多段式主动开关型原位热传导土壤电加热装置及加热方法与流程
本发明属于污染土壤、地下水修复领域，具体为一种多段式主动开关型原位热传导式污染土壤电加热装置及其应用和加热方法。
背景技术：
1、对于受有机污染的土壤，特别是受多环芳烃、农药、石油烃等传统修复工艺难处理的污染土壤，在原位处理技术中原位热脱附技术因其处理效果好，场地适应性强等优势被广泛应用。目前，市场上主流的原位热脱附技术有原位电阻加热、原位热传导—电加热、原位热传导—燃气加热、原位蒸汽加热等。
2、其中，原位电阻加热和原位蒸汽加热受制于土壤含水率、电导率、土壤均质性以及土壤透气性等因素，适用的场地类型较少，应用占比不高。原位热传导式加热为现阶段原位加热的主流技术。
3、原位热传导式加热即通过在土壤中建设加热井，通过在加热井内布置电加热棒或是通入燃烧后的烟气对加热井的套管进行加热，受热后的套管通过热辐射向周边土壤源源不断的输送热量，从而起到加热周边土壤的目的。按照能源供应形势的不同可以分为原位热传导—电加热、原位热传导—燃气加热两种方式。原位传导式加热方式受土壤的理化性质影响较小，其适应性更广。但因其加热棒或是烟气加热通路在加热井内的布置方式的影响，原位热传导加热中也存在一些问题：
4、原位热传导—电加热工艺中用到的加热井中电加热管采用u型布置，该类型电加热管布置方式可实现加热井整体的均匀加热，但受限于电加热管长度固定，如需提高加热功率(加热棒电阻加热升温峰值确定的情况下)，只能通过更换更大功率的电加热棒，造成加热井材料选型受限，成本增加；另外，该布置方式沿加热井垂向上电加热棒单延与电加热功率一致，无法实现不同深度土层的差异化加热需求。
5、专利cn108311535b公开了一种原位电加热修复有机污染土壤的系统及治理方法，该发明所提供的原位电加热修复有机污染土壤的系统，电加热管的核心加热元件选用非金属的碳硅棒材料，硅碳棒连接电源端填充或浇注硅酸铝纤维进行隔热处理，使原位电加热处理系统对污染土壤处理的稳定、有效温度较大提高。但该发明并未对原位电加热管核心加热元件的具体结构、样式及管内布置方式作出说明。
6、专利cn205673362u公开了一种污染场地原位电加热脱附修复装置的加热井，该加热井中核心部件电加热管是单引线不锈钢加热管，加热管内安装有电热丝并填充有结晶氧化镁颗粒，电加热管的顶部引线与采用绝缘材料制成的电线套管相连接。该发明附图展示加热管在碳钢套管内的布置方式为u型布置，实现整根加热井的均匀加热，无法实现垂向上的差异化加热。
技术实现思路
1、本发明的目的在于基于以上问题，提供一种多段式主动开关型原位热传导式污染土壤电加热装置及其加热方法，可以灵活有针对性的实现不同深度土层的差异化加热需求，实现精确加热，节省能源。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
2、一种多段式主动开关型原位热传导土壤电加热装置，包括设置在地面以上的供电系统和深入地下的加热系统，所述供电系统和加热系统之间通过地面供电电缆进行连接；所述加热系统包括加热井，和设置在加热井内的加热组件，所述加热组件包括旋线圈加热电阻及多个竖直的导电连接杆，不同的导电连接杆连接到螺旋线圈加热电阻不同深度，供电系统和螺旋线圈加热电阻通过控制电路与任意两个导电连接杆连通形成闭环电路实现不同深度段的螺旋线圈加热电阻的加热，控制电路设置有控制不同闭环电路启闭的开关。
3、其中，所述螺旋线圈加热电阻是连通的整体或者分为多段；所述螺旋线圈加热电阻的螺旋线圈的间距相等，或者各段的螺旋线圈间距不相等。
4、一个优化方案为：所述螺旋线圈加热电阻为一个连通的整体，所述导电连接杆包括主导电连接杆和多个副导电连接杆，所述螺旋线圈加热电阻环绕在主导电连接杆之外，主导电连接杆与螺旋线圈加热电阻的底端连接，多个副导电连接杆与螺旋线圈加热电阻不同深度连接，所述螺旋线圈加热电阻的螺旋线圈的间距相等。
5、另一个优化方案为：所述螺旋线圈加热电阻分为不连通的至少两段，且各段上下依次排列，任意一段螺旋线圈加热电阻的上下两端分别连接一个导电连接杆。
6、另一个优化方案为，所述螺旋线圈加热电阻分为至少两段，且各段上下依次排列，所述导电连接杆包括主导电连接杆和多个副导电连接杆，各段螺旋线圈加热电阻均环绕在主导电连接杆之外且底端与主导电连接杆不同深度连接，各段螺旋线圈加热电阻的上端各连接一个副导电连接杆。
7、进一步的，所述供电系统包括供电装置及其控制系统以及温控系统，所述供电装置及其控制系统连接地面供电电缆，所述温控系统连接设置在不同深度的污染土壤中的温度传感器，温控系统接收温度传感器的信号，并发送信号给供电装置及其控制系统，控制电流的输出和不同闭环电路的启闭。
8、所述的电加热装置应用于有机污染土壤污染物抽提的辅助加热，所述污染土壤中垂向不同水平层所需加热时间不同。
9、一种基于所述多段式主动开关型原位热传导土壤电加热装置的加热方法，包括以下步骤：
10、步骤1：确定待加热区域的地块特征：所述地块特征包括地块污染特征、土层土质特征以及水文地质特征；
11、步骤2：根据地块特征，将待加热地块延垂向进行概化分层；
12、步骤3：在待加热区域设置所述的电加热装置，根据电加热装置的功率和各层地块特征，确定加热各层土壤所需的加热时间；
13、步骤4：通过控制电路的开关控制不同深度段土壤层中螺旋线圈加热电阻的加热。
14、另一种基于所述多段式主动开关型原位热传导土壤电加热装置的加热方法，包括以下步骤：
15、步骤一：确定待加热区域的地块特征：所述地块特征包括地块污染特征、土层土质特征以及水文地质特征；
16、步骤二：根据地块特征，将待加热地块延垂向进行概化分层；
17、步骤三：根据各层地块特征，确定各层土壤的加热目标温度；
18、步骤四：根据总体工期要求，并综合考虑需要热量最多的土壤层的地块特征，确定加热周期，所述加热周期包含升温时间、恒温时间和降温时间；
19、步骤五：根据土壤的地层土质特征，计算单套加热装置在升温段内的加热影响范围；
20、步骤六：根据需要热量最多的土壤层的的地块特征、升温时间、目标温度和加热影响范围，计算单个加热装置在土壤单位深度内的功率输入；
21、步骤七：在污染土壤中的待加热区域设置所述的电加热装置；并根据步骤六的计算结果确定螺旋线圈加热电阻的线圈纵向间距和径向距离；
22、步骤八：根据步骤六计算的单个加热装置在土壤单位深度内的功率输入及各层的地块特征、目标温度确定出其它各土壤层的升温时间和恒温时间；
23、步骤九：由控制电路控制不同深度段的螺旋线圈加热电阻的加热，实现不同深度土壤层的差异加热。
24、步骤一中，所述地块污染特征包括污染物种类、污染物饱和蒸气压、污染物沸点、污染物空间分布范围和污染物浓度；所述地层土质特征包括土壤类别、土壤含水量、土壤颗粒密度、土壤孔隙度、土壤颗粒的热容、土壤初始温度、土壤透气性、土壤热导率和土壤导温系数；所述水文地质特征包括地下水埋深、含水层厚度、水力梯度、土壤渗透系数和地下水流速。
25、进一步的优化，步骤六中，当设定土壤加热的最终温度tc大于100℃时，采用公式计算土壤单位深度内的功率输入：
26、
27、式中：β表示单个加热装置单位深度的平均功率输入，w·m-1；tb表示土壤中的水完全汽化所需要的时间，day；tc2表示土壤从100℃加热到目标温度所需要的时间，day；a表示单个加热装置热辐射的影响范围,m2；ρs表示土壤颗粒密度，g·m-3；cs表示土壤颗粒的热容，w·day·g-1·℃-1；θ表示土壤孔隙度；ρw表示水的密度，g·m-3；cw表示水的热容，w·day·g-1·℃-1；δ表示土壤中水的饱和度；tb表示水的沸点，℃；ta表示土壤加热前的温度，℃；tc表示土壤中最终的温度，℃；hw代表的是水的汽化热，单位是w·day·g–1。
28、进一步的优化，步骤六中，当设定土壤加热的最终温度tc小于或等于100℃时，采用公式计算各层土壤深度内的功率输入：
29、
30、式中：σ是个0～1的数值，代表的在加热温度低于100℃条件下，水蒸发的占比，tc1表示土壤加热到目标温度所需要的时间。
31、本发明的优点和有益效果是：
32、本发明能够基于污染土壤修复中因污染物种类、空间分布及土质、水文地质条件的不同采取有针对性的差异加热方案，实现不同深度加热温度差异化，有利于实施精准定深、定时加热，在确保加热效果的前提下可有效节省能源，减少碳排放。
33、本发明通过在加热井周边土体中埋设不同深度的温度传感器来检测不同地层土壤的加热温度，实现定深、定时、定功率的精准加热。从而大大提高不同深度不同地层加热时长、温度的精准度，也提高了施工的效率。
技术特征：
1.一种多段式主动开关型原位热传导土壤电加热装置，其特征在于：包括设置在地面以上的供电系统和深入地下的加热系统，所述供电系统和加热系统之间通过地面供电电缆(33)进行连接；所述加热系统包括加热井(11)，和设置在加热井(11)内的加热组件，所述加热组件包括旋线圈加热电阻(13)及多个竖直的导电连接杆，不同的导电连接杆连接到螺旋线圈加热电阻(13)不同深度，供电系统和螺旋线圈加热电阻(13)通过控制电路与任意两个导电连接杆连通形成闭环电路实现不同深度段的螺旋线圈加热电阻(13)的加热，控制电路设置有控制不同闭环电路启闭的开关。
2.根据权利要求1所述的电加热装置，其特征在于：所述螺旋线圈加热电阻(13)是连通的整体或者分为多段；所述螺旋线圈加热电阻(13)的螺旋线圈的间距相等，或者各段的螺旋线圈间距不相等。
3.根据权利要求2所述的电加热装置，其特征在于：所述螺旋线圈加热电阻(13)为一个连通的整体，所述导电连接杆包括主导电连接杆(121)和多个副导电连接杆，所述螺旋线圈加热电阻(13)环绕在主导电连接杆(121)之外，主导电连接杆(121)与螺旋线圈加热电阻(13)的底端连接，多个副导电连接杆与螺旋线圈加热电阻(13)不同深度连接，所述螺旋线圈加热电阻(13)的螺旋线圈的间距相等。
4.根据权利要求2所述的电加热装置，其特征在于：所述螺旋线圈加热电阻(13)分为不连通的至少两段，且各段上下依次排列，任意一段螺旋线圈加热电阻(13)的上下两端分别连接一个导电连接杆。
5.根据权利要求2所述的电加热装置，其特征在于：所述螺旋线圈加热电阻(13)分为至少两段，且各段上下依次排列，所述导电连接杆包括主导电连接杆(121)和多个副导电连接杆，各段螺旋线圈加热电阻(13)均环绕在主导电连接杆(121)之外且底端与主导电连接杆(121)不同深度连接，各段螺旋线圈加热电阻(13)的上端各连接一个副导电连接杆。
6.根据权利要求1所述的电加热装置，其特征在于：所述供电系统包括供电装置及其控制系统(31)以及温控系统(32)，所述供电装置及其控制系统(31)连接地面供电电缆(33)，所述温控系统(32)连接设置在不同深度的污染土壤中的温度传感器(35)，温控系统(32)接收温度传感器(35)的信号，并发送信号给供电装置及其控制系统(31)，控制电流的输出和不同闭环电路的启闭。
7.权利要求1所述的电加热装置的应用，其特征在于：应用于有机污染土壤污染物抽提的辅助加热，所述污染土壤中垂向不同水平层所需加热时间不同。
8.一种基于权利要求1～7中任意一项所述多段式主动开关型原位热传导土壤电加热装置的加热方法，其特征在于：包括以下步骤：
9.一种基于权利要求3所述多段式主动开关型原位热传导土壤电加热装置的加热方法，其特征在于：包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的加热方法，其特征在于：步骤一中，所述地块污染特征包括污染物种类、污染物饱和蒸气压、污染物沸点、污染物空间分布范围和污染物浓度；所述地层土质特征包括土壤类别、土壤含水量、土壤颗粒密度、土壤孔隙度、土壤颗粒的热容、土壤初始温度、土壤透气性、土壤热导率和土壤导温系数；所述水文地质特征包括地下水埋深、含水层厚度、水力梯度、土壤渗透系数和地下水流速。
技术总结
本发明公开了一种多段式主动开关型原位热传导土壤电加热装置及加热方法，包括设置在地面以上的供电系统和深入地下的加热系统，加热系统包括加热井，和设置在加热井内的加热组件，加热组件包括旋线圈加热电阻及多个竖直的导电连接杆，不同的导电连接杆连接到螺旋线圈加热电阻不同深度，供电系统和螺旋线圈加热电阻通过控制电路与任意两个导电连接杆连通形成闭环电路实现不同深度段的螺旋线圈加热电阻的加热，控制电路设置有控制不同闭环电路启闭的开关。本发明可以灵活有针对性的实现不同深度土层的差异化加热需求，实现精准加热，节省能源。
技术研发人员：卜凡阳,马福俊,谷庆宝,孙宗全,沈佳伦
受保护的技术使用者：中国环境科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23