燃气热修复土壤过程中多场耦合热质传递及应用研究
原位土壤热修复是分解土壤污染物的一种有效修复技术。提高土壤温升速率，改善温度分布均匀性是原位土壤热修复高效节能的关键。论文为准确揭示加热过程中土壤多场耦合热质传递规律，开展了燃气热修复土壤过程中不同要素对土壤传热传质规律的研究。理论建立了燃气加热系统以及土壤热质传递模型，得到了燃烧器出口温度和流量与各参数之间的关系以及加热井出口温度和加热功率的变化规律；试验研究了原位热修复土壤的温度变化规律；数值研究了土壤湿份扩散条件、加热方式、场地热设计对土壤传热特性的影响，得到了土壤加热不同时期的温度场分布以及温度曲线变化规律。 燃气加热系统以及非饱和土壤热湿传递理论建模研究。对加热系统的燃烧器和加热井建立了数学模型，研究了不同参数对天然气加热系统功率的影响。研究结果表明：加热功率随天然气流量增大，先上升最后趋于稳定；天然气加热系统加热功率随着加热井内管管径、管径比、加热井深度的增大而增大。 土壤原位热脱附过程土壤温度变化规律试验研究。基于相似性原理设计了加热试验系统，设计了加热棒功率、加热土壤尺寸和水分渗流等关键试验参数，搭建了试验台，在加热功率6~8kW、含水量15%~30%、侧面渗流数0~2范围，试验研究了土壤温度变化规律。试验研究发现：土壤温度变化呈现三个阶段，集中预热段：温度由环境温度升高至水的沸点、蒸发段：主要是水分蒸发，温度维持沸点温度、过热段：土壤温度继续上升；离加热棒距离越远，温度升高速率越慢，各阶段持续时间也越长；相同加热棒距离处，土壤越深测点温度上升速率越快；加热功率的增大、初始含水量和侧面渗流数的降低都会使三个阶段的持续时间减少，最终加热温度会有不同程度的提升；并且预测了原位土壤修复技术工程应用的加热时间。 加热过程土壤传热特性影响规律数值研究。系统开展了不同湿份扩散条件、不同加热条件、不同场地热设计对土壤传热特性规律研究。研究结果表明：随着水分渗流速度的增大，蒸发段和过热段持续时间均有增加，过热段持续时间增长更加明显，同时水分渗流会削弱附近区域的温度升高速率，不利于土壤传热；土壤中初始含水量的增长使得集中受热段和蒸发段的持续时间上升，对蒸发段影响较大，对过热段无影响；在抽提井的负压作用下，土壤内流体向抽提井转移导致了土壤中温度场发生偏移，高温区域更多的集中在加热井与抽提井之间的部分；加热井为恒定功率时，土壤平均温度呈线性增长，当加热井为恒定温度时，土壤平均温度增长速率逐渐变缓；加热井井间距过大会导致高温区域集中在土壤四周部分，间距过小会导致周边土壤不能达到目标温度。同时加热井深度为3.5米和4米时导致底部土壤不能得到充分的热量，加热井井间距为2米加热井深度为4.5米时，土壤传热效果最好，温度分布较为均匀。 本文研究为土壤温升规律以及传热特性影响规律提供了有利的理论支持，对原位土壤热修复技术的发展具有重要的意义。
土壤热修复;燃气加热系统;多场耦合;热质传递;热脱附过程
华北水利水电大学
硕士
动力工程及工程热物理
徐维晖;王为术
2020
中文
X53
2020-12-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）