CZ294883B6 - Způsob remediace - Google Patents

Abstract

Způsob odstraňování těkavých kapalných kontaminantů z kontaminovaného prostoru zeminy, kde kontaminovaný prostor leží nad nekontaminovanou vrstvou zeminy spočívá v krocích, kde probíhá zavádění tepla ze sondy v nekontaminovaném prostoru do nekontaminovaného prostoru teplota podstatné části nekontaminované vrstvy přiléhající ke kontaminované vrstvě odpovídá alespoň teplotě bodu varu kontaminujících kapalin a zavádění tepla ze sondy v kontaminovaném prostoru do kontaminovaného prostoru, kde teplota kontaminovaného prostoru stoupá k teplotě varu kontaminujících kapalin poté, co podstatná část nekontaminované vrstvy přiléhající ke kontaminované vrstvě dosáhne asi teploty varu kontaminujících kapalin.ŕ

Description

Oblast techniky

Tento vynález se týká in šitu způsobu odstranění těkavých kontaminantů tepelnou desorpcí.

Dosavadní stav techniky

Způsob termální desorpce pro in sítu odstranění těkavých kontaminantů ze zemin se navrhují například v patentech US 4 973 811, US 5 076 727, US 5 152 341, US 5 190 405, US 5 193 934, US 5 221 827 a US 5 271 693. Způsob použití tepla zahrnují mikrovlnné a radiofrekvenční elektrické zdroje spolu s odporovým zahříváním mezi elektrodami, zavádění horkých plynů a vedení elektrického proudu skrz zeminu. Vedení tepla z topných injekčních vrtů navrhují například patenty US 5 190 405 a US 5 271 693. Patent US 5 271 693 navrhuje topný vrt, kterým se z podloží odstraňují páry. Patent US 5 449 251 popisuje použití svazku vrtů k injekčnímu zavádění páry a středový odběrový vrt pro zahřáté a následně odstraňované kontaminanty z podzemní formace.

Tyto způsoby se obecně zakládají na udržování nízkého tlaku na povrchu nebo v sondě pro odstraňování par pro řízení pohybu kontaminantů z jejich původního místa do bodu, ve kterém se mohou znovu získat. Protože pro významný tok par zeminou je potřebný poměrně velký rozdíl tlaku, mohou se těmito způsoby použít pouze malé tepelné výkony, nebo se vytvoří tlak v bodu, kde se páry kontaminantů vyskytují, dostatečný k tomu, aby tyto vypařené kontaminanty unikaly z výchozí kontaminované zeminy v jiném směru, než který je určen pro odstraňování kontaminantu. Způsob podle předmětného řešení vychází ze znalostí v patentovém spisu US 5 360 067. Při užití známého způsobu jsou uhlovodíkové kontaminanty spalovány a spaliny jsou opět injekčně zaváděny do kontaminované formace. Při užití známého způsobu je riziko, že ještě nespálené vypaření kontaminanty se odstraní z kontaminované formace do jiných prostorů. Předmětem tohoto vynálezu je tedy poskytnout způsob odstraňování kontaminantů z kontaminovaných zemin zahříváním in šitu, přičemž se vypařené kontaminanty nepohybují směrem dolů z kontaminované zeminy.

Podstata vynálezu

Těchto a dalších předmětů se dosahuje způsobem odstraňování kapalných těkavých kontaminantů z kontaminovaného prostoru zeminy, kde kontaminovaná vrstva leží nad nekontaminovanou vrstvou zeminy, přičemž způsob zahrnuje kroky proniknutí do kontaminovaného prostoru alespoň jednou sondou tak, že alespoň jedna sonda proniká do kontaminovaného prostoru a alespoň jedna sonda proniká do nekontaminované vrstva; zavádění tepla ze sondy v nekontaminované vrstvě do nekontaminované vrstvy, dokud teplota podstatné části nekontaminované vrstvy přiléhající ke kontaminované vrstvě není alespoň na úrovni teploty varu kontaminujících kapalin a zavádění tepla ze sondy v kontaminovaném prostoru do kontaminovaného prostoru, přičemž teplota kontaminovaného prostoru stoupá k teplotě varu kontaminujících kapalin poté, co podstatná část nekontaminované vrstvy přiléhající ke kontaminované vrstvě dosáhla teploty kolem teploty varu kontaminujících kapalin.

Sondy výhodně svisle pronikají kontaminovanou zeminou a jsou děrovány pro odstranění par, vytvářených v kontaminované zemině, touto sondou. S překvapením se zjistilo, že pokud se zahřívá vrstva zeminy pod kontaminovaným prostorem pro zamezení kondenzace kontaminantů pod kontaminovanou zeminou, odpaří-li se kontaminanty v kontaminovaném prostoru, nepohybují se dolů, ale jsou vyháněny k povrchu nebo k děrovaným sondám pro jejich odstranění.

-1 CZ 294883 B6

Popis výhodných provedení vynálezu

Tento vynález se týká problému kontroly kontaminantů odpařovaných tepelně remediačními způsoby. Zjistilo se, že zahřívání vrstvy zeminy pod kontaminací před zvyšováním teploty zeminy pro dekontaminaci na teplotu kolem teploty varu kapalin v kontaminované zemině účinně zamezuje pohybu par směrem dolů.

Těkavých kontaminantů, které se mohou odstraňovat z kontaminovaných zemin způsobem podle tohoto vynálezu je široký výběr kontaminantů. Kontaminanty, se obvykle považují za těkavé, jako benzín, se mohou odstraňovat podle tohoto vynálezu, ale podle tohoto vynálezu se také mohou odpařovat a odstraňovat mnohem těžší uhlovodíky a výše vroucí látky. Například polychlorované bifenyly (PCB), rtuť a těžké oleje vyráběné továrnami vyrábějícími svítiplyn se mohou odstraňovat podle tohoto vynálezu ve formě par. I když teploty nedosahují běžných teplot varu těchto látek, budou se tvořit vodní páry a dokonce omezený tlak par kontaminantů vyústí v odstranění kontaminantů v dostatečných množstvích páry.

Sondy podle tohoto vynálezu mohou být zapažené a zacementované sondy, jaké se používají v ropném průmyslu, ale takové pracné sondy nemohou být při mnoha použitích oprávněné. Může se poskytnout mělké pažení pro zabezpečení před kontaminací nadloží parami odstraňovanými z útvaru. Pokud se sonda zapaží do dva vrtu, že se podle tohoto vynálezu proděravět způsoby dobře známými v ropném průmyslu. Sondy mohou být svislé, vodorovné nebo pod úhlem mezi svislými a vodorovnými.

Teplo se může zavádět do kontaminovaného prostoru a výhodně do vrstvy nekontaminované zeminy pro prostor kontaminované zeminy vedení ze sondy. Topná tělesa použitelná pro ohřívání sond pro poskytnutí tepla pro vedení do útvaru jsou známa. Například plynem ohřívané topné sondy se popisují v patentech US 2 902 270 a US 3 181 613, zde začleněných odkazem. Elektricky vyhřívané sondy se popisují například v patentu US 5 060 287, zde začleněného odkazem. Výhodná plynem ohřívaná topná sonda se popisuje například v patentu US 5 255 742, začleněném zde odkazem.

Teplo se zavádí do kontaminovaného prostoru vedením a výhodně se zavádí ze sondy, která také slouží jako zdroj sátí pro odstranění par, obsahujících kontaminant, ze sondy. V tomto výhodném provedení se tedy odpařené kontaminanty vedou z útvaru rovnou do sondy pro opětné získání, bez možnosti, že by se vedly do chladnější zeminy, kde by kontaminanty mohly zkondenzovat, přičemž by, pokud se vyskytne kondenzace, způsobily zvýšenou koncentraci kontaminantů.

Nekontaminovaná vrstva se může případně zahřívat injekčním zaváděním horkých tekutin, jako páry, spalovaných plynů nebo zahřátého dusíku.

Jak se teplo zavádí do zeminy, v malém měřítku se obecně přihodí, že se teplem tvoří pára. Pokud jsou kontaminanty lehce těkavými složkami (běžné teploty varu mají menší než je teplota varu vody), jako benzín, obsahují zpočátku tvořené páry poměrně vysoké koncentrace kontaminantů. Těžší kontaminanty se budou odpařovat, jak se bude tvořit vodní pára z vody přítomné v zemině, vlivem tlaku par těžkých kontaminantů v páře. Čím nižší tlak se může udržovat v kontaminované zemině, tím vyšší bude koncentrace těžkých kontaminantů v páře, tím méně tepla bude potřeba injekčně zavádět pro odpaření kontaminantů. Jsou-li kontaminanty nemísitelné s vodou, pak se bude tvořit pára přibližně při teplotě varu vody při tlaku, který je v daném bodu v zemině. Kontaminovaná zemina se může zahřívat přednostně v nekontaminované vrstvě do dosažení teploty varu kontaminujících kapalin, ale teplota kontaminovaného prostoru by měla zůstat pod teplotou varu kapalin v kontaminované oblasti, aby se zamezilo odpaření (a tím pohybu) kontaminantů, před tím, než vrstva nekontaminované zeminy dosáhne takové teploty.

-2CZ 294883 B6

Vrstvy podle tohoto vynálezu mohou být svislými nebo vodorovnými vrty. Svislé vrty výhodně sahají skrz kontaminované prostory a do nekontaminované vrstvy pod kontaminovaným prostorem. Hloubka pod kontaminovaným prostorem se vybírá podle vzdálenosti mezi vrty. Obvykle asi jedna třetina vzdálenosti mezi vrty bude poskytovat dostatečnou sondu pod kontaminanty pro zavádění tepla do nekontaminované vrstvy.

Ve výhodném provedení tohoto vynálezu poskytují vrty cestu pro odstranění odpařené látky z útvaru a zároveň umístění topného tělesa. Výhodně se v pažení udržuje podtlak pro odstranění kontaminantů ze zeminy. Mohou se poskytnout dva prvky topného tělesa v každé pažnici, jeden v oblasti kontaminované zeminy a jeden ve vrstvě pod kontaminovaným prostorem. Prvky topného tělesa mohou poskytovat teplo v kontaminovaném prostoru a případně mohou sahat do nekontaminované vrstvy pod kontaminovaným prostorem. Případně může být druhý prvek topného tělesa poskytovat teplo v části sondy pod kontaminovaným prostorem. Jeden prvek topného tělesa by mohl poskytnout, pokud je tento prvek dimenzovaný pro poskytování většího uvolňování tepla (obvykle asi o 50 % více tepla na jednotku délky), pod kontaminovaným prostorem tak, že se dosáhne teploty nad teplotou varu kapalin ve vrstvě pod kontaminovaným prostorem před tím, než se takové teploty dosáhne v kontaminovaném prostoru. Toto se docílí poskytnutím prvku topného tělesa s odlišným průměrem prvku. Například se může použít prvek topného tělesa na bázi drátu, přičemž tento prvek je o průměru 0,32 cm v kontaminované oblasti a o průměru 0,26 cm v nekontaminované oblasti. Je výhodné, že se poskytují oddělená topná tělesa, protože poskytnutí takového rozdílu vtoku tepla po celou dobu remidiace by nebylo energeticky výhodné a mohlo by významně omezovat tok tepla do kontaminované oblasti kvůli omezení teploty pažení. Také, pokud se používají oddělná topná tělesa, může se topné těleso ve vrstvě pod kontaminovanou oblastí uvést do chodu jak první a poté se může odstavit alespoň po část doby, kdy se používá jiné topné těleso, pro snížení nákladů na energii. Pažení by se mohlo izolovat v nadloží nebo se může vybavit dodatečným topným tělesem pro zajištění toho, že kontaminanty nebudou v pažení kondenzovat z par.

Uvažují se topná tělesa na principu elektrického odporu, ale mohou se používat také jiné typy topných těles. Elektrická topná tělesa jsou vhodná pro řízení, a proto nevyžadují spojnice v pažení, zabírají více prostoru pro tok par z kontaminované zeminy.

Dodatečné sondy vybavené pro zavádění tepla a pro odstranění par výhodně umožňují v zemině obklopující kontaminovaný prostor zabezpečit, aby kontaminanty neunikly z původně kontaminovaného prostoru.

Kontaminovaný prostor je ukázán jako nadloží, ale pokud se zemina má zahřívat k povrchu, může se izolovat poskytnout nad povrchem. Dále, pokud se kontaminovaný prostor rozprostírá blízko k povrchu, může být prospěšné poskytnout utěsnění par nad povrchem pro zabránění vnikání nadměrného množství vzduchu do kontaminovaného prostoru a pro zabránění unikání kontaminovaných par do atmosféry. Pokud kontaminovaný prostor dosahuje k povrchu, mohou se poskytnout povrchová topná tělesa pro zavádění tepla z povrchu.

Páry se výhodně odstraňují sondami sahajícími do kontaminovaného prostoru a tyto páry se poté mohou zpracovávat pro odstranění kontaminantů způsoby známými v technice. Například se mohou poskytnout tepelné oxidátory pro oxidaci kontaminantů a poté může zbývající pára obsahující páry kontaminantů procházet skrz uhlíkové lože pro zachycení zbývajících kontaminantů a/nebo oxidačních produktů kontaminantů. Obvykle se pro udržování nízkého celkového tlaku v sondě a útvaru poskytuje čerpadlo. Nižší tlaky jsou příznivé, protože nižší tlaky snižují teplotu, při které se voda a kontaminanty odpařují v kontaminované zemině. Tlaky nižší než tlak atmosférický také zabraňují párem v unikání do atmosféry.

Uspořádání topného tělesa a odsávacích vrtů se výhodně používají pro dosažení jednotného zahřívání kontaminované zeminy a snižování času nutného k ukončení remediace kontaminované zeminy. Výhodně se může použít trojúhelníkové nebo čtvercové uspořádání. Vzdálenost mezi

-3 CZ 294883 B6 vrty v trojúhelníkovém nebo čtvercovém uspořádání může být například od 0,9 do 6 m. Toto poměrně husté rozmístění je výhodnější, protože přenos tepla vedením skrz zeminy je poměrně pomalý.

Podobně, pokud vrstva nekontaminované zeminy leží nad kontaminovaným prostorem, může se použít zvláštní zahřívání nad kontaminovaným prostorem, stejně jako pod kontaminovaným prostorem .Toto zvláštní zahřívání se může použít pomocí odděleného topného tělesa nebo topného prvku dimenzovaného pro poskytování většího uvolňování tepla ve vrstvě nekontaminované zeminy nad kontaminovanou zeminou.

Uspořádání topně-odsávacích vrtů výhodně sahá za okraj kontaminované zeminy. Podobně jako vrstva pod kontaminovaným prostorem se tento kruh obklopující okraj kontaminovaného prostoru zahřívá na teplotu kolem teploty varu kapalin v tomto kruhu před zahříváním kontaminovaného prostoru nad teplotou varu kapalin v kontaminovaném prostoru. Kontaminace se může případně bočně zadržet zábranami, jako kovovou stěnou zavedenou do země nebo zábranou z cementu nebo bahna nalitého v blízkých příkopech.

Příklady provedení vynálezu

Důležitost zahřívání kontaminované zeminy od spodní části kontaminované zeminy se ukazuje ve skleněné, pískem plněné koloně s vlhkým písmem uloženým v čisté spodní vrstvě a vrchní vrstva, která obsahuje různá množství libavkové silice (methylsalicylátu) pro napodobení kontaminantu, jako PCB. Methylsalicylát má větší hustotu než voda a má sklon klesat skrz vodu. Aparatura se skládá ze skleněné kolony o vnitřním průměru 7,6 cm a délce 91,5 cm. Podtlaku se mohlo dosáhnout odsáváním na vrcholu. Na vrcholu kolony se udržoval mírný podtlak (asi 405,3 Pa (2,4 cm sloupce vody)) pro odstranění odpaření libavkové silice. Topení se zavedlo navinutím poddajných topných těles na vnější povrch skla a navinutím 3,2 cm silné izolace okolo topných těles. Použitá topná tělesa měla odpor 17 ohmů, šíři 43 cm při výšce 30,5 cm ajsou dostupná u Minco Products lne., Houston, Texas, USA. Jedno topné těleso se navinulo na oblast obsahující libavkovou silici a druhé těleso se navinulo na spodní oblast kolony. V příkladech tohoto vynálezu se nejprve uvádí do chodu spodní topné těleso a vrchní topné těleso se uvádí do chodu až poté, co teplota čistého písku dosáhne teploty varu libavkové silice. Ve srovnávacích příkladech Cl až C3 se spodní topné těleso nepoužívalo. V každém příkladu se čistý písek umístil ve spodní části skleněné kolony a jiná část písku se smíchala s libavkovou silicí a umístila se na vrchu čistého písku. Zahřívání probíhalo až do té doby, kdy teplota písku dosáhla asi 250 °C, poté se kolona ochladila a stanovila se koncentrace libavkové silice v písku ve vrchní a ve spodní části.

Tabulka shrnuje výsledky příkladů 1 až 10 a srovnávacích příkladů Cl až C3. Výchozí obsah silice je uváděn jako procenta hmotnostní libavkové silice v horních 20 cm kolony. Výsledná vrchní koncentrace silice odpovídá obsah silice ve vzorku z vrchní oblasti kolony poté, co se svrchní oblast kolony zahřála na asi 250 °C a poté ochladila. Výsledný obsah silice ve spodní části kolony je nejvyšší koncentrace silice nalezené ve spodní části kolony poté, co se kolona zahřála a ochladila.

V každé sérii pokusů teplota v koloně pravidelně stoupala až do dosažení teploty varu vody, poté zůstala neměnná, dokud se neodpařila voda. Teplota poté znovu pravidelně stoupala až do dosažení teploty varu libavkové silice a poté zůstala neměnná, dokud se libavková silice v podstatě neodpařila a poté znovu stoupala.

-4CZ 294883 B6

Tabulka

Příklad č. [1 ppm = 10’4 %]	Výchozí obsah silice [ppm hmotnostní]	Výsledný obsah silice ve vrchní části [ppm hmotnostní]	Výsledný obsah silice ve spodní části [ppm hmotnostní]
1	20 000	0	0
2	39 900	10	10
3	10 000	10	0
Cl	20 000	330	200
C2	29 900	0	3,230
C3	39 800	20	8,940

Ve srovnávacích příkladech Cl, C2 a C3 platí, že čím vyšší je výchozí koncentrace silice ve vrchní části, tím více kondenzují kontaminanty v nižším čistém písku. V příkladech, ve kterých se nejprve zahřívala spodní část (příklady 1, 2 a 3) nekondenzovala prakticky žádná silice v nižším čistém písku.

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob odstraňování těkavých kapalných kontaminantů z kontaminovaného prostoru zeminy, při kterém kontaminovaný prostor leží nad nekontaminovanou vrstvou zeminy, kde způsob zahrnuje proniknutí alespoň jednou sondou do kontaminované vrstvy tak, že tepelná injekční sonda proniká do kontaminované vrstvy a alespoň jedna sonda proniká do nekontaminované vrstvy, vyznačující se tím, že způsob dále zahrnuje tyto kroky:

   zavádění tepla ze sondy v nekontaminované vrstvě do nekontaminované vrstvy až teplota podstatné části nekontaminované vrstvy až teplota podstatné části nekontaminované vrstvy přiléhající ke kontaminované vrstvě odpovídá alespoň teplotě teploty varu kontaminujících kapalin a zavádění tepla ze sondy v kontaminované vrstvě do kontaminovaného prostoru, kde teplota kontaminovaného prostoru stoupá k teplotě varu kontaminujících kapalin poté, co podstatná část nekontaminované vrstvy přiléhající ke kontaminované vrstvě dosáhne asi teploty varu kontaminujících kapalin.
2. 2. Způsob podle nároku 1, přičemž tento způsob dále zahrnuje krok odstraňování odpařených kontaminantů z kontaminované vrstvy skrz alespoň jednu odsávací sondu, vyznačující se tím, že v odsávací sondě udržuje podtlak.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že odsávací sonda je zároveň sondou, ze které se do kontaminovaného prostoru zavádí teplo.
4. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna sonda proniká kontaminovaným prostorem a pokračuje z kontaminovaného prostoru do nekontaminované vrstvy.
5. 5. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že se používá uspořádání topně-odsávacích sond. ⁶
6. 6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že sondy jsou v uspořádání vzdáleny od asi 0,9 m do asi 6 m.

   -5 CZ 294883 B6
7. 7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna sonda pronikající do nekontaminované vrstvy je v podstatě vodorovná sonda.
8. 8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna sonda pronikající do nekontaminované vrstvy je v podstatě svislá sonda, která také proniká kontaminovaným prostorem.
9. 9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se teplo zavádí do nekontaminované vrstvy ze sondy nacházející se v nekontaminované vrstvě.
10. 10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že kontaminovaný prostor je pod nekontaminovanou zeminou, a způsob dále zahrnuje krok zvyšování teploty nekontaminované zeminy nad kontaminovaným prostorem na teplotu, která je nad běžnou teplotou varu kontaminujících kapalin před zahříváním kontaminovaného prostoru na běžnou teplotu varu kontaminujících kapalin.
11. 11. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že se teplo zavádí do kontaminovaného prostoru a do nekontaminované vrstvy z elektrického topného prvku, přičemž tento elektrický topný prvek prochází skrz sondu v kontaminovaném prostoru a do sondy v nekontaminované vrstvě, přičemž tento elektrický topný prvek je drát s větším průměrem v kontaminovaném prostoru než v nekontaminované vrstvě.