Experimentele Procedure voor laboratoriumonderzoek van In Situ branden: ontvlambaarheid en branden efficiëntie van ruwe olie

Summary

Hier presenteren we een protocol om te studeren tegelijk de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van verse en verweerd ruwe olie onder omstandigheden die simuleren in situ branden operaties op zee.

Abstract

Een nieuwe methode voor de gelijktijdige studie van de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van verse en verweerd ruwe olie door twee experimenteel laboratorium opstellingen wordt gepresenteerd. De experimenten zijn gemakkelijk herhaalbaar vergeleken met operationele schaal experimenten (zwembad diameter ≥2 m), terwijl nog het kenmerken heel realistisch in situ branden voorwaarden van ruwe olie op water. Experimentele omstandigheden omvatten een stromende water sublaag dat koelt de olievlek en een externe warmtestroom (maximaal 50 kW/m²) dat de hogere warmte feedback aan de oppervlakte van de brandstof in operationele schaal ruwe olie zwembad branden simuleert. Deze voorwaarden kunnen een gecontroleerde laboratorium-studie van de brandende efficiëntie van ruwe olie zwembad branden die gelijkwaardig zijn aan operationele schaal experimenten. De methode biedt ook kwantitatieve gegevens over de vereisten voor aansteken ruwvet in termen van de kritische warmtestroom, ontsteking vertragingstijd als een functie van de invallende warmtestroom, de oppervlaktetemperatuur op ontsteking en de thermische inertie. Dit type gegevens kan worden gebruikt om te bepalen van de vereiste kracht en de duur van een ontstekingsbron te ontbranden van een bepaald type van vers of verweerde ruwe olie. De belangrijkste beperking van de methode is dat het koelend effect van het stromende water sub laag op de brandende ruwe olie als een functie van de externe warmtestroom is nog niet volledig gekwantificeerd. Experimentele resultaten bleek duidelijk dat het stromende water sublaag verbetert hoe representatief deze instelling is van in situ brandende voorwaarden, maar in welke mate deze voorstelling nauwkeurig is is momenteel onzeker. De methode biedt toch de meest realistische in situ branden laboratoriumomstandigheden momenteel beschikbaar voor gelijktijdig het bestuderen van de ontvlambaarheid en het branden van de efficiëntie van ruwe olie op water.

Introduction

In situ verbranden van gemorste ruwe olie op water is een mariene olie lekkage reactie methode waarbij de gemorste olie op het wateroppervlak door het te branden en te converteren naar roet en gasvormige verbrandingsproducten worden verwijderd. Deze reactie-methode werd succesvol toegepast tijdens de Exxon Valdez¹ en Deepwater Horizon² olievlekken en wordt regelmatig genoemd als een mogelijke olie lekkage reactie methode voor de Arctic^{3,4,5 ,6}. Twee van de belangrijkste parameters die bepalen of in situ verbranding van olie succesvol als een spill response-methode zijn zal zijn de ontvlambaarheid en de brandende efficiëntie van de olie. De eerste parameter, ontvlambaarheid, beschrijft hoe gemakkelijk een brandstof tot ontbranding kan worden gebracht en kan leiden tot de vlam verspreidt over het oppervlak van de brandstof om te resulteren in een volledig ontwikkelde brand. De tweede parameter, branden van efficiëntie, drukt het bedrag van de olie (in wt %), dat effectief door het vuur van het wateroppervlak wordt verwijderd. Het is dus relevant zijn voor het begrijpen van de ontvlambaarheid en de verwachte brandende efficiëntie van verschillende ruwe olie onder in situ branden voorwaarden.

De ontsteking van olie slicks op water voor in situ branden doeleinden wordt vaak aangesproken als een praktisch probleem, met de kwalitatieve discussies over ontsteking systemen^5,7,8,9. De praktische aanpak van de ontsteking van gemorste olie als een binaire probleem en etikettering oliën “damp” of “niet kPaa” (bijvoorbeeld Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al.. ¹⁰) klopt, echter vanuit een fundamenteel oogpunt. In theorie, een brandstof ontbranding kan worden gebracht een passende ontstekingsbron gegeven. Daarom is het relevant zijn voor het kwantificeren van de eisen van de ontsteking voor een breed scala van verschillende ruwe olie typen om de eigenschappen van een ruwe olie die het als “niet kPaa bestempelen zou” beter te begrijpen. Voor dit doel, kan de ontwikkelde methode worden gebruikt om te studeren de vertragingstijd van de ontsteking van een olie als een functie van de invallende warmtestroom, de kritische warmtestroom van de olie en de thermische inertie, d.w.z. hoe moeilijk het is om het opwarmen van de olie.

In een eerdere studie, we gepostuleerd dat de belangrijkste parameter die de brandende efficiëntie regelt is de feedback van de warmte om de brandstof-oppervlakte¹¹, die een functie van de diameter van het zwembad. De theorie verklaart de schijnbare zwembad grootte afhankelijkheid van de brandende efficiëntie op basis van laboratoriumonderzoek rapportage lage brandende efficiëntie (32-80%)^8,12,13 en grootschalige studies (zwembad diameter ≥2 m) rapportage hoge brandende efficiëntie (90-99%)^14,15,16. De methode hierin besproken werd ontworpen om de voorgestelde theorie te testen. Door kleine schaal laboratoriumexperimenten te onderwerpen aan een constante externe warmtestroom, kan de hogere warmte feedback voor grootschalige zwembad branden onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden worden gesimuleerd. Als zodanig, kunt de ontwikkelde methode bestuderen van de brandende efficiëntie effectief als een functie van de diameter door het variëren van de externe warmtestroom.

Naast een externe warmtestroom te simuleren van de grotere omvang van in situ branden operaties, de functie van de experimentele opstellingen koeling van de olieramp door een koudwater stroom, simuleren het koelend effect van de huidige zee. De besproken methode is bovendien compatibel met zowel verse als verweerde ruwe olie. De verwering van ruwe olie beschrijft de fysische en chemische proces die invloed hebben op een ruwe olie zodra het wordt gemorst op het water, zoals het verliezen van zijn vluchtige bestanddelen en mengen met water tot vorm water-in-olie emulsies (bijvoorbeeld AMAP¹⁷). Verdamping en membraanemulsificatie zijn twee van de belangrijkste verwering processen die van invloed zijn op de ontvlambaarheid van ruwe olie¹⁸ en protocollen voor het simuleren van deze processen van verwering zijn daarom opgenomen in de besproken methode.

Hierin presenteren wij een nieuwe laboratorium-methode die bepaalt de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van ruwe olie onder omstandigheden die simuleren in situ branden operaties op zee. Eerdere studies over de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van ruwe olie featured vergelijkbare zowel verschillende methoden. De ontvlambaarheid van verse en verweerd ruwe olie als een functie van een externe warmtestroom werd bestudeerd op water¹⁹ en onder Arctische temperaturen²⁰. Brandende efficiëntie studies meestal concentreren op verschillende soorten verse en verweerde ruwe oliën en milieuomstandigheden op een vaste schaal (bijvoorbeeld Fritt-Rasmussen, et al.. ⁸Bech, Sveum, et al.. ²¹). een recente studie op het verbranden van ruwe olie die door chemische herders is, tot de kennis van de auteurs, de eerste studie van de brandende efficiëntie voor klein, gemiddeld, en grootschalige experimenten onder soortgelijke voorwaarden¹³. Grootschalige experimenten zijn echter niet beschikbaar voor parametrische studies vanwege de uitgebreide hoeveelheid tijd en middelen die nodig zijn voor het uitvoeren van dergelijke experimenten. Het belangrijkste voordeel van de onderhavige methode over de eerder genoemde studies is dat het mogelijk maakt voor het gelijktijdig studeren beide de ontvlambaarheid en branden van efficiëntie van ruwe olie onder semi-realistische omstandigheden. De combinatie van het bestuderen van deze twee parameters voor ruwe olie als een functie van zowel verschillende olie-soorten en de diameter van de (gesimuleerde) zwembad door gemakkelijk herhaalbare experimenten was eerder niet haalbaar in de praktijk.

Protocol

Dit protocol maakt gebruik van twee verschillende experimentele opstellingen die worden gebruikt in stappen 4-8, zoals aangegeven in de bijgevoegde schema’s. De instelling van de eerste is de ruwe olie ontvlambaarheid apparaat (COFA) (Figuur 1 en Figuur 4), oftewel een 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 metalen waterbassin ontworpen om uit te voeren op kleine schaal in situ verbranden van aardolie experimenten, zoals bijvoorbeeld in Van Gelderen, …

Representative Results

Figuur 5 toont de curve van de verdamping van een lichte ruwe olie die over meerdere dagen tot een verlies van 30% van de wt met behulp van de methode die is beschreven in stap 2 was verdampt. De figuur toont duidelijk aan dat na de eerste dag (19 h) van de verdampingsemissie verwering, de verdampingssnelheid is aanzienlijk verminderd, waardoor voor pauzes, zoals vermeld in het protocol. <strong cla…

Discussion

De twee verwering methoden die in dit Groenboek besproken zijn een relatief eenvoudige aanpassing van de processen van verwering dat een gemorste olie op water tot en met¹⁷wordt onderworpen. Andere, meer geavanceerde verwering methoden kunnen ook worden gebruikt om verweerde ruwe olie monsters, zoals de circulerende meetgoot beschreven door Brandvik en Faksness³⁵. Het voordeel van de gepresenteerde methoden is dat ze eenvoudige apparatuur vereist en kunnen gemakkelijk worde…

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.