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

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，停止第一个秒表并启动第二个秒表，然后将点火器移至中性位置。等待火焰完全熄灭后，停止第二个秒表。关闭百叶窗并停止数据采集。

接下来，停止样品 holder 中的水流，关闭阀门，并断开管路。将样品 holder 置于已去皮的天平上，记录其带燃烧残留物的重量。使用挥发性非极性溶剂清洁该 holder。

再次称重以确定残留物质量，从而计算燃烧效率。返回至COFA。将一个玻璃圆筒放置在装置中心的支架上。

接下来，将两个水冷式红外加热器安装在可调节底座上，并置于圆筒两侧。加热器应放置在距离圆筒外缘一至五厘米的位置。向原油可燃性测试装置中注满水。

水位应低于玻璃圆筒边缘1厘米。将一个螺旋桨置于先前确定的高度，正对圆筒。现在，为圆筒准备热电偶。

在支架上安装三个厚度为1毫米的K型热电偶，并将该支架悬置于圆筒上方。调整支架方向，使热电偶沿半径方向排列，且位于圆筒边缘下方1至2毫米处。缓慢向水槽中加水，检查水是否同时接触到各个热电偶，以验证其位置的准确性。

继续操作，排出水，使其液面再次低于圆柱体边缘一厘米。确保火花点火器能够轻松地从中间位置移动到圆柱体中心。开始时将其置于中间位置。

将相当于五毫米厚油膜的原油倒入玻璃圆筒内的水面上。加水至油层刚好与热电偶接触。将火花点火器移至油面上方的指定位置。

同时开始数据采集和计时。打开排风罩、螺旋桨和火花点火器。将红外加热器调至预设功率并开启。

点燃油料后，停止秒表计时。关闭点火器并将其移至中立位置。停止数据采集，并关闭加热器和螺旋桨。

然后，移除热电偶，并使用不可燃覆盖物扑灭火焰。这些数据为点火延迟时间随锥形量热仪入射热通量变化的关系。数据包括新鲜重质原油和经过蒸发处理的重质原油。

垂直渐近线表示临界热通量。该图显示了新鲜轻质原油的放热速率随时间的变化情况，其放热速率曲线呈规律性分布。

将此与乳化轻质原油的燃烧数据进行对比，后者在燃烧结束时发生了沸溢。注意坐标尺度的不同。此处为两种油品——新鲜轻质原油和蒸发后的重质原油——的燃烧效率随入射热通量的变化关系。

数据是使用锥形装置获得的。该装置的数据还可绘制出两种油类的燃烧速率图。此图为原油可燃性装置中两个热电偶测得的表面温度随时间变化的示例。

尖峰表示点火时刻。观看本视频后，您应能充分理解如何在模拟水面原油火灾操作条件的情况下，研究原油的可燃性及燃烧效率。一旦掌握，若操作得当，各项实验程序每次可在20至60分钟内完成。

在进行该实验操作时，需要牢记，尽管实验装置的设计旨在模拟实际操作规模的条件，但实验仍是在受控的实验室环境中进行的，因此应相应地解读实验结果。在完成该操作流程后，可向实验装置中引入其他影响因素，如风力和波浪，以进一步提高实验相对于真实原位燃烧作业的代表性。切勿忘记，使用明火和原油具有极高的危险性，在执行该操作时，必须始终采取必要的安全预防措施，例如佩戴个人防护装备、使用合适的排风罩，并确保可燃物得到妥善防护。