專利名稱：用于修復(fù)污染土地的方法和裝備的制作方法
用于修復(fù)污染土地的方法和裝備
本發(fā)明涉及一種用于修復(fù)或凈化被可燃材料污染的土地的方法和裝
備。特別地，但不排外地，本發(fā)明涉及一種用于修復(fù)被非水相液體(NAPL) 污染的土地區(qū)域的改進(jìn)方法和裝備。
歷史上不健全的處理實(shí)踐和危險(xiǎn)的工業(yè)化學(xué)制品持續(xù)的意外泄露對(duì) 地下水和地表水的污染正在影響世界上成千上萬(wàn)的地方。這些化學(xué)制品 中最常見(jiàn)且最成問(wèn)題的是不可混合的有機(jī)液體，尤其是非水相液體
(NAPL )。比水輕的NAPL稱為L(zhǎng)NAPL;這些包括汽油(汽油)和柴油。 比水稠的NAPL稱為DNAPL;這些包括氯化溶劑，如三氯乙烯(TCE ) 和四氯乙烯(PCE )、多氯聯(lián)苯(PCB )以及合成的烴混合物(例如煤焦 油和雜酚油)。由于NAPL的普遍性、毒性、持久性和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)修復(fù)工作
(standard remediation effort)的抵抗性，NAPL造成了對(duì)水質(zhì)量嚴(yán)重且長(zhǎng) 期的威脅。
大不列顛聯(lián)合王國(guó)環(huán)境署已經(jīng)顯示，在英格蘭和威爾士有高達(dá)20,000 個(gè)地方被NAPL污染物所影響，且其要求在大不列顛聯(lián)合王國(guó)環(huán)境保護(hù)法 下處理。的確，據(jù)估計(jì)，僅氯化溶劑就占英格蘭和威爾士地下水污染實(shí)例 的約30%。在美國(guó)，美國(guó)國(guó)防部估計(jì)，在略高于3,000個(gè)嵌入溶劑的地方 中的約11%具有存在于在地下的DNAPL源區(qū)。源區(qū)是包括不可混合的液 體(NAPL)的地下區(qū)域，其可持續(xù)數(shù)十年或者甚至數(shù)百年，且繼續(xù)在地 下水中以一定的濃度釋》文溶解相污染物，該污染物通常遠(yuǎn)超過(guò)那些被認(rèn)為 產(chǎn)生人類健康風(fēng)險(xiǎn)的污染物。此外，這些化合物通常是可揮發(fā)的，且因此 部分也成為存在于高于水位的土壤中的氣相，從此處，這些汽可遷移到地 上，并進(jìn)入建筑物中。因此，NAPL源區(qū)對(duì)土地、水和空氣的持續(xù)污染是 有責(zé)任的。
在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)，大范圍的工業(yè)都產(chǎn)生了 NAPL，包括得到的副
產(chǎn)品和廢棄物源于(由煤)制造氣體而產(chǎn)生的煤焦油、由木材防腐操作 產(chǎn)生的雜酚油以及在電元件去油中使用并用于千清潔的溶劑。由這些不可 混合的有機(jī)液體產(chǎn)生的地下污染物在制造、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用及處理場(chǎng)地 產(chǎn)生。尤其是，在過(guò)去，通過(guò)在使用這些材料后將其灌注到土地中而處理 這些材料是比較普遍且允許的實(shí)施。僅在過(guò)去的20年已經(jīng)意識(shí)到NAPL 帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)規(guī)范它們的處理，并開(kāi)始尋找NAPL污染地方的修復(fù)方 法。但是，NAPL在地下是高度持久穩(wěn)固的，且用目前的修復(fù)技術(shù)難以圓 滿地解決。當(dāng)^L回收到地面時(shí)，它們對(duì)于處理是危險(xiǎn)的，且安全地處理或 處置代價(jià)高。
工業(yè)副產(chǎn)品/廢棄物材料通常形成液體或液體/氣體沉淀物，{旦在某些 材料的情況下，也可能出現(xiàn)固體沉淀物?？赡艹霈F(xiàn)固體污染物的一種典型 場(chǎng)所是在已經(jīng)制造有機(jī)化學(xué)爆炸物的地方和生產(chǎn)過(guò)程和/或制造過(guò)程已經(jīng) 產(chǎn)生排放的地方。包括在有機(jī)爆炸物制造中的2,4,6-三硝基曱苯(TNT)、 2, 4-二硝基曱苯(DNT )、六氫-1, 3 , 5-三硝基-1, 3, 5-三。秦 (RDX )、以及 八氫-1, 3 , 5, 7-四硝基-1, 3, 5, 7-四。秦(tetrazocine ) (HMX )的排放尤其成 問(wèn)題。這是因?yàn)?，在環(huán)境溫度顯著低于排放水溫度的環(huán)境下(并非不常見(jiàn) -地下水通常是l(TC)，爆炸物可能從溶液沉淀出來(lái)，并在土壤中產(chǎn)生單 獨(dú)的固相材料。
在地下發(fā)現(xiàn)為固相的另一種有機(jī)污染物是由剛從煤制造的氣體的冷 卻和凈化產(chǎn)生的凈化廢棄物(purifier waste)(在20世紀(jì)早期到中期普遍 實(shí)施)。在此過(guò)程中，雜質(zhì)通過(guò)使氣體通過(guò)由摻雜有鐵屑的石灰或木屑制 成的"凈化床(purifierbed)"而被去除。凈化床最終裝載有焦油和其它材 料，且變得不可使用。如果這種凈化廢棄物(也稱為"箱廢棄物(box waste )，，)沒(méi)^皮覆蓋，且被遣送到垃圾場(chǎng)或用于填充場(chǎng)地的低地區(qū)域，其具 有自發(fā)點(diǎn)燃的趨勢(shì)。凈化廢棄物通常被發(fā)現(xiàn)是混合了固體片(典型為焦油) 與木屑的深色混合物。
已經(jīng)提出了用于處理NAPL的幾種方法，且取得了不同程度的成功。 例如，處理^皮NAPL污染的土地區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)方法是挖掘并處理，或者稱為
"挖掘和傾倒(dig and dump)"。這種方法包括確認(rèn)和挖掘污染土i裏，并 將其運(yùn)送到垃圾場(chǎng)，在這里，其被堆積。但是，這種實(shí)施簡(jiǎn)單地將污染問(wèn) 題從一個(gè)區(qū)域移到另一個(gè)區(qū)域，而且通過(guò)將NAPL帶到地面以上而經(jīng)常增 加暴露的風(fēng)險(xiǎn)。這種實(shí)施目前由于不能成立而不被支持，且最近在大不列 顛英國(guó)由于新的立法和垃招^兌而變得昂貴得多。
已經(jīng)用于努力處理NAPL的第一原位(即，在地面內(nèi))方法是"抽取 和處理(pump and treat)"技術(shù)。這包括安裝NAPL源區(qū)的順梯度 (downgradient)地下水回收井(recovery well )。回收井的連續(xù)抽耳又收集由 源區(qū)排出的溶解相化合物。這種回收污染水必須在地面處理。但是，這種 技術(shù)實(shí)質(zhì)上是用于由NAPL產(chǎn)生的溶解相流的遏制策略，且已經(jīng)顯示對(duì)修 復(fù)源區(qū)是無(wú)效的。因此，它們經(jīng)常被不確定地簡(jiǎn)易操作，以限制污染地下 水的蔓延。
很多處理技術(shù)存在處理地下水中的溶解相化合物。但是，與"抽取和 處理" 一樣，這些技術(shù)不處理將化合物連續(xù)地"供應(yīng)"到這些地下水流的 源區(qū)。僅有很少的技術(shù)用于處理源區(qū)的NAPL本身。
各種原位化學(xué)處理已經(jīng)用于嘗試從污染的場(chǎng)地移除NAPL。例如，在 一種才支術(shù)中，將表面活性劑或醇通過(guò)注入井泵送到地下，并輔助NAPL溶 解和運(yùn)用，其可隨后^^皮泵送出第二順梯度井。產(chǎn)生的NAPL和污染水的混 合物然后可在地面分離成水相和非水相，以便處理和/或焚化。但是，這種 技術(shù)遭受很多不利條件。尤其是，它包括昂貴的連續(xù)添加物和有時(shí)候危險(xiǎn) 的化學(xué)添加劑；在一些地下安裝中可能不是特別有效；可能導(dǎo)致DNAPL 向下再活化，這使形勢(shì)變得更壞；包括難于從NAPL中分離或重復(fù)利用的 流體；以及重新獲得大量需要處理的流體。
用于從污染場(chǎng)地原位移除NAPL的進(jìn)一步化學(xué)處理包括它們的氧化。例 如，可將高錳酸鉀抽取至污染場(chǎng)地中，其隨后借助氧化反應(yīng)與NAPL反應(yīng)， 以將NAPL轉(zhuǎn)變成沒(méi)有危險(xiǎn)的化合物。但是，由于同時(shí)反應(yīng)形成的礦物固體 阻塞了 NAPL周圍的孔隙，因此阻止了反應(yīng)物之間的進(jìn)一步接觸，所以這種 技術(shù)的成功受到限制。此外，在土壤中自然產(chǎn)生的有機(jī)材料通常具有大量的 氧化劑需求，需要注入額外的氧化劑。大量氧化劑的使用通常是昂貴的。
生物技術(shù)也已經(jīng)用于努力修復(fù)被NAPL污染的場(chǎng)地。這種生物修復(fù)技 術(shù)通常包括添加養(yǎng)分和有機(jī)食物源到污染土壤中，使得土壤中的細(xì)菌組繁 殖并相互作用，以降解危險(xiǎn)的化合物。異位生物修復(fù)(ex-situ bioremediation)包括掘出污染土i裏，并在地表的反應(yīng)堆中或土墩中處理。 原位生物修復(fù)已經(jīng)被執(zhí)行，用于處理源區(qū)的順梯度溶解相化合物，起到流 遏制策略，而不是減小NAPL體積的作用。最近，已經(jīng)努力使源區(qū)本身中 的生物修復(fù)成為可能；同時(shí)在一些試驗(yàn)室中也顯示了一些成功，這在本領(lǐng) 域中尚待論證。
NAPL源區(qū)的生物修復(fù)存在一些問(wèn)題。添加劑(有機(jī)基質(zhì)和養(yǎng)分)的 連續(xù)輸入可能使得處理代價(jià)高。此外，對(duì)于每個(gè)污染場(chǎng)地，有必要獲得場(chǎng) 地的細(xì)菌、食物和養(yǎng)分的特定平衡。因此，生物修復(fù)技術(shù)是具有特定的場(chǎng) 地特性的。與生物修復(fù)技術(shù)有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是"生物淤積"問(wèn)題，其中 在NAPL和抽取井(pumpingwell)附近的孔隙被過(guò)度的微生物生長(zhǎng)堵塞。
些情況下，也需要注入已知的生物降解器(biological degrader),此過(guò)程稱 為"生物強(qiáng)化(bio-augmentation )"。但是，在某些權(quán)限中，不主動(dòng)阻礙該 實(shí)施，且在很多情形下，由于培植非本土 (non-native)有機(jī)體的限制，該 實(shí)施是不被允許的。
所有以上描述的原位(即，在地下)化學(xué)和生物處理技術(shù)都包括將流 體注入到源區(qū)上流(upgradient)的地下，且依靠化學(xué)物質(zhì)和NAPL之間的 隨后接觸。然而，所有這種流體注入技術(shù)的重大問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)源頭的期望的 沖洗可能是成問(wèn)題的。流體分流(fluidbypassing)經(jīng)常發(fā)生，其中注入的 流體趨向于在NAPL周圍流動(dòng)，從而限制它暴露到注入的化學(xué)物質(zhì)部分， 并因此限制與注入的化學(xué)物質(zhì)部分的接觸。這主要由兩種原因引起NAPL 趨向于停在地下材料較低滲透性的透鏡狀礦體(lens )(例如，淤泥或粘土 ) 上，這自然地使流動(dòng)轉(zhuǎn)移離開(kāi)它們；且NAPL自身阻擋使水或注入的流體 更容易且快速在源區(qū)周圍流動(dòng)的孔隙。此外，注入的流體的稀釋可能使它 們的濃度降低，使得它們的有效性降低。
已經(jīng)用于努力從污染場(chǎng)地去除NAPL的另一種方法包括熱修復(fù)技術(shù)，
其包括蒸汽清洗、電阻加熱(ERH )和電導(dǎo)加熱(electrical conductive heating) (ECH)。熱修復(fù)技術(shù)的益處在于，它們可在數(shù)月到數(shù)年左右減少 NAPL物質(zhì)(對(duì)比上面描述的用于更4皮動(dòng)才支術(shù)(passive technology)的凄史 年到數(shù)十年)，且它們?cè)诘蜐B透性介質(zhì)中是有效的，因?yàn)榕c流體流動(dòng)相比， 熱傳導(dǎo)通常受水力特性的影響較小。
蒸汽清洗包括將蒸汽注入到地下，以揮發(fā)和減小NAPL的粘性，因此 有助于它們朝產(chǎn)出井(withdrawal well)流動(dòng)。ERH和ECH包括將大的電 極植入到地下(在源區(qū))，并持續(xù)加熱水和/或土壤本身。熱方法通常將地 下加熱到約100。C的溫度。這樣做，它們并不是要原位破壞污染物，而是 要改變它們的相和/或性質(zhì)，使得它們能被移動(dòng)和回收。主要的修復(fù)機(jī)制是 使NAPL化合物揮發(fā)，使得它們可以在地下或在地表面被從氣相收集。也 常見(jiàn)的液體回收是由于它們減小的粘性而被移動(dòng)。在一些情形中， 一些 NAPL化合物可被熱降解，因?yàn)槲盏臒崃看偈刮鼰峤到?高溫分解)或 與水反應(yīng)(水解)。然而，這些技術(shù)展示了各式各樣的成功，且都具有顯 著的缺點(diǎn)。尤其是，這些技術(shù)需要大量并連續(xù)的能量輸入，以便獲得并維 持給定的溫度。因此，這些技術(shù)通常證實(shí)是過(guò)于昂貴的。
因此，概要地說(shuō)，修復(fù)(或凈化)被NAPL污染的場(chǎng)地的已有技術(shù)方 法在其被操作的時(shí)間量程、使用技術(shù)的有效性及產(chǎn)生的花費(fèi)方面通常具有 顯著的局限性。
消除或緩解與已有技術(shù)有關(guān)的缺點(diǎn)中的至少一個(gè)是本發(fā)明實(shí)施方式 的目的之一。
從閱讀下述描述，本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)和目的將變得明顯。
才艮據(jù)本發(fā)明的第 一方面，提供了 一種修復(fù)被可燃材料污染的土地的方 法，該方法包括以下步驟
在待修復(fù)的土地中確定地下可燃材料體積(a subterranean volume of combustible material)的位置；以及
點(diǎn)燃可燃材料，以燃燒所述材料，并由此修復(fù)土地。本發(fā)明由此提供了一種方法，通過(guò)該方法，被可燃材料污染的土地可 通過(guò)原位燃燒該材料而^^凈化或祐L修復(fù)。這克服了與已有清除技術(shù)如"挖
掘和傾倒"有關(guān)的問(wèn)題。材料的燃燒可以自維持(self-sustaining),因?yàn)槠?僅需要供給足夠的能量來(lái)點(diǎn)燃該材料； 一旦被點(diǎn)燃，只要有足夠的燃料(可 燃材料)和用于進(jìn)行燃燒的氧，該材料的燃燒就可繼續(xù)。例如，這與已知 的需要連續(xù)的能量輸入的熱修復(fù)過(guò)程形成對(duì)比。
包括很多常見(jiàn)NAPL和一些固體有機(jī)污染物的材料是可燃的，并包括 豐富的能量。當(dāng)燃燒時(shí)，它們釋放大量的熱。例如，TCE和氯丹的燃燒熱 (HOC )分別相當(dāng)于木材燃燒熱的90 %和300 % ;切碎的輪胎，其HOC 僅為木材的5%，已經(jīng)在廢棄物回收計(jì)劃中被成功地燃燒。燃燒包括在有 氧化劑的情況下可燃材料的自維持放熱反應(yīng)，在此過(guò)程中氧化(并因此破 壞)可燃材料。當(dāng)可燃材料被埋入多孔介質(zhì)中時(shí)，多孔介質(zhì)對(duì)于燃燒具有 非常有益的影響固體起到能量?jī)?chǔ)存的作用，且然后將能量供給到反應(yīng)中。 這種能量反々貴機(jī)制意味著，有效的自蔓延燃燒(self-propagating combustion) 過(guò)程對(duì)于其他導(dǎo)致熄滅的條件是有可能的。在異位焚化的應(yīng)用中，多孔燃 燒器和提高的油回收預(yù)示著重大的潛在性，但是用于地下修復(fù)的原位燃燒 的概念是新穎的。
可以理解，可燃材料是地下的，因?yàn)樗幱诘仄矫嬉韵禄蛟诘叵?，?可包括流體和/或固體，或其的任意組合物。然而，預(yù)期大部分材料主要是 流體相。也可以理解，地下通常是多孔的，且可包括具有可燃液體的土;t裏 或相似物，可燃液體通常存在于界定在土壤的固體顆粒之間的孔中(或者 在斷裂巖石環(huán)境(fractured rock environment)的情況中，存在于在巖石/ 粘土塊之間和/或在巖石/粘土基質(zhì)自身的孔隙中的破裂網(wǎng)中)。
在點(diǎn)燃可燃材料之后，可產(chǎn)生燃燒前沿(combustionfront),并且該燃 燒前沿可向外4亍進(jìn)，離開(kāi)點(diǎn)燃點(diǎn)(point of ignition),并通過(guò)可燃材并牛的體 積。燃燒前沿可跟隨由包括流體體積形狀和沿土壤中相互連接的孔界定的 路徑的因素界定的路徑。燃燒前沿應(yīng)在沒(méi)有提前已知具體分布(路徑)的 (地面上)操作者的情況下跟隨可燃材料的分布(即，路徑)離開(kāi)點(diǎn)燃點(diǎn)。 因此，該過(guò)程也將是自引導(dǎo)的。
優(yōu)選地，該方法包括監(jiān)控材料的燃燒。監(jiān)控材料的燃燒可包括監(jiān)控一 個(gè)或多個(gè)參數(shù)的步驟，上述參數(shù)包括在多個(gè)位置被可燃材料污染的土地的 溫度。監(jiān)控燃燒還可包括監(jiān)控燃燒過(guò)程的副產(chǎn)品，如由材料燃燒引起的氣 體副產(chǎn)品的組成和/或體積。該方法可包括實(shí)時(shí)并因此在燃燒過(guò)程期間監(jiān)控 材料的燃燒。在很多情況下，僅僅通過(guò)繪制NAPL和在處理前及然后在處 理后的順梯度氣體/水濃度的分布，并著眼于不同點(diǎn)以確定該技術(shù)的"有效
性"來(lái)在本領(lǐng)域中評(píng)價(jià)現(xiàn)有的NAPL修復(fù)技術(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控提供超過(guò)已有方 法的顯著優(yōu)點(diǎn)。可選擇地，或額外地，這種方法可包括在燃燒之后，也就 是，在燃燒停止之后監(jiān)控材料燃燒的程度。
通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控或者通過(guò)在燃燒停止后監(jiān)控燃燒的程度來(lái)監(jiān)控材料的 燃燒，可有利于確定材料已經(jīng)燃燒的程度以及包括材料正經(jīng)歷或已經(jīng)經(jīng)歷 的燃燒的類型以及燃燒前沿通過(guò)材料行進(jìn)的速度這些因素。例如，如果燃 燒前沿比預(yù)期行進(jìn)齊f曼，那么可能是相對(duì)缺乏氧?？蛇x擇地，如果燃燒前 沿比預(yù)期行進(jìn)得快，可能是相對(duì)于材料的體積具有過(guò)多的氧。
因此，通過(guò)監(jiān)控材料的燃燒，可采取措施，以便實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的或期望的 燃燒形式及燃燒率。例如，該方法可包括監(jiān)控材料的燃燒，并在一個(gè)或多 個(gè)位置中供給(或改變供給量或供給率)空氣/氧。可供選擇地，該方法可 包括供給額外的燃料，如其他可燃材料，例如，以輔助點(diǎn)燃材料體積?？?供選擇地，該方法可包括供給燃燒抑制劑(combustion suppressant )，如氮 或水，以便抑制并由此控制燃燒。在進(jìn)一步的可選方案中，該方法可包括 使點(diǎn)燃裝置(ignition device)(用于點(diǎn)燃材料)不起作用和/或減少或終止 氧化劑的添加，以控制(或抑制)燃燒?？筛鶕?jù)燃燒發(fā)生的類型控制燃燒， 這將在下面描述。
有焰燃燒指在氣相中進(jìn)行的燃燒。例如，當(dāng)NAPL聚積物(例如，煤 油)位于開(kāi)口容器中并被點(diǎn)燃時(shí)，熱將持續(xù)地使該燃料揮發(fā)，且氣體燃料 燃燒產(chǎn)生火焰。有焰燃燒也被稱為均勻燃燒，因?yàn)樵谌紵l(fā)生的位置，氧 化劑(空氣中的氧)和燃料兩者都處于相同的(氣體)相，此處它們?nèi)菀?混合。有焰燃燒相對(duì)快地消耗燃料，并產(chǎn)生相對(duì)高的溫度(例如，通常大 于900 °C )。
無(wú)焰燃燒(smouldering combustion)指材料在固體/液體材料本身表面 上的燃燒。例如，當(dāng)可燃材料(例如，煙草)^皮壓緊，以形成多孔固體(例 如，香煙)，并被點(diǎn)燃時(shí)，氧化劑(氧)擴(kuò)散至材料表面，且燃燒在煙草 表面繼續(xù)。無(wú)焰燃燒被稱為非均勻燃燒(heterogeneous combustion )，因?yàn)?氧化劑(氣體)和燃料(液體或固體)不處于相同的相。無(wú)焰燃燒相對(duì)有 焰燃燒通常進(jìn)行得較慢，且產(chǎn)生較低的溫度(例如，通常在400。C和600 。C之間)，但是在特定的條件下，可獲得超過(guò)100(TC的溫度。通過(guò)監(jiān)控和 控制燃燒，可以促進(jìn)無(wú)焰燃燒。
在特定的實(shí)施方式中，該方法可包括監(jiān)控燃燒，以便促進(jìn)和維持材料 的無(wú)焰燃燒?？晒┻x擇地，該方法可包括監(jiān)控燃燒，以便促進(jìn)有焰燃燒。 可通過(guò)監(jiān)控/控制氧化劑(空氣/氧/臭氧)的供給/比率來(lái)實(shí)現(xiàn)這些不同的燃 燒機(jī)制。例如，無(wú)焰燃燒，是氧不夠的，使得其可通過(guò)管理氧供給來(lái)控制； 可在較低溫度傳播；且需要較少的氧化劑。因此，通過(guò)監(jiān)控燃燒和控制氧 化劑的供給，可促進(jìn)無(wú)焰燃燒。如果需要的話，可供給燃燒抑制劑，如氮， 以維持燃燒處于無(wú)焰燃燒狀態(tài)。該方法可包括超絕熱地(super-adiabatically) 燃燒材料，使得材料經(jīng)歷超絕熱燃燒。在超絕熱燃燒中，燃燒前沿與燃料 和氧化劑的遷移一起經(jīng)歷朝向支配燃燒過(guò)程的反應(yīng)區(qū)的最小移動(dòng)。
該方法可包括控制材料燃燒的程度，并可包括在期望或確定的時(shí)間段 后熄滅燃燒；和/或跟隨燃燒前沿行進(jìn)期望或確定的距離通過(guò)材料，并因此 到達(dá)期望位置。
在期望的時(shí)間熄滅燃燒可:t要下述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)。如果燃燒還不夠熱充分以達(dá) 到熱自維持，且因此用于點(diǎn)燃材料的點(diǎn)燃元件(ignition element)仍然被激 活時(shí)，則點(diǎn)燃裝置可祐:停掉，以由此熄滅燃燒。如果燃燒以熱充分、熱自維 持模式發(fā)展，且因此點(diǎn)燃元件被關(guān)閉，但是燃燒缺少/缺乏氧，使得繼續(xù)燃 燒要農(nóng)靠繼續(xù)添加氧化劑(例如，空^/lL/臭氧)，于是可減小或停止氧化劑 流，以由此熄滅燃燒。實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)的可選方法是通過(guò)用諸如氮或水的抑制劑稀 釋氧化劑流。如果燃燒在沒(méi)有氧化劑供給和不需要維持激活的點(diǎn)燃裝置的情 況下繼續(xù)進(jìn)行，那么可注入諸如氮或水的燃燒抑制劑；這對(duì)于通常具有埋入 的氧化劑的化學(xué)爆炸物污染的土地的修復(fù)可能是有特殊功效的。
通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)燃燒屏障(combustion barrier)可實(shí)現(xiàn)在期望的 位置熄滅燃燒。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，場(chǎng)地邊界或周界可通過(guò)設(shè)置一個(gè) 或多個(gè)燃燒屏障而形成。形成一個(gè)或多個(gè)燃燒屏障的步驟可包括構(gòu)造物理 屏障。例如，剛性的板樁墻(例如，由鋼制成)可被打入地下，以形成截 斷墻(cut-off wall )。或者，例如，時(shí)間設(shè)定材料(time-setting material )， 如包括膨潤(rùn)土的水泥材料，可被注入地下，通常注入到挖掘的溝渠或鉆孔 中，以形成截?cái)鄩Α？蛇x擇地，或此外，形成屏障的步驟可包括通過(guò)將流 體注入地下多個(gè)位置中形成流體抑制墻(fluid suppression wall)，例如氣體 墻。例如，可鉆取多個(gè)鉆孔/井孔，和/或可形成溝渠(填充有砂礫或相似 物)，且流體抑制劑通過(guò)鉆孔注入，和/或注入到溝渠中。這些技術(shù)可提供 在由此界定的邊界中熄滅燃燒過(guò)程的屏障。
材料優(yōu)選地是非水流體，并因此在水中是不可混合的，但是也可以是 或者可供選擇地是固體?？扇疾牧峡梢允荖APL，且更特別地可以是 DNAPL或LNAPL。
該方法可包括從地表進(jìn)入可燃材料體積。進(jìn)入材料體積可包括鉆取從 地表到與材料體積交匯的位置或到與材料體積相鄰的位置的入口鉆孔 (access borehole )、通道或相似物。這可方便可燃材料隨后的點(diǎn)燃。鉆孔 或相似物可以是實(shí)質(zhì)上垂直的，或可以是水平鉆孔?？梢岳斫?，水平鉆孔 是包括從垂直鉆孔偏離的至少一部分的鉆孔；這種鉆孔在油氣體勘探和生 產(chǎn)工業(yè)是已知的，且方便從橫向間隔的位置進(jìn)入到材料體積。鉆取水平鉆 孔也可方便隨后的材料點(diǎn)燃及燃燒前沿通過(guò)材料的傳播。這是因?yàn)殂@孔可 被引導(dǎo)到在該體積的下界或周界的位置或相鄰的位置處與該體積交匯。因 此，燃燒前沿可在污染區(qū)域的底部開(kāi)始，并向上傳播。這樣，可產(chǎn)生飄浮 的或強(qiáng)迫的空氣流，從而輔助燃燒過(guò)程。這可促進(jìn)能量(熱)保存，從而 提高該方法的有效性，因?yàn)樵谌紵陂g產(chǎn)生的熱上升，或被強(qiáng)迫的空氣流 向上推動(dòng)通過(guò)土地，有助于燃燒過(guò)程的自維持。這可使得在存在冷源(heat sink)(例如包括較大量水的區(qū)域)中燃燒非常低濃度的燃料是可能的。此 外，從下面點(diǎn)燃可允許因其減小的粘性(由于增加的溫度)而引起流動(dòng)的 材料(NAPL)向下慢慢流動(dòng)，并保留在燃燒區(qū)，由此在點(diǎn)燃鉆孔或用于
此目的的其它鉆孔中仍然被燃燒，或可選擇地被復(fù)原。
在備選方案中，鉆孔可被引導(dǎo)成在上界或鄰近上界處與材料體積交 匯，且燃燒前沿向下傳播通過(guò)材料體積。可供選擇地，鉆孔可被引導(dǎo)成在 橫向邊界與材料體積交匯，且燃燒前沿水平傳播穿過(guò)材料體積，或者定位 在中心，且燃燒從材料體積的中心朝向它的極端向外傳播。
點(diǎn)燃可燃材料的步驟可包括將點(diǎn)燃裝置定位在材料體積內(nèi)或鄰近材 料體積，且可尤其包括將點(diǎn)燃裝置定位成沿鉆孔延伸或相似地從表面到與
材料體積交匯或相鄰的位置。在其中將要把調(diào)節(jié)燃燒的流體(combustion regulating fluid)(例如，氧化劑或抑制劑)注入到地下的地方，注入裝置 可配備有點(diǎn)燃裝置，且因此共同定位在鉆孔中。
優(yōu)選地，包括氣體和類似物的燃燒副產(chǎn)品-波收集，用于分析和/或處理。 燃燒副產(chǎn)品可在地表收集，且被裝在合適的存儲(chǔ)室中。額外地或可供選擇 地，當(dāng)通過(guò)鉆孔或相似物實(shí)現(xiàn)進(jìn)入材料體積時(shí)，副產(chǎn)品可沿相同的鉆孔或 被特別地設(shè)置用于此目的的其它鉆孔返回到地表。因此，通過(guò)鉆孔或相似 物進(jìn)入可燃流體體積可額外地有利于從燃燒過(guò)程收集氣態(tài)副產(chǎn)品。在地下 存在大量水時(shí)，氣體產(chǎn)品的部分(例如，二氧化碳，它是高度可溶解的) 可溶解到水中，且因此不能被收集。
可以通過(guò)取土i裏/地下水的樣品并分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于修復(fù)被可燃材料污染的土地的裝 備，該裝備包括點(diǎn)燃裝置，該點(diǎn)燃裝置適合于被定位在地平面以下，用于 在待修復(fù)的土地中點(diǎn)燃地下可燃材料體積，以燃燒材料，并由此修復(fù)土地。
為了點(diǎn)燃該材料，點(diǎn)燃裝置可適合于加熱可燃材料，且可包括電阻加 熱器。電阻加熱器可包括電元件或線，當(dāng)電流通過(guò)該元件時(shí)，該元件發(fā)熱， 且該元件可具有適合于保護(hù)該元件避免腐蝕性材料的抗腐蝕涂層或覆蓋 層。
可供選擇地，點(diǎn)燃裝置可適合于產(chǎn)生放電或火花或其它熱源，以由此 點(diǎn)燃該材料。如果需要的話，點(diǎn)燃裝置可包括耦合到燃料供給的燃燒器或
類似物，用于產(chǎn)生火焰或其它的熱源，以點(diǎn)燃材料?？梢岳斫獾氖?，對(duì)一 些材料，火焰或其它熱源可僅需要被維持到其將可燃材料點(diǎn)燃時(shí)止。
該裝備可包括至少一個(gè)流體注入裝置，用于注射適合于促進(jìn)燃燒進(jìn)入 材料體積中的流體(特別是氣體)，例如包括或包含空氣/lu/臭氧的氧化劑。
這可通過(guò)能夠注入氧化劑而方便控制材料的燃燒。流體注入裝置可包括從 表面延伸到體積中的至少一個(gè)流線。可選擇地，流體注入裝置可包括具有 多個(gè)出口的集流管，該集流管連接到主流體供給線，用于通過(guò)單獨(dú)的供給 線將流體供給到該體積內(nèi)的多個(gè)位置。該供給線可被包含在點(diǎn)燃鉆孔內(nèi)， 或者在點(diǎn)燃裝置旁邊，或者可適合于在移去點(diǎn)燃裝置后被插入。
流體注入裝置也可用于將燃燒抑制劑，如水或氮，供給到材料體積中， 以選擇性地熄滅燃燒，或限制未燃燒材料的燃燒。該流體注入裝置可包括 用于氧化劑/燃燒抑制劑流的單獨(dú)的流線，或者可適合于選擇性地供給兩者 之一。
該裝備可包括至少一個(gè)傳感器，用于監(jiān)控材料的燃燒。優(yōu)選地，該裝 備包括貫穿整個(gè)體積間隔的多個(gè)傳感器。該裝備可包括溫度傳感器和/或氣 體傳感器，用于確定由流體燃燒引起的氣體副產(chǎn)品的體積和/或組成。
現(xiàn)將通過(guò)舉例，參考附圖，描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中


圖1是被可燃材料污染的土地區(qū)域的示意性截面圖2是圖1所示土地區(qū)域在使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的方法進(jìn)行修復(fù) 期間的一見(jiàn)圖3是顯示了燃燒前沿通過(guò)圖1中所示可燃材料體積行進(jìn)的示意圖4是圖1所示污染土地中的土壤的放大示意圖5是與圖2類似的被可燃材料污染的土地區(qū)域的視圖，顯示為使用 根據(jù)本發(fā)明可選實(shí)施方案的方法修復(fù)期間；
圖6是圖5顯示的被可燃流體污染的土地區(qū)域的視圖，顯示為圖5方 法的變化形式；
圖7是圖5顯示的被可燃流體污染的土地區(qū)域的視圖，顯示為圖5方
法的進(jìn)一步變化形式；
圖8是圖5顯示的被可燃流體污染的土地區(qū)域的視圖，顯示為圖5方 法的又一變化形式；
圖9給出了在為證實(shí)本發(fā)明方法和裝備的耐久性而進(jìn)行的試驗(yàn)中使用 的裝備的示意性圖示；
圖10是詳細(xì)描述了為證實(shí)本發(fā)明方法和裝備的耐久性而進(jìn)行的進(jìn)一 步試驗(yàn)的結(jié)果的表；
圖11是顯示了測(cè)量溫度對(duì)時(shí)間、以及在燃燒產(chǎn)物中CO和C02的百分 比(體積)的曲線圖，在使用圖9裝備進(jìn)行的煤焦油/砂試驗(yàn)期間測(cè)量；
首先轉(zhuǎn)到圖1,顯示了土地區(qū)域IO，其已經(jīng)被可燃材料，尤其是被可 燃流體12污染?？扇剂黧w通常包括NAPL，且尤其可包括DNAPL，其可 以是氯化溶劑，如三氯乙烯、四氯乙烯、或復(fù)雜的烴混合物，如煤焦油或 雜酚油。DNAPL 12可通過(guò)傾倒至土地10的地表14上而纟皮先處置，或者 可能是意外泄出的結(jié)果。如圖所示，DNAPL已經(jīng)向下滲透通過(guò)區(qū)域IO中 的土;襄11,且已經(jīng)形成非均勻的污染物體積或源區(qū)16?？梢岳斫猓w積 16的形狀取決于大量因素，包括被釋放的NAPL體積、NAPL的物理流體 性質(zhì)以及土壤或巖石滲透性在土地區(qū)域10中的空間分布。DNAPL12已經(jīng) 形成很多NAPL "池(pool)"(即，通過(guò)土壤/巖石中大量的孔連接的穩(wěn)定 的NAPL區(qū)域)，包括下部池18，其積聚在不可滲透的巖層20上。DNAPL 12也可包括"殘余"NAPL區(qū)域，其中，分離的NAPL滴(單個(gè)孔)和中 樞(橫跨數(shù)個(gè)孔)被限制在孔隙中，通常在NAPL所通過(guò)的路徑中，但是 不積聚成池。
圖1所示的DNAPL 12已經(jīng)向下滲透通過(guò)土地區(qū)域10中的土i裏11, 到達(dá)低于目前水位22的平面。因此，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，在DNAPL 12中的 化合物從體積16中溶解出來(lái)，與地下水混合，并流入水道，如溪、河等， 從而形成污染問(wèn)題。本發(fā)明涉及一種修復(fù)或清除土地10污染區(qū)域(即，
源區(qū))的方法，如也將參照?qǐng)D2描述的。值得注意的是，該方法也應(yīng)用到
LNAPL的情況，只是LNAPL基本上不滲透水位；而是它在水位頂部形成 透鏡狀(且經(jīng)常壓低^f吏其局部圍繞LNAPL池)，其將在下面更詳細(xì)地描述。
也可以理解，存在于體積16中的材料的類似相或多相(液體、氣體/ 蒸汽和固體)取決于污染物材料和環(huán)境條件，例如周圍溫度和壓力、以及 地下水的存在。因此，在這些環(huán)境下，氣體/蒸汽和/或固體也可以或可選 擇地存在于體積16中。
概括地，該方法包括通過(guò)首先確定地下DNAPL 12體積的位置來(lái)修復(fù) 污染的土地區(qū)域IO。這可通過(guò)使用一種或多種技術(shù)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)；例如， ^f吏用遠(yuǎn)禾呈^罙測(cè)i也3求4勿玉里裝置(remote detection geophysical equipment)(未 顯示)，或通過(guò)在土地的疑似污染區(qū)域的地表14周圍隔開(kāi)的多個(gè)位置和深 度處鉆孔和取樣(對(duì)土壤、氣體或水)多個(gè)測(cè)試井或鉆孔(未顯示)。這 便于確定土地區(qū)域10的被DNAPL 12污染的一般形狀和體積16。在顯示 的示例中，且如上面描述的，體積12包括下部池18，下部池18位于不可 滲透的巖層20上；但是，這樣的下界池(lower bounding pool)不是該方 法的必要條件。
一旦已經(jīng)采用這些技術(shù)確定了體積16的位置，就通過(guò)點(diǎn)燃DNAPL 12 以由此燃燒DNAPL來(lái)修復(fù)污染的土地區(qū)域10。這通過(guò)從地表14鉆取鉆 孔26實(shí)現(xiàn)，鉆孔26延伸通過(guò)土壤11到鄰近流體體積16的下界24的位置 28。這種鉆孔:f支術(shù)，例如在油氣勘探和生產(chǎn)工業(yè)中是已知的。雖然可鉆取 通過(guò)體積16到達(dá)位置28的垂直鉆孔，但是鉆孔26是偏斜的，以方便進(jìn) 入下界24。
在鉆取鉆孔26，且如果需要的話，襯以適當(dāng)?shù)墓艿?例如多段相互連 接的套或村套)之后，將氣體注入集流管和材料點(diǎn)燃裝置30從地表14插 入鉆孔26，并向下到達(dá)位置28。裝置30連接到控制裝置，并經(jīng)由臨時(shí)管 道及電纜32連接到在地表14上的壓縮空氣/ll/臭氧(未顯示)源。裝置 30也包括具有多個(gè)氣體出口 33的集流管31。
點(diǎn)燃裝置30包括鎧裝電纜加熱器或線(未顯示)，當(dāng)被激活時(shí)，鎧裝 電纜加熱器或線快速發(fā)熱，以依次加熱已經(jīng)進(jìn)入鉆孔26屏蔽內(nèi)和在裝置30周圍區(qū)域內(nèi)的DNAPL12。雖然可使用其它材料，但是用于電纜加熱器 護(hù)套的適當(dāng)材料是INCONEL 。這促使DNAPL 12點(diǎn)燃，由此開(kāi)始DNAPL 的燃燒。護(hù)套保護(hù)加熱器避免暴露到存在地下的腐蝕性化合物，尤其是 DNAPL 12本身。在可供選擇的配置中，當(dāng)希望在體積16中燃燒DNAPL 12 時(shí)，通過(guò)從地表提供適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，裝置30產(chǎn)生放電或電火花(或其 它任何真正產(chǎn)生熱的方式)，由此點(diǎn)燃DNAPL 12。 一旦DNAPL 12已經(jīng)被 點(diǎn)燃，產(chǎn)生燃燒前沿34，如在圖3的示意性視圖中所示，其從位置28行 進(jìn)通過(guò)體積16，燃燒前沿從裝置30向外蔓延。
可通過(guò)點(diǎn)燃鉆孔集流管31將氧化劑注入至地下。土地區(qū)域10中土壤 11的多孔特性及在與點(diǎn)燃相同的位置的氧化劑的注入確保燃燒前沿向前 (沿流動(dòng)方向)傳播，借此，從DNAPL體積的熱的燃燒區(qū)域16a重新獲 得能量，且纟皮傳遞到未燃燒區(qū)域16b。很可能，燃燒將繼續(xù)處于無(wú)焰燃燒 模式，其中燃燒發(fā)生在材料表面，且氧化劑擴(kuò)散到此表面。在點(diǎn)燃后，燃 燒前沿34行進(jìn)通過(guò)體積16，以燃燒與池18流體相通的DNAPL 12的剩余 池，如圖2箭頭所示。由于多孔介質(zhì)保持并傳遞支持燃燒的溫度的能力， 甚至當(dāng)NAPL貫穿整個(gè)孔隙不是連續(xù)的流體連接時(shí)，剩余DNAPL區(qū)域也 被燃燒。燃燒過(guò)程的氣態(tài)副產(chǎn)品向上通過(guò)土壤到達(dá)地表14,且可被允許進(jìn) 入大氣，或可被收集，用于使用合適的收集和存儲(chǔ)裝置(未顯示)進(jìn)一步 處理和/或存儲(chǔ)。氣態(tài)副產(chǎn)品也可通過(guò)鉆孔26 (或用于該目的的其它安裝 鉆孔)引出，并以相似的方式收集。當(dāng)與燃燒前沿以上的冷土壤或水接觸 時(shí)，燃燒產(chǎn)物的一小部分有可能被冷凝回到液相。通常，預(yù)期燃燒產(chǎn)物大 部分是水、CO和C02。
因此，該方法通過(guò)燃燒體積16中的DNAPL而有利于修復(fù)污染的土地 區(qū)域10。
現(xiàn)也參照?qǐng)D4更詳細(xì)地描述本發(fā)明的方法和裝備，圖4是污染體積16 中土i裏11的;^文大的示意性圖示。
DNAPL 12從地表14滲入土地10中的土壤11，并存在于土壤顆粒38 之間相互連接的孔隙36內(nèi)，如圖4所示。然而，可以理解，NAPL也可以 包括在斷裂巖石/粘土環(huán)境和/或在破裂所嵌入的總多孔基質(zhì)(porous matrix) 中的敞開(kāi)式斷裂或裂縫內(nèi)。經(jīng)燃料的燃燒，例如像土壤ll的多孔基質(zhì)內(nèi)的
DNAPL 12的燃燒產(chǎn)生在孔隙36內(nèi)的自維持放熱反應(yīng)，在此期間，熱從燃 燒的DNAPL 12a (圖3 )傳遞到孔隙36和固體基質(zhì)(土壤顆粒38 )。多孔 介質(zhì)的存在對(duì)燃燒過(guò)程具有顯著有益的影響，因?yàn)楣腆w顆粒38具有高的 熱慣性，從而發(fā)熱，并存儲(chǔ)來(lái)自燃燒反應(yīng)中能量。該熱通過(guò)多孔介質(zhì)并經(jīng) 由以與燃燒前沿相同的方向行進(jìn)的加熱的氧化劑(氣體)的傳遞可在前沿 前面產(chǎn)生預(yù)熱區(qū)域。這樣，當(dāng)大部分釋出能量到達(dá)預(yù)熱位置時(shí)，其可被傳 遞回到反應(yīng)處。因此，熱損失小，從而允許甚至非常低濃度的燃料和/或氧 化劑的燃燒前沿的傳播。
因此，該能量反饋機(jī)制可導(dǎo)致在反應(yīng)區(qū)34的溫度顯著超過(guò)給定的 DNAPL 12通?？赡艿臏囟?。燃燒產(chǎn)物將它們大部分的能量釋放到燃燒 (即，反應(yīng))前沿34附近未燃燒的DNAPL 12b，從而使得燃燒前沿區(qū)域 立刻冷卻。這樣，在以其他方式導(dǎo)致燃燒過(guò)程熄滅的條件中，有效的自蔓 延燃燒過(guò)程是可能的。
放熱反應(yīng)通過(guò)土壤的傳播率也可受到氧化劑流方向的顯著影響，氧化 劑流方向即攜氧的空氣流的方向。因此，該方法可包括在燃燒過(guò)程期間將 空氣(或可選擇的氧、氮和其它氣體，例如臭氧的混合物)供給到區(qū)域IO 中的土壤。的確，放熱反應(yīng)通過(guò)土壤ll的多孔基質(zhì)的傳播率受到空氣(氧 化劑)流方向的顯著影響。圖3顯示了向前傳播如何使用注入的氧化劑(空 氣/氧)來(lái)重新獲得能量，且由此輔助反應(yīng)的傳播。當(dāng)處理低熱輸出、非常 低的燃料濃度或存在諸如水的冷源的燃料(NAPL)時(shí)，有必要確保由放 熱反應(yīng)產(chǎn)生的大部分能量由未燃燒的燃料和氧化劑重新獲得。因此，傳播 通常是前進(jìn)才莫式，如圖3所示。在前進(jìn)模式內(nèi)，基于氧化劑的流率可確認(rèn) 三種機(jī)制促使反應(yīng)前沿加速的過(guò)量熱；導(dǎo)致減速的缺乏熱；以及確切地 在反應(yīng)前沿34處的熱積累。這種理想的第三種情況被稱為超絕熱燃燒。 因此，可根據(jù)期望的結(jié)果，通過(guò)控制通過(guò)注入裝置30的空氣/氧的注入， 和/或控制諸如氮或水的抑制劑的供給，來(lái)掌控在任何應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的具體機(jī) 制，如將在下面描述的。傳播率也受到土壤ll的孔36的直徑和被燃料、 空氣及其它未反應(yīng)材料占據(jù)的孔隙率分?jǐn)?shù)的影響。
在多孔基質(zhì)，如土壤11內(nèi)的向前反應(yīng)前沿的傳播可在寬范圍的條件下 存在。最重要的變量是多孔介質(zhì)的性質(zhì)、可燃材料的熱性質(zhì)以及氧的供給。 對(duì)于大的空氣流率(大量氧供給)，有大量的能量釋放，且反應(yīng)前沿的傳 播將加速。如果氧供給減少，產(chǎn)生的能量減少，且反應(yīng)前沿將減速，進(jìn)一 步減少氧供給將導(dǎo)致熄滅。在這些條件下，放熱反應(yīng)主要由液體燃料表面 的氧化引起；這種燃燒模式稱為無(wú)焰燃燒(例如，香煙)。無(wú)焰燃燒通常
比有焰燃燒進(jìn)行得慢，且產(chǎn)生較低的溫度(例如，通常在40(TC到600°C 之間)，但是在特定的條件下，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)IOO(TC的溫度。此外，無(wú)焰燃 燒在極低的空氣-燃料比下是可能的，且甚至在沒(méi)有任何外部氧供給的情況 下也是可能的。因此， 一定范圍的操作機(jī)制是可能的緩慢的NAPL無(wú)焰 燃燒在沒(méi)有充氣的多孔結(jié)構(gòu)中是可能的，而定期的或連續(xù)的空氣(氧)注 入(通過(guò)裝置30)將增加溫度，并加速燃燒前沿通過(guò)源區(qū)的傳播(即，修 復(fù))。
因此，為了實(shí)現(xiàn)最佳燃燒，并由此實(shí)現(xiàn)燃燒前沿34通過(guò)DNAPL 12 的體積16的繼續(xù)，可監(jiān)控DNAPL的燃燒。這可通過(guò)使用適合的溫度傳感 器(例如，熱電偶；在圖2中顯示并給定參考數(shù)字40、 42和44的三個(gè)熱 電偶)在整個(gè)體積和周圍土壤隔開(kāi)的多個(gè)位置處監(jiān)控體積16中及其周圍 的土壤的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些傳感器40、 42和44設(shè)置在從地表14鉆取至 體積16和周圍區(qū)域的土壤中的小的鉆孔或通道46、 48和50中。同樣地， 由燃燒過(guò)程引起的氣態(tài)副產(chǎn)品的組成和/或體積可按與獲得溫度數(shù)據(jù)相同 的方式在地表14或者通過(guò)在貫穿體積16的不同位置處取樣進(jìn)行監(jiān)控。這 些氣態(tài)副產(chǎn)品也可以或可供選擇地通過(guò)鉆孔26提取。通過(guò)監(jiān)控氣態(tài)副產(chǎn) 品的溫度和組成/體積，可實(shí)時(shí)確定燃燒發(fā)生的性質(zhì)，從而如果需要的話， 改變所采取的措施。例如，通過(guò)改變氧供給，對(duì)燃燒前沿34的傳播因而 產(chǎn)生的效果。在燃燒過(guò)程期間供給空氣或氧的情況下，根據(jù)需要，這可以 是在連續(xù)基礎(chǔ)上或者是在周期間隔中。同樣，可在單個(gè)位置或多個(gè)位置供 給氧化劑，以方便燃燒前沿貫穿源區(qū)繼續(xù)，如將在下面描述的。
現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖5，顯示了與圖2類似的被LNAPL，如油(汽油)、噴氣燃 料、加熱用油或柴油污染的土地區(qū)域。在該圖中，土地區(qū)域被指定為100,
且LNAPL ^皮給定為參考數(shù)字112。 LNAPL與圖1所示的DNAPL不同， 因?yàn)樗人p，且因此趨向于集中在現(xiàn)有地下水水位上或上方(地下水水 位實(shí)質(zhì)上是水飽和區(qū)的上表面，在該區(qū)上方，空氣部分地填充孔隙)的巖 石/粘土層的孔隙或縫隙中。
用于纟務(wù)復(fù)土地區(qū)域100以去除LNAPL 112的方法實(shí)質(zhì)上與上面關(guān)于圖 1至圖4描述的方法相似，且在這里僅描述實(shí)質(zhì)上的不同。與圖1至圖4 所示用于清除土地10的裝備類似的用于清除土地100的裝備的部件被給 定相同的參考數(shù)字加上100。
在顯示的實(shí)施方式中，已經(jīng)從地表114到鄰近LNAPL 112的流體體積 116的下界或周界的位置128鉆取了垂直鉆孔126。點(diǎn)燃裝置130被插入， 且然后#_激活，以燃燒流體體積116中的LNAPL 112。監(jiān)控LNAPL 112 的燃燒，且以與上面描述相同的方式選擇性的收集副產(chǎn)品。
現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖6，顯示了被圖5所示LNAPL 112污染的土地區(qū)域100的視 圖。然而，在圖6中，希望限制燃燒前沿從點(diǎn)燃點(diǎn)通過(guò)LNAPL的體積116 的前進(jìn)，使得燃燒前沿不進(jìn)入存在于區(qū)域52的土壤中。這通過(guò)從地表鉆 取鉆孔54、插入燃燒抑制裝置56、且注入燃燒抑制流體58 (如水或氮) 至污染土壤中來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖中箭頭所示。注入的流體形成屏障60,其限制 燃燒前沿進(jìn)入?yún)^(qū)域52中的未燃燒LNAPL 112的通道。
現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖7，再次顯示了被圖5所示LNAPL 112污染的土地區(qū)域100 的視圖。再次，希望限制燃燒前沿從點(diǎn)燃點(diǎn)通過(guò)LNAPL的體積116的前 進(jìn)，使得燃燒前沿不進(jìn)入?yún)^(qū)域52中存在的土壤中。在顯示的實(shí)施方式中， 這通過(guò)構(gòu)造物理燃燒抑制屏障62來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常通過(guò)挖掘溝渠63,并將時(shí) 間設(shè)定的基于膨潤(rùn)土的水泥材料64傾注至溝渠中來(lái)形成屏障62。 一旦材 料64凝固，便產(chǎn)生固體屏障62，從而防止燃燒前沿行進(jìn)至區(qū)域52中。可 采用可選擇的方法形成屏障62。例如，金屬板(未顯示)可^l打樁至地下。
圖8顯示了圖5所示土地區(qū)域100的示意性平面圖。在這種情況下， 需要限制燃燒前沿進(jìn)入?yún)^(qū)域52的通道，且也限制燃燒前沿進(jìn)入地面區(qū)域 66的通道。采用關(guān)于圖6和圖7顯示和描述的方法與圖8方法相結(jié)合，且 基于包括污染區(qū)域100中土壤的特定性質(zhì)的因素選擇最合適的技術(shù)。例如，在區(qū)域52中的土地可主要包括不適于關(guān)于圖7中描述的挖掘/
打樁方法的巖層。因此，可采用圖6的方法，并使用鉆頭鉆取大量鉆孔54a、 54b和54c。氣體供給線56a、 56b和56c (相應(yīng)地)形式的燃燒抑制裝置 安裝在每個(gè)鉆孔54中，且通過(guò)每個(gè)鉆孔54注入抑制流體，以形成屏障60。 相反地，區(qū)域66中的土地可主要包括軟土或基于粘土的層，于是可采用 圖7的挖掘/打樁方法形成屏障62。
可以理解，如果需要的話，可鉆取在體積116周圍間隔開(kāi)的大量鉆孔 54,以允許在燃燒過(guò)程期間注入燃燒抑制流體。例如，為了維持無(wú)焰燃燒， 或者在發(fā)現(xiàn)燃燒速度超過(guò)期望的傳播率時(shí)抑制反應(yīng)，可在燃燒過(guò)程期間注 入水或者氮。這可在反應(yīng)前沿接近地表時(shí)進(jìn)行。以這種方式注入燃燒抑制 劑的需求可通過(guò)如上所述監(jiān)控燃燒溫度和燃燒副產(chǎn)品的溫度、壓力和/或含 量來(lái)確定。
在圖8中還顯示了多個(gè)點(diǎn)燃裝置30a、 30b，其橫貫體積116的寬度間 隔開(kāi)。裝置30a、 30b通常被同時(shí)激活，以在體積116中開(kāi)始LNAPL 112 的燃燒。而且，顯示了多個(gè)氧化劑供給鉆孔68a至68d，可通過(guò)這些鉆孔 注入氧化劑，例如空氣或氧(由箭頭70a至70d所示)。可以理解，為了促 進(jìn)、維持和/或加速燃燒，在燃燒過(guò)程期間可注入氧化劑。例如，萬(wàn)一存在 的氧甚至不足以發(fā)生無(wú)焰燃燒，且燃燒處于熄滅的危險(xiǎn)中，可能就需要注 入氧化劑。以這種方式注入氧化劑的需求又可通過(guò)如上所述監(jiān)控燃燒溫度 和燃燒副產(chǎn)品的溫度、壓力和/或含量來(lái)確定。
可以理解，使用裝置30a、 30b之中的一個(gè)，LNAPL 112的燃燒可從 體積116內(nèi)的單個(gè)點(diǎn)燃點(diǎn)繼續(xù)下去。但是，如果在燃燒前沿通過(guò)體積116 的前進(jìn)過(guò)程中，燃燒過(guò)程的監(jiān)控顯示需要在其它位置點(diǎn)燃LNAPL112,可 激活裝置30a、 30b之中的另一個(gè)或甚至其它裝置(未顯示)。
可以理解，LNAPL 112的燃燒可以是熱自給自足的(thermally self-sufficient),這樣，可關(guān)閉點(diǎn)燃裝置30a、 30b或每一個(gè)點(diǎn)燃裝置30a、 30b;且可以是氧充足(oxygen sufficient)的，使得不需要通過(guò)抑制裝置 56供給氧化劑。因此，燃燒可以是自維持的，在于其可以是熱自給自足的、 和/或自維持的，因?yàn)?，其可具有充足的氧，且因此不缺乏氧?一旦燃燒是
自給自足的，如上面描述的監(jiān)控燃燒允許采取適當(dāng)?shù)拇胧?如關(guān)掉點(diǎn)燃裝
置或氧化劑流)。如果確定燃燒不是熱充足的，點(diǎn)燃裝置30a、 30b之中的 一個(gè)或多個(gè)可維持在激活狀態(tài)。
概況地，在上述的每種實(shí)施方式中，期望促進(jìn)/維持無(wú)焰燃燒，且可采 取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施促進(jìn)或維持這樣的燃燒。
下面描述了所進(jìn)行的初步試驗(yàn)，以驗(yàn)證上面描述的本發(fā)明的方法和裝 備的有效性。
用于初步試驗(yàn)的裝備和方法 裝備
試-瞼元件石英^皮璃燒杯(2種尺寸，H. Baumbach & Co.， Ltd., Ipswich,
UK)
1 ) OD=103mm, H=175mm (不透明)
2 ) 0D= 106mm, H= 195mm (透明)
空氣4廣散器打有2mm孑L的8mm盤4同管(coiled copper tube )
點(diǎn)燃器240V， 450WInconel 涂層的電纜加熱器，3.25mm方形截面 x 762mm長(zhǎng)度(0.128"方形截面x30，，長(zhǎng))(Watlow Ltd, Linby, UK, part 弁125PS30A48A)
氣體分析CO和C02分析儀部件(ADC Gas Analysis Ltd, Hoddesdon,
UK)
熱電偶1.5mm和3mm x o.5m Inconel K型護(hù)套熱電偶 (RS Components Ltd.,. Corby, UK, #219-4488 (3mm) and #159-095 ( 1.5mm))
數(shù)據(jù)采集和記錄多功能轉(zhuǎn)換/測(cè)量部件(Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA, #34980A)
隔熱襯墊240V, 1045W加熱帶2.54cm x 254 cm, 1.33W/cm2 ( Omega Engineering Ltd., Manchester, UK)
多孔介質(zhì)(土壤)類型
a)津且石英砂、(Leighton Buzzard 8/16砂-,WBB-.Minerals, Sandbach,
UK)
b )細(xì)石英砂(Lochaline L60A珪砂，Tarmac Central Ltd., Buxton, UK) c )泥炭(場(chǎng)地樣品)
d)油砂(場(chǎng)地樣品；天然地涂有固體汽油的細(xì)砂) 注入的氧〗匕劑
周圍空氣，流率從零L/min到約20L/min 污染物
a) 新近制造的煤焦油(AlfaAesar,Heysham, UK, item #42488;粘性 多組分的DNAPL)
b) 植物油(Sainsbury's Supermarkets Ltd, London, UK; 代表物，無(wú) 毒的代表性的粘性LNAPL )
c )十二烷 (Fisher Scientific UK Ltd, Loughborough, UK, item #36577-0010;低粘性LNAPL)
d)三氯乙烯(TCE) (Fisher Scientific UK Ltd, Loughborough, UK, item#15831-0010;氯化溶劑DNAPL)
e ) 1,2-二氯乙烷(DC A) (Fisher Scientific UK Ltd,. Loughborough, UK, item #D/1756/15;氯化乙烷(chlorinated ethane) DNAPL )
f) 油脂(Electrolube多用途MPG50T油脂；粘性的多組分LNAPL )
g) 煤焦油場(chǎng)地樣品(最近從大不列顛英國(guó)場(chǎng)地重新獲得，20世紀(jì) 早期制造氣體工廠在該場(chǎng)地上操作；DNAPL)
h) 固體爆炸性化合物(粒狀硝酸銨-TNT或DNT的主要組分-與惰性組分混合；加入氧化劑的固體化合物)
i) 汽油(在油砂上自然產(chǎn)生的固化涂層，作為場(chǎng)地樣品心部部分獲得)。
注意在本領(lǐng)域中，氯化溶劑通常不被形成為純(即，試驗(yàn)室級(jí)別)
化學(xué)物，而是與多達(dá)30 %的油和油脂混合(Dwarakanath, V., R. E. Jackson, and G.A. Pope, 2002. Influence of Wettability on the Recovery of NAPLs from Alluvium. Environmental Science and Technology, 36 (2 ) , 227 -231 )。 因jt匕， 帶溶劑的試驗(yàn)使用多組分混合物(見(jiàn)結(jié)果)75% TCE + 25%油(按重量)， 75%十二烷+25%油(按重量)，75。/。DCA+25。/。油脂(按重量)。
試驗(yàn)程序
圖9給出了試驗(yàn)的示意性顯示。研究用于修復(fù)污染的多孔介質(zhì)的原位 燃燒的基本概念的初步試驗(yàn)在約1L的石英玻璃燒杯72 ( 103mm OD x 175mm H或106mm OD x 195mm H, H. Baumbach & Co.， Ltd.)中進(jìn)行。 燒杯一皮填充少量粗砂(Leighton Buzzard 8/16 sand, WBB Minerals ),足以在 燒杯底部上方數(shù)毫米放置空氣擴(kuò)散器74。空氣擴(kuò)散器74由8mm長(zhǎng)的銅管 組成，彎進(jìn)線圈，并沿管的底部部分打1.5-2mm的孔，使得空氣流被向 上引導(dǎo)。選擇的多孔介質(zhì)用于將空氣擴(kuò)散器掩埋數(shù)毫米。點(diǎn)燃元件76，盤 形3.25mm方形截面x 762mm長(zhǎng)Inconel⑧涂層的電纜加熱器(240V, 450W, part #125PS30A48A, Watlow Ltd )被放置在空氣擴(kuò)散器74之上。然后，將 選擇的多孔介質(zhì)75添加到燒杯，以掩埋點(diǎn)燃元件5厘米。如果污染物是 固體，它在此步驟中與被放置的砂混合。如果污染物是液體，它被隨后添 加，并^f皮允許向下過(guò)濾通過(guò)介質(zhì)，通常浸沒(méi)電纜加熱器76。因此，祐:放置 的污染物區(qū)通常在點(diǎn)燃元件76上5cm高。選擇的多孔介質(zhì)然后被填充到 裝備頂部的5cm內(nèi)。在放置的多孔介質(zhì)頂部擱放三厘米細(xì)砂(Lochaline L60A silica sand， Tarmac Central Ltd.)， 以當(dāng)作頂蓋。多達(dá)五個(gè)1.5mm或 3mmx0.5m Inconel K型護(hù)套熱電偶78a到78e (parts #219-4488 ( 3mm ) 和#159-095 ( 1.5mm) , RS Components Ltd.)被插入到多孔介質(zhì)中，其 中它們的測(cè)量頂端以1cm間隔的位置暴露在電纜加熱器76上，且最后一 個(gè)熱電偶78e通常^fc故置在污染物區(qū)的外面。熱電偶78a至78e被連接到 多功能轉(zhuǎn)換/測(cè)量部件(34980A, Agilent Technologies),其記錄數(shù)據(jù)，將電 壓輸出轉(zhuǎn)換成溫度，并將結(jié)果傳送到電腦上。
在這些初步試驗(yàn)中使用的較小直徑的裝備意味著系統(tǒng)傾向于過(guò)多的 熱損耗(這在較大的試驗(yàn)或原位應(yīng)用中是不被期望的)。為了減少熱損耗，
玻璃燒杯72被包裹進(jìn)加熱帶(240V, 1045W, 1.33W/cm2, Omega Engineering, Ltd.)。加熱帶首先被打開(kāi)使用，將系統(tǒng)帶到升高的(但是不足以燃燒，即， 大約200°C )起始溫度，以便不使熱損失到周圍空氣中。 一旦達(dá)到那個(gè)溫 度，電纜加熱器點(diǎn)燃元件76用1.7安培的電流轉(zhuǎn)向激活。不久后，以20L/min 的流動(dòng)率供給引進(jìn)空氣流。 一旦空氣流開(kāi)始，點(diǎn)燃器76被允許保持打開(kāi)， 直到在從熱電偶78a讀取的溫度最接近點(diǎn)燃器76的峰值并開(kāi)始下降后。 CO和C02氣體測(cè)量(ADC Gas Analysis Ltd.)由存在于多孔介質(zhì)75頂部 的氣流構(gòu)成，這些是燃燒的副產(chǎn)品。在點(diǎn)燃元件被關(guān)閉后，繼續(xù)注入空氣， 溫度也一樣，CO和C02繼續(xù)記錄，直到在氣態(tài)廢物中出現(xiàn)很少量的CO 或co2且反應(yīng)溫度下降到不可能支持燃燒反應(yīng)的水平。在系統(tǒng)已經(jīng)冷卻后， 小心地挖出多孔介質(zhì)。拍照片，以區(qū)分修復(fù)的范圍，并視覺(jué)上評(píng)估剩余污 染的程度。在一些情況中，采用氣相色譜法對(duì)剩余的污染物樣品進(jìn)行分析， 下面4苗述it方法。
氣相色譜-質(zhì)譜儀(GC/MS )用于三氯乙烯(TCE)和1, 2-二氯乙烷 (DCA)試驗(yàn)。每種土壤的約10克被放置在20mL的頂部空間小瓶中， 并用PTFE/硅隔膜(silicon septum)巻邊密封。使GC/MS方法最優(yōu)化，以 確認(rèn)低水平的DCA和三氯乙烯TCE。 TCE和DCA的探測(cè)極限大約是 0.5ppm。
氣相色譜-火焰離子化檢測(cè)器(GC/FID)用于包括十二烷、植物油和 煤焦油的試驗(yàn)。每種砂的約10克放置在20mL的玻璃小瓶中。二氯曱烷被 添加到砂上大約lcm的水平。小瓶用PTFE/硅隔膜巻邊密封，搖動(dòng)并放置 在5(TC的恒溫箱中12小時(shí)。然后搖動(dòng)小瓶，允許砂沉淀，并將提取物移 除，且轉(zhuǎn)移到2mL的自動(dòng)取樣瓶，以分析。在保溫前和保溫后記錄質(zhì)量， 以確保在加熱期間損失量是有限的。釆用這種方法，化合物的探測(cè)極限大 約是0.5ppm。
結(jié)果
已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò)30次試驗(yàn)，檢測(cè)不同的點(diǎn)燃源、試驗(yàn)設(shè)置、裝備裝 置、燃料類型、砂類型等。這些中的很多都沒(méi)有給出，盡管它們有助于改 進(jìn)最終的點(diǎn)燃和試驗(yàn)程序(在上述的試驗(yàn)程序中概述的)。這部分詳細(xì)地
描述了一個(gè)試驗(yàn)，即在粗石英砂中煤焦油的燃燒，作為在描述的試驗(yàn)程序 后的一組代表性的試驗(yàn)結(jié)果。使用上述程序的其它試驗(yàn)的結(jié)果總結(jié)在圖10 中的表格中。
粗砂內(nèi)煤焦油的試驗(yàn)
圖11給出了粗石英砂內(nèi)液體污染物煤焦油的結(jié)果，其中圖表曲線80a 到80e代表了在相應(yīng)的熱電偶78a到78e的測(cè)量溫度對(duì)時(shí)間的關(guān)系。圖11 也顯示了燃燒產(chǎn)物中CO和C02的百分比(體積)。
初始溫度的升高與加熱帶相關(guān)。在沒(méi)有帶的情況下進(jìn)行的試驗(yàn)中，觀 察到的相似的溫度升高是點(diǎn)燃元件的結(jié)果，但是熱不平等地分配，而是在 點(diǎn)燃器旁邊的最低的熱電偶78a處最高。測(cè)試裝備的比例導(dǎo)致增加的熱損 失，這需要釆用低溫加熱帶(即，大約200°C)來(lái)補(bǔ)償。需要注意的是， 僅由于該"概念驗(yàn)證"試驗(yàn)裝備的小尺寸而需要加熱帶；在全比例(full scale)試驗(yàn)裝備中，與在該領(lǐng)域中一樣，多孔介質(zhì)體積大到足以起到絕緣 體的作用，且因此這種類型的熱損失不會(huì)發(fā)生，且不需要這種額外的熱應(yīng) 用。這與按比例確定的較大系統(tǒng)的結(jié)果的理論分析是一致的，并與在各種 比例下固體多孔泡沫(例如，墊子)的無(wú)焰燃燒中的大量試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)一致。
圖11顯示了當(dāng)點(diǎn)燃元件76打開(kāi)時(shí)，在其附近的溫度快速增加。當(dāng)開(kāi) 始空氣(氧化劑)流時(shí)，溫度增加再一次加速。圖11顯示了原位燃燒在這 段時(shí)間后開(kāi)始相對(duì)較快，這由是氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的CO和C02的出現(xiàn)所證實(shí)。 它們的出現(xiàn)呈現(xiàn)出與點(diǎn)燃溫度和點(diǎn)燃時(shí)間 一致，在此試驗(yàn)中觀察到的分別 是400。C和57分鐘。在燃燒開(kāi)始后，原位溫度通?？焖偕仙渲凶畲鬁?度被作為在任意熱電偶78中達(dá)到的最大峰值(在這種情況下，點(diǎn)燃元件 76的第二熱電偶78b )。
在此試驗(yàn)中，點(diǎn)燃元件在燃燒開(kāi)始后10分鐘被關(guān)閉，但維持氧化劑 的輸送。在此時(shí)間后，圖11顯示在此試驗(yàn)中觀察到了自維持燃燒，意味著 燃燒前沿在沒(méi)有額外的外部能量的情況下傳播通過(guò)污染區(qū)。對(duì)于此的證據(jù) 包括在遠(yuǎn)離點(diǎn)燃點(diǎn)的連續(xù)位置處的連續(xù)的溫度峰值(例如，在熱電偶78a 和78b( TC1和TC2 )之間的持續(xù)的最大溫度以及在熱電偶78c和78d( TC3 和TC4)之間的持續(xù)的最大溫度，如圖表曲線80a到80d顯示的)。進(jìn)一步
的證據(jù)是溫度測(cè)線圖的連續(xù)橫跨(例如，在TC4溫度仍然增加，而在TC3 溫度減少；注意TC5沒(méi)有在污染區(qū)內(nèi))。熱從高溫向低溫傳遞，因此橫跨 顯示，熱/人熱電偶78d (TC4)向熱電偶78c ( TC3 )傳遞，-〖正明顯著的熱 產(chǎn)生在熱電偶78d (TC4)的位置處發(fā)生。燃燒氣體(CO和C02)的連續(xù) 生產(chǎn)為點(diǎn)燃元件76關(guān)閉后燃燒的繼續(xù)提供進(jìn)一步的證據(jù)。通過(guò)用熱電偶 78之間的空間距離除以最大溫度峰值之間的時(shí)間，測(cè)量了傳播的燃燒前沿 的速度；在這種情況下，速度估計(jì)為4.1 x l(T5m/s。不同燃料的文獻(xiàn)價(jià)值顯 示，這些是典型的無(wú)焰燃燒傳播速度。在相似分布后每個(gè)位置的溫度最終 下降，代表在所有的污染物被破壞且反應(yīng)已經(jīng)局部自熄滅后能量的消散。
通過(guò)比較，基礎(chǔ)情況試驗(yàn)被精確地重復(fù)，但是在多孔介質(zhì)中沒(méi)有燃料 /污染物。熱電偶78d ( TC4 -只有砂)溫度分布80f與煤焦油試驗(yàn)的TC4 是直接相似的。在溫度隨時(shí)間的變化下的面積與該過(guò)程期間釋放的能量成 正比，因此兩者之間的差別代表了由污染物燃燒所產(chǎn)生的能量。對(duì)每條曲 線下的面積的估計(jì)顯示，由在4個(gè)熱電偶附近的燃燒過(guò)程產(chǎn)生的能量比在 此位置由點(diǎn)燃系統(tǒng)傳遞的能量的四倍還多。這提供了明顯的證據(jù)， 一旦點(diǎn) 燃被實(shí)現(xiàn)，自維持傳播所需要的能量可通過(guò)污染物的燃燒傳遞，而沒(méi)有進(jìn) 一步需要后續(xù)的點(diǎn)燃裝置。所有多余的能量將向前傳遞，并因此用來(lái)加速 反應(yīng)前沿。
在試驗(yàn)前和試驗(yàn)后均拍攝污染物和多孔材料的照片，其顯示在燃燒區(qū) 的完全修復(fù)沒(méi)有可觀察到的污染物剩余。在前和在后的修復(fù)土壤的物理 處理及比較體積密度的測(cè)量結(jié)杲也確認(rèn)沒(méi)有污染物剩余。該照片也顯示位 于點(diǎn)燃器76下(并因此不在燃燒區(qū))的煤焦油沒(méi)有得到修復(fù)，雖然其實(shí) 質(zhì)上^皮加熱；代替，煤焦油和砂在冷卻時(shí)變成部分地被固化。也可以觀察 到，原位燃燒的修復(fù)將土壤顏色改變成紅色，這是高溫鐵氧化的結(jié)果，且 通常在溫度超過(guò)60(TC的森林火所影響的土壤中被觀察到。
的程度。如在圖10的最后一列中所指示的，只有剩余化合物的微量水平 被探測(cè)，其中信號(hào)接近該方法的探測(cè)極限，且量不充足。
圖10給出了用與給出的用于煤焦油/粗砂試驗(yàn)所描述的方法相同的方
法進(jìn)行的13個(gè)其它試驗(yàn)的總結(jié)結(jié)果。圖IO顯示了在所有試驗(yàn)中成功地實(shí)
現(xiàn)了原位燃燒。這包括3種額外普通的NAPL和兩種固體材料。該圖也顯 示了用于各種多孔介質(zhì)類型、用于各種流體飽和度(水和NAPL兩者)、 用于源自場(chǎng)地的樣品以及試驗(yàn)室樣品、和在源區(qū)(即，燃燒區(qū))的不同條 件成功的原位無(wú)焰燃燒。僅在兩個(gè)試驗(yàn)中觀察到在燃燒區(qū)有任意污染物剩 余；在這些情況中，氧化劑的引導(dǎo)明顯地促使氧化劑繞開(kāi)一個(gè)位置，而沒(méi) 有實(shí)現(xiàn)燃燒。GC分析確認(rèn)，在進(jìn)行該分析的8個(gè)試驗(yàn)中，燃燒區(qū)的所有 有機(jī)化合物實(shí)質(zhì)上消失。圖10中的燃燒傳播速度是典型的無(wú)焰燃燒，其 是這些試驗(yàn)中最主要的燃燒形式。
進(jìn)行兩種重復(fù)基本情況的(即，粗砂中的煤焦油)試驗(yàn)，且獲得與圖 IO描述非常類似的結(jié)果，顯示該方法的再現(xiàn)性。進(jìn)行第三種重復(fù)，但是在 這種情況中，空氣流在點(diǎn)燃元件關(guān)閉后大約5分鐘被終止；換句話說(shuō)，在 自維持燃燒已經(jīng)建立，但所有污染物被燃燒之前。該試驗(yàn)顯示，在氧化劑 輸入^f皮終止后不久，在這種情況下燃燒停止。這顯示通過(guò)移去氧化劑注入 流可熄滅該反應(yīng)。而且，在冷卻時(shí)，發(fā)現(xiàn)因而形成的砂堆沒(méi)有被完全修復(fù)， 而取代的是，包括實(shí)質(zhì)上大量固化的加熱的煤焦油和砂。這些物質(zhì)不能被 從試驗(yàn)裝備中移除；因此，此時(shí)，點(diǎn)燃過(guò)程被應(yīng)用到冷卻的物質(zhì)，且成功 地重新開(kāi)始原位燃燒。在該試驗(yàn)的第二燃燒階段的最后，輕易地提取出砂， 且在燃燒區(qū)沒(méi)有可觀察的煤焦油剩余。這表明，該過(guò)程可被停止且成功地 重新開(kāi)始，并強(qiáng)調(diào)，至少對(duì)于測(cè)試的情況中，在沒(méi)有燃燒情況下的加熱不 能實(shí)現(xiàn)修復(fù)。
上述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)清楚地顯示，本發(fā)明的方法和裝備對(duì)于原位修復(fù)被諸 如DNAPL和LNAPL的可燃材料污染的土地是可行的。
現(xiàn)有的熱方法承諾可用于原位NAPL修復(fù)，但是價(jià)格高得驚人。在本 發(fā)明中，如果反應(yīng)以前進(jìn)模式傳播(圖3)，則對(duì)于非常低的燃料含量就可 實(shí)現(xiàn)燃燒前沿通過(guò)多孔介質(zhì)的傳播。研究表明，這可應(yīng)用于埋在地下的烴 液體，且可調(diào)整該工藝，以便以最佳的方式傳播。能量輸入可限于在源區(qū) 16的底部附近NAPL 12的初始點(diǎn)燃，這之后，可進(jìn)行自維持反應(yīng)。這種 技術(shù)展示了現(xiàn)有熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(包括有效的量減少和無(wú)差別的滲透性對(duì)
照)，且因?yàn)橥ǔ２恍枰B續(xù)的能量輸入(即，自維持)而將是更加成本
有效的。而且，燃燒前沿將自然地跟隨連接狀態(tài)的NAPL12 (即，燃料) 的路徑通過(guò)孔隙36，即使這些不能預(yù)先已知/確定。該方法以及由此的燃
燒過(guò)程可因此^皮有效地自引導(dǎo)。因此，提供了超過(guò)現(xiàn)有的化學(xué)、物理以及
生物技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)常無(wú)效率地瞄準(zhǔn)比NAPL12本身大得 多的地下體積；依靠昂貴的化學(xué)添加物，其往往繞過(guò)污染區(qū)，并被稀釋低 于有效水平；以及在NAPL 12趨向于聚積的低滲透性區(qū)域附近是效率低下 的。
可對(duì)前述內(nèi)容做出各種修改，而不偏離本發(fā)明的主旨和范圍。
權(quán)利要求
1.一種修復(fù)被可燃材料污染的土地的方法，所述方法包括如下步驟在待修復(fù)的土地中確定地下可燃材料體積的位置；以及點(diǎn)燃所述可燃材料，以燃燒所述材料，并由此修復(fù)土地。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其包括原位燃燒所述材料。
3. 如權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的方法，其包括在自維持燃燒過(guò) 程中燃燒所述材料。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其包括在熱自給自足的燃燒過(guò)程中燃 燒所述材料。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其包括在氧充足的燃燒過(guò)程中燃燒所 述材料。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其包括使用點(diǎn)燃裝置來(lái)點(diǎn)燃所述材料， 且一旦燃燒過(guò)程是熱自給自足的，就使所述點(diǎn)燃裝置無(wú)效。
7. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述可燃材料是流體。
8. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括點(diǎn)燃所述可燃材料， 以產(chǎn)生向外行進(jìn)、離開(kāi)點(diǎn)燃點(diǎn)、并通過(guò)所述可燃材料體積的燃燒前沿。
9. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括在所述材料體積內(nèi)的 多個(gè)位置點(diǎn)燃所述材料。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的方法，其包括控制燃燒，使得所述燃燒 前沿跟隨所述可燃材料的分布而離開(kāi)所述點(diǎn)燃點(diǎn)。
11. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括監(jiān)控所述材料的燃燒。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其包括在被所述可燃材料污染的土地 中的多個(gè)位置處監(jiān)控溫度。
13. 如權(quán)利要求11或12中任一項(xiàng)所述的方法，其包括監(jiān)控燃燒過(guò)程 的副產(chǎn)品。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其包括監(jiān)控由所述材料的燃燒引起 的氣體副產(chǎn)品的組分和體積。
15. 如權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的方法，其包括在燃燒過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控所述材料的燃燒。
16. 如權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)所述的方法，其包括在燃燒停止后 監(jiān)控所述材料的燃燒范圍。
17. 如權(quán)利要求11至16中任一項(xiàng)所述的方法，其包括采取措施以改 變所述材料的燃燒。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其包括供給氧化劑。
19. 如權(quán)利要求17或18中任一項(xiàng)所述的方法，其包括供給氧化劑， 并在監(jiān)控燃燒后，改變所供給的氧化劑的流動(dòng)率。
20. 如權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的方法，其包括在至少另一個(gè) 位置中點(diǎn)燃所述材料。
21. 如權(quán)利要求11至17中任一項(xiàng)所述的方法，其包括供給燃燒抑制 劑，以便抑制并由此控制燃燒。
22. 如權(quán)利要求11至17中任一項(xiàng)所述的方法，其包括使用于點(diǎn)燃所 述材料的點(diǎn)燃裝置無(wú)效，以控制燃燒。
23. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括超絕熱地燃燒所述材料。
24. 如前迷任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括點(diǎn)燃所述材料，以在 無(wú)焰燃燒過(guò)程中燃燒所述材料。
25. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括監(jiān)控燃燒，以便促進(jìn) 所述材料的無(wú)焰燃燒。
26. 如權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的方法，其包括監(jiān)控燃燒，以 便維持所述材料的無(wú)焰燃燒。
27. 如權(quán)利要求25或26中任一項(xiàng)所述的方法，其包括控制氧化劑的 供給，以由此促進(jìn)或維持無(wú)焰燃燒。
28. 如權(quán)利要求25或26中任一項(xiàng)所述的方法，其包括供給燃燒抑制 劑，以在無(wú)焰燃燒狀態(tài)中維持燃燒。
29. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括在期望時(shí)間期間后熄 滅燃燒。
30. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括在燃燒前沿通過(guò)所述 材料行進(jìn)期望距離后熄滅燃燒。
31. 如權(quán)利要求29或30中任一項(xiàng)所述的方法，其包括使用點(diǎn)燃裝置 點(diǎn)燃所述材料；監(jiān)控燃燒，并在燃燒不是自維持處，維持所述點(diǎn)燃裝置被 激活；以及選擇性地熄滅所述點(diǎn)燃裝置，以熄滅燃燒。
32. 如權(quán)利要求29或30中任一項(xiàng)所迷的方法，其包括使用點(diǎn)燃裝置 點(diǎn)燃所述材料；監(jiān)控燃燒，并在燃燒缺氧處，供給氧化劑，以維持燃燒； 以及選擇性地改變氧化劑的供給，以控制燃燒的傳播率。
33. 如權(quán)利要求29或30中任一項(xiàng)所述的方法，其包括使用點(diǎn)燃裝置 點(diǎn)燃所述材料；監(jiān)控燃燒，并在燃燒缺氧處，供給氧化劑，以維持燃燒； 以及選擇性地改變氧化劑的供給，以熄滅燃燒。
34. 如權(quán)利要求29或30中任一項(xiàng)所述的方法，其包括使用點(diǎn)燃裝置 點(diǎn)燃所述材料；監(jiān)控燃燒，并在燃燒不缺氧處，選擇性地注入燃燒抑制劑， 以控制燃燒的傳播率。
35. 如權(quán)利要求29或30中任一項(xiàng)所述的方法，其包括使用點(diǎn)燃裝置 點(diǎn)燃所述材料；監(jiān)控燃燒，并在燃燒不缺氧處，選擇性地注入燃燒抑制劑， 以熄滅燃燒。
36. 如權(quán)利要求30所述的方法，其包括通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)燃燒屏 障來(lái)在期望的位置熄滅燃燒。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其包括通過(guò)建立一個(gè)或多個(gè)燃燒屏 障來(lái)形成燃燒邊界。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其包括構(gòu)造物理屏障。
39. 如權(quán)利要求38所述的方法，其包括挖掘溝渠，并將材料供給到 所述溝渠中，以形成截?cái)鄩Α?br> 40. 如權(quán)利要求38所述的方法，其包括將一個(gè)或多個(gè)板打樁到地面中，以形成截?cái)鄩Α?br> 41. 如權(quán)利要求37所述的方法，其包括通過(guò)在多個(gè)位置將抑制劑流 體注入到地面中而形成流體抑制墻。
42. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括通過(guò)鉆取從地表到與 所述材料體積交匯的位置的入口鉆孔而進(jìn)入所述可燃材料體積。
43. 如權(quán)利要求42所述的方法，其包括引導(dǎo)所述鉆孔，以在所述體 積的下界與所述體積交匯，并點(diǎn)燃所述材料，以促使燃燒前沿在所述體積 的底部開(kāi)始，并向上傳播。
44. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括將點(diǎn)燃裝置定位在所 述鉆孔內(nèi)，并激活所述裝置。
45. 如權(quán)利要求44所述的方法，其包括收集燃燒副產(chǎn)品，用于分析 和處理。
46. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括在燃燒后監(jiān)控土地中 的燃燒副產(chǎn)品。
47. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其包括在燃燒期間監(jiān)控土地 中的燃燒副產(chǎn)品。
48. 用于修復(fù)被可燃材料污染的土地的裝備，所述裝備包括點(diǎn)燃裝置， 所述點(diǎn)燃裝置適合于被定位在地平面以下，用于在待修復(fù)的土地中點(diǎn)燃地 下可燃材料體積，以燃燒所述材料，并由此修復(fù)土地。
49. 如權(quán)利要求48所述的裝備，其中所述點(diǎn)燃裝置適合于加熱所述 可燃材料，以便點(diǎn)燃所述材料。
50. 如權(quán)利要求48所述的裝備，其中所述點(diǎn)燃裝置是電阻加熱器。
51. 如權(quán)利要求50所述的裝備，其中所述加熱器包括具有抗腐蝕涂 層的電元件，所述抗腐蝕涂層適合于保護(hù)所述元件抵抗腐蝕性材料。
52. 如權(quán)利要求48所述的裝備，其中所述點(diǎn)燃裝置適合于產(chǎn)生電火 花，以點(diǎn)燃所述材料。
53. 如權(quán)利要求48至52中任一項(xiàng)所述的裝備，其包括至少一個(gè)流體 注入裝置，用于將氧化劑注入到材料體積中，以促進(jìn)和/或改變?nèi)紵省⑷?燒程度或燃燒范圍。
54. 如權(quán)利要求53所述的裝備，其中所述流體注入裝置包括從地表 延伸到所述體積中的至少 一個(gè)流線。
55. 如權(quán)利要求54所述的裝備，其中所述流體注入裝置包括具有多 個(gè)出口的集流管，所述集流管連接到主要流體流線，用于將流體通過(guò)單個(gè) 流線供給到達(dá)體積內(nèi)的多個(gè)位置。
56. 如權(quán)利要求48至55中任一項(xiàng)所述的裝備，其包括至少一個(gè)流體 注入裝置，所迷流體注入裝置用于將燃燒抑制劑注入到所述材料體積中， 以抑制燃燒。
57. 如權(quán)利要求48至56中任一項(xiàng)所述的裝備，其包括至少一個(gè)傳感 器，所述傳感器用于監(jiān)控所述材料的燃燒。
58. 如權(quán)利要求57所述的裝備，其包括至少一個(gè)傳感器，所述傳感 器選自包括以下的組溫度傳感器；壓力傳感器；以及氣體傳感器，用于 確定由所述材料的燃燒引起的氣體副產(chǎn)品的體積和組分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于修復(fù)被可燃材料(12)污染的土地(10)，尤其是修復(fù)被非水相液體(NAPL)污染的土地的方法和裝備。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，公開(kāi)了一種用于修復(fù)被可燃材料污染的土地的方法，其包括如下步驟確定待修復(fù)的土地(10)中地下可燃材料如DNAPL(12)的體積的位置，并點(diǎn)燃可燃材料(12)，以燃燒所述材料，并由此修復(fù)土地(10)。通過(guò)監(jiān)控材料的燃燒，可通過(guò)例如供給氧化劑或燃燒抑制劑而使燃燒最優(yōu)化。
文檔編號(hào)B09C1/06GK101365550SQ200680052554
公開(kāi)日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月10日
發(fā)明者喬塞·托萊洛, 保羅·皮諾尼, 克里斯廷·斯維茨特, 古伊萊莫·瑞恩, 詹森·格哈德 申請(qǐng)人:愛(ài)丁堡大學(xué)董事會(huì)