定深精准加热电极井的建井方法与流程

1.本发明涉及一种定深精准加热电极井结构及其高效经济建井方法。


背景技术：

2.电阻加热是一种高效的原位热脱附技术，可用于去除环境中vocs和部分svocs，已在国外广泛应用，在我国也具有广阔的应用前景。它主要通过在污染场地建设电极井，并放置电极，将电流通过电极导入地下，并使之在电极之间流动，依靠土壤自身电阻产生的焦耳热，使地下升温，促进污染物挥发和增溶，并配合抽提，将污染物抽提至地面净化设备进行处理，从而达到修复的目的。
3.电阻加热具有去除率高、时间短、适用范围广等优点，但同时，能耗高也制约该技术进一步推广应用。随着我国“双碳”战略目标的提出，如何降低电阻加热等原位热脱附技术在场地修复过程中的碳排放，减少能源消耗，实现绿色可持续修复，成为该领域从业人员所必须面临解决的重要问题。
4.根据土壤异质性和地下污染物分布的非连续性，采用“定深精准加热”，减少加热土方量，提高能源使用效率，是切实可行的重要途径之一。
5.传统的定深加热电极井结构和建井方式通常有两种，一种是在一口电极井内只安置一根长电极，再根据加热地层、非加热地层的深度区间范围分别填加导电材料、绝缘材料；另一种是一口电极井内安置2个及以上的短电极，电极安置的位置根据所需加热地层的深度范围而定，再在电极四周填加导电材料，电极之间的非加热地层填加绝缘材料。
6.以上两种定深加热井建井方式，存在两个问题：一是定深效果差，难以实现精准加热；二是建井填料工序繁琐，耗时长，以及铁砂等高密度导电材料用料多，成本高。
7.一口电极井内只放置一根长电极，仅通过填装导电材料和绝缘材料难以实现定深精准加热，特别是对位于饱和带中的电极部分，由于土壤含水率高，绝缘材料难以做到有效绝缘。一口电极井内放置多根电极的结构方式对定深加热有了一定的改善效果，但实际精准效果仍然差强人意，因为在向井内分别添加导电材料和绝缘材料的过程，很难准确控制所添填料的深度，容易导致导电材料与电极深度位置不匹配。
8.当一口电极井内有多个加热地层时，建井过程中需要多次分别添加导电材料和绝缘材料，建井填料工序繁琐，耗时长。为防止砂层塌孔，目前国内普遍采用泥浆护壁建井工艺，泥浆密度约1.3kg/l，而常用的导电材料为铁砂或石墨，二者的密度分别约为4.1kg/l和0.9kg/l，尽管采用石墨作为电极井导电材料，用量少，建井成本更低，化学性质更稳定，效果更优，但由于石墨的密度低于泥浆，导致其漂浮在泥浆表面，难以下沉；因此，为了更快完成建井，实际中多被迫选择铁砂，导致建井成本高。


技术实现要素：

9.本发明提供一种定深精准加热电极井的建井方法，目的是提高建井效率，降低建设成本，实现定深精准加热，降低加热能耗。
10.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
11.一种定深精准加热电极井的建井方法，其特征在于，包括：
12.(1)制作金属网笼；
13.①
制作支撑架，再用金属网包裹支撑架的环侧面和底面；
14.②
将电极放入金属网笼内中央，电极连接注水管与电缆；
15.③
将石墨填充在电极与金属网笼之间的间隙部分，填充完毕后，用金属网封闭支撑架的顶面，所述石墨的粒径大于所述金属网的网孔孔径；
16.(2)将带有金属网笼的电极依次放置至井孔内的需要加热的深度位置，在金属网笼与井壁之间的空隙部分填充铁砂或粗砂；
17.(3)最下方的金属网笼的顶部覆盖有阻隔层，其余金属网笼的顶部和底部各覆盖有一层阻隔层；
18.(4)井孔内的非加热地层用细砂或原土填充。
19.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：在井孔的井口处设有井头套筒，所述井头套筒插入砂层并通过浇筑水泥砂浆而固定；所述注水管和电缆分别穿过井头套筒的壁孔而与地面连接。
20.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：所述金属网的网孔孔径为1～2mm，所述石墨为片状或颗粒状，粒径为3-5mm。
21.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：所述支撑架由碳钢材质的支撑环和支撑筋组成，支撑环与支撑筋通过电焊连接；支撑环沿电极中心轴等间距分布，支撑筋沿电极周长等间距分布，所述支撑架呈圆筒状，所述金属网将支撑架的外周面以及两个端面都予以封闭。
22.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：一个金属网笼中只放置一个电极。
23.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：所述注水管为聚四氟乙烯材质，所述电缆在穿过电极部分包裹有玻璃纤维管，所述注水管与电缆均耐酸碱腐蚀。
24.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：所述水泥砂浆与细砂或原土之间为等电位层。
25.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：所述井头套筒为pvc或ppr的绝缘材质。
26.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：所述粗砂是石英砂。
27.所述的定深精准加热电极井的建井方法，其中：所述阻隔层是膨润土或粘土球。
28.与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：
29.1、可使导电材料位置深度与电极位置与高度匹配，进而实现目标地层的精准定深加热，避免了传统方法因导电材料填装位置深度不准确无法精准加热的弊端，有利于减少加热土方量，降低加热能耗；
30.2、提高了建井速率，特别是当多个非连续地层加热需要安装多个电极时，避免了单独下导电材料和测量深度所需要的时间，有利于快速成井，避免塌孔；
31.3、解决了石墨因密度低，在采用泥浆护壁工艺时，浮在泥浆上面，难以下沉的问题，大幅减少了铁砂的用量，降低了建井成本。
附图说明
32.图1是定深精准加热电极井结构示意图。
33.图2是金属网笼结合电极的制作过程示意图。
具体实施方式
34.如图1、图2所示，本发明提供的一种定深精准加热电极井结构，包括井孔1、金属网笼2、电极3、注水管4、电缆5、石墨6、膨润土7、细砂8、水泥砂浆9、井头套筒10、快接阀门11、铁砂12、等电位层13、盖子14等，其中：
35.所述井孔1直径15～30cm，井深深度根据最底部加热地层下边缘的深度而定，通常比其深0.5～1.0m；
36.所述金属网笼2呈圆筒形并且置于井孔1中央，其表面材质为金属网21(例如铁丝网或不锈钢丝网)，网孔孔径为1～2mm；金属网笼2内有支撑架，支撑架由碳钢材质的支撑环22和支撑筋23组成，支撑环22与支撑筋23通过电焊连接；支撑环22数量根据电极3长度而不同，数量为3～7个不等，沿电极3中心轴等间距分布；支撑筋23数量根据电极3直径而不同，数量为4～8个，沿电极3周长等间距分布；金属网21与支撑架之间通过铁丝或卡箍在支撑环22处固定，所述金属网笼2的两个端面也用所述金属网21密封；
37.所述电极3置于金属网笼2内中央，所述电极3直径为6.3～21.6cm，长度为2～6m，长度根据加热地层的厚度而定，优选的为3m；一个金属网笼2中放置一个电极3为宜；
38.所述金属网笼2及其电极3在井内垂向上的摆放位置和数量根据所需加热地层的位置和数量而定，一口电极井内所放置的电极3数量最多不超过6个；
39.所述电极3配有注水管4和电缆5，可分别将水(或电解液、药剂等)和电流导入电极3；所述注水管4为聚四氟乙烯材质，能耐受200℃以上高温；所述电缆5在穿过电极3部分包裹有玻璃纤维管，所述玻璃纤维管可耐温300℃以上，耐压1.5kv以上；所述注水管4与电缆5均耐酸碱腐蚀；
40.所述金属网笼2与电极3之间的间隙部分填充石墨6，所述间隙部分在径向上的厚度为3～5cm；所述石墨6为片状或颗粒状，粒径为3～5mm，便于电极3注水或注药后通过颗粒孔隙进入周边土壤；
41.所述金属网笼2与井壁之间的空隙部分填充铁砂12(或粗砂，如石英砂)，铁砂12粒径为2～3mm，所述空隙部分在径向上的厚度约为1～2cm；
42.所述金属网笼2的顶部和底部填充膨润土7(或粘土球)作为阻隔层，所述阻隔层在垂向上的厚度约为0.5m，以防止通过电极3注水的水或电极3周边产生的蒸汽沿渗透性填料向上或向下迁移，从而促进水或蒸汽的水平流动，通过对流方式促进热的传递扩散；
43.非加热地层的深度范围填充细砂8(或原土)等电阻较大的绝缘材料；
44.井口地面至地面以下20～30cm填充水泥砂浆9以固定井头套筒10；
45.水泥砂浆9与细砂8之间为等电位层，等电位层13为金属网或石墨，优选金属网21，与周边土壤中的等电位层相连，以降低跨步电压，保护地面人员用电安全。
46.所述井头套筒10为pvc或ppr等绝缘材质，管径为110～150mm，管壁上设有2个孔，分别用于让注水管4和电缆5穿过；所述井头套筒10的顶部配有盖子14，以便连接或拆除电缆5时进行相关操作；所述井头套筒10的总长度约为80cm，其中，露出地面高度为40cm，地下
部分40cm，地下部分穿过水泥砂浆9和等电位层并插入细砂8中。
47.由此可知，本发明还提供一种定深精准加热电极井的建井方法，步骤包括：
48.(1)根据加热地层深度范围、电极3直径和井直径等参数，制作金属网笼2；
49.①
将支撑筋23焊接在支撑环22上，再用金属网21包裹支撑筋23，并用铁丝或卡箍将金属网21固定和密封底部；
50.②
将电极3放入金属网笼2内中央，电极3连接有注水管4与电缆5；
51.③
将石墨6填充在电极3与金属网笼2之间的间隙部分，填充完毕后，用金属网21配合铁丝或卡箍将金属网笼2顶部密封；
52.(2)根据最大加热深度，采用泥浆护壁等工艺建井；
53.(3)根据加热地层位置，从下至上依次放置电极3：
54.①
利用吊车等将带有金属网笼2的电极3放置至指定深度，并使注水管4和电缆5沿井壁贴合；
55.②
向井内填加一定量的铁砂12(或粗砂)，使其填充在金属网笼2与井壁之间的空隙部分；
56.③
向井内填加膨润土球，使其覆盖在电极3之上，厚度约50cm；
57.④
向井内填加细砂8至一定高度，使其充满非加热地层；
58.⑤
再次向井内填加膨润土7球，厚度约为50cm；
59.⑥
重复上述
①
至
③
步，安装第二个加热深度的电极3；
60.⑦
重复
④
至
⑥
步，直至将多个电极3安装完毕；
61.⑧
在距井口20～30cm处，将井头套筒10插入砂层，并将各电极3所配的注水管4和电缆5聚拢于管内；之后浇筑水泥砂浆9，固定套筒；
62.⑨
将注水管4和电缆5分别穿过井头套筒10的两个壁孔，分别通过快捷阀门11和铜管与地面注水管4和电缆5连接。
63.本发明优势：
64.相比于传统的先下电极3，再下导电材料的建井工艺，本发明将导电材料与电极3通过金属网笼2绑定，具有以下优势：
65.1、可使导电材料位置深度与电极位置与高度匹配，进而实现目标地层的精准定深加热，避免了传统方法因导电材料填装位置深度不准确无法精准加热的弊端，有利于减少加热土方量，降低加热能耗；
66.2、提高了建井速率，特别是当多个非连续地层加热需要安装多个电极时，避免了单独下导电材料和测量深度所需要的时间，有利于快速成井，避免塌孔；
67.3、解决了石墨因密度低，在采用泥浆护壁工艺时，浮在泥浆上面，难以下沉的问题，大幅减少了铁砂的用量，降低了建井成本。