Name: 原位燃烧试验方法: 原油可燃性和燃烧效率 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 34 s
Description: 学习原位燃烧试验方法，用于研究原油可燃性和燃烧效率。该方案通过模拟实际操作规模的火灾条件，帮助研究人员量化原油泄漏的点火要求并评估燃烧效率，为溢油应急响应提供科学依据。

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作者感谢丹麦独立研究理事会为本项目提供资助（资助号 DDF - 1335-00282）。COWIfonden 基金会资助了原油可燃性测试装置和气体分析仪（包括风道插入件）的建造。马士基石油公司和挪威国家石油公司提供了用于获得代表性结果的原油样品。所有赞助方均未参与本论文的实验方案设计或结果分析。作者还要感谢 Ulises Rojas Alva 在构建改进型锥形样品 holder 方面提供的协助。

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<li>Bullock, R. J., Aggarwal, S., Perkins, R. A., Schnabel, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scale-up+considerations+for+surface+collecting+agent+assisted+in+situ+burn+crude+oil+spill+response+experiments+in+the+Arctic%3A+Laboratory+to+field-scale+investigations%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Environ.+Manage%22%5BJournal%5D)">Scale-up considerations for surface collecting agent assisted in situ burn crude oil spill response experiments in the Arctic: Laboratory to field-scale investigations.</a> J. Environ. Manage. 190, 266-273 (2017).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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。
<p c...

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5,7,8,9将溢油点燃的实际方法视为一个二元问题，并将油品分为两类 &#34;可燃的&#34; 或 &#34;不可燃&#34; (例如 Brandvik, Fritt-Rasmussen 等.10从基本原理上讲，这种观点是不正确的。理论上，只要有合适的点火源，任何燃料都可以被点燃。因此，量化不同类型原油的点火需求具有重要意义，这有助于更深入地理解哪些原油特性会决定其是否属于易燃类别 &#34;不可燃&#34;因此，该方法可用于研究油品的点火延迟时间随入射热流密度、油品临界热流密度及其热惯性变化的规律。 即 油被加热的难易程度。
在之前的一项研究中，我们假设决定燃烧效率的主要参数是反馈到燃料表面的热量11，而该热量与油池直径相关。该理论基于实验室研究中报道的较低燃烧效率（32–80%）8,12,13 以及大规模研究（油池直径 ≥2 m）中报道的较高燃烧效率（90–99%）14,15,16，解释了燃烧效率对油池尺寸的明显依赖性。本文讨论的方法旨在验证这一理论。通过在恒定外部热通量条件下开展小尺度实验室实验，可在受控的实验室环境中模拟大规模油池火灾中的较高热量反馈。因此，该方法可通过调节外部热通量，有效研究燃烧效率随直径变化的规律。
除了外部热通量以模拟更大尺度的 原位 燃烧操作中，实验装置通过冷水流动对油膜进行冷却，以模拟海流的冷却效应。所讨论的方法还适用于新鲜原油和风化原油。原油风化是指原油入水后经历的一系列物理和化学变化过程，例如挥发性组分的损失以及与水混合形成油包水型乳状液（例如， AMAP17蒸发和乳化是影响原油可燃性的两种主要风化过程18 因此，所述方法中包含了模拟这些风化过程的方案。
在此，我们介绍一种新型实验室方法，该方法可在模拟条件下测定原油的可燃性及燃烧效率 原位 海上燃烧作业。以往关于原油可燃性及燃烧效率的研究采用了相似或不同的方法。研究了新鲜及风化原油在水面上作为外部热通量函数的可燃性19 以及在北极温度下20燃烧效率研究通常集中在固定尺度下不同类型的新鲜和风化原油及其环境条件例如， Fritt-Rasmussen 等.8 贝赫，斯沃姆， 等.21）。据作者所知，最近一项关于利用化学驱油剂围控原油燃烧的研究，是首次在相似条件下针对小规模、中规模和大规模实验研究燃烧效率的工作。13然而，由于开展此类实验需要耗费大量时间和资源，大规模实验难以用于参数化研究。本方法相较于先前研究的主要优势在于，能够在半真实条件下同时研究原油的可燃性与燃烧效率。以往在实践中无法通过简单可重复的实验，针对不同类型的原油以及（模拟的）油池直径，同时对这两个参数进行综合研究。

<table><tbody><tr><td>DUC 原油</td><td>Maersk</td><td>N/A</td><td>轻质原油，密度 r = 0.853 g/ml，黏度 h = 6.750 mPa·s。</td></tr><tr><td>原油</td><td>Statoil</td><td>N/A</td><td>密度为0.925 g/ml、黏度为133.6 mPa·s的重质原油。</td></tr><tr><td>SVM 3000 Stabinger黏度计</td><td>安东帕</td><td>C18IP007EN-P</td><td>用于原油及风化原油的黏度和密度测定仪。</td></tr><tr><td>Laboshake RO500</td><td>Gerhardt</td><td>11-0002</td><td>用于乳化水油混合物的旋转振荡台</td></tr><tr><td>Jebao 造浪泵 RW-4</td><td>Jebao</td><td>N/A</td><td>COFA 装置中使用的推进器（流量为 500-4000 L/h），用于产生水流。</td></tr><tr><td>Aquabee UP 3000</td><td>Aquabee</td><td>UP 3000</td><td>用于热通量传感器冷却的水族箱泵</td></tr><tr><td>Adventurer 精密电子天平</td><td>OHAUS</td><td>AX5205</td><td>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。</td></tr><tr><td>3M 吸油垫</td><td>VWR</td><td>MMMAHP156</td><td>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。</td></tr><tr><td>质量损失量热仪</td><td>防火测试技术（FTT）</td><td>B11325-650-1-1608</td><td>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&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;.</td></tr><tr><td>34972A 数据采集/数据记录仪开关单元</td><td>RS Components Ltd.</td><td>702-7958</td><td>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。</td></tr><tr><td>Keysight Technologies 34901A 20通道多路复用器</td><td>RS Components Ltd.</td><td>702-7939</td><td>由是德科技公司生产。</td></tr><tr><td>带波纹管密封的阀门</td><td>Swagelok</td><td>SS-1GS6MM</td><td>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。</td></tr><tr><td>Kronos 50 蠕动泵</td><td>SEKO</td><td>KRFM0210M6000</td><td>用于冷却锥形装置定制锥形样品架的蠕动泵。</td></tr><tr><td>ARCTIC A28 制冷循环器</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>152-5281</td><td>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。</td></tr><tr><td>带管道插入装置的气体分析仪器控制台</td><td>防火测试技术（FTT）</td><td>B11328-650-1-1609</td><td>用于 O 的气体分析仪&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;, CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 并使用34972A数据采集/数据记录仪开关单元。</td></tr><tr><td>陶瓷 &amp;和不锈钢 2.5 mm 电极</td><td>防火测试技术（FTT）</td><td>M015-4</td><td>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。</td></tr><tr><td>红外发射模块 M110/348</td><td>Heraeus</td><td>80046199</td><td>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。</td></tr><tr><td>功率控制器 Heratron&amp;nbsp;</td><td>贺利氏</td><td>80055836</td><td>用于红外加热器的CB1x25 P型功率控制器</td></tr></tbody></table>

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

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

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。

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...

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。

一种通过两项实验室内研究同时评估原油及风化原油可燃性与燃烧效率的新方法

本实验方法的总体目标是量化并加深理解溢油事故中原油在水面上燃烧的点火需求及其相应的燃烧效率，以服务于溢油应急响应。该方案有助于回答原油溢油原位燃烧中的关键问题，例如点火源所需的强度及其作用时间。此类实验室实验的主要优势在于，能够在模拟实际操作规模的原油火灾条件下，同时研究原油的可燃性与燃烧效率。开始为实验准备油样。使用此塑料容器进行风化过程，其盖子上已钻有孔洞。其侧面还有一个孔，用于安装一根与带孔 O 型圈相连的塑料管。将容器组装好，使空气通过数升新鲜原油，形成气泡。在风化过程中，监测原油的重量，以确定随时间推移的重量百分比损失。当达到所需值时停止，此过程可能需要数天。原油乳化需要使用旋转摇床。首先，将900毫升所需原油与水的混合物剧烈振荡一到两分钟。然后将瓶子置于旋转振荡台上，在室温下搅拌。原油可燃性装置（Crude Oil Flammability Apparatus，简称 COFA）位于通风橱内，它是一个带有进水口和排水口的金属水浴槽。进行测试时，准备一个玻璃圆筒，其高度应为5厘米，直径约为16厘米。将圆筒固定在支架上，并将支架与圆筒置于盆的中央。继续向水槽中注入清水，当水位距离玻璃圆筒边缘1厘米时停止。在水槽壁上安装一个螺旋桨，使其正对玻璃圆筒，并调节其高度。调节其高度和速度，使螺旋桨在圆柱形容器内的水中产生的波浪几乎不可见。关闭螺旋桨，准备油。小心地将油倒入玻璃圆柱形容器内的水面上。接下来，缓慢向盆中加水，当油膜表面低于圆柱边缘1至2毫米时停止加水。启动螺旋桨，并准备计时燃烧过程。使用丁烷手持喷灯点燃原油。记录从点燃到火焰熄灭的时间。火焰熄灭后，使用疏水性吸油垫收集残留的油。在称重吸油垫以测定燃烧效率之前，先将吸油垫上收集到的任何水分抖落。在通风橱下准备好另一套装置以研究可燃性。使用配备快门和火花点火器的锥形加热器。该加热器还配有定制的样品支架。该示意图展示了两者组合时的结构特点。锥形加热器位于金属容器中油膜上方23毫米处。阀门用于调节流经油层下方的冷却水。该示意图展示了加热器和样品支架之外的组件。包括用于控制锥形量热仪温度和火花点火器的控制单元。完整的水系统清晰可见，同时还可以看到用于采集废气样品的气体分析仪。首先加热锥形加热器，使油表面的热通量达到每平方米3至50千瓦。同时，将储液池冷却至预先确定的温度。一切准备就绪后，将水管连接至样品 holder，并使水流通过系统。晃动样品架以去除滞留的空气。当锥体和样品架的温度稳定后，停止泵运行。关闭样品架两侧的阀门，然后断开管路。将样品架移至电子天平并归零。加入室温下的油，使样品架中的油膜厚度相当于10毫米。完成后，重新连接样品架，打开阀门，并重新启动水流。开始数据采集后，小心地将样品架置于锥体下方。准备两个秒表，并将火花点火器移至样品上方。接着，打开锥体快门并启动第一个秒表。当油点燃时，停止第一个秒表

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原位燃烧试验方法: 原油可燃性和燃烧效率

通过质谱法在线分析所有组分，对实验室规模火焰进行气体取样，是研究燃烧过程中复杂化学物质混合物的有力方法。结合同步辐射产生的真空紫外光可调软电离技术，该方法可提供异构体分辨的信息，并有望获得无碎片的质谱图。...

先进光源同步辐射设施中的火焰实验：碳烟形成过程的新见解

我们描述了使用微热电偶来估算稳态层流边界层扩散火焰中的局部温度梯度。通过雷诺类比的扩展，局部温度梯度可进一步用于高精度估算此类火焰中的局部质量燃烧速率和热通量。...

稳态层流边界层扩散火焰中局部热通量和燃烧速率估算的实验方法

运输燃料的氧化稳定性已成为未来燃料开发中的关注问题。本研究介绍了IFP Energies...

评估运输燃料稳定性的原始实验方法

This paper presents an experimental method to produce biofuels and biochemicals from canola oil mixed with a fossil-based feed in the presence of a catalyst at mild temperatures. Gaseous, liquid, and solid products from a reaction unit are quantified and characterized. Conversion and individual product yields are calculated and reported.

Laboratory Production of Biofuels and Biochemicals from a Rapeseed Oil through Catalytic Cracking Conversion

通过燃烧特性表征，建立了一种制备模拟富燃料燃烧废气的方案，并将其应用于微型管状火焰辅助燃料电池的测试与研究。...

微管式火焰辅助燃料电池的燃烧特性表征与模型燃料开发

本文介绍了一种用于实验的装置与方法 原位...

原位 可视化炼油工艺条件下油品样品的相态行为

我们介绍一种基于加压容器内热丝点火的装置及相关方法，用于测量水基乳化炸药发生持续燃烧所需的最低压力。该方法可改进产品的特性表征，从而在泵送和混合操作中更安全地使用此类炸药。...

水基乳化炸药的最低燃烧压力

通过定量物种分布数据的比较，研究了新型生物燃料、燃料组分或航空燃料的氧化燃烧化学。这些数据可用于动力学模型的验证，并支持燃料评估策略。本文描述了常压高温流动反应器，并展示了其功能。...

燃料燃烧化学：利用耦合分子束质谱仪的大气压高温流动反应器获取定量物种数据

本文介绍了一种使用碱性催化剂、安全且由超声辅助的植物油酯交换反应方法。该方法快速高效，适用于制备高纯度生物柴油产品。...

超声辅助制备植物油生物柴油产品

我们介绍一种用于在原位（in-situ）拉锥 As2S3 光纤以实现高效中红外超连续谱产生的方法。通过在监测超连续谱光谱的同时进行拉锥，可使光纤锥形结构的光谱宽度最大化。in-situ...

原位 用于中红外超连续谱产生的硫系光纤拉锥

学习原位燃烧试验方法，用于研究原油可燃性和燃烧效率。该方案通过模拟实际操作规模的火灾条件，帮助研究人员量化原油泄漏的点火要求并评估燃烧效率，为溢油应急响应提供科学依据。

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

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