) 위에 놓일 수 있다. 지면 커버 (205) 는 또한 과잉 공기가 토양 (102) 으로 유입되는 것을 막을 수 있다. 지면 커버 (205) 는 절연체 층을 포함할 수 있다. 지면 커버 (205) 는 또한 오염물질 증기 그리고/또는 공기에 대해 불투과성 층을 포함할 수 있다. 토양의 가열 및 토양에서의 발생가스의 제거가 토양의 지표면 (106) 에서 무시할 수 있는 효과를 갖는 정도의 토양 (102) 속 깊이에 오염이 있다면, 지면 커버 (205) 는 필요없을 수 있다.
처리 설비 (206) 는 토양 (102) 에서 발생가스를 배출하는 진공 시스템 (210) 을 포함할 수 있다. 또한, 처리 설비 (206) 는 발생가스의 오염물질을 처리하기 위한 오염물질 처리 시스템 (211) 을 포함할 수 있다. 발생가스 처리 시스템 (211) 은 발생가스 흐름에서 오염물질을 제거하거나 또는 수용가능한 정도로 줄일 수 있다. 오염물질 처리 시스템(211)은 열산화 반응기와 같은 반응기 시스템, 활성화된 탄소 베드와 같은 물질 전달 시스템, 또는 반응기 시스템과 물질 전달 시스템의 조합을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
증기 수집 시스템(208)은 토양(102)에서 제거된 발생가스를 처리 장비(206)로 운송하는 파이프 시스템을 포함할 수 있다. 파이프 시스템은 진공 시스템(210)과 증기 추출 웰(202)에 연결될 수 있다. 한 실시형태에서, 파이프는 열적으로 절연되고 가열될 수 있다. 절연되고 가열된 파이프로 인해 파이프 내에 발생가스가 응축되지 않을 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 파이프는 가열되지 않은 파이프 그리고/또는 절연되지 않은 파이프일 수 있다.
제어 시스템 (209) 은 컴퓨터 제어 시스템일 수 있다. 제어 시스템 (209) 은 처리 설비 (206), 가열된 증기 수집 시스템 (208), 그리고/또는 복수의 웰 (202) 의 작동을 모니터 및 제어할 수 있다. 제어 시스템 (209) 은 복수의 웰의 히터 부재로의 전력 공급을 모니터 및 제어할 수 있다.
토양 복원 시스템 (201) 의 웰 (202) 은 수집 시스템(208)에 연결되어 있는 증기 추출 웰일 수 있다. 웰 (202) 은 복원 지점에서 패턴으로 놓일 수 있다. 웰 (202) 의 패턴은 삼각형 또는 사각형 웰 패턴일 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 패턴은 토양 (102) 전체에서 증기의 제거를 향상시킬 수 있다.
몇몇의 토양 복원 시스템 (201) 은 토양 (102) 에 열을 가할 수 있다. 열에너지는 예를 들면, 고주파 가열 시스템, 전기적 토양 비저항 가열 시스템, 또는 열전도 시스템에 의해 토양에 공급될 수 있다. ISTD 시스템 (201) 의 실시형태에서, 히터 부재는 증기 추출 웰 (202) 의 옆에 위치한 개별 웰에 놓일 수 있다.
전기적 토양 비저항 가열 시스템의 실시형태에서, 도 1 에 도시된 것처럼 전류는 구멍난 케이싱(101)으로부터 토양(102)에 공급될 수 있다. 다른 실시형태에서, 히터 부재(107)는 구멍이 없는 히터 케이싱(108)에 담긴 복사 히터일 수 있다. 자갈 팩(109) 그리고/또는 스페이서가 구멍난 케이싱(101)과의 전기 접촉을 제지하는 반면 열전도를 제공하기 위해 히터 케이싱(108)과 구머난 케이싱(101) 사이에 놓일 수 있다. 또는, 자갈 팩이 히터 케이싱(108)에 인접하여 위치되지 않을 수 있고, 히터 케이싱(108)이 구멍난 케이싱(101)을 복사로 가열할 수 있다. 히터 부재(107)의 히터 케이싱(108)과의 전기 접촉을 막기 위해, 전기 절연 스페이서가 케이싱(101)에 포함될 수 있다. 히터 부재(107)는 전원과 연결될 수 있다. 전력이 히터 부재(107)에 공급되면, 히터 부재의 온도가 상승하고, 열이 자갈 팩(109), 구멍난 케이싱(101) 그리고 토양(102)에 전달될 수 있다.
열 주입 속도는 스테인리스강 케이싱을 사용하여 약 4 인치 직경인 경우 열 주입 웰의 선형 1 피트 및 1 시간당 약 200 와트 ∼ 약 600 와트일 수 있다. 온도는 약 1700 ℉ (약 925 ℃) 로 제한될 수 있다. 초기에는, 히터 주위의 더 차가운 토양으로의 비교적 빠른 열전달로 인해 더 큰 열 주입 속도를 견딜 수 있다. 토양이 계속 가열됨에 따라, 케이싱으로부터의 열전달이 점점 더 느려진다.
가열 부재에서의 열 주입 프로파일은 목적하는 가열 패턴을 얻도록 설계될 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 부재의 일부의 직경이 목적 열 주입 프로파일에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 부재의 하측 부분의 직경이 인접한 토양의 하측 부분의 빠른 가열을 위해 더 작아질 수 있다. 오염 정도의 아래에서 토양의 빠른 가열은 하측 토양으로의 오염의 하방 확산을 막는데 바람직할 수 있다.
도 2 에 도시된 것처럼, 토양 복원 설비 (201) 는 주입 웰(203)을 포함할 수 있다. 주입 웰 (203) 은 물질을 토양 (102) 에 억지로 밀어넣는데 펌프(212)를 이용할 수 있다. 또는, 유체가 개별 위치에서 가해진 진공에 의해 주입 웰 (203) 을 통해 토양 (102) 으로 배출될 수 있다. 주입 웰 (203) 은 또한 제어 시스템 (209) 에 의해 제어될 수 있다. 토양 (102) 에 공급된 물질은 열원 (스팀 등), 반응물, 용제, 계면활성제, 또는 유체를 증기 추출 웰쪽으로 미는 구동 유체일 수 있다. 반응물은 산화제일 수 있다. 산화제는 공기, 물, 산소, 그리고/또는 과산화수소일 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
웰 케이싱 (101) 은 도 1 에 도시된 것처럼 파이프의 벽 (110) 에 형성된 개구를 갖는 실린더형 단면의 파이프일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 열 주입 웰을 위한 케이싱의 직경은 약 2 인치 ∼ 약 6 인치일 수 있다. 더 큰 직경은 열이 전도되어 웰보어에서 더 큰 열유속 (heat flux) 이 가능한 표면적을 증가시킨다. 예를 들면, 케이싱 직경이 약 4 인치인 경우, 약 900 ℃의 케이싱 표면 온도로 히터 웰의 선형 1 피트당 약 457 와트의 열유속이 얻어질 수 있다. 이로써 케이싱에 비싼 야금의 필요없이 합리적인 열 주입 속도를 얻을 수 있다. 직경이 더 커지면, 웰보어의 선드릴링 없이 케이싱을 땅 속으로 누르거나 또는 치는데 과도하게 큰 힘이 필요하게 된다. 또한, 케이싱이 더 커지면, 케이싱의 비용이 증가할 수 있다. 다른 실시형태에서, 구멍난 케이싱(101)은 실린더와 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다. 본 명세서에서 참조한 Hoyle 의 미국 특허 No. 5,403,119 에 토양 복원에 사용가능한 비실린더형 케이싱이 기재되어 있다.
도 1 에 도시된 것처럼 웰 케이싱 (101) 은 다양한 기술로 땅 (102) 속에 삽입될 수 있다. 예를 들면, 웰보어 또는 도랑 속에 케이싱을 두거나, 파일 드라이버 또는 유사 장비로 케이싱을 토양 (102) 속으로 운전하거나, 또는 토양에 케이싱을 진동삽입하여, 구멍난 케이싱 (101) 을 삽입할 수 있다. 자갈 팩 (109) 은 케이싱 (101) 의 구멍난 구획 내에 놓일 수 있다. 케이싱 (101) 의 구멍없는 구획은 케이싱을 통한 오염 확산과 과잉 발생가스 생산을 막기 위해 토양 (102) 에 대해 시멘트로 막아지거나 봉인될 수 있다. 웰보어는 토양 (102) 내 호울을 오거로 뚫어 제조될 수 있다. 웰보어 또는 도랑에 케이싱을 삽입하여 땅 (102) 속에 케이싱 (101) 을 설치하는 것은, 웰 케이싱 (101) 을 위한 웰보어 또는 도랑의 형성시 커팅이 생성될 수 있기 때문에 문제가 될 수 있다.
토양 (104) 내 오염물질이 독성 물질을 포함한다면, 웰보어의 형성시 제거된 커팅이 독성 물질을 또한 포함할 수 있다. 커팅은 인가된 설비에서 처분 또는 오프사이트 (off-site) 처리를 필요로 할 수 있다. 먼지 그리고/또는 증기는 오거로 뚫은 호울 또는 도랑의 형성시 또한 생성될 수 있다. 작업자의 먼지 그리고/또는 증기에의 노출을 최소화하는데 특별한 먼지 및 증기 억제 절차가 필요할 수 있다. 그러한 절차로 인해 웰 케이싱 (101) 이 오거로 뚫은 호울 또는 도랑 내에 위치될 수 있다. 먼지 방지, 그리고/또는 땅 (102) 에 삽입하는 동안 웰 케이싱을 통한 먼지 또는 증기의 이동 방지로, 특별한 먼지 그리고/또는 증기 오염물질 절차가 생략될 수 있고 웰 케이싱을 더 경제적으로 설치할 수 있다.
케이싱 (101) 을 땅 (102) 속으로의 운전 또는 진동시키면, 케이싱의 설치시 먼지와 증기의 생성을 감소시킬 수 있다. 또한, 케이싱 (101) 을 땅 (102) 속으로의 운전 또는 진동시키면, 토양과 케이싱 사이에 자갈 팩 (109) 을 둘 필요가 없다. 케이싱 (101) 을 땅 (102) 속으로 운전 또는 진동시키는 것은, 맹독성 물질로 오염된 토양에 웰을 설치하는 실질적인 방법이 될 수 있다. 맹독성 물질은 플루토늄과 같은 방사성 오염물질, 수은과 같은 금속성 오염물질, 유독 탄화수소, 또는 염소화 탄화수소, 또는 다이옥신과 같은 탄화수소 함유 오염물질, 또는 디메틸 수은을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
케이싱(101)은 케이싱의 땅 (102) 속 설치를 용이하게 하는 단부(111)를 가질 수 있다. 단부(111)는 테이퍼 팁을 가질 수 있다. 케이싱(101)의 한 실시형태에서, 도 1 에 도시된 것처럼 단부(111)는 한 점으로 테이퍼될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서는, 땅 속으로 운전 또는 진동되는 웰 케이싱의 선단부 ( leading end) 가 무딘 또는 둥근 팁을 가질 수 있다. 또한, 웰 케이싱의 단부는 케이싱이 회전될 때 케이싱 (101) 이 토양 (102) 에 더 깊이 삽입되도록 돕는 커팅 에지를 포함할 수 있다. 그리고, 케이싱(101)의 단부 (111) 의 일부가 나팔형일 수 있어서, 단부의 최대 직경 또는 두께가 케이싱의 직경 또는 두께보다 더 크다.
케이싱 (101) 주위의 오염된 토양 (104) 은 가열 부재 (107) 에 전류가 흐르면 케이싱으로부터 열전도될 것이다. 웰로의 수직 및 면적의 전력 분배를 제어함으로써 토양 복원 처리시 균일한 열공급이 이루어질 수 있다
배리어는 처리될 토양의 영역 주위에 설치될 수 있다. 본 명세서에서 참조한 Vinegar 등의 미국 특허출원 No. 09/168,769 에 ISTD 토양 복원 시스템용 배리어가 기재되어 있다. 배리어는 오염된 토양 영역 주변의 토양 속으로 운전되는 금속판을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서는, 배리어가 토양 속에 형성된 그라우트벽일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서는, 배리어가 처리지역 주위의 결빙벽으로 형성된 결빙 배리어일 수 있다. 토양 복원 시스템용 지면 커버는 배리어에 대해 봉인될 수 있다. 배리어 및 지면 커버는 주위에서 처리지역으로 유입되는 공기 및 물의 양을 제한할 수 있다. 토양을 통해 유입되는 공기의 양을 제한하면, 토양 내에 제공된 진공이 증가하고 처리되어야 할 발생가스의 양이 감소될 수 있다. 또한, 배리어는 오염된 영역에서 인접지역으로 오염이 확산되는 것을 막을 수 있다. 삽입된 판으로 형성되는 배리어는 제한된 깊이를 갖는다. 토양에 일련의 상호연결된 호울을 드릴링하고 그라우트로 상기 호울을 채움으로써 그라우트벽이 상당히 더 깊이 형성될 수 있다. 호울 형성시 요구되는 정밀도, 처리지역을 둘러싸기에 요구되는 호울의 수, 및 다른 인자로 인해 토양 복원용 배리어로서의 그라우트벽 형성의 실현가능성이 제한될 수 있다. 얕은 깊이의 그라우트벽은 도랑을 그라우트로 채움으로써 형성될 수 있다.
웰 사이 영역에 실질적으로 균일한 가열을 제공하는 규칙적 배열로 웰을 설치하여 면적의 열분배를 얻을 수 있다. 표면의 기하학적 제약에 따라, 삼각형 웰 배열 또는 사각형 웰 배열이 사용될 수 있다. 예를 들면, 건물 또는 다른 방해물을 따라 웰을 사각형으로 배열하는 것이 더 편리할 수 있다. 삼각형 열 주입 배열은 실질적으로 히터 사이의 간격을 최소화할 수 있고, 또한 웰 사이 영역을 더 빠르고 더 균일하게 가열할 수 있다. 게다가, 삼각형 배열의 증기 추출 웰 패턴은 히터만의 웰의 삼각형 배열과 중첩 배열될 수 있다.
여기서의 "패턴"은 단일 증기 추출 웰의 배수 (drainage) 경계의 형상으로서 정의된다. 패턴 경계는 도 3 ∼ 6 에서 실선으로 표시되어 있다. 히터만의 웰 (검은색의 작은 점으로 표시됨) 은 점선으로 표시된 것처럼 증기 추출 웰 (검은색의 큰 점으로 표시됨) 주위에 링형으로 배열될 수 있다. 여기서 기재된 실시형태에서, 각 추출 웰의 배수 패턴은 복수의 히터 웰을 포함하는 육각형일 수 있다.
히터 부재를 포함할 수 있는 추출 웰, 및 히터 웰은 삼각형 그리드의 삼각형의 꼭지점에 위치되거나 ("꼭지점 배치") 또는 삼각형 그리드의 삼각형 내에 배치될 수 있다 ("삼각형 배치"). 4 개의 다른 종류의 패턴의 특성이 아래의 표 1 ∼ 4 및 도 3 ∼ 6 에 나타나 있다. 몇몇의 배열에서는 도 3 의 (a) ∼ (d) 및 표 1 에 나타나 있는 것처럼, 추출 웰은 삼각형 그리드의 삼각형의 높이의 배 (multiple) 로 떨어져 있거나 또는 "높이 간격"으로 떨어져 있다. 예를 들면, 도 3 의 (a) 의 추출 웰의 간격은 삼각형 그리드에서 삼각형 높이의 약 2 배이다. 다른 배열에서는 도 4 의 (a) ∼ (d) 및 표 2 에 나타나 있는 것처럼, 추출 웰은 삼각형 그리드에서의 삼각형의 변 길이의 배로 떨어져 있거나 또는 "선 간격"으로 떨어져 있을 수 있다. 예를 들면, 도 4 의 (a) 의 추출 웰 간격은 삼각형 그리드에서의 삼각형의 변 길이의 약 2 배이다. 도 5 의 (a) ∼ (d) 및 표 3 은 추출 웰이 삼각형 배치 및 선 간격이고 히터 웰이 꼭지점 배치된 패턴을 보여준다. 도 6 의 (a) ∼ (d) 및 표 4 는 층기 추출 웰, 및 유체 주입 웰을 포함하는 히터 웰의 패턴을 보여준다. 이들 패턴의 각각은 추가적 히터를 포함하도록 확장될 수 있다. 표 1 ∼ 3 에은 추출 웰 간격, 면적/패턴, 히터 웰 링의 수, 히터 웰/추출 웰의 비, 및 면적/히터 웰을 기재하였다. 표 4 에는 추출 웰 간격, 주입 웰 간격, 히터 웰 링의 수, 히터 웰/추출 웰/주입 웰의 비, 및 면적/히터 웰을 기재하였다.
표 1
Figure 112004016897122-pct00001
표 2
Figure 112007074544612-pct00038
표 3
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표 4
Figure 112004016897122-pct00004
여기에 기재된 패턴으로 토양 복원시 연속적인 열주입의 다양한 선택이 가능하다. 선택된 실시형태는 도 3 의 (a) ∼ (d) 및 표 1 에 기재된 패턴으로 설명된다. 도 3 의 (a) 는 간격 s 로 모든 꼭지점에 웰이 배치된 삼각형 패턴을 보여준다. 각 증기 추출 웰 주위에 6개의 히터 웰로 이루어진 링(303)으로 된 육각형 패턴에서, 증기 추출 웰 (301) 은 삼각형 높이 (약
Figure 112007074544612-pct00005
또는 1.732s) 의 두 배의 높이 간격으로 떨어져 있다. 각 육각형 패턴의 면적은 6 개의 삼각형 면적 또는 대략 1/2×높이×밑변×6, 또는 1/2×(1/2
Figure 112007074544612-pct00006
)×(s)×6 =
Figure 112007074544612-pct00007
이다. 이러한 구성에서 각 히터 웰 (302) 은 3 개의 증기 추출 웰 (301) 에 인접할 것이다. 그와 같이, 6 개의 히터 웰 (302) 로 이루어진 각 링 (303) 은, 히터/추출 웰의 비가 2:1 로 패턴 당 2 개의 동등한 히터 웰을 부여할 것이다. 따라서, 각 히터 웰은 각 육각형 패턴에서 약 2.598s2/2 또는 1.299s2 의 면적과 관련될 것이다.
도 3 의 (b) 는 히터 웰의 2개의 육각형 링으로 둘러싸인 증기 추출 웰의 패턴을 보여준다. 이 패턴에서, 증기 추출 웰 (311) 은 약
Figure 112007074544612-pct00008
의 거리만큼 떨어져 있을 수 있고, 히트 웰 (312) 은 다른 그리드 위치에 배치될 수 있다. 이 방식에서, 상기 패턴으로 11:1 에 근접하는 히터 웰 대 증기 추출 웰의 비를 얻을 수 있다. 따라서, 약 10.392s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰이 약 0.945s2 의 면적과 관련될 것이다.
도 3 의 (c) 에서는 3개의 링의 히터 웰이 각 증기 추출 웰을 둘러싸고 있다. 증기 추출 웰 (321) 은 6 개의 히터 웰 (322) 로 이루어진 링 (323) 에 의해 둘러싸이고, 12 개의 히터 웰 (322) 의 육각형의 제 2 링 (324) 이 히터 웰의 안쪽 링 (323) 을 둘러싸고 있다. 이 18 개의 히터 웰은, 그들의 모든 열이 그들이 둘러싸고 있는 증기추출 웰에 기여한다고 간주된다. 18 개의 히터 웰 (322) 로 이루어진 제 3 링 (325) 이 제 2 링을 둘러쌀 수 있다. 상기 링 (325)의 18 개 웰 중에서 육각형의 꼭지점에 있는 6 개의 웰이 그들의 열 중 1/3 을 중심의 증기 추출 웰에 기여한다. 나머지 12개의 웰은 그들의 열 중 1/2 을 중심의 증기 추출 웰에 기여한다. 이 기여의 총합이 약 26:1 인 증기 추출 웰에 대한 히터 웰의 비이다. 따라서, 약 23.382s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰이 약 0.899s2 의 면적과 관계될 것이다.
도 3 의 (d) 및 표 1 은 증기 추출 웰 사이에 더 큰 간격을 갖는 더 큰 패턴의 가능성을 보여준다. 도 3 의 (d) 에서는 24개의 히터 웰로 이루어진 육각형의 제 4 링이 추가되는데, 18 개의 웰이 그들 열의 1/2 을 중심의 증기 추출 웰에 기여하고 (18×1/2-웰), 6 개의 웰이 그들 열의 1/3 을 중심의 증기 추출 웰에 기여한다 (6×1/3-웰). 이 패턴으로 증기 추출 웰에 대한 히터 웰의 비가 약 47:1 이 된다. 따라서, 약 41.569s2 의 면적으로, 각 히터 웰은 약 0.884s2 의 면적과 관계될 것이다.
증기 추출 웰이 분리되어야 하는 거리는 토양을 통한 압력 강하 그리고 복원에 필요한 시간과 같은 인자에 의해 결정될 수 있다. 토양을 통한 증기 추출 웰로의 증기 이동에 가장 중요한 압력 강하는 추출 웰 근처에서 발생한다. 그와 같이, 주입되는 열량, 및 각 증기 추출 웰에서 생성되는 증기의 양이 제한될 수 있다. 불충분한 수의 증기 추출 웰의 경우 복원 시간이 오래 걸릴 수 있다.
열 주입 웰은 약 1 미터 (3 피트) ∼ 약 8 미터 (25 피트) 떨어질 수 있다. 더 멀어지면 복원 시간이 길어질 수 있다. 반대로 간격이 좁아지면, 실질적으로 히터 웰의 비용이 증가한다.
웰이 간격 s 로 모든 꼭지점에 배치된 삼각형 패턴의 실시형태가 도 4 의 (a) ∼ (d) 및 표 2 에 나타나 있다. 간격 s 인 도 4 의 (a) 의 삼각형 배열은, 약 2s 의 거리에 선 간격으로 떨어져 있는 증기 추출 웰 (401) 과 6 개의 히터 웰로 이루어진 단일 링 (403) 의 육각형 패턴을 갖고 있다. 각 히터 웰 (402) 은 2개의 증기 추출 웰 (401) 에 가까이 있다. 이러한 방식으로, 6 개의 히터 웰 (402) 로 이루어진 각 링 (403) 은 히터/추출 웰의 비 3:1 로 패턴 당 3 개의 동등한 히터 웰에 기여한다. 따라서, 약 3.464s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰은 약 1.155s2 의 면적과 관련될 수 있다.
다른 실시형태에서, 도 4 의 (b) 는 히터 웰의 안쪽 육각형 링(413)과 바깥쪽 육각형 링 (414) 을 갖는 증기 추출 웰의 패턴을 보여준다. 이 패턴에서, 증기 추출 웰은 약 3s 의 거리만큼 떨어져 있고, 히터 웰은 모든 다른 그리드 위치에 배치될 수 있다. 안쪽 및 바깥쪽 육각형 링은 6개의 히터 웰을 포함할 수 있다. 이 패턴의 경우 히터/추출 웰의 비가 8:1 이다. 따라서, 약 7.794s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰은 약 0.974s2 의 면적과 관련될 수 있다.
도 4 의 (c) 는 각 증기 추출 웰을 뚤러싸는 히터 웰의 2개의 육각형 링을 갖는 증기 추출 웰의 다른 구성의 패턴을 보여준다. 증기 추출 웰(421)은 6개의 히터 웰 (422) 로 이루어진 링 (423) 으로 둘러싸일 수 있다. 증기 추출 웰은 약 4s 의 거리만큼 떨어져 있을 수 있다. 12 개의 히터 웰로 이루어진 육각형의 제 2 링 (424) 은 안쪽 링 (423) 을 둘러쌀 수 있다. 이러한 패턴의 경우 증기 추출 웰에 대한 히터 웰의 비가 패턴의 수가 증가함에 따라 15:1 에 접근한다. 따라서, 약 13.85s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰은 약 0.924s2 의 면적과 관련될 수 있다.
도 4 의 (d) 는 히터 웰의 삼각형 패턴을 보여주는데, 히터 웰의 3개의 육각형 링이 각 증기 추출 웰을 둘러싸고 있다. 증기 추출 웰(431)은 6개의 히터 웰 (432) 로 이루어진 링으로 둘러싸일 수 있다. 12 개의 히터 웰로 이루어진 제 2 육각형 패턴 (433) 은 히터 웰의 안쪽 링 (432) 을 둘러쌀 수 있고, 히터 웰의 제 3 링 (434) 은 제 2 링 (433) 을 둘러쌀 수 있다. 이 패턴의 경우 증기 추출 웰에 대한 히터 웰의 비가 약 24:1 이다. 따라서, 약 21.65s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰을 약 0.902s2 의 면적과 관련될 수 있다.
도 5 는 추출 웰이 삼각형 그리드의 중심에 위치되는, 즉 간격 s 로 꼭지점 배치된 히터 웰로부터 동일한 거리에 배치된 패턴을 보여준다. 도 5 의 각 패턴의 성질은 표 3 에 기재되어 있다. 도 5 의 (a) 는 증기 추출 웰 (501) 이 약 s 의 선형 거리만큼 떨어져 있는 간격 s 의 삼각형 그리드를 보여준다. 각 증기 추출 웰은 3 개의 히터 웰 (502) 에 의해 둘러싸인다. 각 히터 웰 (502) 은 3개의 증기 추출 웰 (501) 에 인접해 있다. 그와 같이, 3 개의 히터 웰 (502) 로 이루어진 각 링 (503) 이 패턴 당 하나의 동등한 히터 웰에 기여한다. 이 패턴의 경우 증기 추출 웰에 대한 히터 웰의 비가 약 1:1 이다. 따라서, 약 0.866s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰이 약 0.866s2 의 면적과 관련될 수 있다.
도 5 의 (b) 는 히터 웰 (513) 로 이루어진 안쪽 삼각형 링 (512) 과 바깥쪽 삼각형 링 (514) 을 갖는 증기 추출 웰 (511) 의 패턴을 보여준다. 이 패턴에서, 증기 추출 웰은 약 2s 의 거리만큼 떨어져 있을 수 있고, 히터 웰은 모든 다른 그리드 위치에 배치될 수 있다. 이 방식에서, 안쪽 링 (512) 은 추출 웰 당 3 개의 동등한 히터 웰에 기여하고, 바깥쪽 링 (514) 은 추출 웰 당 하나의 동등한 히터에 기여한다. 이 패턴의 경우, 증기 추출 웰에 대한 히터 웰의 비가 약 4:1 이다. 따라서, 약 3.464s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰은 약 0.866s2 의 면적과 관련될 수 있다.
도 5 의 (c) 는 증기 추출 웰의 패턴을 보여주는데, 히터 웰의 하나의 안쪽 삼각형 링이 각 증기 추출 웰을 둘러싸고, 하나의 불규칙한 육각형 링이 히터 웰의 안쪽 삼각형 링을 둘러싸고 있다. 증기 추출 웰 (521) 은 3 개의 히터 웰 (522) 로 이루어진 링 (523) 으로 둘러싸여 있다. 증기 추출 웰은 약 3s 의 거리만큼 떨어져 있을 수 있다. 9 개의 히터 웰의 불규칙한 육각형 링 (524) 이 히터 웰로 이루어진 안쪽 링 (523) 을 둘러싸고 있다. 이 패턴의 경우, 히터/추출 웰의 비가 9:1 이다. 따라서, 약 7.794s2의 패턴 면적으로, 각 히터 웰은 약 0.866s2 의 면적과 관련될 수 있다.
도 5 의 (d) 는 히터 웰의 다른 구성의 삼각형 패턴을 보여주는데, 히터 웰로 이루어진 3 개의 링이 각 증기 추출 웰을 둘러싸고 있다. 증기 추출 웰 (531) 은 3 개의 히터 웰로 이루어진 안쪽 링 (532) 으로 둘러싸여 있다. 9 개의 히터 웰로 이루어진 불규칙한 육각형 링 (533) 은 히터 웰로 이루어진 안쪽 삼각형 링 (532) 을 둘러싸고, 히터 웰로 이루어진 불규칙한 육각형 링 (534) 은 제 2 링 (533) 을 둘러쌀 수 있다. 이 패턴의 경우, 증기 추출 웰에 대한 히터 웰의 비가 약 16:1 이다. 따라서, 약 13.856s2 의 패턴 면적으로, 각 히터 웰은 약 0.866s2 의 면적과 관련될 수 있다.
한 실시형태에서, 히터 웰의 다중 링을 갖는 패턴의 웰을 사용하는 복원 방법은, 여기서 기재된 것처럼 열 주입 속도가 기존의 토양 투과성을 통해 증기 추출 웰로 강요될 수 있는 증기의 양만을 생성하도록, 히터의 안쪽 링을 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 투과성이 커진 영역이 가열에 따라 증가함에 따라, 그리고, 안쪽 육각형 내의 토양이 건조됨에 따라, 오염물질이 초기의 오염지역에서 확산되지 않고 증기 추출 웰로 이동가능한 거리가 실질적으로 증가한다. 그와 같이, 실질적으로 열이 증기 추출 웰에서 더 멀리 공급될 수 있다.
도 3 ∼ 5 에 도시된 패턴은, 증기 추출 웰 근처 토양의 투과성을 증가시키기 위해 먼저 증기 추출 웰 또는 히터-증기 추출 웰을 작동시켜 작동될 수 있다. 또는, 개별 웰의 설계 및 설치를 단순화하기 위해, 1 ∼ 3개의 히터 웰이 증기 추출 웰 주위에 배치될 수 있다. 초기에는 열 주입이, 증기 추출 웰에서 추출될 증기의 양과 거의 동일한 수증기를 생성하는데 필요한 것보다 약간 작은 속도로 제한될 수 있다. 배출속도가 부대기압 (sub-atmospheric pressure) 에서 스팀 및 오염물질을 상기 패턴의 히터 웰 안에 유지할 정도로 충분히 크다면, 공기는 증기 추출 웰 안으로 배출될 수 있다.
증기 추출 웰 근처 영역이 목적하는 투과성까지 가열된 후, 증기 추출 웰은 물론 히터 웰이 작동될 수 있다. 가열 처리로 인해 야기되는 투과성의 잠재적인 상당한 증가로 인해, 열이 주입된 지점으로부터 많이 떨어진 위치에서 증기가 추출될 수 있다.
여기에 기재된 실시형태는 매우 촘촘하거나 빽빽한 점토 토양에서도 가열로 얻어지는 투과성의 상당한 증가라는 장점을 갖는다. 또는, 토양을 파쇄함으로써 오염된 토양의 투과성은 증가될 수 있다. 토양은 기력학, 수력학, 및 폭약 등의 여러 방법의 하나 또는 그 이상으로 파쇄될 수 있다. 투과성은 액상 물의 제거, 스팀의 방출로서 점토층 및 토양의 미세파쇄( microfracture ) 및 유기 물질의 산화의 조합으로 또한 부여될 수 있다. 투과성은 예를 들면, 토양의 초기 투과성에 의존하는 약 100 내지 약 10,000 개의 인자에 의해 증가될 수 있다. 투과성의 증가로 상당한 거리 이상으로 오염물질을 함유하는 증기의 이동이 가능하여, 복원시 필요한 증기 추출 웰의 수가 감소될 수 있다. 열 주입이 비교적 낮은 초기 속도에서 상당히 큰 속도로 증가함에 따라 투과성이 증가하므로, 증기 추출 웰 사이의 거리는 상당히 멀어질 수 있다.
유체 주입 및 열 주입이 유리할 수 있는 토양 복원 지역용 패턴이 도 6 의 (a) ∼ (d) 에 도시되어 있다. 도 6 의 (a) ∼ (d) 에 도시된 웰 패턴은 모든 꼭지점에 히터 및 추출 웰이 배치된 삼각형 패턴이다. 삼각형 변의 간격은 s 로 동일하다. 상기 패턴에서, 추출 웰 (601), 히터 웰 (602), 그리고 유체 주입 웰 (603) 은 토양의 처리 영역 전체에서 열 및 유체를 균일하게 분배하도록 배열될 수 있다. 도 6 의 (a) 는 선 간격이 약 2s 인 증기 추출 웰 패턴을 보여주고 있는데, 패턴 당 6 개의 유체 주입 웰 (603) 을 갖고 있다 (6×1/3-웰 또는 2개의 동등한 웰 ). 주입 웰은 중심의 증기 추출 웰의 육각형 패턴 주위에 대략 위치될 수 있다. 또한, 6 개의 히터 웰 (602) (1/2-웰) 은 패턴의 주위에 대략 위치될 수 있고, 이로써 패턴 당 3 개의 동등한 히터를 제공한다.
증기 추출 웰 간격을 확장함으로써 추가적인 히터 웰이 상기 패턴 내에 배치될 수 있다. 도 6 의 (b) ∼ (d) 는 추가적인 히터를 수용하기 위한 이 패턴의 연속적인 확장을 보여준다. 이 웰 패턴의 성질이 표 4 에 주어져 있는데, 예를 들면 표 2 의 패턴과 유사하게 결정된다. 한 실시형태에서, 증기 추출 웰 (601) 은 가장 큰 삼각형 배열로 배치될 수 있고, 삼각형 배열의 유체 주입 웰 (603) 은 약
Figure 112007074544612-pct00031
의 선 인자로 더 작고, 히터 웰 (602) 의 배열이 1/3, 1/4 등의 인자로 더 작을 수 있다.
도 6 의 (d) 의 패턴을 위한 작업 순서는 다음과 같다.
(1) 증기 추출 웰(601)에 진공을 가하고, 히터에 전류를 공급한다.
(2) 진공이 얻어지면, 안쪽 링의 히터(604)에 전류를 공급한다.
(3) 진공이 얻어지면, 중간 링의 히터(605)에 전류를 공급한다.
(4) 진공이 얻어지면, 바깥쪽 링의 히터(606)에 전류를 공급한다. 그리고,
(5) 웰(603)에 적절한 진공이 얻어지면, 주입 유체가 토양으로 배출되고 증기 추출 웰(601)에 수집될 수 있다.
한 실시형태에서, 유체를 주입하기 전에 주입 웰에 열을 가할 수 있다. 또는, 각각의 다음 링의 히터에의 전류 공급은 소정의 시간, 주입되는 열량, 또는 증기 추출 웰에 인접하여 위치한 히터 웰 링의 유속에 기초할 수 있다.
실시예
원위치 열탈착 처리시 토양의 가열로 인한 투과성의 증가는 열탈착 검사 실시 전후에 토양 샘플을 코어링 (coring) 함으로써 입증될 수 있었다. 코어링은 구멍난 히터-증기 추출 웰에서 42 일의 가열 전후에 실시되었다. 각각 3 미터 (12 피트) 깊이의 12개의 히터-증기 추출 웰이 1.47 미터 (5 피트) 삼각형의 간격으로 제공되었다. 웰의 히터는 최대 히터 작동 온도를 약 871 ℃(1600 ℉) 으로 유지하도록 조절되었다. 초기 열 주입은 히터 주입 웰의 선형 1 미터 및 1 초 당 약 1640 줄 (선형 1 피트 당 약 500 와트) 이었다. 나중에는, 웰의 과열을 피하도록 웰보어 주위의 토양이 가열됨에 따라 열 주입 속도를 선형 1 미터 및 1 초 당 1148 줄 (1 피트 당 약 350 와트) 로 낮추었다. 초기에 0.635 미터 (25 인치) 의 물의 진공이 히터-추출 웰에 부과되었다. 처음 48시간의 가열 동안, 진공은 약 0.127 미터 (5 인치) 의 물로 떨어졌고, 그 정도에서 유지되며, 12 개의 웰 전체에 1 분 당 약 1.416 표준입방미터 (50 scfm) ∼ 1.982 표준입방미터 (70 scfm) 의 증기가 생성되었다. 히터 웰 사이의 중간지점에 놓인 웰을 모니터한 결과, 약 2.54 센티미터 (1 인치) 의 물 진공의 초기 압력이 42 일의 가열 기간의 끝에는 약 11.4 센티미터 (4.5 인치) 의 물 진공으로 증가하였다. 토양 내 평균 압력 구배는 48 의 인자에 의해 약 61 센티미터( 24 인치 )의 물에서 약 1.27 센티미터( 0.5 인치 )의 물로 감소하였다.
웰 주위의 토양은 초기에 폴리염화 비페닐( "PCBs" )로 20,000 ppm까지 오염되어 있었다. PCBs 는 가열 처리에 의해 33 ppb보다 적은 종합평균( composite average )까지 제거되었고, 모든 샘플에서 PCB 가 1 ppm보다 적은 종합평균을 나타냈다.
가열 후 채취한 코어 샘플는 토양의 다공성 및 투과성 모두에서 큰 증가를 나타냈다. 다공성은 초기 기공 체적의 약 30 % 에서 약 40 % 까지 증가하였다. 보유된 현장 습기로 측정된 수평방향 공기 투과율은 약 3 ×10-3 밀리다시 (md) 에서 50 md 로 증가하였다. 수직방향 공기 투과율은 약 1 ×10-3 md 에서 30 md 로 증가하였다.
실시예는 어떻게 가열로 토양 투과성이 증가되고 오염물질이 토양을 통해 운반될 수 있는 거리가 증가되는지 보여준다. 증기 추출 웰 근처에서 시작된 가열은 생서된 증기가 증기 추출 웰에 의해 획득되어 오염되지 않은 주위의 토양에 퍼지지 않도록 제어되었다.
증기 추출 웰, 그리고/또는 히터 웰의 링(들)으로 둘러싸인 히터-증기 추출 웰을 이용하는 토양 복원 시스템의 장점은, 웰이 차례로 작동되어, 토양 내 또는 대기 중으로의 오염의 확산을 야기할 수 있는 토양 내 양압의 생성을 억제할 수 있다는 것이다. 히터 웰 링은 시간표에 따라, 또는 이미 작동된 웰에 의해 히터 웰이 영향을 받거나 받으려고 할 때 차례로 작동될 수 있다. 인접한 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰에 의해 제거되는 증기의 양보다 많은 양의 증기 생성을 억제하는 속도로 히터 웰에 에너지를 공급할 수 있다.
증기 추출 웰, 그리고/또는 히터 웰의 링(들)으로 둘러싸인 히터-증기 추출 웰을 이용하는 토양 복원 시스템의 다른 장점은, 토양 복원 시스템에서 다수의 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰이 최적화될 수 있다는 것이다. 한정된 수의 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰을 사용하면, 많은 수의 토양 복원 웰이 추출 웰보다 덜 비싼 히터 웰이 될 수 있으므로, 토양 복원 시스템의 기본 비용을 줄일 수 있다. 한정된 수의 증기 추출 웰 그리고/또는 히터-증기 추출 웰을 사용하면, 크기, 기본 비용, 그리고 토양에서 제거되는 발생가스 내 오염을 처리하는 처리 설비의 작동 비용을 줄일 수 있다.
증기 추출 웰, 그리고/또는 히터 웰의 링(들)으로 둘러싸인 히터-증기 추출 웰을 이용하는 토양 복원 시스템의 또다른 장점은, 시스템이 단순하고, 능률적이며, 믿을 수 있고, 비교적 비싸지 않다는 것이다. 또한, 상기 시스템은 조작, 설치 및 사용이 용이하다.
본 발명의 다양한 태양의 다른 변형 및 실시형태가 당업자에게는 이 명세서의 측면에 있어 자명할 것이다. 따라서, 본 명세서는 단지 설명적인 것이로서, 본 발명을 실시하는 일반적인 방식을 당업자에게 설명하기 위한 것이다. 여기서 기재된 본 발명의 형태는 실시형태의 실시예로서 받아들여야 한다. 본 발명의 장점을 갖고 당업자에게 자명한 한, 부재 및 재료는 여기서 설명된 것에서 대체될 수 있고, 부품과 처리는 역으로 될 수 있으며, 본 발명의 특정 구성은 개별적으로 이용될 수 있다. 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않고 여기에 기재된 부재가 바뀔 수 있다.

Claims (87)

  1. 오염된 토양의 복원 방법으로서,
    하나 이상의 열원(203)에서 오염된 토양(104)을 포함하는 처리지역(102)의 일부 이상에 열을 가하는 단계,
    상기 열을 하나 이상의 열원에서 상기 처리지역의 일부 이상에 전달하여, 처리지역의 화합물 중 일부 이상을 증발시키는 단계,
    처리지역에서 증기를 제거하는 단계, 그리고
    하나 이상의 열원에서 공급되는 열을 제어함으로써 양압이 발생되지 않도록 처리지역의 일부 이상에서 증기압을 제어하는 단계를 포함하는 오염된 토양의 복원 방법.
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