Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Eksperimentel Procedure for laboratorieundersøgelser af In Situ brændende: brændbarhed og brændende effektivitet af råolie

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57307
Automatic Translation
1, 1,2
1Department of Civil Engineering, Technical University of Denmark, 2School of Engineering, BRE Centre for Fire Safety Engineering, University of Edinburgh

Summary

Vi præsenterer her, en protokol for at samtidig studere brændbarhed og brændende effektivitet af friske og forvitret råolie under forhold der simulerer i situ brændende operationer på havet.

Abstract

En ny metode til den samtidige undersøgelse af brændbarhed og brændende effektivitet af friske og forvitret råolie gennem to forsøgslaboratorium opsætninger er præsenteret. Forsøgene er let gentagelig i forhold til operationelle skala eksperimenter (pool diameter ≥2 m), mens stadig byder ganske realistisk i situ brændende betingelser af råolie på vand. Eksperimentelle betingelser omfatter en strømmende vand sub lag, der køler olieforureningen og en ekstern varme flux (op til 50 kW/m2), der simulerer den højere varme feedback til brændstof overfladen i operationelle skala råolie pool brande. Disse betingelser aktiverer en kontrolleret laboratorium studiet af råolie pool brande, der svarer til operationelle skala eksperimenter brændende effektivitet. Metoden giver også kvantitative data om krav til øjeblik råolier i den kritiske varme flux, tænding forsinkelsestid som en funktion af den hændelse varme flux, overfladetemperatur på tænding og den termiske inerti. Denne type data kan bruges til at bestemme den nødvendige styrke og varighed af en tændkilde at antænde en bestemt type af friske eller forvitret råolie. Den største begrænsning af metoden er at den kølende effekt af den strømmende vand sub lag på den brændende olie, som en funktion af eksterne varme flux ikke er blevet fuldt tal. Eksperimentelle resultater viste tydeligt at det strømmende vand sub lag forbedrer repræsentativitet denne opsætning er i situ brændende betingelser, men hvorvidt denne repræsentation er nøjagtig er i øjeblikket usikker. Metoden har alligevel den mest realistiske i situ brændende laboratorieforhold i øjeblikket tilgængelig for samtidig studerer brændbarhed og brændende effektivitet af råolie på vand.

Introduction

In situ afbrænding af spildt olie på vand er en marine oil spill svar metode, der fjerner den spildte olie fra vandoverfladen ved at brænde det og konvertere det til sod og gasformige forbrændingsprodukter. Denne reaktion metode blev anvendt med succes under Exxon Valdez1 og Deepwater Horizon2 olieudslip og er regelmæssigt nævnt som en potentiel olie spild svar metode for arktiske3,4,5 ,6. To af de vigtigste parametre, der bestemmer, om i situ afbrænding af olie vil blive en succes som et olieudslip svar metode er brændbarhed og brændende effektiviteten af olien. Den første parameter, antændelighed, beskriver hvordan let brændstof kan antændes og kan føre til flamme spredning over brændstof overfladen føre til en fuldt udviklet brand. Det andet parameter, brændende effektivitet, udtrykker mængden af olie (i wt %), der er effektivt fjernet fra vandoverfladen ved ilden. Det er således relevant at forstå brændbarhed og forventede brændende effektiviteten af forskellige råolier under i situ brændende betingelser.

Antændelse af olie slicks på vand for i situ brændende formål er almindeligt behandles som et praktisk problem, med kvalitative diskussioner på tænding systemer5,7,8,9. Den praktiske tilgang til antændelse af spildt olie som en binær problem, og mærkning olier enten "ignitable" eller "ikke ignitable" (f.eks. Brandvik, Fritt-Rasmussen, mfl. 10) er imidlertid forkert fra et grundlæggende synspunkt. I teorien kan enhver brændstof være antændt givet en passende tændkilde. Det er derfor relevant at kvantificere tænding krav for en lang række forskellige råolie typer til bedre at forstå egenskaberne af en råolie, der vil mærke det som "ikke ignitable". Til dette formål, kan den udviklede metode bruges til at studere tænding forsinkelsestiden for en olie, som en funktion af den hændelse varme flux, kritiske varme flux af olien og sin termiske inerti, dvs hvor svært det er at opvarme olien.

I en tidligere undersøgelse postuleret vi, at den vigtigste parameter, der regulerer den brændende effektivitet er den varme feedback til brændstof overflade11, som er en funktion af pool diameter. Teorien forklarer tilsyneladende pool størrelse afhængighed af den brændende effektivitet baseret på laboratorieundersøgelser rapportering lav brændende effektivitetsfordele (32-80%)8,12,13 og store skala undersøgelser (pool diameter ≥2 m) rapportering høj brændende effektivitetsfordele (90-99%)14,15,16. Den metode beskrevet heri var designet til at teste den foreslåede teori. Ved at underkaste små laboratorieforsøg en konstant eksterne varme flux, kan højere varme feedback for storstilet pool brande simuleres under kontrollerede laboratorieforhold. Som sådan, den udviklede metode giver mulighed for at studere den brændende effektivitet effektivt som en funktion af diameteren af varierende eksterne varme flux.

Ud over en ekstern varme flux til at simulere en større målestok af in situ brændende operationer, funktionen eksperimentelle opsætninger afkøling af olieforureningen et koldt vand flow, simulerer den kølende effekt af det nuværende havet. Den omtalte metode er endvidere kompatibel med både frisk og forvitret råolier. Forvitring af råolie beskriver den fysiske og kemiske proces, der påvirker en råolie, når det er spildt på vand, såsom tab af sin flygtige komponenter og blande med vand til form vand-i-olie emulsioner (fx AMAP17). Fordampning og emulgering er to af de vigtigste forvitring processer, der påvirker antændelighed råolier18 og protokoller til simulering af disse forvitring processer indgår derfor i den omtalte metode.

Heri, præsenterer vi en roman laboratoriemetode, der bestemmer den brændbarhed og brændende effektivitet af råolie under forhold der simulerer i situ brændende operationer på havet. Tidligere undersøgelser på brændbarhed og brændende effektivitet af råolier featured sammenlignelige og forskellige metoder. Brændbarhed af friske og forvitret råolier som en funktion af en ekstern varme flux var studerede på vand19 og under arktiske temperaturer20. Brændende effektivitet undersøgelser typisk fokusere på forskellige typer af friske og forvitret rå olier og miljøforhold på en fast skala (fx Fritt-Rasmussen, mfl. 8Bech, Sveum, mfl. 21). en nylig undersøgelse på afbrænding af råolier indeholdt af kemiske hyrder er kendskab til forfatterne, først til at studere den brændende effektivitet for små, mellemliggende, og stor skala eksperimenter under lignende forhold13. Stor skala eksperimenter er imidlertid ikke let tilgængelige for parametrisk undersøgelser på grund af den omfattende mængde af tid og ressourcer, der kræves for at gennemføre sådanne eksperimenter. Den største fordel ved metoden præsenteres over de tidligere nævnte undersøgelser er, at det giver mulighed for samtidig at studere både brændbarhed og brændende effektivitet af råolie semi-realistiske betingelser. Kombinationen af at studere disse to parametre for råolier som en funktion af både forskellige olie typer og de (simulerede) pool diameter gennem let gentagelig eksperimenter var tidligere uigennemførlige i praksis.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Denne protokol gør brug af to forskellige eksperimentelle opsætninger, der bruges i trin 4-8, som vist i de medfølgende skemaer. Den første opsætning er den råolie antændelighed apparater (COFA) (figur 1 og figur 4), som er en 1,0 × 1,0 × 0,50 m3 metal vandbassin designet til at føre lille skala i situ afbrænding af råolie eksperimenter, som vist for eksempel i Van Gelderen, Brogaard, mfl. 22 den anden installation er en kegle varmelegeme23 med en gnist tændsats, der byder på et specialfremstillet prøveholderen og en gas analysator, der måler O2, CO2, og CO-koncentrationer i udstødningen duct24 (figur 2 og Figur 3). De tekniske specifikationer for disse opsætninger er beskrevet i flere detaljer i det supplerende dokument, som også omfatter fotografier af opstillingerne. Medmindre andet er angivet, måles data målinger (fx temperaturer, varme strømme eller gaskoncentrationerne) digitalt gennem en multiplexer og data logger. Dataloggere drives med en digital data erhvervelse program. I protokollen omfatter udtrykket "start datalogger" alle handlinger på grundlag af programvejledningen, som leveres af producenten, der skal starte erhvervelse af data.

1. generelle håndtering af råolie

  1. For hver ny olie, der vil blive undersøgt, tage en 5 mL prøve og måle dens tæthed og viskositet ved 25 ° C i en viskosimeter. Gemme resten af olien på 5-10 ° C i et lukket glasflaske indtil videre brug.
    Forsigtighed: Frisk råolie er meget brandfarlige og både råolie og dens dampe udgør en moderat til høj sundhedsfare. Det er endvidere vanskeligt at ren fra huden eller øjnene med ikke-farlige kemikalier såsom sæbe. Bære beskyttelsesbriller og handsker ved håndtering af råolie og arbejde i et godt ventileret område.
  2. I starten af hver test session, tage de råolier, som vil blive testet af den afkølede (5-10 ° C) opbevaring. Omrystes hver oliebeholder, i hånden i 1-2 min og lad dem varme op til stuetemperatur før gennemføre eksperimenter. Returnere råolier til nedkølet lagring mellem test sessioner.
  3. Rengør alle flader ved et uheld med råolie ved hjælp af en flygtig ikke-polære opløsningsmidler (e.g.,n-heptan).

2. fordampning forvitring af råolie af boblende trykluft gennem olien

Bemærk: Dette trin er baseret på Stiver og Mackay25 og Buist, Potter, mfl. 26

  1. Bore en række huller (fxseks med en diameter (D) på 5 mm) jævnt fordelt i låget af en plast beholder med 5-10 L og bore et enkelt hul (f.eks.D = 8-10 mm) i en af siderne af container nær dens øverste kant.
  2. Gøre en O-ring (ca D = 20 cm) med en vedhæftet åbne forbindelsen ud af plastik rør med en indvendig diameter (I.D.) 4-6 mm og bore en række huller (fx, seks med D = 1 mm) jævnt fordelt langs den ene side af o-ringen.
    Bemærk: Prøv at udligne den lodrette placering af huller i låget fra huller i O-ring til at minimere mængden af råolie bliver blæst ud af beholderen.
  3. Tilsluttes et plastik rør (fx I.D. for 4-8 mm), der går gennem side hul af den plastikbeholder o-ringen. Dette rør vil blive forbundet til en trykluft system med en regulering ventil og en trykmåler.
  4. Vejer låget og plastikbeholder med plast O-ring separat og registrere deres vægt.
  5. Vejer 2-4 L af råolie (baseret på dens tæthed) i beholderen og registrerer vægten.
  6. Placer beholder under et stinkskab og Tilslut O-ring til trykluft. Boble luft gennem olien ved et tryk, der er så højt som muligt (fx 200 kPa) uden blæser olie gennem huller i låget af beholderen.
  7. Vejer olien ved begyndelsen og slutningen af hver arbejdsdag til at overvåge når den ønskede fordampningsemissioner forvitring stat (i wt % tabte) er nået (f.eks. 20 wt % tabte i forhold til den oprindelige vægt). Dette kan tage fra den ene dag til over en uge af kontinuerlig boblende, afhængig af type og luft olietryk. Hver mellemliggende vægtmåling bruges til at etablere en fordampning kurve som en funktion af tiden, som hjælper med at forudsige den nødvendige fordampning tid at nå den ønskede fordampningsemissioner forvitring tilstand.
    Bemærk: Efter den første dag, råolie kan typisk stå i stinkskab i flere dage (f.eks. i weekenden) uden at miste nogen betydelig mængde af masse, når den trykluft er lukket.
  8. Når fordampningen af råolie er færdig, tage en 5 mL prøve af olien og måle dens tæthed og viskositet ved 25 ° C i en viskosimeter. Gemme resten af olien på 5-10 ° C i et lukket glasflaske til yderligere brug. Ren beholder, låg og O-ring med en flygtige upolære opløsningsmidler til at fjerne enhver råolie resterne.

3. emulgering af råolie ved hjælp af en roterende ryster tabel

Bemærk: Denne del af protokollen er blevet ændret fra Daling, M., et al. 27

  1. Tilføje ialt 900 mL af råolie og fersk eller salt vandblanding til en 1 L glasflaske, med mængden vand, der matcher den ønskede vol % i emulsion. For eksempel består en emulsion med 40 vol % vandindhold af 540 mL af råolie og 360 mL vand. Det tilrådes at bruge fordampet råolie, snarere end frisk olie, mere præcist præsentere forvitring processer af spildt olie på åbent vand og skabe mere stabile emulsioner.
    Bemærk: Det er vigtigt, at flasken ikke fuldt udfyldt så at der er ledig plads for turbulent blanding af olie og vand.
  2. Ryst vand-olie blanding i hånden i 1-2 min. Derefter placere glasflaske på en rystende Drejebordet og vand-olie blandingen omrøres på 175 rpm i 20 timer ved stuetemperatur.
    Bemærk: For at undgå problemer med adskillelse af vandet lag fra emulsion, udføre eksperimenter med emulsionen på samme dag som når 20 h rystende periode er afsluttet.
  3. Tage en 5 mL prøve af emulsion efter 20 h ryster periode og måle dens tæthed og viskositet ved 25 ° C i en viskosimeter.
  4. Hvis emulsion er ustabil (se nedenfor), placere emulsionen tilbage på rotary ryster tabel og konstant ryste emulsionen på 175 rpm mellem eksperimenter. Manuelt stop rotary ryster tabel ved starten af hvert eksperiment, tage den nødvendige mængde af emulsion (skridt 7,5), og derefter returnere den til rotary ryster tabel. Når alle eksperimenter er blevet udført med emulsionen, stoppe rotary ryster tabel og gemme emulsionen i afkølet (5-10 ° C) opbevaring.
  5. Hvis emulsion er stabil, fjerne emulsionen fra ryster Drejebordet og lad den hvile ved stuetemperatur. Ryst emulsion kraftigt i 1-2 min i hånden før at tage den nødvendige mængde af olie til hvert eksperiment. Når alle eksperimenter er blevet udført med emulsionen, gemme den afkølede (5-10 ° C) opbevaring.
    NOTE: Med henblik på denne protokol, ustabile emulsioner defineres som emulsioner, der danner et tydeligt synligt vand lag med flere timer, altså inden udgangen af en typisk arbejdsdag.

4. reference in Situ brændende eksperimenter i COFA (figur 1) for kalibrering af vandkøling i opsætningen af kegle

  1. Placer en 5 cm høj Pyrex glas cylinder og en I.D. 16,3 cm (ydre diameter på 16,9 cm) på et stativ, med en samlet højde på 35-45 cm, i midten af COFA. Form af indehaveren er irrelevant, så længe det giver mulighed for en fri strøm af vand under området omfattet af Pyrex glas cylinder. Fyld COFA med frisk vand (340-440 L), så vandstanden er 1 cm under kanten af Pyrex glas cylinder.
  2. Placer en propel på en af siderne af COFA direkte ud mod Pyrex glas cylinder. Drej på skruen og justere den lodrette højde og flyde så at bølgerne er lige netop der kan iagttages i vandet inde Pyrex glas cylinder. Registrere den lodrette højde og flow holdning (fx, 1.000 L/h) og slå propellen før du fortsætter til protokollen.
    BEMÆRKNING: Skruen bruges til at oprette en aktuel i vandområdet, der effektivt køler vandet lag under den brændende olie for at forhindre boilover fænomen28,29. Oprindeligt fastsatte flow og lodrette højde af propellen kan ikke forårsage tilstrækkelig afkøling af vandet sub lag, og en boilover derefter stadig opstår.
    Forsigtig: En boilover er en eksplosiv brændende stat med en betydeligt øget flamme højde forbrændingshastighed og varme frigivelse sats under hvilken olie dråber er at blive skubbet ud fra brand29,30,31. Sikre, at enhver sårbare udstyr er beskyttet (f.eks.med aluminiumsfolie) og holde personale og udstyr i en passende afstand fra ilden.
  3. Veje en mængde olie svarende til en 5 mm tyk olieforureningen i Pyrex glas cylinder (dvs., baseret på tætheden og en volumen på 104 mL) i en aluminium parabol.
  4. Hæld råolie på vandet inde Pyrex glas cylinder. Pas på ikke at spilde olie uden for bunden af cylinderen ved at hælde olie for hurtigt. Vejer aluminium skålen igen og registrere den faktiske vægt af rå olie hældes inde i Pyrex glas cylinder.
  5. Tilsættes langsomt vand til COFA, indtil overfladen af olieforureningen er 1-2 mm under kanten af Pyrex glas cylinder. Denne højdeforskel er vigtigt at forhindre olien fra overfyldte ved tænding.
  6. Tænd udstødning hood og propellen. Derefter antændes råolie ved hjælp af en butan hånd fakkel og måle den brændende tid fra øjeblikket af tænding til tidspunktet for slukning med et stopur.
  7. Når branden slukkes naturligt, indsamle olien resterende på vandoverfladen (kendt som brænde restkoncentrationer) ved hjælp af hydrofobe absorption puder med en kendt vægt. Ryste enhver indsamlede vand før vejning puder Bestem residuum vægt. Den brændende effektivitet beregnes derefter ved hjælp af Eq. (1) og den brændende sats beregnes ved at dividere forskellen på oprindelige masse og restkoncentrationer massen af den brændende tid (i sekunder).
    Equation 1(1)
  8. I tilfælde hvor ilden resulterer i en boilover, Gentag protokol trin 4 af dræne vand fra COFA indtil vandoverfladen er igen en centimeter under Pyrex glas cylinder kant. Rent kanten af Pyrex glas cylinder med en flygtig, ikke-polære opløsningsmidler. Derefter reducere den lodrette afstand mellem propellen og Pyrex glas cylinder og/eller øge flow holdning af propellen og Gentag protokol trin 4.3 til 4,8.
  9. I tilfælde af ilden ikke stopper med en boilover, skal du bruge beregnede brændende effektivitet og brændende sats i trin 4.7 for at kalibrere vandkøling i opsætningen af kegle.

5. kalibrering af vandkøling for kegle Setup (figur 2 og figur 3).

  1. Punktere en fleksibel plastrør (4 mm I.D.) på en centimeter fra sin slutter med en 1 mm tyk K-Type termoelement så at termoelement perle er suspenderet frit inde i røret. Fix termoelement med polytetrafluorethylen (PTFE) tape og aluminium tape til at sikre, at termoelement ikke bevæger sig og at vandet ikke sive fra punktering. Tilslut termoelement til en datalogger.
    1. Gentag trin 5.1 for et rør med en rustfrit stål rør adapter og indsætte termoelement direkte under tube adapter.
  2. Placere og lave de første plastikrør med sin afslutning med termoelement så langt til bunden af den afkøling reservoir som muligt. Tilslut anden enden af røret til indgang i en peristaltisk pumpe med et justerbart flow hastighed.
  3. Tilsluttes stikkontakt i den peristaltiske pumpe en nye plastikrør og Tilslut anden enden af dette plastikrør til en rustfrit stål rør adapter. Tilsluttes en bælg-forseglet ventil rør adapter og tilslutte bælge-forseglet ventilen til prøveholderen kegle. Sikre, at forbindelserne ikke lækker vand ved hjælp af PTFE tape mellem forbindelserne, når det er nødvendigt.
  4. Tilslut anden siden af kegle prøveholderen til en bælg-forseglet ventil, som er derefter forbundet til rør adapter tube med et termoelement nedenfor adapteren. Anden enden af dette rør er placeret og fast i toppen af den afkøling reservoir, så det outflowing vand tilbage til afkøling reservoiret.
    Bemærk: Sørg for, at inlet tube og outlet rør har tilstrækkelig fysisk afstand i reservoiret, opvarmet vand ikke er direkte recirkuleres, men får lov til at køle i reservoiret før recirkulerende.
  5. Sted prøveholderen med de tilsluttede rør under kegle varmelegeme. Justere højden af indehaveren, så den ydre kant er 23 mm fra bunden af kegle varmelegeme. Sørg for at rørene er tilstrækkelig lang, så prøveholderen kan nemt placeres under den kegle varmer, når prøveholderen indeholder råolie.
  6. Fyld køling reservoiret med demineraliseret vand og afkøles vandet til en valgte temperatur (f.eks.,12 ° C). Åbne bælge-forseglet ventiler og starte vandstrømmen gennem prøveholderen en valgte flow (f.eks. 7 L/h). Ryst indehaveren for at fjerne enhver resterende luft fra indehaveren, så indehaveren bliver helt fyldt med vand.
  7. Start datalogger og løbende overvåge temperaturen i den inden- og outflowing vand. Stoppe pumpen når outflowing vandtemperaturen har stabiliseret (dette er typisk et par grader over den fastsatte reservoir temperatur), lukker ventilerne bælge-forseglet, og tænd udstødning hood.
  8. Placer prøveholderen på skalæn belastning og Tara-skalaen. Tilføje et beløb af olie til prøveholderen, der svarer til en behændig tykkelse 10 mm (dvs., baseret på tætheden og en volumen på 95 mL). Derefter åbne bælge-forseglet ventiler og starte pumpen igen.
  9. Placer prøveholderen omhyggeligt under kegle varmelegeme og antænde olie med en butan hånd fakkel. Måle den brændende tid fra øjeblikket af tænding til tidspunktet for slukning med et stopur.
    Advarsel: Da afbrænding olier, der indeholder vand, enten naturligt eller på grund af emulgering, kan en boilover opstå under afbrænding (Se også trin 4).
  10. Efter branden er slukket, stop pumpen, lukker ventilerne, afbryde rør og placere prøveholderen på en tareret skala. Registrere vægten af indehaveren herunder brænde rester.
  11. Ren enhver forbrændte olierester fra holderen med en flygtige upolære opløsningsmidler. Veje den rensede indehaveren igen for at bestemme restkoncentrationer vægt. Derefter beregne den brændende effektivitet og brændende tid som beskrevet i trin 4.7.
  12. I tilfælde af brændende effektivitet og brændende sats svarer til resultaterne fra protokollen trin 4, vandets temperatur og flow er nu kalibreret og kan bruges i det følgende protokol skridt. I tilfælde af brændende effektivitet og forbrændingshastighed ikke passer resultaterne fra protokollen trin 4, skal du vælge en ny reservoir temperatur og/eller nye flow i overensstemmelse hermed. Tilslut rør til prøveholderen, åbner ventilerne, starter pumpen, ryste indehaveren for at fjerne enhver luft, og Gentag derefter trin 5.7-5.12.
    Bemærk: Det kan ikke være muligt at matche både den brændende effektivitet og Forbrændingshastigheden. Med henblik på den beskrevne protokol, den brændende effektivitet er vigtigere og skal matches så præcist som muligt. Når du tester flere olier, kan vandtemperatur og flow kalibreres for enten en olie eller for hver olie individuelt. Mens kalibrering vandtemperatur og flow for hver olie individuelt kan simulere olien brænder på vand mere præcist, tænding forsinkelse tid resultaterne af forskellige olier (trin 6) kan være mere let sammenlignet når ved hjælp af en fast vand temperatur og flow for hver eksperiment.

6. kalibrering af den kegle varmer (figur 2-3).

  1. Kalibrere sammenhængen mellem temperaturen i kegle varmelegeme og den varme flux output bruger en vandkølet varme flux måle med en maksimal kapacitet på 100 kW/m2.
    1. Placere et akvarium pumpe i en spand og fyld spanden med koldt vand fra hanen, så pumpen er fuldt neddykket.
    2. Tilsluttes varme flux gauge med et plastikrør akvariet pumpe. Tilslut en anden plast rør til varme flux gauge og løse anden enden af røret inde i spanden, lidt over vandoverfladen, således at vand, der flyder ud af røret kan observeres let. Drej på pumpen og sikre, at en lind strøm af vand strømmer gennem den varme flux gauge.
    3. Tænd udstødning hood og varme op kegle til 200 ° C. Placer den varme flux gauge (opad) 25 mm under midten af kegle og tilsluttes datalogger varme flux gauge. Start datalogger, åbne skodderne, og måle varme flux til 5-10 min, indtil en stabil varme flux læsning er erhvervet, derefter stoppe dataopsamling og lukke skodder.
    4. Gentag trin 6.1.3 ved kegle temperaturer på 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 og 800 ° C.
  2. Bestemme de kegle temperaturer, der svarer til varme strømme af 3-50 kW/m2 ved hjælp af de målte datapunkter og antages en lineær korrelation mellem datapunkter.

7. antændelighed eksperimenter af råolie i kegle Setup (figur 2-3)

  1. I begyndelsen af hver test session, check med den varme flux gauge om kegle temperatur svarer til en varme flux af 10 kW/m2 stadig giver den korrekte læsning (±5%). Hvis ja, gå videre med protokollen. Hvis ikke, Gentag trin 6, før du fortsætter.
  2. I begyndelsen af hver test session, tænde udstødning hood, Tænd gas analysator og kalibrere gas analysator ifølge specifikationerne af fabrikanten.
  3. Sikre, at når prøveholderen placeres under en kegle, der er en afstand af 23 mm mellem bunden af kegle og den ydre kant af indehaveren.
  4. Varme op kegle til en temperatur, svarende til en varme flux af 5 kW/m2.
    1. I mellemtiden, køligt vandreservoir til temperaturen fundet i trin 5, tilsluttes prøveholderen vandrør, åbne ventilerne og starte pumpe på strømmen fundet i trin 5. Ryst prøveholderen for at fjerne luft fanget inde indehaveren. Starte datalogger og overvåge vandets temperatur, indtil den outflowing vandtemperaturen er stabiliseret.
    2. Når både kegle og prøveholderen stabilisere sig på deres respektive sæt temperaturer, stop pumpen, lukker ventiler af prøveholderen og afbryde rørene fra ventilerne.
  5. Placer prøveholderen på skalæn belastning og Tara-skalaen. Tilføje et beløb af olie ved stuetemperatur til prøveholderen, der svarer til en behændig tykkelse 10 mm (dvs. baseret på tætheden og en volumen på 95 mL). Derefter Tilslut rør, åbne bælge-forseglet ventiler og starte pumpen igen.
  6. Start datalogger til gas analysator til måling af O2, CO2og CO-koncentrationer i roeggassen og temperatur i - og out-routing - flowing vand.
  7. Omhyggeligt placere prøveholderen under kegle og klar to stopure. Flytte gnist tænding i position over prøven. Derefter åbne skodderne og starter den første stopur.
  8. Ved antændelse af olien, samtidig stop den første stopur og starter den anden stopur. Derefter flytte gnist tændsats tilbage ind i sin neutrale position væk fra den brændende prøve.
    1. Hvis olien ikke antændes inden for 10 min, stop den første stopur og flytte gnist tændsats tilbage i sin neutrale position. Derefter antændes olien ved hjælp af en butan hånd fakkel og starter den anden stopur.
      Advarsel: Da afbrænding olier, der indeholder vand, kan enten naturligt eller på grund af emulgering, en boilover opstå under den brændende (trin 4).
  9. Efter branden er slukket, stop den anden stopur, lukker skodderne og stoppe dataopsamling gas analysator og køling vandtemperaturer. Så stopper pumpen, lukker ventilerne, afbryde rør og placere prøveholderen på en tareret skala. Registrere vægten af indehaveren herunder brænde rester.
  10. Ren indehaveren fra enhver forbrændte olierester med en flygtige upolære opløsningsmidler. Veje den rensede indehaveren igen for at bestemme restkoncentrationer vægt. Derefter beregne den brændende effektivitet og brændende tid som beskrevet i trin 4.7.
  11. Hver olie, der skal testes, Gentag trin 7,4-7.10 for varme strømme af 10, 20, 30, 40 og 50 kW/m2. Fjern eventuelle sod deponeret på kegle varmelegeme coil efter hvert forsøg.
    1. For at oprette den krævede varme flux behov for piloted tænding, dvs den kritiske varme flux, kan det være nødvendigt at teste yderligere varme strømme. Gentag trin 7,4-7.10 for varme strømme sænket 1 kW/m2 ad gangen fra den laveste varme flux på hvilke piloted tænding opstod før en varme flux er testet som piloted tænding ikke er observeret i 10 min. Den kritiske varme flux findes derefter inden for en 1 kW/m2 øverste række af denne varme flux.
      Forsigtig: Meget flygtige rå olier kan antænde spontant, hvornår underkastes meget høj varme fluxe (≥40 kW/m2), selv når skodder af kegle vandvarmer er lukket.

8. Overfladetemperaturen på tænding eksperimenter af råolie i COFA Setup (figur 4).

  1. Placer en 5-cm høj Pyrex glas cylinder med en I.D. 16,3 cm (OD 16,9 cm) på et stativ, med en samlet højde på 35-45 cm, i midten af COFA (figur 1). Placer to infrarøde (IR) varmeapparater monteret på justerbare rustfrit stål footings på to modsatte sider af Pyrex glas cylinder på en vandret afstand på mindst 5 cm fra yderkanten af cylinderen.
    Bemærk: Den præcise specifikationer og dimensioner af IR varmeapparater er irrelevant så længe de kan give en tilstrækkelig høj varme flux til olie overfladen til at antænde råolier, som typisk kræver 5-20 kW/m2 for tænding. En minimal effekt på 1 kW og minimum varmelegeme bredde 17 cm anbefales. Enhver kølesystemer af IR varmeapparater, såsom air fans, bør desuden ikke interagere med olieforureningen under eksperimentet.
  2. For at måle overfladetemperatur ved tænding af en råolie, en hændelse varme flux af 2-5 kW/m2 højere end dens kritiske varme flux (trin 7.11.1) tilrådes.
    1. Forberede en 100 kW/m2 varme flux gauge ifølge trin 6.1.1-6.1.2 og tilsluttes en datalogger varme flux gauge. Sted den varme flux gauge midt i Pyrex glas cylinder, vender opad, i en højde på 1-2 mm under overkanten af cylinderen. Det vandrette område i denne højde inde Pyrex glas cylinder herfra omtales som "det vandrette plan". Denne vandrette plan svarer til overfladen af en olieforurening inde i Pyrex glas cylinder.
      Bemærk: Sikre, at den varme flux gauge kan frit flyttes i det vandrette plan så at det kan måle den hændelse varme flux på forskellige adresser i det vandrette plan. Pyrex glas cylinder kun fungerer som en visuel støtte til korrekt markedsføring varme flux måle vandret plan, så eventuelt Pyrex cylinder kan blive fjernet under trin 8.2.
    2. Start datalogger, slå IR varmeapparater og overvåge hændelse varme flux midt i det vandrette plan. Tune hændelse varme flux til det vandrette plan ved at justere den rumlige placering af IR varmeapparater (højde, vinkel og vandrette afstand fra det vandrette plan) og deres power output procentdel, indtil den ønskede hændelse varme flux er opnået.
    3. Måle hændelse varme flux på yderkanten af det vandrette plan. På alle steder bør den hændelse varme flux 2-5 kW/m2 højere end den kritiske varme flux af den olie, der bliver testet. Justere placeringen og power output procentdel af IR varmeapparater ifølge det foregående trin, hvis det er nødvendigt.
    4. Efter hver justering af placering og power output af IR varmeapparater, måle hændelse varme flux til det vandrette plan som centrum og de ydre kanter.
    5. Gentag trin 8.2.2-8.2.5, indtil den målte hændelse varme flux overalt i det vandrette plan er 2-5 kW/m2 højere end den kritiske varme flux af den valgte olie. Derefter slå IR varmeapparater og fjerne den varme flux gauge. Placer Pyrex glas cylinder tilbage på sin stand, hvis nødvendigt.
  3. Fyld COFA med frisk vand (340-440 L), så vandstanden er én centimeter under kanten af Pyrex glas cylinder. Placer en propel på en af siderne af COFA direkte ud mod Pyrex glas cylinder på højden fundet i trin 4.
  4. Placere og fastsætte et sæt af tre 1 mm tyk K-Type termoelementer på 1-2 mm under kanten af Pyrex glas cylinder. Arranger termoelementer, så de måler langs radius af cylinderen, med en afstand på omkring 1-2 cm mellem hver termoelement. Tilslut termoelementer til en datalogger.
  5. Vedhæfte en gnist tændsats med en metal klemme til en metalstang på et metal stativ, der står i COFA. Placer standeren, så tændsats let kan flyttes fra en neutral position til en position 2-3 cm over centrale område af Pyrex glas Cylinder og tilbage til sin neutrale position igen.
  6. Veje en mængde olie svarende til en 5 mm tyk olieforureningen i Pyrex glas cylinder (dvs. baseret på tætheden og en volumen på 104 mL) i en aluminium parabol.
  7. Hæld råolie på vandet inde Pyrex glas cylinder. Pas på ikke at spilde olie uden for bunden af cylinderen ved at hælde olie for hurtigt. Vejer aluminium skålen igen og registrere den faktiske vægt af rå olie hældes inde i Pyrex glas cylinder.
  8. Tilsættes langsomt vand til COFA, indtil overfladen af olien bare kommer i kontakt med de tre termoelementer. Flytte gnist Tændsats til sin holdning over for olie.
  9. Starte datalogger og et stopur i sync, så hver anden svarer til en specifik scanning nummer. Tænde udstødning hætte, propellen og gnist tænding. Slå IR varmeapparater og indstille power output til den procentsats, der er fundet i trin 8.2.
  10. Ved antændelse af olien, stop stopur og data loggeren, slukke gnist tænding, og flytte det til sin neutrale position og slukke IR varmeapparater og propellen. Derefter slukke ilden ved at omhyggeligt placere et ikke-brændbart dække over Pyrex glas cylinder. Slukning af brand kan kræve termoelementer skal flyttes væk først.
  11. Indsamle og bortskaffe råolie med hydrofobe absorption puder. Dræn vand fra COFA, indtil vandstanden er lav nok til at måle den hændelse varme flux til det vandrette plan igen med en varme flux gauge. Ren Pyrex glas cylinder med en flygtige upolære opløsningsmidler.
  12. Plot temperaturen i de tre termoelementer som en funktion af scan antallet. Baseret på tid på stopuret, tilsvarende scan antallet og plottet graf, bestemme overfladetemperaturen ved antændelse af den testede råolie.
  13. For hver ekstra olie, der bliver testet, Gentag skridt 8,2-8.12.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 viser fordampning kurven af en light råolie, der var fordampet over flere dage til et tab af 30 wt % ved hjælp af metoden beskrevet i trin 2. Figuren viser klart, at efter den første dag (19 h) af fordampningsemissioner vejrlig, er fordampning satsen reduceret betydeligt, hvilket giver mulighed for pauser, som nævnt i protokollen.

Figur 6 viser tænding forsinkelsestid som en funktion af den hændelse varme flux fra kegle varmelegeme (trin 7, figur 2-3) for friske Grane (en svær råolie) og fordampet Grane med tab af 7 wt %. Resultaterne give et eksempel på øget tænding forsinkelsestiderne for fordampet råolier. Derudover øger den kritiske varme flux, repræsenteret ved de lodrette asymptoter, også som en funktion af de fordampningstabet. Samlet set giver disse resultater et indtryk af styrken og eksponering varighed en tændkilde skal have for at antænde disse forskellige former for råolier. Yderligere resultaterne med protokollen beskrevet heri kan findes i Van Gelderen, Rojas Alva, mfl. 32

En mere typisk præsentation af forsinkelsestiden tænding som en funktion af den hændelse varme flux er vist i figur 7. Råolie slicks typisk opfører sig som termisk tykke materialer og tænding delay tid (tig) kan derefter betegnes ved Eq. (2)19,32.

Equation 2(2)

Her, k er den termiske ledningsevne, Rho massefylde, c specifikke varme koefficient, Tig overfladetemperatur på tænding, T∞ den omgivende temperatur (antages for at være 20 ° C), en de optagelighed, og Equation 3 hændelse varme flux. Omskrivning denne ligning giver tænding forsinkelsestid som en lineær funktion af den hændelse varme flux (Eq. 3).

Equation 4(3)

Ved at plotte tænding forsinkelsestid i form af 1 /Equation 5 som en funktion af den hændelse varme flux, bør data viser en lineær tendenslinje, og som sådan give mulighed for at vurdere gyldigheden af data. Derudover skråningerne af tendenslinjer for forskellige råolier give en indikation af deres relative termisk inerti (kρc), fordi den nedre skråning, jo sværere er det at varme op (og dermed antænde) en råolie.

Resultaterne for fordampet Grane (figur 7) give et godt eksempel på et datasæt, der passer med sin lineær tendenslinje, Rasmussen2 værdi af 0.991. På den anden side begynde resultater for friske Grane klart at afvige fra den lineære trend på højere varme strømme (30 kW/m2). Problemet er mest sandsynligt forårsaget af ekstremt korte tænding forsinkelsestiderne (< 10 s) på sådanne høj varme flux til denne type af flygtige brændsel. Frisk Grane, svarer til andre friske rå olier, indeholder en stor mængde af flygtige komponenter, at antænde meget hurtigt under høj hændelse varme strømme. En af de formodninger underliggende Eq. (2) er den tid det tager for de brændbare gasser fordamper fra brændstof til at blande med ilt og nå gnist tænding er ubetydelig33. Med tændingen forsinkelsestider på mindre end 10 sekunder, denne blanding tid, som skønnes for at være om et par sekunder, blive en væsentlig bidragyder til tænding forsinkelsestiden. Ligning (2) er derefter ikke længere gyldig med disse korte tænding forsinkelse gange, og dermed data, der afviger fra en lineær tendenslinje. Når man studerer brændbarhed af meget svingende råolier, tages denne adfærd bør således i betragtning, når du analyserer tænding forsinkelse tidsdata.

Figur 8 viser varme release priser som en funktion af tid for en frisk light råolie og en emulgerede light råolie (tilberedt efter trin 2-3). Varmen frigivelsen priser beregnes med O2, CO2og CO koncentrationen målinger fra gas analyzer (trin 7) Ifølge Eq. (26) fra Janssens34. Se Supplerende dokument for yderligere oplysninger om disse beregninger. Den friske råolie viser en typisk varme frigivelse sats profil af et langsomt faldende varme frigivelse sats over tid, som er repræsentativ for alle råolier, der ikke indeholder vand. Emulgerede råolie viser et godt eksempel på eksplosivitet af boilover fænomenet, med en varme frigivelse sats, som hurtigt øger op til fem gange højere end den almindelige brænding fase forud for boilover. Boilovers er meget uregelmæssig fænomener, selv om, og intensitet, varighed og tidspunkt for forekomsten afhænger stabilitet og volumen procentdel af vandet inde i råolie.

Figur 9 viser de brændende effektivitet og brændende sats som en funktion af den hændelse varme flux til en frisk light råolie og en tung fordampet olie med tab af 7 wt %. Både brændende hastighed og brændende effektivitet øges med stigende hændelse varme flux til begge råolie typer. På lav varme strømme viser den brændende effektivitet en væsentlig forskel mellem den friske light råolie og tung fordampet råolie. På højere varme strømme konvergerer de brændende effektivitetsgevinster for disse olier til lignende værdier, som er typiske adfærd for alle typer af friske og forvitret råolie. Forbrændingshastigheden viser ikke denne konvergerende tendens til forskellige olier, fordi den brændende tid også ændrer sig som funktion af den hændelse varme flux, som kan være forskellige for hver olietype. For rå olier som indeholder vand, bør vand brøkdel i princippet ikke tages højde for ved beregningen af den brændende effektivitet og Forbrændingshastigheden, fordi det er et ikke-brændbart materiale. Men vandet fordamper under afbrændingen og udbrud af boilover yderligere komplicerer brændende effektivitet og brændende sats skøn, som det driver olie og vand dråber fra brændstoffet. Som sådan er emulgeret råolier kan således vise afvigelser fra de data, der vises, for eksempel i figur 9, og bør udvises forsigtighed ved analysere brændende effektivitet og brændende sats resultaterne af råolie benyttes olier der indeholder vand.

Figur 10 viser overfladetemperaturen af to termoelementer på brændstof overflade som en funktion af tid for en fordampet light råolie med tab af 20 wt % i opsætningen af COFA (trin 8, figur 4). Resultatet viser en klar stigning i temperatur efter 178 s. Lige før dette øjeblik er overfladetemperatur på råolie 129 ° C målt ved begge termoelementer, som er overfladetemperatur på tænding. I kombination med tænding forsinkelse tid resultater for denne olie (trin 7), kan Eq. (2) derefter bruges til at beregne den termiske inerti for olie. Tabel 1 viser de termiske inerti værdier for denne fordampet light råolie baseret på dens overfladetemperatur på tænding på 129 ° C og dens tænding forsinkelsestider som en funktion af den hændelse varme flux. Wu, mfl. 19 fundet at optagelighed ikke kunne indstilles til enhed for råolier og dette begreb blev således medtaget i beregningerne, der termisk inerti. Litteratur værdier af den termiske inerti for råolier til sammenligningsformål kan findes i Wu, mfl. 19 og Ranellone, mfl. 20

Figure 1
Figur 1 : Skemaer af opsætningen af COFA. Skema omfatter en detaljeret visning af Pyrex glas cylinder på støtteben (venstre), en ovenfra af COFA (i midten) og en cross sektionsvisning af den fuldstændige installation (til højre). Derudover et sæt af tre nærbilleder (a-c) Vis fyldet processen af den COFA, der svarer til protokollen trin 4.1 (a), 4,4 (b) og 4,5 (c). Opsætningen af COFA bruges i trin 4 til at bestemme kalibreringspunkter brændende effektivitet og brændende sats af en råolie til opsætningen kegle. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Fuld skematisk oversigt over opsætningen kegle (ikke at skalere). Opsætningen består af en kegle heater med en kontrolenhed, en skræddersyet kegle prøveholderen, en peristaltisk pumpe og vandkøling reservoir, og en udstødning hætte med en gas analysator. Skemaer ligeledes indslag et nærbillede af termoelement placering i vandrør (trin 5.1). Denne opsætning bruges i trin 7 for at studere brændbarhed af råolier. Bemærk, at der er ingen direkte kontakt mellem olie og kølevand i denne opsætning, som de er adskilt af indehaveren af metal. Prøveholderen kegle er beskrevet i figur 3. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Detaljeret tværsnits skematisk af kegle opsætningen cirkelformede prøveholderen. Metal kanter forhindre olien fra overfyldte ved tænding og er vinklet 30° fra olieforureningen at minimere re stråling. Denne kegle prøveholderen bruges i trin 7 for at studere brændbarhed af råolier. Bemærk, at der er ingen direkte kontakt mellem olie og kølevand i denne opsætning, som de er adskilt af indehaveren af metal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Skemaer af COFA setup for at studere overfladetemperatur på råolie ved tænding. Skema viser en top view (venstre) og tværsnits view (højre) og opsætningen omfatter infrarød (IR) varmeapparater, en gnist tændsats og et sæt af tre termoelementer måler overfladetemperaturen af olieforurening (trin 8). Yderligere oplysninger om opsætningen af COFA er vist i figur 1. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5 : Fordampningstabet af en light råolie (DUC) som funktion af tiden. Data blev indhentet ved hjælp af luft boblende metoden beskrevet i trin 2 og viser tydeligt en nedsat fordampning sats efter den første dag (19 h).

Figure 6
Figur 6 : Tænding forsinkelse tid resultaterne som en funktion af hændelsen varme flux til en frisk og fordampet (tab af 7 wt %) svær råolie (Grane). Disse data blev indhentet ved hjælp af kegle setup (figur 2) i henhold til protokollen i trin 7. De lodrette asymptoter Vis den kritiske varme flux (4 og 7 kW/m2) inden for en 1 kW/m2 øverste række. Fejllinjer angiver et dataområde, baseret på 2-3 forsøg.

Figure 7
Figur 7 : Tænding forsinkelse tid resultaterne som en funktion af hændelsen varme flux til en frisk og fordampet (tab af 7 wt %) svær råolie (Grane). Disse data blev indhentet ved hjælp af kegle setup (figur 2), i henhold til protokollen i trin 7, og behandles med Eq. (2). Resultaterne viser, at den fordampede Grane har en højere termisk inerti end frisk Grane, som forventet. Grafen viser desuden hvordan, for flygtige råolier på høj hændelse varme strømme, meget korte tænding forsinkelse gange (< 10 s) kan afvige fra lineær tendenslinje. Fejllinjer angiver et dataområde, baseret på 2-3 forsøg.

Figure 8
Figur 8 : Varme frigivelse sats som en funktion af tid for en let frisk rå olie og en emulgerede light råolie med fordampet tab af 40 wt % og indeholdende 40 vol % vand. Dataene blev indhentet fra kegle setup (figur 2) ved at behandle O2, CO2og CO koncentrationen målinger fra gas analyzer (trin 7) Ifølge Eq. (26) fra Janssens34. Den friske råolie viser en regelmæssig varme frigivelse sats profil for råolier uden vand indhold. Den emulgerede light råolie resulterede i en boilover for enden af brænde og dens varme release profil giver en indikation af intensiteten af et boilover i forhold til en almindelig råolie brand.

Figure 9
Figur 9 : Brænding effektivitet og brændende sats som en funktion af den hændelse varme flux til en frisk light råolie (DUC) og en fordampet svær råolie med tab af 7 wt % (Grane 7%). Data blev indhentet i kegle setup (figur 2) Ifølge trin 7 og vise hvordan de brændende effektivitetsgevinster af forskellige råolie typer konvergerer på høj hændelse varme strømme. Alle datapunkter havde en maksimal fejl på 2,5% fra de viste gennemsnit.

Figure 10
Figur 10 : Overflade temperaturen som funktion af tiden for to termoelementer under en tænding eksperiment i COFA med en fordampet light råolie med tab af 20 wt %. Data blev indhentet i opsætningen af COFA (fig. 4) i henhold til protokollen i trin 8. Den pludselige stigning i temperatur efter 178 s angiver tidspunktet for tænding. Temperatur ret før denne pludselige temperatur spike viser overfladetemperaturen på tænding.

Tig (° C) Equation 3
(kW/m2)		 tig (s) (kW * s0,5/ (m2* K))
129 4 263 0,63
5 109 0,5
10 36 0,58
15 13 0,52
20 8.4 0,56
30 5.4 0,67
40 5.2 0,88

Tabel 1: tænding forsinkelsestider og tilsvarende termisk inerti som en funktion af hændelsen varme flux til en fordampet light råolie med tab af 20 wt %. Den termiske inerti beregnes ved hjælp af Eq. (2), baseret på tænding forsinkelse tid oplysninger indhentet i trin 7 og overfladetemperatur på tænding data i trin 8.

Supplerende dokument Venligst klik her for at hente dette dokument

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De to forvitring metoder drøftes i dette dokument er en forholdsvis enkel tilnærmelse af forvitring processer, en spildt olie på vand er udsat til17. Andre, mere sofistikerede forvitring metoder kan også bruges til at give forvitret råolie prøver, som de cirkulerende målekanal beskrevet af Brandvik og Faksness35. Fordelen, at de præsenterede metoder er at de kræver simpelt udstyr og nemt kan gennemføres i et laboratoriemiljø. De resulterende forvitret råolier er funktionel med henblik på brændbarhed og brændende effektivitet undersøgelser i denne protokol, som påvist i afsnittet repræsentant resultater.

En af de vigtigste begrænsninger i protokollen er kalibrering af vandkøling for kegle setup (trin 5). Problemet er, at der er ingen referencedata tilgængelige for i situ brændende feltforsøg på samme skala og under lignende betingelser som den kegle opsætning. Der er desuden ingen let tilgængelige varme overførsel modeller, der kan bruges i praksis til at bestemme den varme balance mellem en brændende råolie og dens strømmende vand sub lag. Vand køling kalibrering derfor må baseres på forsøgsdata fra opsætningen af COFA (trin 4). Som nævnt i protokollen, kan kalibrering derefter foretages for enten enkelt olier eller for hver olie separat. Uden referencedata eller en egnet varme overførsel model er det umuligt at vide, hvilke af disse metoder, hvis nogen, giver en korrekt repræsentation af varmebalancen for i situ afbrænding af olie på vand.

Varmebalancen i opsætningen af kegle kompliceres yderligere ved at underkaste råolien til en ekstern varme flux, som også kan påvirke kølekapacitet af vandet, der strømmer gennem prøveholderen kegle. Under afbrænding af en råolie under kegle varmelegeme, stiger outflowing vandet i temperatur over tid, omfanget afhænger hændelse varme flux. På den maksimum hændelse varme flux af 50 kW/m2, blev vandet selv observeret at være kogende, som steam kom ud af stikkontakten i vand. Det er i øjeblikket uklart, i hvilket omfang kølevandet er direkte opvarmet af kegle varmelegeme (og ikke den brændende olie) og om den har en betydelig virkning på resultaterne. Kun gennem en omfattende empirisk eksperimentel undersøgelse ville det være muligt at optimere vandkøling kalibrering for alle testede hændelse varme strømme og for hver testet olietype. Trods disse problemer forbedret gennemføre vandkøling i opsætningen af kegle utvivlsomt opsætningen kegle evne til at repræsentere i situ brændende betingelser. Foreløbige forsøg med en prøveholderen uden vandkøling mislykkedes at gengive de lave brændende effektivitetsfordele observeret i COFA og kunne ikke bruges til at repræsentere den i situ afbrænding af råolie. Den omdiskuterede begrænsning er således ikke et spørgsmål om, hvorvidt den nuværende kegle setup repræsenterer i situ brændende betingelser af råolie på vand, men i hvilket omfang det korrekt repræsenterer disse betingelser. Som vi ved er præsenteres laboratorieprocedure, trods denne begrænsning i øjeblikket den mest realistiske metode til at studere brændbarhed og brændende effektivitet i situ afbrænding af olie på vand.

Et kritisk trin i protokollen er måling af overfladetemperaturen på tænding i opsætningen af COFA (trin 8). Det er meget vigtigt at når propellen er aktiveret, overfladen af olieforureningen i Pyrex glas cylinderen er som stadig, som det kan være. Hvis olie overfladen er for meget i (lodrette) bevægelse, bør placering og strømmen af propel (trin 4) tilpasses for at mindske turbulens på olie overfladen. Uden en stadig olie overflade bliver det meget udfordrende at præcist at måle overfladetemperatur på tænding i trin 8. Valget af IR varmelegemer er også afgørende for succes i dette trin. Under udviklingen af denne protokol konstateredes det, at IR varmeapparater skal have en meget høj stråling output, samtidig med at være så kompakt som muligt og har et kølesystem, der ikke forstyrrer temperaturmålinger. Det er således vigtigt at omhyggeligt vælge et sæt af IR varmeapparater til opsætningen af COFA i figur 4. Ideelt, IR varmeapparater skal være i stand til at give en varme flux af mindst 15 kW/m2 på afstande længere væk end 5 cm fra Pyrex glas cylinder. Dette ville gøre det muligt ved hjælp af IR varmeapparater, mens brænding af råolien. Råolier brændende effektivitet kan derefter testes som en funktion af en hændelse varme flux i en eksperimentel opsætning, der bedre repræsenterer i situ brændende betingelser.

Yderligere kan forbedringer til repræsentation i situ brændende betingelser under brændbarhed og brændende effektivitet forsøg gøres gennem forskellige aendringer ved eller tilfoejelser til de COFA og kegle opsætninger. I øjeblikket, er eksperimenterne udført under meget roligt miljøforhold. Det har vist sig ved i situ brændende feltundersøgelser, dog, at bølger og vind kan også påvirke brændbarhed af råolie5,21,36,37. For at simulere sådanne betingelser, kunne COFA for eksempel være udstyret med en bølge maker og fans, at oprette en vind over vandoverfladen. Koldere klimaer kan simuleres ved hjælp af en koldere kølemediet i opsætningen af kegle, svarende til Ranellone, mfl. 20, eller ved at tilføje is vandområde i COFA. Endelig, den oprindelige tykkelse af råolie slicks kan varieres i forsøgene, fordi dette er også en parameter, der er kendt for at påvirke den brændbarhed og brændende effektivitet af råolier5,22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke det danske råd for uafhængig forskning for finansieringen af projektet (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden finansieret opførelsen af råolie antændelighed apparater og gas analysator, herunder kanal-insert. Maersk Oil og Statoil forudsat råolier, der blev brugt til de repræsentative resultater. Ingen af sponsorerne har været involveret i protokollen eller resultaterne af dette papir. Forfatterne vil også gerne takke Ulises Rojas Alva for bistand med konstruere prøveholderen modificerede kegle.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Allen, A. A. Contained Controlled Burning of Spilled Oil During the Exxon Valdez Oil Spill. Proceedings of the Thirteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar. 305-313 Environment Canada, , 305-313 (1990).
  2. 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).
  3. AMAP. Assessment 2007: Oil and Gas Activities in the Arctic - Effects and Potential Effects. 1, AMAP. , Oslo, Norway. 423 (2010).
  4. Nuka, Research Planning Group, LLC. Oil Spill Prevention and Response in the U.S. Arctic Ocean: Unexamined Risks, Unacceptable Consequences. , The PEW Environment Group. Washington, D.C. 136 (2010).
  5. Buist, I. A., et al. In Situ Burning in Ice-Affected Waters: State of Knowledge Report Final Report 7.1.1. , Arctic Response Technology. 293 (2013).
  6. EPPR. Guide to Oil Spill Response in Snow and ce Conditions in the Arctic. , Emergency Prevention Preparedness and Response (EPPR). 184 (2015).
  7. Opstad, K., Guénette, C. Fire on the Sea Surface, Ignitability and Sustainability Under Various Environmental Conditions. Fire Safety Science. 6, 741-752 (2000).
  8. 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).
  9. 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 . , Environment Canada 795-808 (1997).
  10. 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, SINTEF Materials and Chemistry. Trondheim. (2010).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Fingas, M. F., et al. The Newfoundland Offshore Burn Experiment - NOBE. In Situ Burning Oil Spill Workshop Proceedings, , NIST. 63-70 (1994).
  15. Guénette, C. C., Wighus, R. In situ Burning of Crude Oil and Emulsions in Broken Ice. Proceedings of the Nineteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, , Environment Canada. 895-906 (1996).
  16. Potter, S. Tests of Fire-Resistant Booms in Low Concentrations of Drift Ice - Field experiments May 2009. Report No. 27. 27, SINTEF. Trondheim. 17 (2010).
  17. AMAP. Assessment 2007: Oil and Gas Activities in the Arctic - Effects and Potential Effects. 2, AMAP. Oslo, Norway. 277 (2010).
  18. Buist, I. Window-of-Opportunity for In Situ Burning. Spill Sci. Technol. Bull. 8 (4), 341-346 (2003).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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. Proceedings of the Sixteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, , Environment Canada. 735-748 (1993).
  22. 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).
  23. ISO 17554:2014(E) Reaction to fire tests – Mass loss measurement. , International Organization for Standardization. Geneva. 28 (2014).
  24. ISO/TR 9705-2:2001(E) Reaction-to-fire tests – Full-scale room tests for surface products – Part 2: Technical background and guidance . , International Organization for Standardization. Geneva. 39 (2001).
  25. Stiver, W., Mackay, D. Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures. Environ. Sci. Technol. 18 (11), 834-840 (1984).
  26. Buist, I., Potter, S., Zabilansky, L., Guarino, A., Mullin, J. Oil Spill Response: A Global Perspective. Davidson, W. F., Lee, K., Cogswell, A. , Springer. Netherlands. 41-62 (2008).
  27. Daling, P. S., Moldestad, M. Ø, Johansen, Ø, 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Evans, D. D., Mulholland, G. W., Gross, H., Baum, H., Saito, K. Burning, smoke production, and smoke dispersion from oil spill combustion. Proceedings of the Eleventh Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, , Environment Canada. 41-87 (1988).
  31. Guénette, C. C., Sveum, P., Buist, I., Aunaas, T., Godal, L. In situ burning of water-in-oil emulsions. , Marine Spill Response Corporation. Washington D.C. 139 (1994).
  32. 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).
  33. Quintiere, J. G. Ch 7. Fundamentals of Fire Phenomena. , John Wiley & Sons, Ltd. 159-190 (2006).
  34. Janssens, M. L. Measuring rate of heat release by oxygen consumption. Fire Technol. 27 (3), 234-249 (1991).
  35. 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).
  36. Wighus, R., Guènette, C. Fire on the sea surface - Experiments hazard assessment 1995. Report No. NBL A07129. , SINTEF. Trondheim. 40 (2007).
  37. 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).

Tags

Engineering udstede 135 In Situ afbrænding råolie vejrlig varmeoverførsel antændelighed brændende effektivitet
Eksperimentel Procedure for laboratorieundersøgelser af <em>In Situ</em> brændende: brændbarhed og brændende effektivitet af råolie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

van Gelderen, L., Jomaas, G.… More

van Gelderen, L., Jomaas, G. Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil. J. Vis. Exp. (135), e57307, doi:10.3791/57307 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter