專利名稱：排除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種就地?zé)峤馕耘懦?remediation)揮發(fā)性污染物的方法。
背景技術(shù)：
例如在美國(guó)專利4973811、5076727、5152341、5190405、5193934、5221827和5271693中建議使用熱解吸方法就地從土壤中除去揮發(fā)性污染物。加熱方法包括微波和射頻電能以及在電極之間的電阻加熱；注入熱氣體和通過(guò)土壤傳導(dǎo)電流。例如在美國(guó)專利5190405和5271693中建議從熱注射井轉(zhuǎn)移傳導(dǎo)熱。美國(guó)專利5271693建議了一加熱器井，經(jīng)過(guò)它蒸汽被從巖層中提取出來(lái)。
這些方法通常依賴在表面或在蒸汽提取井眼處維持低壓，以控制污染物從其最初位置移到他們可以得到回收的地方。由于需要相當(dāng)大的壓差，使得大量蒸汽從土壤中溢出，因此通過(guò)這些方法僅僅能提供低的加熱速率，或者在存在經(jīng)蒸發(fā)的污染物的地方產(chǎn)生壓力并足以使經(jīng)蒸發(fā)的污染物從最初污染土壤中離開，而不是準(zhǔn)備除去污染物的方向。因此本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)就地加熱從污染土壤中除去污染物的方法，其中經(jīng)蒸發(fā)的污染物不沿污染土壤向下移動(dòng)。
發(fā)明簡(jiǎn)述通過(guò)從受污染的土壤中除去揮發(fā)性液體污染物的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)本目的和其它目的，該污染土壤位于未受污染土壤層的上面，該方法包括以下步驟給污染的土壤鉆至少一個(gè)井眼，以便井眼穿透污染土壤，而且至少一個(gè)井眼鉆入非污染層；從非污染層內(nèi)井眼向非污染層加熱，直到與污染層接近的非污染層的大部分溫度至少為污染液的沸點(diǎn)溫度；從污染土壤內(nèi)井眼向污染土壤加熱，其中，在與污染層接近的大部分非污染層的溫度在污染液的沸點(diǎn)附近之后，污染土壤的溫度上升到污染液的沸點(diǎn)。
井眼最好垂直鉆入污染土壤并穿過(guò)以準(zhǔn)備通過(guò)井眼除去污染土壤內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽。令人吃驚地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將位于污染土壤下面的土壤層加熱以防止污染土壤下面的污染物冷凝時(shí)，污染土壤中的污染物蒸發(fā)時(shí)，他們不向下移動(dòng)，而是被推向表面或穿過(guò)井眼回收。優(yōu)選實(shí)施方式本發(fā)明針對(duì)在熱排除方法中蒸發(fā)的污染物的抑制問(wèn)題。已發(fā)現(xiàn)在待凈化的土壤溫度上升到污染土壤中液體沸點(diǎn)附近之前，加熱污染物下的土壤層可以有效地阻滯蒸汽向下移動(dòng)。
可以通過(guò)本發(fā)明的方法從污染土壤中除去的揮發(fā)性污染物為各種污染物。通常認(rèn)為具有揮發(fā)性的污染物例如汽油，可以通過(guò)本發(fā)明除去，但是更重的碳?xì)浠衔锖透叻悬c(diǎn)的物質(zhì)也可能具有揮發(fā)性并能通過(guò)本發(fā)明除去。例如，制造氣體的工廠產(chǎn)生的多氯化聯(lián)苯(“PCBs”)、汞和重油可以通過(guò)本發(fā)明以蒸汽除去。即使溫度沒有達(dá)到這些物質(zhì)的正常沸點(diǎn)的地方，也將產(chǎn)生水蒸氣，甚至污染物的有限蒸汽壓將使得用足量的蒸汽就能除去污染物。
本發(fā)明的井眼可以是例如用于石油工業(yè)的裝有套管和滲碳井眼，但是這類精工制作的井眼在大多數(shù)應(yīng)用中不能調(diào)整。可以提供一個(gè)淺的套管以確保清潔覆蓋層不被從巖層中除去的蒸汽污染。當(dāng)將井眼套裝到井眼底部時(shí)，根據(jù)石油工業(yè)中公知的方法可以將它鉆入。井眼可以是垂直、水平或垂直與水平之間的角度。
可以通過(guò)從井眼傳導(dǎo)向污染土壤施加熱量，優(yōu)選向污染土壤下面的未受污染的土壤層加熱。用于加熱井眼以將熱量傳導(dǎo)到巖層中的井眼加熱器為已知。例如，在美國(guó)專利2902270和3181613中指出的氣體火焰井眼加熱器，加入本文作為參考。例如在美國(guó)專利5060287中公開了電井眼加熱器，加入本文作為參考。優(yōu)選氣體火焰井眼加熱器公開在例如美國(guó)專利5255742中，加入本文作為參考。
通過(guò)傳導(dǎo)向污染土壤加熱，優(yōu)選從同時(shí)作為從井眼除去含污染物蒸汽的吸氣源的井眼加熱。在本優(yōu)選實(shí)施方式中，蒸發(fā)的污染物因此從巖層直接轉(zhuǎn)移到井眼回收，他們不可能轉(zhuǎn)移到污染物可能冷凝的更冷土壤中，使發(fā)生冷凝的地方的污染物濃度增加。
可以選擇性地通過(guò)注入熱流體例如蒸汽、燃燒氣體或已受熱的氮?dú)饧訜岱俏廴緦印?br> 當(dāng)向土壤加熱時(shí)，通常沒有什么發(fā)生，直到受熱產(chǎn)生蒸汽。如果污染物為輕揮發(fā)性組分(正常沸點(diǎn)低于水的沸點(diǎn))例如汽油，最初產(chǎn)生的蒸汽所含污染物的濃度相當(dāng)高。由于較重污染物在蒸汽中的蒸汽壓，因此較重污染物隨土壤中存在的水所產(chǎn)生的蒸汽蒸發(fā)。在污染土壤中保持的壓力越低，重污染物在蒸汽中的濃度越高，因此，注射以蒸發(fā)污染物所需熱量越少。如果污染物不能與水混合，那么在那部分土壤的壓力下在約水的沸點(diǎn)處產(chǎn)生蒸汽?？梢栽诜俏廴緦訙囟鹊竭_(dá)污染液沸點(diǎn)之前使污染土壤受熱，但是在未受污染的土壤層到達(dá)該溫度之前為了防止污染物蒸發(fā)(和因此移動(dòng))，污染土壤的溫度應(yīng)保持低于污染區(qū)域處液體的沸點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的井可以是水平或垂直井。垂直井最好延伸穿過(guò)污染土壤并進(jìn)入污染土壤下面的非污染層。根據(jù)井之間的距離選擇污染土壤下面的深度。典型地，井之間距離的約三分之一左右將在污染物下提供足夠的井眼，以向非污染層提供熱注射。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，井裝有一導(dǎo)管以從巖層移去蒸發(fā)物質(zhì)，并作為加熱器的位置。在套管內(nèi)最好保持負(fù)壓以從土壤中抽出污染物?？梢栽诿總€(gè)套管中配備兩個(gè)加熱器元件，一個(gè)在污染土壤內(nèi)，一個(gè)在污染土壤下面的層中。加熱器元件可以通過(guò)污染土壤提供熱量并可以選擇性地延伸到污染土壤下面的非污染層中。選擇性地，第二個(gè)加熱器元件可以在污染土壤下面的部分井眼中提供熱量。如果將加熱器元件設(shè)計(jì)成能在污染土壤下面提供更大的熱放出(典型地每單位長(zhǎng)度約多50％熱量)，以便在污染土壤到達(dá)污染土壤下面層中液體沸點(diǎn)之前，污染土壤的溫度到達(dá)該溫度附近，那么可以配備一個(gè)加熱器元件。這可以通過(guò)提供具有不同單元直徑的加熱器元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，可以使用鎳鉻線加熱元件，該元件在污染區(qū)域的直徑為0.32cm，在非污染區(qū)域直徑為0.26cm。由于在整個(gè)去除過(guò)程中存在熱流差異使能量無(wú)效，并且由于套管溫度的限制可能相當(dāng)大地限制熱流進(jìn)入污染區(qū)域，因此加熱器最好彼此獨(dú)立。并且，當(dāng)使用獨(dú)立的加熱器時(shí)，在污染區(qū)域下面的層中的加熱器可以首先打開，然后關(guān)閉，至少一部分時(shí)間使用另一加熱器以減少能量消耗。在覆蓋層下套管可以絕緣，或者可以配備其它加熱器以確保蒸汽中的污染物不在套管中冷凝。
現(xiàn)在討論電阻加熱器，但是也可以使用其它類型的加熱器。電加熱器可以方便地控制，而且由于他們?cè)谔坠苤胁恍枰骶€，留出更多空間讓污染土壤中的蒸汽流動(dòng)。
配備以鉆入熱量并除去蒸汽的其它井眼優(yōu)選圍繞污染土壤安裝在土壤中，以確保污染物不從最初污染土壤移走。
在覆蓋層下面顯示的是污染土壤，但是如果將土壤加熱到表面，那么可以在表面上提供絕緣。而且，如果污染土壤延伸到表面附近，可能帶來(lái)的好處是在表面上提供一蒸汽密封層以防止大量空氣被帶入污染土壤，并防止污染蒸汽進(jìn)入大氣。如果污染土壤延伸到表面，表面加熱器可以從表面施加熱量。
蒸汽最好通過(guò)延伸到污染土壤中的井眼去除，然后這些蒸汽可以經(jīng)過(guò)處理以通過(guò)本領(lǐng)域已知的方法除去污染物。例如，熱氧化劑可以使污染物氧化，然后剩下的蒸汽可以通過(guò)碳床以收集剩余的污染物和/或污染物的氧化產(chǎn)物。通常安裝一鼓風(fēng)機(jī)以在井眼和巖層中保持一低的絕對(duì)壓力。由于較低壓力降低了污染土壤中水和污染物蒸發(fā)時(shí)的溫度，因此較低壓力是有好處的。負(fù)壓也防止了蒸汽進(jìn)入大氣中。
加熱器和吸氣井的布局最好能夠給污染土壤提供均勻的熱量，并減少完成排除污染土壤所需的時(shí)間?？梢赃m宜地安裝成三角形或正方形布局。在正方形或三角形布局中井之間的距離可以是例如0.9-6m。由于通過(guò)傳導(dǎo)經(jīng)過(guò)土壤的熱傳遞相對(duì)慢，因此優(yōu)選相對(duì)緊湊的間距。
在相似方式中，如果未受污染的土壤層位于污染土壤上面，可以將額外的熱量施加到污染土壤上面以及下面。該額外熱量可以由獨(dú)立加熱器施加，或者由經(jīng)設(shè)計(jì)以在污染土壤上面的未受污染的土壤層中提供更大熱放出的加熱元件施加。
加熱器-吸氣井的布局優(yōu)選延伸通過(guò)污染土壤外周。與污染土壤下面的層相同，在將污染土壤加熱到污染土壤中液體的沸點(diǎn)之上以前，最好將圍繞污染土壤外圍的該環(huán)加熱到該環(huán)中液體的沸點(diǎn)附近?；蛘?，污物可以側(cè)向被例如敲入地下的金屬殼的阻擋層或水泥阻擋層或倒入窄溝中的泥漿包含。
實(shí)施例從污染土壤下面加熱污染土壤的重要性在沙層填充玻璃柱中得到證實(shí)，在干凈底層中裝載濕砂子，底部含不同量的冬青油(水楊酸甲酯)以模擬例如PCB的污染物。水楊酸甲酯的密度大于水的密度，因此傾向通過(guò)水下沉。該裝置內(nèi)徑為7.6cm，玻璃柱長(zhǎng)91.5cm。在頂部可以抽真空。為了除去經(jīng)蒸發(fā)的冬青油，在柱的頂部保持輕度真空(約2.54cm水柱)。在玻璃外圍通過(guò)纏線柔性加熱器施加熱量，纏線厚3.2cm，與加熱器四周絕緣。所用加熱器為17歐姆電阻加熱器，寬43cm，長(zhǎng)30.5cm，可以從Minco Products Inc.，of Houston，Texas，USA獲得。一個(gè)加熱器纏繞在含冬青油的截面周圍，另一加熱器纏繞在柱底截面周圍。在本發(fā)明的實(shí)施例中，首先打開底部加熱器，在干凈砂子溫度達(dá)到冬青油沸點(diǎn)之后打開頂部加熱器。在對(duì)比實(shí)施例C1-C3中，不使用底部加熱器。在每一實(shí)施例中，干凈砂子放在玻璃柱的底部，砂子另一部分與冬青油混合并放在干凈砂子的上部。連續(xù)加熱直到砂子溫度達(dá)到約250℃，然后冷卻該柱，測(cè)定在頂部和底部的砂子中冬青油的濃度。
表中概括了實(shí)施例1-10和對(duì)比實(shí)施例C1-C3的結(jié)果。最初油含量為在柱上部20cm處冬青油的重量百分比。最終頂部油的濃度是將頂部截面加熱到約250℃并經(jīng)冷卻之后柱頂部截面樣品的油含量。柱底部最終油含量為柱經(jīng)過(guò)加熱和冷卻之后在柱底部截面發(fā)現(xiàn)的最大油濃度。
在每次操作中，柱內(nèi)溫度穩(wěn)定上升直到達(dá)到水的沸點(diǎn)，然后保持恒溫直到水蒸發(fā)掉。然后再次穩(wěn)定升溫直到達(dá)到冬青油的沸點(diǎn)，然后保持恒溫直到冬青油基本上都蒸發(fā)掉，然后再升溫。表
在對(duì)比實(shí)施例C1、C2和C3中，在頂部截面最初油濃度越高，冷凝到較低干凈砂子中的污染物就越多。在首先加熱底部截面的這些實(shí)施例中(實(shí)施例1、2和3)，事實(shí)上在較低干凈砂子中沒有油冷凝。
權(quán)利要求
1.一種從污染土壤除去揮發(fā)性液體污染物的方法，污染土壤位于未受污染的土壤層上面，該方法包括以下步驟給污染土壤鉆至少一個(gè)井眼，以便井眼鉆入污染土壤，并且至少將一個(gè)井眼鉆入非污染層；從非污染層內(nèi)的井眼向非污染層施加熱量，直到與污染層接近的大部分非污染層的溫度至少為污染液的沸點(diǎn)溫度；和從污染土壤內(nèi)的井眼向污染土壤施加熱量，其中在與污染層接近的地方非污染層的溫度在污染液的沸點(diǎn)附近之后，污染土壤的溫度上升到污染液的沸點(diǎn)。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括通過(guò)至少一個(gè)吸氣井眼從污染土壤除去蒸發(fā)后的污染物，其中在吸氣井眼中保持負(fù)壓。
3.權(quán)利要求2的方法，其中吸氣井眼也是將熱量施加到污染土壤的井眼。
4.權(quán)利要求1的方法，其中至少一個(gè)井眼鉆入污染土壤并從污染土壤延伸到非污染層。
5.權(quán)利要求3的方法，其中提供吸氣-加熱器井眼布局。
6.權(quán)利要求5的方法，其中布局中的井眼間隔約0.9-約6m。
7.權(quán)利要求1的方法，其中至少一個(gè)鉆入非污染層的井眼為基本上水平的井眼。
8.權(quán)利要求1的方法，其中至少一個(gè)鉆入非污染層的井眼為基本上垂直且也鉆入污染土壤的井眼。
9.權(quán)利要求1的方法，其中從非污染層內(nèi)井眼向非污染層施加熱量。
10.權(quán)利要求1的方法，其中非污染土壤位于未受污染的土壤下面，還包括在將污染土壤加熱到污染液正常沸點(diǎn)之前，將污染土壤上面的未受污染的土壤的溫度加熱到污染液正常沸點(diǎn)之上。
11.權(quán)利要求8的方法，其中從電加熱元件向污染土壤和非污染層施加熱量，該電加熱元件通過(guò)污染土壤內(nèi)的井眼延伸并進(jìn)入非污染層的井眼中，電加熱元件是在污染土壤內(nèi)直徑比非污染層內(nèi)大的金屬線。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種從污染土壤除去揮發(fā)性液污染物的方法,該污染土壤位于未受污染的土壤層上面,該方法包括以下步驟:加熱非污染層直到接近污染層的大部分非污染層的溫度至少為污染液的沸點(diǎn)溫度,以防止蒸發(fā)后的污染物從土壤污染層向下移動(dòng)。
文檔編號(hào)E02D3/11GK1259062SQ98805738
公開日2000年7月5日 申請(qǐng)日期1998年6月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月5日
發(fā)明者E·德路夫菲納克, H·J·威尼加 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司