WO2021042463A1 - 复合有机污染场地原位热注入系统及工艺 - Google Patents

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Abstract

一种复合有机污染场地原位热注入系统及工艺，系统包括燃烧器（1）、燃烧井（2）、保温井（3）和水平井（4），燃烧器（1）与燃烧井（2）连通，燃烧井（2）分别与保温井（3）和水平井（4）连通，水平井（4）的水平段位于保温井（3）的下方，水平井（4）的井壁上开有注气孔（7）。采用高温的CO 2、N 2和水蒸气与有机污染物地层直接接触，利用气体驱动，特别是二氧化碳气体对有机气体溶析特性，对复合有机物进行原位热驱脱附；分布式水平井（4）在地下呈水平蛇形分布，循环加热复合有机物污染地层；抽提井（8）吸出的复合有机物热气体两次利用―第一次对地层保温、第二次加热空气提高燃烧气体能量；同一套工艺可实现燃气热脱附、化学／氧化还原、微生物修复多工艺耦合修复污染地层，采用分段筛管形式用于热注入。

Description

复合有机污染场地原位热注入系统及工艺 技术领域
本发明涉及地层修复领域，尤其涉及一种复合有机污染场地原位热注入系统及工艺。
背景技术
复合有机物污染主要包括卤代烃、石油烃和多环芳烃等，当前对复合有机物污染场地的治理主要有异位热脱附和原位热脱附两种基本工艺，其中异位热脱附修复过程中产生大量刺鼻气体，污染大气，且修复工作量大、成本高；原位热脱附则主要包括燃气热脱附、蒸汽热脱附和电热脱附等形式，燃气热脱附利用燃气燃烧产生热对地层进行修复，温度可达到400℃甚至更高，可以去除几乎所有的有机物污染，是一种具有良好发展前途的热修复方法。
然而，当前燃气热脱附修复过程中，存在以下几个问题；(1)燃烧产生的高温气体与地层不直接接触，仅仅依靠向地层传热，高温气体排出时温度高，使得能量利用率低；(2)修复时燃烧井直径较小，产生的热量小，使得地面布置的燃烧器等设备密集，设备投资较大；(3)修复过程中，从地层抽提出的尾气温度较高，但无法利用，浪费了能源，增加了气液分离的负担；(4)原位热脱附主要采用竖井进行修复，对于深层(≥15m)低渗透的有机污染场地修复效果差，修复成本急剧上升。
发明内容
针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种能够提高能量利用效率的复合有机污染场地原位热注入系统及其配套应用的修复工艺。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种复合有机污染场地原位热注入系统，包括燃烧器、燃烧井、保温井和水平井，所述燃烧器与燃烧井连通，所述燃烧井分别与保温井和水平井通过管道连通，所述水平井的水平段位于保温井的下方，所述水平井的井壁上开有注气孔。
优选地，还包括尾气保温井和抽提井，在抽提井的井壁上开有吸气孔，所述抽提井与尾气保温井连通。
优选地，还包括水气分离装置，所述尾气保温井与水气分离装置连通，水气分离装置的出水口和排气口分别连通有水泵和抽排风机。
优选地，在水气分离装置内缠绕设置有换热管道，所述换热管道与燃烧器连通。
优选地，燃烧井和水平井通过管道连通所述水平井包括多个，多段水平井包括水平段和水平段两端的倾斜段，在水平段的井壁上开有注气孔，所述倾斜段为钢管；多个水平井相互平行设置并以首尾连通的方式连接在一起形成分布式水平井，分布式水平井与燃烧井连通的管道上设置有注气阀门，在分布式水平井的另一端开口处设置排气阀门。
一种复合有机污染场地原位热注入工艺，包括如下步骤：
S1，根据污染场地的大小涉及燃烧井、保温井和水平井的分布及数量，在污染场地钻孔并安装井管形成燃烧井、保温井和水平井，在水平井的井壁上开注气孔，水平井的水平段位于燃烧井、保温井以及污染地层的下方，将所有水平井按照首尾连通的方式连接在一起形成分布式水平井；
S2，在燃烧井处安装燃烧器，布设燃烧器与燃烧井之间、燃烧井与保温井之间以及燃烧井和分布式水平井之间连通的管道，在分布式水平井与燃烧井连通的管道上设置注气阀门，在分布式水平井另一端开口处设置排气阀门；
S3，关闭注气阀门，通过燃烧器点火加热燃烧井中的燃气，燃烧产生的热能随着燃烧产生的气体经过注气泵注入到保温井内，并将保温井内的空气排空，保温井内随着携带热能的气体的注入成为 辐射源向周边地层进行热辐射和热传导；
S4，打开分布式水平井的注气阀门和排气阀门，通过携带有热能的气体排空分布式水平井内的空气，当设置有排气阀门一端的开口排出的气体温度与设置有注气阀门一端开口注入的气体温度相同时，关闭注气阀门和排气阀门。
优选地，在步骤S3中，所述气体为CO 2、N 2和水蒸气的混合气体，随着混合气体注入污染地层，作为碳化物的CO 2与污染底层中的有机污染物产生溶析效应；通过携带热能的N 2和水蒸气将溶析出的污染物进行脱附。
优选地，在步骤S1中，还包括在污染场地通过钻孔成井工艺形成抽提井和尾气保温井，抽提井的井壁上开有吸气孔，抽提井通过管道与保温井连通；在焖井修复过程中，抽提井通过井壁上的吸气孔从周边地层吸入气体，通过抽提风机将抽提井内的气体注入至尾气保温井内进行贮存。
优选地，所述焖井修复过程如下：
关闭水平井的注气阀门和排气阀门、停止燃烧器的燃烧、关断燃烧井与保温井之间的管道；
在抽提风机的作用下，抽提井通过井壁上的吸气孔从周边地层吸入气体，通过抽提风机将抽提井内的气体注入至尾气保温井内，然后经管道排出至水气分离装置内进行气水分离后处理；
当尾气保温井内的温度降至50℃-80℃时，通过抽提井向污染层内注入液态化学/氧化还原修复药剂；当尾气保温井内的温度继续降至30℃-50℃时，通过抽提井注入微生物培养基。
优选地，尾气保温井内的尾气与地面上设置的水气分离装置连通，水气分离装置将尾气中的气体和水分离后分别通过抽排风机和离心水泵将气体和水汇集至尾气处理装置和水处理设备中进行处理，符合排放标准后排放；燃烧器内辅助燃气燃烧的空气经管道注入到燃烧器内，所述管道设置有换热段并将换热段缠绕设置于水气分离装置内；当尾气进入到水气分离装置后可与换热段内的空气进行换热，经换热升温后的空气通过助燃风机注入到燃烧器内。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：
(1)高温的二氧化碳、氮气和水蒸气与有机污染物地层的直接接触，利用气体驱动，特别是二氧化碳气体对有机气体溶析特性，进行复合有机物的热驱脱附；
(2)分布式水平井在地下呈水平蛇形分布，循环加热复合有机物地层；
(3)采用相互平行的多水平井热蒸汽注入、竖井抽提的修复工艺；
(4)抽提井抽吸出的复合有机物热气体二次利用——第一次利用加热保温地层工艺、第二次加热空气提高燃烧气体能量；
(5)通过燃气热脱附、化学/氧化还原、微生物修复等多工艺耦合修复污染地层；
(6)采用分段筛管形式用于热注入。
附图说明
图1为本发明复合有机污染场地原位热注入系统示意图；
图2为本发明复合有机污染场地原位热注入系统的空间分布示意图；
图3为本发明复合有机污染场地原位热注入系统的水平管分布示意图；
图4为本发明复合有机污染场地原位热注入耦合修复系统的尾气保温井的结构示意图。
图中，1、燃烧器；2、燃烧井；3、保温井；4、水平井；5、筛管；6、钢管；7、注气孔；8、抽提井；9、吸气孔；10、注气阀门；11、排气阀门；12、尾气保温井；13、高温注气泵；14、水气分离装置；15、温度计；16、压力计；17、流量计；18、换热管；19、抽提风机；20、助燃风机；21、抽排风机；22、离心水泵；23、水处理设备；24、尾气处理设备；25、节流阀。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明作进一步详述，以下实施例 只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示，注入系统包括气体注入部分和尾气回收部分。
气体注入部分包括燃烧器1，燃烧器1通过管道连通燃烧井2，管道直接通到燃烧井2的井底。通过带有节流阀25的空气管道和燃气管道向燃烧器1内通入燃气(天然气或液化石油气)和空气，管道上均设置有流量计17，打开空气管道和燃气管道上的节流阀25使燃气和空气进入到燃烧器1内，当燃气在燃烧器1内被点燃后，顺着管道直接进入到燃烧井内开始燃烧，燃烧产生的气体携带热量排出燃烧井2，通过相应管道进入到后续的保温井3中。
其中，本实施例中的燃烧井2与现有技术中的燃烧井存在如下区别：
燃烧井2直径较大，大于等于500mm，深度约为待修复地层深度一半，可旋挖快速成孔，采用钢管6配套法兰安装，底部不封口，用于燃烧产生高温热气。通过空气管道和燃气管道上的流量计17监视进入到燃烧器1内的空气流量和燃气流量，然后借助节流阀25控制两者的流量，从而控制燃气的燃烧程度。另外，在燃烧器1和燃烧井2连通的管道上设置有压力计16，用于检测进入到燃烧井2内的流体压力。
根据燃气燃烧产生的气体分析，从燃烧井2中产生的伴随热能的气体包括二氧化碳、氮气和水蒸气，此三者的混合气经高温注气泵13分别注入到水平井4和保温井3内。在连通燃烧井2和高温注气泵13进气口的通道上依次设置有温度计15、压力计16和流量计17。
从高温注气泵13中泵出的高温燃气先进入到保温井3内，保温井3相对于燃烧井2的直径设置为200mm，深度接近污染层下限(参照图1中污染层下限C-C)，与污染层下限距离约0.5m。保温井3的井筒封闭，底部可不封口，便于注入燃烧后产生的高温气体进入。
水平井4的布置形式可参照图3，根据污染场地的范围等间隔设置水平井4，水平井4分为水平段的筛管5和倾斜段的钢管6，水平段的筛管5位于污染层下限(参见图1中C-C表示的位置)0.5m左右，筛管5上的孔为向周边地层/污染地下水注入高温气体的注气孔7。水平 井4采用依次首尾相连的方式形成分布式水平井，从而在污染层下方形成蛇形分布。在与燃烧井2连通的开口设置注气阀门10、在分布式水平井的另一个开口处设置排气阀门11。打开注气阀门10和排气阀门11后，高温注气泵13将高温高压(温度≥100℃，压力≥1Mpa)的混合气体泵入到分布式水平井内，混合气体从注气阀门10的一端进入分布式水平井，然后高温高压的混合气体将原本分布在水平井4内的空气挤出水平井4。当从排气阀门11内排出的气体温度达到100℃时，证明水平井4内已经充满了高温高压的混合气体。此时，关闭注气阀门10和排气阀门11，混合气体从筛管5上的注气孔7被压入周边土层或污染地下水中。
水平井4之间连通的管道利用切斜设置的钢管可布设于浮土覆盖层(参照图1中浮土覆盖层B-B)之上，采用覆膜的方式保温，方便施工。
以上为气体注入部分，下方为尾气回收部分。尾气回收部分至少包括尾气保温井12和抽提井8。
抽提井8与保温井3的直径以及设置深度一致，与保温井3的区别在于在抽提井8的井壁上设置吸气孔9。周边土层或污染地下水中的气体通过吸气孔9进入到抽提井8内，抽提风机19为土层内气体进入到抽提井8内提供动力并将抽提井8内的尾气输送至尾气保温井12内贮存。可参照图1中尾气保温井12与浮土覆盖层B-B之间的相对关系，尾气保温井12位于浮土覆盖层下方同时位于污染场地边缘，利用地热对尾气进行保温，提高能源利用率。
尾气保温井12的结构参照图4所示，保温井3包括内外两层井壁，两层井壁之间存在环空，从抽提井8输送至的尾气注入到内层井壁中，待到达内层井壁的另一端时，再从该另一端的开口进入到内层井壁和外层井壁之间的环空中。既能利用地热能源对尾气进行保温，又能通过依然携带热能的尾气(50-100℃)对周边地层进行热辐射和热传导，待尾气温度被消耗到与周边地层温度保持平衡时，将尾气输送至地面上的水气分离装置14中进行水气分离。
水气分离装置14包括尾气注入通道以及分离后的排水口和排气 口，排水口和排气口分别连接有离心水泵22和抽排风机21，分离后的尾气和尾水分别通过抽排风机21和离心水泵22排送至尾气处理设备24和水处理设备23中进行处理，经处理后的尾气和尾水达到排放标准后进行排放。
此外，为了进一步进行能源的回收，在水气分离装置14的尾气注入通道上缠绕设置有换热管18，换热管18一端开口用于吸入空气，另一端与一助燃风机20进风口连通，通过助燃风机20将空气输送至燃烧器1内助燃。当系统初步运行时，因不存在尾气，故不存在热交换；当有尾气产生并输送至水气分离装置14时，进入到换热管18内的空气即可与尾气注入通道内的尾气发生热交换，使助燃风机20送至燃烧器1内的空气为热空气，从而达到回收利用尾气余热的作用。
值得注意的是，除必要的需通至地面(参见图1中地面A-A)以上的管道(如尾气保温井12伸出地面与水气分离装置14连通段的管道、高温注气泵13与燃烧井2、保温井3之间连通时位于地面以上的管道、燃烧器1与水气分离装置14连通的管道等)外，均通过浮土覆盖再通过密封塑料薄膜进行整个污染场地地面的密封，保证下方管道及土层内的热量不会快速流失。
为了避免分布式水平井内注入的气体压力过高，高温注气泵13、分布式水平井以及保温井3三者之间通过三通管道连通，在各个保温井3的井口设置有阀门。分布式水平井内压力过高的情况下可以手动或自动(依靠传感器、上位机预警控制系统、电磁阀配合的方式)的方式将保温井3井口的阀门打开，使水平井4内的气体倒灌至保温井3内，从而起到一个缓冲的作用。因此，保温井3还被应用于调节注入压力(类似于蓄能器)，有效地减少热量损失，提高控制精度。
具体的，本系统应用于有机污染场地修复时，从场地布设到修复过程如下：
第1步：场地整理、平整，清除地面杂物，钻孔形成燃烧井2、保温井3等；
第2步：安装地面装备(燃烧器1、高温注气泵13、水气分离装置14等)，回拖安装水平井4管道并依次首尾连接形成分布式水平井， 地面埋设尾气保温管道；
第3步：原位注入前排放管道中空气、试注入直到尾气保温管道内的温度上升到100℃(为了方便检测，将温度计15设置于位于地面之上的、与水气分离装置14连接的管道上)；
第4步：保持抽提设备(抽提风机19)和尾气处理装备(助燃风机20)运行，关闭其他设备(燃烧器1、高压注气泵、助燃风机20、水气分离装置14)以及管道阀门，进行焖井抽提操作；
第5步：当抽提流量明显下降时，重新启动系统加热循环；
第6步：当为其保温管道内的温度再度上升到100℃时再次重复第4步和第5步；
第7步：当尾气保温管道内的温度下降至60℃时，可以通过抽提井8向污染土壤及地下水内注入修复药剂，进行组合修复；
第8步：当修复达标后，拆除系统，恢复场地，完成修复过程。
其中，关于原位热注入的过程如下：
第1步：关闭分布式水平井的注气阀门10，点火加热燃烧井2中的燃气，提供热源，燃烧产生的热蒸汽首先注入到保温井3中排空空气后，产生热量向地层辐射和传导；
第2步：打开注气阀门10，以及分布式水平井另外一侧的排气阀门11，排空分布式水平井中的空气；
第3步：逐渐向分布式水平井中注入热的气态二氧化碳、氮气和水蒸气，通过燃烧器1上燃气和空气管道上的节流阀25及流量计17监控加热燃烧速度直到分布式水平井排气阀门11一侧排出高温热气(大于等于100℃)；
第4步：保持抽提设备(抽提风机19)和尾气处理装备(助燃风机20)运行，关闭其他设备(燃烧器1、高压注气泵、助燃风机20、水气分离装置14)以及管道阀门，进行焖井抽提操作；
第5步：抽提井8不断抽提、吸收含有复合有机物的气体，收集起来进行处理；
第6步：重复点火加热-关闭-焖井的操作，配合热修复过程。
与传统的燃气热注入方式相比，本系统不仅从应用方式存在不 同，在结构上也存在很大区别：
1.如图2所示，当污染场地区域确定后，根据需要设计燃烧井2、保温井3、抽提井8的安装间隔。如前文所述燃烧井2直径较大，故较之传统的燃烧井2，可将深度减小，达到待修复地层深度一半即可，可旋挖成孔，采用钢管6配套法兰安装，底部无需封口，用于燃烧产生高温热气，并注入保温井3和分布式水平井。改用大直径燃烧井2配合保温井3的布井形式不仅减少了原热脱附燃烧井2的数量，则无需像传统工艺中开挖大量的燃烧井2，同时也对应的减少了燃烧器1的数量，降低了设备投资和控制难度。
2.增加了分布式水平井和高温注气泵13以产生高温蒸汽，实现了高温二氧化碳、氮气和水蒸气的联合驱动。通过热脱附、化学/氧化还原、微生物修复多工艺耦合修复技术，先在≥80℃进行复合有机污染物的热脱附，然后在50-80℃通过抽提井注入液态的化学/氧化还原等修复药剂，最后在30-50℃激发微生物最大活性修复地层，如此反复操作，彻底完成复合污染有机物的修复。特别是CO 2气体对有机气体溶析特性，热气体降低复合有机物粘度，水蒸气的强化蒸馏等三方面的联合作用，提高了复合有机物的热驱脱附效果。
3.在相应的地面设备及管道上增加了流量计17、压力计16以及温度计15等采集单元，便于更好采集地面流体及地面以下地层和流体的温度、流量、压力等参数，使之更好的对整个系统进行控制。
4.通过分布式水平井循环加热复合有机物污染地层+竖直抽提井8抽提+尾气保温管道同样位于近地面地层(图1中浮土覆盖层B-B与地面之间)+利用水气分离装置14的尾气余热，对燃烧时所用的空气进行加热，充分利用热量。
5.注射井压力过高的情况下，可手动/自动打开保温井3阀门，利用保温井3调节注入压力(类似于蓄能器)，有效地减少热量损失，提高控制精度。
6.抽提的热尾气回灌到地层中进行保温，耗热后再进行分离。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露 的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

  1. 一种复合有机污染场地原位热注入系统，其特征在于，包括燃烧器、燃烧井、保温井和水平井，所述燃烧器与燃烧井连通，所述燃烧井分别与保温井和水平井连通，所述水平井的水平段位于保温井的下方，所述水平井的井壁上开有注气孔。
  2. 根据权利要求1所述的复合有机污染场地原位热注入系统，其特征在于，还包括尾气保温井和抽提井，在抽提井的井壁上开有吸气孔，所述抽提井与尾气保温井连通。
  3. 根据权利要求2所述的复合有机污染场地原位热注入系统，其特征在于，还包括水气分离装置，所述尾气保温井与水气分离装置连通，水气分离装置的出水口和排气口分别连通有水泵和抽排风机。
  4. 根据权利要求3所述的复合有机污染场地原位热注入系统，其特征在于，在水气分离装置内缠绕设置有换热管道，所述换热管道与燃烧器连通。
  5. 根据权利要求1-4中任一项所述的复合有机污染场地原位热注入系统，其特征在于，燃烧井和水平井通过管道连通，所述水平井包括多个，多段水平井包括水平段和水平段两端的倾斜段，在水平段的井壁上开有注气孔，所述倾斜段为钢管；多个水平井相互平行设置并以首尾连通的方式连接在一起形成分布式水平井，分布式水平井与燃烧井连通的管道上设置有注气阀门，在分布式水平井的另一端开口处设置排气阀门。
  6. 一种复合有机污染场地原位热注入工艺，其特征在于，包括如下步骤：
    S1，根据污染场地的大小涉及燃烧井、保温井和水平井的分布及数量，在污染场地钻孔并安装井管形成燃烧井、保温井和水平井，在水平井的井壁上开注气孔，水平井的水平段位于燃烧井、保温井以及污染地层的下方，将所有水平井按照首尾连通的方式连接在一起形成分布式水平井；
    S2，在燃烧井处安装燃烧器，布设燃烧器与燃烧井之间、燃烧井与保温井之间以及燃烧井和分布式水平井之间连通的管道，在分布式水平井与燃烧井连通的管道上设置注气阀门，在分布式水平井另一端开口处设置排气阀门；
    S3，关闭注气阀门，通过燃烧器点火加热燃烧井中的燃气，燃烧产生的热能随着燃烧产生的气体经过注气泵注入到保温井内，并将保温井内的空气排空，保温井内随着携带热能的气体的注入成为辐射源向周边地层进行热辐射和热传导；
    S4，打开分布式水平井的注气阀门和排气阀门，通过携带有热能的气体排空分布式水平井内的空气，当设置有排气阀门一端的开口排出的气体温度与设置有注气阀门一端开口注入的气体温度相同时，关闭注气阀门和排气阀门。
  7. 根据权利要求6所述的复合有机污染场地原位热注入工艺，其特征在于，在步骤S3中，所述气体为CO 2、N 2和水蒸气的混合气体，随着混合气体注入污染地层，作为碳化物的CO 2与污染地层中的有机污染物产生溶析效应；通过携带热能的N 2和水蒸气将溶析出的污染物进行脱附。
  8. 根据权利要求7所述的复合有机污染场地原位热注入耦合修复工艺，其特征在于，在步骤S1中，还包括在污染场地通过钻孔成井工艺形成抽提井和尾气保温井，抽提井的井壁上开有吸气孔，抽提井通过管道与保温井连通；在焖井修复过程中，抽提井通过井壁上的吸气孔从周边地层吸入气体，通过抽提风机将抽提井内的气体注入至尾气保温井内进行贮存。
  9. 根据权利要求8所述的复合有机污染场地原位热注入工艺，其特征在于，所述焖井修复过程如下：
    关闭水平井的注气阀门和排气阀门、停止燃烧器的燃烧、关断燃烧井与保温井之间的管道；
    在抽提风机的作用下，抽提井通过井壁上的吸气孔从周边地层吸入气体，通过抽提风机将抽提井内的气体注入至尾气保温井内，然后经管道排出至水气分离装置内进行气水分离后处理；
    当尾气保温井内的温度降至50℃-80℃时，通过抽提井向污染层内注入液态化学/氧化还原修复药剂；当尾气保温井内的温度继续降至30℃-50℃时，通过抽提井注入微生物培养基。
  10. 根据权利要求8所述的复合有机污染场地原位热注入工艺，其特征在于，尾气保温井内的尾气与地面上设置的水气分离装置连通，水气分离装置将尾气中的气体和水分离后分别通过抽排风机和离心水泵将气体和水汇集至尾气处理装置和水处理设备中进行处理，符合排放标准后排放；燃烧器内辅助燃气燃烧的空气经管道注入到燃烧器内，所述管道设置有换热段并将换热段缠绕设置于水气分离装置内；当尾气进入到水气分离装置后可与换热段内的空气进行换热，经换热升温后的空气通过助燃风机注入到燃烧器内。
PCT/CN2019/113667 2019-09-04 2019-10-28 复合有机污染场地原位热注入系统及工艺 WO2021042463A1 (zh)

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