一种用于土壤原位热脱附修复的模拟装置及应用的制作方法

本发明涉及土壤生态修复领域及热力学应用研究领域，属于基于热传导原理的污染场地原位热脱附修复技术模拟装置，具体涉及一种用于土壤原位热脱附修复过程模拟的热力学研究装置。

背景技术：

全国首次土壤污染状况调查结果显示：全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，全国土壤总的超标率为16.1%。随着《土壤污染防治行动计划》的颁布，我国土壤修复行业进入了快发展阶段，热脱附修复技术也不断得到推广应用，特别是原位热脱附修复技术因具有无需开挖及运输、土壤扰动小、异味控制效果好、处理能力强等诸多优点而越发得到重视，但由于我国土壤修复行业启动较晚，设备研发、技术研发水平相对滞后，开展研究工作的基础条件薄弱，研究设施缺乏。

解决的技术问题:热脱附修复技术是解决土壤有机污染问题的重要技术手段，特别原位热脱附修复技术。在国外，该类技术由工程实践演化而来，相关研究较少；在国内，关于该技术的研究尚处于起步阶段，国内外先期开展的原位热脱附修复技术研究所用的设备均较为简单，规模较小，所得数据难以满足原位热脱附修复过程的热力学应用研究。此外，原位热脱附修复技术能源消耗大，修复实践中的参数控制对减少修复成本具有重要意义，目前，缺乏用于摸索原位热脱附修复技术工程参数的装置设备，技术参数的不确定势必会影响修复效果或导致修复成本升高。

技术实现要素：

本发明建立了一个具有适当规模的实验装置用于原位热脱附修复技术模拟及原位热脱附修复过程热力学研究，即可用于摸索原位热脱附修复工程控制参数，也可为原位热脱附修复过程热力学研究提供技术手段。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：

一种用于土壤原位热脱附修复的模拟装置，其特征在于包括原位加热模拟砂槽、支架、上部保温层、上盖、加热井、抽提井、温度监测井；所述原位加热模拟砂槽的主体结构为不锈钢材质的中空敞口圆柱形砂罐，原位加热模拟砂槽下部有支架支撑；原位加热模拟砂槽上部具有饼状上部保温层，所述上部保温层之上为上盖；所述加热井、抽提井、温度监测井穿过上述上盖及饼状保温层深入原位加热模拟砂槽内部，该敞口圆柱形砂罐底部设有向下突出的出料孔，所述出料口由闸板阀控制开启或关闭；上述敞口圆柱形砂罐顶端具有一圈水平外沿，所述水平外沿上均匀布有固定螺孔；所述敞口圆柱形砂罐内部同一水平高度上设有多个卡槽用于安装定位装置；所述固定装置上设有多个加热井定位孔、抽提井定位孔、多个温度监测井定位孔；上述敞口圆柱形砂罐四周及底部覆盖有一定厚度的保温层。

本发明所述加热井以电加热棒为发热元件，所述电加热棒与加热井套管之间填充导热沙；加热井通过热传导方式对原位加热模拟砂槽内土壤进行加热，所述加热井借助所述的定位装置安装，并由上到下依次穿过上盖、上部保温层，深入至所述的原位加热模拟砂槽。其结构包括多个温度监测井，温度监测井有多个具有不同长度的热电偶和相应的保护套管组成，多个保护套管焊接在一起，各保护套管一端对齐，所述热电偶从保护管对齐段穿入，并在对齐端通过螺母装置将热电偶与保护管连接固定。

本发明的创新点在于：首次建立了较为大型的原位热脱附修复技术模拟装置，装置内布设多个加热井、多个温度监测井及一个抽提井，加热井最高加热温度可达800℃，发明装置可真实模拟基于热传导技术原理的污染场地原位热脱附修复过程；本发明装置包括多个温度监测井，实现了对实验过程中不同位置不同深度土壤温度的同时监测。

本发明更加详细的描述如下：

本发明涉及一种用于土壤原位热脱附修复过程模拟的热力学研究装置，涉及土壤生态修复领域及热力学基础研究领域。装置包括：原位加热模拟砂槽、支架、加热井、抽提井、温度监测井。

本发明所述的中空的敞口圆柱形砂罐3，该敞口圆柱形砂罐周围有保温层4覆盖；上述敞口圆柱形砂罐下方具有不锈钢材质的桶底，桶底中部设有长方形出料孔15，该长方形出料孔由闸板阀16控制开关；上述敞口圆柱形砂罐底部具有底部保温层9覆盖；该敞口圆柱形砂罐底部焊有两条口字形槽钢10，所述口字形槽钢分别位于出料孔两侧，平行穿过底部保温层与上述敞口圆柱形砂罐的桶底相连；上述敞口圆柱形砂罐内壁在同一水平位置上焊有多个卡槽6，用于安装定位装置5；上述定位装置主体为三角形支架30,上设有加热井定位孔31、抽提井定位孔32、温度监测井定位孔33；上述敞口圆柱形砂罐上方连接一圈水平外沿29，外沿上有若干固定螺孔，用于与上盖1进行连接及密封；上述上盖边缘具有若干固定螺孔20，中间留有加热井安装孔19、抽提井安装孔21、温度监测井安装孔22；上盖与中空敞口圆柱形砂罐之间设有可拆卸的上部保温层2，所述上部保温层为圆形饼状结构，其主体框架为网状的保温棉28固定装置27，该装置上留有加热井连接孔23、抽提井连接孔24、温度监测井连接孔26，并装有两个可活动的起吊环25；上述支架17由槽钢焊接而成，用于支撑原位加热模拟砂槽，以便于卸料操作；装置包括的加热井由套管13和加热元件组成，所述套管为耐热钢材质具底中空的敞口圆柱体，套管顶部为连接法兰12；加热元件上端为接线法兰盒11，下端为发热元件14；装置包括的抽提井18为耐热钢材质具底中空的敞口圆柱体，该敞口圆柱形砂罐四周具有长条形筛孔，抽提井上端为连接法兰12，用于与外接抽提管道相连。

该装置包括的多个温度监测井均由三根不同长度的热电偶8及三根相应的保护套管7组成，多个保护套管焊接在一起，各保护套管一端对齐，所述热电偶从保护管对齐段穿入，并在对齐端通过螺母装置将热电偶8与保护套管7连接固定。

本发明主要解决了原位热脱附修复技术模拟研究试验研究装置空缺的问题，重点考察了基于热传导技术原理的污染场地原位热脱附修复过程，主要的难点在于构建一个包括多个加热井、多个温度监测井及一个抽提井，加热井最高加热温度可达800℃，加热井布置方式贴合工程实践的模拟研究平台。

本发明公开的用于土壤原位热脱附修复的模拟装置与现有技术相比所具有的积极效果在于：

(1)本发明装置内布设了多个加热井、多个温度监测井及一个抽提井，加热井最高加热温度可达800℃；

(2)本发明采用多点加热方式进行加热模拟，多个加热井的布置方式与工程实践一致；

(3)本发明装置包括多个温度监测井，实现了对实验过程中不同位置不同深度土壤温度的同时监测。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的结构剖视图；

图2为图1中上盖结构的俯视图；

图3为图1中上部保温层结构的俯视图；

图4为原位加热模拟砂槽结构的剖视图；

图5为图1中定位装置结构的俯视图；其中

1、上盖2、上部保温层3、敞口圆柱形砂罐4、外部保温层

5、定位装置6、卡槽7、保护套管8、热电偶

9、底部保温层10、口字形槽钢11、接线法兰盒12、法兰

13、加热井套管14、发热元件15、出料孔16、闸板阀

17、支架18、抽提井套管19、加热井安装孔20、固定螺孔

21、抽提井安装孔22、温度监测井安装孔23、加热井连接孔24、抽提井连接孔

25、吊环26、温度监测井连接孔27、固定装置28、保温棉

29、水平外沿30、三角形支架31、加热井定位孔32、抽提井定位孔

33、温度监测井定位孔。

实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1所示，本实施例提供一种用于模拟土壤原位热脱附修复过程的热力学研究装置，包括上盖1、上部保温层2、敞口圆柱形砂罐3、外部保温层4、定位装置5、加热井套管、加热井发热元件、热电偶、抽提井、支架17等多个组件。实施时，将原位加热模拟砂槽置于支架17上，关闭出料孔15下方的闸板阀16；将准备用于实验的土壤缓慢装填至敞口圆柱形砂罐3中，装入一定量的土壤后，对土壤进行平整，然后将定位装置5架与卡槽上6，接着将加热井套管13、抽提井套管18、连接完成的热电偶8和保护套管7，分别垂直穿入定位装置5上的加热井定位孔31、抽提井定位孔32、温度监测井定位孔33，然后继续装填土壤，装填过程调整加热井套管13、抽提井套管18、连接完成的热电偶8和保护套管7，使之保持垂直。土壤装填到一定高度后，取下定位装置5，然后继续装填土壤至实验所需要的高度后，盖上上部保温层2及上盖1，并使加热井套管13、抽提井套管18、连接完成的热电偶8和保护套管7依次对应穿过上部保温层2上的加热井连接孔23、抽提井连接孔24、温度监测井连接孔26和上盖1上的加热井安装孔19、抽提井安装孔21、温度监测井安装孔22，然后用螺丝透过固定螺孔20将上盖1与敞口圆柱形砂罐3紧密连接。至此发明装置安装完成，接通其它外接设备及水、电后，可开始实验工作。

试验过程中，通过加热井套管13内的发热元件14对敞口圆柱形砂罐3内已添加的土壤进行加热，发热元件14的工作温度在200℃-800℃之间，可通过外接设备进行温度控制；发热元件14的温度及敞口圆柱形砂罐3内土壤的温度均通过热电偶8进行测定，测定数据均由外接设备进行记录。

测定的技术参数：采用本发明进行原位热脱附修复技术模拟实验时测定的技术参数主要为发热元件14及装置内土壤的温度参数，以考察设备原位热脱附修复技术的热传递过程；若考查原位热脱附修复技术的能源消耗则需要通过外接设备对能源消耗进行记录；若考查原位热脱附修复技术的处理效果，则对从本发明装置中抽提出的气体中的污染物浓度进行测量。

应用效果：在未添加污染土壤的情况下，根据本发明应用测得的温度数据，可对原位热脱附修复技术热传递过程模型进行很好的修订。

实施例2，如图1所示，本实施例提供一种用于土壤原位热脱附修复的模拟装置用于土壤修复效果模拟研究的应用。

方法：以萘为目标污染物，考察本发明进行原位热脱附修复技术模拟修复的效果。

步骤一：土壤染毒，取洁净土壤，将适量的萘溶于丙酮中，再将溶有萘的丙酮溶液添加撒入土壤，待丙酮挥发后，将土壤充分搅拌，形成染毒土壤，将染毒土壤放置于安全处，静置2个月，模拟实验前取土壤样品，测定土壤中萘含量为268.58mg/kg。

步骤二：实验装置连接：将原位加热模拟砂槽置于支架17上，关闭出料孔15下方的闸板阀16；将准备用于实验的染毒土壤缓慢装填至敞口圆柱形砂罐3中，装入一定量的染毒土壤后，对染毒土壤进行平整，然后将定位装置5架与卡槽上6，接着将加热井套管13、抽提井套管18、连接完成的热电偶8和保护套管7，分别垂直穿入定位装置5上的加热井定位孔31、抽提井定位孔32、温度监测井定位孔33，然后继续装填染毒土壤，装填过程调整加热井套管13、抽提井套管18、连接完成的热电偶8和保护套管7，使之保持垂直。染毒土壤装填到一定高度后，取下定位装置5，然后继续装填染毒土壤至实验所需要的高度后，盖上上部保温层2及上盖1，并使加热井套管13、抽提井套管18、连接完成的热电偶8和保护套管7依次对应穿过上部保温层2上的加热井连接孔23、抽提井连接孔24、温度监测井连接孔26和上盖1上的加热井安装孔19、抽提井安装孔21、温度监测井安装孔22，然后用螺丝透过固定螺孔20将上盖1与敞口圆柱形砂罐3紧密连接。至此发明装置安装完成。

步骤三：发明装置安装完成后，接通其它外接设备（抽提风机及烟气管路）、冷却水、供电及控制系统后，开始通过加热井套管13内的发热元件14对染毒土壤进行加热。加热元件工作温度设定为400℃-450℃，加热的同时，通过热电偶8对发热元件14和不同深度、不同位置的染毒土壤进行温度测定，将所有测温点的温度均超过220℃作为原位热脱附修复萘污染土壤模拟实验终点。

步骤四：待所有测温点测得的温度均超过220℃后，在关闭外部电源，停止加热，待本发明装置自然冷却一段时间后，关闭外接冷凝水和抽提风机，本发明装置自然冷却2-3周后，拆去上盖1及上部保温层2，采用管状取样装置，对实验用染毒土壤进行取样，对取得样品进行混合，测定。测得经本发明进行原位热脱附修复后的染毒土壤中萘的浓度为23.68mg/kg。

结果：初始浓度268.58mg/kg的萘染毒土壤经本发明进行原位热脱附修复后，染毒土壤中萘的浓度明显降低，为23.68mg/kg，满足《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（gb36600-2018）所规定的萘的第一类用地筛选值要求，即进处理后的染毒土壤可用于所有类型的用地，包括gb50137规定的城市建设用地中的居住用地（r），公共管理与公共服务用地中的中小学用地（a33）、医疗卫生用地（a5）和社会福利设施用地（a6），以及公园绿地（g1）中的社区公园或儿童公园用地等。