一种高温气相抽提处置污染土气体渗流装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种高温气相抽提处置污染土气体渗流装置及测试方法，针对高温气相抽提处置污染土过程中气体渗流及其温度场特性测试，属于环境岩土领域。

背景技术

高温气相抽提法广泛应用于有机污染场地修复。该技术通过对污染场地高温处理，使有机污染物转化为气态，然后利用负压抽提将气态污染物从土体中分离出来，从而达到修复污染场地的目的。高温环境下污染土中气体的渗流特性直接影响抽提取效率，是污染场地修复工艺设计的关键。因此，探究污染土体在高温气相抽提过程中的气体渗流特性对于优化工艺设计、提高修复效率具有重要意义。

渗流特性作为岩土材料的基本物理性质，温度、压力梯度、孔隙和裂隙等都会影响土体的渗流特性。污染土在高温气相抽提过程中，其矿物成分、颗粒形态和土体结构都将会随加热温度、加热时间和抽提压力发生变化。同时，高温气体在进入土样内部时会改变其原有温度场分布，从而导致渗流特性发生改变。因此监测土样内部气体渗流过程中的温度场变化显得尤为重要。尽管100℃以下土中水的渗流特性测试装置已有大量研究，但100℃温度以后土中水等液态物质将逐步气化，此时亟需研发针对土中气体渗流特性的试验装置，尤其是高温气相抽提法处置有机污染土常用的100℃-400℃温度区间。

本发明解决了100℃-400℃高温环境下渗流试验系统气体渗漏问题，能够实现不同加热温度、抽提压力下污染土的渗流参数测试，并可同时监测土样加热及渗流过程中的温度变化，利用该装置获得的渗流参数能够为高温气相抽提法处置污染土工艺设计提供重要依据，可用于热处理温度和抽提压力耦合作用下的试验研究。

发明内容

本发明涉及一种高温气相抽提处置污染土气体渗流装置及测试方法，尤其针对高温气相抽提法处置污染土过程中气体渗流及其温度场特性测试。

为解决上述技术问题，本发明通过如下技术方案实现：一种高温气相抽提处置污染土气体渗流装置，包括气体渗流测试模块与土样温度测试模块；

所述气体渗流测试模块包括渗透器、箱式炉、不锈钢波纹管、压力表、冷凝水箱、过滤器、气体流量计、负压调节器、真空泵、氮气瓶、气控阀以及通气管；所述渗透器置于箱式炉中，不锈钢波纹管一端与渗透器的下导气压头导气管相连，另一端在箱式炉外部依次与压力表、冷凝水箱、过滤器、气体流量计、负压调节器以及真空泵相连；所述通气管插入箱式炉内；

所述土样温度测试模块包括热电偶和多路温度记录仪；所述热电偶通过渗透器的上导气压头埋入土样中，从箱式炉引出与多路温度记录仪连接。

所述气体渗透测试模块的渗透器包括螺纹加压杆、加压圆盘、立杆、压力室盖板、压力室侧壁、压力室底座、上导气压头以及下导气压头；

所述螺纹加压杆与加压圆盘螺纹连接，下端与加压圆环接触；所述加压圆盘通过立杆与压力室底座连接，所述压力室盖板与压力室底座分别通过螺栓与压力室侧壁连接，连接部位放置铜制密封圈；所述加压圆环置于上导气压头和压力室侧壁之间；所述上导气压头导气管穿过压力室盖板与密封环，上导气压头下端放置不锈钢多孔透气板与土样上端连接；所述下导气压头导气管穿过压力室底板，下导气压头上端放置不锈钢多孔透气板与土样下端连接；所述上导气压头、下导气压头的端部设有半球形中空槽；所述上导气压头与压力室盖板、密封环之间为可上下自由移动的活塞式连接。

所述土样温度测试模块的热电偶数量不少于六个，分别布设在土样上、中、下三个部位的中间和边缘位置，所述热电偶直径为0.3-0.5mm，精度0.01K。

所述的高温气相抽提处置污染土气体渗流装置的测试方法，具体步骤如下：

(1)试验前将热电偶布设在污染土样内部，将制备好的污染土样装于渗透器之内，污染土样安装过程为：先将0.01mm厚锡箔纸包裹于土样侧壁，在压力室侧壁与锡箔纸之间填充石英砂，然后通过加压圆环挤压石英砂提供侧压力将土样与锡箔纸挤密；

(2)将装好土样的渗透器放入箱式炉中，按连接各测量元件；将通气管置于箱式炉之内，打开设在氮气瓶上的气控阀，向箱式炉18内充入氮气，使箱式炉内保持在一个氮气的氛围；

(3)启动箱式炉的加热程序，设置目标温度，升温速率3-8℃/min，箱式炉加热温度可设置范围为室温～500℃；同步开始测试和记录土样内部温度，当土样内部的六个热电偶的温度稳定后，启动真空泵，通过负压调节器控制抽提压力，抽提压力可设置范围为0～70kPa；

(4)在设定的目标温度和抽提压力下读取气体流量计读数，当流量稳定后继续读数不少于5次，读数时间间隔为10-30min；

(5)逐步改变箱式炉的加热温度和负压调节器的抽提压力，获得不同加热温度和抽提压力工况下通过土样的气体流量和内部温度场分布，每种工况平行试验不少于2次；

(6)利用以下公式计算试验过程中污染土样气体渗透率

利用公式(1)对流量计所测得的流量数据进行校正：

式中，Q

利用公式(2)计算气体渗透率：

式中，k—污染土气体渗透率，单位为m

所述土样径向表面采用锡箔纸密封包裹，锡箔纸和压力室侧壁之间采用石英砂填充；所述加压圆环通过挤压石英砂使锡箔纸紧贴土样。

所述压力表可测试气体最高温度600℃时的压力。

所述气体流量计为转子流量计、热式质量流量计或科式力质量流量计。

本发明的有益效果在于：

1、通过抽气试验、上导气压头与压力室上盖板设置为活塞式连接、土样周围包裹锡箔纸和挤压石英砂施加围压等方法，有效解决了由于高温加热土样收缩导致的气体渗漏问题，保证了试验结果准确性。

2、与常规注气渗透试验相比，抽气渗透试验只需要施加很小的围压就能保证试样侧壁的密封，并能很好的保护试样的完整性和土体结构性。通过在土样周围填充石英砂，组合石英砂、加压圆环和加压螺纹杆组成提供围压的模块，无需额外增加提供围压的装备，降低了装置的研制难度。

3、设计思路更为贴近高温气相抽提的实际工况，可模拟在100℃～400℃高温负压环境下土体内部气体的运移，能很好的反应气体在土样中的渗流情况。

4、可在进行渗流试验的过程中同时记录土样内部温度场变化，可用于高温气相抽提法处置污染土热处理温度和抽提压力耦合作用下的试验研究。

附图说明

图1本是发明所设计的测试系统总体结构示意图。

图2是本发明所设计的渗透器结构示意图。

图3为本发明所设计的渗透器俯视图。

图4为本发明所设计的渗透器A-A剖面图。

图5为本发明实施例所述加热温度从100℃升至400℃时污染土渗透率测量结果。

图6为本发明实施例所述抽提压力从10kPa升至50kPa时污染土渗透率测量结果。

图7为本发明实施例所述土样无抽提压力时温度测试结果。

图1中标记为：渗透器17、箱式炉18、不锈钢波纹管19、压力表20、冷凝水箱21、过滤器22、气体流量计23、负压调节器24、真空泵25、测温热电偶26、多路温度记录仪27、氮气瓶28、气控阀29、通气管30。

图2中标记为：螺纹加压杆1、加压圆盘2、立杆3、压力室盖板4、螺栓5、密封环6、铜制密封圈7、加压圆环8、不锈钢多孔透气板9、土样10、锡箔纸11、石英砂12、压力室侧壁13、压力室底座14、上导气压头15、上导气压头导气管15-1、下导气压头16、下导气压头导气管16-1。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

首先需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

本发明所述的高温气相抽提处置污染土气体渗流装置，包括气体渗流测试模块与土样温度测试模块；具体结构和连接关系为：

所述气体渗流测试模块包括渗透器17、箱式炉18、不锈钢波纹管19、压力表20、冷凝水箱21、过滤器22、气体流量计23、负压调节器24、真空泵25、氮气瓶28、气控阀29、以及通气管30；所述渗透器17置于箱式炉18中，不锈钢波纹管19一端与渗透器17的下导气压头导气管16-1相连，另一端在箱式炉18外部依次与压力表20、冷凝水箱21、过滤器22、气体流量计23、负压调节器24以及真空泵25相连；所述通气管30插入箱式炉18内；

所述土样温度测试模块包括热电偶26与多路温度记录仪27；所述热电偶26通过渗透器17的上导气压头15埋入土样10，从箱式炉18引出后与多路温度记录仪27连接；

所述渗透器17包括加压圆盘2、压力室盖板4、压力室侧壁13、压力室底座14、螺纹加压杆1、立杆3、上导气压头15以及下导气压头16；所述加压圆盘2通过立杆3与压力室底座14连接；所述压力室盖板4与压力室底座14分别通过螺栓5与压力室侧壁13连接，连接部位放置铜制密封圈7；所述螺纹加压杆1与加压圆盘2螺纹连接，下端与加压圆环8接触；

所述加压圆环8置于上导气压头15和压力室侧壁13之间；所述上导气压头导气管15-1穿过压力室盖板4与密封环6，上导气压头15下端放置不锈钢多孔透气板9与土样10上端连接；所述下导气压头导气管16-1穿过压力室底板14，下导气压头16上端放置不锈钢多孔透气板9与土样10下端连接；所述上导气压头15、下导气压头16的端部设有半球形中空槽；所述上导气压头15与压力室盖板4、密封环6之间为可上下自由移动的活塞式连接；

所述土样10径向表面采用锡箔纸11密封包裹，锡箔纸11和压力室侧壁13之间采用石英砂12填充；所述加压圆环8通过挤压石英砂12使锡箔纸11紧贴土样10。

所述压力表20可测试气体最高温度600℃时的压力。

所述气体流量计23为转子流量计、热式质量流量计或科式力质量流量计。

所述的土样温度测试模块的热电偶26数量不少于六个，分别布设在土样上、中、下三个部位的中间和边缘位置，所述热电偶直径为0.3-0.5mm，精度0.01K；

实施例2

所述高温气相抽提处置污染土气体渗流装置的安装方法，整体遵循从下至上、从里到外的组装原则，具体步骤如下：

(1)将耐高温胶贴于上导气压头15和下导气压头16圆周一圈，不锈钢多孔透气板9、土样10和上导气压头15依次堆叠于下导气压头16之上，并将剪裁好的0.01mm厚度的锡箔纸11围绕上导气压头15和下导气压头16，紧密的贴于试样周围；

(2)土样10包裹完毕之后堵住上导气压头导气管15-1，对土样10进行抽气，使锡箔纸11紧贴于土样10周围；

(3)随后在底板垫上铜制密封圈7，套上带有上、下连接法兰的压力室侧壁13，将压力室侧壁13用螺栓5与压力室底座14固定密封；

(4)倒入石英砂12，此过程中不断敲击压力室侧壁13，将石英砂12震密使其填满试样与压力室侧壁13之间的空隙，之后将加压圆环8置于石英砂12填料之上，将铜制密封圈7和压力室盖板4使用螺栓5固定；

(5)将立杆3固定于压力室底座14，后将加压圆盘2放置与立杆3之上固定，将螺纹加压杆1旋转依次穿过金属加压圆盘2和压力室盖板4至接触加压圆环8，继续旋转螺纹加压杆1直至拧紧为止，在此期间轻击压力室侧壁13，使石英砂12与土样10能够紧密贴合，以达到试样侧壁密封的目的；

(6)组装好的渗透器17通过不锈钢波纹管19与压力表20、冷凝水箱21、过滤器22、气体流量计23、负压调节器24及真空泵25相连接；

(7)将通气管30插入箱式炉18中，通过气控阀29将氮气通过通气管30注入箱式炉18内部,使炉内保持在一个氮气的环境。

实施例3

不同抽提压力工况下的气体渗流参数测量：

(1)试验前将热电偶26布设在污染土样10内部，将制备好的污染土样10装于渗透器17之内，污染土样10安装过程为：首先将0.01mm厚锡箔纸11包裹于土样侧壁，在压力室侧壁13与锡箔纸11之间填充石英砂12，其次通过加压圆环挤压石英砂12提供侧压力将土样10与锡箔纸11挤密；

(2)将装好土样的渗透器放入箱式炉18中，按权利要求一连接各测量元件；将通气管30置于箱式炉18之内，打开设在氮气瓶28上的气控阀29，向箱式炉18内充入氮气，使箱式炉18内保持在一个氮气的氛围；

(3)启动箱式炉18的加热程序，设置目标温度为100℃；同步开始测试和记录土样10内部温度，当土样10内部的六个热电偶26的温度稳定后，启动真空泵25，通过负压调节器24控制抽提压力，将抽提压力设置为10kPa；

(4)读取加热温度为100℃，10kPa抽提压力下的气体流量计23示数，当流量稳定后重复读数5次，读数时间间隔为10min，且每次重复记录数据时流量计示数偏差不能超过5％，读数完毕后取均值减小试验误差；

(5)逐步调节负压调节器24改变抽提压力，获得加热温度为100℃，10～50kPa抽提压力工况下通过土样10的气体流量和土样10内部温度场分布，每种工况平行试验不少于2次；

(6)重复步骤4和5，加热温度保持不变，每次将抽提压力提升10kPa，直至抽提压力升至50kPa，完成不同抽提压力工况下的流量数据采集；

(7)利用公式(1)、(2)计算试验过程中污染土样气体流量和渗透率。

利用公式(1)对流量计所测得的流量数据进行校正：

式中，Q

利用公式(2)计算气体渗透率：

式中，k—污染土气体渗透率，单位为m

实施例4

不同加热温度工况下的气体渗流参数测量：

(1)试验前将热电偶26布设在污染土样内部，将制备好的污染土样10装于渗透器17之内，污染土样10安装过程为：首先将0.01mm厚锡箔纸11包裹于土样侧壁，在压力室侧壁13与锡箔纸11之间填充石英砂12，其次通过加压圆环挤压石英砂12提供侧压力将土样10与锡箔纸11挤密；

(2)将装好土样10的渗透器17放入箱式炉18中，按权利要求一连接各测量元件；将通气管30置于箱式炉18之内，打开设在氮气瓶28上的气控阀29，向箱式炉18内充入氮气，使箱式炉18内保持在一个氮气的氛围；

(3)启动箱式炉18的加热程序，设置目标温度为100℃，设置5℃/min的升温速率，调节多路温度记录仪27的数据记录间隔为1s/次，同步开始测试和记录土样10内部温度，当土样10内部的六个热电偶26的温度稳定后，启动真空泵25，通过负压调节器24控制10kPa的抽提压力对土样10进行抽提；

(4)读取加热温度为100℃，10kPa抽提压力下的气体流量计23示数，当流量稳定后重复读数5次，读数时间间隔为10min，且每次重复记录数据时流量计示数偏差不能超过5％，读数完毕后取均值减小试验误差；

(5)逐步改变箱式炉18的加热温度，获得抽提压力为10kPa，100～400℃加热温度工况下通过土样的气体流量和土样内部温度场分布，每种工况平行试验不少于2次；

(6)每升高100℃，重复步骤12345，直至试验的加热温度达到400℃时，完成不同加热温度工况下的流量数据采集；

(7)利用公式(2)计算试验过程中污染土样气体流量和渗透率。

利用公式(2)计算气体渗透率：

式中，k—污染土气体渗透率，单位为m