用于就地放热土壤治理系统中的加热器元件 【技术领域】
本发明通常涉及土壤治理。本发明的一个实施例涉及用于在就地放热土壤治理过程中升高土壤温度的加热器元件。
背景技术
在很多地方，地下土壤的污染成为人们关心的问题。地下土壤可以被化学、生物和/或放射性污染物污染。地下土壤的污染可能以多种方式发生。材料溢出、储存容器泄漏以及对材料的不正确处理引起的掩埋垃圾渗漏是可能污染土壤的多种方法中的几个实例。当地下土壤中的污染物进入蓄水层中、空气中或者食物源中时，该污染物可能危害公众的健康。地下土壤中的污染物可以通过在食物链部分中的各种生物积累而进入食物源中。
有多种方法来治理污染的土壤。“治理污染的土壤”涉及处理土壤以除去土壤污染物或者使土壤内的污染物减小到可接受的水平。一种治理污染地方的方法是挖出土壤并在单独的处理设备中处理该土壤，以便消除或减小该土壤内的污染物水平。该方法的很多问题限制了它的效果和用途。例如，该方法的一个问题是挖掘可能产生灰尘，这使周围环境和工作人员暴露在土壤污染中。还有，即使在很小的污染场所，也需要挖掘多吨土壤，以便进行有效处理。设备成本、劳动成本、运输成本和处理成本将使得该方法与其它可采用地土壤治理处理方法相比变得非常昂贵，从而无法实施。
生物处理和就地化学处理也可以用于治理土壤。生物和/或化学处理可以包括将材料注入土壤中。在化学处理过程中注入的材料可以是反应剂，该反应剂设置成与土壤污染物反应，以便产生无污染的反应生成物或可以很容易从土壤中除去的挥发性生成物。在化学处理过程中注入的材料可以是溢流剂，该溢流剂设置成将污染物推向生产井，该生产井除去土壤中的污染物。该溢流剂可以是蒸汽、二氧化碳或其它流体。土壤的异质性和其它因素阻碍了利用生物处理和/或化学处理来使土壤内的污染物水平降低至政府规章所要求的水平。
可用于除去地下土壤中的污染物的方法包括土壤蒸汽抽取(SVE)法。SVE法向土壤施加真空，以便通过地下土壤抽取空气和蒸汽。该真空可以施加在土壤/空气交界面处，或者该真空可以通过布置在土壤内的真空井来施加。空气和蒸汽可以将挥发性污染物夹带和携带向真空源。通过真空从土壤中除去的废气可能包括在土壤内的污染物。该废气可以输送给处理设备。离开土壤的废气可以在处理设备中进行处理，以便消除该废气内的污染物，或者使该污染物减少至可接受的水平。SVE处理可以在不需要移动土壤或显著扰乱土壤的情况下从土壤中除去污染物。SVE处理可以在道路、地基和其它固定建筑物下面进行。
地下土壤的可渗透性可能限制SVE处理的效果。空气和蒸汽可以流过地下土壤，主要流过土壤的可渗透性高的区域。该空气和蒸汽可能从旁路绕过土壤的可渗透性低的区域。空气和蒸汽从旁路绕过可渗透性低的区域可能在通过SVE法处理土壤后仍然使大量的污染物遗留在土壤中。由于水分保持而降低空气的可渗透性、分层的土壤层以及土壤内的材料的异质性都可能限制SVE土壤治理处理方法的效果。
由于水分保持而降低空气的可渗透性将阻碍流动的空气与土壤内的污染物的接触。一种部分解决水分保持问题的方法是使土壤排水。该土壤可以通过降低地下水位和/或通过采用真空排水方法而排水。这些方法可能并不是能够打开土壤的孔隙以允许气流流过的有效方法。当地下水位降低时，毛细管作用力可能阻碍从土壤中除水。降低水位可能导致湿地。空气通过湿地传导的能力有限。
真空排水方法可能有实际限制。在真空排水方法过程中产生的真空可能在距离排水井一定距离处快速减小。采用真空排水方法可能并不会明显改善土壤水分保持问题。采用真空排水技术可能导致在靠近排水井的位置处形成优选的空气传导通道。
很多类型的土壤的特征是水平分层，具有交替的高可渗透性层和低可渗透性层。分层类型的土壤的普通实例是湖成沉积物。湖成沉积物的特征是交替的薄淤泥层和含砂层。当SVE井与几个这样的层相交时，几乎所有的引入气流都在含砂层中产生，并从旁路绕过淤泥层。
地下土壤中可能有异质性。空气和蒸汽可以优选地流过异质性土壤的某些区域。而空气和蒸汽可能会被阻止流过异质性土壤的其它区域。例如，空气和蒸汽将优选流过并不紧密的填充材料中的空隙。空气和蒸汽可能会被阻止流过很紧密的填充材料。填充材料中的埋入碎屑可能阻碍空气流过地下土壤。
就地放热(ISTD)可用于增加SVE方法的效果。ISTD土壤治理处理方法包括就地加热土壤，以便升高土壤的温度，同时除去该土壤的废气。除了在气流中夹带污染物外，加热土壤还可以通过多种机理除去污染物。该机理可以包括但不限于：从土壤中蒸发和蒸汽输送该污染物；在水蒸气中夹带和除去污染物；以及通过在土壤内的热解、氧化或其它化学反应而使污染物热降解或进行转变。就地加热土壤可以大大提高SVE方法的效果。
ISTD土壤治理处理方法明显优于SVE方法和将驱动流体或者化学和/或生物反应剂注入土壤中的方法。普通土壤流体流传导率可能在整个土壤中的变化系数为108，这部分是由于土壤的异质性和土壤中的水。通过土壤的均匀质量传输可能是在治理处理地点采用SVE方法或者对土壤进行化学和/或生物处理的限制因素。普通土壤的热传导率可能在整个土壤中的变化系数为2。在整个土壤中注入热量将明显比向相同的整个土壤中注入流体更有效。加热土壤可以导致土壤的可渗透性增加。传入土壤中的热量可以使土壤变干。当土壤干燥时，土壤的微观和宏观的可渗透性都可以增加。加热土壤的可渗透性增加将使得ISTD土壤治理处理方法能够有效治理整个处理区域的土壤。土壤的可渗透性增加将导致能够就地治理低可渗透性的粘土和淤泥，该粘土和淤泥不适用于标准的土壤蒸汽抽取方法。
施加给污染土壤的热量将使土壤的温度升高到高于土壤内的污染物的气化温度。当土壤的温度超过土壤污染物的气化温度时，该污染物可以气化。施加给土壤的真空能够将该气化的污染物从土壤中吸出。即使土壤加热至低于污染物气化温度的温度，也可以获得很好的效果。增加土壤的温度可以增加土壤中的污染物蒸汽压力，并且与在较低土壤温度下可达到的效果相比，气流能够将更多污染物从土壤中除去。
与污染物相比，大部分土壤包括大量的液态水。使土壤温度升高到高于水在土壤条件下的汽化点，可以使土壤内的水蒸发。该水蒸气(蒸汽)可以使污染物挥发和/或夹带该污染物。施加给土壤的真空可以除去从土壤中挥发的污染物和/或将污染物从土壤中夹带走。蒸汽蒸发和夹带污染物可以导致从土壤中除去中高沸点的污染物。
除了能够从土壤中除去更多的污染物，增加土壤温度还可以导致污染物的就地破坏。存在氧化剂例如空气可能导致污染物穿过高温土壤时氧化。在存在氧化剂时，土壤中的污染物可以通过热解而转变。“热解”是指由热作用引起的化学变化。施加给土壤的真空可以从该土壤中除去反应生成物。
ISTD土壤治理系统可以包括四个主要系统。这些系统可以是加热和蒸汽抽取系统、废气收集管道系统、废气处理系统、以及仪表和功率控制系统。
对于较深的土壤污染物，加热和蒸汽抽取系统可以由插入土壤中的井形成，或者对于较浅的土壤污染物，该加热和蒸汽抽取系统可以由加热覆层形成。也可以采用井和加热覆层的组合。例如，加热覆层可以布置在一组井的形心处。该加热覆层可以防止靠近土壤表面的污染物冷凝。土壤可以通过各种方法加热。用于加热土壤的方法包括但不限于：基本通过热传导加热、通过射频加热而加热、或者通过土壤电阻加热而加热。热传导加热可能很有利，因为通过热传导加热可获得的温度与土壤中的水或其它极性物质的量无关。利用热传导加热可获得大大高于水沸点的土壤温度。利用热传导加热，可以获得高于100℃、200℃、300℃、400℃、500℃或更高的土壤温度。
加热器可以置于土壤中或土壤上，仪表加热土壤。对于在土壤表面下大约1米内的污染，布置在土壤顶部的加热覆层可以向土壤导热。可以通过该覆层中的真空孔而将真空施加在覆层下面的土壤上。该加热器可以在大约870℃下工作。授予Marsden等的美国专利No.5221827公开了一种使用加热覆层的系统，该文献被本文参引，就象整个在本文中提出。
对于更深的污染，可以采用井来向土壤供热，并从土壤中除去蒸汽。术语“井”是指加热器井、抽吸井和/或组合的加热器/抽吸井。加热器井将热能供给土壤。抽吸井可用于从土壤中除去废气。抽吸井可以与废气收集管道系统相连。抽吸井可以与加热器井结合，以便形成加热器/抽吸井。在靠近加热器/抽吸井的区域，在土壤中的空气和蒸汽流可以与流过土壤的热流反向。热流可以在土壤中产生温度梯度。与质量传送反向的传热可以使吸向真空源的空气和蒸汽在它靠近和进入加热器/抽吸井时有很高的温度。当空气和蒸汽经过环绕加热器/抽吸井或在该加热器/抽吸井中的高温区域时，在空气和蒸汽中的大部分污染物可以通过热解和/或氧化而被破坏。在某些ISTD系统中，只有选定的井可以是加热器/抽吸井。在某些ISTD系统中，加热器井可以与抽吸井分离。加热器井内和加热器/抽吸井内的加热器通常在从大约650℃至大约870℃的范围内工作。
土壤的热传导加热可以包括辐射加热井套筒，该井套筒通过热传导对周围的土壤进行加热。一起的或单独的真空源可用于从土壤中除去蒸汽。蒸汽可以通过生产井而从土壤中除去。授予Vinegar等的美国专利No.5318116公开了通过由辐射加热套筒对土壤进行热传导加热而处理污染的地下土壤的ISTD方法，该文献被本文参引，就象整个在本文中提出。加热单元是民用镍铬合金/镁氧化物管状加热器，具有Inconel 601的鞘，并且工作温度直到大约1250℃。也可选择，对于更高的温度，可以采用碳化硅或铬酸镧的“发光杆”加热器元件、碳电极、或者钨/石英加热器元件。该加热器元件可以通过绑带系在支承部件上。
井可以布置成多行和多列。井可以交错，这样，该井成三角形图形。也可选择，该井可以对齐成矩形图形、五边形图形、六边形图形或更高次多边形图形。在某些井图形实施例中，相邻井之间的长度为固定距离，这样，多边形井图形是规则的井图形，例如等边三角形井图形或矩形井图形。在其它井图形实施例中，井的间距可能导致不规则多边形的井图形。在两个相邻井之间的间隔距离的范围可以从1米到大约13米或更多。典型的间隔距离可以从大约2米到大约4米。
插入土壤中的井可以是生产井、注入井和/或测试井。生产井可用于从土壤中除去废气。生产井可以包括多孔的套筒，该多孔套筒允许废气从土壤进入生产井。在套筒中的孔可以是但不限于孔和/或狭槽。这些孔可以有筛网。该套筒可以沿其长度方向在不同位置有多个多孔区域。当该套筒插入土壤中时，该多孔区域可以布置成靠近土壤的污染层。套筒的、靠近多孔部分的区域可能被砂砾或砂子堵塞。该套筒可以相对靠近非处理层的土壤密封，以防止污染物进入未污染的土壤中。生产井可以包括加热元件，该加热元件使热量传送给靠近该井的土壤。
在某些土壤治理处理方法中，希望向土壤中插入流体。该流体可以是但不限于：热源例如蒸汽、溶剂、化学反应剂例如氧化剂、或者生物处理载体。可以是液体或气体的流体能够通过注入井插入土壤中。该注入井可以包括多孔套筒。该注入井可以与生产井类似，除了流体是通过井套筒上的孔插入土壤中，而不是通过井套筒上的孔从土壤中除去。
井也可以是测试井。测试井可以用作气体采样井，以便确定土壤内的污染物的位置和浓度。测试井可以用作记录观测井。测试井也可以是无套筒的开口、有套筒的开口、多孔套筒、或有套筒和无套筒开口的组合。
生产井、注入井或测试井的井孔可以通过用钻孔机在土壤中钻孔而形成。在形成钻孔时生成的切削物必须与剩下的土壤分开处理。也可选择，生产井、注入井或测试井的井孔可以通过驱动和/或振动套筒或将管插入土壤中而形成。授予Bodine的美国专利No.3684037和授予White的美国专利No.6039508公开了用于声波钻井的装置。这两个专利都被本文参引，就象整个在本文中提出。
遮盖物(covering)可以布置成覆盖处理区域。该遮盖物可以防止流体从土壤损失到大气中，防止热量损失到大气中，并防止流体进入土壤。热量和真空可以施加在该遮盖物上。热量可以防止污染物在该遮盖物上或在靠近该遮盖物的土壤内冷凝。真空可以将气化的污染物从靠近土壤/空气交界面的土壤中除去，并送向废气处理系统。
废气收集管道系统可以与加热和蒸汽废气系统的抽吸井相连。废气收集管道系统也可以与废气处理系统相连，这样，从土壤中除去的废气可以输送给处理系统。典型的废气收集管道系统由金属管制成。该废气收集管道系统可以是非加热管道，它将废气和冷凝物传送给处理设备。也可选择，废气收集管道系统可以是加热管道，它防止废气在该收集管道内冷凝。采用金属管可能使得该收集系统成本昂贵。安装金属管收集系统可能需要大量的劳动和时间。
收集管道系统内的废气可以输送给废气处理系统。该处理系统包括从土壤中抽吸废气的真空系统。该处理系统还可以除去废气内的污染物，以便达到可接受的水平。处理设备可以包括反应器系统，例如热氧化器(oxidizer)，以便消除污染物或使废气内的污染物减少至可接受的水平。也可选择，处理系统可以采用质量传送系统，例如使废气通过活性炭床，以便消除污染物或使废气内的污染物减少至可接受的水平。也可以采用反应器系统和质量传送系统的组合，以便消除污染物或使废气内的污染物减少至可接受的水平。
仪表和功率控制系统可用于监测和控制加热器系统的加热速度。该仪表和功率控制系统也可以用于监测施加给土壤的真空以及控制废气处理系统的工作。电加热器可能要求该控制器能够防止该加热器过热。控制器的类型可以根据用于向加热器供电的类型。例如，硅控制整流器可用于控制利用直流电源供给加热器的功率，而零交叉(zerocrossover)电加热器起火控制器可用于控制利用交流电源供给加热器的功率。
屏蔽物可以环绕将处理的土壤区域布置。该屏蔽物可以包括环绕污染土壤区域的周边打入土壤内的金属板。用于土壤治理系统的顶盖可以相对该屏蔽物密封。该屏蔽物可以限制从周围吸入该处理器的空气和水的量。该屏蔽物还可以防止污染物从污染区域向邻近区域的可能扩展。
发明概述
ISTD土壤治理处理方法可用于处理污染土壤区域。该方法可以利用很容易可得的、相对便宜的和易于安装的系统部件来实现。该方法可以利用加热器、连接管道系统、控制系统元件处理设备来实现。该方法的系统部件可以由很容易得到的材料制成。该方法与普通ISTD土壤治理处理方法相比，可以很容易地安装、控制的操作。
用于ISTD土壤治理处理方法的加热器可以包括电阻加热器元件。在某些土壤治理系统的实施例中，用于加热土壤的加热器元件可以在结构上自支承，为裸金属，辐射加热元件悬挂在套筒内或悬挂在土壤中的开口内。在某些土壤治理系统的实施例中，加热器元件可以是结构上自支承的部件，传导加热元件布置在形成物内或布置在套筒内。有利的是，裸金属加热器可以很容易地获得。还有，使用裸金属加热器可以有利的消除与掩埋和安装用于加热器井的支承部件有关的成本和安装时间。
当在土壤治理过程中该加热器部分暴露于废气中时，加热器元件的加热器部分可以由高温、耐化学腐蚀金属形成。也可选择，当加热器元件装入加热器元件套筒中时，该加热器元件可以由较便宜、耐化学腐蚀性较差的金属形成。当加热器元件与电源相连时，该加热器部分发散热量。形成加热器部分的金属可以是但不限于：不锈钢、INCOLOY、或NICHROME(INCOLOY和NICHROME是商标)。用于形成条带加热器的加热器部分的特定金属可以根据成本、土壤治理处理方法的温度、金属的电特性、金属的物理特性、金属的耐化学腐蚀性以及其它因素进行选择。ISTD土壤治理系统的加热器元件可以由具有能够自调节加热器元件所产生的热量的电阻率特性的材料形成或者部分由该材料形成。有利的是，使用自调节加热器元件可以不需要用于ISTD土壤治理系统的加热器的控制器。
加热器元件可以构造成传导加热周围材料。该周围材料可以是土壤和/或填料。传导式加热器元件的加热器部分可以是裸金属。该加热器元件可以在加热时向上热膨胀。该传导式加热器元件可以直接打入土壤中。填料可以用于将该加热器元件装入套筒中。在一个实施例中，加热器元件是金属条带，该金属条带通过声音或机械方式而打入土壤内，以便形成“U”形。真空井套筒可以布置在加热器元件的支脚之间。在可选实施例中，加热器元件和/或真空井套筒可以布置于在土壤中钻出的开口内。在另外的实施例中，加热器元件可以布置在形成于土壤内的沟渠中。在加热器元件的支脚和/或真空井套筒之间的空间可以装有砂、砂砾或其它填料。
传导式加热器元件可能需要由在高温下非常耐腐蚀的材料制成，因为该加热器元件可以与土壤内的废气和其它流体直接接触。也可选择，传导式加热器元件可以通过砂、砂砾或其它填料装入加热器套筒内。填料可以通过传导向加热器元件井套筒传热。该加热器元件套筒可以向另外的填料和/或土壤传热。该填料还可以防止加热器元件与加热器套筒壁接触。也可选择，电绝缘垫圈可以沿加热器元件的长度周期性布置，以防止加热器元件和套筒壁之间接触以及防止加热器元件的支脚之间接触。与普通辐射加热器元件相比，对于同样的功率输入，该加热器条带可以在更低的温度下工作。加热器元件的更低工作温度可以延长加热器元件的寿命，并可以增加加热系统的可靠性。
与普通辐射式加热器元件的截面面积相比，传导式加热器元件的加热器部分可以有较大的截面面积。加热器部分的较大截面面积导致该加热器元件与普通等长度的辐射加热器相比可以有更小的电阻。该更小电阻使得几个条带加热器能够串联连接。能够串联连接几个条带加热器可以大大简化ISTD土壤治理系统的布线要求。加热器部分的较大截面面积还使得加热器部分和布置成邻近该加热器部分的材料之间能够有较大的接触面积。该较大接触面积也促进了在条带加热器中产生的热量向周围土壤中发散。
用于直接布置在土壤中的传导加热元件的填料可以包括催化剂材料例如氧化铝，该催化剂材料增强了污染物的分解。加热器/抽吸井可以通过在传导式加热元件的支脚之间插入多孔套筒而形成。将该多孔套筒安装在真空源上使得真空能够将蒸汽作为废气而从土壤中除去。将套筒布置在U形加热器元件的支脚之间使得废气在从土壤中除去之前可以经过高温区域。使废气通过高温区域可以通过废气中的污染物的氧化和/或热解而导致该污染物热降解。
加热器元件可以设置成辐射加热加热器套筒。辐射式加热器元件可以是裸金属。该加热器元件可以悬挂在套筒内或悬挂在将治理土壤中的开口内。用于形成辐射式加热器元件的金属的截面面积、长度和类型可以是能够在不将加热器元件沿加热器元件的长度周期性固定在支承部件上的情况下悬挂该加热器元件。悬挂加热器元件使得该元件在加热时可以向下热膨胀。绝缘垫圈可以沿加热器元件的长度周期性间隔开，以便防止该加热器元件与套筒的壁接触。该绝缘垫圈也可以防止加热器元件的支脚之间的接触。流体例如氦气可以布置在该套筒内，以促进从加热器元件向该套筒的传导传热。该加热器套筒壁可以粗糙、涂黑或进行其它处理，以提高该加热器套筒的辐射率。增加的辐射率可以增强加热器元件和加热器套筒之间的辐射传热。
传导式或辐射式加热器元件可以形成有可变的截面面积，和/或形成有由具有不同电阻特性的材料制成的部分，这样，在加热器元件的某些部分处(具有更小截面面积和/或更高电阻的部分)产生比该加热器元件其它部分处更大的热量发散。加热器元件的局部高热量发散部分可以位于靠近需要额外热量发散的土壤附近，例如湿土或靠近加热器元件的顶部和底部的土壤部分。靠近加热器元件的顶部和底部的区域可能需要额外加热，以便抵消端部热效应损失。加热器元件的选定部分可以形成有具有较大截面面积的区域。加热元件的较大截面面积部分可以布置为靠近表土层和/或未污染土壤层。
加热器元件套筒可以打入土壤内、装入土壤内或装入布置在土壤内的第二套筒内。该第二套筒可以是真空井套筒。在第二套筒和加热器元件套筒之间的填料可以足够多孔，以便使废气很容易流入和流出在加热器套筒和真空套筒之间的环形空间。将加热器元件布置在加热器元件套筒内可以使该加热器元件由相对便宜、不耐辐射的材料制成，因为废气不与加热器元件直接接触。加热器元件套筒可以由具有足够耐腐蚀性的材料制成，以便在完成土壤治理所需的估计时间中防止贯穿腐蚀。
对于深度浅的土壤污染，加热器元件或布置在套筒内的加热器元件可以布置在污染土壤中的沟渠内。在土壤表面上抽吸的真空和/或在土壤内抽吸的真空可以用于从土壤中除去废气。与通过打入、振动放入或将加热器元件布置于在土壤中钻出的开口内而将加热器元件布置在土壤内相比较，形成沟渠和将加热器元件置于沟渠内可以更便宜。对于更深的土壤污染，加热器元件可以振动放入或打入土壤内，或者该加热器元件可以布置在钻出的开口内。该加热器元件可以基本垂直地相对于地表面布置，或者该加热器元件可以在土壤中布置成倾斜或弓形方位。可以采用一起或分别定位的真空井来从土壤中除去废气。
有套筒或没有套筒的加热器元件可以是任意合适的横截面形状，包括但不限于：三角形、矩形、正方形、六边形、椭圆形、圆形或卵形。在某些加热器元件实施例中，辐射式加热器元件由杆材制成。在某些加热器元件实施例中，传导式加热器元件由杆材或棒材制成。有利的是，与普通加热器元件相比，简单的几何图形和采用共同的原材料可以导致加热器元件材料成本降低超过50％。有利的是，直接布置在土壤中的传导式加热器元件可以消除与加热器元件套筒有关的成本。有利的是，由具有自调节加热特性的材料制成的加热器元件可以不需要加热器元件控制器。
直接布置在土壤内的传导式加热器元件的安装成本与普通加热器元件的安装成本相比减小75％或更多。包括直接布置或装入土壤内的传导式加热器元件的加热器/抽吸井的安装成本与普通加热器/抽吸井的安装成本相比可以减小50％或更多。还有，与普通加热器元件或加热器/抽吸井的安装时间相比，对于布置在土壤中传导式加热器元件，加热器井或加热器/抽吸井的安装时间可以显著减少。例如，将有套筒的加热器布置在钻孔中和将加热器元件与电源连接可能花费大约6小时。而直接安装传导式加热器元件和将该加热器与电源相连可能花费大约六分之一小时。
收集系统可以使土壤治理系统的抽吸井与处理设备相连。该收集系统可以包括代替普通金属管道的软管和聚合物真空集管。该软管可以是高温软管。该软管可以是但不限于：高温橡胶软管、高温硅橡胶软管或涂覆橡胶的柔性金属软管。收集系统通常在真空下工作；因此，该软管需要有防止它缩陷的结构强度。该软管可以是双壁软管或钢增强软管。真空集管可以为塑料管，例如氯化聚氯乙烯〔CPVC〕管道。经过软管的废气有由于该软管的长度而在该软管内滞留的时间。该滞留时间可以足够长，以便使该废气温度能够冷却至真空集管管道的工作温度极限内。软管长度可以从大约1m至超过10m。更长或更短长度可以用于满足特定的工作要求。
与普通金属管道收集系统相比，采用软管和塑料管道收集系统可以导致成本更低、现场结构更简单和运输成本更低。该软管和塑料管道收集系统可以并不绝热或并不加热以防止废气冷凝。该收集系统可以采用开始处的升高装置，并利用重力使冷凝的废气流向收集器或流向处理设备。非加热收集系统大大降低了该收集系统的成本、安装时间和工作成本。软管可以卷成盘管以便运输。塑料管道可以就近购买。软管和塑料管道很容易在现场切割成合适尺寸，并可通过溶剂胶接而连接。这不需要金属管的精确定位。还有，软管和塑料管道重量轻，且在安装过程中不需要提升和定位机器。对于由含氯化合物污染的土壤，从土壤中除去的废气可能包含大量的氯化氢。废气还可以含有其它腐蚀性化学物质。有利的是，使用软管和塑料管道可以不需要用昂贵、耐化学腐蚀的金属管道了处理腐蚀性废气。
处理设备处理来自土壤的废气，以便对废气中的污染物进行去除、减少、浓缩或其它处理。处理设备还提供真空，该真空从土壤中除去废气。该处理设备可以包括冷凝器，该冷凝器将废气分离成液体流和蒸汽流。该液体流和蒸汽流可以分开处理，以便除去、减少或浓缩污染物。该液体流可以利用分离器和/或活性炭床来进行处理。该分离器可以产生水部分和有机物(烃)部分。该蒸汽流可以利用活性炭和/或空气治理器进行处理。根据土壤污染的性质，大部分污染物可以在土壤中或在加热器/抽吸井中进行热解和/或氧化而被破坏。剩余的污染物可以浓缩、储存和运送到外场；在质量传送系统中吸收；或者可以在反应器系统中就地破坏。根据污染的类型，反应器系统可以是化学处理系统和/或热处理系统。在某些土壤治理系统实施例中，处理设备的污染物处理部分只需要在加热器元件的温度向工作温度升高时的最初开始期间工作。当加热器元件达到工作温度之后，污染物在土壤中或在井中通过氧化和/或热解而被破坏。
以前的处理设备可能需要使用热氧化剂。处理设备不需要热氧化剂将消除与热氧化剂相关的很大投资成本、运输成本和工作费用。不需要热氧化剂也可以使土壤治理处理在无人管理的情况下进行。现场负责人可以在现场定期检查系统和执行正常维护工作，以保证该土壤治理系统的正确工作。因此，可以不需要连续地人工进行就地土壤治理处理
附图的简要说明
通过阅读下面的详细说明并参考附图，可以了解本发明的其它优点，附图中：
图1是表示土壤治理系统的一个实施例的示意平面图；
图2是表示土壤治理系统的一个实施例的示意平面图；
图3是表示用于处理从土壤中除去的废气的处理系统的一个实施例的示意图；
图4是表示插入土壤中的生产井的一个实施例的侧视图；
图5是表示插入土壤中的生产井的一个实施例的正视图；
图6是表示具有辐射加热器元件的生产井的一个实施例的视图；
图7是表示用于传导加热土壤的热注入井的一个实施例的视图；
图8是表示布置于套筒内的热注入井的一个实施例的视图；
图9是表示辐射加热土壤的热注入井的一个实施例的视图；
图10是表示位于沟渠内的加热元件的一个实施例的视图；
图11是对于由不同类型的不锈钢制成的两种加热器系统，安培和功率/长度对温度的曲线图；
图12是具有变化的横截面面积的一部分加热器剖面的透视图；
图13是加热器元件的一个实施例的透视图；
图14是对于两种类型的不锈钢，电阻率对温度的曲线图；
图15是示意表示位于沟渠内的加热器元件的布置平面图；
图16表示了作为时间的函数的、加热器元件的电压、安培和功率数据；
图17表示了作为时间的函数的、图16的加热器元件的温度数据；
图18表示了作为时间的函数的、图16的加热器元件的电阻数据；以及
图19表示了作为时间的函数的、图16的加热器元件附近的电势。
尽管本发明有各种变化和改变形式，但是在附图中通过实例表示了本发明的特殊实施例，且下面将详细介绍该特殊实施例。该附图并没有按比例表示。不过，应当知道，该附图以及对该附图的详细说明并不是为了将本发明限制为所述的特殊形式，而是相反，本发明覆盖落入由附加的权利要求限定的本发明精神和范围内的所有变化形式、等效形式和改进形式。
优选实施例的详细说明
一种就地放热(ISTD)土壤治理系统，可用于处理污染土壤。该土壤治理系统可以除去或减少在选定土壤区域中的污染物。图1和2示意表示了ISTD土壤治理系统20的实施例。图1中所示的土壤治理系统20可以包括在土壤24内的一个或更多生产井22。该土壤治理系统20可以选择包括一个或多个热注入井26、一个或多个流体注入井28和一个或多个测试井30。流体注入井28和/或测试井30可以位于生产井22和热注入井26的形成图形的内部或外部。生产井22、热注入井26、流体注入井28和/或测试井30可以包括井套筒。井套筒的一些部分可以有孔，以便允许流体流入或流出该井套筒。也可选择，生产井22、热注入井26、流体注入井28和/或测试井30可以包括有套筒的部分和没有套筒的部分。该没有套筒的部分可以邻近污染土壤。
环绕处理区域的周边可能需要排水井，以防止水流入处理区域。排水井可以布置在未污染的土壤中，这时可以不需要处理由该土壤产生的污染水。该排水井可以布置成至少偏移的两排。最靠外的一排井可以从土壤中抽出基本清洁的水，该水在排出前只需要很少的处理或者不需要处理。最靠内的一排排水井可能包括一些由于ISTD土壤治理处理方法而流通的废气或凝结废气。从最靠内的一排和/或最靠外的一排排水井中除去的水可能在排出前都需要进行处理。在连续排的排水井之间的压力差可以保持为尽可能低，这样，在各排之间没有流动或基本没有流动。对通过排水井除去的水的处理包括通过质量传送、通过反应、或者通过浓缩和/或分离污染物而除去该污染物。当在一定区域内对土壤进行处理时，首先布置在要进行排污处理的一部分土壤内的排水井可以布置成一定的图形，这样，当ISTD土壤治理处理方法发展到对布置有排水井的区域进行处理时，该排水井可转变成其它用途。该排水井可以转变成热注入井或生产井。
除了生产井22、热注入井26、流体注入井28和/或测试井30，土壤治理系统20还可以包括地表盖32、处理设备34、蒸汽收集系统36和控制系统38。该地表盖32可以布置成覆盖生产井22、热注入井26、流体注入井28和/或测试井30以便防止热量损失和污染物蒸气散失到大气中。该地表盖32还可以防止过多的空气吸入土壤24。该地表盖32可以包括一层绝热层。该地表盖32可以包括一层污染物蒸气和/或空气不可渗透的层。在一个实施例中，该不可渗透地层是金属板。井可以通过焊接或其它方式而相对金属板密封。垂直屏蔽物可以环绕该金属板的周边插入土壤中，以便形成末端屏蔽物。绝热层通常布置在不可渗透的屏蔽物的上面。绝热层可以是矿物棉或原棉、玻璃绒或玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫塑料或镀铝聚酯薄膜或其它绝热材料。
可以将任意表面加热器布置在金属板上或金属板下面。表面加热器可以防止污染物冷凝在地表盖32上和流回到土壤24内。该表面加热器通常为电加热器。
地表盖32的气体和水屏蔽物可以布置在治理场所上面。气体和水屏蔽物可以是塑料板。任何开口或与设备的连接处都可以用硅酮或其它类型的密封件密封。
当污染物在土壤24中很深，以至于加热土壤和从土壤中除去废气都可以忽略土壤地表面40的影响时，也可以不需要地表盖32。当没有采用盖时，真空源需要在热注入井和/或生产井的井口41周围抽真空，以防止蒸气从井中释放到大气中。井口是安装在井的开口上的设备和/或构件。
处理设备34可以包括将废气气流通过生产井22从土壤24中吸出的真空系统42。当土壤治理系统包括表面加热器时，真空系统42可以设置成在地表面40抽真空和在生产井22中抽真空。在生产井22中抽成的真空可以比在地表面抽成的真空更强。处理设备34还可以包括污染物处理系统44，由于处理废气中的污染物。该污染物处理系统44可以从废气气流中除去污染物、使污染物减少至可接受的水平和/或浓缩污染物以便场外运输。该污染物处理系统44可以包括但不限于：分离器、冷凝器、反应器系统、质量传送系统和化学药品储存容器。
图3表示了处理系统44的一个实施例。来自蒸汽收集系统36的废气可以进入分离器45。该分离器45可以将废气分离成液体流和蒸汽流。与蒸汽流对齐的真空系统42可以向土壤24提供真空，该真空能从土壤中除去废气。真空系统42能够抽出适于土壤的可渗透性以及处理系统内的生产井的特定组合的真空。该真空系统可以抽成在0.01大气压至稍微小于1大气压的范围内的真空。该真空系统可以是水密封泵。
液体和蒸汽流可以通过处理系统44进行处理，以便将流体流内的污染物减少至可接受的水平。监测装置可以确定在处理后的流体流中的污染物的量。当在输出的流体流中检测到太多的污染物时，该监测装置可以发出声音警报和/或使得从处理系统44输出的流体流返回处理系统44的起点处重新循环。
液体流可以通过第二分离器47分离成非水流和水流。在一个实施例中，该第二分离器47和分离器45可以在物理上是单个单元。该非水流可以包括油和其它非水材料。与水流相比，该非水流可以非常小。该非水流可以送到处理单元49。该处理单元49将非水流置于储存容器中，例如水桶。该容器可以输送到场外，以便进行处理。也可选择，处理单元49可以是氧化系统、热系统或其它反应系统，它们形成非水流中的污染物，或者使该污染物减少到可接受的水平。
泵51可以使水流通过活性炭床53。该活性炭床53从水流中除去污染物。然后，可以将剩下的水流排出。例如，在水流通过活性炭床53后，水流可以送向污水管55。
来自分离器45的蒸汽流可以通过处理单元57。处理单元57可以是质量传送系统例如活性炭床、反应器系统例如热氧化器、或者它们的组合。鼓风机59可以将蒸汽流抽吸通过处理单元57，并将剩余的蒸汽排放到大气中。
在处理系统44的某些实施例中，该处理系统可以不包括热氧化器以消除废气内的污染物或使该污染物减少至可接受的水平。炭床、浓缩器或非热反应器系统可以代替热氧化器。用其它装置代替热氧化器来消除或减少污染物，可以降低ISTD土壤治理系统的投资成本、运输成本和/或工作成本。得到热氧化器和将该热氧化器输送到处理位置可能非常昂贵。还有，热氧化器可能需要操作人员现场监测，以保证该热氧化器正确工作。在土壤治理处理方法中不采用热氧化器可以明显提高该处理方法的经济性。
蒸汽收集系统36可以包括将从土壤24中除去的废气输送给处理设备34的管道系统。该管道系统可以与真空系统42和与生产井22连接。在一个实施例中，该管道可以是非加热管道和/或非绝热管道。从土壤中产生的废气可以首先垂直升高，然后向下传送至处理设备。首先升高和随后的向下传送使得任何冷凝的废气都通向处理系统的集液器或分离器，从而不会堵塞收集系统的管路。在可选实施例中，管道绝热并进行加热。绝热和加热的管道防止废气在管道中冷凝。非绝热和不加热的收集系统可以大大降低成本、安装时间和土壤治理系统的复杂性。
控制系统38可以为计算机控制系统。该控制系统38可以监测和控制处理设备34的工作。当蒸汽收集系统36包括加热管道时，该控制系统38可以控制供给加热该管道的线路示踪器(line tracer)的功率。当生产井22或热注入井26包括非自动调节的加热器元件时，控制系统可以控制供给生产井的加热器单元的功率。
在ISTD处理过程中，可以向土壤24供热。热量可以从热注入井26、从生产井22和/或从其它热源供给土壤。热量可以从布置于生产井内的电阻加热器单元供给土壤24。可以通过电缆48从电源46向生产井22和热注入井26供电。电源46可以是与高压电线连接的变压器。在土壤治理系统的某些实施例中，除了热量通过电阻加热器元件供给或者取代热量通过电阻加热器元件供给，热量也可以通过其它热源供给土壤。热量可以通过燃烧器、通过由传热流体的传热、通过射频或微波加热、和/或通过土壤电阻加热而供给土壤，但并不限于通过燃烧器、通过由传热流体的传热、通过射频或微波加热、和/或通过土壤电阻加热而向土壤供热。
图1中所示的生产井22是加热器/抽吸井。由生产井22内的电阻加热器产生的热量向土壤供热。由生产井22内的加热器元件产生的热量相对于土壤24内的废气质量流逆流流动。热流和质量流的逆流流动使得废气在靠近生产井22处或在生产井22内有很高的温度。该高温可以破坏废气中的大部分污染物。在土壤治理系统的另一实施例中，某些生产井或全部生产井都可以不包括加热土壤的加热器元件。
在某些土壤治理系统实施例中，仅从加热器/抽吸井向土壤供热。在另外的实施例中，例如图1中所示实施例，只有选定的土壤中的井是加热器/抽吸井。只利用一些加热器/抽吸井可以明显减小土壤治理系统的成本。加热器/抽吸井通常比加热器井更昂贵。与加热器井相比，加热器/抽吸井的安装和连接时间通常比加热器井更昂贵和时间更长。对于专门采用加热器/抽吸井的土壤治理系统，可能需要更大规模的蒸汽收集系统，因此更昂贵。
在土壤治理系统的某些实施例中，可以从热注入井26和/或从生产井22向土壤24供热。热注入井26并不与真空系统42连接。由热注入井26和/或生产井22的加热器元件产生的热量的叠加可以使处理区域中的土壤24温度升高到一个合适的温度，这将使得土壤治理。生产井22可以从土壤24中除去废气。该废气可以包括土壤24中的污染物和/或该污染物的反应生成物。
生产井22和热注入井26可以在需要治理的土壤24内布置成合适的图形。生产井22和热注入井26的图形可以是但不限于：三角形图形(如生产井22所示)、矩形图形、五边形图形、六边形图形(如热注入井26所示)、或者更高次的多边形图形。实际的土壤治理系统通常在处理区域内有比图1的示意图中所示更多的井。该井的图形可以为规则图形，以便促进整个处理区域的均匀加热和除去废气。例如，井的图形可以是等边三角形图形或进行井图形。生产井22和热注入井26的图形可以基本均匀地布置在整个处理区域中。某些生产井22和/或热注入井26可以偏离规则图形，以避开在土壤中或土壤上的障碍。该障碍可以包括但不限于：建筑物、在污染土壤中的不可渗透和未污染的区域、地界线、以及在地下或地上的管道或电线。井的中心之间的间距可以在从大约1m至13m或更大的范围内。间距可以根据允许治理的时间、土壤特性、土壤污染的类型以及其它因素来确定。靠近的井间距使得土壤温度升高到合适水平所需的加热时间更少，但是，与较大井间距时所需的井相比，靠近的井间距需要更多的附加井。
某些土壤治理系统可能包括流体注入井28。流体注入井28可以用于将流体引入土壤24。该流体可以是但不限于：反应剂、生物剂和/或溢流剂。该流体可以通过泵送单元50注入土壤24内。也可选择，施加给生产井22的真空将流体从流体注入井28吸入土壤24内。
某些土壤治理系统可以包括测试井30。可以从测试井30中抽取流体试样，以便能确定在选定位置和选定时间的土壤治理进展。监测装置可以布置在测试井30内，以便在土壤治理处理方法过程中监测温度、压力、化学成分浓度或其它特性。
图2表示了ISTD土壤治理系统20的视图，该ISTD土壤治理系统2-只采用加热器/抽吸井作为生产井22。对生产井22内的加热器元件进行加热的电源46可以是三相变压器。例如，电源46可以是112.5KVA变压器，它有480 VAC 3相初级线圈和208 VAC 3相次级线圈。每个相可用于向串联电连接的一组生产井22供电。当处理某一处理区域需要穿过三组生产井22时，一部分区域可以随后再处理，或者采用附加的电源，这样整个处理区域可以同时处理。当加热器元件由具有自调节温度特性的金属制成时，生产井22可以在不采用井控制器的情况下直接与电源42连接。生产井22的加热器元件和电源46设计成当该加热器元件与电源接触时，将达到合适的温度。加热器元件可以设计成加热至最高大约1250℃的温度。加热器元件可以设计成有大约900℃的稳定工作温度。加热器元件的工作区域可以从周围土壤温度至大约1250℃。
通过真空从土壤24中吸出的废气可以通过软管52和真空集管54并通向处理设备34。该软管52和真空集管54可以是蒸汽收集系统36的部件。该软管52可以安装在生产井22的真空套筒上和安装在真空集管54上。该真空套筒可以穿过盖32延伸，并可以升高到足以使该蒸汽收集系统36的其余部分倾斜向下到达处理设备34的高度。密封件例如焊缝、硅橡胶密封剂或其它类型的密封剂可以用于密封该生产井22的套筒和穿过盖32到达盖体的其它构件。密封件可以防止蒸汽和/或液体进入该盖32或从该盖32出来。
软管52可以通过密封剂胶和/或夹子而安装在各生产井套筒上和真空集管54上，或者通过其它安装方法进行安装，这些安装方法包括但不限于：螺纹连接或法兰连接。软管52可以由高温橡胶形成，该高温橡胶的上工作温度极限是大约450°F。该软管52是用于将废气从生产井22传送给真空集管54的管路。经过软管52的废气有在该软管内的停留时间。软管52可以有足够的长度，这样，废气在该软管内的停留时间足够长，以便能使该废气冷却。该废气可以在软管52中冷却到形成真空集管54的材料的上工作温度极限或低于该上工作温度极限。
真空集管54可以由塑料管道形成。该塑料管道可以是氯化聚氯乙烯(CPVC)管道或其它具有很高上工作温度极限的塑料管道。CPVC管的上工作温度极限是大约200°F。流过真空集管54的废气可以冷却。远离生产井22的真空集管54部分可以由塑料管道形成，例如PVC管道，它有比CPVC管道更低的工作温度极限。
采用包括软管52和塑料管道真空集管54的收集系统可以导致成本更低、简化现场结构，且与金属管道收集系统相比运输成本更低。收集系统并不绝热和加热以防止废气冷凝。这大大降低了收集系统的成本、安装时间和工作成本。软管52可以卷成盘圈，以便于运输。塑料管道可以在靠近现场处购买。软管52和塑料管道很容易在现场切割成现场尺寸，并可通过溶剂胶接或其它技术进行连接。还有，软管52和塑料管的重量轻，因此在安装过程中不需要用于升高和定位的机械。不同的是，某些金属管道、软管和塑料管道可以通过由废气引起的腐蚀而具有很高的阻力。例如，废气可以包括氯化氢，尤其是当土壤污染物包括氯化烃时。当氯化氢通过冷凝水而形成盐酸时，酸可以快速使腐蚀金属蒸汽收集管道腐蚀。软管52和塑料管可以有很高的耐HCl腐蚀性。
图4、5和6表示了包括加热器元件56的生产井22的实施例。加热器元件56可以是裸金属，没有绝缘涂层，例如矿物绝缘层。与使用普通加热器元件例如矿物绝缘导线相比，使用无绝缘的裸金属加热器元件能够大幅度降低加热器成本。加热器元件56可以在并不系在支承部件例如管或支承缆上的情况下布置在土壤24内。省略支承缆或管将减小成本、安装时间以及安装该加热器元件的劳动。电流可以通过加热器元件56，以便通过电阻加热该加热器元件。
真空系统可以通过真空套筒60中的开口58而从土壤24中除去废气。图4和5表示了通过传导加热土壤24的生产井。图4和5中所示的加热器元件56加热填料62，该填料62再将热传导给邻近的土壤。该填料62可以是砂、砂砾或其它可以承受高温的填料。该填料62可以包括催化剂64，该催化剂64可以是金属、金属氧化物或者能够增强经过填料的污染物的热解或氧化的其它催化剂。在一个实施例中，该催化剂是氧化铝。
装入土壤内的填料中的加热器元件在加热时可以朝着地表膨胀。在井口处需要有余量，以便允许加热器元件膨胀。
图6表示了生产井22的一个实施例，该生产井22包括加热器元件56，该加热器元件56辐射加热加热器井套筒66。加热器套筒66的表面可以涂黑、变粗糙、氧化或者进行其它处理，以便增加加热器元件56和加热器套筒之间的辐射传热。加热器井套筒66可以辐射加热真空套筒60。该真空套筒的内表面可以涂黑、变粗糙、氧化或者进行其它处理，以便增加加热器套筒和真空套筒之间的辐射传热。也可选择，在加热器套筒和真空套筒之间的环形空间可以填满填料。该填料可以包括催化剂，该催化剂增强经过该填料的污染物的热解或氧化。
加热器井套筒66可以防止电流泄漏到土壤24中，而对于没有套筒的加热器元件则可能发生电流泄漏。某些电流泄漏是可接受的，因为该电流泄漏可以加热吸引加热器元件中的电流的水或土壤。当可能发生过量电流泄漏时，外部套筒可用于环绕加热器元件。当该井位于水饱和区域或者在高盐分含量的土壤或含微咸水的土壤中，可以采用加热器井套筒66。
辐射加热加热器井套筒66或土壤24的加热器元件56在加热时可以向下延伸。该加热器井套筒66或者在土壤中由开口壁67确定的开口应当足够长，以便适应加热器元件56的热膨胀，加热器元件布置在该开口壁67中。
如图6所示，垫圈68可以沿加热器元件56的长度布置，以防止加热器元件与相邻管接触或者产生电弧，该相邻管例如加热器井套筒66。垫圈68也可以防止弯成“V”形的加热器元件56支脚70与加热器元件的相邻支脚接触或者产生电弧。垫圈68可以由陶瓷绝缘体制成。例如，垫圈可以由高氧化铝陶瓷绝缘材料制成。垫圈68可由CooperIndustries(Houston，Texas)得到。垫圈68可以滑到加热器元件56上。焊道可以形成于垫圈68布置位置的下面。，这样，该垫圈不会经过焊道。在垂直布置于井中的加热器元件的一个实施例中(如图6所示)，垫圈68可以沿加热器元件的长度方向而布置成每隔大约1/3m至大约1/2m。也可以采用更短或更长的垫圈，以适应特定的加热器元件和系统的要求。布置在加热器井套筒中的水平定向加热器元件可能需要有更靠近的间距，以防止在加热器元件加热时该加热器元件下垂。垫圈68也可以布置在真空套筒60和/或土壤以及通过传导加热填料62的加热器元件56之间(如图5所示)。
图7、8和9表示了热注入井26的实施例。该热注入井26包括加热器元件56。电流可以通过该加热器元件56，以便通过电阻加热该加热器元件。图7表示了热注入井26的一个实施例，该热注入井26有加热器元件56，该加热器元件56传导加热土壤24。图8表示了一个热注入井实施例，该热注入井实施例有封闭在加热器套筒66中的加热器元件56。在某些实施例中，该加热器套筒66可以装在填料中。在其它实施例中，加热器套筒可以辐射加热加热器套筒。图9表示了一个热注入井实施例，该热注入井实施例有加热器元件56，该加热器元件56辐射加热邻近的土壤24。
图10表示了布置在靠近地表面40的沟渠中的加热器元件56的一个实施例。图示中，该加热器元件56在污染界面72的下面，并在未污染土壤74中。在另一实施例中，加热器元件56可以布置在污染的土壤76内，或者在污染界面72处或附近。图示中，该加热器元件56与地表成90°角。实际上，沟渠的端部朝着地表逐渐变细，加热器元件56的端头可以布置在该沟渠的逐渐变细端头上，而不是有90°角的端头。
通过处理设备抽吸的真空可以施加在土壤表面40附近。可渗透垫78可以布置在土壤表面40顶部，不可渗透的屏蔽物80和热屏蔽物82可以布置在该垫的顶部。该垫78可以作为导管，用于在不可渗透的屏蔽物80下面流动。在一个实施例中，该垫78可以是具有很高可渗透性的薄砂层或其它颗粒材料薄层。垫78可以包括催化剂材料，该催化剂材料增强经过该垫的污染物的热降解。该垫78允许废气流出土壤24并流向位于该垫上面的真空集管54。当真空将该不可渗透的屏蔽物80吸向垫78并压缩该垫时，废气可以均匀流动。也可选择，抽吸井可以插入整个处理场所的土壤中，以便从土壤中抽吸废气。
如图4-10所示，加热器元件56可以包括加热器部分84、过渡部分86和引线88。某些加热器元件56可以不包括在加热器部分84和引线88之间的过渡部分。加热器元件56的全部或几乎全部加热器部分84都可以是裸金属。这里采用的“裸金属”是指并不包括电绝缘层例如矿物绝缘层的金属，该电绝缘层设计成使加热器部分84在使用过程中电绝缘。裸金属可以包括包含有防腐蚀剂的金属，该防腐蚀剂例如自然形成的氧化层、施加的氧化层、和/或膜。裸金属包括具有聚合物或其它类型电绝缘物的金属，在加热器元件56的加热器部分84的典型工作温度下，该聚合物或其它类型电绝缘物不能保持其电绝缘特性。这样的材料可以布置在金属上，还可以设计成在土壤治理处理方法过程中被破坏。在不会使该加热器元件的性质变成绝缘的加热器元件的情况下，焊接材料和/或加热器部分84的连接器部分可以包括电绝缘材料。加热器元件56的加热器部分84的绝缘部分可以小于加热器部分长度的5％、1％、0.5％或0.1％。与包括绝缘加热器部分84的加热器元件相比，裸金属加热器元件56显著减小了制造成本，增加了加热器元件的可用性。
在某些加热器元件56的实施例中，过渡部分86的一部分和/或引线88的一部分可以电绝缘。在另外的加热器元件56实施例中，全部加热器元件可以是裸金属。
图4-10中所示的加热器元件56布置成基本垂直或水平。加热器元件也可以布置在相对于地表面从0°(水平)至90°(垂直)的任意合适方向。例如，在土壤治理系统实施例中，加热器元件可以定向为与靠近倾斜大约45°的地质层(geological layer)的治理土壤成大约45°。选择该方向可以导致相对低成本、快速和高效的土壤治理。
加热器元件56的加热器部分84可以由能够在很高工作温度下持续使用的金属制成。加热器元件56部分可以在从外界土壤温度到超过1000℃持续高温的情况下工作。在某些加热器元件实施例中，例如在图4、5、7、9和10中所示的加热器元件中，加热器元件56的一部分或者全部在土壤治理过程中可以暴露在废气中。这样的加热器元件56可能需要由耐腐蚀的金属制成。加热器部分84的耐腐蚀性非常重要。加热器部分84工作时的高温和高电流强度可以促进该加热器部分84的腐蚀。腐蚀可能减小加热器部分84在其长度上的某些位置处的横截面面积。加热器部分84的横截面面积减小可能导致加热器部分过热和失效。
加热器部分84可以由不锈钢形成。该不锈钢可以是但不限于：304类型不锈钢、309类型不锈钢、310类型不锈钢或316类型不锈钢。加热器部分84也可以由其它金属制成，这些金属包括但不限于：NICHROME、INCOLOY、HASTELLOY或者MONEL(HASTELLOY和MONEL为商标)。例如，加热器部分84可以由NICHROME 80或INCOLOY 800制成。
用于形成加热器元件56的加热器部分84的特定金属可以根据成本、土壤治理处理方法温度、金属的电特性、金属的物理特性以及金属的耐化学品特性来进行选择。例如，310不锈钢是高温不锈钢，它可以发散的功率比同样尺寸的304不锈钢多20％。310不锈钢的耐腐蚀性优于304不锈钢的耐腐蚀性。310不锈钢的上工作温度极限比304不锈钢的上工作温度极限高大约160℃。
图11表示了对于27个串联连接的“U”形加热器元件的电流和发散功率/长度。各加热器元件为1英寸(2.54cm)×0.125英寸(0.318cm)×20英尺(6.1m)长的金属带。该加热器元件与三角连接的交流电源串联连接。参考标号90表示310不锈钢加热器元件的电流曲线，而参考标号92表示310不锈钢加热器元件的功率/长度曲线。参考标号94表示304不锈钢加热器元件的电流曲线，而参考标号96表示304不锈钢加热器元件的功率/长度曲线。310不锈钢加热器元件的电流和功率/长度曲线都低于304不锈钢的相应电流和功率/长度曲线。310不锈钢的曲线较低意味着为了产生同样的加热效果，需要施加给310不锈钢加热器元件的电功率低于施加给同等304不锈钢加热器元件的电功率。
310不锈钢的额外温度范围可用于将额外的热量发散到土壤中，并缩短治理时间。该额外温度范围可作为安全裕度，以保证防止加热器元件过热。310不锈钢的成本可能比304不锈钢高大约25％。在土壤治理处理方法的设计状态下，可以判断310不锈钢的更优特性与该310不锈钢高于304不锈钢的成本相比较是否合适。还可以对其它金属进行类似比较。
加热器元件56的加热器部分84可以形成为具有温度比加热器元件的相邻部分更高或更低的选定部分。设置成加热到温度比相邻部分更高的加热器元件56部分可以布置在靠近污染土壤76和未污染土壤74之间的交界面72的位置处。在高温部分中产生的额外温度以至于抵消由于加热器部分84的端部效应而引起的热损失。高温部分可以发散的热量比相邻的加热器部分发散的热量多5％、15％、25％或30％。图12表示了具有高温部分的加热器元件的一部分，该高温部分是位于靠近较大截面面积部分100处的减小截面面积的部分98。可以从加热器部分84上除去金属，以便形成加热器部分的高温部分。也可选择，将加热至比相邻区域更高的温度的加热器部分可以是不同金属的部分，该不同金属有比相邻部分的金属更大的电阻。与加热器部分的相邻部分相比，该更大电阻的金属可以有更大、相同或更小的截面面积。可以利用导热和导电的焊接材料使部分98、100连接在一起。应当注意保证不同金属的端头相抵，并保证用大量的焊接材料将不同金属部分连接在一起。金属部分相抵和采用大量的焊接材料可以保证在使用过程中，在金属之间的连接点处不会发生由于电弧和/或腐蚀而引起的失效。
加热器部分84的一部分可以加热到温度低于周围部分。这样的部分可以位于不需要加热至高温的土壤层或障碍物附近。例如，减小加热的部分可以设计成位于在两个污染土壤层之间的、不可渗透的未污染土壤层附近。较低加热部分可以由具有比相邻区域面积更大的截面面积的加热部分而形成。也可选择，较低加热部分可以由焊接在加热器部分的两个相邻部分之间的低电阻金属而形成。应当注意保证不同金属的端头相抵，并保证用大量的焊接材料将不同金属部分连接在一起。导热和导电的焊接材料可由于将这些部分连接在一起。金属部分相抵和采用大量的焊接材料可以保证在使用过程中，在金属之间的连接点处不会发生由于电弧和/或腐蚀而引起的失效。
加热器元件56的过渡部分86可以焊接到加热器元件的加热器部分84的各端。引线88可以焊接到该过渡部分86上。过渡部分86可以降低加热器元件56的温度，以便使引线88处和附近处充分冷却，从而能够用绝缘导体电缆48(图4中所示)来使该引线88与电源46连接。过渡部分86可以由与加热器部分84相同的材料制成，但是该过渡部分可以有更大的截面面积。也可选择，该过渡部分可以由电阻比加热器部分更小的材料制成。这两部分焊接在一起。图13表示了可用于辐射加热土壤的加热器元件56的一个实施例。该加热器元件56包括在过渡部分86和加热器部分84之间的焊接材料102。可以采用导热和导电的焊接材料来将部分84、86连接在一起。金属部分相抵和采用大量的焊接材料可以保证在使用过程中，在该部分之间的连接点处不会发生由于电弧和/或腐蚀而引起的失效。
引线88可以是镍引线。在一个实施例中，例如在图4所示的实施例中，当加热器元件56插入土壤24中时，引线88穿过地表盖32延伸。连接机构104可以使引线与电缆48电连接。该连接机构104可以是机械Kerney接线片、环氧树脂筒或其它类型的电连接器。电缆48可以是电绝缘电缆。过渡部分86和较冷的引线使得加热器元件56、土壤24和/或盖32都充分冷却，以防止电缆的绝缘性能在使用时热降解。
在某些加热器元件实施例中，相对低电阻金属的较长部分可以安装在加热器部分上，以便形成较长的加热部分，该较长加热部分产生足以防止蒸汽在该加热器元件上或附近冷凝的温度。该低电阻金属可以是但并不限于：镍、或者镍和铜的合金例如Alloy 30。对于并不靠近地表面的较深土壤污染，可能需要该较长加热部分。
在某些实施例中，加热器元件56的加热器部分84可以由能够自调节加热器元件温度的金属制成。例如，该加热器元件可以由304不锈钢、310不锈钢或316不锈钢制成。在这些不锈钢的电阻率对温度的曲线中，当温度增加时，电阻基本线性增加。图14表示了对于310不锈钢和304不锈钢的电阻率对温度曲线。通过由自调节材料制成的加热器元件的功率发散和电流强度在温度增加时降低，而在温度降低时增加，这部分是由于材料的电阻率特性和0hm定律。供给加热器元件的电压基本恒定，当加热器元件的温度增加时，元件的电阻增加，通过该加热器元件的电流强度降低，功率发散将减小；从而使得加热器元件的温度降低。另一方面，当加热器元件的温度降低时，元件的电阻降低，通过该加热器元件的电流强度将增加，功率发散将增加；从而使加热器元件的温度增加。某些金属例如某些NICHROME的电阻率曲线将在一定温度范围内随温度增加而降低。这样的金属不能作为自调节的加热器。
ISTD土壤治理系统的电源46(图4中所示)可以向土壤治理系统的加热器元件提供基本恒定的电压。该电源46可以是由经过变压器的电线发出的电能。该变压器的输出可以与并联和/或串联的多个加热器井连接，以便提供将加热土壤至合适温度的合适电路。
与普通的辐射加热器元件相比，加热器元件56的加热器部分84可以有较大的截面面积。该较大截面面积使该加热器元件56与等长度的普通加热器相比可以有较小的电阻。该较小电阻可以使该加热器元件56加长。加热器元件可以超过10m、50m、或100m长，或者300m、500m或600m长。较小的电阻还允许几个加热器元件进行串联电连接。可串联连接几个加热器元件56的能力可以大大简化土壤治理系统的布线要求。对于传导加热邻近材料的加热器元件，加热器部分的较大截面面积意味着该加热器部分和邻近材料之间可以有较大的接触面积。对于辐射加热邻近材料的加热器元件，加热器部分的较大截面面积意味着该加热器部分有着向套筒壁或土壤进行辐射加热的较大表面面积。还有，加热器元件的较大截面面积允许该加热器元件在并不安装于支承结构上的情况下布置在土壤中。在一个辐射加热器元件的实施例中，加热器元件由直径为大约1cm的304不锈钢杆材制成。
悬挂在井套筒内的辐射加热器元件可以有不同合金和/或不同截面面积的伸缩部分，以便生成较长的加热器元件。第一部分可以由在加热器元件的工作温度下具有高蠕变阻力的材料制成。该第一部分可以相对较厚或有相对较大的有效直径。很多高强度和高蠕变阻力的材料例如INCONEL 617和HR120有着比可用于形成加热器元件的主加热器部分的不锈钢更高的电阻。更高电阻的材料使得该高强度和高蠕变阻力的部分(“U”形加热器元件的一个支脚)即使有较大截面面积，也能加热至很高温度。第二部分可以由焊接在该第一金属上的更便宜的金属制成。该第二部分可以有着比第一部分更小的厚度或有效直径。附加部分可以焊接在该条带上，以便形成具有合适强度的加热器元件。考虑到金属的电阻，不同金属的直径可以进行调节，以便生成较长的加热器元件，该较长加热器元件在其整个长度上每单位长度发散基本等量的能量。用于形成该部分的金属可以包括但不限于：INCONEL 617、HR120、316不锈钢、310不锈钢和304不锈钢。在一个较长、辐射加热、悬挂式的加热器元件的实施例中，大约30m的导线部分由316不锈钢制成，并用于将加热器元件悬挂在井口上。该导线部分起到加热元件的加热器部分的作用。第二加热器部分可以由更窄截面面积的304不锈钢形成(截面面积比导线部分小大约25％，以便发散等量的热量)。在特殊实施例中，该第二加热器部分为160m长，从而形成“U”形加热器元件，该加热器元件有(30m+80m)110m长的加热部分，总加热器部分的长度为220m。第二加热器部分的、靠近加热器元件的180弯头(或马蹄形弯)的那一部分有更小的截面面积或有不同的合金金属，以便发散比邻近的加热器元件部分更多的热量。
在某些辐射加热器元件的实施例中，辐射加热器元件的支承部分可以为截面面积逐渐变小至基本恒定的截面面积。支承部分可以由与加热器元件的其它部分相同或不同的材料制成。该支承部分可以是加热器元件的、不需要升至很高工作温度的过渡部分。该支承部分也可以是在使用时将升高到很高工作温度的加热器部分的一部分。
对于传导加热邻近材料的加热器元件56，加热器部分84可以有基本矩形的横截面。例如，加热器部分26的一个实施例有22毫米(mm)×3mm的矩形横截面，且长度为大约6米。加热器部分的直径可以选择为使得加热器部分在插入土壤中和与电源连接时产生和发散合适量的热量。也可以采用不是矩形的横截面形状。该横截面形状可以是但不限于：椭圆形、圆形、弓形、三角形、矩形、五边形、六边形、或者更高次的多边形形状。通过辐射传热的加热器元件通常可以有基本圆形的横截面，但是也可以采用其它横截面，例如如上述的横截面。
加热器元件可以以多种方式布置在土壤中。某些加热器元件56可以直接布置在土壤中，例如图7中所示的加热器元件实施例。另外的加热器元件实施例可以通过填料62与土壤分开，例如图4中所示的实施例。另外的加热器元件可以置于加热器套筒66中，例如图6中所示的加热器元件。加热器套筒66可以布置在土壤中或装入土壤中，或者该加热器套筒66可以布置在真空套筒60中，该真空套筒60布置在土壤中或装入土壤中。将加热器元件56置于加热器元件套筒66内可以使该加热器元件由相对便宜、不耐腐蚀的材料制成，因为废气并不与该加热器元件直接接触。加热器元件套筒66可以由具有足够耐腐蚀性的材料制成，以便在完成土壤治理所需的预定时间中防止贯穿腐蚀。
加热器元件56可以直接打入土壤中。驱动杆可以布置在加热器元件56的中心处。然后在将该驱动杆打入土壤24中。当加热器元件56插入合适深度时，驱动杆可以取出。该驱动杆并不需要是连续的杆。该驱动杆可以由有螺纹的部分组成，当该驱动杆更深地打入土壤24中时，这些部分再装配起来。地质探针或锥形穿透钻可用于将加热器元件56打入土壤24中。还有，声波钻(sonicrig)可用于使加热器元件56振动装入合适深度。声波钻可以包括偏心凸轮，该偏心凸轮使加热器元件56和驱动杆振动，以便装入合适的土壤深度。将加热器元件56打入土壤24中或振动装入土壤24中并不会产生象在土壤中形成钻孔开口时所产生的切屑那样的切屑。打入或振动加热器元件56可以消除与处置在形成钻孔过程中产生的切屑有关的问题。避免切屑的产生在有极高毒性或放射性的场所可能特别有利。还有，将加热器元件56打入或振动装入土壤24中可以有利地将加热器元件56的一部分布置成与要加热的土壤直接接触。
对于布置在开口中或井套筒中的加热器元件56，加热器元件56可以形成为“U”形，这样，在地表面40处可以接近该加热器元件的两支脚70的端部。可接近两支脚70使得多个加热器元件56能够容易、高效地电连接起来。垫圈可以布置在加热器元件的长度上的合适位置处。该加热器元件可以放低到开口或套筒内。当填料用于填装该套筒时，如图4所示，填料62可以布置在该加热器元件56附近。为了布置填料62，装填管例如聚氯乙烯管可以插入到U形加热器元件56的支脚70之间。当填料布置在加热器元件的支脚70和土壤24之间时，通过金属线悬挂的管可以放低该加热器元件的支脚。当填料62置于开口内时，该管可以升高。该管可以正确定位加热器元件56的各支脚。在某些实施例中，装填管可以将加热器元件压靠在土壤上。填料62可以通过装填管插入，同时使该装填管升高离开土壤24。填料62可以塞入加热器元件56和土壤24之间的空间内。该填料62可以避开砂和/或砂砾。填料62还可以包括催化剂64，例如氧化铝。催化剂64可以是用于生产井22和热注入井26的填料的一个组分，。该填料62可以在通过装填管插入之前加热，以便除去水汽。填料62可以在土壤表面40处堆积成墩，以促使水从加热器元件56流走。热电偶井106可以布置在U形加热器元件56的支脚70之间的填料62中。布置在热电偶井106中的热电偶可用于在土壤治理过程中测量加热器元件56的支脚70之间的温度。该热电偶可以放低或升高，以便确定在选定深度的温度。也可选择，热电偶可以固定在热电偶井中。在图4中所示的实施例中，热电偶井106是插入到4cm直径的不锈钢真空套筒60的中心内的、0.64cm直径的不锈钢管。布置在热电偶井106中的热电偶可用于监测靠近套筒60处的加热器元件56的温度。
需要将干燥的填料以基本均匀的方式装在井内。需要用干燥的填料来避免当填料内的水蒸发时形成填料空隙和/或沉降。如果在填料内有空隙，当加热器元件膨胀时加热器元件的支脚可能膨胀到该空隙内。当加热器元件的支脚膨胀到空隙内时，该支脚可能与加热器元件的相对支脚接触或接近该相对支脚。当支脚与相对支脚接触时，加热器元件可能短路和失效。当支脚接近相对支脚时，可能产生通向相对支脚的电弧电流，并使得加热器元件失效。
当加热器元件56是辐射加热元件时，加热器元件可以包括顶部108，如图13所示。该顶部108可以螺纹连接到靠近地表面40的加热器套筒66上，或者该顶部可以焊接到加热器套筒上，以便形成用于加热器元件的井口。当该套筒是封闭的加热器套筒66时，该套筒可以充满气体。在某些实施例中，该气体可以增强加热元件56和套筒66之间的传热，以提高在开始加热时的加热反应时间。在某些实施例中，该气体可以为防腐剂。该顶部108可以包括开口110。装填管可以布置在第一开口110内，气体可以流入该套筒66。原先在套筒66中的气体可以流出该第二开口。当合适的气体充满该套筒66时，可以堵塞该第二开口，再可以取出该管，并可以堵塞该第一开口。
当加热元件布置在开口井口中时，如图9所示，水泥112或其它类型的固定方法或装置可将套筒66固定在土壤24上。该顶部108可以螺纹可以与套筒66螺纹连接或焊接。
图15表示了位于沟渠内的加热器元件56的布置方式的实施例的平面图。布置于沟渠内的加热器元件56可以布置成长排。对于传导加热相邻材料的加热器元件56，在一个沟渠内可以布置超过一个加热器元件，只要加热器元件之间的距离、填料或垫圈能保证该加热器元件不会接触或彼此足够靠近以产生电弧。对于辐射加热加热器套筒的加热器元件，在一个沟渠内可以布置超过一个加热器元件。加热器元件56可以布置在由挖掘机形成的沟渠内。当加热器元件56布置在沟渠内并与电源电连接之后，在制造沟渠时形成的切屑可用于填充该沟渠。可以安装真空系统，盖体可以布置成覆盖处理区域，且该系统可以通电。布置在沟渠内的加热器元件可用于处理在土壤表面40下面大约2米内的低深度土壤污染。布置在沟渠内的加热器元件可以有跨过污染土壤76的较长长度。在某些实施例中，加热器元件56的排分开的距离可以对于加热器元件插入土壤24内的深度的大约两倍。
加热器元件56可以布置在土壤24中，这样，加热器部分84的一部分位于污染土壤下面，且该加热器部分的一部分位于污染土壤76的上面。加热器部分84的、低于污染土壤76的部分可以为一英尺或几英尺深。加热低于污染土壤76的未污染土壤74部分可以防止交界面72处的温度降低。靠近污染界面72处的加热器元件56的截面面积可以较小，或者可以由不同材料制成，这样，更多的热量发散到靠近该界面的土壤中。在靠近该界面处发散更多热量可以促使整个污染土壤76的温度分布更均匀。
为了实现ISTD土壤治理处理方法，例如图1中所示的方法，井可以布置在土壤内。通过将井布置在钻孔、通过打入和/或抽真空而将井装入地下，或者通过将井安装在土壤中的任何其它方法，从而可以安装该井。该井可以是生产井22、热注入井26、流体注入井28和/或测试井30。一圈或多圈排水井可以环绕要处理区域的周边布置。该排水井可以用于从处理区域除水和防止水流入处理区域。在某些实施例中，生产井和/或流体注入井(也可以是其它类型的井)可以与排水泵相连，这样，处理区域能够快速和高效地排水。
包括加热器元件的热注入井26和生产井22可以与控制器(当需要时)连接和与电源46连接。生产井22可以与蒸汽收集系统36连接。该蒸汽收集系统36可以与处理设备34连接。其它的井，例如流体注入井28和测试井30，可以与合适设备连接。在某些实施例中，处理设备34可以用于开始从土壤24中除去废气。包括加热器元件的热注入井26和生产井22可以通电，以便开始加热土壤24。该加热可以持续进行，直到土壤到达合适的平均温度并持续合适时间。该合适的平均温度可以稍微高于土壤24中的高沸点污染物的沸点。该合适的平均温度可以超过100℃、400℃、600℃或更高。该合适时间可以是几天、几周、几月或更长。该合适的时间应当足以将污染物从土壤24中除去。
在完成合适处理区域中的土壤治理后，将热量注入土壤24中的井可以断电。当该处理区域只是较大处理区域的一部分时，可以对下一部分进行处理。供给第一部分的热量的一部分可用于加热要处理的第二区域。通过使传热流体通入第一部分的井中并加热该传热流体，然后使该传热流体进入第二部分以加热该第二部分，从而可以从第一部分中回收热量。也可选择，可以将水注入选定的生产井，并可以从其它生产井产生蒸汽。该蒸汽可以用作传热流体，以便加热将要进行治理的第二部分中的土壤。处理过的土壤也可以随时间流逝而逐渐冷却。井(热注入井、流体注入井、生产井和/或测试井)可以从土壤中除去。该井的一部分或全部可以重新使用。
图16表示了对于布置在热注入井中的“U”形加热器元件进行11天试验的电数据。功率开始时为大约1640瓦/m，并在工作大约20小时后降低至大约1245W/m的稳定状态值。功率减小影响靠近该加热器元件的砂和土壤的加热和干燥。图17表示了当用布置在加热器元件的支脚之间的热电偶来进行测量时该加热器元件的温升。图18表示了作为时间的函数的、加热器元件的电阻的计算增加值。当在第一个20小时内电阻增加时，加热器部分的功率发散减小。电阻增加也可能是由于腐蚀金属损失。不过，在工作超过10天后观察到腐蚀非常小。图19表示了在位于离热注入井7英寸(0.18m)和14英寸(0.36m)的铜柱处测量的地电势值。开始时地电势只有0.5V，且在工作大约20小时后砂和土壤干透时，它减小到大约40mV的背景值。干燥的砂和土壤是极好的电绝缘体。
本领域技术人员在看到本说明书后应当知道，本发明的各实施例可以进一步变化和改变。因此，本说明书仅仅作为解释和说明，是为了教导本领域技术人员实现本发明的普通方式。应当知道，这里所示和所述的本发明形式应当认为是实施例的实例。对于这里所示和所述的实施例，元件和材料可以进行替换，部分和处理步骤可以颠倒，本发明的某些特征可以独立实现，所有这些在本领域技术人员受益于本发明的该说明书后将很清楚。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，这里所述的元件可以进行变化，本发明的精神和范围如下面的权利要求所述。