高效节能原位燃气热脱附系统的制作方法

1.本技术实施例涉及土壤修复领域，特别涉及一种高效节能原位燃气热脱附系统。


背景技术：

2.热脱附技术是通过直接或间接加热土壤使污染物从固相土壤转移到气相并挥发出来，气相污染物再通过燃烧或冷凝吸附的方式处理，达标后排放，避免二次污染，处理后的土壤可回填继续利用。
3.在相关技术中，对污染土壤修复大多采用土壤异位开挖和炉体加热处理技术，如对比文件cn105583221a中描述，将污染土壤进行分选、烘干、热脱、燃烧和预热等手段来修复，其中的每一个阶段都需要专用设备进行配合，和人工开挖，需要较大的成本投入。另一些原位热脱附技术通过向地下输入热能，加热土壤和地下水改变目标污染物的饱和蒸气压及溶解度，促进污染物挥发或溶解。但这种技术意味着需要较大的能源供给。直接热交换处理过程造成了热能的损失，延长了修复周期，增加了修复成本。因此，在热脱附修复过程中提高热能再利用效率，节能减排显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本技术提供一种高效节能原位燃气热脱附系统，解决土壤修复过程中能源消耗和污染排放的问题。包括燃烧控制单元、数据监测单元、余热回收及尾气回燃单元、尾水尾气处理单元；所述燃烧控制单元包括燃烧控制室、燃烧室、回燃管、加热管组合和送气装置；
5.所述燃烧控制单元包括燃烧控制室、燃烧室、回燃管、加热管组合和送气装置；
6.所述燃烧控制室位于所述燃烧室的上方，所述燃烧控制室和所述燃烧室之间设置有连接管，燃气管通过所述连接管延伸到所述燃烧室内部；所述燃烧室下方和所述加热管组合连接，所述加热管组合整体或部分预埋在污染土壤内部；
7.所述数据监测单元分布在所述燃烧控制单元和所述尾水尾气处理单元之间，且开设有温度监测井和压力监测井，井内部分别设置若干温度传感器和压力传感器，并通过地面的温度压力采集器采集和数据监测；
8.所述余热回收及尾气回燃单元设置有抽提气井和抽提水井，分别通过抽提水管和抽提气管连接所述尾水尾气处理单元和所述燃烧控制单元；所述尾水尾气处理单元至少设置有尾水沉淀池、尾水净化池和活性炭罐，分别用于对尾水和尾气进行净化处理。
9.本技术带来的有益效果至少包括：采用原位热脱附修复方法，可节省人工掘土和转运等步骤，采用加热管直接进行土壤加热，利用抽提管进行高温尾气收集和回燃，节省了能源的消耗，有效的控制了土壤修复成本；控制室和燃烧室分离更方便对装置和加热进程的控制；而余热回收及尾气回燃单元可以对回燃气体进行回收和散热，尾水尾气处理单元可以对井内的尾水及时抽取，保证气体收集，同时也可以对尾水和尾水进行净化处理和后排放和合理利用。该系统相异位修复的成本投入更低，且同时可以提高能源使用效率，兼顾尾水处理和利用。
附图说明
10.图1是本技术实施例提供的用于有机污染土壤原位热脱附修复尾气回燃装置的结构图；
11.图2是本技术实施例提供的燃烧加热部分的结构图；
12.图3是本技术实施例提供的燃烧控制室和燃烧室的细节图；
13.图4是本技术实施例提供的燃烧加热部分和温度压力检测部分的结构图；
14.图5是本技术实施例提供的回燃抽提和尾水尾气处理单元的结构图。
15.附图标记分别表示：1-控制器；2-点火开关；3-点火变压器；4-电磁阀；5
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燃气管；6-助燃风机；7-回燃管；8-进气管；9-回燃阀；10-点火电极；101-燃气储罐；102-燃气控制阀；103-燃气减压阀；104-进气电磁阀；105-安全阀；11
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火焰探测器；12-连接管；13-燃烧控制室；14-燃烧室；15-烟气出管；16-混凝土层；17-泡沫保温层；18-加热外管；19-加热内管；20-膨润土层；21-送风机；22
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透气滤料层；23-喷火枪；24-法兰；25-排烟孔；31-温度压力采集器；32-温度监测井；33-压力监测井；34-压力传感器；35-温度传感器；40-抽提气井；41-抽提水井；42-第一抽提气管；43-第二抽提气管；44-抽提水管；45-冷凝系统；46
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抽水泵i；47-真空抽提泵；50-尾水尾气处理单元；51-沉淀池；52-尾水净化池； 53-中水储存池；54-水质监测仪；55-生物毒性监测仪；56-抽水泵ii；57-截气阀 i；58-活性炭罐；59-尾气存储罐；510-截气阀ii。
具体实施方式
16.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
17.在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
18.参考图1和图5所示，该系统整体分为燃烧控制单元、数据监测单元、余热回收及尾气回燃单元和尾水尾气处理单元四大组成部分。
19.燃烧控制单元包括燃烧控制室13、燃烧室14、回燃管7、加热管组合和送气装置。燃烧控制室13是燃烧控制的控制中心，位于燃烧室14的上方，内部设置有控制元器件，燃烧室14是热反应区域，两者之间通过连接管12相互连接，所以两部分是可分离结构。外部的进气燃气管5通入到燃烧控制室13，并通过连接管12进一步延伸到燃烧室14内部。燃烧室14下方通过法兰24连接有加热管组合，加热管组合整体或部分预埋在污染土壤100内部。回燃管7是通过余热回收及尾气回燃单元返回的尾气输送管路，通入到燃烧室14内，用于将地下收集的废气和有毒有害气体送入到燃烧室14内燃烧。
20.燃烧控制室13内部设置有控制器1，控制器1上设置有点火开关2，该点火开关由人为控制，控制器1连接有点火变压器3，通过点火变压器3引接有火焰探测器11和点火电极10。火焰探测器11和点火电极10经过连接管12，且相互平行，末端共同延伸到燃烧室14的内部。
21.位于燃烧控制室14中的燃气管5上安装有电磁阀4，该电磁阀4和控制器 1电连接，用以控制燃气通断。在燃气管5的末端还安装有喷火枪23(燃烧室内部)，喷火枪23和点火电
极10以及点火变压器3保持同一水平高度，也就是末端相互靠近，间距不超过点火和探测距离，以确保正常点火和火焰探测。
22.正常点火后，燃气在燃烧室13内燃烧，产生的热量则需要传递到下部的加热管中，加热管分为加热内管19和加热外管18，加热内管19和燃烧室13通过法兰24连接。燃烧室13是耐热陶瓷材料制成的圆形套筒结构，加热内管19和燃烧室13同为圆形套筒结构，但加热内管由耐热金属材料制成，用以提供高硬度和热传导，更有利于热辐射进行土壤修复。加热内管19是套在加热外管18 中的，加热外管18直接预埋在土壤(加热井)中，加热内管19底部开设有排烟孔25，该排烟孔25可以将燃烧产生的烟气排送到外管中。加热外管18的材质和内管相同，直径大于内管，通过两级热辐射传导的方式不仅可以增大和土壤的接触面积，同时避免内管金属高温直接加热土壤损伤土质。而且，在一些土质较差的环境中，可以保护加热内管的使用寿命，直接对受损的加热外管更换即可，减少耗材。
23.为了实现能源的充分利用，在燃烧控制室13外部还设置有助燃风机6，对应的进气管8连接到燃烧控制室13内，且通过连接管12延伸到燃烧室14中。当燃烧室13中燃烧产生的高温烟气经热脱附系统的助燃风机6产生的负压作用下导入加热管，随后加热外管18通过热交换作用将热量传递至污染土壤中后，对污染土壤形成热辐射作用，达到加热污染土壤目的。随着污染土壤温度逐渐加热达到目标温度，吸附在土壤中的有机物、水分以气态形式从固相转移至气相中，实现热脱附修复处理目标。此外，助燃风机6产生的负压还有利于抽提管21集气，快速将地下尾气回收到燃烧室14中回燃。
24.由于土壤修复发生地是随机的，所以就需要对燃烧控制单元提供便捷的可移动能源，本方案中的送气装置为可移动储气装备，可以直接和进气的燃气管5 连接，具体包括燃气储罐101、燃气控制阀102、燃气减压阀103、进气电磁阀 104和安全阀105等，燃气通过各个电磁阀和减压安全阀门将燃气送至燃烧控制单元。
25.余热回收及尾气回燃单元是进行尾气和尾水收集和余热回收的部件，此部分需要开设抽提气井40，井孔测量定位根据污染修复范围对加热井、抽提气井、监测井布设位置进行测绘定位，加热管组合所处的加热井井距一般为2-6m，加热井的最大深度以污染最深的污染介质为准，一般为最深深度向下延伸1-3m，抽提气井可与加热井布设于同一位置或靠近加热井位置，加热井与抽提井的数量比例可为4:1-1:1；且位置、数量和预埋深度根据现场土质和施工条件决定。
26.抽提气井40在开设时考虑到土质松散程度、颗粒大小和和透气性等问题，需要在其外圈铺设透气滤料层22，透气滤料层22的厚度根据实际的土质情况决定，且滤料颗粒直径大于抽提气井40上开设的孔径。将透气滤料层22设置在土壤和抽提气井40中间后，当气态有机尾气通过抽提气井40外围透气滤料层 22进入内部时，透气滤料层22可以对土壤颗粒进行有效阻挡隔绝，避免抽提气井40表面气流通孔发生堵塞，提高了废气抽提效率。
27.抽提气井40和加热井之间还设置有若干监测井，也就是数据监测单元的组成部分，具体包括温度监测井32和压力监测井33，井内分别按照一定要求深度布置有若干温度传感器35和压力传感器34，这些传感器由地面上的温度压力采集器31进行控制，实时对井内温度和压力数据进行监测。此外，还可以在井内布置若干湿度传感器，可以对地下尾水进行检测。可选的，温度压力采集器31 还可以和控制器1或其他地面操作设备进行通讯传输，根据温度和气压数据实时调整燃烧控制进程和尾水尾气处理进程。此方案中的监测井为金
属管道，防止土壤加热温度过高造成其他影响。
28.对于不同的土质可能会存在地下水聚集的情况，当地下水也出现相应污染，或为了提高土壤修复效率，需要及时将抽提气井40内聚集的尾水进行处理，所以在抽提气井40内部还设置了抽提水井41。抽提水井41可以是金属或其他刚性材质的管路。抽提水井41深度高于抽提气井40的深度，且位于抽提水井41 的井底开设有过滤孔，通过气井伸入的尾水会通过过滤孔进入到水井内部。抽提水井41内设置有抽提水管44插入到底部，用于及时将尾水抽离。
29.在抽提水井41外部的抽提气井40内还设置有第一抽提气管42和第二抽提气管43，两气管插入到抽提气井40靠近地面的较浅位置，用于吸取井内尾气。
30.本系统的目的是提高能源利用率，因此保温和废气收集是两大重点。废气中可能含有土壤中积累的有毒有害气体，所以需要尽量避免加热过程中废气逃逸到空气中。本方案在抽提气管40外圈，且靠近地表一定深度的区域填充不透气膨润土层20(在透气滤料层上方，靠近抽提气管的位置)，不透气膨润土层 20不仅可以隔绝空气，避免废气从透气滤料层22逃逸到空气中，此外还有较高的吸水和粘结性。在地表上方需要修复的区域还铺设有泡沫保温层17，将加热管和抽提管21区域范围的土壤覆盖，减小热量流失。此外，由于泡沫保温层17 不能隔绝空气，如若不在地表进行空气隔绝，经通过零星分布的抽提管21吸取到的废气有限，仍会有相当一部分气体逃逸，所以本方案在泡沫保温层17的上方铺设混凝土层16，以起到保温和提高承载力的作用。施工人员可以在表面进行相关工作，而不会破坏下方的泡沫保温层17。需要说明的是，第一抽提气管 42、第二抽提气43、加热外管18、插入监测井的管路和抽提水井41顶端都延伸到混凝土层16上方，其余部分则实现完全覆盖。此方案中的抽提水井41采用pvc或其他非金属材质，可以减少成本投入，防止金属锈蚀。
31.可选的，还可以在修复土壤的目标范围内设置止水帷幕，具体需要根据修复范围、修复深度、污染情况、修复目标，结合场地水文地质条件在污染边界修复外围进行止水帷幕施工建设，止水帷幕材料可采用水泥、水泥-膨润土，止水帷幕施工形式可为旋喷桩、搅拌桩、地下连续墙，止水帷幕深度需达到污染最深深度并延伸至修复底边界的隔水层顶板以内。
32.余热回收及尾气回燃单元还包括冷凝系统45、抽水泵i 46和真空抽提泵47。冷凝系统45设置在第一抽提气管42连接到回燃管7之间的管路上，因为土壤加热后的尾气温度较高，需要通过冷凝系统进行降温吸，该操作是通过冷却回路降温的，具体是将抽水泵i 46连接到凝系统45和尾水处理单元的沉淀池51 之间，通过抽取沉淀池51中的冷却水来进行降温。
33.真空抽提泵47接入到在第一抽提气管42和第二抽提气管43之间，两路抽提气管分别连接到不同的回路上，第一抽提气管42用于尾气回燃，第二抽提气管43用于直接处理排放。例如在尾气无毒，或气体含量较低或其他等情况下，就无需回燃而直接通过尾气处理单元处理，或者是在气体含量过高时两管路同时工作。真空抽提泵47则可以根据实际操作方式将不需要处理的一个气管中的气体抽取到另一个气管路中。
34.如图5所示，在第二抽提气管43上设置有截气阀i 57，且点位在真空抽提泵47接入点后方，当截气阀i 57关闭时，抽提气体全部抽送到燃烧室13内回燃；当截气阀i 57开启时，则将第一抽提气管42的气体全部抽取到第二抽提气管43(回燃阀9同时关闭)，或者是两
部分同时工作。
35.位于混凝土层16上方的加热外管18上设置有烟气出管15，烟气出管15与加热外管18的内部连通。当抽提的回燃尾气导入加热内管19进行完全燃烧后分解产生二氧化碳和水，燃烧过程产生的热量经加热管外管18传递至污染土壤中，对土壤进行加热，最终产生的尾气经烟气出管15排出。该回路通过送风机21和进风调节阀重新汇聚到回燃管7上，此过程可以提高热辐射交换效率。启动真空提泵47后抽取的有机废气、水蒸气在负压作用下不断从土壤中迁移运动，污染气体依次通过透气滤料层22和气流通孔进入第一抽提气管42内部。回燃尾气进一步通过冷凝系统45去除废气中水蒸气后与烟气出管15排出高温烟气进行混合，进一步去除有机废气中水蒸气，降低有机废气湿度，便于后续燃烧处置。进一步地，在加入外管18上还相应开设有排气孔，排气孔用于维持内外气压平衡，确保向燃烧室不断通气和回燃过程保持正常进行。
36.如图5所示，尾水尾气处理单元50分为尾水处理单元和尾气处理单元，尾水处理单元从抽提水管44(抽提水管44的抽水泵)之后以依次入有沉淀池51、尾水净化池52、中水储存池53、水质监测仪54和生物毒性监测仪55。沉淀池 51在抽取尾水后初步沉淀，去除颗粒杂质后上清液进而流到尾水净化池52中进行水质净化、杀菌、过滤以及酸碱调节等工序，之后再将存放到中水储存池53 中。中水存储池53后设置的水质监测仪54和生物毒性监测仪55分别可以进行水质检测和毒性检测。在检测结果不符合排放标准时需要通过二次尾水回路的抽水泵ii 56抽回尾水净化池52中二次处理，直至达到排放标准后通过水阀排放。
37.对于尾气处理单元，在第二抽提气管之后依次接入有截气阀i 57、活性炭罐 58和尾气存储罐59，且活性炭罐58和尾气存储罐59之间的二次尾气回路上还设置有截气阀ii 510。活性炭罐58用于对抽取的尾气进行净化，去除有毒有害等气体，最终保留满足排放要求的气体(如甲烷和氢气)存储到尾气存储罐59 中。相应的在尾气存储罐59之后还设置有生物毒性在线监测仪，在检测不达标时开启节气阀ii 510重新输送至活性炭罐58中处理，直至满足要求后通过气阀排放到大气或用于其他使用目的。
38.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
39.针对天然气消耗量大，能源利用率低的问题，本发明设置了尾气回燃单元，可实现废气净化处理的同时，由于废气中含有有机污染物，具有一定的热值，回燃燃烧可产生热量，减少燃气的消耗量，降低污染物排放量，缩短修复周期，节省土壤修复费用，实现绿色低碳修复目标。同时，针对经冷凝系统处理后的抽提尾气仍存在水蒸气，影响尾气点火燃烧的成果率，本系统将燃烧产生经加热外管导出的高温烟气导入抽提管道，经过热交换，降低抽提尾气湿度，使抽提尾气得到充分燃烧。而燃烧控制室和燃烧室分离更方便对装置和加热进程的控制，抽提水管和气管与水井和气井的设置具备易于安装、易操作和易更换的特点，也降低了对设备以及人工成本的投入。
40.针对有机废气抽提效率低，抽提管道易发生堵塞问题，本发明在抽提气井与土壤之间设置了透气滤料层，可以有效地在进行有机废气抽提过程中，对土壤颗粒进行阻挡，避免抽提气井的表面气流通孔发生堵塞，提高了气流通孔通透性，可有效提升有机废气抽提效率。
41.在保温和气密性方面，本方案通过监测井的温度压力传感器实时检测，并通过在污染土壤顶部铺设泡沫保温层和混凝土层，可大幅提高保温和密封效果，且在施工操作时
也无需担心踩踏问题和承重问题。
42.针对二次污染风险大，处置后尾水排放对生态环境系统仍存在负面冲击影响，本发明在尾水和尾气排放末端设置水质在线监测仪以及生物毒性在线监测仪，实施动态监测拟排放废水水质指标以及对生物造成的毒性危害，确保尾水水质指标达到排放标准要求，同时通过生物毒性在线监测仪实时动态监测排放尾水对降低废水排放对生态环境系统的冲击影响，确保生态环境系统生物多样性不受到损害。
43.以上对发明的较佳实施例进行了描述；需要理解的是，发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响发明的实质内容；因此，凡是未脱离发明技术方案的内容，依据发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于发明技术方案保护的范围内。