【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于污染土壤、地下水修复领域，具体为一种多段式主动开关型污染土壤原位燃气加热装置及加热方法。
技术介绍
1、对于受有机污染的土壤，特别是受多环芳烃、农药、石油烃等传统修复工艺难处理的污染土壤，在原位处理技术中原位热脱附技术因其处理效果好，场地适应性强等优势被广泛应用。目前，市场上主流的原位热脱附技术有原位电阻加热、原位热传导—电加热、原位热传导—燃气加热、原位蒸汽加热等。
2、其中，原位电阻加热和原位蒸汽加热受制于土壤含水率、电导率、土壤均质性以及土壤透气性等因素，适用的场地类型较少，应用占比不高。原位热传导式加热为现阶段原位加热的主流技术。
3、原位热传导式加热即通过在土壤中建设加热井，通过在加热井内布置电加热棒或是通入燃烧后的烟气对加热井的套管进行加热，受热后的套管通过热辐射向周边土壤源源不断的输送热量，从而起到加热周边土壤的目的。按照能源供应形势的不同可以分为原位热传导—电加热、原位热传导—燃气加热两种方式。原位传导式加热方式受土壤的理化性质影响较小，其适应性更广。但因其加热棒或是烟气加热通路在加热井内的布置方式的影响，原位热传导加热中也存在一些问题：
4、原位热传导—燃气加热工艺中用到的加热井由内、外两层套管构成，燃烧后的烟气从内套管中输入，从内、外套管中夹层中被引风机引出，通过烟气对内外套管的加热从而实现对周边土壤的加热。现行工艺中内、外套管均采用垂直平行设置，造成烟气在套管内的流动路径只受加热井的井深或是内套管的长度限定，如需提高加热功率，只能通过增加热气量和燃气温度，造
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于基于以上问题，提供一种多段式主动开关型污染土壤原位燃气加热装置及加热方法，可以灵活有针对性的实现不同深度土层的差异化加热需求，实现精确加热，节省能源。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
2、一种多段式主动开关型污染土壤原位燃气加热装置，包括设置在地面以上的烟气产生排放系统和深入地下的加热系统；所述烟气产生排放系统包括燃气供应装置、燃烧器、燃烧器喷嘴、烟气集中排放装置以及气动阀门控制箱；所述燃气供应装置通过燃气供应管线与燃烧器连接，所述燃烧器下方连接燃烧器喷嘴，所述燃烧器喷嘴的出口连接有烟气导入管；所述烟气导入管的出口连接至气动阀门控制箱；所述烟气集中排放装置与气动阀门控制箱通过烟气排放管进行连接；所述加热系统包括加热井、设置在加热井内的螺旋烟气内管以及多个烟气导管，不同的烟气导管连通到螺旋烟气内管的不同深度；气动阀门控制箱控制其中不同气动阀门的启闭实现烟气导入管和烟气排放管与任意两个烟气导管连接，从而形成不同闭环烟气通路实现不同深度段的螺旋烟气内管的加热。
3、进一步的优化，所述螺旋烟气内管是连通的整体或者分为多段；所述螺旋烟气内管的螺旋的间距相等，或者各段的螺旋间距不相等。
4、其中一个优化方案，所述螺旋烟气内管为一个连通的整体，所述烟气导管包括主烟气导管和多个副烟气导管，所述螺旋烟气内管环绕在主烟气导管周围，主烟气导管与螺旋烟气内管的底端连通，多个副烟气导管与螺旋烟气内管不同深度连通，所述螺旋烟气内管的螺旋的间距相等。
5、另一个优化方案，所述螺旋烟气内管分为不连通的至少两段，且各段上下依次排列，任意一段螺旋烟气内管的上下两端分别连通一个烟气导管。
6、另一个优化方案，所述螺旋烟气内管分为至少两段，且各段上下依次排列，所述烟气导管包括主烟气导管和多个副烟气导管，各段螺旋烟气内管均环绕在主烟气导管周围且底端与主烟气导管不同深度连通，各段螺旋烟气内管的上端各连通一个副烟气导管。
7、进一步的，所述烟气产生排放系统还包括温控系统，所述温控系统连接设置在不同深度的污染土壤中和设置在螺旋烟气内管不同深度段的温度传感器，温控系统接收温度传感器的信号，并发送信号给燃气供应装置，控制燃气的输送。
8、所述的加热装置应用于有机污染土壤污染物抽提的辅助加热，所述污染土壤中垂向不同水平层所需加热温度、时间不同。
9、一种基于所述多段式主动开关型污染土壤原位燃气加热装置的加热方法，包括以下步骤：
10、步骤1：确定待加热区域的地块特征：所述地块特征包括地块污染特征、土层土质特征以及水文地质特征；
11、步骤2：根据地块特征，将待加热地块延垂向进行概化分层；
12、步骤3：根据各层地块特征，确定各层土壤的加热目标温度；
13、步骤4：在待加热区域设置所述的加热装置，根据加热装置的输出功率和各层地块特征，确定加热各层土壤所需的加热时间；
14、步骤5：通过控制不同气动阀门的启闭实现不同深度段土壤层中螺旋烟气内管的加热；
15、当设定土壤加热的最终温度tc大于100℃时，采用公式计算土壤单位深度内的功率输入：
16、
17、式中：β表示单个加热装置单位深度的平均功率输入，w·m-1；tb表示土壤中的水完全汽化所需要的时间，day；tc2表示土壤从100℃加热到目标温度所需要的时间，day；a表示单个加热装置热辐射的影响范围,m2；ρs表示土壤颗粒密度，g·m-3；cs表示土壤颗粒的热容，w·day·g-1·℃-1；θ表示土壤孔隙度；ρw表示水的密度，g·m-3；cw表示水的热容，w·day·g-1·℃-1；δ表示土壤中水的饱和度；tb表示水的沸点，℃；ta表示土壤加热前的温度，℃；tc表示土壤中最终的温度，℃；hw代表的是水的汽化热，单位是w·day·g–1。
18、当设定土壤加热的最终温度tc小于或等于100℃时，采用公式计算各层土壤深度内的功率输入：
19、
20、式中：σ是个0-1的数值，代表的在加热温度低于100℃条件下，水蒸发的占比，tc1表示土壤加热到目标温度所需要的时间。
21、在功率固定的情况下可以通过公式(1)或者公式(2)结合各层的地块特征反推出每层的加热时间。
22、步骤一中，所述地块污染特征包括污染物种类、污染物饱和蒸气压、污染物沸点、污染物空间分布范围和污染物浓度；所述地层土质特征包括土壤类别、土壤含水量、土壤颗粒密度、土壤孔隙度、土壤颗粒的热容、土壤初始温度、土壤透气性、土壤热导率和土壤导温系数；所述水文地质特征包括地下水埋深、含水层厚度、水力梯度、土壤渗透系数和地下水流速。
23、本专利技术的优点和有益效果是：
24、本专利技术能够基于污染土壤修复中因污染物种类、空间分布及土质、水文地质条件的不同采取有针对性的差异加热方案，实现不同深度加热温度差异化，有利于实施精准定深、定时加热，在确保加热效果的前提下可有效节省能源，减少碳排放。
25、本专利技术通过在加热井周边土体中埋设不同深度的温度传感器来检测不同地层土壤的加热温度，实现定深、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多段式主动开关型污染土壤原位燃气加热装置，其特征在于：包括设置在地面以上的烟气产生排放系统和深入地下的加热系统；
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：所述螺旋烟气内管(13)是连通的整体或者分为多段；所述螺旋烟气内管(13)的螺旋的间距相等，或者各段的螺旋间距不相等。
3.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于：所述螺旋烟气内管(13)为一个连通的整体，所述烟气导管包括主烟气导管(143)和多个副烟气导管，所述螺旋烟气内管(13)环绕在主烟气导管(143)周围，主烟气导管(143)与螺旋烟气内管(13)的底端连通，多个副烟气导管与螺旋烟气内管(13)不同深度连通，所述螺旋烟气内管(13)的螺旋的间距相等。
4.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于：所述螺旋烟气内管(13)分为不连通的至少两段，且各段上下依次排列，任意一段螺旋烟气内管(13)的上下两端分别连通一个烟气导管。
5.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于：所述螺旋烟气内管(13)分为至少两段，且各段上下依次排列，所述烟气导管包括主烟气导管(143
6.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：所述烟气产生排放系统还包括温控系统(33)，所述温控系统(33)连接设置在不同深度的污染土壤中和设置在螺旋烟气内管(13)不同深度段的温度传感器(35)，温控系统(33)接收温度传感器(35)的信号，并发送信号给燃气供应装置(31)，控制燃气的输送。
7.权利要求1所述的加热装置的应用，其特征在于：应用于有机污染土壤污染物抽提的辅助加热，所述污染土壤中垂向不同水平层所需加热温度、时间不同。
8.一种基于权利要求1～7中任意一项所述多段式主动开关型污染土壤原位燃气加热装置的加热方法，其特征在于：包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的加热方法，其特征在于：步骤一中，所述地块污染特征包括污染物种类、污染物饱和蒸气压、污染物沸点、污染物空间分布范围和污染物浓度；所述地层土质特征包括土壤类别、土壤含水量、土壤颗粒密度、土壤孔隙度、土壤颗粒的热容、土壤初始温度、土壤透气性、土壤热导率和土壤导温系数；所述水文地质特征包括地下水埋深、含水层厚度、水力梯度、土壤渗透系数和地下水流速。
...【技术特征摘要】
1.一种多段式主动开关型污染土壤原位燃气加热装置，其特征在于：包括设置在地面以上的烟气产生排放系统和深入地下的加热系统；
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：所述螺旋烟气内管(13)是连通的整体或者分为多段；所述螺旋烟气内管(13)的螺旋的间距相等，或者各段的螺旋间距不相等。
3.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于：所述螺旋烟气内管(13)为一个连通的整体，所述烟气导管包括主烟气导管(143)和多个副烟气导管，所述螺旋烟气内管(13)环绕在主烟气导管(143)周围，主烟气导管(143)与螺旋烟气内管(13)的底端连通，多个副烟气导管与螺旋烟气内管(13)不同深度连通，所述螺旋烟气内管(13)的螺旋的间距相等。
4.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于：所述螺旋烟气内管(13)分为不连通的至少两段，且各段上下依次排列，任意一段螺旋烟气内管(13)的上下两端分别连通一个烟气导管。
5.根据权利要求2所述的加热装置，其特征在于：所述螺旋烟气内管(13)分为至少两段，且各段上下依次排列，所述烟气导管包括主烟气导管(143)和多个副烟气导管，各段螺旋烟气内管(13)均环绕在主烟气导管(143)周围...
【专利技术属性】
技术研发人员：卜凡阳，马福俊，谷庆宝，李晓东，刘文秀，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
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