热脱附处置污染土导热系数测试系统及测试方法

1.本发明涉及高温热脱附和热物性测量领域，具体涉及一种热脱附处置污染土导热系数测试系统及测试方法。


背景技术：

2.热脱附技术是目前处置有机污染场地最有效的办法之一，它因处理时间短、效率高、安全性高的优点被广泛运用。然而，目前国内对有机污染土在热脱附技术中的传热特性及演变机理认识不够，缺乏相应的理论和经验以指导工程设计。因此，有必要开发一种能够针对高温环境下污染土导热系数测量装置，最终实现模拟热脱附中修复污染土的传热特性演变规律。然而目前国内市面上的热探针存在以下不足之处：1.测试温度范围小，且在超高温环境下难以正常运行；2.每次测量只能测出一次导热系数，为了减少导热系数计算实验误差，往往需要对待测土样进行平行测试，做平行试验时需要工作后的热探针温度冷却到与待测土样同一温度，在此期间会消耗大量的时间，且待测土样所处的环境温度越高或者热探针温升越大，热探针所需的冷却时间越多。


技术实现要素：

3.为解决上述的技术问题，本发明提供一种热脱附处置污染土导热系数测试系统及测试方法，能够在高温环境下运行，同时运用两种不同测试方法对同一个待测土样分别计算出两个导热系数进行对比验证求均值，有效节省在高温环境下进行平行试验的时间，以便减少计算导热系数实验误差。
4.本发明采用如下技术方案实现的：一种热脱附处置污染土导热系数测试系统，组成元件包括试验腔、加热炉、气压控制系统以及土样导热系数测试系统，组成元件具体结构和连接关系为：
5.所述试验腔置于加热炉内，试验腔内部热电偶与加热炉温控系统连接，所述气压控制系统进气端依次与第一气压控制阀、氮气源相连，所述气压控制系统出气端依次与气压传感器、第二气压控制阀、尾气处理器和真空泵相连。
6.所述土样导热系数测试系统包括双探针、导线、直流电源、多路温度记录仪和导热系数计算系统，所述双探针插入待测土样并一起放入试验腔中，双探针通过导线与直流电源和多路温度记录仪连接；所述导热系数计算系统外接多路温度记录仪。
7.所述双探针由两根平行探针组成，所述第一探针和第二探针均包含不锈钢针管、不锈钢圆锥针尖、热电偶、陶瓷绝缘涂料、绝缘球形氧化铝粉填料、密封头和凸形针帽，所述第一探针内置合金加热丝；第一探针下端的不锈钢圆锥针尖的圆心位置处焊接一根实心毛细钢管。
8.所述第一探针和第二探针通过焊接方式固定在凸形针帽下端，两根探针平行距离为15
±
1mm，合金加热丝和热电偶导线从凸形针帽的上端引出。
9.所述第一探针和第二探针的不锈钢针管上端为密封头、下端为不锈钢圆锥针尖。
10.所述第一探针和第二探针内部采用绝缘球形氧化铝粉填料充分填实，所述实心毛细钢管和合金加热丝表面均涂抹陶瓷绝缘涂料。
11.所述第一探针下端的不锈钢圆锥针尖的圆心位置处焊接有直径为0.3-0.5mm，长度为90-140mm的实心毛细钢管。
12.所述第一探针和第二探针的两根热电偶的测温点延伸到不锈钢针管中间高度位置，所述合金加热丝以螺旋缠绕形式平行内置于第一探针的实心毛细钢管表面，长度与实心毛细钢管一致。
13.所述第一探针和第二探针的不锈钢针管的直径、厚度一致，外径为2-3mm，内径为1.8-2.8mm，长度为100-150mm。
14.所述合金加热丝直径为0.3-0.5mm；所述的热电偶直径为0.3-0.5mm，精度0.01k。
15.所述导热系数计算系统根据多路温度记录仪记录下来的恒定电流下第一探针和第二探针的温度随时间的变化数据，按照热探针法和平行热线法原理计算出待测土样的导热系数。
16.所述热探针法的计算公式为：
[0017][0018][0019]
式中的δt与lnt1在坐标轴上呈线性关系，λ为导热系数，单位为w/(m
·
k)，q为第一探针单位长度加热功率，单位为w/m，t1为测试开始到第二探针温度开始发生变化的间隔时间，单位为s，δt为t1时间内第一探针的升高温度，单位为k，i为通过合金加热丝的电流，单位为a，r为合金加热丝的电阻，单位为ω，h为第一探针不锈钢针管长度，单位为m；
[0020]
所述平行热线法的计算公式为：
[0021][0022]
式中的λ为导热系数，单位为w/(m
·
k)，q为第一探针单位长度加热功率，单位为w/m，ei为指数积分函数，r为第一探针和第二探针的间距15
±
1mm，α为待测土样的热扩散系数，单位为m2/s，t2为开始测试到结束测试整个测试时间，单位为s，δθ为t2时间内第二探针的升高温度，单位为k。
[0023]
所有的耐高温元器件均是指耐600℃以上。
[0024]
本发明的有益成果在于：
[0025]
1.通过高温加热炉和气压控制系统对待测土样进行加热和减压，能够实现模拟原位热脱附各高温、负压工况下土体升温过程；土样导热系数测试系统可以在热脱附过程中的一系列复杂高温工况下进行导热系数测量，并确保双探针内的部件在高温下正常运行。
[0026]
2.本发明的双探针得益于运用两种不同测试方法对同一个待测土样分别计算出两个导热系数进行对比验证求均值，有效节省在高温环境下进行平行试验的时间，减少计
算导热系数实验误差。
附图说明
[0027]
图1为本发明所述的热脱附处置污染土导热系数测试系统的结构示意图。
[0028]
图2为本发明所述的热脱附处置污染土导热系数测试系统的双探针示意图。
[0029]
图中标记为：加热炉-101、第一气压控制阀-105、第二气压控制阀-102、气压传感器-103、氮气源-104、尾气处理器-106、真空泵-107、硅碳棒-108、热电偶-109、活性炭-110、过滤板-111、进气管-112、出气管-113、预留孔-114、尾气处理器进气管-115、尾气处理器出气管-116、土样试验腔-117、双探针-201、导线-202、直流电源-203、多路温度记录仪-204、导热系数计算系统-205、不锈钢针管-301、不锈钢圆锥针尖1-302、不锈钢圆锥针尖2-303、合金加热丝-304、热电偶-305、密封头-306、绝缘球形氧化铝粉填料-307、凸形针帽-308、实心毛细钢管-309
具体实施方式
[0030]
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
[0031]
实施例1
[0032]
如图1所示，本发明所述的热脱附处置污染土导热系数测试系统，包括土样试验腔117、加热炉101、气压控制系统以及土样导热系数测试系统。
[0033]
所述加热炉101其内设有加热热源硅碳棒108和热电偶109，它们分别用来升温和监测炉内温度，它们与高温加热炉101的智能温控程序模块电线连接，通过设置智能温控程序模块对其加热方式进行控制，控制加热速率、加热温度范围，加热停留时间、加热功率。
[0034]
所述气压控制系统包括气压传感器103、第一气压控制阀105、第二气压控制阀102、氮气源104、尾气处理器106和真空泵107。所述气压传感器103安装在加热炉出气管113旁边，气压传感器103能够实时监测高温加热炉内的气压；所述氮气源104依次与第一气压控制阀105和进气管112相连，调节控制阀可以释放氮气使炉内的空气从出气管113排出并使炉内的实验土样处于惰性气体氛围；所述第二气压控制阀102安装在出气管113中，用来控制高温加热炉101内的气压，若炉内气压在试验过程中高于设定气压值会自动泄压；所述尾气处理器106的上端进气管115与高温加热炉101的出气管113相连，尾气处理器106中间存放有活性炭110和过滤板111，用来吸附和净化实验过程产生的废气；所述真空泵107与尾气处理器106的下端出气管116相连，真空泵107不仅可以加快抽取加热炉内的废气，还可以使加热炉101内形成负压工况。
[0035]
所述土样导热系数测试系统包括双探针201、导线202、直流电源203、多路温度记录仪204和导热系数计算系统205。所述双探针201本体包括不锈钢针管301、不锈钢圆锥针尖1-302、不锈钢圆锥针尖2-303、合金加热丝304、热电偶305、陶瓷绝缘涂料、绝缘球形氧化铝粉填料307、密封头306以及凸形针帽308。所述不锈钢圆锥针尖1-302通过焊接连接在不锈钢针管301下端，以方便插入待测材料中；所述合金加热丝304采用螺旋式缠绕在不锈钢圆锥针尖1-302的实心毛细钢管309上，缠绕长度与实心毛细钢管309一致，是为了保证第一探针内有足够的热量和使温度分布均匀；所述热电偶305插入不锈钢针管301中，测温点延伸到针管的中间高度，用来测量双探针201的温度变化；所述陶瓷涂料涂抹在合金加热丝
304和实心毛细钢管309的表面，涂层可以在高温下保持高导热和绝缘屏蔽电流；所述绝缘球形氧化铝粉填料307充分压实在不锈钢针管301的空隙中，然后用所述密封头306密封不锈钢针管301顶端，用来固定不锈钢针管301中的热电偶305和密封填料307；所述凸形针帽308通过焊接方式把双探针201固定在凸形针帽308下端，两者相距15
±
1mm并保持垂直平行，合金加热丝304和热电偶305导线通过凸形针帽308的上端引出；所述直流电源203与合金加热丝304用导线202相连，直流电源203给合金加热丝304提供可调且稳定的电流；所述多路温度记录仪204与热电偶305导线相连，多路温度记录仪204记录热电偶305温度随时间的变化数据；所述导热系数计算系统205接受并处理多路温度记录仪204的温度信号，结合热探针法和平行热线法原理，经过数据处理即可计算出待测土样的导热系数。
[0036]
所述双探针201针管的直径、厚度一致，外径为2-3mm，内径为1.8-2.8mm，长度为100-150mm。
[0037]
所述合金加热丝304为镍铬合金加热丝，直径为0.3-0.5mm，所述热电偶305为定制k型热电偶，直径为0.3-0.5mm,精度0.01k。
[0038]
所述实心毛细钢管309直径为0.3-0.5mm，长度为90-140mm。
[0039]
所述密封头306用陶瓷绝缘涂料加工而成。
[0040]
所述导热系数计算系统205根据多路温度记录仪204记录下来的恒定电流下第一探针和第二探针的温度随时间的变化数据，按照热探针法和平行热线法原理计算出待测土样的导热系数。
[0041]
所有的耐高温元器件均是指耐600℃以上。
[0042]
实施例2
[0043]
本实施例为本发明中所述的热脱附处置污染土导热系数测试系统的测试方法，具体操作步骤如下：
[0044]
(1)加热前，将待测圆柱土样放入土样试验腔117中，双探针201垂直插入圆柱土样，带有合金加热丝的第一探针需插入圆柱土样的圆心，双探针201的导线202从加热炉101顶部的预留孔114引出分别与直流电源203和多路温度记录仪204相连，然后用保温棉堵住预留孔，导热系数计算系统205外接多路温度记录仪204。
[0045]
(2)根据加热工况自行在加热炉的智能温控程序模块输入指令，控制升温速率、加热时间、加热温度、保温时间。
[0046]
(3)打开第一气压控制阀105和第二气压控制阀102，释放氮气，使炉内的空气从排气管113经过尾气处理器106和真空泵107排出，使炉内的土样处于惰性气体氛围，然后关闭第一气压控制阀105，调节第二气压控制阀102到所需压力设定值上，打开真空泵107抽气使加热炉内形成负压环境，炉内的压力值通过气压传感器103读出，待读出的气压值与第二气压控制阀102压力设定值一致时，关闭真空泵107，调整完成后，打开加热炉的加热开关开始加热。
[0047]
(4)炉内加热到设定的温度后，恒温一段时间使土样均匀受热，待多路温度记录仪204读取双探针201中的两个热电偶的温差不超过0.05℃，说明土样温度稳定。
[0048]
(5)满足步骤(4)要求后，打开直流电源203，按要求手动调节设定的恒定电流给合金加热丝304通电，同时多路温度记录仪204会连续记录两根热电偶305的温升和对应时间，并反馈到导热系数计算系统205，得到第一探针和第二探针的升温曲线，根据热探针法和平
行热线法公式反算出土样导热系数。
[0049]
所述热探针法的计算公式为：
[0050][0051][0052]
式中的δt与lnt1在坐标轴上呈线性关系，λ为导热系数，单位为w/(m
·
k)，q为第一探针单位长度加热功率，单位为w/m，t1为测试开始到第二探针温度开始发生变化的间隔时间，单位为s，δt为t1时间内第一探针的升高温度，单位为k，i为通过合金加热丝的电流，单位为a，r为合金加热丝的电阻，单位为ω，h为第一探针不锈钢针管长度，单位为m；
[0053]
所述平行热线法的计算公式为：
[0054][0055]
式中的λ为导热系数，单位为w/(m
·
k)，q为第一探针单位长度加热功率，单位为w/m，ei为指数积分函数，r为第一探针和第二探针的间距15
±
1mm，α为待测土样的热扩散系数，单位为m2/s，t2为开始测试到结束测试整个测试时间，单位为s，δθ为t2时间内第二探针的升高温度，单位为k。
[0056]
(6)完成导热系数测量后，由于污染土加热后会产生大量废气，打开真空泵107，废气通过真空泵107抽提从加热炉101里经过排气管113和尾气处理箱106吸附净化排出。
[0057]
实施例3
[0058]
本实施例为本发明中所述的热脱附处置污染土导热系数测试系统的测试方法的应用实例，具体操作步骤如下：
[0059]
按照实施例2的实验步骤进行实验，实验工况为炉内温度400℃，炉内气压101.325kpa，待测土体为粉质黏土，第一探针不锈钢针管长度为100mm，合金加热丝电阻为1ω，此时根据热探针法求得待测土体导热系数计算过程如下：首先手动调节直流电源203给合金加热丝304提供电流1a，计算第一探针单位长度加热功率为：q＝10w/m，而是第一探针的温升与时间对数的一阶导数，所以由第一探针的温升和测试时间对数通过导热系数计算系统205最小二乘法线性拟合求得其拟合直线的斜率为3.446，热探针法的导热系数计算结果如下：
[0060][0061]
同时，根据平行热线法测试方法求得的待测土体导热系数计算如下：
[0062]
首先在导热系数计算系统确定比值，然后根据规范《耐火材料导热系数试验方法》(gtb 5990-2006)中表2的与的函数关系表格来确定δθ(t2)所对应的值，将δθ(t2)、q代入公式(3)计算待测土体的导热系数，具体计算过程请参照《耐火材料导热系数试验方法》(gtb 5990-2006)，这里不再过多描述，该方法的计算结果为λ＝0.235w/(m
·
k)，最终待测土体的导热系数为