Экспериментальная процедура для лабораторных исследований In Situ горения: воспламеняемости и эффективности сжигания нефти
Summary
Здесь мы представляем Протокол одновременно изучать воспламеняемости и эффективность сжигания свежие и выветривания нефти в условиях, которые имитируют в situ горения операции на море.
Abstract
Представлен новый метод для одновременного изучения воспламеняемости и эффективность сжигания свежие и выветривания нефти через два экспериментальных лабораторных установок. Эксперименты легко повторяемые по сравнению с оперативной масштаб экспериментов (бассейн диаметр ≥2 м), показывая все еще вполне реально в situ горения условий сырой нефти на воде. Экспериментальные условия включают течет вода суб слой, который охлаждает нефтяное пятно и внешнего теплового потока (до 50 кВт/м2), которая имитирует выше обратной связи тепла с поверхности топлива в оперативных масштабах сырой нефти бассейн пожаров. Эти условия позволяют контролируемых лабораторное исследование эффективность сжигания нефти бассейн пожаров, которые эквивалентны оперативных масштабах экспериментов. Этот метод также предоставляет количественные данные о требованиях к пылц нефтей с точки зрения критических теплового потока, время задержки зажигания в зависимости от падающего теплового потока, температуры поверхности после зажигания и тепловой инерции. Этот тип данных может использоваться для определения необходимой прочности и продолжительность источника зажигания разжечь определенный тип свежие или выветрившихся сырой нефти. Основным ограничением метода является, что эффект охлаждения проточной воды югу слой на сжигание сырой нефти, как функция внешнего теплового потока полностью не определены. Экспериментальные результаты четко показали, что течет под слоем воды улучшить, как представитель этой установки является в situ горения условий, но в какой степени это представление точной, в настоящее время неизвестно. Метод тем не менее есть наиболее реалистичным в situ горения лабораторных условиях в настоящее время доступны для одновременно изучая воспламеняемости и сжигание эффективности сырой нефти на воде.
Introduction
В situ сжигание разлитой нефти на воде является морских нефтяных разливов ответ метод, который удаляет разлитой нефти с поверхности воды, его сжигание и преобразования его в копоти и в продуктах сгорания газообразных. Этот ответ метод был успешно применен в ходе Exxon Valdez1 и разливов нефти Дипуотер Horizon2 и регулярно упоминается как потенциальные метод ответ разлива нефти для арктических3,4,5 ,6. Два ключевых параметров, которые определяют в situ сжигание нефти будет ли успешным как метод ответ разливов являются воспламеняемости и эффективность сжигания нефти. Первый параметр, воспламеняемости, описывает, как легко топлива могут воспламеняться и может привести к пламя распространяется над поверхностью топлива приведет к полностью развитых огонь. Второй параметр, сжигание эффективность, выражает количество масла (в wt %), который эффективно удаляется с поверхности воды в огне. Таким образом отношение к понимать воспламеняемости и ожидаемая эффективность горения различных масел сырой под на месте условия горения.
Зажигания нефтяных пятен на воде для в situ горения целей обычно рассматривается как практическая проблема, с качественной обсуждение зажигания систем5,,78,9. Практический подход к зажигания разлитой нефти как двоичные проблема, и маркировки масла «воспламеняющиеся» или «не воспламеняющиеся» (например Brandvik, Fritt-Расмуссен, и др. 10) является, однако, неверно с фундаментальной точки зрения. В теории любой топлива могут быть зажжены учитывая соответствующий источник. Поэтому уместно определить требования зажигания для широкого круга типов различных сырой нефти лучше понять свойства сырой нефти, которая бы называть его «не воспламеняющиеся». Для этой цели разработанный метод может использоваться для изучения времени задержки воспламенения масла как функция падающего теплового потока, критических теплового потока нефти и ее тепловой инерции, то есть как сложно это для нагрева нефти.
В предыдущем исследовании мы постулируется, что основным параметром, который управляет эффективность сжигания является обратной связи тепла с поверхности топлива11, который является функцией бассейн диаметром. Теория объясняет зависимость размера очевидным бассейн эффективность сжигания на основании лабораторных исследований отчетности низкой горения эффективности (32-80%)8,12,13 и крупных исследований масштаба (бассейн диаметр ≥2 m) отчетность высокого горения эффективности (90-99%)14,,1516. Метод обсуждали здесь был разработан для проверки предлагаемой теории. Подвергая мелких лабораторных экспериментов на постоянной внешней теплового потока, выше тепла обратной связи для больших масштабах бассейн пожаров могут быть смоделированы контролируемых лабораторных условиях. Таким образом разработанный метод позволяет изучать эффективность сжигания эффективно как функция диаметра, изменяя поток внешнего тепла.
Помимо внешнего теплового потока для имитации большие масштабы в situ горения операции, функцию экспериментальных установок охлаждения нефтяное пятно поток холодной воды, имитируя эффект охлаждения текущие моря. Кроме того обсудили метод совместим с свежим и выветривания нефтей. Выветривание сырой нефти описывает физические и химические процесс, который влияет на сырую нефть после того, как пролилась на воде, например потери летучих компонентов и смешивания с водой, форма-водомасляных эмульсий (например, AMAP17). Испарение и эмульгирования являются двумя из основных выветривания процессов, которые влияют на воспламеняемость нефтей18 и протоколы для имитации этих процессов выветривания таким образом включаются в методе обсуждались.
Здесь мы представляем Роман Лаборатория метод, который определяет воспламеняемости и эффективность сжигания нефти в условиях, которые имитируют в situ горения операции на море. Предыдущие исследования на воспламеняемость и эффективность сжигания масел сырой Рекомендуемые сопоставимых и различные методы. Воспламеняемость свежие и выветривания нефтей как функция внешнего теплового потока было исследовано на воду19 и арктические температуры20. Горения исследования эффективности обычно сосредоточены на различных видов свежих и выветривания сырого масла и экологических условий в фиксированном масштабе (например, Fritt-Расмуссен, и др. 8Бек, Sveum, и др. 21). Недавнее исследование на сожжение нефтей, содержащихся в химических скотоводов, до сведения авторов, первым изучить эффективность сжигания для малого, среднего, и больших масштабах экспериментов под аналогичные условия13. Большой масштаб экспериментов являются, однако, не являются легкодоступными для параметрических исследований за обширные количества времени и ресурсов, необходимых для проведения таких экспериментов. Основным преимуществом метода представленные над ранее упомянутых исследований является, что он позволяет одновременно изучая оба воспламеняемости и сжигание эффективности сырой нефти в полу в реальных условиях. Сочетание изучения этих двух параметров для сырой нефти как функция нефти различных типов и диаметр (имитация) бассейн через легко повторяемые эксперименты было ранее невозможно на практике.
Protocol
Representative Results
Discussion
Два выветривания методы, описанные в настоящем документе являются сравнительно простая аппроксимация процессов выветривания, разлитой нефти на воде подвергается17. Другие, более сложные выветривания методы могут также использоваться для предоставить образцы выдержали с…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Датский Совет независимых исследований для финансирования проекта (Грант DDF – 1335-00282). COWIfonden финансировал строительство аппарата воспламеняемости сырой нефти и газоанализатор, включая вставки воздуховодов. Маерск Ойл и Statoil условии сырой нефти, которые были использованы для представителя результаты. Ни один из авторов занимались протокол или результаты этой бумаги. Авторы хотели бы также поблагодарить Улисес Рохас Alva за помощь в создании держателя образца измененный конус.
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. |
References
- Allen, A. A. Contained Controlled Burning of Spilled Oil During the Exxon Valdez Oil Spill. , 305-313 (1990).
- Allen, A. A., Jaeger, D., Mabile, N. J., Costanzo, D. The Use of Controlled Burning During the Gulf of Mexico Deepwater Horizon MC-252 Oil Spill Response. International Oil Spill Conference Proceedings. 2011 (1), 1-13 (2011).
- AMAP. . Assessment 2007: Oil and Gas Activities in the Arctic – Effects and Potential Effects. 1, 423 (2010).
- Nuka, Research Planning Group, LLC. . Oil Spill Prevention and Response in the U.S. Arctic Ocean: Unexamined Risks, Unacceptable Consequences. , 136 (2010).
- Buist, I. A., et al. . In Situ Burning in Ice-Affected Waters: State of Knowledge Report Final Report 7.1.1. , 293 (2013).
- EPPR. . Guide to Oil Spill Response in Snow and ce Conditions in the Arctic. , 184 (2015).
- Opstad, K., Guénette, C. Fire on the Sea Surface, Ignitability and Sustainability Under Various Environmental Conditions. Fire Safety Science. 6, 741-752 (2000).
- Fritt-Rasmussen, J., Brandvik, P. J., Villumsen, A., Stenby, E. H. Comparing Ignitability for In Situ Burning of Oil Spills for an Asphaltenic, a Waxy and a Light Crude Oil as a Function of Weathering Conditions Under Arctic Conditions. Cold Reg. Sci. Technol. 72, 1-6 (2012).
- Guénette, C. C., Thornborough, J. An Assessment Of Two Off-Shore Igniter Concepts. Proceedings of the Twentieth Arctic and Marine Oil Spill Program (AMOP) Technical Seminar . , 795-808 (1997).
- Brandvik, P. J., Fritt-Rasmussen, J., Daniloff, R., Leirvik, F., Resby, J. L. . Establishing, testing and verification of a laboratory burning cell to measure ignitability for in situ burning of oil spills. Report No. 20, 26. 20, (2010).
- Van Gelderen, L., Malmquist, L. M. V., Jomaas, G. Vaporization order and burning efficiency of crude oils during in situ burning on water. Fuel. 191, 528-537 (2017).
- Farmahini Farahani, H., Shi, X., Simeoni, A., Rangwala, A. S. A Study on Burning of Crude Oil in Ice Cavities. Proc. Combust. Inst. 35 (3), 2699-2706 (2015).
- Bullock, R. J., Aggarwal, S., Perkins, R. A., Schnabel, W. Scale-up considerations for surface collecting agent assisted in situ burn crude oil spill response experiments in the Arctic: Laboratory to field-scale investigations. J. Environ. Manage. 190, 266-273 (2017).
- Fingas, M. F., et al. The Newfoundland Offshore Burn Experiment – NOBE. , 63-70 (1994).
- Guénette, C. C., Wighus, R. In situ Burning of Crude Oil and Emulsions in Broken Ice. , 895-906 (1996).
- Potter, S. Tests of Fire-Resistant Booms in Low Concentrations of Drift Ice – Field experiments May 2009. Report No. 27. 27, 17 (2010).
- AMAP. . Assessment 2007: Oil and Gas Activities in the Arctic – Effects and Potential Effects. 2, 277 (2010).
- Buist, I. Window-of-Opportunity for In Situ Burning. Spill Sci. Technol. Bull. 8 (4), 341-346 (2003).
- Wu, N., Kolb, G., Torero, J. L. The Effect of Weathering on the Flammability of a Slick of Crude Oil on a Water Bed. Combust. Sci. Technol. 161 (1), 269-308 (2000).
- Ranellone, R. T., Tukaew, P., Shi, X., Rangwala, A. S. Ignitability of crude oil and its oil-in-water products at arctic temperature. Mar. Pollut. Bull. 115 (1), 261-265 (2017).
- Bech, C. M., Sveum, P., Buist, I. A. The Effect of Wind, Ice and Waves on the In situ Burning of Emulsions and Aged Oils. , 735-748 (1993).
- Van Gelderen, L., et al. Importance of the Slick Thickness for Effective In situ Burning of Crude Oil. Fire Saf. J. 78, 1-9 (2015).
- . . ISO 17554:2014(E) Reaction to fire tests – Mass loss measurement. , 28 (2014).
- . . , 39 (2001).
- Stiver, W., Mackay, D. Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures. Environ. Sci. Technol. 18 (11), 834-840 (1984).
- Buist, I., Potter, S., Zabilansky, L., Guarino, A., Mullin, J., Davidson, W. F., Lee, K., Cogswell, A. . Oil Spill Response: A Global Perspective. , 41-62 (2008).
- Daling, P. S., Moldestad, M. &. #. 2. 1. 6. ;., Johansen, &. #. 2. 1. 6. ;., Lewis, A., Rødal, J. Norwegian Testing of Emulsion Properties at Sea–The Importance of Oil Type and Release Conditions. Spill Sci. Technol. Bull. 8 (2), 123-136 (2003).
- Arai, M., Saito, K., Altenkirch, R. A. A Study of Boilover in Liquid Pool Fires Supported on Water Part I: Effects of a Water Sublayer on Pool Fires. Combust. Sci. Technol. 71 (1-3), 25-40 (1990).
- Garo, J. P., Vantelon, J. P., Fernandez-Pello, A. C. Boilover Burning of Oil Spilled on Water. Symp. (Int.) Combust. 25 (1), 1481-1488 (1994).
- Evans, D. D., Mulholland, G. W., Gross, H., Baum, H., Saito, K. Burning, smoke production, and smoke dispersion from oil spill combustion. , 41-87 (1988).
- Guénette, C. C., Sveum, P., Buist, I., Aunaas, T., Godal, L. . In situ burning of water-in-oil emulsions. , 139 (1994).
- Van Gelderen, L., Rojas Alva, U., Mindykowski, P., Jomaas, G. Thermal Properties and Burning Efficiencies of Crude Oils and Refined Fuel Oil. International Oil Spill Conference Proceedings. 2017 (1), 985-1005 (2017).
- Quintiere, J. G. Ch 7. Fundamentals of Fire Phenomena. , 159-190 (2006).
- Janssens, M. L. Measuring rate of heat release by oxygen consumption. Fire Technol. 27 (3), 234-249 (1991).
- Brandvik, P. J., Faksness, L. G. Weathering processes in Arctic oil spills: Meso-scale experiments with different ice conditions. Cold Reg. Sci. Technol. 55 (1), 160-166 (2009).
- Wighus, R., Guènette, C. Fire on the sea surface – Experiments hazard assessment 1995. Report No. NBL A07129. , 40 (2007).
- Guénette, C. C., Sveum, P., Bech, C. M., Buist, I. A. Studies of In Situ Burning of Emulsions in Norway. International Oil Spill Conference Proceedings. (1), 115-122 (1995).
