張海靜 殷 瑤 姜文超

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海 200092)

隨著工業(yè)化進程的不斷推進,土壤污染已成為一個嚴重的全球環(huán)境危機[1-2]。2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示,全國土壤點位超標率為16.1%[3],人類活動導(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,迫切需要對受污染的城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)用地進行有效修復(fù)。

原位化學(xué)氧化(ISCO)、原位生物修復(fù)(ISB)和原位熱脫附(ISTD)是有機污染土壤常用的修復(fù)技術(shù)。每項修復(fù)技術(shù)都有各自的優(yōu)點和局限性。ISCO采用強氧化劑(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、非土著微生物對生物多樣性造成威脅等缺點[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。在實驗室控制的理想條件下,可以去除99%以上的碳氫化合物餾分。該技術(shù)對不同地質(zhì)特征的場地都有很強的適用性[10-11]。ISB和ISCO的污染物去除率為60%～80%,而ISTD基本可以達到95%[12],因此近年來ISTD廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外有機污染場地修復(fù)[13]。然而,高能耗導(dǎo)致高昂的運行成本，限制了ISTD進一步推廣與應(yīng)用[14-16]。

許多學(xué)者運用實驗和模型手段探究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、井深度對修復(fù)工程中傳熱性能的影響;LI等[18]4針對燃氣熱脫附中的燃燒器運用模型評估了可變條件模式、回熱模式和空氣預(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行加熱,達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加熱井/棒或燃燒器進行調(diào)控,未考慮協(xié)調(diào)控制;同時,缺乏對溫度場均勻性的評估。溫度場越不均勻,同一加熱溫度下土壤各處均達到目標溫度所需時間越長,從而會消耗更多能源。

LI等[18]16研究發(fā)現(xiàn),原位燃氣熱脫附技術(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。出口煙氣回流至第二個加熱井來修復(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,面臨兩井周邊冷點達到目標加熱溫度時間差較大的問題。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)平臺期的時間越短;同時加熱功率越大,土壤升溫越快?；谝陨习l(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)時間的差異,通過建立原位燃氣熱脫附的地下二次回流加熱系統(tǒng)模型,定量分析二次加熱過程中雙加熱井的排布方式對土壤溫度場分布、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 原位燃氣熱脫附數(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,傳熱的主要機制是熱傳導(dǎo)和熱對流,水和污染物的傳質(zhì)主要受濃度、溫度、壓力梯度的影響。對于原位燃氣熱脫附來說,加熱井對土壤的加熱過程可以被認為是一種共軛傳熱,即在加熱過程中流體(高溫煙氣)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流。同時,土壤中還存在土壤顆粒和水分子的熱傳導(dǎo)和熱對流,土壤中的水蒸發(fā)還會吸收潛熱[20]。土壤中的溫度場可以通過建立連續(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,進行以下簡化假設(shè):

(1)土壤是均勻的,其土質(zhì)類型不沿加熱井發(fā)生變化。實際情況下,土壤是非均質(zhì)非各向同性的多孔介質(zhì),但因為不同質(zhì)地土壤的熱導(dǎo)率變化有限,該假設(shè)對熱傳導(dǎo)的影響可以忽略。

(2)無化學(xué)作用,并且認為土壤中的氣體是理想氣體。

(3)忽略土壤中氣體遷移對傳熱的影響,也忽略多孔介質(zhì)中流體擴散、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流滿足達西定律。

(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)速率的動力學(xué)表達式耦合。

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)定高溫煙氣與土壤之間進行共軛傳熱,高溫煙氣提供的能量被用于土壤升溫、水分蒸發(fā)和水對流。

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)。當水完全蒸發(fā)或者局部蒸氣壓小于頂部空氣蒸氣壓時,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。

由于存在毛細流動,水在土壤中發(fā)生遷移,遷移過程可以近似為擴散過程。水擴散系數(shù)可由土壤導(dǎo)水率和土水勢根據(jù)擴散理論方程[24-25]得出。

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

1.2 加熱單元的物理模型

本研究模擬原位燃氣熱脫附二次回流系統(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)生高溫煙氣,隨后流入第一個加熱井,加熱其周邊土壤后,煙氣再次流入第二個加熱井進行加熱,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。燃燒器高溫煙氣溫度設(shè)置為800 ℃。本模型中冷點目標溫度設(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分布情況、能量利用率與能耗,設(shè)計了5個案例(記為Case1～Case5,見表2)。不進行回流策略Case1作為對照,設(shè)置雙井熱脫附單元,兩口加熱井均由燃燒器供給高溫煙氣進行加熱,無煙氣回流。Case2則是采取煙氣二次回流策略,即高溫煙氣加熱土壤后產(chǎn)生的煙氣繼續(xù)通入第二個加熱井。調(diào)整影響半徑后煙氣二次回流策略分為3個案例,不同案例的區(qū)別在于兩個加熱井的影響半徑不同。

1.4 分析評價方法

為了定量對比分析不同策略下的溫度場分布情況,在a側(cè)和b側(cè)分別設(shè)12個溫度測點(見圖1),模擬12個點的溫度變化情況,通過比較12個點的溫度平均值變化情況來評價平均升溫效果,通過溫度標準差評價溫度分布的均勻性。

能量利用率是能源分析的一個重要性能指標,它由土壤最終使用的能量和輸入土壤的能量的比值來計算,考慮到高溫煙氣加熱土壤后流量與熱容基本不變,一次能量利用率(η1,%)按照式(1)進行計算:

(1)

式中:T′為高溫煙氣溫度,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)計算:

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 不進行回流時土壤的溫度分布情況

a點土壤溫度和出口煙氣溫度如圖2(a)所示,a點的升溫過程與實際過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢[27-29]相似。土壤升溫過程可劃分為3個階段:第一階段a點土壤由初始溫度升至水的沸點;第二階段a點土壤溫度穩(wěn)定在水的沸點;第三階段a點土壤溫度持續(xù)升溫并逐漸趨于穩(wěn)定。加熱340 h,a點達到了目標溫度;加熱460 h,a點土壤溫度基本維持在344 ℃。從出口煙氣溫度變化來看,初始800 ℃的高溫煙氣經(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)進行,煙氣溫度開始緩慢上升,當a點達到目標溫度時,出口煙氣溫度達到430 ℃,遠高于土壤目標溫度,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)溫度平均值和標準差如圖2(b)所示,加熱過程溫度平均值保持緩慢上升趨勢,未出現(xiàn)類似于a點溫度變化中第二階段明顯的平臺期。在279 h時,a點溫度仍維持在100 ℃,而a側(cè)溫度平均值已達到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離加熱井遷移并蒸發(fā),導(dǎo)致各點水分蒸發(fā)的時段有所不同。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,溫度標準差達到峰值,隨后逐漸降低,溫度場均勻性增加;加熱460 h后,溫度標準差基本穩(wěn)定,溫度場均勻性基本不再發(fā)生變化,但土壤內(nèi)部依然維持一定的溫度梯度。

2.2 進行二次回流時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點土壤不同階段的升溫速率均低于a點,b點趨于穩(wěn)定的溫度也低于a點(a點為344 ℃,b點為307 ℃)。煙氣溫度呈緩慢上升趨勢,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b側(cè)溫度平均值和標準差整體變化趨勢與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)溫度標準差的峰向右下移動,加熱502 h時,b側(cè)溫度標準差達到峰值。

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

2.3 調(diào)整影響半徑后進行二次回流時土壤的溫度分布情況

圖4(a)為Case3、Case4和Case5中冷點土壤溫度的模擬結(jié)果。隨著a側(cè)影響半徑的減小,a點土壤升溫過程加快,最終趨于穩(wěn)定時的溫度也升高。b點溫度變化呈現(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點達到目標溫度所需的時間不同。影響半徑相差40 cm的Case3中,a點在加熱480 h后達到目標溫度,b點則只需326 h,相差154 h。影響半徑相差10 cm的Case5中,a、b點達到目標溫度分別需要372、413 h,相差41 h。影響半徑相差16 cm的Case4中,a、b點達到目標溫度則分別需要383、400 h,僅相差17 h。實際工程中可以通過調(diào)整二次回流時兩個加熱井的影響半徑使冷點在相近時間達到目標溫度,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)),這是因為影響半徑越大,加熱的土壤體積越大,土壤吸收的熱量相對增多,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)溫度標準差逐漸升高,峰向左上方移動,溫度場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分布的不均勻性；而b側(cè)隨著影響半徑的增大,溫度標準差的峰向右方移動,溫度場分布的不均勻性變化相對較小(見圖4(d))。工程實踐中應(yīng)適當調(diào)整加熱井的影響半徑,以達到能量利用率與溫度場分布均勻性的平衡。

2.4 5個案例下的能量利用率與能耗比較

圖5顯示,加熱到土壤目標溫度時,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中高溫煙氣與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。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。

對比5個案例下的燃料消耗,加熱到土壤目標溫度時,Case1達到目標溫度時間為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%。進一步調(diào)整影響半徑后,從a、b側(cè)達到目標溫度的時間差來看,Case3的時間差最大,為154 h；Case4的時間差最小,為17 h。從加熱所需時間來看,同樣Case3所需的加熱時間最長,為480 h,Case4的加熱時間最短,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點升溫速率接近,提升整個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)達到目標溫度的時間差較大,加熱時間也較長,導(dǎo)致其實際上的能量消耗高于Case4。

3 結(jié) 語

當土壤冷點達到目標溫度(250 ℃)時,出口煙氣溫度達到430 ℃,遠高于目標溫度,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分布均勻性。高溫煙氣加熱井一側(cè)土壤冷點溫度和二次回流煙氣加熱井一側(cè)土壤冷點溫度的溫度差較大。

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