Eksperimentel Procedure for laboratorieundersøgelser af In Situ brændende: brændbarhed og brændende effektivitet af råolie

Summary

Vi præsenterer her, en protokol for at samtidig studere brændbarhed og brændende effektivitet af friske og forvitret råolie under forhold der simulerer i situ brændende operationer på havet.

Abstract

En ny metode til den samtidige undersøgelse af brændbarhed og brændende effektivitet af friske og forvitret råolie gennem to forsøgslaboratorium opsætninger er præsenteret. Forsøgene er let gentagelig i forhold til operationelle skala eksperimenter (pool diameter ≥2 m), mens stadig byder ganske realistisk i situ brændende betingelser af råolie på vand. Eksperimentelle betingelser omfatter en strømmende vand sub lag, der køler olieforureningen og en ekstern varme flux (op til 50 kW/m²), der simulerer den højere varme feedback til brændstof overfladen i operationelle skala råolie pool brande. Disse betingelser aktiverer en kontrolleret laboratorium studiet af råolie pool brande, der svarer til operationelle skala eksperimenter brændende effektivitet. Metoden giver også kvantitative data om krav til øjeblik råolier i den kritiske varme flux, tænding forsinkelsestid som en funktion af den hændelse varme flux, overfladetemperatur på tænding og den termiske inerti. Denne type data kan bruges til at bestemme den nødvendige styrke og varighed af en tændkilde at antænde en bestemt type af friske eller forvitret råolie. Den største begrænsning af metoden er at den kølende effekt af den strømmende vand sub lag på den brændende olie, som en funktion af eksterne varme flux ikke er blevet fuldt tal. Eksperimentelle resultater viste tydeligt at det strømmende vand sub lag forbedrer repræsentativitet denne opsætning er i situ brændende betingelser, men hvorvidt denne repræsentation er nøjagtig er i øjeblikket usikker. Metoden har alligevel den mest realistiske i situ brændende laboratorieforhold i øjeblikket tilgængelig for samtidig studerer brændbarhed og brændende effektivitet af råolie på vand.

Introduction

In situ afbrænding af spildt olie på vand er en marine oil spill svar metode, der fjerner den spildte olie fra vandoverfladen ved at brænde det og konvertere det til sod og gasformige forbrændingsprodukter. Denne reaktion metode blev anvendt med succes under Exxon Valdez¹ og Deepwater Horizon² olieudslip og er regelmæssigt nævnt som en potentiel olie spild svar metode for arktiske^{3,4,5 ,6}. To af de vigtigste parametre, der bestemmer, om i situ afbrænding af olie vil blive en succes som et olieudslip svar metode er brændbarhed og brændende effektiviteten af olien. Den første parameter, antændelighed, beskriver hvordan let brændstof kan antændes og kan føre til flamme spredning over brændstof overfladen føre til en fuldt udviklet brand. Det andet parameter, brændende effektivitet, udtrykker mængden af olie (i wt %), der er effektivt fjernet fra vandoverfladen ved ilden. Det er således relevant at forstå brændbarhed og forventede brændende effektiviteten af forskellige råolier under i situ brændende betingelser.

Antændelse af olie slicks på vand for i situ brændende formål er almindeligt behandles som et praktisk problem, med kvalitative diskussioner på tænding systemer^5,7,8,9. Den praktiske tilgang til antændelse af spildt olie som en binær problem, og mærkning olier enten “ignitable” eller “ikke ignitable” (f.eks. Brandvik, Fritt-Rasmussen, mfl. ¹⁰) er imidlertid forkert fra et grundlæggende synspunkt. I teorien kan enhver brændstof være antændt givet en passende tændkilde. Det er derfor relevant at kvantificere tænding krav for en lang række forskellige råolie typer til bedre at forstå egenskaberne af en råolie, der vil mærke det som “ikke ignitable”. Til dette formål, kan den udviklede metode bruges til at studere tænding forsinkelsestiden for en olie, som en funktion af den hændelse varme flux, kritiske varme flux af olien og sin termiske inerti, dvs hvor svært det er at opvarme olien.

I en tidligere undersøgelse postuleret vi, at den vigtigste parameter, der regulerer den brændende effektivitet er den varme feedback til brændstof overflade¹¹, som er en funktion af pool diameter. Teorien forklarer tilsyneladende pool størrelse afhængighed af den brændende effektivitet baseret på laboratorieundersøgelser rapportering lav brændende effektivitetsfordele (32-80%)^8,12,13 og store skala undersøgelser (pool diameter ≥2 m) rapportering høj brændende effektivitetsfordele (90-99%)^14,15,16. Den metode beskrevet heri var designet til at teste den foreslåede teori. Ved at underkaste små laboratorieforsøg en konstant eksterne varme flux, kan højere varme feedback for storstilet pool brande simuleres under kontrollerede laboratorieforhold. Som sådan, den udviklede metode giver mulighed for at studere den brændende effektivitet effektivt som en funktion af diameteren af varierende eksterne varme flux.

Ud over en ekstern varme flux til at simulere en større målestok af in situ brændende operationer, funktionen eksperimentelle opsætninger afkøling af olieforureningen et koldt vand flow, simulerer den kølende effekt af det nuværende havet. Den omtalte metode er endvidere kompatibel med både frisk og forvitret råolier. Forvitring af råolie beskriver den fysiske og kemiske proces, der påvirker en råolie, når det er spildt på vand, såsom tab af sin flygtige komponenter og blande med vand til form vand-i-olie emulsioner (fx AMAP¹⁷). Fordampning og emulgering er to af de vigtigste forvitring processer, der påvirker antændelighed råolier¹⁸ og protokoller til simulering af disse forvitring processer indgår derfor i den omtalte metode.

Heri, præsenterer vi en roman laboratoriemetode, der bestemmer den brændbarhed og brændende effektivitet af råolie under forhold der simulerer i situ brændende operationer på havet. Tidligere undersøgelser på brændbarhed og brændende effektivitet af råolier featured sammenlignelige og forskellige metoder. Brændbarhed af friske og forvitret råolier som en funktion af en ekstern varme flux var studerede på vand¹⁹ og under arktiske temperaturer²⁰. Brændende effektivitet undersøgelser typisk fokusere på forskellige typer af friske og forvitret rå olier og miljøforhold på en fast skala (fx Fritt-Rasmussen, mfl. ⁸Bech, Sveum, mfl. ²¹). en nylig undersøgelse på afbrænding af råolier indeholdt af kemiske hyrder er kendskab til forfatterne, først til at studere den brændende effektivitet for små, mellemliggende, og stor skala eksperimenter under lignende forhold¹³. Stor skala eksperimenter er imidlertid ikke let tilgængelige for parametrisk undersøgelser på grund af den omfattende mængde af tid og ressourcer, der kræves for at gennemføre sådanne eksperimenter. Den største fordel ved metoden præsenteres over de tidligere nævnte undersøgelser er, at det giver mulighed for samtidig at studere både brændbarhed og brændende effektivitet af råolie semi-realistiske betingelser. Kombinationen af at studere disse to parametre for råolier som en funktion af både forskellige olie typer og de (simulerede) pool diameter gennem let gentagelig eksperimenter var tidligere uigennemførlige i praksis.

Protocol

Denne protokol gør brug af to forskellige eksperimentelle opsætninger, der bruges i trin 4-8, som vist i de medfølgende skemaer. Den første opsætning er den råolie antændelighed apparater (COFA) (figur 1 og figur 4), som er en 1,0 × 1,0 × 0,50 m3 metal vandbassin designet til at føre lille skala i situ afbrænding af råolie eksperimenter, som vist for eksempel i Van Gelderen, Brogaard, mfl. 22</su…

Representative Results

Figur 5 viser fordampning kurven af en light råolie, der var fordampet over flere dage til et tab af 30 wt % ved hjælp af metoden beskrevet i trin 2. Figuren viser klart, at efter den første dag (19 h) af fordampningsemissioner vejrlig, er fordampning satsen reduceret betydeligt, hvilket giver mulighed for pauser, som nævnt i protokollen. Figur 6 viser tænding fors…

Discussion

De to forvitring metoder drøftes i dette dokument er en forholdsvis enkel tilnærmelse af forvitring processer, en spildt olie på vand er udsat til¹⁷. Andre, mere sofistikerede forvitring metoder kan også bruges til at give forvitret råolie prøver, som de cirkulerende målekanal beskrevet af Brandvik og Faksness³⁵. Fordelen, at de præsenterede metoder er at de kræver simpelt udstyr og nemt kan gennemføres i et laboratoriemiljø. De resulterende forvitret råolier er…

Materials

DUC Crude Oil	Maersk	N/A	Light crude oil with r = 0.853 g/ml and h = 6.750 mPa*s.
Grane Crude Oil	Statoil	N/A	Heavy crude oil with r = 0.925 g/ml and h = 133.6 mPa*s.
SVM 3000 Stabinger Viscometer	Anton Paar	C18IP007EN-P	Viscosity and density meter for the fresh and weathered crude oils.
Laboshake RO500	Gerhardt	11-0002	Rotary shaking table for emulsifying water and oil mixtures.
Jebao Wave Maker RW-4	Jebao	N/A	Propeller (flow of 500-4000 L/h) used in the COFA setup to generate a current.
Aquabee UP 3000	Aquabee	UP 3000	Aquarium pump for cooling of heat flux gauge.
Adventurer Precision Electronic Balance	OHAUS	AX5205	Load scale used to weigh the oil for the COFA experiments and in the custom-made cone sample holder for the cone setup.
3M Oil Sorbent Pads	VWR	MMMAHP156	Hydrophobic absorption pads used to collect oil residues to determine the burning efficiency of the fire.
Mass Loss Calorimeter	Fire Testing Technology (FTT)	B11325-650-1-1608	A custom-made, circular holder was used for the testing of crude oil rather than the standard square sample holder. Includes a heat flux gauge with a range up to 100 kW/m2.
34972A Data Acquisition / Data Logger Switch Unit	RS Components Ltd.	702-7958	Produced by Keysight Technologies. Operated by Keysight benchLink data logger 3 software and equipped with a 20-channel multiplexer.
Keysight Technologies 34901A 20-channel multiplexer	RS Components Ltd.	702-7939	Produced by Keysight Technologies.
Bellows-Sealed Valve	Swagelok	SS-1GS6MM	Toggle valve to open/close the water in- and outlet of the custom-made cone sample holder for the cone setup.
Kronos 50 Peristaltic Pump	SEKO	KRFM0210M6000	Peristaltic pump used to cool the custom-made cone sample holder for the cone setup.
ARCTIC A28 Refrigerated Circulater	ThermoFisher Scientific	152-5281	Water cooling reservoir used to cool the cooling water that flows through the custom-made cone sample holder for the cone setup. Includes a SC 100 Immersion Circulator controller.
Gas Analysis Instrumentation Console with Duct Insert	Fire Testing Technology (FTT)	B11328-650-1-1609	Gas analyzer for O2, CO2 and CO. Uses a 34972A Data Acquisition / Data Logger Switch Unit.
Ceramic & Stainless Steel 2.5mm Electrode	Fire Testing Technology (FTT)	M015-4	Spark igniter from the Mass Loss Calorimeter. Used in the COFA setup to measure the surface temperature upon ignition.
Infrared Emitter-Module M110/348	Heraeus	80046199	Original Infrared heaters on which the new design with a water-cooled holder for the heating elements was based. Includes two short wave twin tube emitters (09751751). Operated by a type CB1x25 P power controller.
Power Controller Heratron	Heraeus	80055836	Type CB1x25 P power controller for the infrared heaters.