👨‍🔬 作者及单位

  • 主要作者：Ralph S. Baker, John LaChance, Mark W. Kresge, Robert J. Bukowski, James P. Galligan, Ken Parker, Courtney M. Duteau

  • 单位：TerraTherm, Inc.（美国马萨诸塞州菲奇堡）

  • 合著者：Myron Kuhlman（MK Tech Solutions, Inc.，德克萨斯州休斯顿）

  • 客户代表：Edward H. White, Jr.（National Grid USA，马萨诸塞州韦斯特伯勒）

  • 会议：未明确标注（从参考文献推断为2004年前后的国际修复会议）

📖 中文摘要（核心内容）

研究背景

美国马萨诸塞州某废弃 manufactured gas plant (MGP) 场地的瓦斯罐内残留有煤焦油。该瓦斯罐在退役后被回填了土壤和碎屑，罐壁和罐底完好，封闭体积约2,013立方码（1,539 m³）。地下水位位于地表以下约3英尺（0.9 m）。罐内土壤中普遍存在残留煤焦油，底部4英尺（1.2 m）的土壤被煤焦油（DNAPL）饱和。

技术方案

采用原位热破坏（In-Situ Thermal Destruction, ISTD）技术进行分步修复，目标达到马萨诸塞州土壤清洁标准（针对PAHs、苯、石油烃等）。

技术原理（ISTD）

  • 热传导加热（Thermal Conduction Heating, TCH） + 真空抽提

  • 通过电加热元件（“加热井”）向土壤供热，温度可从环境温度升至约800°C

  • 污染物通过以下机制被去除/破坏：

    1. 蒸发进入地下空气流

    2. 蒸汽蒸馏

    3. 沸腾

    4. 水解

    5. 氧化

    6. 热解（无氧条件下的热化学分解）

三级处理策略

 
 
级别 温度 目标
一级 低温加热 提高煤焦油流动性，回收可流动的NAPL
二级 ~100°C 挥发轻质烃，使残留焦油固化，阻止浸出
三级 >325°C 彻底破坏PAHs，达到<1 mg/kg的极低浓度

现场实施

  • 实际瓦斯罐直径62英尺（18.9 m）（比最初报告的55 ft大27%），处理深度0-18 ft（0-5.5 m）

  • 最终设计：25口热井（6口加热-抽提井 + 14口纯加热井 + 5口调整）

  • 每口热井外侧安装纵向空气注入管，以维持氧化条件，防止焦炭堵塞

  • 预加热阶段先抽水（约100,000加仑）和回收可流动焦油

  • 然后升温至617°F（325°C），持续180天

  • 电力需求：600,000 kWh，240 kVA

模拟建模

  • 使用CMG STARS（热采与先进过程油藏模拟器）进行三维、多相、多组分模拟

  • 模拟了氧化、蒸汽重整、结焦、水煤气反应等破坏反应动力学

  • 通过模拟优化了加热井布局和空气注入策略，预测99.98%的COCs被去除或破坏

🖥️ CMG软件应用情况总结

 
 
项目 说明
使用软件 CMG STARS（Steam, Thermal, and Advanced Processes Reservoir Simulator）
开发者 卡尔加里大学与CMG公司（自1980年代初开发）
主要用途 模拟ISTD过程中的热传导、多相流动、化学反应（氧化、蒸汽重整、结焦、水煤气反应）
模型类型 三维、多相、多组分有限差分模拟器
模型规模 1/12对称单元（Element of Symmetry, EOS），包含2口H-V井和2口H-O井
模拟场景 两种配置（Configuration 1和2），对比了热井布局、空气注入对焦炭堆积和污染物去除的影响
关键输出 COC产量、气体产量、水产量、残留COC浓度分布、温度分布
技术地位 文中称STARS为领先的非等温油田模型（the leading nonisothermal oil field model）

🧾 主要结论

实验室结果

  • 煤焦油温度升高100°F（56°C），黏度降低20倍

  • 加热可显著提高焦油的可回收性

模拟结果（Configuration 2优化后）

  • 预测99.98%的COCs（煤焦油）在180天内被去除或破坏

  • 约50%的COCs被破坏，约50%以液体形式回收

  • 残留COC浓度降至0.02%以下

  • 通过平衡内外圈热输入和增加空气注入，消除了底部COC积聚

现场实施

  • 成功安装25口热井和空气注入系统

  • 预抽水阶段回收约100,000加仑水，经油水分离器和活性炭处理后排放

  • 项目以固定价格保证合同执行，预计2004年9月完成

📊 关键数据汇总

 
 
参数 数值
瓦斯罐直径 62 ft（18.9 m）
处理深度 0-18 ft（0-5.5 m）
处理体积 2,013 CY（1,539 m³）
地下水位 3 ft bgs（0.9 m）
焦油饱和层 12-18 ft bgs（3.7-5.5 m）
目标温度 617°F（325°C）
处理时间 180天
热井数量 25口（6 H-V + 14 H-O + 5调整）
功率密度 300-350 W/ft（984-1,184 W/m）
总电能 600,000 kWh
电功率 240 kVA
预抽水量 ~100,000 gal（375,500 L）

📚 关键词（中文）

原位热破坏、ISTD、热传导加热、MGP废弃物、煤焦油、PAHs、DNAPL、CMG STARS、热修复、瓦斯罐

🙏 致谢

  • TerraTherm现场工作人员：Glenn Anderson, Dave Brogan, Peter Quintin

  • 客户：National Grid USA

📄 论文来源

  • 会议：未明确标注（约2004年）

  • 参考文献包括：Baker & Kuhlman (2002)、Hansen et al. (1998)、Stegemeier & Vinegar (2001)、MKTS (2001)等

 
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