一种土壤原位热修复沙箱模拟系统及方法与流程

本发明涉及土壤污染修复技术领域，特别是涉及一种土壤原位热修复沙箱模拟系统及方法。

背景技术：

当前我国土壤环境污染问题日渐突出，尤其在重工业发展地区污染较为严重。土壤污染具有明显的隐蔽性、滞后性、潜伏性和非均质性，因此，土壤修复技术难度大、修复周期长、所需成本高。土壤原位热修复又称原位热强化气相抽提技术，是一项污染场地修复的先进技术。土壤原位热修复的主要原理是利用加热设备在污染场地中加热土壤温度，在相对较高温度下将土壤中污染物通过高温蒸发、燃烧或氧化等形成气态物质，从土壤中抽提出来，将尾气收集后进行处理，从而达到高效修复污染土壤目的。

目前的土壤热修复装置不能针对土壤在传热过程中的温度场分布和变化进行观测和控制，由于实际污染场地存在土壤类型、地质、含水层和含水量等土壤理化性质差异，以及场地内土壤中不同污染物的浓度、分布等状况存在，不同场地应用原位热修复的相关技术参数存在一定的差异性，导致土壤修复效果不佳。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种土壤原位热修复沙箱模拟系统及方法，具有能够控制土壤传热过程中的温度场分布和变化，提高土壤修复效果的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种土壤原位热修复沙箱模拟系统，包括：

沙箱，用于盛放土壤；

加热装置，所述加热装置在加热前插在所述沙箱中的土壤内，用于加热所述土壤；

多个温度采集装置，多个所述温度采集装置在加热前分别插在土壤内的不同位置，用于采集所述土壤不同位置的温度；

温度控制装置，所述温度控制装置包括调功器和温度控制器；所述调功器输入端与所述温度控制器输出端连接，所述调功器输出端与所述加热装置电连接；所述温度控制器输入端与所述温度采集装置电连接；所述温度控制装置用于根据所述多个温度采集装置采集的土壤温度值，控制所述调功器调节所述加热装置的功率；

尾气处理装置，与所述沙箱连接，用于处理所述沙箱内形成的气态物质。

可选的，所述温度控制装置，还包括：电源、空气开关、电度表、变压器、第一熔断器、交流接触器和第二熔断器；所述第二熔断器一端与所述加热装置电连接，另一端与所述调功器电连接；所述交流接触器一端与所述调功器电连接，另一端与所述第一熔断器的一端连接；所述第一熔断器的另一端与所述变压器的低压侧连接，所述变压器的高压侧与所述电度表的一端连接；所述电度表的另一端与所述空气开关的一端连接；所述空气开关的另一端与所述电源连接。

可选的，所述加热装置包括：多个加热丝、法兰盘和多个钢管；所述加热丝设置在所述钢管内，所述加热丝个数与所述钢管个数相同；所述钢管的固定端固定设置在所述法兰盘的通孔内，所述钢管的加热端在加热前放置在所述沙箱中的土壤内；所述加热丝的加热温度为0-1400℃。

可选的，所述温度采集装置包括：温度传感器和温度显示装置；所述温度传感器一端在加热前插在土壤内，另一端与所述温度显示装置电连接。

可选的，尾气处理装置包括：冷凝装置、尾气处理装置和真空泵；所述冷凝装置第一端口与所述沙箱顶部端口通过第一管路连接；所述冷凝装置第二端口与所述尾气处理装置通过第二管路连接；所述真空泵与所述尾气处理装置连接；所述冷凝装置用于冷凝所述沙箱内形成的气态物质；所述尾气处理装置用于处理冷凝后的剩余的气态物质；所述真空泵用于抽取所述沙箱内形成的气态物质。

可选的，所述土壤原位热修复沙箱模拟系统，还包括：保温层；所述保温层设置在所述沙箱外壁；所述保温层材质为岩棉、玻璃纤维棉、硅酸铝纤维棉、纳米气凝胶棉的一种或几种；所述保温层的厚度为10-200mm。

可选的，所述沙箱的材质为不锈钢、碳钢或水泥混凝土材质中的一种；不锈钢材质的厚度为1-12mm；碳钢材质的厚度为1-12mm；水泥混凝土材质的厚度为100-500mm。

可选的，所述温度显示装置为数显热电偶温度计或数显温度控制仪；所述温度传感器为热电偶，所述热电偶的外径为1-5mm。

可选的，所述冷凝装置为冷凝罐；所述冷凝罐的材质为耐高温玻璃或不锈钢；所述尾气处理装置内设置活性炭粉、活性炭颗粒、活性炭包和活性炭网中的一种或多种。

本发明还提供一种土壤原位热修复沙箱模拟方法，应用于上述土壤原位热修复沙箱模拟系统，包括：

将沙箱内的空间划分为多个区域，在每一个所述区域内填充相同土质条件的土壤；

将加热装置分别放置于不同区域的土壤中；所述加热装置的个数大于或等于划分区域的个数；

在所述每一区域不同深度的土壤中插入温度采集装置；

调功器获取温度控制装置预设的温度值，调功器根据所述预设的温度值调节所述加热装置的功率；

所述温度控制装置获取每一区域的所述温度采集装置采集的土壤温度值；

所述温度控制装置计算每个区域内土壤温度值的平均值，得到各区域的区域温度平均值；

所述温度控制装置计算各区域的区域温度平均值的平均值，得到所述沙箱内土壤温度值；

所述温度控制装置将各区域的区域温度平均值与所述沙箱内土壤温度值进行作差处理，得到各区域温度差值；若各区域的温度差值均小于阈值，所述调功器保持所述加热装置的功率不变；否则，所述调功器调节区域温度平均值小于所述沙箱内土壤温度值的区域内的加热装置的功率增大，同时所述调功器保持区域温度平均值大于所述沙箱内土壤温度值的区域内的加热装置的功率不变，并返回步骤“所述温度控制装置获取每一区域的温度采集装置采集的土壤温度值”。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种土壤原位热修复沙箱模拟系统及方法，通过在沙箱中的土壤内设置加热装置，温度采集装置采集土壤不同位置的温度，温度控制装置根据温度采集装置采集的土壤温度值控制调功器调节加热装置的功率，能够直观了解在不同加热阶段时，土壤的传热情况，控制土壤传热过程中的温度场分布和变化，有利于帮助指导实际工程场地的加热器的空间分布情况。通过调功器自动调节加热装置的加热功率，实现较低土壤温度下增加加热器功率，使土壤温度较快上升；在较高土壤温度下，使土壤温度缓慢上升，有利于最大程度地使同一区域内不同性质和类型的土壤可同步达到相对均匀的土壤温度场分布，有助于评估加热装置的加热效果及土壤的传热特征，提高土壤修复效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中土壤原位热修复沙箱模拟系统结构图；

图2为本发明实施例中温度控制装置电气连接图；

图3为本发明实施例中沙箱结构示意图；

图4为本发明实施例中土壤原位热修复沙箱模拟方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种土壤原位热修复沙箱模拟系统及方法，具有能够控制土壤传热过程中的温度场分布和变化，提高土壤修复效果的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中土壤原位热修复沙箱模拟系统结构图，如图1所示，本发明提供的土壤原位热修复沙箱模拟系统，包括：沙箱1、加热装置2、温度采集装置、温度控制装置4和尾气处理装置5。沙箱1，用于盛放土壤；加热装置2，加热装置2在加热前插在沙箱1中的土壤内，用于加热土壤；多个温度采集装置，多个温度采集装置在加热前分别插在土壤内的不同位置，用于采集土壤不同位置的温度；尾气处理装置5，与沙箱1连接，用于处理沙箱1内形成的气态物质。

加热装置2包括多个加热丝、法兰盘和多个钢管(图中未示出加热装置结构图)。加热丝设置在钢管内，加热丝个数与钢管个数相同；钢管的固定端固定设置在法兰盘的通孔内，钢管的加热端在加热前放置在沙箱中的土壤内；加热丝的加热温度为0-1400℃。

温度采集装置包括：温度传感器3和温度显示装置15。温度传感器3一端在加热前插在土壤内，另一端与温度显示装置15电连接。温度显示装置15为数显热电偶温度计或数显温度控制仪；温度传感器3为热电偶，热电偶的外径为1-5mm。

尾气处理装置5包括：冷凝装置16、尾气处理装置17和真空泵18。冷凝装置16第一端口与沙箱1顶部端口通过第一管路19连接；冷凝装置16第二端口与尾气处理装置17通过第二管路20连接；真空泵18与尾气处理装置17连接；冷凝装置16用于冷凝沙箱1内形成的气态物质；尾气处理装置17用于处理冷凝后的气态物质；真空泵18用于抽取沙箱1内形成的气态物质。冷凝装置16为冷凝罐，冷凝罐的材质为耐高温玻璃或不锈钢，冷凝收集罐的体积为20-2000l。尾气处理装置17内设置活性炭粉、活性炭颗粒、活性炭包和活性炭网中的一种或多种。真空泵的流速为0-100l/min。通过设置尾气处理装置，能够冷凝收集沙箱排放的污染物，活性炭吸附气态污染物，保证试验环境不造成二次污染。

沙箱的材质为不锈钢、碳钢或水泥混凝土材质中的一种；不锈钢材质的厚度为1-12mm；碳钢材质的厚度为1-12mm；水泥混凝土材质的厚度为100-500mm。

土壤原位热修复沙箱模拟系统，还包括：保温层；保温层设置在沙箱1外壁；保温层材质为岩棉、玻璃纤维棉、硅酸铝纤维棉、纳米气凝胶棉的一种或几种；保温层的厚度为10-200mm。通过沙箱、保温层、粘土和沙组合形成的一个整体，有利于更好地模拟场地土壤的实际情况。

图2为温度控制装置电气连接图，如图2所示，温度控制装置4包括调功器6和温度控制器7；调功器输入端与温度控制器输出端连接，调功器输出端与加热装置2电连接；温度控制器输入端与温度采集装置电连接；温度控制装置用于根据多个温度采集装置采集的土壤温度值，控制调功器调节加热装置2的功率。温度控制装置4还包括：电源、空气开关8、电度表9、变压器10、第一熔断器11、交流接触器12和第二熔断器13；第二熔断器13一端与加热装置2电连接，另一端与调功器6输出端电连接；交流接触器12一端与调功器6电连接，另一端与第一熔断器11的一端连接；第一熔断器11的另一端与变压器10的低压侧连接，变压器10的高压侧与电度表9的一端连接；电度表9的另一端与空气开关8的一端连接；空气开关8的另一端与电源连接。温度控制装置4还包括温度控制器交流接触器14，温度控制器交流接触器14与温度控制器7连接，温度控制器交流接触器14用于在加热装置超过温控范围时强行自动停止加热运行。

图3为沙箱结构示意图，图4为土壤原位热修复沙箱模拟流程图，如图3-4所示，沙箱结构为长方体，沙箱的材质为不锈钢、碳钢或水泥混凝土材质中的一种；不锈钢材质的厚度为1-12mm；碳钢材质的厚度为1-12mm；水泥混凝土材质的厚度为100-500mm。沙箱长2200mm，宽1200mm，高1200mm。

土壤原位热修复沙箱模拟方法包括：

步骤101：将沙箱内的空间划分为多个区域，在每一个区域内填充相同土质条件的土壤。土质条件包括土壤类型、土壤颗粒粒径、土壤所在的地质结构和地下含水层。

将沙箱划分为两个区域，一个区域填充沙土，另一区域填充粘土；沙土为普通建筑用沙，粒径为0.2-0.5mm。

步骤102：将加热装置分别放置于不同区域的土壤中；加热装置的个数大于或等于划分区域的个数。

在沙土和粘土中分别插入一个加热装置2，加热装置2的加热区长1000mm，加热装置2外径100mm。

步骤103：在每一区域不同深度的土壤中插入温度采集装置。

在两个加热装置2内部设有一根热电偶测定温度，热电偶外径为3mm，热电偶使用k型。每个热电偶插入土壤的深度分别为200mm、500mm和800mm，每个插入土壤深度相同的热电偶到加热装置2的距离分别为0mm、100mm、250mm、500mm和700mm(图3中用圆点表示热电偶的分布位置)。

步骤104：调功器获取温度控制装置预设的温度值，调功器根据所述预设的温度值调节所述加热装置的功率。设置两个加热装置的预设温度值均为800℃，进行沙箱加热模拟试验。

步骤105：温度控制装置获取每一区域的温度采集装置采集的土壤温度值。

步骤106：温度控制装置计算每个区域内土壤温度值的平均值，得到各区域的区域温度平均值。

步骤107：温度控制装置计算各区域的区域温度平均值的平均值，得到沙箱内土壤温度值。

步骤108：温度控制装置将各区域的区域温度平均值与沙箱内土壤温度值进行作差处理，得到各区域温度差值；

步骤109：比较各区域的温度差值是否均小于阈值；若各区域的温度差值均小于阈值，执行步骤110；否则，执行步骤111，并返回步骤105。

步骤110：调功器保持加热装置的功率不变。

步骤111：调功器调节区域温度平均值小于沙箱内土壤温度值的区域内的加热装置的功率增大，同时调功器保持区域温度平均值大于沙箱内土壤温度值的区域内的加热装置的功率不变。

本发明的土壤原位热修复沙箱模拟系统，沙箱中的土壤和加热装置的实时温度数据由热电偶进行采集，并将温度信号传输至温度控制器，温度控制器根据所设定的温度和实时温度对比计算是否须需要加热，并向调功器发出需要加热的指令，调功器调节加热装置的功率。从而有利于实现自动调节沙箱内土壤的温度。通过在土壤中设置多点热电偶，能够直观了解在不同加热阶段时，土壤在横向和纵向的传热情况，分析土壤的导热性能和土壤整体的温度场分布，有利于帮助指导实际工程场地的加热器的空间分布情况。此外，通过调节加热装置的加热功率，能够实现较低土壤温度下增加加热器功率，使土壤温度较快上升；在较高土壤温度下，使土壤温度保持不变，有利于最大程度地使同一区域内不同性质和类型的土壤可同步达到相对均匀的土壤温度场分布，有利于土壤修复。并且本发明在沙箱的土壤中放置加热装置；开启加热装置，设置最高加热温度进行加热，如果在预设的加热时间内加热装置仍可正常工作，说明加热装置具有稳定性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。