Способ очистки

1 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к очистке загрязнений местности, в частности к способу термической десорбции, проводимой на месте загрязнения, который предназначен для очистки от летучих загрязняющих веществ. Уровень техники Способы термической десорбции, предназначенные для удаления летучих загрязняющих веществ из почвы, проводимой на месте загрязнения, описаны, например, в американских патентах 4973811, 507627, 5152341, 5190405,5193934, 5221827 и 5271693. Способы, в которых применяется высокая температура, включают использование микроволновой и радиочастотной электроэнергии, а также резистивный нагрев между электродами; накачку горячих газов и пропускание электричества через почву. Передача тепла из скважин, предназначенных для подачи тепла описана, например, в американских патентах 5190405 и 5271693. В американском патенте 5271693 описана нагревающая скважина, через которую пары извлекаются из формации. В американском патенте 5449251 описывается использование совокупности скважин, предназначенных для нагнетания пара, и центральной скважины, через которую производится извлечение паров, которые предназначены для нагрева и последующего удаления загрязняющих веществ из подземной формации. Эти способы, в общем, основываются на поддержании низкого давления на поверхности или в скважине, через которую извлекаются пары, что необходимо для управления движением загрязняющих веществ из исходного положения к точке, где они могут быть удалены. Поскольку для получения потока паров через почву достаточной величины требуется приложение относительно большого перепада давления,в этих способах может применяться лишь незначительная степень нагрева, так как в противном случае в точке, в которой находятся парообразные загрязняющие вещества, будет создано давление, достаточное для того, чтобы вызвать движение парообразных загрязняющих веществ за пределы первоначально загрязненной почвы в направлениях, отличающихся от направления, в котором предусмотрено удаление загрязняющих веществ. Способ в соответствии с преамбулой п. 1 формулы изобретения известен из описания американского патента 5360067. В этом известном способе сжигаются загрязняющие углеводородные вещества, и газы, образуемые в результате горения, повторно вводятся в загрязненную формацию. С этим известным способом связан риск того, что несгоревшие парообразные загрязняющие вещества будут передвигаться из загрязненной формации вниз в другие слои формации. Задачей настоящего изобретения является способ удаления 2 загрязняющих веществ из загрязненной почвы посредством нагрева на месте загрязнения, в котором парообразные загрязняющие вещества не передвигаются из загрязненной почвы по направлению вниз. Сущность изобретения Эта и другие задачи решаются с помощью способа удаления летучих жидких загрязняющих веществ из загрязненного объема земли,причем этот загрязненный объем находится над незагрязненным слоем грунта, причем этот способ содержит следующие этапы: проходки загрязненного объема, по меньшей мере, одной скважиной так, что эта скважина проходит через загрязненный объем и, по меньшей мере, одна скважина проходит через незагрязненный слой; подачи тепла из скважины в пределах незагрязненного слоя в этот незагрязненный слой до тех пор, пока температура существенной части этого незагрязненного слоя, который прилегает к загрязненному слою, не достигнет, по меньшей мере, температуры точки кипения загрязненных жидкостей; и подачи тепла из скважины в пределах загрязненного объема в загрязненный объем, в котором температура загрязненного объема повышается до точки кипения загрязненных жидкостей после того, как существенная часть незагрязненного слоя, который прилегает к загрязненному слою, не будет нагрета приблизительно до точки кипения загрязненных жидкостей. Эти скважины предпочтительно проходят через загрязненную почву вертикально и выполнены с перфорацией для обеспечения извлечения через скважины паров, образующихся в загрязненной почве. Неожиданно было обнаружено, что, когда слой почвы, находящийся ниже загрязненного объема, нагревается для предотвращения конденсации загрязняющих веществ ниже загрязненной почвы при испарении загрязняющих веществ в загрязненном объеме,они не передвигаются по направлению вниз, но выталкиваются по направлению к поверхности или к перфорированным скважинам для удаления. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Настоящее изобретение направлено на решение проблемы удержания испаряющихся загрязняющих веществ от нежелательного распространения в процессе термического удаления загрязняющих веществ. При этом было обнаружено, что нагрев слоя почвы, находящегося ниже загрязнения, перед повышением температуры почвы, которую требуется очистить от загрязняющих веществ, приблизительно до точки кипения жидкостей в загрязненной почве,эффективно блокирует движение паров по направлению вниз. Способом в соответствии с настоящим изобретением из загрязненной почвы могут быть удалены летучие загрязняющие вещества, 3 представляющие широкое многообразие загрязняющих веществ, в соответствии с настоящим изобретением могут удаляться загрязняющие вещества, которые обычно считаются летучими,такие как бензин, но и намного более тяжелые углеводороды и материалы с более высокой температурой кипения также могут испаряться и удаляться в соответствии с настоящим изобретением. Например, в соответствии с настоящим изобретением, могут быть удалены в виде паров полихлорированные бифенилы ("PCBS"), ртуть и тяжелые масла, получаемые при работе заводов по производству отопительного газа. Даже когда температура не достигает точки нормального кипения этих материалов, будут вырабатываться пары воды и даже при ограниченном давлении паров загрязняющих веществ будет происходить удаление загрязняющего вещества с достаточным количеством водяного пара. Скважины, в соответствии с настоящим изобретением, могут быть выполнены как скважины с обсадной трубой или цементированные скважины, такие как обычно применяются в нефтедобывающей промышленности, но применение таких хорошо оборудованных скважин может оказаться для большинства случаев неоправданным. Может быть установлена тонкая обсадная труба, необходимая для предотвращения загрязнения парами, удаляемыми из формации, чистых пластов перекрывающих пород. Когда обсадная труба будет установлена в скважине до ее дна, она может быть перфорирована с помощью способов, хорошо известных в нефтедобывающей промышленности. Скважина может быть вертикальной, горизонтальной или расположенной под углом между вертикалью и горизонталью. Тепло может подаваться в загрязненный объем и предпочтительно в слой незагрязненной почвы, который расположен ниже объема загрязненной почвы через скважину. Известны нагреватели скважины, применяемые для обогрева скважины, которые предназначены для подачи тепла и передачи его в формацию. Например, нагреватели скважин, работающие на принципе сжигания газа, описаны в американских патентах 2902270 и 3181613, которые приводятся здесь как ссылки на прототипы. Электрические нагреватели скважин описаны,например, в американском патенте 5060287,которые приводятся здесь как ссылки на прототипы. Предпочтительный нагреватель скважины, работающий на сжигании газа, описан, например, в американском патенте 5255742,который приводится здесь как ссылка на прототип. Тепло передается в загрязненный объем благодаря теплопроводности, и предпочтительно подается из скважины, которая одновременно служит как источник разрежения, которое предназначено для удаления из скважины паров,содержащих загрязняющее вещество. Поэтому в 4 этом предпочтительном варианте воплощения изобретения парообразные загрязняющие вещества переносятся из формации непосредственно в скважину для последующего удаления, так что исключается возможность их переноса в более холодную почву, где эти загрязняющие вещества могут конденсироваться, вызывая повышение концентрации загрязняющих веществ в местах конденсации. Незагрязненный слой может в случае необходимости нагреваться с помощью подачи горячей текучей среды, такой как пар, газы, получаемые в результате сгорания, или нагретый азот. По мере того, как почва нагревается, начинает образовываться пар. Если загрязняющие вещества представляют собой легкие летучие компоненты (нормальная точка кипения которых ниже точки кипения воды), такие как бензин, первоначально вырабатываемые пары будут содержать относительно высокие концентрации загрязняющих веществ. Более тяжелые загрязняющие вещества будет испаряться по мере образования водяного пара присутствующей в почве воды из-за наличия некоторого давления паров тяжелых загрязняющих веществ в паре воды. Чем ниже давление может поддерживаться в загрязненной почве, тем выше концентрация тяжелых загрязняющих веществ достигается в парах, при этом требуется подача меньшего количества тепла для испарения этих загрязняющих веществ. Если загрязняющие вещества не смешиваются с водой, то водяной пар будет образовываться приблизительно при точке кипения воды при давлении в почве, существующем в этой точке. Загрязненная почва может быть подогрета до того как температура незагрязненного слоя достигнет точки кипения загрязняющих жидкостей, но температура загрязненного объема должна при этом оставаться ниже точки кипения жидкостей в загрязненной зоне, с тем чтобы предотвратить испарение (и соответственно движение) загрязняющих веществ до того, как в слое незагрязненной почвы будет достигнута такая же температура. Скважины, в соответствии с настоящим изобретением, могут представлять собой горизонтальные или вертикальные скважины. Вертикальные скважины предпочтительно проходят через загрязненный объем в незагрязненный слой, находящийся ниже загрязненного объема. Глубина проходки ниже загрязненного слоя выбирается с учетом расстояния между скважинами. Обычно глубина скважины ниже загрязненной зоны, приблизительно равная одной трети расстояния между скважинами, достаточна для обеспечения подачи тепла в незагрязненный слой. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения в скважинах устанавливается труба для удаления газообразного материала из формации и для размещения нагревателей. Для удаления загрязняющих ве 5 ществ из почвы в обсадной трубе предпочтительно поддерживается отрицательное давление. В каждой из обсадных труб могут быть установлены два нагревательных элемента, один в пределах загрязненного объема и один в пределах слоя ниже загрязненного объема. Нагревательные элементы могут подавать тепло через загрязненный объем и, в случае необходимости,могут проходить в незагрязненный слой, находящийся ниже загрязненного объема. В случае необходимости с помощью второго нагревательного элемента тепло может подаваться в часть скважины, которая расположена ниже загрязненного объема. Может быть установлен один нагревательный элемент, если этот элемент сконструирован таким образом, что он обеспечивает большую теплоотдачу (обычно приблизительно на 50% больше тепла на единицу длины) ниже загрязненного объема так, что температура приблизительно на уровне точки кипения жидкостей в слое ниже загрязненного объема достигается до того, как такая температура будет достигнута в загрязненном объеме. Это может быть выполнено с помощью нагревательного элемента, имеющего различный диаметр элементов. Например, может использоваться нагревательный элемент из нихромового провода, причем элемент с диаметром 0,32 см устанавливается в загрязненной зоне и с диаметром 0,26 см - в незагрязненной зоне. Предпочтительно следует устанавливать отдельные нагреватели, поскольку обеспечение требуемой разницы в потоке тепла в течение процесса удаления может быть неэффективным с точки зрения энергетики, и может существенно ограничить поток тепла в загрязненную область из-за ограничений по температуре внутри обсадной трубы. Кроме того, в случае, когда применяются отдельные нагреватели, нагреватель в слое, расположенном ниже загрязненной зоны, может быть включен первым, а затем, для уменьшения затрат энергии, он может быть выключен, по меньшей мере, на некоторый период времени,когда используется второй нагреватель. Обсадная труба может быть изолирована в слое перекрывающих пород, или в ней могут быть установлены дополнительные нагреватели для исключения конденсации парообразных загрязнителей в обсадной трубе. Здесь были описаны электрические резистивные нагреватели, но могут также устанавливаться другие типы нагревателей. Электрические нагреватели удобны в управлении и их применение оставляет больше пространства для потока паров из загрязненной почвы, поскольку не требуется устанавливать линии для передачи потоков внутри обсадной трубы. Дополнительные скважины, оборудованные таким образом, что с их помощью можно подавать тепло и удалять пары, предпочтительно выполняются в почве вокруг загрязненного объема с целью исключения ухода загрязняю 001706 6 щих веществ из первоначально загрязненного объема. Загрязненный объем был представлен как пространство, находящееся под перекрывающим пластом, но если почва должна быть нагрета до самой поверхности, на поверхности может быть установлена изоляция. Кроме того, если загрязненный объем распространяется практически до поверхности, может оказаться удобным установить герметизирующее устройство для паров над поверхностью для предотвращения втягивания излишнего количества воздуха в загрязненный объем и для предотвращения утечки паров загрязняющего вещества в атмосферу. Если загрязненный объем распространяется до самой поверхности, могут быть установлены поверхностные нагреватели так, что они будут подавать тепло прямо с поверхности. Пары предпочтительно удаляются через скважины, проходящие в загрязненный объем, и эти пары могут затем быть обработаны известными в данной области способами таким образом, что из них будут удалены загрязняющие вещества. Например, могут быть установлены термические окислители, предназначенные для окисления загрязняющих веществ, а затем остаточный поток пара может проходить через слои углерода для сбора оставшихся загрязняющих веществ и/или продуктов окисления загрязняющих веществ. Для поддержания низкого абсолютного давления в скважине и в формации может быть установлен, в общем случае, вентилятор. Предпочтительны низкие величины давления, поскольку низкое давление понижает температуры, при которых вода и загрязняющие вещества в загрязненной почве испаряются. Субатмосферное давление, кроме того, предотвращают утечку паров в атмосферу. Предпочтительно выбираются такие схемы размещения нагревательного элемента и скважин откачки, которые обеспечивают равномерный нагрев загрязненной почвы и уменьшают время, требуемое для окончательного удаления загрязняющих веществ из почвы. Могут использоваться схемы в виде треугольников или квадратов соответственно. Расстояние между скважинами в схеме в виде квадратов или треугольников может составлять, например, от 0,9 до 6 м. Такое относительно тесное расположение является предпочтительным, потому что передача тепла за счет теплопроводности почвы происходит относительно медленно. Аналогично, если слой незагрязненной почвы находится выше загрязненного объема,дополнительное тепло может быть подано как выше загрязненного объема, так и ниже загрязненного объема. Это дополнительное тепло может быть подано с помощью отдельного нагревателя или нагревающих элементов, установленных таким образом, чтобы обеспечить большую отдачу тепла в слое незагрязненной почвы,находящемся выше загрязненной почвы. 7 Схема размещения нагревательных скважин и скважин откачки предпочтительно выходит за пределы области загрязненной почвы. Так же как и слой, находящийся ниже загрязненного объема, это кольцо, окружающее границу области загрязненного объема, предпочтительно нагревается до точки кипения жидкостей в этом кольце до того, как будет произведен нагрев загрязненного объема до температуры выше точки кипения жидкостей в загрязненном объеме. В качестве альтернативы, загрязняющие вещества могут быть замкнуты барьерами, установленными по сторонам, например, в виде тонких металлических пластин, которые помещаются в грунте или в виде барьеров из цемента или жидкой глины, которые заливаются в узкие траншеи. Пример. Важность нагрева загрязненной почвы из области, расположенной ниже загрязненной почвы, демонстрируется с помощью стеклянной колонны, заполненной песком, в которой влажный песок заполняет чистый слой, расположенный у дна колонны, и верхний слой, который содержит изменяемое количество "wintergreen" масла (метилсалицилата), моделирует загрязнения типа "РСВ". Метилсалицилат имеет большую плотность чем вода и стремится погрузиться через воду. В данном устройстве использовалась стеклянная колонна с внутренним диаметром 7,6 см и длиной 91,5 см. В верхней ее части может создаваться вакуум. Небольшая степень вакуума (приблизительно 2,54 см водяного столба) поддерживается в верхней части колонны с целью удаления парообразного"wintergreen" масла. Тепло может подаваться с помощью гибких нагревателей, обернутых вокруг внешней поверхности стекла, с изоляцией толщиной 3,2 см вокруг нагревателей. Использовались резистивные нагреватели с сопротивлением 17 Ом, они имели 43 см в ширину и 30,5 см в высоту, и поставлялись фирмой Минко Продактс Инк. (Minco Products Inc.), Хьюстон,Техас, США. Один нагреватель был обернут вокруг секции, содержащей "wintergreen" масло,а другой был обернут вокруг нижней секции колонны. В примерах в соответствии с настоящим изобретением вначале включался нижний нагреватель, а верхний нагреватель включался после того, как температура чистого песка достигала точки кипения "wintergreen" масла. В сравнительных примерах С 1-С 3 нижний нагреватель не использовался. В каждом примере чистый песок помещался в донной части стеклянной колонны, другая часть песка смешивалась с "wintergreen" маслом и помещалась поверх чистого песка. Обогрев продолжался до тех пор, пока температура песка не достигала приблизительно 250 С, затем колонну охлаждали, и определялась концентрация "wintergreen" масла в песке в верхней части и в донной части колонны. 8 В таблице сведены результаты примеров 110 и сравнительных примеров С 1-С 3. Исходное содержание масла выражено в весовых процентах "wintergreen" масла в верхних 20 см колонны. Окончательная концентрация масла в верхней части представляет содержание масла в образце из верхней секции колонны после того,как верхняя секция колонны нагревалась приблизительно до 250 С, а затем охлаждалась. Окончательное содержание масла в донной части колонны представляет максимальную концентрацию масла в донной секции колонны после того, как колонна нагревалась, а затем охлаждалась. В каждом из опытов температура в колонне постепенно повышалась до тех пор, пока не достигалась точка кипения воды, а затем поддерживалась постоянной до тех пор, пока вода не испарялась. Температура затем вновь постепенно повышалась до тех пор, пока не достигалась точка кипения "wintergreen" масла, а затем поддерживалась на постоянном уровне до тех пор, пока существенная часть "wintergreen" масла не испарялась, и затем температура вновь повышалась. Таблица Окончательное Окончательное Исходное содержание Пример содержание масла содержание масла в верхней в донной части,масла, вес. ч. части, вес. ч. вес. ч. на миллион на миллион 1 20000 0 0 2 39900 10 10 3 10000 10 0 В сравнительных примерах C1, C2 и С 3,чем выше была исходная концентрация масла в верхней секции, тем большее количество загрязняющих веществ конденсировалось в расположенном ниже чистом песке. В примерах, в которых вначале нагревалась нижняя секция(примеры 1, 2 и 3) по существу, отсутствовала конденсация масла в расположенном ниже чистом песке. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ удаления летучих жидких загрязняющих веществ из загрязненного слоя земли, расположенного выше незагрязненного слоя земли, содержащий проходку через загрязненный слой, по меньшей мере, одной скважиной через загрязненный слой и, по меньшей мере, одной скважиной через незагрязненный слой, отличающийся тем, что данный способ дополнительно содержит следующие этапы: подачи тепла из скважины в незагрязненный слой, прилегающий к загрязненному слою,до тех пор, пока температура существенной части этого слоя не достигнет, по меньшей мере, 9 температуры точки кипения загрязняющих жидкостей; и подачи тепла из скважины в загрязненный слой до достижения кипения загрязняющих жидкостей. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап удаления парообразных загрязняющих веществ из загрязненного слоя через, по меньшей мере, одну скважину откачки с поддержанием в скважине откачки субатмосферного давления. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что подачу в загрязненный объем тепла осуществляют через скважину откачки. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что,по меньшей мере, одна скважина проходит в загрязненный слой и из загрязненного слоя в незагрязненный слой. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что применяется схема скважин откачки-нагрева. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что скважины в этой схеме расположены на расстоянии примерно от 0,9 до 6 м друг от друга. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что,по меньшей мере, одна скважина, проходящая через незагрязненный слой, представляет собой,по существу, горизонтальную скважину. 10 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что,по меньшей мере, одна скважина, проходящая через незагрязненный слой, представляет собой,по существу, вертикальную скважину, которая также проходит через загрязненный слой. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепло подается в незагрязненный слой из скважины в области незагрязненного слоя. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, если загрязненный слой располагается ниже незагрязненного слоя земли, способ дополнительно содержит этап повышения температуры этого незагрязненного слоя земли до температуры, которая выше нормальной точки кипения загрязняющих жидкостей, до нагрева загрязненного слоя до нормальной точки кипения загрязняющих жидкостей. 11. Способ по п.8, отличающийся тем, что тепло подается в загрязненный слой и в незагрязненный слой от электрического нагревательного элемента, причем этот электрический нагревательный элемент проходит через скважину в области загрязненного слоя и в скважину в область незагрязненного слоя и представляет собой провод, имеющий больший диаметр в области загрязненного слоя, чем в области незагрязненного слоя.