| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Termisk assisteret vakuumventilation

3 Opvarmning ved varmeledning

• 3.1 Opvarmningens effekt på temperaturen
• 3.2 Fysiske påvirkninger af jorden
• 3.3 Pyrolyse/oxidation

Ved opvarmning med varmeledning opnås de samme overordnede fordele i forhold til fjernelse af organiske stoffer som med andre opvarmningsteknikker  (dampinjektion og opvarmning ved direkte udnyttelse af jordens elektriske ledningsevne). Disse fordele kan kort opridses i følgende punkter:

• Kraftigt forøgede damptryk af stofferne, dvs. tendens til at gå på gasfase fra fri fase dråber i jorden
• Kraftig forøgelse af Henrys lov konstanten, dvs. tendens til at gå på gasfase for stoffer opløst i porevand/grundvand
• Reduktion af stoffernes viskositet, dvs. en øget mobilitet af frie faser
• Forøgelse af diffusionshastigheden

For yderligere uddybning af disse effekter se eksempelvis Heron et al 1998 og Larsen 2000.

Herudover er der for opvarmning med varmelegemer nogle særegne effekter som er beskrevet mere uddybende i de følgende afsnit.

3.1 Opvarmningens effekt på temperaturen

I modsætning til injektion af damp, hvor energien primært transporteres ved advektion, er opvarmningen med varmelegemer stort set udelukkende kontrolleret af varmeledning, en proces der matematisk beskrevet er analog til diffusion.

Selve opvarmningen foregår enten ved installation af varmelegemer, som dem der kendes fra dyppekogere i jorden i boringer eller ved udlægning af varmelegemer på jordoverfladen med overliggende isolering.

Varmeudbredelse kan i det én dimensionelle beskrives tilfælde ved varmeledningsligningen:

hvor q^• er energimængden pr. tid der transporteres (J/s =Watt)

A er arealet som ledningen sker igennem (m²)

k er varmeledningstallet (W/m K)

¶T/¶x er temperaturgradienten(K/m).

For en boring med et installeret varmelegeme vil ligningen kunne skrives som:

hvor er energimængden pr. tid der transporteres (J/s =Watt)

r er afstanden fra boringen (m)

h er højden af boringen (m)

Ligning 3 angiver løsningen på den stationære energistrømning, hvor R_E er afstanden hvortil der er opvarmning og T₀ er udgangstemperaturen.

Varmeledningstallet k er en stofspecifik parameter, der varierer afhængig af sammensætningen af det stof som ledningen foregår i. Materialer med lavt varmeledningstal kaldes isolatorer. I tabel 3.1 er angivet varmeledningstal for en række materialer til sammenligning.

Tabel 3.1. Varmeledningstal for forskellige materialer ved 20 °C.

Det ses af tabel 3.1, at luft er den dårligste varmeleder i tabellen, hvilket udnyttes i mange isoleringsmaterialer, hvorimod metallerne er meget gode varmeledere. Jords (sand og ler) varmeledende egenskaber er stærkt præget af vandindholdet. I takt med, at en større del af porerummet drænes eller når vandet fjernes ved fordampning udfyldes hulrummet af luft, der er en betydeligt dårligere varmeleder end vandet.  Som det ses af tabel 3.1 og figur 3.1 varierer varmledningsevnen for jord afhængig af vandindholdet indenfor ca. én størrelsesorden i intervallet 0,2-3 W/mK. Samtidig ses det, at variabiliteten mellem forskellige jordtyper er meget lille, typisk i størrelsen en faktor 2. Sammenholdt med variabiliteten i hydraulisk/pneumatisk ledningsevne er dette fuldstændig insignifikant, idet denne typisk varierer over mange størrelsesordener, eksempelvis fra 10^-10 m/s for ler til 10^-2 m/s for grovt sand/grus.

Figur 3.1 Varmeledningstal for to forskellige jordtyper som funktion af vandmætningen.

Gudbjerg 1999, og kilder citeret heri, baserer beregningen af varmeledningstallet i jord på baggrund af kvartsindhold, porøsitet og vandmætning. I figur 3.1 er sammenhængen mellem varmeledningstallet og vandindholdet i en smeltevandssand bestående af 90 % kvarts og en lerjord med 10 % kvarts vist til illustration baseret på disse formler.

En mere teoretisk uddybende tilgang til hvordan varmeledningen kan estimeres udfra viden om jordens tekstur mv. kan eksempelvis findes i Ochsner et al. 2001 og Hansen 2002. Begge kilder bygger i stort omfang på arbejdet udført af DeVries 1963.

Akkumulering af energi i jorden sker i form af en temperaturstigning. Jordens  varmekapacitet (energimængden der skal til for at hæve temperaturen i 1 kg 1 grad celsius) er en funktion af vandindholdet, dog gælder en væsentligt mere simpel sammenhæng end for varmeledningstallet. De enkelte materialers (jordpartikler, vand og luft) varmekapacitet kan adderes direkte og på denne måde bestemmes.

I tabel 3.2 er vist varmekapacitet for forskellige materialer til sammenligning.

Tabel 3.2. Varmekapaciteter for forskellige materialer ved 20 °C.

Det ses af tabel 3.2, at varmekapaciteten for jord stort set kun er afhængig af vandindholdet, idet den mineralske fraktion har en kapacitet på ca. 800 J/kgK og andelen fra luft er negligerbar.

I forhold til opvarmning med et nedsænket varmelegeme i jorden kan der opstilles en ligning, der beskriver den instationære udbredelse af energien omkring varmelegemet. Denne kan opskrives som:

hvor c_p er varmekapaciteten (J/kg K), r er massefylden af jorden (kg/m³), t er tiden og resten af parametrene som tidligere angivet.

Forudsætningen for at løse ligning 3 analytisk er, at varmekapaciteten, massefylden og varmeledningstallet er konstant i tid og afstand fra boringen. Det er sandsynligvis en rimelig antagelse, at parametrene er konstante i forhold til afstanden inden opvarmning. Derimod vil både varmekapaciteten og varmeledningstallet variere som følge af udtørring igennem opvarmningsprocessen. Variationen på parametrene vil følgelig både variere som funktion af tid og sted.

Dette indikerer, at det er nødvendigt at anvende numeriske simulationsværktøjer i forbindelse med dimensionering af en oprensning baseret på varmeledning. En numerisk løsning af ligning 3, med forsimplede forudsætninger blev anvendt til dimensionering udført på den konkrete lokalitet.

3.2 Fysiske påvirkninger af jorden

I forbindelse med opvarmningen sker der en udtørring af jorden, specielt i nærområdet omkring varmelegemerne. Dette giver anledning til dels en forøget mængde porer, der er åbne for gastransport, og hermed en større effektiv gaspermeabilitet og dels en mulighed for ændring af jordens geotekniske egenskaber. Temperaturen i nærområdet omkring varmelegemerne kan blive meget høj, helt op til 600-700 °C, hvilket medfører en total udtørring og delvis oxidation/pyrolyse af  organisk stof i jorden. Specielt organiske jordtyper vil have en stor risiko for at skrumpe voldsomt, ligesom ler i et vist omfang også vil have risiko for reduktion på grund af udtørring, se afsnit 7.3 for forsøg udført på lokaliteten.

I forbindelse med udtørringen sker der en øgning af gaspermeabiliteten, hvilket forårsager en bedre mulighed for at ekstrahere de dannede dampe. Hvis varmelegemerne kombineres med selve ekstraktionsboringen trækkes de dannede dampe igennem varmere og varmere zoner. En følge af at placere varmekilde og udsugningspunkt i samme boring er, at den dannede vanddamp bliver opvarmet til legemetemperatur igennem transporten mod varmelegemet, hvilket kræver ekstra energi. Eksempelvis vil en opvarmning fra 100 til 600° C af dampen kræve en ekstra energitilførsel på knap 100 kWh/m³ jord, såfremt alt vandet fordamper. I nærområdet af varmelegemerne sker der samtidig en temperaturstigning til over 100 °C, der også skal energi til.

3.3 Pyrolyse/oxidation

Ved opvarmning til høje temperaturer omkring varmelegemerne kan der ske en oxidation eller pyrolyse. Pyrolyse er en destruktion af de organiske stoffer uden ilt, hvor der fraspaltes gasser fra forbindelserne. Iltindholdet i jorden er dermed medvirkende til at kontrollere hvilken form for proces stofferne underkastes. Da der er vakuum påtrykt jorden, vil der specielt i de øvre dele af jordsøjlen være en vis iltkoncentration tilstede pga af strømmende luft fra overfladen. Stofferne i denne zone vil her kunne oxideres og eventuelt i dybere zoner underkastes pyrolyse såfremt temperaturen er tilstrækkelig høj.

Pyrolyse- og oxidationstemperaturen er meget stofafhængig. For PCE har Taylor et al., 1996 vist, at der først begynder at ske en pyrolyse i intervallet  700-850° C, hvor der fraspaltes dichloracetylene, hexachlorbenzene, frit chlor carbontetrachloride og hexachlorobutadiene. I en reaktor med stort overfladeareal skete processen ved de laveste temperaturer.

En oxidation PCE kan også finde sted efter følgende reaktionsligning:

Forbrændingsenergien for processen svarer til -660 kJ/mol PCE (ca. 4000 kJ/kg). Gibbs fri energi for reaktionen er +27 kJ/mol PCE. Dette betyder at processen ikke forløber spontant, men kræver energitilførsel for at initieres. Til sammenligning giver propanforbrænding ca. –2000 kJ/mol propan (ca. 46.000 kJ/kg). Gibbs energi for denne reaktion er ca. –2000 kJ/mol svarende til at processen er spontan. Som det ses af reaktionsligningen dannes der ved den oxidative proces saltsyre.

Da oxidationsprocessen ikke er spontan termodynamisk kræver den normalt både høje temperaturer og en vis reaktionstid for at forløbe. Lee et al., 1999 angiver, at temperaturen for klorerede opløsningsmidler, der brændes af ved direkte flamme bør holdes over 925 °C. Ved katalytisk oxidation anvendes ofte temperaturer i området omkring 800-900°C ved forbrænding af chlorerede opløsningsmidler, hvilket viser deres relativt store modstandsdygtighed overfor oxidation. Ved så høje temperaturer og en tilpas lang opholdstid opnås fjernelsesrater på 99,9 % eller mere.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Juli 2007, © Miljøstyrelsen.