应用于污染土壤修复的多级热修复电加热器及控制方法与流程

1.本发明涉及污染土壤原位热修复技术领域，具体为应用于污染土壤修复的多级热修复电加热器及控制方法。


背景技术：

2.土壤是生态和社会可持续发展的物质基础，是人类生存不可或缺、不可替代、不可再生的战略资源。日益突出的土壤污染问题已对生态环境、人体健康和社会经济可持续发展构成严重威胁。根据土壤污染物的性质，可将其分为无机污染物和有机污染物两大类。多环芳烃等持久性有机污染物具有高毒性、持久性、生物积累性，能长久存在于环境中，会对人体健康造成极大危害。
3.污染土壤修复是指通过物理、化学及生物原理，采用人工调控措施，通过吸收、转移、降解或转化土壤中污染物，使其浓度降低到安全的水平。土壤修复可分为原位修复技术和异位修复技术，原位修复技术具有土方不开挖、不转运、对周围环境干扰小以及污染物去除彻底等诸多优势。
4.目前应用于土壤原位热修复技术的电加热系统主要是采用单一的电加热管，将电加热管放置电加热井后以固定的功率进行加热。已有研究表明热脱附技术的土壤修复效果受加热温度、停留时间、升温速率等因素的影响。由于土壤污染具有累积性，有机污染物的土壤渗透程度也会有较大的差异，针对不同污染程度的土壤采用不同加热温度、停留时间及升温速率的原位热脱附过程，既能够保障土壤修复的效果，又能够有效地降低系统能耗。因此，亟待发明应用于污染土壤修复的多级热修复电加热器及控制方法，能够有效地降低土壤修复的能耗。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供应用于污染土壤修复的多级热修复电加热器及控制方法，具备的能够适用于多层土壤原位热修复，降低土壤修复的能耗需求的优点，解决了由于土壤污染具有累积性，有机污染物的土壤渗透程度也会有较大的差异，针对不同污染程度的土壤采用不同加热温度、停留时间及升温速率的原位热脱附过程，既能够保障土壤修复的效果，又能够有效地降低系统能耗的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：应用于污染土壤修复的多级热修复电加热器，包括电气连接头及连接于电气连接头的第一段电加热管、第二段电加热管、第三段电加热管，所述电气连接头包括安装法兰及连接于安装法兰的固定接口，所述固定接口与第一段电加热管、第二段电加热管、第三段电加热管相连。
7.优选的，所述固定接口包括电极连接口一、电极连接口二、电极连接口三、电极连接口四、电极连接口五、电极连接口六，所述第一段电加热管的两端与电极连接口一、电极连接口二相连，所述第二段电加热管的两端与电极连接口三、电极连接口四相连，所述第三段电加热管的两端与电极连接口五、电极连接口六相连。
8.优选的，所述安装法兰与第一段电加热管、第二段电加热管、第三段电加热管均固定相连。
9.优选的，所述第一段电加热管、第二段电加热管、第三段电加热管长度不同，结构相同，包括外管、引出棒、氧化镁粉、电阻丝，引出棒固定于外管的中心处，电阻丝缠绕于引出棒的外表面，氧化镁粉填充于外管与引出棒之间空间。
10.优选的，所述外管呈u形状。
11.应用于污染土壤修复的多级热修复电加热器的控制方法，其特征在于，包括主控制器板及连接于主控制器板的电源功率控制模块一、电源功率控制模块二、电源功率控制模块三，电源功率控制模块一、电源功率控制模块二、电源功率控制模块三分别与第一段电加热管、第二段电加热管、第三段电加热管的两端连接，具体的分段加热方法步骤如下：
12.步骤一：待修复的污染土壤检测后，确定电加热器中各段电加热管的长度，以及确定电加热器的分段加热温度t1、t2、t3，并在不同深度的土壤层安装热电偶传感器一、热电偶传感器二、热电偶传感器三作为温度检测；
13.步骤二：由于越接近地面，土壤受到的污染越严重，因此分段加热温度t1、t2、t3 满足如下关系：t1≥t2≥t3，温度控制的顺序是第三段电加热管、第二段电加热管、第一段电加热管；
14.步骤三：通过控制器首先控制第三段电加热管的工作，以热电偶传感器三作为温度反馈进行调节，保持最深深度的加热温度稳定在期望值t3；
15.步骤四：由于t≥t，因此需要第二段电加热管提升加热功率，再通过控制器控制第二段电加热管的工作，热电偶传感器二作为温度反馈进行调节，保持中间深度的加热温度稳定在期望值t2；
16.步骤五：由于t≥t，因此需要第一段电加热管提升加热功率，最后再通过控制器控制第一段电加热管的工作，热电偶传感器一作为温度反馈进行调节，保持表层深度的加热温度稳定在期望值t1；
17.当分段温度一致时，可以跳过该段的温度调节步骤。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：一、多段式结构能够适用于多层土壤原位热修复，降低土壤修复的能耗需求，并联结构对于单个加热管的功率要求低，降低了电加热器的制作工艺要求；二、控制电路规避常规采用交流电控制的控制方法，而是采用电源功率控制模块将交流电转换为直流电流实现控制，通过控制器可以精确控制电源功率控制输出端的电流值，进一步降低由于控制带来的能耗问题。
附图说明
19.图1是本发明的电加热器装置的结构示意图；
20.图2是本发明的电气连接头结构示意图；
21.图3是本发明的电加热管内部结构示意图；
22.图4是本发明的氧化镁粉与外管连接结构示意图；
23.图5是本发明的控制器结构示意图；
24.图6是本发明的热电偶传感器安装示意图。
25.图中：1、电气连接头；101、电极连接口一；102、电极连接口二；103、电极连接口三；
104、电极连接口四；105、电极连接口五；106、电极连接口六；107、安装法兰；2、第一段电加热管；201、外管；202、引出棒；203、电阻丝；204、氧化镁粉；3、第二段电加热管；4、第三段电加热管；301、电源功率控制模块一；302、电源功率控制模块二； 303、电源功率控制模块三；304、主控制器板；5、热电偶传感器一；6、热电偶传感器二； 7、热电偶传感器三。
具体实施方式
26.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。
27.本发明提供参见图1所示，应用于污染土壤修复的多级热修复电加热器，包括电气连接头1及连接于电气连接头1的第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4。第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4的长度不同，可以根据土壤的初试检测结果定制不同的电加热管长度。电气连接头1包括安装法兰107及连接于安装法兰107的固定接口，固定接口与第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4 相连。
28.如图2所示，固定接口包括包括电极连接口一101、电极连接口二102、电极连接口三103、电极连接口四104、电极连接口五105、电极连接口六106，分别与第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4的两端连接，安装法兰107与第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4固定在一起。
29.如图3、图4所示，第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4除长度不一致以外，其内部结构相同。第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4 包括外管201、引出棒202、氧化镁粉204以及电阻丝203。外管201呈u形状，引出棒202固定在外管201的中心位置，电阻丝203绕在引出棒202的外表面，氧化镁粉204填充于外管201与引出棒202之间空间。
30.如图5、图6所示，该装置的控制器包含两个部分：主控制器板304与电源功率控制模块一301、电源功率控制模块二302、电源功率控制模块三303。主控制器板304采用 stm32单片机作为主控芯片，通过can总线接口与电源功率控制模块一301、电源功率控制模块二302、电源功率控制模块三303的can总线接口相连，利用该接口进行数据通信，控制器中采用pid控制算法，控制算法中的温度采用周期设置为20s。
31.电源功率控制模块一301、电源功率控制模块二302、电源功率控制模块三303采用并联方式连接，并采用380v的单相交流电供电，电源功率控制模块一301、电源功率控制模块二302、电源功率控制模块三303的输出端分别与第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4的两端连接。主控制器板304可以通过can总线接口设置电源功率控制模块一301、电源功率控制模块二302、电源功率控制模块三303的输出电流，该输出电流为直流电流，可以根据第一段电加热管2、第二段电加热管3、第三段电加热管4 的电阻丝203的阻值计算当前的加热功率，进而实现电加热器的加热功率控制。具体的分段加热方法步骤如下：
32.步骤一：待修复的污染土壤检测后，确定电加热器中各段电加热管的长度，以及确定电加热器的分段加热温度t1、t2、t3，并在不同深度的土壤层安装热电偶传感器一5、热电
偶传感器二6、热电偶传感器三7作为温度检测；
33.步骤二：由于越接近地面，土壤受到的污染越严重，因此分段加热温度t1、t2、t3 满足如下关系：t1≥t2≥t3，第一段电加热管2的加热温度为t1、第二段电加热管3的加热温度为t2、第三段电加热管4的加热温度为t3，因此温度控制的顺序是第三段电加热管4、第二段电加热管3、第一段电加热管2；
34.步骤三：通过主控制器板304首先控制第三段电加热管4的工作，以热电偶传感器三 7作为温度反馈进行调节，保持最深深度的加热温度稳定在期望值t3；
35.步骤四：由于t2≥t3，因此需要第二段电加热管3提升加热功率，再通过主控制器板304控制第二段电加热管3的工作，热电偶传感器二6作为温度反馈进行调节，保持中间深度的加热温度稳定在期望值t2；
36.步骤五：由于t1≥t2，因此需要第一段电加热管2提升加热功率，最后再通过主控制器板304控制第一段电加热管2的工作，热电偶传感器一5作为温度反馈进行调节，保持表层深度的加热温度稳定在期望值t1；
37.当分段温度一致时，可以跳过该段的温度调节步骤。
38.本发明的电加热器可以根据实际需求进行扩展，当需要更多分段加热时，可以通过扩展电气连接头1中的电极连接口数量以及电加热管的数量。相应的控制器中的电源功率控制模块也应做相应数量的增加。
39.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。