Eksperimentelle prosedyren for laboratoriestudier In Situ brennende: Brennbarhet og brenner effektiviteten av råolje

Summary

Her presenterer vi en protokoll for samtidig studere Brennbarhet og brennende effektiviteten av frisk og weathered råolje under forhold som simulerer i situ brenner operasjoner på havet.

Abstract

En ny metode for samtidige studiet av Brennbarhet og brennende effektivitet frisk og weathered råolje gjennom to eksperimentell laboratorium oppsett er presentert. Forsøkene er lett gjentagbar sammenlignet operative skala eksperimenter (bassenget diameter ≥2 m), mens fortsatt med ganske realistisk i situ brenner for råolje på vann. Eksperimentelle forhold inkluderer et rennende vann sub lag som kjøler oljeflaket og en ekstern varme fluks (opptil 50 kW/m²) som simulerer høyere varme tilbakemelding til drivstoff overflaten i operative skala råolje bassenget branner. Disse forholdene kan en kontrollert laboratorium studie av brennende effektiviteten av råolje bassenget branner som tilsvarer operative skala eksperimenter. Metoden gir også kvantitative data om kravene for antennelse råolje i den kritiske varme flux, tenning tidsforsinkelsen som en funksjon av hendelsen varme fluks overflatetemperaturen på tenningen og den termiske tregheten. Denne typen data kan brukes til å fastslå den nødvendige styrke og varighet av en tenningen å antennes en bestemt type friske eller weathered råolje. Den viktigste begrensningen av metoden er at den avkjølende effekten av rennende vann sub lag på brennende råolje som en funksjon av den eksterne varme flux ikke har blitt fullt kvantifisert. Eksperimentelle resultater viste tydelig at rennende vann sub laget blir bedre hvordan representant dette oppsettet er i situ brennende betingelser, men til hvilken grad denne representasjon er nøyaktig er. Metoden har likevel det mest realistiske i situ brenner laboratorieforhold tilgjengelig for samtidig studere Brennbarhet og brenning effektiviteten av olje på vann.

Introduction

In situ brenning sølt råolje på vann er en marine olje søl svar metode som fjerner sølt oljen fra vannoverflaten ved å brenne den og konvertere den til sot og gass forbrenningsprodukter. Denne svar metoden ble brukt under Exxon Valdez¹ og Deepwater Horizon² oljesøl og regelmessig nevnt som potensielle olje søl svar metode for arktiske^{3,4,5 ,6}. To av nøkkelparameterne som bestemmer om i situ brenning av olje blir vellykket som søl svar er Brennbarhet og brennende effektiviteten av olje. Den første parameteren Brennbarhet, beskriver hvor lett drivstoff kan bli antent og kan føre til flamme spre over drivstoff overflaten til en fullt utviklet brann. Den andre parameteren brenner effektivitet, uttrykker hvor mye olje (i wt %) som er effektivt fjernet fra vannflaten ved bålet. Dermed er det relevant å forstå Brennbarhet og forventet brennende effektiviteten av forskjellige råoljer under i situ brenner forhold.

Tenningen av olje slicks på vann for i situ brenner formål er ofte adressert som et praktisk problem med kvalitativ diskusjoner på tenningen, systemer,^5,,^7,,^8,,⁹. Praktisk tilnærming til tenningen av sølt olje som binære problem og merking oljer “ignitable” eller “ikke ignitable” (f.eks Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. ¹⁰) er imidlertid feil fra et grunnleggende ståsted. I teorien, kan noe drivstoff bli antent gitt en passende tenning kilde. Derfor er det relevant å kvantifisere tenning kravene til et bredt spekter av forskjellige råolje for bedre å forstå egenskapene til en råolje som ville merke det som “ikke ignitable”. For dette formålet kan utviklet metoden brukes til å studere tidsforsinkelsen tenningen av en olje som en funksjon av hendelsen varme fluks, kritisk varme fluks av oljen og den termiske tregheten, dvs hvor vanskelig det er å varme opp oljen.

I en tidligere studie postulerte vi at det viktigste parameteren som styrer brennende effektiviteten er varme tilbakemelding til drivstoff overflaten¹¹, som er en funksjon av bassenget diameter. Teori forklarer tydelig pool størrelse avhengighet av brennende effektiviteten basert på laboratoriestudier lav brennende effektivitet (32-80%)^8,12,13 og storskala studier (bassenget diameter ≥2 m) rapporterer høy brennende effektivitet (90-99%)^14,15,16. Metoden diskutert her ble utviklet for å teste den foreslåtte teorien. Ved å utsette småskala laboratorieforsøk til en konstant eksterne varme forandring, kan høyere varme tilbakemeldinger for storskala bassenget branner simuleres under kontrollerte laboratorieforhold. Som sådan, kan utviklet metoden studere brennende effektiviteten effektivt som en funksjon av diameter av varierende eksterne varme fluks.

I tillegg til en ekstern varme flux simulere større skala i situ brenner operasjoner, funksjonen eksperimentelle oppsett kjøling av oljeflaket av en kaldt vann flyt, simulerer kjøle effekten av havet gjeldende. Metoden diskutert er dessuten kompatibel med både fersk og weathered råolje. Forvitring av råolje beskriver fysiske og kjemiske prosessen som påvirker en råolje når det er sølt på vannet, som tap av flyktige komponentene og blande med vann til skjemaet vann-i-olje emulsjoner (f.eks AMAP¹⁷). Fordampning og emulgering er to av de viktigste forvitring prosessene som påvirker Brennbarhet råoljer¹⁸ og protokoller for å simulere prosessene forvitring er derfor inkludert i metoden diskutert.

Her presenterer vi en roman laboratoriemetode som bestemmer Brennbarhet og brennende effektiviteten av råolje under forhold som simulerer i situ brenner operasjoner på havet. Tidligere studier på Brennbarhet og brennende effektiviteten av råolje inneholdt både sammenlignbare og ulike metoder. Brannfare av frisk og weathered råolje som en funksjon av en ekstern varme flux ble studert på vann¹⁹ og under arktiske temperaturer²⁰. Brennende effektivitet studier vanligvis fokusere på forskjellige typer frisk og forvitret råolje oljer og miljøforhold på fast skala (f.eks Fritt-Rasmussen, et al. ⁸Bech, Sveum, et al. ²¹). en fersk studie på brenning av råolje ved kjemiske gjetere er, til kunnskap om forfatterne, først til å studere den brennende effektiviteten for liten, middels, og storskala eksperimenter under lignende forhold¹³. Storskala eksperimenter er imidlertid ikke tilgjengelige for parametrisk studier på grunn av omfattende mengden tid og ressursene som kreves for å utføre slike eksperimenter. Den største fordelen med metoden presentert over nevnte studiene er at det tillater for samtidig studerte både Brennbarhet og brenning effektiviteten av råolje under semi-realistisk forhold. Kombinasjonen av studere disse to parametere for råolje som en funksjon av både forskjellige olje og (simulert) bassenget diameter gjennom lett gjentagbar eksperimenter var tidligere unfeasible i praksis.

Protocol

Denne protokollen bruker to ulike eksperimentelle oppsett som brukes i trinn 4-8, som vist i de medfølgende skjema. Første er den råolje Brennbarhet apparatet (COFA) (figur 1 og Figur 4), som er en 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 metall vannbassenget utformet for å utføre småskala i situ brenner råolje eksperimenter, som vises for eksempel i Van Gelderen, Brogaard, et al. 22 andre oppsettet er en membran …

Representative Results

Figur 5 viser fordampning kurven av en lys råolje som var fordampet over flere dager til tap av 30 wt % ved hjelp av metoden beskrevet i trinn 2. Figuren viser tydelig at etter den første dagen (19 h) av fordamping forvitring, fordampning hastigheten er redusert betydelig, som tillater pauser som nevnt i protokollen. Figur 6 viser tenning tidsforsinkelsen som en funks…

Discussion

To forvitring metodene som er beskrevet i denne artikkelen er en relativt enkel tilnærming forvitring prosesser at en sølt olje på vann er utsatt for¹⁷. Andre, mer sofistikert forvitring metoder kan også brukes til å gi weathered råolje utvalgene, for eksempel den sirkulerende barnesklier beskrevet av Brandvik og Faksness³⁵. Fordelen av metodene presentert er at de krever enkel utstyr og lett kan gjennomføres i et laboratoriemiljø. De resulterende weathered oljene e…

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.