一种基于涡流效应的污染土壤热脱附修复系统及其方法与流程

1.本发明属于土壤污染修复技术领域，具体涉及一种基于涡流效应的污染土壤热脱附修复系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着经济的飞速发展和产业结构的优化升级，城市企业搬迁后遗留的工业场地中苯系物、石油烃、氯代烃、氯代苯、多环芳烃、多氯联苯等挥发性有机污染物被高频检出。这些挥发性有机污染物具有浓度高、毒性大、种类多、易扩散等特点，对环境安全和人类健康造成严重危害，并影响城市退役工业用地的再开发利用。因此，寻找高效的土壤污染治理手段，逐步开展污染场地修复成为亟待解决的问题。
3.热脱附技术是通过直接或间接的热交换，将有机污染物加热到足够温度，以使其从土壤中得以挥发或分离，进而经过收集或直接处理达到土壤修复的目的。因该技术具有处理范围宽、处理效率高、设备可移动、修复成本低、修复后土壤可再利用等优势，被广泛用于挥发、半挥发有机污染土壤的修复。早在上世纪80年代，美国的超级基金项目已将热脱附技术用于污染土壤的修复。而我国对于热脱附技术设备的自主研发和应用起步较晚，现有技术、设备和经验缺乏，在工业场地治理修复领域缺乏核心竞争力。对此，新兴技术和设备的研发成为重点。cn112845561a公开了“一种热通风强化石油烃污染土壤原位修复方法”，将土壤气相抽提修复、热空气注入修复和土壤低温热脱附修复多次交替运行以提高修复效率。然而多技术的联用通常伴随着处理工艺复杂、设备规模大以及装备能耗高等缺陷。cn111408614b公开了“一种用于有机污染土壤修复的螺杆式间接热脱附装置”，通过特殊设计的加热装置结构在不增加设备规模的前提下实现了热空气的可循环利用，显著提升了设备处理的效率。cn112872004a公开了“一种土壤原位热脱附修复系统”，通过在多个加热井中心设置热量回收井，实现高温烟气回收后的再利用。然而，上述技术的热能均来源于燃料燃烧，在需要高修复成本的同时还会产生燃烧污染。对此，cn112658021a公开了“一种介质内循环强化热脱附土壤修复反应器及其方法”以及cn112658023a公开了“一种热风循环式间接热脱附土壤修复系统及其方法”通过循环加热土壤受热挥发自身产生的热脱附气的方式，实现了热风与土壤间的高效传热，增强了污染物的去除效果。可见，以热脱附气为传热媒介，充分利用热脱附过程及加热过程中的能量交换，设计高效、节能、环保的热量提供装置具有优异的应用前景。
4.涡流管是一种结构简单的能量分离装置，只需压缩空气后利用涡旋温度分离的原理，即可提升低品位热能的温度，同时制造内在冷源，实现温度不相等的两部分气流的分离。由于涡流管具有结构简单、易于搬运、操作方便，造价便宜等优点，已被成功应用于制冷制热（cn110411050a、cn210861776u、cn108050722b）、天然气分离（cn212431386u）、气体干燥（cn111790362a）、海水淡化（cn210559478u）等领域。据此，在热脱附修复有机污染土壤的过程中，对脱附气进行回收，利用涡流效应对脱附气中的挥发性有机污染物和水汽冷凝分离，同时部分气体经能量交换温度升高，再次用于土壤热脱附，可实现气体和能量的双循环
利用。此外，根据土壤中污染物种类、浓度、环境因素的不同，通过简易可控的结构调整和参数调节，即可满足各种原位和异位土壤修复的需求，实现有机污染土壤的高效修复。


技术实现要素：

5.本发明的第一目的在于提供一种基于涡流效应的污染土壤热脱附修复的系统。
6.本发明的第二目的在于提供一种基于涡流效应的污染土壤热脱附修复的方法。
7.本发明的第一目的是这样实现的，土壤修复系统包括气体压缩单元、涡流换热反应器、热气体注入单元、气体抽提单元以及废液回收处理单元，所述气体压缩单元包括气体净化装置和气体压缩机；所述涡流换热反应器包括进气口、喷嘴、涡流室、分离孔板、热端管、热端调节阀、排液结构以及冷端管；所述热气体注入单元包括注入泵和注入井；所述气体抽提单元包括抽提井和抽提泵；所述废液回收处理单元包括排液腔、冷凝腔和废液处理装置；所述气体压缩机出口与进气口连接，所述热端管出口与注入泵连接，所述抽提泵与进气口连接，所述排液结构与排液腔连接，所述冷端管出口与冷凝腔进口连接。
8.本发明的第二目的是这样实现的，包括以下步骤：s1、确定污染场地的污染范围、污染物类型和污染物的浓度分布，布设注入井和抽提井；s2、通过气体压缩单元将含有一定压力和水汽的气体依次经进气口和喷嘴注入涡流换热反应器内，由于喷嘴的减缩结构，气体膨胀后以高速沿切线方向进入涡流室，经涡流变换后分离成处于中心部位的冷气流和处于外层部位的热气流，冷热气流运动方向相反并分别从冷、热端管流出；在涡流变换过程中气体降温使水蒸气和可凝污染物发生凝结，随气体的旋流进入外层热气体中，在向热端管出口运动过程中进入排液结构并进一步在排液腔中冷凝为液态，实现气液分离；热气体经热端管排出后注入注入井内，用于土壤热脱附修复；热端调节阀可调节冷热分离程度，适应不同工况；s3、热脱附修复后的气体经抽提单元抽出并重新注入气体压缩单元；s4、重复s2-s3步骤直至污染场地的污染物浓度达到修复标准，完成对污染土壤的修复。
9.与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：1、本发明以空气或脱附气为传热介质，将气体压力转化为热脱附所需能量，利用涡流温度分离效应实现气体热量交换，产生热气用于土壤热脱附，节省了燃烧产热所需的燃料消耗，具有清洁、安全、经济等特点。
10.2、本发明在涡流反应器上设置废液冷凝分离装置，利用产生的冷气使挥发性有机污染物和水汽冷凝，实现气液分离和冷气的充分利用。分离回收的废液可通过后续方法处理，避免了脱附后的二次污染。
11.3、本发明基于涡流效应构建污染土壤热脱附修复系统，装置体积小且易拆卸运输，根据各类工况和土壤环境进行可控调节，可广泛适用于各类原位和异位有机污染土壤修复。
附图说明
12.图1为本发明污染土壤热脱附修复系统的结构示意图；
图中：1-气体压缩单元，101-气体净化装置，102-气体压缩机，2-涡流换热反应器，3-热气体注入单元，301-注入泵，302-注入井，4-气体抽提单元，401-抽提井，402-抽提泵，5-废液回收处理单元。
13.图2为涡流换热反应器和废液回收处理单元的结构示意图；图中：201-进气口，202-喷嘴，203-涡流室，204-分离孔板，205-热端管，206-热端调节阀，207-排液结构，208-冷端管，501-排液腔，502-冷凝腔，503-废液处理装置。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
15.如附图1~图2所示本发明系统包括气体压缩单元、涡流换热反应器、热气体注入单元、气体抽提单元以及废液回收处理单元，所述气体压缩单元包括气体净化装置和气体压缩机；所述涡流换热反应器包括进气口、喷嘴、涡流室、分离孔板、热端管、热端调节阀、排液结构以及冷端管；所述热气体注入单元包括注入泵和注入井；所述气体抽提单元包括抽提井和抽提泵；所述废液回收处理单元包括排液腔、冷凝腔和废液处理装置；所述气体压缩机出口与进气口连接，所述热端管出口与注入泵连接，所述抽提泵与进气口连接，所述排液结构与排液腔连接，所述冷端管出口与冷凝腔进口连接。
16.优选地，所述气体压缩机为螺旋杆式气体压缩机，产生高压气体进入涡流换热反应器内。
17.优选地，所述涡流换热反应器进气口与喷嘴以及涡流室相通；涡流室两端分别于热端管和冷端管相通；热端调节阀位于热端管出口部位；热端管的下部靠近涡流室的侧壁上开设有孔，联通排液结构；分离孔板位于涡流室与冷端管之间；该结构设计可实现冷、热流气体分离以及挥发性有机污染物和水汽的冷凝回收，提高分离效率和实现污染物的收集。
18.优选地，涡流换热反应器为不锈钢材料；喷嘴形式为渐缩型，喷嘴最小截面形式为矩形或圆形的一种，喷嘴流道数目为1-8，流道形式为螺旋进气式、切向进气式、切向槽型进气式的一种，流道宽度为0.1-0.5 mm；热端管采用锥形管，锥形管轴截面两条侧壁线的夹角为2
。-4
。
，管长度为100-200 mm，热端管长度和直径比为10-40；热端调节阀为针型阀、球型阀、板状阀的一种，阀位置为轴向或旁开的一种；冷端管直径为2-6 mm，分离孔板直径和冷端管直径比为0.2-0.7；气体入口压力为0.1-1.0 mpa，冷流比为0.2-0.8。
19.优选地，所述注入井预埋于土壤中，热气体经注入泵通入注入井，其后输送至土壤中。
20.优选地，所述抽提井预埋于土壤中，土壤修复后的气体经抽提泵从抽提井中抽出，其后输入涡流换热反应器。
21.优选地，废液回收处理单元中排液与排液结构连接；排液腔呈螺旋结构，冷凝腔包裹于排液腔外侧，呈中空直筒状；排液腔出口与废液处理装置连接。
22.所述基于涡流效应的污染土壤热脱附土壤修复的方法，包括以下步骤：s1、确定污染场地的污染范围、污染物类型和污染物的浓度分布，布设注入井和抽提井；
s2、通过气体压缩单元将含有一定压力和水汽的气体依次经进气口和喷嘴注入涡流换热反应器内，由于喷嘴的减缩结构，气体膨胀后以高速沿切线方向进入涡流室，经涡流变换后分离成处于中心部位的冷气流和处于外层部位的热气流，冷热气流运动方向相反并分别从冷、热端管流出；在涡流变换过程中气体降温使水蒸气和可凝污染物发生凝结，随气体的旋流进入外层热气体中，在向热端管出口运动过程中进入排液结构并进一步在排液腔中冷凝为液态，实现气液分离；热气体经热端管排出后注入井内，用于土壤热脱附修复；热端调节阀可调节冷热分离程度，适应不同工况；s3、热脱附修复后的气体经抽提单元抽出并重新注入气体压缩单元；s4、重复s2-s3步骤直至污染场地的污染物浓度达到修复标准，完成对污染土壤的修复。
23.优选地，涡流换热反应器热端管出气温度为30-350℃，冷端管出气温度为-20-10℃。
24.下面结合实施例1~实施例3对本发明作进一步说明。
25.实施例1本实施例提供了一种基于涡流效应的污染土壤热脱附土壤修复系统，如图1~图2所示，包括：气体压缩单元（1），用于为涡流换热反应器提供纯净的压缩气体，包括气体净化装置（101）和气体压缩机（102）；所述气体压缩机（102）为螺旋杆式气体压缩机，产生高压气体进入涡流换热反应器（2）内。
26.涡流换热反应器（2），用于产生热气用于土壤热脱附，产生冷气用于挥发性有机污染物和水汽的冷凝，以及污染物的分离回收；如图2，该涡流换热反应器包括进气口（201）、喷嘴（202）、涡流室（203）、分离孔板（204）、热端管（205）、热端调节阀（206）、排液结构（207）以及冷端管（208）；所述涡流换热反应器（2）进气口（201）与喷嘴（202）以及涡流室（203）相通；涡流室（203）两端分别于热端管（205）和冷端管（208）相通；热端调节阀（206）位于热端管（205）出口部位；热端管（205）的下部靠近涡流室（203）的侧壁上开设有孔，联通排液结构（207）；分离孔板位于涡流室（203）与冷端管（208）之间。
27.热气体注入单元（3），用于向土壤中注入热气进行土壤修复，该单元包括注入泵（301）和注入井（302）；所述注入井（302）预埋于土壤中，热气体经注入泵（301）通入注入井（302），其后输送至土壤中。
28.气体抽提单元（4），用于抽提修复井中的脱附气，并去除挥发性有机污染物，该单元包括抽提井（401）和抽提泵（402）；所述抽提井（401）预埋于土壤中，土壤修复后的气体经抽提泵（402）从抽提井（401）中抽出，其后输入涡流换热反应器（2）。
29.废液回收处理单元（5），用于挥发性有机污染物的收集和处理，该单元包括排液腔（501）、冷凝腔（502）和废液处理装置（503）；废液回收处理单元（5）中排液腔（501）与排液结构（207）连接；排液腔（501）呈螺旋结构，冷凝腔（502）包裹于排液腔（501）外侧，呈中空直筒状；排液腔（502）出口与废液处理装置（503）连接。
30.该系统所述气体压缩机（102）出口与进气口（201）连接；所述热端管（205）出口与注入泵（301）连接；所述抽提泵（402）与进气口（201）连接；所述排液结构（207）与排液腔（501）连接；所述冷端管（208）出口与冷凝腔（502）进口连接。
31.实施例2
本实施例提供了一种基于涡流效应的污染土壤热脱附土壤修复方法，对某焦化厂多环芳烃污染场地实施原位土壤热脱附修复，该场地主要污染物如下表1：表1 某焦化厂污染场地中主要污染物的种类和含量该方法采用实施例1中所述的基于涡流效应的污染土壤热脱附土壤修复系统，具体操作步骤如下：s1、确定污染场地的面积为50 m2(长
×
宽，10 m
×
5 m)、经检测，该场地土壤中主要污染物的种类和含量如表1，根据污染情况在土壤中布设注入井和抽提井；s2、通过气体压缩单元将压力为0.8 mpa的空气依次经进气口和喷嘴注入涡流换热反应器内，喷嘴形式为渐缩型，喷嘴最小截面形式为矩形，喷嘴流道数目为6，流道形式为螺旋进气式、流道宽度为0.2 mm；热端管采用锥形管，锥形管轴截面两条侧壁线的夹角为4
。
，管长度为100 mm，热端管长度和直径比为40；热端调节阀为板状阀，阀位置为轴向；冷端管直径为6 mm，分离孔板直径和冷端管直径比为0.6；冷流比设为0.2，经涡流变换后气体冷热分离，冷热气流运动方向相反并分别从冷、热端管流出；在涡流变换过程中气体降温使水蒸气和可凝污染物发生凝结，随气体的旋流进入外层热气体中，在向热端管出口运动过程中进入排液结构并进一步在排液腔中冷凝为液态，；热气体经热端管排出后注入井内，用于土壤热脱附修复；s3、热脱附修复后的气体经抽提单元抽出并重新注入气体压缩单元；s4、重复s2-s3步骤运行120天至污染场地的污染物浓度达到修复标准，完成对污染土壤的修复。
32.经过修复后，采样检测，土壤中总多环芳烃去除率达89%，表明本发明所述方法对上述污染土壤修复效果理想。
33.实施例3本实施例提供了一种基于涡流效应的污染土壤热脱附土壤修复方法，对某化工厂污染场地实施原位土壤热脱附修复，该场地主要污染物如下表2：表2 某化工厂污染场地中主要污染物的种类和含量该方法采用实施例1中所述的基于涡流效应的污染土壤热脱附土壤修复系统，具体操作步骤如下：s1、确定污染场地的面积为48 m2(长
×
宽，8 m
×
6 m)、经检测，该场地土壤中主要污染物的种类和含量如表2，根据污染情况在土壤中布设注入井和抽提井；s2、通过气体压缩单元将压力为1.0 mpa的空气依次经进气口和喷嘴注入涡流换热反应器内，喷嘴形式为渐缩型，喷嘴最小截面形式为圆形，喷嘴流道数目为4，流道形式为切向槽型进气式、流道宽度为0.4 mm；热端管采用锥形管，锥形管轴截面两条侧壁线的夹角为3
。
，管长度为150 mm，热端管长度和直径比为20；热端调节阀为板状阀，阀位置为轴向；冷端管直径为4 mm，分离孔板直径和冷端管直径比为0.4；冷流比设为0.3，经涡流变换后气体冷热分离，冷热气流运动方向相反并分别从冷、热端管流出；在涡流变换过程中气体降温使水蒸气和可凝污染物发生凝结，随气体的旋流进入外层热气体中，在向热端管出口运动过程中进入排液结构并进一步在排液腔中冷凝为液态，；热气体经热端管排出后注入井内，用于土壤热脱附修复；s3、热脱附修复后的气体经抽提单元抽出并重新注入气体压缩单元；s4、重复s2-s3步骤运行140天至污染场地的污染物浓度达到修复标准，完成对污染土壤的修复。
34.经过修复后，采样检测，土壤中氯苯类去除率达95%，表明本发明所述方法对上述污染土壤修复效果理想。