專利名稱：用于估算填埋物或其它地下源產(chǎn)生的氣體的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種用于估算其中可產(chǎn)生氣流的填埋物或其它地下物料體的產(chǎn)氣速率的方法和系統(tǒng)。還提供了一種用于估算產(chǎn)氣填埋物的有效氣體滲透率的方法。
背景根據(jù)美國現(xiàn)行法律，為了成功地設(shè)計出LFG-能量轉(zhuǎn)化過程以及其它LFG控制系統(tǒng)的LFG收集系統(tǒng)，計算排放的非甲烷有機化合物(NMOC)要求估算填埋物氣體(LFG)的產(chǎn)生速率。在NMOC的排放方面，美國法規(guī)準許填埋物所有人利用基于估算和/或測量填埋物內(nèi)產(chǎn)生的LFG濃度和NMOC濃度的分級法(tiered approach)計算排放量。Tier1和2利用了LFG產(chǎn)生公式，該公式部分基于填埋物的尺寸和齡期，它不涉及對LFG的直接測量。由于該公式設(shè)計得保守，因此通過該方法得到的產(chǎn)生LFG的估算結(jié)果可能高于實際速率，尤其對于干燥環(huán)境下的填埋物而言，其低的廢物水分含量會限制LFG的產(chǎn)生。Tier3涉及可計算LFG產(chǎn)生速率的測量。在設(shè)計LFG-能量轉(zhuǎn)化過程和LFG控制系統(tǒng)時，人們一般采用類似測量和估算方法來估算LFG的產(chǎn)生速率。
計算NMOC排放一般不用Tier3的方法，除非用Tier1和2的方法進行的計算指示NMOC排放每年超過50兆克(MG/yr)。美國法規(guī)要求填埋物所有人安裝LFG控制系統(tǒng)，除非通過Tier1、2或3計算出的NMOC排放低于50MG/yr。需要操作控制系統(tǒng)，直到NMOC排放降到50MG/yr以下，對于封閉的填埋物，隨著它的老化最后才出現(xiàn)這種情況。但是還需要定期重新計算NMOC排放，以證明該排放低于該閾值，這導(dǎo)致了額外的花費。Tier3的方法耗時又昂貴，而且按照下面所描述的，它不能提供對LFG產(chǎn)生速率或NMOC排放速率的可靠估算。通過這些方法中的任意一種得到的對LFG產(chǎn)生的過高估算如果導(dǎo)致了所估算的NMOC排放大于50MG/yr，進而需要安裝LFG控制系統(tǒng)，那么對于填埋物操作人員來說是很浪費的。對LFG產(chǎn)生速率的過高或過低估算如果導(dǎo)致了過高或過低設(shè)計的LFG收集或控制系統(tǒng)，這也是很浪費的。
Tier3的方法包括從在填埋物料內(nèi)鉆出的井或井群中抽氣，并在離抽氣井不同深度和距離之處測量監(jiān)測探針中的壓降，以確定抽氣井的“影響半徑”(ROI)。一般將Tier3的ROI看作是不產(chǎn)生可測壓降的距離。將壓降定義為所測填埋物中在抽氣以前的“平均靜壓”與抽氣過程中測得的平均壓力之差。采用平均壓力是為了試圖去除大氣壓波動對測量的影響。假設(shè)“平均靜壓”作為抽氣開始后計算壓降的參考壓力是可確定的。

圖1作為壓力對離抽氣井距離的歸納曲線，表示與Tier3的方法相關(guān)的某些測量值?？蓪㈦x抽氣井給定距離處的壓降或“影響”定義為I=P0‾-Pe‾---(1)]]>其中 是平均靜態(tài)絕對壓力101(參見圖1)，以及 是平均抽氣絕對壓力102(也參見圖1)。
進一步如圖1所示，可將ROI103直接確定為所測I≤0(在測量誤差104范圍內(nèi))處的離抽氣井的距離，或者通過利用半對數(shù)回歸法對所測I值進行外插來確定。將壓力測量值的精度規(guī)定為±0.02mm汞柱或者每平方英寸4×10-4磅(psi)。
在從抽氣井和監(jiān)測探針抽氣的過程中還收集氣體樣品，并分析其中的氮，以確定從表面漏到填埋物中的大氣空氣是否構(gòu)成了進入抽氣井的氣流的大部分。人們認為氮濃度過量20％意味著過量表面泄漏。如果表面泄漏不用氣體分析或淺土監(jiān)測探針中的負表壓來表示，那么就要假設(shè)該井的抽氣速率等于ROI所包括的填埋物料體積內(nèi)的LFG產(chǎn)生速率。不考慮ROI外部的填埋物料會形成進入抽氣井的氣流。
Tier3的方法完全基于以下假設(shè)抽氣速率等于在抽氣井與ROI之間的廢物體積內(nèi)的LFG產(chǎn)生速率。該假設(shè)與氣體流向抽氣井的基本原理相矛盾。為了說明這一點，假設(shè)LFG產(chǎn)生速率在整個填埋物中是均勻的，并且廢物的有效氣體滲透率比覆蓋層的氣體滲透率大得多，這樣就可以忽略廢物中的垂直壓力梯度。該情況下，廢物與大氣之間由于通過覆蓋層的氣流而產(chǎn)生的平均壓差可由Darcy定律(Al’Hussainy和其他人，1966)簡單給定
qLFG=kCμΔP0bc---(2)]]>或ΔP0=qLFGμcbckc---(3)]]>其中qLFG是填埋物單位面積的產(chǎn)氣速率kc是覆蓋層的有效氣體滲透率μ是LFG的動態(tài)粘度bc是覆蓋層厚度ΔP0是壓差P0-PaPa是大氣壓P0是廢物中的壓力假設(shè)LFG的產(chǎn)生速率均一，并且填埋物的分布很廣，那么廢物中的靜壓是P‾0=P0‾+ΔP0---(4)]]>其中 是平均大氣壓。假設(shè)同上，則 在整個填埋物范圍內(nèi)是均勻的。
對于小壓差而言，抽氣井產(chǎn)生的壓降可由下式給出(假設(shè)是理想氣體和穩(wěn)流條件，并且忽略了可壓縮效應(yīng))ΔPe=-Qeμ2πkrbrPDi---(5)]]>其中Kr是廢物的有效水平氣體滲透率，Qe是井的抽氣速率，PD是流向井的氣流的適當無量綱壓力解式(pressuresolution)，ΔPe是靜壓與流動壓力之差，以及br是廢物厚度對于井完全穿透襯砌填埋物(其覆蓋層的滲透率較低)中的高滲透性廢物的情況，合適的PD函數(shù)是Hantush(1964)相對在有限的床體內(nèi)沒有流體儲存的滲漏的有限地層給出的函數(shù)PD=K0(r/B);B=(krbrbckc)1/2---(6)]]>其中K0是零次的修正Bessel函數(shù)。于是方程(5)變?yōu)?amp;Delta;Pe=-Qeμ2πkrbrK0(r/B)---(7)]]>那么抽氣過程中廢物內(nèi)的平均絕對壓力就是Pe＝P0+ΔPe(8)根據(jù)(7)的廢物102中的廣義絕對壓力以及它與靜壓101的關(guān)系都示于圖1中。在Tier3的方法中，將ROI103定義為距離抽氣井的徑向距離，在該距離處抽氣過程中的絕對壓力與靜態(tài)絕對壓力之差在測量誤差104的范圍內(nèi)為零，即P0-Pe＝0 (9)利用Tier3的判據(jù)，作出以下假設(shè)ΔPe≅0=-Qeμ2πkrbrK0(re/B)---(10)]]>其中re是影響半徑。
方程(8)和(10)以及圖1示出了Tier3方法的兩個問題。首先，盡管抽氣井產(chǎn)生的壓降隨著r增加接近零(隨著r→∞，K0→0)，但它實際上不會達到零，影響半徑取決于測量誤差。誤差越大，影響半徑越小，反之亦然。其次，更為重要的是，LFG的產(chǎn)生速率在方程(7)中不起作用，這樣在測量誤差范圍內(nèi)ΔPe為零處的距離(re)就與LFG的產(chǎn)生速率無關(guān)。因此，就不能利用Tier3的方法確定LFG的產(chǎn)生速率了。
美國專利5063519提供了對“影響半徑”的補充分析法(即Tier3)以及其它LFG收集方法。‘519專利提供了以下方法作為解決方案獨立于通過利用測試期間收集的土壤樣品確定土壤滲透率得到的填埋物氣體壓力的測量結(jié)果，進行填埋物覆蓋層土壤的有效氣體滲透率的測量。在‘519專利中，建議測試者不要將探針(壓力測量裝置)插到填埋物的廢物部分中。測試者利用滲透率及其空間變率、壓力數(shù)據(jù)及其空間變率、以及其它數(shù)據(jù)計算流過填埋物表面的LFG氣流的累積頻率分布。此外，在‘519專利的方法中，假設(shè)填埋物中產(chǎn)生的所有氣體都穿過土壤覆蓋層離開填埋物(除了井抽走的那些以外)。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種新穎而有用的方法和系統(tǒng)，用于通過較便宜、能有效實施的方式估算LFG的產(chǎn)生，它們被設(shè)計成能提高對氣體產(chǎn)生進行估算的精度。
與利用Tier3的方法相比，利用本發(fā)明能更精確地估算出要求填埋物操作者安裝LFG控制系統(tǒng)的填埋物條件，由此最大限度地減小了填埋物不需要LFG控制系統(tǒng)的可能性。在LFG-能量轉(zhuǎn)化過程中，能更精確地估算出填埋物的產(chǎn)能潛力，并且提高了過程收益率。
此外，與‘519專利的方法不同的是，本發(fā)明的方法采用大氣壓和填埋物壓力來估算填埋物的滲透率和LFG產(chǎn)生速率，而不是要求采集土壤樣品、然后進行分析以確定土壤的滲透率(象‘519專利中那樣)。另外，鑒于’519專利的方法是假設(shè)填埋物內(nèi)產(chǎn)生的所有氣體都穿過土壤覆蓋層離開填埋物(除了井抽走的那部分以外)，并且要求從土壤覆蓋層(而非產(chǎn)生氣體的廢物)內(nèi)獲取氣體壓力測量值，本發(fā)明的方法認識到，在未襯砌的填埋物情況下，某些氣體將通過支撐填埋物的土壤離開填埋物，于是它提供了在填埋物的廢物部分內(nèi)以及某些條件下在填埋物的產(chǎn)氣廢物部分下方或其旁邊的支撐土壤內(nèi)取得氣壓測量結(jié)果。
依照本發(fā)明，一部分填埋物內(nèi)的產(chǎn)氣速率可通過以下方式估算獲得代表填埋物表面邊界處大氣壓的大氣壓的時間關(guān)系記錄，在時間關(guān)系記錄所包括的時間段內(nèi)測量填埋物的至少一個選定地下位置上的氣壓，然后利用大氣壓和該時間段內(nèi)測得的氣壓估算這部分填埋物的LFG產(chǎn)生速率。
在優(yōu)選實施方案中，要在填埋物的表面邊界處和填埋物產(chǎn)氣廢物部分內(nèi)的多個選定位置處測量氣壓，在填埋物未被襯砌的情況下，還要在填埋物下方(某些情況下是在填埋物旁邊)的支撐土壤內(nèi)測量氣壓，然后利用所測壓力估算填埋物的LFG產(chǎn)生速率。
本發(fā)明認識到，可通過測量填埋物(例如市政固體廢物填埋物)內(nèi)部及其表面處的氣壓(以及在填埋物未被襯砌的情況下，測量填埋物下方和旁邊的氣壓)，然后分析它對大氣壓變化的響應(yīng)性，由此以合理的工程精度確定填埋物的填埋物產(chǎn)氣速率。
此外，可將本發(fā)明的原理用于估算一部分產(chǎn)氣填埋物的氣體滲透率，它獨立于產(chǎn)氣速率的確定。
通過以下詳細描述和附圖，將使本發(fā)明的其它特征變得顯而易見。
附圖的簡要說明圖1是壓力對離單個抽氣井的距離的歸納曲線，上面已結(jié)合Tier3的方法的限制條件對此作了討論；圖2是填埋物的示意圖，利用本發(fā)明的原理對它來估算產(chǎn)氣速率；圖3是用于演示本發(fā)明的方法對估算填埋物產(chǎn)氣速率的有用性的數(shù)據(jù)曲線圖；以及圖4是表示在Arizona的Tucson中的填埋物收集的壓力數(shù)據(jù)的曲線圖以及它與本發(fā)明方法的模型仿真數(shù)據(jù)的擬合。
詳細描述如上所述，本發(fā)明對于估算填埋物氣體(LFG)的產(chǎn)生速率特別有用，下面結(jié)合對LFG產(chǎn)生速率的估算描述它的原理。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，在了解了本發(fā)明的原理的情況下，將這些原理用于估算其它地下產(chǎn)氣物料體的氣體產(chǎn)生的方式是顯而易見的。
首先，描述構(gòu)成本發(fā)明基礎(chǔ)的理論是很有用的。具體而言，本發(fā)明認識到，由填埋物(例如市政的固體廢棄填埋物)產(chǎn)生填埋物氣體的速率可通過以下步驟以合理的工程精度來確定測量填埋物內(nèi)部及其表面處的氣壓，以及在填埋物未襯砌的情況下測量填埋物下方的支撐土壤中的氣壓(以及某些情況下測量填埋物旁邊的支撐土壤中的氣壓)，然后分析其對大氣壓變化的響應(yīng)。在含有正經(jīng)歷生物或化學(xué)轉(zhuǎn)化、從而變成氣體的有機物質(zhì)的填埋物內(nèi)，給定深度和位置上的氣壓可由Darcy定律確定q→=-k‾‾eμ(▿P+pgn→)---(11)]]>其中 是氣體體積通量的矢量， 是有效氣體滲透率張量，P是在廢物中的某一點上的壓力，μ是氣體動態(tài)粘度，是梯度算子，ρ是氣體密度，g是重力加速度，以及 是指向下方的單位法向矢量。
盡管許多實際情況下填埋物的有效氣體滲透率、粘度和密度都取決于溫度、壓力和氣體組成，但為了估算LFG的產(chǎn)生速率，可將這些參數(shù)作為常量來處理。如需要更高的精度，就要使用能解釋氣體性能變化的數(shù)學(xué)模型。
根據(jù)方程(11)，產(chǎn)生LFG的填埋物內(nèi)的平均壓力(校正壓力測量點的標高)將大于平均大氣壓。方程(11)還暗示著如果有效氣體滲透率和孔隙度已知或者能被合理地估算出來，那么LFG的產(chǎn)生速率可根據(jù)對大氣壓與填埋物內(nèi)部壓力之差的測量來計算。但是，由于大氣壓經(jīng)常變化，進行這種分析是很復(fù)雜的。此外，大氣壓的變化遍及填埋物覆蓋層、廢物和周圍的土壤，引起廢物內(nèi)的氣壓與其平均值有差異。給定位置處填埋物內(nèi)部壓力因大氣壓變化而產(chǎn)生的變化取決于覆蓋層、廢物和周圍土壤的有效氣體滲透率和充氣孔隙度以及填埋物的尺寸和形狀。
氣體滲透率和充氣孔隙度對內(nèi)部壓力響應(yīng)的影響能通過考慮位于很大填埋物中心處(此處滲透率和孔隙度在深度上是均勻的)的壓力響應(yīng)的理想情形進行最好的說明。在該理想情況下，壓力響應(yīng)可通過假設(shè)氣流僅在垂直方向上發(fā)生來概算。如果流域的上界是地表面，而下界是不透氣流的(例如地下水面或填埋物襯砌)，那么大氣壓以簡單的諧波方式變化，并可以忽略前面的暫時項，于是內(nèi)部壓力可通過Carslaw和Jaeger(1959第105頁，方程(1))推導(dǎo)出的模擬熱流方程給出P2(z)=A(z)sin(ωt+ϵ+θ(z))+P02‾(z)---(12)]]>其中A(z)是深度z處的壓力變化幅度，ω是大氣壓變化的頻率，ε是大氣壓變化的相位，z是深度， 是內(nèi)部的平均平方壓力，θ是深度z處的相位滯后，以及深度z處平方壓力變化的幅度A(z)由下式給出 其中A0是平方大氣壓變化的幅度，L是不滲透的下界的深度，α(氣動擴散率)按下式來定義α=kePa‾φμ---(14)]]>其中φ是充氣孔隙度， 是填埋位置的平均大氣壓。深度z處的相位滯后θ(z)由下式給出θ(z)=arg[cosh[(ω/(2α))1/2z(1+i)]cosh[(ω/(2α))1/2L(1+i)]]---(15)]]>其中i是(-1)1/2，arg是方程(15)中括號內(nèi)的復(fù)數(shù)的幅角。盡管方程(12)不太精確，它也可以寫成壓力項、而非平方壓力項的形式。
方程(12)到(15)表示深度z處的壓力響應(yīng)取決于土壤的氣動擴散率，深度z處的壓力響應(yīng)幅度相對大氣壓波的幅度而減少，它是ke/φ的函數(shù)，深度z處的壓力波落在地表壓力波的后面，它是ke/φ的函數(shù)。就大氣壓變化可通過簡單的諧波函數(shù)來概算的程度而言，諸如(12)到(15)之類的分析方程能用于、并且已用于估算土壤和其它自然產(chǎn)生的地下物料的氣動擴散率(例如Weeks，1978；Rojstaczer和Turk，1995；Lu，1999)。就本發(fā)明人所知道的，它們還未被用于填埋物。假設(shè)可以合理地估算土壤和廢物的充氣孔隙度，就可由氣動擴散率估算有效氣體滲透率。如果也確定了平均內(nèi)部壓力與平均大氣壓之差，那么就可利用方程(2)計算每個單位面積的LFG產(chǎn)生速率。
盡管諸如(12)到(15)之類的方程示出了由大氣壓響應(yīng)來估算LFG產(chǎn)生速率的基本原理，但現(xiàn)實世界的條件很少會象推導(dǎo)和應(yīng)用這些方程時假設(shè)的那么簡單。首先，大氣壓對許多因素響應(yīng)而變化，不能總用簡單的諧波函數(shù)來描述。另外，填埋物中的壓力響應(yīng)取決于土壤和廢物的氣動性能，而它們在空間上是不均勻的。該壓力響應(yīng)還取決于填埋物的幾何形狀和壓力測量點的位置。最后，由于平均內(nèi)部壓力和平均大氣壓都是常常變化的，因此很難精確測得它們之間的差值。這些復(fù)雜性通常要求采用數(shù)字模型，由測得的大氣壓和地下壓力響應(yīng)推導(dǎo)出有效氣體滲透率和LFG產(chǎn)生速率。
假設(shè)有計算地下壓力的合適數(shù)學(xué)模型(不管是分析的，還是數(shù)字的)，其輸入值包括有效氣體滲透率、充氣孔隙度、填埋物產(chǎn)氣速率、填埋物的幾何尺寸、以及作為邊界條件的大氣壓對時間的函數(shù)，可通過對有效氣體滲透率、充氣孔隙度和LFG產(chǎn)生速率的假設(shè)值計算地下壓力響應(yīng)，然后將算得的壓力響應(yīng)與測得的壓力響應(yīng)作比較，以此估算出LFG產(chǎn)生速率和有效氣體滲透率。有效氣體滲透率、充氣孔隙度和LFG產(chǎn)生速率的實際值可通過調(diào)整它們的輸入值、以便使算得的壓力與測得的壓力之差最小來估算。該調(diào)整過程可通過人工方式經(jīng)反復(fù)實驗或采用各種自動參數(shù)估算法來進行。
合適的數(shù)學(xué)模型可基于Darcy定律來解答氣流和連續(xù)方程的偏微分方程。該偏微分方程的一種表達式是
▿·-ke‾‾ρμ(▿P+ρgn‾)=φ∂ρ∂t+ρQ·---(16)]]>其中 是多孔介質(zhì)的每單位體積的體積產(chǎn)氣速率， 是有效氣體滲透率張量，P是地下物料體內(nèi)某一點處的壓力，是梯度算子，ρ是氣體密度，g是重力加速度，φ是充氣孔隙度，μ是地下物料體的動態(tài)粘度， 是指向下方的單位法向矢量，t是時間，以及項ke、μ和ρ都取決于溫度、壓力和氣體組成。
根據(jù)填埋位置的環(huán)境和希望得到的精度水平，也可對方程(16)進行各種簡化處理(例如但不限于假定ke、μ和ρ為常數(shù))。還可假設(shè)這些參數(shù)不依賴于溫度、壓力或氣體組成，該情況下在方程(16)中將它們作為常數(shù)來處理。另一種簡化是利用理想氣體的Ideal Gas定律或?qū)deal Gas定律的各種調(diào)正來消掉(16)中的密度項，從而用壓力或壓力平方的形式表達方程(16)。這些簡化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。當與描述地表大氣壓變化的邊界條件結(jié)合時，基于方程(16)的方程解法提供了利用上面描述的建模和參數(shù)估算程序僅由大氣壓和地下壓力響應(yīng)的測量值來確定LFG產(chǎn)生速率和有效氣體滲透率的基礎(chǔ)。
圖2中示意性地示出了填埋物200在填埋位置210中的剖視圖。填埋物200包括土壤覆蓋層201和位于土壤覆蓋層201下方的產(chǎn)氣廢物202的填埋體。支撐土壤203位于產(chǎn)氣廢物202的填埋體的下方和旁邊。傳感器204檢測位于填埋物上界處的大氣壓。利用在氣象站獲得、并外推到填埋位置的大氣測量值還可獲得代表填埋物表面邊界處大氣壓的大氣壓的時間關(guān)系記錄。
在圖2的實施方案中，氣壓傳感器205位于要測量LFG產(chǎn)生速率的填埋物的廢物部分202的選定位置。通過將傳感器設(shè)置在填埋物的表面上，并通過管子或?qū)Ч軐⑵渑c205處的透氣插入物相連，可以提供等效的氣壓測量值。可在填埋物內(nèi)(即在填埋物的廢物部分202內(nèi))的多個選定位置設(shè)置一個或多個附加傳感器或插入物206，用以檢測這些位置處的壓力。在填埋物覆蓋層201內(nèi)可設(shè)置一個或多個傳感器或插入物207。如果填埋物是未襯砌的，可在填埋物外部的支撐土壤203內(nèi)(例如，在所示例子中，支撐土壤203包括在填埋物的廢物部分202下面和旁邊的土壤)設(shè)置一個或多個傳感器或插入物208。利用所有地下傳感器或插入物的測量壓力來估算填埋物的產(chǎn)氣速率。
另外，雖然圖2的例子示出了位于填埋物的廢物部分202內(nèi)的至少一個傳感器或插入物205，但如果填埋物是未襯砌的，本發(fā)明的原理就可用于僅利用位于支撐土壤內(nèi)的傳感器或插入物(例如，僅利用圖2中諸如208處所示的傳感器或插入物)來估算LFG產(chǎn)生速率。
在應(yīng)用本發(fā)明方法的過程中，必需在時間長度足以包括至少一個每日大氣壓最大值或一個大氣壓最小值的時間內(nèi)進行大氣壓測量。該測量應(yīng)當建立代表填埋物上界處大氣壓的大氣壓時間關(guān)系記錄。大氣壓時間關(guān)系記錄無需連續(xù)，而是可由多個測量大氣壓的不連續(xù)時間段組成。如果在至少兩天的時間段內(nèi)測量，就可以改善LFG產(chǎn)生速率的估算精度。可利用各種設(shè)備進行壓力測量，其包括流體壓力計、機械壓力表、以及電子壓力表。所需的壓力測量裝置的精度由LFG的產(chǎn)生速率、廢物和覆蓋層以及周圍土壤的有效氣體滲透率、以及大氣壓的變化范圍決定。一般而言，對于大氣壓和地下壓力的測量應(yīng)當檢測到每平方英寸±0.001磅的差或者更低。如果測量大氣壓和地下壓力之差的誤差大于每平方英寸0.001磅，就會降低該方法的精度。地下壓力的測量既可通過將壓力測量裝置放置在地下的理想位置來測量，也可通過利用管子或?qū)Ч軐⒌乇淼膲毫y量裝置與地下位置連接起來而測量。地下壓力測量可在大氣壓時間關(guān)系記錄所包含的時間段內(nèi)進行。在根據(jù)上述方法測得了壓力后，通過利用上述的合適數(shù)學(xué)模型(例如11、12頁針對方程(16)描述的內(nèi)容)分析這些測量值，以此估算出LFG的產(chǎn)生速率。
圖3是取自對本發(fā)明方法的模擬，其在填埋物的中心于30英寸的深度上測得壓力B，于60英寸的深度上測得壓力A。該模擬揭示了壓力滯后和幅度衰減，人們發(fā)現(xiàn)它們隨著覆蓋層滲透率的減少而增加，因襯砌的存在而增強。在圖3所示的例子中，由于填埋物物料的滲透率很高，因此填埋物中在所模擬的30英寸深的壓力和60英寸深的壓力之間幾乎沒有滯后或衰減。填埋物內(nèi)相對大氣壓C的壓力增加是由于填埋物的氣源、主要由于填埋物覆蓋層的滲透率降低造成的。
圖4表示利用設(shè)置于Arizona的Tucson的100英畝未襯砌填埋物表面上的傳感器測得的大氣壓F，和利用位于該填埋物的表面上、并通過管子與植入填埋物表面以下100英寸的支撐土壤100內(nèi)的透氣插入物相連的傳感器測得的壓力D。壓力E可通過在本發(fā)明方法的模型仿真過程中調(diào)整垂直氣體滲透率和填埋物產(chǎn)生的氣體來獲得。假設(shè)填埋物的廢物孔隙度為45％，填埋物覆蓋層和周圍土壤的充氣孔隙度為35％。土地覆蓋層內(nèi)產(chǎn)生觀測壓力的垂直氣體滲透率為1.0達西，填埋物廢物內(nèi)是15達西，淺層土內(nèi)是1.0達西，填埋物下方的土壤內(nèi)是1.5達西。各處的水平土壤氣體滲透率要高10倍。通過將穿過填埋物覆蓋層和穿過位于廢物下方和旁邊的土壤排出填埋物廢物的LFG量加起來，獲得總產(chǎn)量740scfm。
雖然前面的討論涉及估算填埋物的LFG產(chǎn)生速率，但對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說清楚的是，本發(fā)明的原理還可用于估算廢物和覆蓋層的滲透率，而它不用依賴于估算LFG的產(chǎn)氣速率。在該情況下，可通過改變滲透率以獲得地下傳感器內(nèi)測得的壓力幅度變化和壓力滯后相對大氣壓傳感器內(nèi)測得的壓力的擬合來應(yīng)用該方法的模型仿真。用于該目的的模型可基于方程16，其右手側(cè)的最后項包含了設(shè)定為零的產(chǎn)氣速率。
于是，依照前面公開的內(nèi)容已經(jīng)描述了用于估算地下體如填埋物的產(chǎn)氣速率的方法。對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說清楚的是，本發(fā)明的原理可用于確定其它地下物料體(可在該地下物料內(nèi)部或由該物料產(chǎn)生氣體)的產(chǎn)氣速率。此外，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說清楚的是，本發(fā)明的原理可用于估算一部分產(chǎn)氣填埋物的滲透率。
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權(quán)利要求
1.一種估算位于填埋位置的填埋物的LFG產(chǎn)生速率的方法，其包括以下步驟a.獲得代表填埋物表面邊界處大氣壓的大氣壓的時間關(guān)系記錄，b.在步驟a的時間關(guān)系記錄所包含的時間段內(nèi)，于填埋位置的選定地下位置測量氣壓，以及c.利用步驟a的大氣壓和步驟b的測量氣壓估算一部分填埋物的LFG產(chǎn)生速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中一部分填埋物的LFG產(chǎn)生速率的估算可由基于以下公式的數(shù)學(xué)方法來確定▿·-k=eρμ(▿P+ρgn‾)=φ∂ρ∂t+ρQ·]]>其中 是這部分填埋物的多孔介質(zhì)的每單位體積的體積產(chǎn)氣速率， 是有效氣體滲透率張量，P是在這部分填埋物的廢物內(nèi)的某點處的壓力，是梯度算子，ρ是氣體密度，g是重力加速度，φ是充氣孔隙度，μ是這部分填埋物中的LFG的動態(tài)粘度， 是指向下方的單位法向矢量，t是時間，以及項ke、μ和p都取決于溫度、壓力和氣體組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中一部分填埋物的LFG產(chǎn)生速率的估算可由基于以下公式的數(shù)學(xué)方法確定▿·-k=eρμ(▿P‾+ρgn‾)=φ∂ρ∂t+ρQ·]]>其中 是這部分填埋物的多孔介質(zhì)的每單位體積的體積產(chǎn)氣速率， 是有效氣體滲透率張量，P是在這部分填埋物的廢物內(nèi)的某點處的壓力，是梯度算子，ρ是氣體密度，g是重力加速度，φ是充氣孔隙度，μ是這部分填埋物中的氣體的動態(tài)粘度， 是指向下方的單位法向矢量，t是時間，以及假設(shè)ke、μ和ρ中的任何一個或全部為常數(shù)，或者不依賴于溫度、壓力或氣體組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)連續(xù)方程和Darcy定律將依照步驟a獲得的大氣壓和測得的地下壓力用于計算過程，以算出這部分填埋物的氣體滲透率，基于Darcy定律將該氣體滲透率和大氣壓與所測地下壓力之差用于進一步計算，以估算出這部分填埋物的產(chǎn)氣速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中利用測得氣壓的步驟包括以下步驟利用這部分填埋物中選定位置處的氣壓相對這部分填埋物邊界處的大氣壓變化的變化來估算這部分填埋物的有效氣體滲透率和產(chǎn)氣速率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中填埋物包括頂部的土壤覆蓋層和位于頂部土壤覆蓋層下方的可產(chǎn)氣的填埋物物料體，其中步驟b的壓力測量值是在產(chǎn)氣的填埋物料體內(nèi)獲得的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中氣壓測量步驟包括在填埋位置的多個地下位置、至少在產(chǎn)氣的填埋物料體內(nèi)的一個地下位置上測量氣壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中填埋位置包括支撐著產(chǎn)氣填埋物料體的土體，所述至少一個地下位置位于該土體內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中填埋位置包括產(chǎn)氣的填埋物料體和支撐著填埋物料體的土體，氣壓測量步驟包括測量土體內(nèi)的至少一個選定位置處的氣壓。
10.一種估算一定場所的地下物料體內(nèi)的產(chǎn)氣速率的方法，它包括以下步驟a.獲得代表填埋物表面邊界處大氣壓的大氣壓的時間關(guān)系記錄，b.在步驟a的時間關(guān)系記錄所包含的時間段內(nèi)，于地下物料體一定場所的選定地下位置測量氣壓，以及c.利用步驟a的大氣壓和步驟b的測量氣壓估算一部分地下物料體的產(chǎn)氣速率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中地下物料體的產(chǎn)氣速率的估算可由基于以下公式的數(shù)學(xué)算法來確定▿·-k=eρμ(▿P‾+ρgn‾)=φ∂ρ∂t+ρQ·]]>其中 是該地下物料體的多孔介質(zhì)的每單位體積的體積產(chǎn)氣速率， 是有效氣體滲透率張量，P是在該地下物料體內(nèi)的某點處的壓力，是梯度算子，ρ是氣體密度，g是重力加速度，φ是充氣孔隙度，μ是該地下物料體內(nèi)的氣體的動態(tài)粘度， 是指向下方的單位法向矢量，t是時間，以及項ke、μ和p都取決于溫度、壓力和氣體組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中地下物料體的產(chǎn)氣速率的估算可通過基于以下公式的數(shù)學(xué)算法來確定▿·-k=eρμ(▿P‾+ρgn‾)=φ∂ρ∂t+ρQ·]]>其中 是該地下物料體的多孔介質(zhì)的每單位體積的體積產(chǎn)氣速率， 是有效氣體滲透率張量，P是在該地下物料體的某點處的壓力，是梯度算子，ρ是氣體密度，g是重力加速度，φ是充氣孔隙度，μ是該地下物料體中的氣體的動態(tài)粘度， 是指向下方的單位法向矢量，t是時間，以及假設(shè)ke、μ和ρ中的任何一個或全部為常數(shù)，或者與溫度、壓力或氣體組成無關(guān)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中根據(jù)連續(xù)方程和Darcy定律將依照步驟a獲得的大氣壓和測得的地下壓力用于計算過程，以算出該地下物料體的氣體滲透率，根據(jù)Darcy定律將該氣體滲透率和大氣壓與所測地下壓力之差用于進一步計算，以算出該地下物料體的產(chǎn)氣速率。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中利用測量氣壓的步驟包括以下步驟利用該地下物料體中選定位置處的氣壓相對該地下物料體邊界處的大氣壓變化的變化估算出該地下物料體的有效氣體滲透率和產(chǎn)氣速率。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中步驟b的壓力測量值是在該地下物料體中的多個選定位置取得的。
16.一種估算一部分產(chǎn)氣填埋物的填埋物氣體滲透率的方法，它包括以下步驟a.獲得代表填埋物表面邊界處大氣壓的大氣壓的時間關(guān)系記錄，b.在步驟a的時間關(guān)系記錄所包含的時間段內(nèi)，于填埋物的選定地下位置測量氣壓，以及c.利用步驟a的大氣壓和步驟b的測量氣壓估算這部分產(chǎn)氣填埋物的產(chǎn)氣速率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中根據(jù)連續(xù)方程和Darcy定律，將根據(jù)步驟a獲得的大氣壓和測得的地下壓力用于以下計算過程，以算出這部分產(chǎn)氣填埋物的氣體滲透率分布▿·-k=eρμ(▿P+ρgn‾)=φ∂ρ∂t]]>其中 是有效氣體滲透率張量，P是在這部分填埋物的廢物內(nèi)的某點處的壓力，是梯度算子，ρ是氣體密度，g是重力加速度，φ是充氣孔隙度，μ是這部分填埋物的動態(tài)粘度， 是指向下方的單位法向矢量，t是時間，以及項ke、μ和p都取決于溫度、壓力和氣體組成。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中根據(jù)連續(xù)方程和Darcy定律將依照步驟a獲得的大氣壓和測得的地下壓力用于以下計算，以算出這部分產(chǎn)氣填埋物的氣體滲透率▿·-k=eρμ(▿P+ρgn‾)=φ∂ρ∂t]]>其中 是有效氣體滲透率張量，P是在這部分填埋物的廢物內(nèi)的某點處的壓力，是梯度算子，ρ是氣體密度，g是重力加速度，φ是充氣孔隙度，μ是這部分填埋物的動態(tài)粘度， 是指向下方的單位法向矢量，t是時間，以及其中假設(shè)ke、μ和ρ中的任何一個或全部為常數(shù)，或者與溫度、壓力或氣體組成無關(guān)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中根據(jù)連續(xù)方程和Darcy定律，將依照步驟a獲得的大氣壓和測得的地下壓力用于計算過程，以算出這部分產(chǎn)氣填埋物的氣體滲透率
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中產(chǎn)氣填埋物包括頂部的土壤覆蓋層和位于頂部土壤覆蓋層下方的可產(chǎn)氣的填埋物料體，其中壓力測量步驟包括在產(chǎn)氣的填埋物料體內(nèi)的多個位置上測量氣體壓力。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于估算填埋物或其它地下產(chǎn)氣物料體中LFG產(chǎn)生和氣體滲透率的有用方法和系統(tǒng)。一部分填埋物或其它地下產(chǎn)氣物料體內(nèi)的產(chǎn)氣速率可通過以下步驟來估算獲得代表這部分填埋物或地下產(chǎn)氣物料體的表面邊界處大氣壓的大氣壓的時間關(guān)系記錄，在該時間關(guān)系記錄所包含的時間段內(nèi)，在填埋(或地下體)位置的至少一個選定位置處測量氣壓，然后利用該大氣壓和該時間段上測得的氣壓估算這部分填埋物或地下產(chǎn)氣物料體的LFG產(chǎn)生速率和氣體滲透率。在優(yōu)選實施方案中，要在該填埋物的廢物部分內(nèi)的多個選定位置、以及在填埋物未襯砌的情況下于填埋物下方的支撐土壤內(nèi)測量氣壓，然后利用測得的壓力估算填埋物的LFG產(chǎn)生速率和氣體滲透率。
文檔編號G01V11/00GK1620600SQ02828103
公開日2005年5月25日 申請日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月14日
發(fā)明者H·W·本特利, G·R·沃爾特, S·J·史密斯, J·唐, C·T·威廉遜 申請人:水土地化學(xué)公司