土壤原位燃?xì)鉄崦摳蕉位亓骷訜嵯到y(tǒng)研究*

張海靜 殷 瑤 姜文超

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),土壤污染已成為一個(gè)嚴(yán)重的全球環(huán)境危機(jī)[1-2]。2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,全國土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%[3],人類活動(dòng)導(dǎo)致的土壤污染已引發(fā)了一些污染危害事件[4-5],土壤污染問題日益突出。土壤污染會(huì)導(dǎo)致土壤功能退化、威脅人類健康[6],為了維持生態(tài)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定,迫切需要對(duì)受污染的城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)用地進(jìn)行有效修復(fù)。

原位化學(xué)氧化(ISCO)、原位生物修復(fù)(ISB)和原位熱脫附(ISTD)是有機(jī)污染土壤常用的修復(fù)技術(shù)。每項(xiàng)修復(fù)技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。ISCO采用強(qiáng)氧化劑(如過硫酸鈉、過氧化氫)通過氧化還原作用使污染物降解,然而應(yīng)用中存在大量氧化劑的消耗,修復(fù)后常常出現(xiàn)污染物濃度反彈,修復(fù)后土壤結(jié)構(gòu)、功能嚴(yán)重破壞,養(yǎng)分過度流失等問題[7]。ISB通過微生物將污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化、吸附或富集從而去除土壤中的污染物,但存在修復(fù)周期長、非土著微生物對(duì)生物多樣性造成威脅等缺點(diǎn)[8-9]。相較于ISCO和ISB,ISTD擁有更好的修復(fù)效果。ISTD可以通過加熱升高污染區(qū)域的溫度,改變污染物的飽和蒸氣壓等使污染物氣化、氧化或裂解,從而快速將污染物從土壤基質(zhì)中分離出來。在實(shí)驗(yàn)室控制的理想條件下,可以去除99%以上的碳?xì)浠衔镳s分。該技術(shù)對(duì)不同地質(zhì)特征的場(chǎng)地都有很強(qiáng)的適用性[10-11]。ISB和ISCO的污染物去除率為60%～80%,而ISTD基本可以達(dá)到95%[12],因此近年來ISTD廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外有機(jī)污染場(chǎng)地修復(fù)[13]。然而,高能耗導(dǎo)致高昂的運(yùn)行成本，限制了ISTD進(jìn)一步推廣與應(yīng)用[14-16]。

許多學(xué)者運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和模型手段探究ISTD的傳熱特性以降低該技術(shù)的能耗,WANG等[17]9研究了含水率、井間距、井深度對(duì)修復(fù)工程中傳熱性能的影響;LI等[18]4針對(duì)燃?xì)鉄崦摳街械娜紵鬟\(yùn)用模型評(píng)估了可變條件模式、回?zé)崮Ｊ胶涂諝忸A(yù)熱模式的節(jié)能效果;XU等[19]利用比例-積分-導(dǎo)數(shù)(PID)的方法進(jìn)行控制,通過調(diào)整天然氣流量,在不同階段以恒定的溫度變化率或含水量變化率進(jìn)行加熱,達(dá)到天然氣消耗量降低24%的節(jié)能效果。但以上研究都是基于單個(gè)加熱井/棒或燃燒器進(jìn)行調(diào)控,未考慮協(xié)調(diào)控制;同時(shí),缺乏對(duì)溫度場(chǎng)均勻性的評(píng)估。溫度場(chǎng)越不均勻,同一加熱溫度下土壤各處均達(dá)到目標(biāo)溫度所需時(shí)間越長,從而會(huì)消耗更多能源。

LI等[18]16研究發(fā)現(xiàn),原位燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)中約47.10%的輸入能量隨出口煙氣排出,導(dǎo)致大量能量被浪費(fèi)。出口煙氣回流至第二個(gè)加熱井來修復(fù)土壤可以節(jié)約能源。然而二次回流加熱系統(tǒng)由于直接加熱井和回流加熱井的加熱煙氣溫度不同,面臨兩井周邊冷點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)加熱溫度時(shí)間差較大的問題。WANG等[17]12發(fā)現(xiàn)距離加熱井越近,土壤升溫越快,處于土壤水分蒸發(fā)平臺(tái)期的時(shí)間越短;同時(shí)加熱功率越大,土壤升溫越快。基于以上發(fā)現(xiàn),本研究采用調(diào)整兩加熱井影響半徑的方式減小修復(fù)時(shí)間的差異,通過建立原位燃?xì)鉄崦摳降牡叵露位亓骷訜嵯到y(tǒng)模型,定量分析二次加熱過程中雙加熱井的排布方式對(duì)土壤溫度場(chǎng)分布、系統(tǒng)能量利用率和能耗的影響,研究結(jié)果有望為該系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供新的思路和參考。

1 原位燃?xì)鉄崦摳綌?shù)學(xué)模型

1.1 傳熱與傳質(zhì)模型

土壤是一種典型多相多組分的多孔介質(zhì),傳熱和傳質(zhì)是土壤熱脫附的主要過程,傳熱的主要機(jī)制是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流,水和污染物的傳質(zhì)主要受濃度、溫度、壓力梯度的影響。對(duì)于原位燃?xì)鉄崦摳絹碚f,加熱井對(duì)土壤的加熱過程可以被認(rèn)為是一種共軛傳熱,即在加熱過程中流體(高溫?zé)煔?和固體(土壤)之間的熱量傳輸。固體傳熱主要是借助熱傳導(dǎo),流體傳熱主要是借助熱對(duì)流。同時(shí),土壤中還存在土壤顆粒和水分子的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流,土壤中的水蒸發(fā)還會(huì)吸收潛熱[20]。土壤中的溫度場(chǎng)可以通過建立連續(xù)分布參數(shù)模型[21-22]來模擬。

為模擬熱脫附過程中土壤的升溫過程,進(jìn)行以下簡(jiǎn)化假設(shè):

(1)土壤是均勻的,其土質(zhì)類型不沿加熱井發(fā)生變化。實(shí)際情況下,土壤是非均質(zhì)非各向同性的多孔介質(zhì),但因?yàn)椴煌|(zhì)地土壤的熱導(dǎo)率變化有限,該假設(shè)對(duì)熱傳導(dǎo)的影響可以忽略。

(2)無化學(xué)作用,并且認(rèn)為土壤中的氣體是理想氣體。

(3)忽略土壤中氣體遷移對(duì)傳熱的影響,也忽略多孔介質(zhì)中流體擴(kuò)散、壓縮功以及液體和水分遷移的黏性耗散效應(yīng)的影響,僅考慮土壤水分對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

(4)忽略污染物的影響。

(5)流體在土壤中的自然對(duì)流滿足達(dá)西定律。

(6)土壤內(nèi)的壓力均勻分布。

(7)固相、液相和氣相在非飽和土壤中分別是連續(xù)的。

基于以上假設(shè),控制方程由質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程組成,它們由蒸發(fā)速率的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式耦合。

質(zhì)量平衡方程設(shè)定水的變化量等于遷移量和內(nèi)部蒸發(fā)量之差。

能量平衡方程設(shè)定高溫?zé)煔馀c土壤之間進(jìn)行共軛傳熱,高溫?zé)煔馓峁┑哪芰勘挥糜谕寥郎郎亍⑺终舭l(fā)和水對(duì)流。

質(zhì)量平衡方程中水的蒸發(fā)速率與土壤中氣體的飽和蒸氣壓和頂部空氣蒸氣壓的壓差有關(guān)。當(dāng)水完全蒸發(fā)或者局部蒸氣壓小于頂部空氣蒸氣壓時(shí),水分停止蒸發(fā)。土壤溫度下水的飽和蒸氣壓可由Antoine方程[23]得出。

由于存在毛細(xì)流動(dòng),水在土壤中發(fā)生遷移,遷移過程可以近似為擴(kuò)散過程。水?dāng)U散系數(shù)可由土壤導(dǎo)水率和土水勢(shì)根據(jù)擴(kuò)散理論方程[24-25]得出。

能量平衡方程中土的平均體積熱容可根據(jù)各相的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算得出[26]。土壤顆粒、水和土壤中氣體的體積分?jǐn)?shù)加和為1。

土的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨土壤水分含量的變化而變化,它基于干土的導(dǎo)熱系數(shù)和初始含水率下土壤的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算得出。

1.2 加熱單元的物理模型

本研究模擬原位燃?xì)鉄崦摳蕉位亓飨到y(tǒng)的二維幾何模型(見圖1),通過煙氣二次回流的方式節(jié)約能源,故在模型中設(shè)置兩口加熱井,以兩加熱井及周邊土壤作為一個(gè)加熱單元開展研究。空氣和天然氣通入燃燒器后燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?隨后流入第一個(gè)加熱井,加熱其周邊土壤后,煙氣再次流入第二個(gè)加熱井進(jìn)行加熱,該加熱井出口的煙氣稱為二次回流出口煙氣。土壤表面覆蓋0.4 m保溫層抑制污染物從土壤表面的逸散和土壤表面的熱量散失。燃燒器高溫?zé)煔鉁囟仍O(shè)置為800 ℃。本模型中冷點(diǎn)目標(biāo)溫度設(shè)置為250 ℃。模型的輸入?yún)?shù)見表1。

表1 模擬的輸入?yún)?shù)1)Table 1 Input parameters for simulation

1.3 模擬案例

為了比較不同工況的土壤溫度場(chǎng)分布情況、能量利用率與能耗,設(shè)計(jì)了5個(gè)案例(記為Case1～Case5,見表2)。不進(jìn)行回流策略Case1作為對(duì)照,設(shè)置雙井熱脫附單元,兩口加熱井均由燃燒器供給高溫?zé)煔膺M(jìn)行加熱,無煙氣回流。Case2則是采取煙氣二次回流策略,即高溫?zé)煔饧訜嵬寥篮螽a(chǎn)生的煙氣繼續(xù)通入第二個(gè)加熱井。調(diào)整影響半徑后煙氣二次回流策略分為3個(gè)案例,不同案例的區(qū)別在于兩個(gè)加熱井的影響半徑不同。

1.4 分析評(píng)價(jià)方法

為了定量對(duì)比分析不同策略下的溫度場(chǎng)分布情況,在a側(cè)和b側(cè)分別設(shè)12個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(見圖1),模擬12個(gè)點(diǎn)的溫度變化情況,通過比較12個(gè)點(diǎn)的溫度平均值變化情況來評(píng)價(jià)平均升溫效果,通過溫度標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)溫度分布的均勻性。

能量利用率是能源分析的一個(gè)重要性能指標(biāo),它由土壤最終使用的能量和輸入土壤的能量的比值來計(jì)算,考慮到高溫?zé)煔饧訜嵬寥篮罅髁颗c熱容基本不變,一次能量利用率(η1,%)按照式(1)進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:T′為高溫?zé)煔鉁囟?K:Ti′為加熱ih后的出口煙氣溫度,K,通過模型模擬得出。

同理,二次能量利用率(η2,%)按照式(2)計(jì)算:

(2)

式中:Ti″為加熱ih后的二次回流出口煙氣溫度,K,同樣通過模型模擬得出。

綜合能量利用率(η,%)按照式(3)計(jì)算:

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 不進(jìn)行回流時(shí)土壤的溫度分布情況

a點(diǎn)土壤溫度和出口煙氣溫度如圖2(a)所示,a點(diǎn)的升溫過程與實(shí)際過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)[27-29]相似。土壤升溫過程可劃分為3個(gè)階段:第一階段a點(diǎn)土壤由初始溫度升至水的沸點(diǎn);第二階段a點(diǎn)土壤溫度穩(wěn)定在水的沸點(diǎn);第三階段a點(diǎn)土壤溫度持續(xù)升溫并逐漸趨于穩(wěn)定。加熱340 h,a點(diǎn)達(dá)到了目標(biāo)溫度;加熱460 h,a點(diǎn)土壤溫度基本維持在344 ℃。從出口煙氣溫度變化來看,初始800 ℃的高溫?zé)煔饨?jīng)由加熱井加熱土壤后,出口煙氣溫度下降至約185 ℃,隨著加熱過程的持續(xù)進(jìn)行,煙氣溫度開始緩慢上升,當(dāng)a點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí),出口煙氣溫度達(dá)到430 ℃,遠(yuǎn)高于土壤目標(biāo)溫度,這也表明一次加熱后的出口煙氣具有較好的余熱利用潛力。

a側(cè)溫度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖2(b)所示,加熱過程溫度平均值保持緩慢上升趨勢(shì),未出現(xiàn)類似于a點(diǎn)溫度變化中第二階段明顯的平臺(tái)期。在279 h時(shí),a點(diǎn)溫度仍維持在100 ℃,而a側(cè)溫度平均值已達(dá)到186 ℃。由此可知,土壤中不同位置的溫度變化是不均勻的,由于土壤中的水分逐漸由靠近加熱井向遠(yuǎn)離加熱井遷移并蒸發(fā),導(dǎo)致各點(diǎn)水分蒸發(fā)的時(shí)段有所不同。而通過調(diào)整加熱井的布設(shè)則可以影響土壤整體的升溫速率。在加熱367 h時(shí),溫度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到峰值,隨后逐漸降低,溫度場(chǎng)均勻性增加;加熱460 h后,溫度標(biāo)準(zhǔn)差基本穩(wěn)定,溫度場(chǎng)均勻性基本不再發(fā)生變化,但土壤內(nèi)部依然維持一定的溫度梯度。

2.2 進(jìn)行二次回流時(shí)土壤的溫度分布情況

圖3為Case2中土壤和煙氣溫度的模擬結(jié)果。由于兩口井的加熱煙氣溫度不同,b點(diǎn)土壤不同階段的升溫速率均低于a點(diǎn),b點(diǎn)趨于穩(wěn)定的溫度也低于a點(diǎn)(a點(diǎn)為344 ℃,b點(diǎn)為307 ℃)。煙氣溫度呈緩慢上升趨勢(shì),煙氣二次回流出口溫度由初始102 ℃逐漸升高至600 h的423 ℃,始終低于一次出口煙氣溫度(185 ℃逐漸升高至572 ℃)。同時(shí)b側(cè)溫度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差整體變化趨勢(shì)與a側(cè)一致,但b側(cè)溫度平均值曲線的斜率較小;相比a側(cè),b側(cè)溫度標(biāo)準(zhǔn)差的峰向右下移動(dòng),加熱502 h時(shí),b側(cè)溫度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到峰值。

煙氣溫度顯著影響土壤升溫速率、能量利用率和溫度場(chǎng)分布均勻性。a、b點(diǎn)的溫差較大,達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間差異也較大。因此應(yīng)尋找一種減少加熱時(shí)間、節(jié)約能源消耗的方法。

2.3 調(diào)整影響半徑后進(jìn)行二次回流時(shí)土壤的溫度分布情況

圖4(a)為Case3、Case4和Case5中冷點(diǎn)土壤溫度的模擬結(jié)果。隨著a側(cè)影響半徑的減小,a點(diǎn)土壤升溫過程加快,最終趨于穩(wěn)定時(shí)的溫度也升高。b點(diǎn)溫度變化呈現(xiàn)相反的結(jié)果。受煙氣溫度和影響半徑的雙重影響,不同工況下,a、b點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度所需的時(shí)間不同。影響半徑相差40 cm的Case3中,a點(diǎn)在加熱480 h后達(dá)到目標(biāo)溫度,b點(diǎn)則只需326 h,相差154 h。影響半徑相差10 cm的Case5中,a、b點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度分別需要372、413 h,相差41 h。影響半徑相差16 cm的Case4中,a、b點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度則分別需要383、400 h,僅相差17 h。實(shí)際工程中可以通過調(diào)整二次回流時(shí)兩個(gè)加熱井的影響半徑使冷點(diǎn)在相近時(shí)間達(dá)到目標(biāo)溫度,以最大限度節(jié)約能源。

隨著影響半徑增加,出口煙氣最終溫度降低(見圖4(b)),這是因?yàn)橛绊懓霃皆酱?加熱的土壤體積越大,土壤吸收的熱量相對(duì)增多,能量利用率相應(yīng)提高。隨著影響半徑增加,溫度平均值逐漸降低(見圖4(c))。隨著影響半徑增加,a側(cè)溫度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸升高,峰向左上方移動(dòng),溫度場(chǎng)分布的不均勻性逐漸增加,即a側(cè)影響半徑的增加提高了能量利用率但增加了溫度場(chǎng)分布的不均勻性；而b側(cè)隨著影響半徑的增大,溫度標(biāo)準(zhǔn)差的峰向右方移動(dòng),溫度場(chǎng)分布的不均勻性變化相對(duì)較小(見圖4(d))。工程實(shí)踐中應(yīng)適當(dāng)調(diào)整加熱井的影響半徑,以達(dá)到能量利用率與溫度場(chǎng)分布均勻性的平衡。

2.4 5個(gè)案例下的能量利用率與能耗比較

圖5顯示,加熱到土壤目標(biāo)溫度時(shí),Case2的二次能量利用率和綜合能量利用率均最高,分別為32.44%和66.46%,可見煙氣回流后綜合能量利用率相比于Case1提升46%。此外,Case2中高溫?zé)煔馀c二次回流出口煙氣溫度平均值相差較大(分別為800、423 ℃),而一、二次能量利用率相差較小(分別為47.41%、32.44%),即二次回流時(shí)用于加熱的氣體能量下降了47.41%,但能量利用率只下降了14.97百分點(diǎn)。可見煙氣溫度降低過程中,能量利用率降低的程度小于溫度。

對(duì)比5個(gè)案例下的燃料消耗,加熱到土壤目標(biāo)溫度時(shí),Case1達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)間為340 h,Case2則需440 h,但由于Case2僅采取單口井設(shè)置燃燒器,因此能夠比Case1節(jié)省能耗35.29%。進(jìn)一步調(diào)整影響半徑后,從a、b側(cè)達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間差來看,Case3的時(shí)間差最大,為154 h；Case4的時(shí)間差最小,為17 h。從加熱所需時(shí)間來看,同樣Case3所需的加熱時(shí)間最長,為480 h,Case4的加熱時(shí)間最短,為400 h。因此,經(jīng)調(diào)整影響半徑,Case4的節(jié)能效果最佳,相比Case1能量節(jié)省達(dá)到了41.18%,Case3和Case5則分別節(jié)能29.41%和39.26%。這表明通過調(diào)整二次回流的加熱井的影響半徑使得a、b點(diǎn)升溫速率接近,提升整個(gè)加熱單元的升溫均勻性,可顯著節(jié)約能源。此外,結(jié)合不同策略的能量利用率分析可以發(fā)現(xiàn),工程實(shí)踐中能量利用率的高低并不與能源消耗呈現(xiàn)因果關(guān)系,如Case2雖然綜合能量利用率提升最明顯,但a、b兩側(cè)達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間差較大,加熱時(shí)間也較長,導(dǎo)致其實(shí)際上的能量消耗高于Case4。

3 結(jié) 語

當(dāng)土壤冷點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度(250 ℃)時(shí),出口煙氣溫度達(dá)到430 ℃,遠(yuǎn)高于目標(biāo)溫度,一次加熱后的出口煙氣具有較好的余熱利用潛力。煙氣溫度顯著影響土壤升溫速率、能量利用率和溫度場(chǎng)分布均勻性。高溫?zé)煔饧訜峋粋?cè)土壤冷點(diǎn)溫度和二次回流煙氣加熱井一側(cè)土壤冷點(diǎn)溫度的溫度差較大。

工程實(shí)踐中應(yīng)適當(dāng)調(diào)整加熱井的影響半徑,以達(dá)到能量利用率與溫度場(chǎng)分布均勻性的平衡。當(dāng)設(shè)置兩口加熱井影響半徑相差16 cm時(shí),兩者達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間差較小,能耗可節(jié)省41.18%。