應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器及控制方法與流程
1.本發明涉及污染土壤原位熱修復技術領域，具體為應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器及控制方法。
背景技術：
2.土壤是生態和社會可持續發展的物質基礎，是人類生存不可或缺、不可替代、不可再生的戰略資源。日益突出的土壤污染問題已對生態環境、人體健康和社會經濟可持續發展構成嚴重威脅。根據土壤污染物的性質，可將其分為無機污染物和有機污染物兩大類。多環芳烴等持久性有機污染物具有高毒性、持久性、生物積累性，能長久存在于環境中，會對人體健康造成極大危害。
3.污染土壤修復是指通過物理、化學及生物原理，采用人工調控措施，通過吸收、轉移、降解或轉化土壤中污染物，使其濃度降低到安全的水平。土壤修復可分為原位修復技術和異位修復技術，原位修復技術具有土方不開挖、不轉運、對周圍環境干擾小以及污染物去除徹底等諸多優勢。
4.目前應用于土壤原位熱修復技術的電加熱系統主要是采用單一的電加熱管，將電加熱管放置電加熱井后以固定的功率進行加熱。已有研究表明熱脫附技術的土壤修復效果受加熱溫度、停留時間、升溫速率等因素的影響。由于土壤污染具有累積性，有機污染物的土壤滲透程度也會有較大的差異，針對不同污染程度的土壤采用不同加熱溫度、停留時間及升溫速率的原位熱脫附過程，既能夠保障土壤修復的效果，又能夠有效地降低系統能耗。因此，亟待發明應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器及控制方法，能夠有效地降低土壤修復的能耗。
技術實現要素：
5.本發明的目的在于提供應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器及控制方法，具備的能夠適用于多層土壤原位熱修復，降低土壤修復的能耗需求的優點，解決了由于土壤污染具有累積性，有機污染物的土壤滲透程度也會有較大的差異，針對不同污染程度的土壤采用不同加熱溫度、停留時間及升溫速率的原位熱脫附過程，既能夠保障土壤修復的效果，又能夠有效地降低系統能耗的問題。
6.為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器，包括電氣連接頭及連接于電氣連接頭的第一段電加熱管、第二段電加熱管、第三段電加熱管，所述電氣連接頭包括安裝法蘭及連接于安裝法蘭的固定接口，所述固定接口與第一段電加熱管、第二段電加熱管、第三段電加熱管相連。
7.優選的，所述固定接口包括電極連接口一、電極連接口二、電極連接口三、電極連接口四、電極連接口五、電極連接口六，所述第一段電加熱管的兩端與電極連接口一、電極連接口二相連，所述第二段電加熱管的兩端與電極連接口三、電極連接口四相連，所述第三段電加熱管的兩端與電極連接口五、電極連接口六相連。
8.優選的，所述安裝法蘭與第一段電加熱管、第二段電加熱管、第三段電加熱管均固定相連。
9.優選的，所述第一段電加熱管、第二段電加熱管、第三段電加熱管長度不同，結構相同，包括外管、引出棒、氧化鎂粉、電阻絲，引出棒固定于外管的中心處，電阻絲纏繞于引出棒的外表面，氧化鎂粉填充于外管與引出棒之間空間。
10.優選的，所述外管呈u形狀。
11.應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器的控制方法，其特征在于，包括主控制器板及連接于主控制器板的電源功率控制模塊一、電源功率控制模塊二、電源功率控制模塊三，電源功率控制模塊一、電源功率控制模塊二、電源功率控制模塊三分別與第一段電加熱管、第二段電加熱管、第三段電加熱管的兩端連接，具體的分段加熱方法步驟如下：
12.步驟一：待修復的污染土壤檢測后，確定電加熱器中各段電加熱管的長度，以及確定電加熱器的分段加熱溫度t1、t2、t3，并在不同深度的土壤層安裝熱電偶傳感器一、熱電偶傳感器二、熱電偶傳感器三作為溫度檢測；
13.步驟二：由于越接近地面，土壤受到的污染越嚴重，因此分段加熱溫度t1、t2、t3 滿足如下關系：t1≥t2≥t3，溫度控制的順序是第三段電加熱管、第二段電加熱管、第一段電加熱管；
14.步驟三：通過控制器首先控制第三段電加熱管的工作，以熱電偶傳感器三作為溫度反饋進行調節，保持最深深度的加熱溫度穩定在期望值t3；
15.步驟四：由于t≥t，因此需要第二段電加熱管提升加熱功率，再通過控制器控制第二段電加熱管的工作，熱電偶傳感器二作為溫度反饋進行調節，保持中間深度的加熱溫度穩定在期望值t2；
16.步驟五：由于t≥t，因此需要第一段電加熱管提升加熱功率，最后再通過控制器控制第一段電加熱管的工作，熱電偶傳感器一作為溫度反饋進行調節，保持表層深度的加熱溫度穩定在期望值t1；
17.當分段溫度一致時，可以跳過該段的溫度調節步驟。
18.與現有技術相比，本發明的有益效果如下：一、多段式結構能夠適用于多層土壤原位熱修復，降低土壤修復的能耗需求，并聯結構對于單個加熱管的功率要求低，降低了電加熱器的制作工藝要求；二、控制電路規避常規采用交流電控制的控制方法，而是采用電源功率控制模塊將交流電轉換為直流電流實現控制，通過控制器可以精確控制電源功率控制輸出端的電流值，進一步降低由于控制帶來的能耗問題。
附圖說明
19.圖1是本發明的電加熱器裝置的結構示意圖；
20.圖2是本發明的電氣連接頭結構示意圖；
21.圖3是本發明的電加熱管內部結構示意圖；
22.圖4是本發明的氧化鎂粉與外管連接結構示意圖；
23.圖5是本發明的控制器結構示意圖；
24.圖6是本發明的熱電偶傳感器安裝示意圖。
25.圖中：1、電氣連接頭；101、電極連接口一；102、電極連接口二；103、電極連接口三；
104、電極連接口四；105、電極連接口五；106、電極連接口六；107、安裝法蘭；2、第一段電加熱管；201、外管；202、引出棒；203、電阻絲；204、氧化鎂粉；3、第二段電加熱管；4、第三段電加熱管；301、電源功率控制模塊一；302、電源功率控制模塊二； 303、電源功率控制模塊三；304、主控制器板；5、熱電偶傳感器一；6、熱電偶傳感器二； 7、熱電偶傳感器三。
具體實施方式
26.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
27.本發明提供參見圖1所示，應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器，包括電氣連接頭1及連接于電氣連接頭1的第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4。第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4的長度不同，可以根據土壤的初試檢測結果定制不同的電加熱管長度。電氣連接頭1包括安裝法蘭107及連接于安裝法蘭107的固定接口，固定接口與第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4 相連。
28.如圖2所示，固定接口包括包括電極連接口一101、電極連接口二102、電極連接口三103、電極連接口四104、電極連接口五105、電極連接口六106，分別與第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4的兩端連接，安裝法蘭107與第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4固定在一起。
29.如圖3、圖4所示，第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4除長度不一致以外，其內部結構相同。第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4 包括外管201、引出棒202、氧化鎂粉204以及電阻絲203。外管201呈u形狀，引出棒202固定在外管201的中心位置，電阻絲203繞在引出棒202的外表面，氧化鎂粉204填充于外管201與引出棒202之間空間。
30.如圖5、圖6所示，該裝置的控制器包含兩個部分：主控制器板304與電源功率控制模塊一301、電源功率控制模塊二302、電源功率控制模塊三303。主控制器板304采用 stm32單片機作為主控芯片，通過can總線接口與電源功率控制模塊一301、電源功率控制模塊二302、電源功率控制模塊三303的can總線接口相連，利用該接口進行數據通信，控制器中采用pid控制算法，控制算法中的溫度采用周期設置為20s。
31.電源功率控制模塊一301、電源功率控制模塊二302、電源功率控制模塊三303采用并聯方式連接，并采用380v的單相交流電供電，電源功率控制模塊一301、電源功率控制模塊二302、電源功率控制模塊三303的輸出端分別與第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4的兩端連接。主控制器板304可以通過can總線接口設置電源功率控制模塊一301、電源功率控制模塊二302、電源功率控制模塊三303的輸出電流，該輸出電流為直流電流，可以根據第一段電加熱管2、第二段電加熱管3、第三段電加熱管4 的電阻絲203的阻值計算當前的加熱功率，進而實現電加熱器的加熱功率控制。具體的分段加熱方法步驟如下：
32.步驟一：待修復的污染土壤檢測后，確定電加熱器中各段電加熱管的長度，以及確定電加熱器的分段加熱溫度t1、t2、t3，并在不同深度的土壤層安裝熱電偶傳感器一5、熱電
偶傳感器二6、熱電偶傳感器三7作為溫度檢測；
33.步驟二：由于越接近地面，土壤受到的污染越嚴重，因此分段加熱溫度t1、t2、t3 滿足如下關系：t1≥t2≥t3，第一段電加熱管2的加熱溫度為t1、第二段電加熱管3的加熱溫度為t2、第三段電加熱管4的加熱溫度為t3，因此溫度控制的順序是第三段電加熱管4、第二段電加熱管3、第一段電加熱管2；
34.步驟三：通過主控制器板304首先控制第三段電加熱管4的工作，以熱電偶傳感器三 7作為溫度反饋進行調節，保持最深深度的加熱溫度穩定在期望值t3；
35.步驟四：由于t2≥t3，因此需要第二段電加熱管3提升加熱功率，再通過主控制器板304控制第二段電加熱管3的工作，熱電偶傳感器二6作為溫度反饋進行調節，保持中間深度的加熱溫度穩定在期望值t2；
36.步驟五：由于t1≥t2，因此需要第一段電加熱管2提升加熱功率，最后再通過主控制器板304控制第一段電加熱管2的工作，熱電偶傳感器一5作為溫度反饋進行調節，保持表層深度的加熱溫度穩定在期望值t1；
37.當分段溫度一致時，可以跳過該段的溫度調節步驟。
38.本發明的電加熱器可以根據實際需求進行擴展，當需要更多分段加熱時，可以通過擴展電氣連接頭1中的電極連接口數量以及電加熱管的數量。相應的控制器中的電源功率控制模塊也應做相應數量的增加。
39.盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。
技術特征：
1.應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器，其特征在于：包括電氣連接頭(1)及連接于電氣連接頭(1)的第一段電加熱管(2)、第二段電加熱管(3)、第三段電加熱管(4)，所述電氣連接頭(1)包括安裝法蘭(107)及連接于安裝法蘭(107)的固定接口，所述固定接口與第一段電加熱管(2)、第二段電加熱管(3)、第三段電加熱管(4)相連。2.根據權利要求1所述的應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器，其特征在于，所述固定接口包括電極連接口一(101)、電極連接口二(102)、電極連接口三(103)、電極連接口四(104)、電極連接口五(105)、電極連接口六(106)，所述第一段電加熱管(2)的兩端與電極連接口一(101)、電極連接口二(102)相連，所述第二段電加熱管(3)的兩端與電極連接口三(103)、電極連接口四(104)相連，所述第三段電加熱管(4)的兩端與電極連接口五(105)、電極連接口六(106)相連。3.根據權利要求1所述的應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器，其特征在于，所述安裝法蘭(107)與第一段電加熱管(2)、第二段電加熱管(3)、第三段電加熱管(4)均固定相連。4.根據權利要求3所述的應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器，其特征在于，所述第一段電加熱管(2)、第二段電加熱管(3)、第三段電加熱管(4)長度不同，結構相同，包括外管(201)、引出棒(202)、氧化鎂粉(204)、電阻絲(203)，引出棒(202)固定于外管(201)的中心處，電阻絲(203)纏繞于引出棒(202)的外表面，氧化鎂粉(204)填充于外管(201)與引出棒(202)之間空間。5.根據權利要求4所述的應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器，其特征在于，所述外管(201)呈u形狀。6.應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器的控制方法，其特征在于，包括主控制器板(304)及連接于主控制器板(304)的電源功率控制模塊一(301)、電源功率控制模塊二(302)、電源功率控制模塊三(303)，電源功率控制模塊一(301)、電源功率控制模塊二(302)、電源功率控制模塊三(303)分別與第一段電加熱管(2)、第二段電加熱管(3)、第三段電加熱管(4)的兩端連接，具體的分段加熱方法步驟如下：步驟一：待修復的污染土壤檢測后，確定電加熱器中各段電加熱管的長度，以及確定電加熱器的分段加熱溫度t1、t2、t3，并在不同深度的土壤層安裝熱電偶傳感器一(5)、熱電偶傳感器二(6)、熱電偶傳感器三(7)作為溫度檢測；步驟二：由于越接近地面，土壤受到的污染越嚴重，因此分段加熱溫度t1、t2、t3滿足如下關系：t1≥t2≥t3，溫度控制的順序是第三段電加熱管(4)、第二段電加熱管(3)、第一段電加熱管(2)；步驟三：通過控制器(304)首先控制第三段電加熱管(4)的工作，以熱電偶傳感器三(7)作為溫度反饋進行調節，保持最深深度的加熱溫度穩定在期望值t3；步驟四：由于t2≥t3，因此需要第二段電加熱管(3)提升加熱功率，再通過控制器(304)控制第二段電加熱管(3)的工作，熱電偶傳感器二(6)作為溫度反饋進行調節，保持中間深度的加熱溫度穩定在期望值t2；步驟五：由于t1≥t2，因此需要第一段電加熱管(2)提升加熱功率，最后再通過控制器(304)控制第一段電加熱管(2)的工作，熱電偶傳感器一(5)作為溫度反饋進行調節，保持表層深度的加熱溫度穩定在期望值t1；
當分段溫度一致時，可以跳過該段的溫度調節步驟。
技術總結
本發明公開了應用于污染土壤修復的多級熱修復電加熱器及控制方法，包括電氣連接頭及連接于電氣連接頭的第一段電加熱管、第二段電加熱管、第三段電加熱管，所述電氣連接頭包括安裝法蘭及連接于安裝法蘭的固定接口，所述固定接口與第一段電加熱管、第二段電加熱管、第三段電加熱管相連。本發明多段式結構能夠適用于多層土壤原位熱修復，降低土壤修復的能耗需求，并聯結構對于單個加熱管的功率要求低，降低了電加熱器的制作工藝要求，控制電路規避常規采用交流電控制的控制方法，而是采用電源功率控制模塊將交流電轉換為直流電流實現控制，通過控制器可以精確控制電源功率控制輸出端的電流值，進一步降低由于控制帶來的能耗問題。題。題。
