Termisk assisterede oprensninger

4 Opvarmningsteknologier

4.1 Dampinjektion
4.2 Injektion af varmt vand eller luft
4.3 Direkte varmeledning (varmetæppe eller varmebrønde)
4.4 Opvarmning med vekselstrøm (Joule heating)
4.5 Radiobølge opvarmning
4.6 Vurdering af lovende teknikker for klorerede opløsningsmidler

I dette kapitel gennemgås de forskellige teknologier, som har været anvendt til at opnå opvarmning under in situ oprensninger. I kapitel 5 behandles de to mest lovende teknologier (Joule heating og dampinjektion) i detaljer, og feltdemonstrationer af relevans gennemgås.

4.1 Dampinjektion

Store grunde er ikke et problem

Dampinjektion anvendes til oprensning af relativt permeable lag i både umættet og mættet zone. Da teknikken er overført fra olieindustrien, hvor den anvendes i flere kilometers dybde, er der ingen begrænsninger på hverken dybder eller jordvolumener.

Damp injiceret fra lodrette brønde hæver formationens temperatur til ca. 100 °C. Damp har en højere varmekapacitet end luft, og der afsættes varme, når dampen kondenseres til vand. Mekanismerne under dampinjektion er velbeskrevet via 10 års forskning på University of California, Berkeley (Udell, 1996).

Damp rundt om forureningen

Dampinjektion er velegnet i mere permeable formationer, hvor dampen kan injiceres ved under 1 atm overtryk. Damp produceres direkte i kedler, med meget lille energitab, hvorfor damp er den billigste form for energi til opvarmning. Dampen injiceres under og uden om det forurenede kildeområde, og bringes til at vandre indad mod ekstraktionsboringer placeret midt i kilden. Herved presses forureningsstofferne på dampform ind mod midten, hvor de opsamles ved vakuumekstraktion.

Mekanismer

Flygtige stoffer med kogepunkter under 100 °C kan mobiliseres på forkanten af en udbredende dampfront, idet en proces svarende til destillation skubber dem foran fronten. Stoffer med højere kogepunkter kan mobiliseres på gasform, når en dampfront er etableret, og varm damp gennemskyller formationen, som da er 100 °C varm.

Over og under grundvandsspejlet

Dampinjektion er lettest i umættet zone, men er anvendelig også for dybere forureninger i mættet zone. Her fortrænges grundvandet, og når dampfronten når frem til ekstraktionsboringerne, er en lomme med umættede forhold dannet. Her destilleres forureningsstofferne og transporteres med dampen udefra og ind mod midten, hvor de opsamles. Ved at variere tryk og mængder af dampen, kan dampens volumen og udbredelse optimeres.

Lerlag påvirkes

Lerlag af op til 3 m's tykkelse kan opvarmes ved dampinjektion på begge sider i løbet af få uger. Opvarmningen sker ved varmeledning ind i leren fra de opvarmede højpermeable zoner, hvor dampinjektionen foretages. Lavpermeable lag kan berøres og renses indirekte ved at tænde og slukke for dampinjektionen, hvilket fører til stødvis kogning af porevandet i lagene, når dampinjektionen stoppes, og der herved sker et pludseligt trykfald. (Itamura & Udell, 1995).

Mulige tekniske begrænsninger

Problemerne med dampinjektion er blandt andet kontrol med strømningsretningen af dampen. Damp gennemtrænger ikke lerlag, og der er problemer med at anvende damp i overfladenære zoner, fordi dampen vil finde vej til overfladen og undslippe. Sidstnævnte problem kan afhjælpes ved køling af jordfladen med koldt vand. Eksempler på dampinjektion gennemgås i kapitel 5.

4.2 Injektion af varmt vand eller luft

Varmt vand presser frie faser af olie ud af porerne, nedsætter oliens viskositet, hvorved der for de fleste olietyper kan opnås en mobilisering af residuale forekomster af fri fase afsnævret under grundvandsspejlet, således at den frie olie koncentreres umiddelbart over grundvandsspejlet (Davis, 1997a). Denne teknik mangler feltdokumentation, og er ikke specielt aktuel for DNAPL forureninger.

Injektion af varm luft (Clarke et al., 1994) kan sammenlignes med dampinjektion, men har ikke fundet udbredelse pga. luftens lave varmekapacitet, som gør at meget store mængder luft skal cirkuleres for at varme undergrunden op (Davis, 1997; Morrison Knudsen Corp., 1995).

4.3 Direkte varmeledning (varmetæppe eller varmebrønde)

Jorden kan opvarmes til 1000 °C med varmetæpper eller varmebrønde med termisk desorption og in situ destruktion/forbrænding af stofferne til følge (Iben et al. 1995; Vinegar et al., 1993).

Varmetæpper

Varmeelementet i et vandret tæppe kan være et stålnet lagt ud på jorden, med en silikonegummimembran og 20-40 cm af isolerende ler ovenpå (vermicullit). Et sådant tæppe kan opvarmes til omkring 1000 °C, hvilket giver en stor temperaturgradient, og et område ca. 1 m dybt kan opvarmes til minimum 200 °C på ca. 3 uger. Et hul i membranen bruges til vakuumekstraktion, og stoffer og vand føres lodret opad mod gradienten gennem varmere og varmere lag, hvorved problemer med kondensation undgås.

Varmebrønde

Lodrette varmebrønde kan bruges til at opvarme dybere end 1 m. Det samme princip som for varmetæppet benyttes, nu med vandret stoftransport. Igen bliver varmebrønden brugt både som varmekilde og ekstraktionspunkt.

Små volumener kan varmes

Den væsentligste begrænsning ved direkte varmeledning er den langsomme varmeudbredelse i jord, hvorved hvert tæppe eller hver brønd næppe kan behandle meget mere end ca. 10-50 m³ jord (typisk 3 ugers opvarmning). Derfor er varmetæpper og brønde ikke relevant for klorerede opløsningsmidler, som ofte vil forefindes i større dybder eller under grundvandsspejlet og have forurenet større volumener.

4.4 Opvarmning med vekselstrøm (Joule heating)

Joule heating er anvendt til oprensning af tykke lerlag over og under grundvandsspejlet (Gauglitz et al. 1994; Newmark et al. 1994). Arealer på op til 500 m² og dybder op til 30 m under terræn er renset.

Princippet i Joule heating

Denne teknik udnytter varmen afsat ved elektronernes bevægelse i jorden, og opvarmer derfor jorden indefra. Lavfrekvent (50-60 Hz) vekselstrøm løber fortrinsvis i lag med høje vandindhold eller elektrisk ledende dobbeltlag (typisk ler og silt). Energien finder dermed selv vej til de mest kritiske, lavpermeable områder, som opvarmes internt. Når et lag er varmet op, og væsken er fordampet, er det stort set også rent.

Strømmen løber i ler og våde områder

Da tør jord typisk har meget lavere elektrisk ledningsevne end mættet jord, vil strømmen automatisk finde nye veje uden om de udtørrede (rene) områder, hvorved energispild kan minimeres. Energitilførslen til jorden omkring elektroderne opretholdes ved at tilsætte vand (evt. saltholdigt) til filtersætningsmaterialet omkring elektroderne, så de ikke tørrer ud. Derudover er grafit benyttet som pakkemateriale rundt om elektroderne, hvilket øger den elektriske kontakt til formationen.

Stor effektivitet over for klorerede stoffer

Meget høje rensningsgrader er dokumenteret for både TCE og PCE i laboratoriet (Heron et al., 1998a) og i felten (Gauglitz et al. 1994). Jordkoncentrationer på over 100 mg/kg blev nedbragt til typisk under 1 mg/kg.

Fri fase fjernes

Joule heating kan i praksis kun opvarme jorden til lidt over 100 °C, hvorefter jorden vil tørres, og den elektriske modstand i formationen stige markant. Dette er tilstrækkeligt højt til at udnytte de vigtigste mekanismer for accelereret stoffjernelse, nemlig præferentiel kogning af områder med fri fase og kogning af porevandet med dampproduktion til følge.

Udfordringer

Problemerne med Joule heating er af teknisk og sikkerhedsmæssig art; elektriske interferenser på måleudstyr og stødrisici skal undgås. For at opnå tilstrækkelig elektrisk kontakt mellem elektroder og jordmatrice er det oftest nødvendigt at anvende grafit til "gruskastning" af elektroderne. Da Joule heating er en lovende teknologi både i umættet og mættet zone, vil denne diskuteres i detaljer i kapitel 5.

4.5 Radiobølge opvarmning

Høj temperatur

Jords ledningsevne for radiobølger er mindre afhængig af vandindholdet end den elektriske ledningsevne. Med radiobølger kan jorden derfor opvarmes til næsten vilkårlige temperaturer. Energien tilføres enten via tre rækker elektroder (triplate array) eller ved dipol antenner (EPA 1995a, 1995b).

Fjernelse af stoffer

Dev et al. (1988) nåede 150-160 °C, og rensede 94-99 % af den tilstedeværende forurening (jet fuel og klorerede alifater) på Volk Field AFB, Wisconsin. Edelstein et al. (1994) demonstrerede opvarmning til 140 °C, men uden tilstedeværelse af forurening. Snow et al. (1993) viste 97-99 % oprensning af flygtige og halvflygtige stoffer på Rocky Mountain Arsenal, idet jorden blev opvarmet til minimum 250 °C.

Mulige tekniske begrænsninger

De væsentligste problemer med radiobølger er:

Ikke velegnet til klorerede

Med disse problemer in mente, og den høje pris på strømkilden, må radiobølge-opvarmning vurderes at være uegnet til klorerede opløsningsmidler. Potentielt kan metoden finde anvendelse i tørre aflejringer eller ved forurening med stoffer med høje kogepunkter (over 200 °C).

4.6 Vurdering af lovende teknikker for klorerede opløsningsmidler

Joule heating og dampinjektion er mest lovende for oprensning af forureninger med klorerede opløsningsmidler, idet:

Dampinjektion er velegnet i permeable formationer, hvorimod Joule heating er velegnet i lavpermeable områder. I kapitel 5 gennemgås felterfaringer med Joule heating og dampinjektion.