Termisk assisteret vakuumventilation
5 Dimensionering af anlæg
5.1 Energianlæg
Dimensioneringen af selve opvarmningen af jorden tog udgangspunkt i et ønske om at opnå minimum 100 °C inden for behandlingszonen. Området blev defineret på baggrund af de udførte undersøgelser. Totalt set udgjorde arealet hvor hot-spot af forureningen befandt sig ca. 75 m² og den kraftigste forurening gik fra terræn og ned til ca. 10 m under terræn.
Baseret på data fra Larsen 2000 kræver 750 m³ jord en energitilførsel i størrelsen 60.000 kWh for at opnå en temperatur på 100 °C. Imidlertid er dette et minimum baseret på, at energikilden giver samme temperatur overalt, eksempelvis som ved dampinjektion. Ved varmeledning fra boringer er den drivende kraft til at få energien ud netop temperaturforskellen, således skal temperaturen på varmelegemerne være betydeligt over 100 °C for at drive tilstrækkeligt med energi ud i jorden, alternativt skal varmelegemerne placeres meget tæt på hinanden. I det omfang vandet fordamper skal der også bruges energi til fordampningsvarmen for vand. Hvis alt vand skal fordampes svarer dette til et energiforbrug på ca. 165.000 kWh, hvis der regnes med en vandmættet porøsitet på 0,35 m³/m³ for hele volumenet. Den samlede energi til opvarmning og fordampning svarer derfor til ca. 225.000 kWh totalt, såfremt alt vand skal fordampes, eller ca. 300 kWh/m³. Praksis fra andre oprensninger (kilde) i USA viser at alt vand typisk ikke fjernes, der fjernes normalt ca. 50 % af vandindholdet ved opvarmningen. Herudover er der et energitab til omgivelserne, dels via overfladen til atmosfæren og dels via tab til jorden udenfor oprensningsområdet.
Til dimensionering af afstand og temperaturer blev der udført beregninger baseret på formel 3 i afsnit 3.1. Der blev opstillet en model i regneark til løsning af ligningen. Som beskrevet i afsnit 3.1 varierer både varmekapaciteten og varmeledningsevnen af jorden som funktion af temperaturen. I beregningerne udført med henblik på at finde antallet af boringer og den effektive påvirkningszone er der gjort to tilnærmelser:
1. Varmekapaciteten og varmeledningsevnen er holdt konstant i temperaturen op til 100 °C, hvorefter de to parametre er holdt konstant på en ny værdi for temperaturer over 100 °C. Tilnærmelsen svarer fysisk til, at varmeledningsevnen falder momentant når temperaturen når kogepunktet, i stedet for at falde jævnt hen over temperaturintervallet op til kogepunktet.
2. Fordampningsvarmen for vandet er indregnet i varmekapaciteten i beregningerne. Varmekapaciteten anvendt for den våde, kolde jord er derfor 6.800 J/Kg K og for den varme jord 800 J/kg K. Fysisk er der derfor ikke holdt regning på vandindholdet i jorden som funktion af temperaturen, hvilket jf. afsnit 3.1 i praksis påvirker varmekapaciteten så den bliver lavere og lavere som vandet i jorden fordamper.
I figur 5.1 er vist et eksempel på en beregning af temperaturen i jorden til forskellige tidspunkter med en temperatur på 600 °C på varmelegemet. Tilsvarende beregninger blev udført ved varmelegemetemperaturer i intervallet 300-800 °C.
Figur 5.1 Temperatur omkring en vertikal boring som funktion af afstanden fra en cirkulær varmekilde. Varmelegeme temperaturen er fastholdt på 600 ° C gennem hele forløbet.
Baseret på de udførte beregninger blev det besluttet at anvende en maksimal temperatur på 600 °C på varmelegemerne. Dette blev på baggrund af beregningerne vist i figur 5.1 vurderet at give en tilstrækkelig stor afstand mellem varmelegemerne samtidig med at oprensningsperioden blev vurderet rimelig, i dette tilfælde estimeret til ca. 4 mdr. Effekten der skulle afsættes pr. varmelegeme blev under disse forudsætninger beregnet til 50 kW pr. boring eller 5 kW/meter af varmelegemet. Set-uppet svarede til en afstand på 5 meter mellem varmelegemerne, se bilag 2 for plan med boringer.
Det blev fra starten af arbejdet valgt at indkøbe varmelegemerne som en bygherreleverance. Indledningsvis blev markedet undersøgt for leverandører, der kunne levere varmelegemer, der kunne operere ved den rigtige temperatur og samtidig tåle vand og i fuld længde, dvs. 20 meter. Varmelegemerne skulle udføres som en samlet konstruktion bestående af både filterrør og varmelegeme i en integreret enhed. Disse forudsætninger gjorde, at det var et meget begrænset antal af leverandører at vælge imellem.
Konstruktionen blev diskuteret med et par leverandører og det endte med en konstruktion af selve varmelegemet og filterrør som vist i bilag 3.
Konstruktionen består af et inderrør, der ved 600 °C skulle kunne holde til jordtrykket i 10 meters dybde. Dimensionen blev vurderet dels udfra styrketabeller af stål som funktion af temperaturen, og dels ud fra at rørene skulle kunne bearbejdes maskinelt. Røret blev slidset med et hulareal på 10 %, jævnt fordelt over længden for at give maksimal mulighed for tilstrømning af dannede dampe. For at forhindre materialeflugt ind i filteret blev der på ydersiden af røret monteret filtervæv. Uden på røret er selve varmelegemerne fastgjort. Der blev i alt monteret 9 varmeelementer (samt 3 reserver), hver lagt som et U formet element i et stykke for at forhindre eventuel vandindtrængning. Da strømforsyningen er tre-faset er antallet af elementer deleligt med tre for at få en jævn belastning af el-nettet. Strømforsyningen og styringen af varmeelementerne var ligeledes en integreret del af leverancen. Styringen skulle kunne reguleres således, at temperaturen på varmelegemet kunne fastholdes på et givet setpunkt i intervallet 100-600° C. Det variable setpunkt blev valgt så forskellige energimængder kunne ”injiceres” såfremt det det viste sig at det nødvendigt.
Den samlede energitilførsel der samtidig kunne leveres blev dimensioneret til i alt 150 kW.
5.2 Behandlingsanlæg
Selve anlægget blev dimensioneret med en rækkefølge af komponenter som angivet i figur 5.2, se i øvrigt bilag 4 for PI-diagram. Det ses, at anlægget i princippet består af en række boringer hvorfra strømmen ledes via:
- En varmeveksler, hvor væske og gas separeres samtidig med at faserne køles.
- Vanddelen ledes via en udskiller og herefter et kulfilter til kloak. Der pumpes vand rundt med eksterne pumper.
- Gasdelen ledes igennem en vakuumpumpe igennem en køleflade/lufttørring forud for rensning i kulfilter og udledning til atmosfæren.
Figur 5.2 Overordnet flowdiagram for processen i behandlingsanlægget
Dimensioneringen af behandlingsanlægget tog sit udgangspunkt i behandling af den damp og energimængde der kan dannes ved at tilføre jorden 150 kW.
Det blev i forbindelse med modelberegningerne af varmeudbredelsen beregnet, at der ved den angivne energiinjektion kunne fordampes ca. 200 l vand pr. time. I forhold til dimensioneringen skulle denne dampmængde, opvarmet til maksimalt 600 °C, kunne behandles i anlægget. Samtidig skulle der kunne etableres et vakuum der sikrede, at alt den dannede vanddamp samt den fordampede PCE blev indsamlet. Der blev derfor dimensioneret for et luftoverskud i den opsugede blanding.
Permeabiliteten i jorden var kun dårligt kendt, ligesom effekten af udtørringen heller ikke på det foreliggende grundlag kunne forudsiges. Der blev på denne ret spinkle baggrund valgt en robust løsning med en vakuumpumpe, der kunne pumpe en mængde på 250 m³/h, ved et vakuum ned til 0,5 bar.
Boringerne og rørføringerne er dimensioneret udfra det forventede luft- og dampflow, således at der kun var minimale strømningstryktab igennem rør og boring. Røret skulle samtidig tjene som støtte for varmelegemerne. På denne baggrund blev det besluttet at anvende 4 ” stålrør som selve filteret, ligesom rørføringen til og i behandlingsanlægget på gassiden også blev udført i 4” rustfri stålrør.
Frem til kølingen i varmeveksleren var der i det oprindelige design regnet med at gasblandingen kunne have temperaturer helt op til 600 °C. Der blev derfor i detailprojektet beskrevet særligt store krav til korrosionsbestandighed og styrke som følge af dette.
I dimensioneringen var det forudsat, at den opsugede vanddamp havde et lavt pH (ned til pH=1-2). Der var derfor et krav om at det kondenserede vand kunne neutraliseres ved tilsætning af natrium- eller kaliumhydroxid inden videre behandling af vandet.
Behandlingsdelen til vandet i anlægget blev udlagt for et vandflow på op til 200 l/time. Det efterfølgende kulfilter, skulle som minimum indeholde 75 kg kul til fjernelse af den opløste PCE.
På luftsiden skulle der indsættes en lufttørringsenhed, der består af dels en køleflade og dels en varmeflade i serie. Ved først at sænke temperaturen ca 10 °C under dugpunktet ved driftstemperaturen og derefter hæve temperaturen ca. 5 °C opnås en relativt stor ændring i den relative luftfugtighed. Luften skulle inden udledning til atmosfæren ledes igennem 2 serieforbundne kulfiltre med hver 75 kg kul.
For både vand og luft kulfiltrene blev driftstemperaturen udlagt til 45 °C.
Version 1.0 Juli 2007, © Miljøstyrelsen.