CN104815840A - 一种高温干气注入土壤驱污方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温干气注入土壤驱污方法，包括如下步骤：(1)用高温混合气体注气装置制备高温混合干气；(2)将步骤(1)制备的高温混合干气注入到深入污染土壤中的干气注入井中；(3)调节注入干气注入井中高温混合干气的温度和在干气注入井中的停留时间，使热能在土层中扩散进行混合气焖井；(4)混合气焖井结束后，利用污染气体提炼井将催化热解的气态污染物提炼到地面以上通过污染气体回收装置回收处理；高温混合干气注入后产生的冷凝水中携带了污染物用抽水井抽至地上处理。本发明高温干气注入土壤驱污方法，注入的高温干气温度高，可以去除污染土壤中易挥发及难挥发的有机物及重金属污染物。
Description
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种高温干气注入土壤驱污方法及系统。
背景技术
农药化工厂包括甲胺磷车间、动力车间、污水处理区、甲基包装车间、乙基车间、乳化车间、乙基包装车间、混合区、盐酸罐区、氯碱车间、盐库、烧碱罐区、机修车间、办公区域等，农药化工厂因多年生产农药、化工等产品，受到了农药甲胺磷、三氯硫磷、草甘膦、氯化苯等的严重污染，土壤中存在着有机磷、苯等污染及砷、镉、铅等重金属危险物，土壤污染严重。如果这些污染物质残留在土壤中，必将进一步进入到水体、大气及食物链中，会对生态环境及人类健康带来极大的危害。
目前，对土壤中污染物的去除有多种方法，如挖掘后焚烧、生物处理、化学添加剂或钝化等，虽然这些方法成功的用于某些实例，但是由于费用昂贵且存在一定不足，因此在大范围的土壤治理中不切实际。
中国专利CN1586747A公开了一种挥发性和半挥发性有机物污染土壤的场外治理工艺及其装置，但是该专利主要使用真空抽提的方法只能处理挥发性和半挥发性的有机污染物，对于不易挥发的有机污染物则很难去除。
中国专利CN102513347A公开了一种原位热强化组合土壤气相抽提技术治理土壤污染的方法，在污染区域形成一定形式的加热井，在加热井内部署加热器部件，并安装套管，在套管中填充催化剂以加速污染物高温分解成简单的小分子物质，通过抽提井抽屉处理。该专利需将加热装置深入地下，不易安装、操作困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种高温干气注入土壤驱污方法，高温干气温度高，可以去除污染土壤中易挥发及难挥发的有机物及重金属污染物。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种高温干气注入土壤驱污方法，包括如下步骤：
(1)用高温混合气体注气装置制备高温混合干气；
(2)利用干气注入井将步骤(1)制备的高温混合干气注入到污染土壤中；
(3)调节温度和停留时间，使热能在土层中扩散完成混合气焖井；
(4)混合气焖井结束后，利用污染气体提炼井将催化热解的气态污染物提炼到地面以上通过污染气体回收装置回收处理。
高温混合干气注入土壤驱污技术,利用燃烧学、流体力学、传热学、工程热力学的原理与工程技术研制的供土壤恢复使用的“高温混合气体注气装置”，其原理是：用空气中的氧气作为氧化剂，用柴油作燃烧剂，在高压下进行燃烧，产生高温燃气(2000℃)，再通入水与之掺混进行热交换，使水吸热汽化，使燃气放热降温，所产生的蒸汽燃气混合气成份为：水蒸汽(干度大于0.95)，氮气(N2)，二氧化碳(CO2)。再通入水与之掺混进行热交换，水吸热汽化，燃气放热降温，使混合气体保持驱污工艺要求的温度，然后以音速从喷口喷出，再作超音速膨胀，经热力平衡之后注入土壤中合适口径的金属管道。注入混合气体，可提高地层压力。在地层存有大量污染气体，反排时能量加大，可以排出，见效显著。
高温混合干气为水蒸汽、氮气、二氧化碳的混合气体，注气温度及干度高，注气温度为150～400℃，干度大于0.95，有利于催化热解土壤有害污染物；并且混合气体全部注入地层，逐渐降解土壤有害污染物。高温混合气体注气装置制备高温混合干气的产生量为500～1000m3/h；水蒸汽、氮气、二氧化碳混合气体的比例为(6～4):(5～3):(2～1)。由于是不凝气体，CO2、N2具有混相、降粘的作用，适合多孔性态土壤有害污染物热解挥发；混合气体既可使土层降粘，又有大量N2气在注入井周围形成气体环带，因而提供气驱动力，能迅速提高地层能量(压力、温度)，达到热解驱污。
通过高温混合气体注气装置，用干气注入井注气到土壤中，调节温度150～400℃和停留时间4～48h，使土层温度升高，利用土壤多孔性状，籍以土壤裂缝、振动松动技术，使热能呈弥漫性传导矩阵扩散，把有机污染物从固相土壤中转移到气相并使其挥发出来，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。热解吸技术处理的污染物范围广，包括低沸点物质、高沸点物质如农药、多环芳烃等。
本发明利用污染物挥发性及对土壤颗粒的吸附性之特性，利用干气注入井将温度高达150～400℃的蒸汽注入到污染土壤中，使土层温度升高，增加滞留在土壤中的污染物的挥发性，降低污染物的吸附特性；而同时藉由周边的污染气体提炼井，将挥发成气态的污染物随着热蒸汽提炼到地面以上进行回收处理。另外蒸汽注入土层后产生大量冷凝水，可将较高厚度的污染物向下携带到地下水中。这些冷凝水通过两口抽水井抽到地面上处理。
为避免交错污染情形发生，按干气注入井与污染气体提炼井的个数1：3配置井的类型，整个修复工程主要包括2组干气注入井(注入井也可兼作提炼井)、6组污染气体提炼井。各式井群设置机具乃采取中空顿钻钻机及双套管螺旋钻杆钻机，设置安装不锈钢井管井筛。此外，现场规划处理设施包含废气/废水处理系统等。以上配备比较富裕，试验时根据官方提供的土地污染程度状况数据进行调整。井的深度3米～18米,按实际突然污染程度决定，井的口径有利吞吐。
此外，为能掌握试验场址处理区土层中的温度等参数变化，特安装6组地层温度计和其他测量仪器，分布于本处理区之四周及污染区之中心位置的井筛外部位置。干气注入井和污染气体提炼井的布局主要考虑污染物的分布范围、单个干气注入井和污染气体提炼井的影响半径。关注主要影响因子有土壤容重、孔隙度、土壤湿度、土壤温度、土壤质地、有机质含量、空气传导率以及地下水深度等。
本发明高温干气注入热解催化法使用原位处理，即利用干气注入地下的方式将土壤加热，从而使有机污染物从土壤中析出后在地上收集处理。需要使用热源对污染土加热，温度通常高于100℃低于400℃；100℃适合处理低浓度、易挥发的有机污染物，大于100℃适合处理高浓度、难挥发的有机污染物。在使用原位高温干气注入热解催化技术处理土壤时，要从技术可行性、污染物深度、污染地块的水文地质条件、场地修复工期以及修复成本等多方面综合考虑。
本发明的目的之二在于提供一种实现高温干气注入土壤驱污方法的系统，系统包括污染气体回收装置、高温混合气体注气装置、干气注入井、污染气体提炼井、抽水井；高温混合气体注气装置采用了耐高温陶瓷与合金材料组合工艺内嵌冷却水管道；用高温混合气体注气装置制备高温混合干气；将制备的高温混合干气注入到深入污染土壤中的干气注入井中；调节注入干气注入井中高温混合干气的温度和在干气注入井中的停留时间，使热能在土层中扩散进行混合气焖井；混合气焖井结束后，利用污染气体提炼井将催化热解的气态污染物提炼到地面以上通过污染气体回收装置回收处理；高温混合干气注入后产生的冷凝水中携带了污染物用抽水井抽至地上处理。
高温混合气体注气装置有以下优点：
(1)能耗小，每产生一吨气体的能耗只有蒸汽锅炉的一半；
(2)混合气体全部注入地层，不污染环境；
(3)出口温度及干度高，注气温度可达150～400℃，干度可＞0.95；
(4)设备可随时转场使用，使用方便。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：一种高温干气注入土壤驱污方法，包括如下步骤：(1)用高温混合气体注气装置制备高温混合干气；(2)将步骤(1)制备的高温混合干气注入到深入污染土壤中的干气注入井中；(3)调节注入干气注入井中高温混合干气的温度和在干气注入井中的停留时间，使热能在土层中扩散进行混合气焖井；(4)混合气焖井结束后，利用污染气体提炼井将催化热解的气态污染物提炼到地面以上通过污染气体回收装置回收处理；高温混合干气注入后产生的冷凝水中携带了污染物用抽水井抽至地上处理。本发明利用污染物挥发性及对土壤颗粒的吸附性之特性，利用干气注入井将温度高达150～400℃的高温干气注入到污染土壤中，使土层温度升高，增加滞留在土壤中的污染物的挥发性及降低污染物的吸附特性；而同时藉由周边的污染气体提炼井，将挥发成气态的污染物随着热蒸汽提炼到地面以上进行回收处理。高温干气注入土壤驱污方法，高温干气温度高，可以去除污染土壤中易挥发及难挥发的有机物及重金属污染物。
另外，高温干气注入土壤驱污方法的装置使用方便，治理过程中不产生二次污染。
附图说明
图1为高温干气注入土壤驱污方法装置示意图。
附图标记如下：
1-污染气体回收装置；2-污染气体提炼井；3-高温混合气体注气装置；4-干气注入井；5-抽水井。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
1、注入井提炼井布置
为避免交错污染情形发生，按注气井和提炼井1：3配置井的类型，整个修复工程主要包括2口干气注入井(注气井也可兼作提炼井)、6口污染气体提炼井。各式井群设置机具乃采取中空顿钻钻机及双套管螺旋钻杆钻机，设置安装不锈钢井管井筛。根据土壤污染程度设置井的深度为18米。此外，为能掌握试验场址处理区土层中的温度等参数变化，特安装6组地层温度计和其他测量仪器，分布于本处理区之四周及污染区之中心位置的井筛外部位置。
2、地面准备
(1)安装专用注气井口；
(2)吊装混合气发生器、高压风机、专用变压器等大型设备，并准备高低压电缆等；
(3)连接注混合气地面专用管线；
(4)准备柴油、机油、缓蚀剂、表面活性剂、防膨剂及驱油剂等；
(5)作业区提供清水水源，每日准备清水20m3；
(6)400型水泥车1台、10m3池2个(作业准备)。
3、注气施工
混合气注入参数：注入混合气体积：23.0×104m3，注入压力：15MPa，注气温度：初次注气温度220℃，注入速度：500N m3/h，注气时间：1-2d。
进行段塞设计注入高温混合气；注气前缘注入少量预处理溶液、高温防膨剂、表面活性剂进行预处理以优化最大注气压力、注气速度、蒸汽干度和预处理气量。
(1)注气前用400型水泥车挤注预处理液、活性防膨液和防腐溶液；
(2)缓慢注气，顶出套管出水，套管开始返出泡沫时关闭套管闸门；
(3)慢慢提高注气量，使注气压力缓慢上升，观察井口与地面管线密封情况，如果漏气及时整改。控制注气压力不超过20MPa。
记录注气温度对热解驱污效果的影响，实验结果见表1。
表1
| 实施例 | 注气温度(℃) | 驱污效果 |
| 1 | 150 | 滴滴涕(DDT)污染去除率16.34％ |
| 2 | 200 | 滴滴涕(DDT)污染去除率32.19％ |
| 3 | 300 | 滴滴涕(DDT)污染去除率92.67％ |
| 4 | 400 | 滴滴涕(DDT)污染去除率97.28％ |
记录注气量对热解驱污效果的影响，实验结果见表2。
表2
| 实施例 | 注气量(m3) | 驱污效果 |
| 1 | 8.0×104 | 多氯联苯(PCBs)污染去除率74.28％ |
| 2 | 13.0×104 | 多氯联苯(PCBs)污染去除率83.26％ |
| 3 | 18.0×104 | 多氯联苯(PCBs)污染去除率90.79％ |
| 4 | 23.0×104 | 多氯联苯(PCBs)污染去除率95.31％ |
4、焖井与放喷收集污气
注完气后，关井焖井并观察压力变化，井口温度变化，当压力下降至2MPa时(具体根据现场实际情况调整)，装5mm气嘴放喷。
记录焖井时间对热解驱污效果的影响，实验结果见表3。
表3
| 实施例 | 焖井时间(h) | 驱污效果 |
| 1 | 12 | 滴滴涕(DDT)污染去除率58.26％ |
| 2 | 24 | 滴滴涕(DDT)污染去除率70.13％ |
| 3 | 36 | 滴滴涕(DDT)污染去除率91.69％ |
| 4 | 48 | 滴滴涕(DDT)污染去除率97.32％ |
5、采污气收集工作
(1)拆卸专用注气井口；
(2)下入杆式泵内工作筒和抽气杆柱组合；
(3)安装采污气井口；
(4)开井收集处理，并记录实验数据。
挥发成气态的污染物随着热蒸汽提炼到地面以上进行回收处理。另外蒸汽注入土层后产生大量冷凝水，部分污染物微溶于水,这些冷凝水通过两口抽水井抽到地面上处理。
收集回收气体210m3/h，分析土壤中有害物质的成分与微溶于冷凝水的部分污染物，实验结果见表4。
表4
| 实施例 | 土壤中有害物质 | 冷凝水中有害物质 |
| 1 | 滴滴涕(DDT) | 滴滴涕浓度为7.36mg/L |
| 2 | 甲基丙烯酸甲酯(MMA) | 甲基丙烯酸甲酯浓度0.55mg/L |
| 3 | 甲胺磷(Methamidophos) | 甲胺磷浓度为4.15mg/L |
| 4 | 多氯联苯(PCBs) | 多氯联苯浓度为2.37mg/L |
以上实施例仅用来说明本发明的详细方法，本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用高温混合气体注气装置制备高温混合干气；
(2)将步骤(1)制备的高温混合干气注入到深入污染土壤中的干气注入井中；
(3)调节注入干气注入井中高温混合干气的温度和在干气注入井中的停留时间，使热能在土层中扩散进行混合气焖井；
(4)混合气焖井结束后，利用污染气体提炼井将催化热解的气态污染物提炼到地面以上通过污染气体回收装置回收处理；高温混合干气注入后产生的冷凝水中携带了污染物用抽水井抽至地上处理。
2.根据权利要求1所述的一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，所述步骤(1)中高温混合气体注气装置用空气中的氧作氧化剂，用柴油作燃烧剂，在高压下进行燃烧，产生2000℃的高温燃气，再通入水与之掺混进行热交换，使水吸热汽化，使燃气放热降温，使制备的高温混合干气保持驱污工艺要求的温度。
3.根据权利要求1或2所述的一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，所述高温混合干气为水蒸汽、氮气、二氧化碳的混合气体。
4.根据权利要求1或2所述的一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，所述水蒸汽、氮气、二氧化碳混合气体的比例为(6～4):(5～3):(2～1)。
5.根据权利要求1或2所述的一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，所述高温混合干气的温度为150～400℃，所述高温混合干气的干度为0.95以上；
优选地，所述高温混合干气的产生量为500～1000m3/h。
6.根据权利要求1所述的一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：将干气注入井置入污染土壤中，将步骤(1)制备的高温混合干气以音速从喷口喷出，再作超音速膨胀，经热力平衡之后注入干气注入井中。
7.根据权利要求1所述的一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，所述步骤(3)中注入干气注入井中高温混合干气的温度为150～400℃，所述在干气注入井中的停留时间为4～48h。
8.根据权利要求1所述的一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，所述干气注入井与所述污染气体提炼井的个数比例为1:3；
优选地，干气注入井兼做污染气体提炼井。
9.根据权利要求1所述的一种高温干气注入土壤驱污方法，其特征在于，所述干气注入井、污染气体提炼井的深度为3～18m。
10.一种实现如权利要求1所述的一种高温干气注入土壤驱污方法的系统，其特征在于，所述系统包括污染气体回收装置(1)、污染气体提炼井(2)、高温混合气体注气装置(3)、干气注入井(4)、抽水井(5)；所述高温混合气体注气装置(3)采用了耐高温陶瓷与合金材料组合工艺内嵌冷却水管道；
用高温混合气体注气装置制备高温混合干气；将制备的高温混合干气注入到深入污染土壤中的干气注入井中；调节注入干气注入井中高温混合干气的温度和在干气注入井中的停留时间，使热能在土层中扩散进行混合气焖井；混合气焖井结束后，利用污染气体提炼井将催化热解的气态污染物提炼到地面以上通过污染气体回收装置回收处理；高温混合干气注入后产生的冷凝水中携带了污染物用抽水井抽至地上处理。
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