实验室研究的实验步骤 原位 燃烧：原油的可燃性与燃烧效率

摘要

在此，我们介绍一种在模拟条件下同时研究新鲜及风化原油可燃性与燃烧效率的实验方案。 原位 海上燃烧作业。

摘要

一种通过两种实验装置同时研究新鲜及风化原油可燃性与燃烧效率的新方法。与操作规模实验（池直径≥2 m）相比，该实验具有较高的可重复性，同时仍具备较高的现实性 原位 水上原油燃烧条件。实验条件包括流动的水底层，其可冷却油膜，以及外部热通量（最高达50 kW/m²）。²模拟在实际规模的原油池火灾中向燃料表面传递更高热量反馈的条件。这些条件使得能够在实验室中受控地研究与实际规模实验相当的原油池火灾燃烧效率。该方法还可提供关于原油点燃条件的定量数据，包括临界热通量、点火延迟时间随入射热通量的变化、点火时的表面温度以及热惯性。此类数据可用于确定点燃特定类型新鲜或风化原油所需的点火源强度和持续时间。该方法的主要局限在于，外部热通量作用下流动水底层对燃烧原油的冷却效应尚未被充分量化。实验结果明确表明，流动水底层确实提高了该实验装置对实际工况的代表性。 原位 燃烧条件，但这种表征在多大程度上准确目前尚不明确。然而，该方法仍具有最真实的 原位 目前可用于同时研究水上原油可燃性及燃烧效率的燃烧实验条件。

引言

原位 在水面上燃烧泄漏的原油是一种海洋溢油应急处理方法，通过将溢出的原油燃烧并转化为烟灰和气态燃烧产物，从而将其从水面清除。该方法在埃克森·瓦尔迪兹号（Exxon Valdez）溢油事件中得到了成功应用。¹ 和深水地平线² 溢油事故，并经常被提及作为应对北极地区溢油事故的潜在方法^3,4,5,6决定是否的两个关键参数 原位 影响油品燃烧作为溢油应对方法有效性的两个关键因素是油的可燃性和燃烧效率。第一个参数“可燃性”描述了燃料被点燃的难易程度，以及火焰在燃料表面蔓延并发展为完全燃烧火灾的能力。第二个参数“燃烧效率”表示通过燃烧从水面有效清除的油量（以重量百分比计）。因此，了解不同原油在特定条件下可燃性及预期燃烧效率具有重要意义。 原位 燃烧条件

水上油污燃烧点火 原位 用于燃烧的目的通常被视为一个实际问题，常涉及对点火系统的定性讨论^5,7

方案

本方案使用了两种不同的实验装置，分别用于步骤4-8，其结构如附图示意图所示。第一种装置为原油可燃性装置（Crude Oil Flammability Apparatus, COFA）（图1 和 图4），尺寸为1.0 × 1.0 × 0.50 m³ 用于小规模实验的金属水浴盆 原位 原油燃烧实验，例如 Van Gelderen、Brogaard 所示 等.²² 第二种装置是锥形加热器²³ 配备火花点火器（带有定制样品架）和用于测量O₂的气体分析仪₂, CO₂，以及排气管道中的 CO 浓度²⁴ (图2 和 图3）。这些装置的技术规格在补充文件中有更详细的描述，其中还包括装置的照片。除非另有说明，数据测量（例如， 温度、热通量或气体浓度等参数通过多路复用器和数据记录仪进行数字测量。数据记录仪由数字数据采集程序控制运行。在本方案中，“启动数据记录仪”指根据制造商提供的程序说明，执行启动数据采集所需的所有操作步骤。

结果

图5展示了采用步骤2所述方法对一种轻质原油进行多日蒸发，直至质量损失达到30 wt%的蒸发曲线。该图清楚表明，在蒸发风化第一天（19小时）后，蒸发速率显著降低，因此可在实验过程中按方案所述进行暂停。

图6展示了新鲜Grane原油（一种重质原油）以及蒸发损失为7 wt%的Grane原油的点火延迟时间随锥形加热器入射热流密度的变化关系（步骤7，图2-3）。结果示例性地表明，蒸发后的原油点火延迟时间有所延长。此外，代表临界热流密度的垂直渐近线也随蒸发损失的增加而增大。总体而言，这些结果反映了不同类型原油被点燃时，点火源所需具备的强度及持续暴露时间。采用本文所述实验方案获得的更多结果可参见Van Gelderen, Rojas Alva, e.......

讨论

本文讨论的两种风化方法是对水上溢油所经历的风化过程的一种相对简单的近似¹⁷。其他更为复杂的风化方法也可用于制备风化原油样品，例如Brandvik和Faksness所描述的循环水槽法³⁵。本文所介绍方法的优点在于仅需简单的设备，且可在实验室环境中轻松实施。所得的风化原油样品适用于本实验方案中可燃性及燃烧效率研究的目的，这一点已在“代表性结果”部分得到验证。

该方案的主要局限之一在于锥形装置的水冷系统校准（步骤5）。问题在于目前尚无可用的参考数据 原位 与锥形装置在相同规模和相似条件下进行的燃烧场实验。此外，目前尚无现成可用的传热模型能够在实际中用于确定燃烧原油与其下方流动水层之间的热量平衡。因此，水冷校准必须基于COFA装置的实验数据（步骤4）。如实验方案中所述，校准可针对单一油品进行，也可对每种油品分别进行。在缺乏参考数据或适用传热模型的情况下，无法确定这两种方法中哪一种（如果有的话）能够准确反映热量平衡情况 原位 在水面上燃烧原油。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
DUC 原油	Maersk	N/A	轻质原油，密度 r = 0.853 g/ml，黏度 h = 6.750 mPa·s。
原油	Statoil	N/A	密度为0.925 g/ml、黏度为133.6 mPa·s的重质原油。
SVM 3000 Stabinger黏度计	安东帕	C18IP007EN-P	用于原油及风化原油的黏度和密度测定仪。
Laboshake RO500	Gerhardt	11-0002	用于乳化水油混合物的旋转振荡台
Jebao 造浪泵 RW-4	Jebao	N/A	COFA 装置中使用的推进器（流量为 500-4000 L/h），用于产生水流。
Aquabee UP 3000	Aquabee	UP 3000	用于热通量传感器冷却的水族箱泵
Adventurer 精密电子天平	OHAUS	AX5205	用于COFA实验称量油重的天平，以及锥形装置中定制的锥形样品 holder。
3M 吸油垫	VWR	MMMAHP156	用于收集油类残留物以测定火灾燃烧效率的疏水性吸油垫。
质量损失量热仪	防火测试技术（FTT）	B11325-650-1-1608	使用了定制的圆形支架来测试原油，而非标准的方形样品支架。包含量程高达 100 kW/m 的热通量计2.
34972A 数据采集/数据记录仪开关单元	RS Components Ltd.	702-7958	由是德科技（Keysight Technologies）生产，由是德科技 benchLink 数据记录仪 3 软件操作，配备 20 通道多路复用器。
Keysight Technologies 34901A 20通道多路复用器	RS Components Ltd.	702-7939	由是德科技公司生产。
带波纹管密封的阀门	Swagelok	SS-1GS6MM	切换阀门以打开/关闭自制圆锥形样品 holder 的进水口和出水口，用于圆锥形装置。
Kronos 50 蠕动泵	SEKO	KRFM0210M6000	用于冷却锥形装置定制锥形样品架的蠕动泵。
ARCTIC A28 制冷循环器	赛默飞世尔科技	152-5281	用于冷却流经定制锥形样品架的冷却水的水冷储液槽。包含SC 100浸入式循环冷却控制器。
带管道插入装置的气体分析仪器控制台	防火测试技术（FTT）	B11328-650-1-1609	用于 O 的气体分析仪2, CO2 并使用34972A数据采集/数据记录仪开关单元。
陶瓷 &和不锈钢 2.5 mm 电极	防火测试技术（FTT）	M015-4	来自质量损失量热仪的火花点火器。在COFA装置中用于测量点火时的表面温度。
红外发射模块 M110/348	Heraeus	80046199	基于新型水冷式加热元件支架设计的原始红外加热器。包含两个短波双管辐射器（09751751），由 CB1x25 P 型电源控制器操作。
功率控制器 Heratron	贺利氏	80055836	用于红外加热器的CB1x25 P型功率控制器