一种用于控制有机污染土壤热脱附系统尾气含氧量的方法及装置与流程

本发明涉及污染土壤处理技术领域，具体涉及一种用于有机污染土壤热脱附系统尾气含氧量的方法及装置。

背景技术：

我国目前存在大量pops、pcbs、石油烃类等有机污染场地，热脱附处理是广泛用于此类污染土壤无害化处理的一种技术，采用热脱附技术修复有机污染场地时，在热脱附设备内会产生大量易燃易爆的尾气，而传统热脱附设备为内热式，尾气与明火直接接触，因此必须严格控制热脱附设备内的氧含量使燃料充分燃烧，保证热脱附设备在无氧状态下加热土壤，否则会带来爆炸危险。

目前热脱附设备内氧含量一般与鼓风机进行连锁，主要依靠鼓风机频率变化来控制系统氧含量，但调节其他参数也可能引起氧含量变化，当系统氧含量变化较大时，如果没有其他气氛保护系统，依然存在爆炸危险。

但目前尚未见有能根据热脱附设备内氧含量变化自动补充氮气的气氛保护方法及装置的相关报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于有机污染土壤热脱附系统尾气含氧量的方法及装置，通过与安装在有机污染土壤热脱附系统内的氧含量分析仪建立联锁，能根据氧含量的变化自动向热脱附系统内补充氮气，为热脱附系统提供气氛保护，保证热脱附系统在无氧状态下加热土壤，降低爆炸风险。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明一种用于控制有机污染土壤热脱附系统尾气含氧量的方法，包括如下操作步骤：

1)空气净化预处理：将空气经空压机压缩后送入空气净化单元，通过空气净化单元对空气进行过滤、脱水、除油预处理后通入空气贮罐进行暂存；

2)制备氮气：将空气贮罐的空气通入两个可循环交替变换实现吸附与解吸过程的碳分子筛吸附塔，通过碳分子筛吸附塔连续将空气中的氮气分离出来，并将氮气输入氮气缓冲罐进行暂存，氮气缓冲罐通过氮气输出管路为有机污染土壤热脱附系统提供氮气保护；

3)在线补充氮气：在有机污染土壤热脱附系统中安装氧含量分析仪，氧含量分析仪与氮气缓冲罐的氮气输出管路之间建立联锁开关装置，并由plc控制系统根据氧含量分析仪的检测结果控制联锁开关装置的开关动作，当热脱附系统处理后的尾气经氧含量分析仪检测到含氧量高于2％时，就会触发联锁，打开联锁开关装置，使氮气输出管路为开通状态，氮气缓冲罐内的氮气则补充到热脱附系统内，当检测到含氧量低于2％，关闭联锁开关装置，停止补氮。

本发明所述空压机的空气压力在0.75～1.0mpa，经空气净化预处理后原料空气中的含水量露点≤-17℃，含油量≤5ppm，固体粒径≤0.01μm。

本发明用于控制有机污染土壤热脱附系统尾气含氧量的装置包括依次相接的空气净化预处理单元、制备氮气单元和在线补充氮气单元，制备氮气单元的氮气输出管路与有机污染土壤热脱附系统相连接，为有机污染土壤热脱附系统提供氮气保护。

所述空气净化预处理单元由依次相接并按气体走向排布的空压机、空气缓冲罐、空气净化单元、空气贮罐组成，所述空气净化单元由依次相接并按气体走向排布的c级过滤器、冷干机、a级过滤器、活性炭吸附塔构成；c级过滤器的入口端与空气缓冲罐连接，活性炭吸附塔的出口端与空气贮罐连接。

所述制备氮气单元包括两个并联连接的碳分子筛吸附塔，两个碳分子筛吸附塔的前端汇合管路与空气贮罐连接，后端汇合管路经h级过滤器与氮气缓冲罐连接，制备氮气单元由可编程序控制器控制两个碳分子筛吸附塔交替运行，实现交替吸附、解吸，进而连续将空气中的氮气分离出来，从而实现连续不断向氮气缓冲罐输送氮气。

所述两个碳分子筛吸附塔底部均设有排气管路，且排气管路设有消音器。

所述在线补充氮气单元包括联锁开关装置、氧含量分析仪，氧含量分析仪安装在有机污染土壤热脱附系统的尾气管路上，联锁开关装置与氧含量分析仪电性连接，并由plc控制系统控制联锁开关装置的开关动作，实现氮气在线补充至有机污染土壤热脱附系统内。

所述氮气缓冲罐的进口端管路上设有单向节流阀，出口端管路上设有由前至后依次相接的柱塞阀、调压阀、流量计和氮气分析仪。

所述空压机为螺杆式空压机，并且设置两台，两台空压机均可独立控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过与安装在热脱附处理系统内的氧含量分析仪建立联锁，在热脱附系统内氧含量波动较大时自动补充氮气，为其提供气氛保护，可在一定程度上提高热脱附处理系统的安全防护等级，降低爆炸风险。

(2)本发明使用两组并联的吸附塔，并通过可编程控制器控制电磁气动阀使两组吸附塔自动交替进行加压吸附和解压再生，完成氮氧分离，实现连续不断获得所需不同纯度的氮气。

附图说明

图1是本发明用于控制有机污染土壤热脱附系统尾气含氧量的方法的工艺流程图。

图2是本发明用于控制有机污染土壤热脱附系统尾气含氧量的装置的结构示意图。

图中：空压机1，空气缓冲罐2，c级过滤器301，冷干机302，a级过滤器303，活性炭吸附塔304，空气贮罐4，碳分子筛吸附塔5-a，碳分子筛吸附塔5-b，可编程序控制器501，消音器502，h级过滤器6，氮气缓冲罐7，流量计701，氮气分析仪702，联锁开关装置8，氧含量分析仪9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明用于控制有机污染土壤热脱附系统尾气含氧量的方法，包括如下操作步骤：

1)空气净化预处理：环境空气经空压机压缩后送入空气净化单元，在空气净化单元中对原料空气进行过滤、脱水、除油等预处理，控制空压机的空气压力0.75～1.0mpa，经空气净化预处理后原料空气中的含水量露点≤-17℃；含油量≤5ppm；固体粒径≤0.01μm，经过净化预处理后的空气通入空气贮罐进行暂存。这是保证后续变压吸附制备氮气单元正常运行的前提。

2)变压吸附制备氮气：将步骤1的净化预处理后的空气通入碳分子筛吸附塔，利用碳分子筛吸附塔内的碳分子筛吸附剂在不同压力下有不同的吸附容量，并且在一定压力下对被分离的气体混合物各组分有选择吸附的特性，加压吸附除去空气中的杂质组分，减压脱出这些杂质而使吸附剂获得再生，通常吸附时空气的压力(正常为0.7～0.8mpa)应控制在适宜的压力范围内，以得到较佳的吸附效果。碳分子筛吸附塔运用了变压吸附的原理，使充满微孔的碳分子筛吸附剂对气体分子有选择性的吸附，从而获得纯度为98～99.99％的氮气。本发明采用两个并联设置的碳分子筛吸附塔，并通过配套的电磁气动阀控制两个碳分子筛吸附塔内压力的循环交替变化实现吸附与解吸过程，从而达到连续将氧气和氮气从空气中分离的目的，并将形成的氮气连续不断向氮气缓冲罐输送，由于氮气缓冲罐具有一定的容量，可以保证为热脱附系统提供连续输出稳定的氮气。

3)在线补充氮气：将氧含量分析仪安装在热脱附系统内，氧含量分析仪与氮气缓冲罐的氮气输出管路之间建立联锁开关装置，该联锁开关装置为气动阀，气动阀与氧含量分析仪之间形成电性连接，并由plc控制系统根据氧含量分析仪的检测结果控制气动阀的开关动作。当热脱附系统的尾气经氧含量分析仪检测到含氧量高于2％时，plc控制系统就会控制气动阀的阀门打开，使氮气缓冲罐内的氮气补充到热脱附系统内，直至氧含量低于2％时，控制气动阀的阀门关闭，停止补氮。

如图2所示，实施上述方法可采用如图2所示的装置，该装置包括依次相接的空气净化预处理单元、制备氮气单元和在线补充氮气单元。

所述空气净化预处理单元由依次相连接并按气体走向排布的空压机1、空气缓冲罐2、空气净化单元、空气贮罐4组成，所述空气净化单元由依次相接并按气体走向排布的c级过滤器301、冷干机302(即冷却式干燥机)、a级过滤器303、活性炭吸附塔304构成；c级过滤器301的入口端与空气缓冲罐2相连接，活性炭吸附塔304的出口端与空气贮罐4连接。

所述空压机1可采用螺杆式空气压缩机，并且设置两组，两组空压机1以并联方式连接，第一组空压机和第二组空压机的输出端分别连接可独立控制的球阀v1和球阀v2，通过上述两个球阀v1、v2控制进入空气缓冲罐2的气量。

所述c级过滤器301、冷干机302、a级过滤器303也可设置多组，每组的c级过滤器301、冷干机302和a级过滤器303串接连接，且均由c级过滤器301连接空气缓冲罐2，a级过滤器303均与活性炭吸附塔304相连接。根据变压吸附制备氮气单元所需空气量大小，两组并联设置的设备可同时开启，也可一用一备。

所述制备氮气单元包括碳分子筛吸附塔5-a和碳分子筛吸附塔5-b，碳分子筛吸附塔5-a和碳分子筛吸附塔5-b以并联方式连接，两个碳分子筛吸附塔的前端汇合管路与空气贮罐4连接，后端汇合管路经h级过滤器6与氮气缓冲罐7连接，制备氮气单元由可编程序控制器501控制两个碳分子筛吸附塔交替运行，实现交替吸附、解吸，进而连续将空气中的氮气分离出来，从而实现连续不断向氮气缓冲罐7输送氮气，而氮气缓冲罐7又向热脱附处理系统提供氮气的气氛保护。

所述碳分子筛吸附塔5-a和碳分子筛吸附塔5-b的前端汇合管路上安装有柱塞阀v3和电磁气动阀y1，碳分子筛吸附塔5-a的入口管路上和碳分子筛吸附塔5-b的入口管路上分别安装有独立控制的电磁气动阀y2和电磁气动阀y3，且两条入口管路之间连接有一条相连通的管道，该管道上安装有电磁气动阀y4和电磁气动阀y5；碳分子筛吸附塔5-a的出口管路上和碳分子筛吸附塔5-b的出口管路上分别安装有独立控制的电磁气动阀y6和电磁气动阀y7，且两条出口管路之间连接有一条相连通的管道，该管道上安装有针形阀v4；两个碳分子筛吸附塔的后端汇合管路上安装有电磁气动阀y8；氮气缓冲罐7的入口端安装有单向节流阀v5，出口端连接氮气输出管路。

本发明所述的两个碳分子筛吸附塔依靠可编程序控制器501来控制上述电磁气动阀的动作顺序实现交替吸附、解吸，进而连续不断向氮气缓冲罐输送氮气。

具体控制过程如下：

由空气净化预处理单元送来的干净压缩空气，先通过柱塞阀v3手动调节进气的流速，后经电磁气动阀y1、y2由碳分子筛吸附塔5-a下部进入塔体，经吸附塔中碳分子筛床层吸附，并逐步向上推进，在此过程中，空气中的氧分子被吸附在碳分子筛微孔中，大量氮气及少量氧气由塔上部流出，再经电磁气动阀y6、y8以及单向节流阀v4进入氮气缓冲罐7，此过程即为5-a塔的吸附制氮。与此同时，碳分子筛吸附塔5-b中吸附的氧分子经电磁气动阀y5和消声器10排空，即5-b塔解吸脱氧。从而实现两塔交替进行工作连续供氮。当5-a塔工作一段时间，吸附塔中碳分子筛对氧的吸附接近饱和时，则该塔及时停止吸附。此时电磁气动阀y1、y4、y5、y8均处于关闭状态，而电磁气动阀y2、y3、y6、y7同时处于开启状态，实行5-a塔和5-b塔两吸附塔均压，均压的作用是把5-a塔外气相中的气体(此气体含氧量少)转移至5-b塔再利用，均压时间一般为1～2秒，均压后即切换进入5-b塔吸附，5-a塔解吸状态。此时压缩空气经电磁气动阀y1、y3进入5-b吸附塔下部。经5-b吸附塔中碳分子筛床层吸附。分离出来的氮气经电磁气动阀y7、y8、v3进入氮气贮罐7，即5-b吸附塔吸附制氮。为将解吸后吸附塔内的剩余氧气彻底从吸附塔释放到空气中，即清扫干净，从吸附工作的吸附塔塔顶分流出一部分氮气，正常流量为产氮量的8.5％～10％，经针形阀v4控制后进入解吸的吸附塔内进行吹扫，加快氧气向吸附塔外部的扩散速度，直至下一个循环。从而实现两个碳分子筛吸附塔交替吸附、解吸，即形成连续不断向氮气缓冲罐7输送氮气。

所述在线补充氮气单元包括柱塞阀v6、调压阀v7、流量计701和氮气分析仪702、联锁开关装置8和氧含量分析仪9，氧含量分析仪9安装在有机污染土壤热脱附系统的尾气管路上，柱塞阀v6、调压阀v7、流量计701和氮气分析仪702和联锁开关装置8由前至后依次安装在气缓冲罐7的氮气输出管路上，联锁开关装置8与氧含量分析仪9电性连接，并由plc控制系统根据氧含量分析仪的检测结果控制联锁开关装置8的开关动作，实现氮气在线自动补充至热脱附系统中。

本发明所述的氧含量分析仪7用于检测热脱附尾气中含氧量，所测含氧量数值可从plc控制系统远程显示、报警和记录。

本发明所述的空气缓冲罐2设置有压力测试点p1，两个碳分子筛吸附塔5上分别设置压力测试点p4和压力测试点p3，氮气缓冲罐7上设置有压力测试点p5，空气贮罐4与碳分子筛吸附塔5之间的管路上设置有压力测试点p2。

本发明所述的两个碳分子筛吸附塔5底部的连接管路上设有消音器502。

本发明所述的空气缓冲罐2和空气贮罐4均配有排污阀门，便于排污工作。

本发明所述的c级过滤器、a级过滤器、h级过滤器均带有油水回收装置。

本发明装置的工作过程如下：

空压机以环境空气为原料获得压缩供气，主要功能是提供足够的气量和相对恒定的供气压力(0.75～0.85mpa)，是保证系统正常工作的必备条件之一，由空压机1出来的压缩空气进入空气缓冲罐2暂存，它主要功能是为了控制空压机1的超负荷运行和防止原料空气的压力波动，也有沉积压缩空气中的部分油和水的作用。压缩空气通过空气缓冲罐2送入空气净化单元，在空气净化单元中对原料空气进行过滤、脱水、除油等预处理，冷干机302主要功能是除水，以确保经冷干机干燥处理后的压缩空气的含水量达标。c级过滤器301、a级过滤器303、活性炭吸附塔304是空气源净化处理过程中为达到除水、除油、除固态粒子，使进入碳分子筛吸附塔5的空气源质量达到标准所必须的配套的设备，各级的作用不同，c级过滤器301的过滤处理精度为3μ，主要功能是初级过滤油水；a级过滤器303的处理精度为0.01μ，主要功能是微量除油；活性炭吸附塔304的主要功能是进一步去除油水。经过净化处理后的空气源进入空气贮罐4暂存。空气贮罐4的主要功能是为后续变压吸附制备氮气单元提供连续稳定的洁净空气，确保变压吸附制备氮气单元可以连续稳定工作，变压吸附制备氮气单元有两个并联设置的碳分子筛吸附塔5，主要功能是依靠可编程序控制器来控制电磁气动阀y1-y8的动作顺序，可使两塔交替吸附、解吸，保证系统连续不断制取一定纯度的氮气，碳分子筛吸附塔5出来的氮气经过h级过滤器(处理精度0.001μ)的进一步净化后输送至氮气缓冲罐7，氮气缓冲罐7具有一定的容量，主要功能是贮存氮气。当热脱附系统处理后的尾气经氧含量分析仪9检测到含氧量高于2％时，联锁开关装置8会自动打开，氮气缓冲罐7中的氮气在经过柱塞阀v6、调压阀v7、和流量计701及氮气分析仪702后可连续稳定地向热脱附系统内补充，以确保热脱附系统内氧含量满足系统安全要求。

以下是本发明的应用实例：

实例一：

以某油田的落地油泥为对象进行热脱附处理，在热脱附设备内依靠燃烧天然气直接加热油泥，控制油泥在热脱附设备的温度范围为300-500℃，停留时间为18min，天然气燃烧所需空气依靠鼓风机提供，当通过比例阀控制天然气与空气的比例(体积比)为1：10时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为1.70％，现场和plc系统均未报警，当调节天然气与空气的比例(体积比)为1：10.5时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为1.85％，现场和plc系统均报警，当调节天然气与空气的比例(体积比)为1：12时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为2.3％，触发联锁开关装置打开，使氮气缓冲罐内的氮气补充到热脱附设备内，直至氧含量低于2％，联锁开关装置关闭，停止补氮。

实例二：

以某油田的罐底油泥为对象进行热脱附处理，在热脱附设备内依靠燃烧天然气直接加热油泥，控制油泥在热脱附设备的温度范围为300-500℃，停留时间为20min，天然气燃烧所需空气依靠鼓风机提供，当通过比例阀控制天然气与空气的比例(体积比)为1：9.5时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为1.60％，现场和plc系统均未报警，当调节天然气与空气的比例(体积比)为1：11时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为1.90％，现场和plc系统均报警，当调节天然气与空气的比例(体积比)为1：12.5时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为2.5％，触发联锁开关装置打开，使氮气缓冲罐内的氮气补充到热脱附设备内，直至氧含量低于2％，联锁开关装置关闭，停止补氮。

实例三：

以某油田的油泥砂为对象进行热脱附处理，在热脱附设备内依靠燃烧天然气直接加热油泥，控制油泥在热脱附设备的温度范围为300-500℃，停留时间为20min，天然气燃烧所需空气依靠鼓风机提供，当通过比例阀控制天然气与空气的比例(体积比)为1：9.0时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为1.50％，现场和plc系统均未报警，当调节天然气与空气的比例(体积比)为1：11.5时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为1.95％，现场和plc系统均报警，当调节天然气与空气的比例(体积比)为1：13时，测氧仪显示热脱附设备内氧含量为2.7％，触发联锁开关装置打开，使氮气缓冲罐内的氮气补充到热脱附设备内，直至氧含量低于2％，联锁开关装置关闭，停止补氮。