土壤原位燃气热脱附二次回流加热系统研究*

张海静 殷 瑶 姜文超

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

随着工业化进程的不断推进,土壤污染已成为一个严重的全球环境危机[1-2]。2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,全国土壤点位超标率为16.1%[3],人类活动导致的土壤污染已引发了一些污染危害事件[4-5],土壤污染问题日益突出。土壤污染会导致土壤功能退化、威胁人类健康[6],为了维持生态系统的安全与稳定,迫切需要对受污染的城镇和农业用地进行有效修复。

原位化学氧化(ISCO)、原位生物修复(ISB)和原位热脱附(ISTD)是有机污染土壤常用的修复技术。每项修复技术都有各自的优点和局限性。ISCO采用强氧化剂(如过硫酸钠、过氧化氢)通过氧化还原作用使污染物降解,然而应用中存在大量氧化剂的消耗,修复后常常出现污染物浓度反弹,修复后土壤结构、功能严重破坏,养分过度流失等问题[7]。ISB通过微生物将污染物进行转化、吸附或富集从而去除土壤中的污染物,但存在修复周期长、非土著微生物对生物多样性造成威胁等缺点[8-9]。相较于ISCO和ISB,ISTD拥有更好的修复效果。ISTD可以通过加热升高污染区域的温度,改变污染物的饱和蒸气压等使污染物气化、氧化或裂解,从而快速将污染物从土壤基质中分离出来。在实验室控制的理想条件下,可以去除99%以上的碳氢化合物馏分。该技术对不同地质特征的场地都有很强的适用性[10-11]。ISB和ISCO的污染物去除率为60%～80%,而ISTD基本可以达到95%[12],因此近年来ISTD广泛应用于国内外有机污染场地修复[13]。然而,高能耗导致高昂的运行成本，限制了ISTD进一步推广与应用[14-16]。

许多学者运用实验和模型手段探究ISTD的传热特性以降低该技术的能耗,WANG等[17]9研究了含水率、井间距、井深度对修复工程中传热性能的影响;LI等[18]4针对燃气热脱附中的燃烧器运用模型评估了可变条件模式、回热模式和空气预热模式的节能效果;XU等[19]利用比例-积分-导数(PID)的方法进行控制,通过调整天然气流量,在不同阶段以恒定的温度变化率或含水量变化率进行加热,达到天然气消耗量降低24%的节能效果。但以上研究都是基于单个加热井/棒或燃烧器进行调控,未考虑协调控制;同时,缺乏对温度场均匀性的评估。温度场越不均匀,同一加热温度下土壤各处均达到目标温度所需时间越长,从而会消耗更多能源。

LI等[18]16研究发现,原位燃气热脱附技术中约47.10%的输入能量随出口烟气排出,导致大量能量被浪费。出口烟气回流至第二个加热井来修复土壤可以节约能源。然而二次回流加热系统由于直接加热井和回流加热井的加热烟气温度不同,面临两井周边冷点达到目标加热温度时间差较大的问题。WANG等[17]12发现距离加热井越近,土壤升温越快,处于土壤水分蒸发平台期的时间越短;同时加热功率越大,土壤升温越快。基于以上发现,本研究采用调整两加热井影响半径的方式减小修复时间的差异,通过建立原位燃气热脱附的地下二次回流加热系统模型,定量分析二次加热过程中双加热井的排布方式对土壤温度场分布、系统能量利用率和能耗的影响,研究结果有望为该系统的工程应用提供新的思路和参考。

1 原位燃气热脱附数学模型

1.1 传热与传质模型

土壤是一种典型多相多组分的多孔介质,传热和传质是土壤热脱附的主要过程,传热的主要机制是热传导和热对流,水和污染物的传质主要受浓度、温度、压力梯度的影响。对于原位燃气热脱附来说,加热井对土壤的加热过程可以被认为是一种共轭传热,即在加热过程中流体(高温烟气)和固体(土壤)之间的热量传输。固体传热主要是借助热传导,流体传热主要是借助热对流。同时,土壤中还存在土壤颗粒和水分子的热传导和热对流,土壤中的水蒸发还会吸收潜热[20]。土壤中的温度场可以通过建立连续分布参数模型[21-22]来模拟。

为模拟热脱附过程中土壤的升温过程,进行以下简化假设:

(1)土壤是均匀的,其土质类型不沿加热井发生变化。实际情况下,土壤是非均质非各向同性的多孔介质,但因为不同质地土壤的热导率变化有限,该假设对热传导的影响可以忽略。

(2)无化学作用,并且认为土壤中的气体是理想气体。

(3)忽略土壤中气体迁移对传热的影响,也忽略多孔介质中流体扩散、压缩功以及液体和水分迁移的黏性耗散效应的影响,仅考虑土壤水分对导热系数的影响。

(4)忽略污染物的影响。

(5)流体在土壤中的自然对流满足达西定律。

(6)土壤内的压力均匀分布。

(7)固相、液相和气相在非饱和土壤中分别是连续的。

基于以上假设,控制方程由质量平衡方程和能量平衡方程组成,它们由蒸发速率的动力学表达式耦合。

质量平衡方程设定水的变化量等于迁移量和内部蒸发量之差。

能量平衡方程设定高温烟气与土壤之间进行共轭传热,高温烟气提供的能量被用于土壤升温、水分蒸发和水对流。

质量平衡方程中水的蒸发速率与土壤中气体的饱和蒸气压和顶部空气蒸气压的压差有关。当水完全蒸发或者局部蒸气压小于顶部空气蒸气压时,水分停止蒸发。土壤温度下水的饱和蒸气压可由Antoine方程[23]得出。

由于存在毛细流动,水在土壤中发生迁移,迁移过程可以近似为扩散过程。水扩散系数可由土壤导水率和土水势根据扩散理论方程[24-25]得出。

能量平衡方程中土的平均体积热容可根据各相的体积分数计算得出[26]。土壤颗粒、水和土壤中气体的体积分数加和为1。

土的有效导热系数随土壤水分含量的变化而变化,它基于干土的导热系数和初始含水率下土壤的导热系数计算得出。

1.2 加热单元的物理模型

本研究模拟原位燃气热脱附二次回流系统的二维几何模型(见图1),通过烟气二次回流的方式节约能源,故在模型中设置两口加热井,以两加热井及周边土壤作为一个加热单元开展研究。空气和天然气通入燃烧器后燃烧产生高温烟气,随后流入第一个加热井,加热其周边土壤后,烟气再次流入第二个加热井进行加热,该加热井出口的烟气称为二次回流出口烟气。土壤表面覆盖0.4 m保温层抑制污染物从土壤表面的逸散和土壤表面的热量散失。燃烧器高温烟气温度设置为800 ℃。本模型中冷点目标温度设置为250 ℃。模型的输入参数见表1。

表1 模拟的输入参数1)Table 1 Input parameters for simulation

1.3 模拟案例

为了比较不同工况的土壤温度场分布情况、能量利用率与能耗,设计了5个案例(记为Case1～Case5,见表2)。不进行回流策略Case1作为对照,设置双井热脱附单元,两口加热井均由燃烧器供给高温烟气进行加热,无烟气回流。Case2则是采取烟气二次回流策略,即高温烟气加热土壤后产生的烟气继续通入第二个加热井。调整影响半径后烟气二次回流策略分为3个案例,不同案例的区别在于两个加热井的影响半径不同。

1.4 分析评价方法

为了定量对比分析不同策略下的温度场分布情况,在a侧和b侧分别设12个温度测点(见图1),模拟12个点的温度变化情况,通过比较12个点的温度平均值变化情况来评价平均升温效果,通过温度标准差评价温度分布的均匀性。

能量利用率是能源分析的一个重要性能指标,它由土壤最终使用的能量和输入土壤的能量的比值来计算,考虑到高温烟气加热土壤后流量与热容基本不变,一次能量利用率(η1,%)按照式(1)进行计算:

(1)

式中:T′为高温烟气温度,K:Ti′为加热ih后的出口烟气温度,K,通过模型模拟得出。

同理,二次能量利用率(η2,%)按照式(2)计算:

(2)

式中:Ti″为加热ih后的二次回流出口烟气温度,K,同样通过模型模拟得出。

综合能量利用率(η,%)按照式(3)计算:

(3)

2 结果与讨论

2.1 不进行回流时土壤的温度分布情况

a点土壤温度和出口烟气温度如图2(a)所示,a点的升温过程与实际过程中的监测数据趋势[27-29]相似。土壤升温过程可划分为3个阶段:第一阶段a点土壤由初始温度升至水的沸点;第二阶段a点土壤温度稳定在水的沸点;第三阶段a点土壤温度持续升温并逐渐趋于稳定。加热340 h,a点达到了目标温度;加热460 h,a点土壤温度基本维持在344 ℃。从出口烟气温度变化来看,初始800 ℃的高温烟气经由加热井加热土壤后,出口烟气温度下降至约185 ℃,随着加热过程的持续进行,烟气温度开始缓慢上升,当a点达到目标温度时,出口烟气温度达到430 ℃,远高于土壤目标温度,这也表明一次加热后的出口烟气具有较好的余热利用潜力。

a侧温度平均值和标准差如图2(b)所示,加热过程温度平均值保持缓慢上升趋势,未出现类似于a点温度变化中第二阶段明显的平台期。在279 h时,a点温度仍维持在100 ℃,而a侧温度平均值已达到186 ℃。由此可知,土壤中不同位置的温度变化是不均匀的,由于土壤中的水分逐渐由靠近加热井向远离加热井迁移并蒸发,导致各点水分蒸发的时段有所不同。而通过调整加热井的布设则可以影响土壤整体的升温速率。在加热367 h时,温度标准差达到峰值,随后逐渐降低,温度场均匀性增加;加热460 h后,温度标准差基本稳定,温度场均匀性基本不再发生变化,但土壤内部依然维持一定的温度梯度。

2.2 进行二次回流时土壤的温度分布情况

图3为Case2中土壤和烟气温度的模拟结果。由于两口井的加热烟气温度不同,b点土壤不同阶段的升温速率均低于a点,b点趋于稳定的温度也低于a点(a点为344 ℃,b点为307 ℃)。烟气温度呈缓慢上升趋势,烟气二次回流出口温度由初始102 ℃逐渐升高至600 h的423 ℃,始终低于一次出口烟气温度(185 ℃逐渐升高至572 ℃)。同时b侧温度平均值和标准差整体变化趋势与a侧一致,但b侧温度平均值曲线的斜率较小;相比a侧,b侧温度标准差的峰向右下移动,加热502 h时,b侧温度标准差达到峰值。

烟气温度显著影响土壤升温速率、能量利用率和温度场分布均匀性。a、b点的温差较大,达到目标温度的时间差异也较大。因此应寻找一种减少加热时间、节约能源消耗的方法。

2.3 调整影响半径后进行二次回流时土壤的温度分布情况

图4(a)为Case3、Case4和Case5中冷点土壤温度的模拟结果。随着a侧影响半径的减小,a点土壤升温过程加快,最终趋于稳定时的温度也升高。b点温度变化呈现相反的结果。受烟气温度和影响半径的双重影响,不同工况下,a、b点达到目标温度所需的时间不同。影响半径相差40 cm的Case3中,a点在加热480 h后达到目标温度,b点则只需326 h,相差154 h。影响半径相差10 cm的Case5中,a、b点达到目标温度分别需要372、413 h,相差41 h。影响半径相差16 cm的Case4中,a、b点达到目标温度则分别需要383、400 h,仅相差17 h。实际工程中可以通过调整二次回流时两个加热井的影响半径使冷点在相近时间达到目标温度,以最大限度节约能源。

随着影响半径增加,出口烟气最终温度降低(见图4(b)),这是因为影响半径越大,加热的土壤体积越大,土壤吸收的热量相对增多,能量利用率相应提高。随着影响半径增加,温度平均值逐渐降低(见图4(c))。随着影响半径增加,a侧温度标准差逐渐升高,峰向左上方移动,温度场分布的不均匀性逐渐增加,即a侧影响半径的增加提高了能量利用率但增加了温度场分布的不均匀性；而b侧随着影响半径的增大,温度标准差的峰向右方移动,温度场分布的不均匀性变化相对较小(见图4(d))。工程实践中应适当调整加热井的影响半径,以达到能量利用率与温度场分布均匀性的平衡。

2.4 5个案例下的能量利用率与能耗比较

图5显示,加热到土壤目标温度时,Case2的二次能量利用率和综合能量利用率均最高,分别为32.44%和66.46%,可见烟气回流后综合能量利用率相比于Case1提升46%。此外,Case2中高温烟气与二次回流出口烟气温度平均值相差较大(分别为800、423 ℃),而一、二次能量利用率相差较小(分别为47.41%、32.44%),即二次回流时用于加热的气体能量下降了47.41%,但能量利用率只下降了14.97百分点。可见烟气温度降低过程中,能量利用率降低的程度小于温度。

对比5个案例下的燃料消耗,加热到土壤目标温度时,Case1达到目标温度时间为340 h,Case2则需440 h,但由于Case2仅采取单口井设置燃烧器,因此能够比Case1节省能耗35.29%。进一步调整影响半径后,从a、b侧达到目标温度的时间差来看,Case3的时间差最大,为154 h；Case4的时间差最小,为17 h。从加热所需时间来看,同样Case3所需的加热时间最长,为480 h,Case4的加热时间最短,为400 h。因此,经调整影响半径,Case4的节能效果最佳,相比Case1能量节省达到了41.18%,Case3和Case5则分别节能29.41%和39.26%。这表明通过调整二次回流的加热井的影响半径使得a、b点升温速率接近,提升整个加热单元的升温均匀性,可显著节约能源。此外,结合不同策略的能量利用率分析可以发现,工程实践中能量利用率的高低并不与能源消耗呈现因果关系,如Case2虽然综合能量利用率提升最明显,但a、b两侧达到目标温度的时间差较大,加热时间也较长,导致其实际上的能量消耗高于Case4。

3 结 语

当土壤冷点达到目标温度(250 ℃)时,出口烟气温度达到430 ℃,远高于目标温度,一次加热后的出口烟气具有较好的余热利用潜力。烟气温度显著影响土壤升温速率、能量利用率和温度场分布均匀性。高温烟气加热井一侧土壤冷点温度和二次回流烟气加热井一侧土壤冷点温度的温度差较大。

工程实践中应适当调整加热井的影响半径,以达到能量利用率与温度场分布均匀性的平衡。当设置两口加热井影响半径相差16 cm时,两者达到目标温度的时间差较小,能耗可节省41.18%。