Waiting
Login processing...

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

Engineering

Experimentell förfarande för laboratoriestudier av In Situ Burning: brandfarlighet och förbränning effektivitet av råolja

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

Här presenterar vi ett protokoll för att samtidigt studera brandfarlighet och brinnande effektivitet av färska och väderbitna råolja under förhållanden som simulerar i situ burning operationer på havet.

Abstract

En ny metod för samtidiga studier av brandfarlighet och brinnande effektivitet av färska och väderbitna råolja genom två experimentella laboratorium uppställningar presenteras. Experimenten är enkelt repeterbara jämfört operativa skala experiment (pool diameter ≥ 2 m), medan fortfarande featuring ganska realistiskt i situ burning villkor råolja på vatten. Experimentella förhållanden inkluderar en flödande vatten sub lager som kyler oljebältet och en extern värmeflödet (upp till 50 kW/m2) som simulerar högre värme feedback till bränsle ytan i operativa skala råolja pool bränder. Dessa villkor gör det möjligt för en kontrollerad laboratoriestudie av brinnande effektiviteten av råolja pool bränder som motsvarar operativa skala experiment. Metoden ger också kvantitativa uppgifter om kraven för att antända råoljor när det gäller det kritiska värmeflödet, ignition delay-tiden som en funktion av värmeflödet, Yttemperaturen på tändningen och den termiska trögheten. Denna typ av data kan användas för att bestämma krävs styrka och varaktighet av en antändningskälla att antända en viss typ av färska eller väderbitna råolja. Den största begränsningen för metoden är att den kylande effekten av det strömmande vattnet sub skikt på den brinnande råoljan som en funktion av den externa värmeflödet inte har kvantifierats fullt. Experimentella resultat visade tydligt att det flödande vatten sub lagret förbättrar hur representativa denna inställning är i situ brinnande villkor, men i vilken utsträckning denna representation är korrekt är för närvarande osäker. Metoden har ändå den mest realistiska i situ burning laboratoriemiljö som för närvarande finns tillgängliga för att samtidigt studera brandfarlighet och förbränning effektivitet av råolja på vatten.

Introduction

In situ burning utspillt råolja på vatten är en marin olja spill svar metod som avlägsnar spilld olja från vattenytan genom att bränna det och konvertera dem till sot och gasformiga förbränningsprodukter. Detta svar metod tillämpades under Exxon Valdez1 och Djuphavsräka Horizon2 oljeutsläpp och regelbundet nämns som en potentiell olja spill svar metod för arktiska3,4,5 ,6. Två av de viktiga parametrar som bestämmer om i situ brinnande olja ska vara framgångsrik som oljeutsläpp svar metod är brandfarlighet och brinnande effektiviteten i oljan. Den första parametern, brandfarlighet, beskriver hur enkelt ett bränsle kan antändas och kan leda till eld sprider sig över bränsle ytan att resultera i en fullt utvecklad brand. Den andra parametern, förbränning effektivitet, uttrycker mängden olja (i wt %) som effektivt tas bort från vattenytan vid elden. Det är således relevant att förstå brandfarlighet och förväntade brinnande effektiviteten av olika råoljor under i situ burning villkor.

Antändning av olja samlar på vatten för i situ burning ändamål benämns vanligen som ett praktiskt problem, med kvalitativa diskussioner på tändning system5,7,8,9. En praktisk strategi för antändning av spilld olja som ett binärt problem och märkning oljor antingen ”antändlig” eller ”inte antändlig” (e.g. Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. 10) är dock felaktig ur ett grundläggande perspektiv. I teorin, kan något bränsle antändas ges en lämplig antändningskälla. Det är därför relevant att kvantifiera tändning kraven för ett brett utbud av olika råolja typer att bättre förstå egenskaperna för en råolja som skulle märka det som ”inte antändlig”. För detta ändamål kan den utvecklade metoden användas för att studera tändning fördröjningen av en olja som en funktion av värmeflödet, den kritiska värmeflödet olja och dess termiska tröghet, dvs hur svårt det är att värma upp oljan.

I en tidigare studie förutsatte vi att den viktigaste parametern som styr brinnande effektivitet är värme feedback till bränsle yta11, vilket är en funktion av pool diameter. Teorin förklarar sambandet uppenbart pool storlek brinnande effektivitet utifrån laboratoriestudier rapportering låga brinnande effektivitetsvinster (32-80%)8,12,13 och storskaliga studier (pool diameter ≥ 2 m) rapportering hög brinnande effektivitetsvinster (90-99%)14,15,16. Den metod som beskrivs häri var avsedd att testa föreslagna teorin. Genom att utsätta småskaliga laboratorieexperiment till en konstant yttre värmeflödet, simuleras högre värme feedback för storskaliga pool bränder under kontrollerade laboratorieförhållanden. Som sådan, tillåter den utvecklade metoden studera brinnande effektivitet effektivt som funktion av diameter genom att variera den externa värmeflödet.

Förutom en extern värme flux att simulera större omfattning i situ bränning, funktionen försöksuppställningar kyla av oljeutsläppet genom ett kallt vatten flöde, simulera kyleffekten havets nuvarande. Den diskuterade metoden är dessutom kompatibel med både färska och väderbitna råoljor. Vittringen av råolja beskriver den fysiska och kemiska process som påverkar en råolja när det spills på vatten, till exempel förluster för dess flyktiga komponenter och blanda med vatten för att bilda vatten-i-olja emulsioner (t.ex. AMAP17). Avdunstning och emulgering är två av de viktigaste vittring processer som påverkar brandfarlighet råoljor18 och protokoll för att simulera dessa vittring processer ingår därför i den diskuterade metoden.

Häri, presenterar vi en roman laboratorium metod som avgör brandfarlighet och brinnande effektivitet av råolja under förhållanden som simulerar i situ burning operationer på havet. Tidigare studier på brandfarlighet och brinnande effektivitet av råoljor innehöll både jämförbara och olika metoder. Brännbarheten av färska och väderbitna råoljor som en funktion av en extern värmeflödet studerades på vatten19 och under arktiska temperaturer20. Brinnande effektivitetsstudier vanligtvis fokuserar på olika typer av färskt och vädrade råa oljor och miljöförhållanden på en fast skala (t.ex. Fritt-Rasmussen, et al. 8Bech, Sveum, et al. 21). en färsk studie om förbränningen av råoljor som innehålls av kemiska renskötarna är att kunskapen om författarna, först att studera den brinnande effektiviteten för små, medel, och storskaliga experiment under liknande villkor13. Storskaliga experiment är dock inte tillgängliga för parametriska studier på grund av den omfattande mängden tid och resurser som krävs för att genomföra sådana experiment. Den största fördelen med denna metod över de tidigare nämnda studierna är att det tillåter samtidigt studera båda brandfarlighet och förbränning effektivitet av råolja under semi realistiska förhållanden. Kombinationen av att studera dessa två parametrar för råoljor som en funktion av både olika oljetyper och (simulerad) pool diameter genom enkelt repeterbara experiment var tidigare ogenomförbara i praktiken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Detta protokoll använder sig av två olika försöksuppställningar som används i steg 4-8, som visas i de medföljande scheman. Den första installationen är det råolja brandfarlighet apparater (Flygplanets) (figur 1 och figur 4), som är en 1,0 × 1,0 × 0.50 m3 metall vattenbassängen utformad genomföra småskaliga i situ burning råolja experiment, som till exempel i Van Gelderen, Brogaard, et al. 22 den andra installationen är en kon värmare23 med en spark tändare som erbjuder en skräddarsydd provhållare och en Gasanalysator som mäter den O2, CO2, och CO-koncentrationen i avgaserna kanal24 (figur 2 och (Se figur 3). De tekniska specifikationerna för dessa inställningar beskrivs ytterligare i detalj i det kompletterande dokumentet, som också innehåller fotografier av uppställningar. Om inte annat anges, mäts datamätningar (t.ex. temperatur, värme flöden eller gaskoncentrationerna) digitalt genom en multiplexer och data logger. DATALOGGRAR drivs med en digital data förvärv program. I protokollet omfattar frasen ”starta dataloggen” alla åtgärder enligt anvisningarna i programmet och som tillhandahålls av tillverkaren, som krävs för att starta förvärvet av data.

1. allmän hantering av råolja

  1. För varje ny olja som kommer att studeras, ta en 5 mL prov och mäta dess densitet och viskositet vid 25 ° C i en viskometer. Förvara resten av oljan vid 5-10 ° C i en sluten glasflaska tills vidare användning.
    Varning: Färsk råolja är mycket brandfarligt och både råolja och dess ångor utgör en måttlig till hög hälsofara. Det är vidare svårt att rena från huden eller ögonen med icke-farliga kemikalier såsom tvål. Använd skyddsglasögon och handskar vid hantering av råolja och arbeta i ett väl ventilerat utrymme.
  2. I början av varje testomgång, ta råoljor som kommer att testas den kyld (5-10 ° C) med lagringsutrymme. Skaka varje oljebehållaren för hand för 1-2 minuter och låt dem värme upp till rumstemperatur innan genomföra experiment. Returnera råoljor till kyld lagring mellan test sessioner.
  3. Rengör alla ytor som oavsiktligt kontaminerats med råolja med ett flyktiga icke-polära lösningsmedel (e.g.,n-heptan).

2. genom avdunstning vittring av råolja av bubblande tryckluft genom oljan

Obs: Detta steg bygger på Stiver och Mackay25 och Eriksson, Potter, et al. 26

  1. Borra ett antal hål (t.ex., sex med 5 mm i diameter (D)) jämnt fördelad i locket på en plastdunk 5-10 l och borra ett enda hål (t.ex.,D = 8-10 mm) i en av sidorna av behållaren nära dess övre kant.
  2. Göra en O-ring (cirka D = 20 cm) med en bifogad öppna anslutningen av plaströr med en inre diameter (I.D.) 4-6 mm och borra ett antal hål (t.ex., sex med D = 1 mm) jämnt fördelade längs ena sidan av o-ringen.
    Obs: Försöka kompensera den vertikala placeringen av hålen i locket från hålen i o-ringen att minimera mängden råolja som blåses ur behållaren.
  3. Anslut O-ring till ett plaströr (t.ex. I.D. 4-8 mm) som går igenom sidan hålet i en plastbehållare. Detta rör kommer att anslutas till ett trycksatt system med en regleringsventilen och en manometer.
  4. Väga locket och behållaren plast med plast o-ringen separat och registrera deras vikt.
  5. Väger 2-4 L råolja (baserat på dess densitet) i behållaren och registrera vikten.
  6. Placera behållaren under ett dragskåp och Anslut o-ringen till tryckluft systemet. Bubbla luft genom olja vid ett tryck som är så hög som möjligt (t.ex. 200 kPa) utan att spräcka olja genom hålen i locket på behållaren.
  7. Väga oljan i början och slutet av varje arbetsdag att övervaka när önskad evaporativ vittring staten (i wt % förlorade) uppnås (t.ex. 20 wt % förlorade jämfört med den ursprungliga vikten). Detta kan ta från en dag till över en vecka av kontinuerlig bubblande, beroende på det olja och lufttrycket. Varje mellanliggande viktmätning används för att etablera en avdunstning kurva som funktion av tiden, som hjälper till med att förutsäga den nödvändiga avdunstning tid att nå önskad evaporativ vittring staten.
    Obs: Efter den första dagen, råolja kan vanligtvis lämnas i spiskåpa i flera dagar (t.ex. under helgen) utan att förlora någon betydande mängd massa när tryckluft är stängd.
  8. När avdunstningen av råolja är klar, ta en 5 mL prov av oljan och mäta dess densitet och viskositet vid 25 ° C i en viskometer. Förvara resten av oljan vid 5-10 ° C i en sluten glasflaska för vidare användning. Ren behållare, lock och O-ring med flyktiga icke-polära lösningsmedel att ta bort eventuella råolja resterna.

3. emulgering av råolja som använder en roterande skakar tabell

Obs: Denna del av protokollet har ändrats från Daling, M., et al. 27

  1. Lägga till totalt 900 mL av råolja och sött eller salt vatten blandningen i en 1 L glasflaska, med mängden vatten på de önska Vol.% i emulsionen. Exempelvis består en emulsion med 40 vol % vattenhalt av 540 mL råolja och 360 mL vatten. Det är klokt att använda avdunstat råolja, snarare än färsk råolja, rättare presentera vittringen processerna av utspilld olja på öppet vatten och skapa mer stabila emulsioner.
    Obs: Det är viktigt att flaskan inte är helt fylld så att det finns utrymme för turbulent blandning av olja och vatten.
  2. Skaka blandningen vatten-olja för hand för 1-2 min. Sedan placera glasflaska på en skakande rundbord och rör blandningen vatten-olja vid 175 rpm för 20 h i rumstemperatur.
    Obs: För att förhindra problem med avskiljandet av lagrets vatten från emulsionen, genomföra experimenten med emulsionen på samma dag som när perioden 20 h skakningar är klar.
  3. Ta en 5 mL prov av emulsionen efter 20 h skakar period och mäta dess densitet och viskositet vid 25 ° C i en viskometer.
  4. Om emulsionen är instabil (se nedan), placera emulsionen tillbaka på rotary skakar bordet och ständigt skaka emulsionen vid 175 rpm mellan experiment. I början av varje experiment, manuellt stoppa rotary skakar bordet, ta den nödvändiga mängden emulsion (steg 7,5) och sedan returnera den till rotary skakar tabell. När alla experiment har utförts med emulsionen, stoppa rotary skakar bordet och lagra emulsionen kylas (5-10 ° C).
  5. Om emulsionen är stabil, ta emulsionen från tabellen roterande skakningar och låt den vila i rumstemperatur. Skaka emulsionen kraftigt i 1-2 min för hand innan man tar den erforderliga mängden av olja för varje experiment. När alla experiment har utförts med emulsionen, lagra det i kylt (5-10 ° C) lagring.
    Obs: För tillämpningen av detta protokoll, instabila emulsioner definieras som emulsioner som bildar ett klart synligt vatten lager med flera timmar, dvs före utgången av en typisk arbetsdag.

4. referens in Situ Burning experiment i Flygplanets (figur 1) för kalibrering av kyla för bevattna i den kon-Setup

  1. Placera en 5 cm hög Pyrex glas cylinder och en I.D. 16,3 cm (yttre diameter på 16,9 cm) på ett stativ, med en sammanlagd höjd 35-45 cm, i mitten av Flygplanets. Form av innehavaren är irrelevant så länge gör det möjligt för ett fritt flöde av vatten under det område som omfattas av Pyrex glas cylindern. Fyll i Flygplanets med sötvatten (340-440 L) så att vattennivån är 1 cm under kanten av Pyrex glas cylindern.
  2. Placera en propeller på en av sidorna av den Flygplanets vetter mot Pyrex glas cylindern. Slå på propellern och justera den vertikala höjden och flow så att vågorna är bara knappt observeras i vattnet inuti Pyrex glas cylindern. Registrera den vertikala höjden och flöde hållning (t.ex., 1 000 L/h) och stänga av propellern innan du fortsätter protokollet.
    Obs: Propellern används för att skapa en ström i vattenförekomsten som effektivt kyler vatten lagret under den brinnande råoljan för att förhindra överkokning fenomen28,29. Inledningsvis inställda flödet och vertikala höjd av propellern får inte orsaka tillräcklig kylning av vatten sub lagret och en överkokning sedan fortfarande inträffar.
    Varning: En överkokning är en explosiv brinnande stat med en avsevärt ökad lågan höjd brinnhastigheten och värmeeffekt under vilken olja droppar matas från brand29,30,31. Se till att alla utsatta utrustning är skyddad (t.ex., med aluminiumfolie) och hålla personal och utrustning på ett lämpligt avstånd från elden.
  3. Väga en mängd råolja motsvarar en 5 mm tjock oljeutsläppet i Pyrex glas cylindern (dvsbaserat på täthet och volym 104 ml) i en aluminium maträtt.
  4. Häll råoljan på vattnet inuti Pyrex glas cylindern. Var noga med att inte spilla olja utanför botten av cylindern genom att hälla oljan för snabbt. Väga aluminium skålen igen och registrera den faktiska vikten av råolja hällde inuti Pyrex glas cylindern.
  5. Tillsätt långsamt vatten i Flygplanets tills ytan av oljeutsläppet är 1-2 mm under kanten av Pyrex glas cylindern. Denna höjdskillnad är viktigt att hindra oljan från överfyllda vid tändning.
  6. Slå på avgaser huven och propellern. Sedan antända den råolja som använder en butan Handblåslampa och mäta brinntiden från ögonblicket av tändning till ögonblicket av utrotning med ett stoppur.
  7. Efter att branden är släckt naturligt, samla in oljan kvar på vattenytan (känd som burn återstoden) använder hydrofoba absorption kuddar med en känd vikt. Skaka alla insamlade vatten av före vägning kuddar för att bestämma resittillstånd vikt. Brinnande verkningsgraden beräknas då med hjälp av ekv (1) och brinnhastigheten beräknas genom att dividera skillnaden mellan det ursprungliga massa och rester av den brinnande tid (i sekunder).
    Equation 1(1)
  8. I fall där elden resulterar i en överkokning, upprepa protokoll steg 4 av dränering vatten från Flygplanets tills vattenytan är igen en centimeter nedanför Pyrex glas cylinder kanten. Rengöra kanterna av Pyrex glas cylindern med flyktiga, icke-polära lösningsmedel. Sedan minska det vertikala avståndet mellan propellern och Pyrex glas cylindern och/eller öka flödet inriktningen på propellern och upprepa protokollstegen 4.3 till 4.8.
  9. Om elden inte slutar med en överkokning, använda beräknade brinnande effektivitet och brinnhastigheten i steg 4.7 för att kalibrera den vattenkylning i kon setup.

5. kalibrering av kyla för bevattna för kon inställningar (figur 2 och figur 3).

  1. Punktera en flexibel plaströr (4 mm I.D.) på en centimeter från dess slutar med en 1 mm tjock K-typ termoelement så att termoelement pärla är upphängd fritt inuti röret. Fixa termoelementet med polytetrafluoreten (PTFE) tejp och aluminiumtejp för att säkerställa att termoelementet inte rör sig och att vatten inte läcker från punkteringen. Anslut termoelementet till en datalogger.
    1. Upprepa steg 5.1 för en tub med en rostfritt stål tube-adapter och infoga termoelementet direkt nedanför tube adaptern.
  2. Placera och fixa den första plaströr med sitt slut med termoelementet så långt till botten av reservoaren kyla som möjligt. Anslut den andra änden av röret till öppningen av en Peristaltisk pump med en justerbar hastighet.
  3. Anslut ett nytt plaströr till uttaget av den peristaltiska pumpen och Anslut den andra änden av denna plast röret till en rostfritt stål tube-adapter. Anslut röret adaptern till en bälg-förseglade ventil och Anslut bälgar förslutna ventilen till konen provhållaren. Se till att anslutningarna inte läcker vatten med hjälp av PTFE-tejp mellan anslutningarna vid behov.
  4. Anslut den andra sidan av konen provhållaren till en bälg-förseglade ventil, som ansluts sedan till tube adaptern av röret med ett termoelement nedanför adaptern. Den andra delen av detta röret placeras och fast överst i reservoaren kyla så att utströmmande vattnet återvänder till reservoaren kyla.
    Obs: Se till att röret inlopp och utlopp tube har tillräckligt rumsliga avstånd i behållaren så att varmvatten inte är direkt recirkuleras, men får svalna ner i behållaren före återcirkulerande.
  5. Placera provhållaren med anslutna rör under kon värmaren. Justera höjden på hållaren så att den yttre kanten är 23 mm från botten av konen värmaren. Kontrollera att rören är tillräckligt lång så att provhållaren kan enkelt placeras under kon värmaren när provhållaren innehåller råolja.
  6. Fyll kyla reservoaren med demineraliserat vatten och kyla vattnet till en vald temperatur (t.ex.,12 ° C). Öppna de bälgen förslutna ventilerna och starta vattenflödet genom provhållaren på ett valt flöde (t.ex. 7 L/h). Skaka innehavaren för att ta bort eventuell kvarvarande luft från innehavaren så att innehavaren blir helt fylld med vatten.
  7. Starta datalogger och kontinuerligt övervaka temperaturen av in- och utströmmande vatten. Stoppa pumpen när den utströmmande vattentemperaturen stabiliserats (detta är vanligtvis några grader över den inställda reservoar), Stäng bälgar förslutna ventiler och slå på avgaser huven.
  8. Placera provhållaren i belastning skala och Taravikt skalan. Lägga till ett belopp av olja provhållaren som motsvarar en slick tjocklek på 10 mm (dvsbaserat på tätheten och en volym av 95 mL). Sedan öppna bälgar förslutna ventiler och starta pumpen igen.
  9. Placera provhållaren noggrant under kon värmaren och antända oljan med en butan handbrännare. Mäta brinntiden från ögonblicket av tändning till ögonblicket av utrotning med ett stoppur.
    Försiktighet: Vid bränning oljor som innehåller vatten, antingen naturligt eller på grund av emulgering, en överkokning kan uppstå under förbränningen (se även steg 4).
  10. Efter att branden är släckt, stoppa pumpen, stänga ventilerna, koppla rören och placera provhållaren i en tarerad skala. Registrera vikt av innehavaren av inklusive bränna återstoden.
  11. Ren alla brända oljerester från hållaren med flyktiga icke-polära lösningsmedel. Väga rengjorda innehavaren igen för att bestämma resthalter vikt. Sedan beräkna den brinnande effektiviteten och brinntid som beskrivs i steg 4,7.
  12. Om den brinnande effektivitet och brinnhastigheten matcha resultaten från protokollet steg 4, vattentemperatur och flöde är nu kalibrerad och kan användas i följande protokoll steg. Om den brinnande effektivitet och brinnhastigheten inte matchar resultaten från protokollet steg 4, Välj en ny reservoar temperatur och/eller nya flödet därefter. Anslut rören till provhållaren, öppna ventilerna, starta pumpen, skaka innehavaren för att ta bort eventuell luft och upprepa sedan steg 5,7-5.12.
    Obs: Det kan inte vara möjligt att matcha både brinnande effektivitet och brinnhastigheten. Vid protokollet beskrivs, brinnande effektivitet är viktigare och ska matchas så noggrant som möjligt. Vid testning av flera oljor, kan vattentemperatur och flöde kalibreras för antingen en olja eller för varje olja individuellt. Medan kalibrera vattentemperatur och flöde för varje olja individuellt kan simulera oljan brinnande på vatten mer exakt, tändning dröjsmål tid resultaten av olika oljor (steg 6) kan vara mer lätt jämfört när använder en fast vattentemperatur och flöde för varje experimentera.

6. kalibrering av konen värmaren (figur 2-3).

  1. Kalibrera korrelationen mellan temperaturen hos kon värmaren och den värme flux utgång med en vattenkyld värmeflödet mätare med en maximal kapacitet på 100 kW/m2.
    1. Placera ett akvariepump i en hink och Fyll hinken med kallt kranvatten så att pumpen är helt nedsänkt.
    2. Ansluta pumpen akvarium till heat flux mätaren med ett plaströr. Anslut ett andra plaströr till heat flux mätaren och fixa den andra änden av röret inuti hinken, något ovanför vattenytan, så att vatten rinner ut ur röret lätt kan observeras. Slå på pumpen och se till att ett jämnt flöde av vatten strömmar genom värme flux mätaren.
    3. Slå på avgaser huven och värma upp konen till 200 ° C. Placera värmen flux mätaren (uppåt) 25 mm nedanför mitten av konen och Anslut heat flux mätaren till dataloggen. Starta dataloggen, öppna fönsterluckorna, och mäta värmeflödet för 5-10 min tills en stabil värmeflödet läsning förvärvas, sedan stoppa dataförvärvet och stänga fönsterluckorna.
    4. Upprepa steg 6.1.3 vid konen temperaturer på 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780, och 800 ° C.
  2. Fastställa de kon-temperaturer som motsvarar värme flödena från 3-50 kW/m2 använda de uppmätta datapunkterna och förutsatt att en linjär korrelation mellan datapunkterna.

7. brandfarlighet experiment av råolja i kon Setup (figur 2-3)

  1. I början av varje testomgång, kontrollera med värmeflödet mäta om kon temperaturen motsvarar en värmeflödet 10 kW/m2 fortfarande ger den rätta behandlingen (±5%). Om så är fallet, Fortsätt med protokollet. Om inte, upprepa steg 6 innan du fortsätter.
  2. I början av varje test session, slå på avgaser huven, slå på den gas analyzer och kalibrera den gas analyzer enligt de specifikationer som anges av tillverkaren.
  3. Se till att när provhållaren placeras under konen, finns det en sträcka på 23 mm mellan botten av konen och den yttre kanten av innehavaren.
  4. Hetta upp konen till en temperatur som motsvarar en värmeflödet 5 kW/m2.
    1. Under tiden svala vatten reservoaren till temperatur Funna i steg 5, Anslut vatten rören till provhållaren, öppna ventilerna och startar pumpen vid flödet steg 5. Skaka provhållaren för att ta bort eventuell luft instängd innehavaren. Starta datalogger och övervaka vattentemperaturen tills utströmmande vattentemperaturen har stabiliserats.
    2. När både konen och provhållaren stabilisera vid deras respektive inställda temperaturer, stoppa pumpen, stänga ventiler av provhållaren och koppla rören från ventilerna.
  5. Placera provhållaren i belastning skala och Taravikt skalan. Lägga till ett belopp av olja vid rumstemperatur provhållaren som motsvarar en slick tjocklek på 10 mm (dvs baserat på tätheten och en volym av 95 mL). Återanslut rören, öppna de bälgen förslutna ventilerna och starta pumpen igen.
  6. Starta datalogger för gas analyzer för att mäta den O2, CO2och kolmonoxidkoncentrationerna i förbränningsgaserna och temperaturen i - och ut - flowing vatten.
  7. Noggrant placera provhållaren under konen och redo två stoppur. Flytta spark tändaren i position över provet. Sedan öppna fönsterluckorna och starta första stoppuret.
  8. Vid tändning av olja, samtidigt stoppar första stoppuret och starta andra stoppuret. Flytta sedan spark igniter tillbaka in i dess neutrala position från brinnande provet.
    1. Om oljan inte antänds inom 10 min, sluta första stoppuret och flytta spark igniter tillbaka in i dess neutrala position. Sedan antända oljan med hjälp av en butan Handblåslampa och starta andra stoppuret.
      Försiktighet: Vid bränning oljor som innehåller vatten, kan antingen naturligt eller på grund av emulgering, en överkokning uppstå under brinnande (steg 4).
  9. Efter att branden är släckt, stoppa andra stoppuret, stänga fönsterluckorna och stoppa dataförvärvet gas analyzer och kylning vattentemperaturer. Sedan stoppa pumpen, stänga ventilerna, koppla rören och placera provhållaren i en tarerad skala. Registrera vikt av innehavaren av inklusive bränna återstoden.
  10. Rengöra innehavaren från några brända oljerester med flyktiga icke-polära lösningsmedel. Väga rengjorda innehavaren igen för att bestämma resthalter vikt. Sedan beräkna den brinnande effektiviteten och brinntid som beskrivs i steg 4,7.
  11. För varje olja som skall provas, upprepa steg 7,4-7.10 för värme flöden av 10, 20, 30, 40 och 50 kW/m2. Ta bort all sot som deponeras på konen värmare spolen efter varje experiment.
    1. För att fastställa minst erforderliga värmeflödet behövs för navcentrerade tändning, dvs den kritiska värmeflödet, kan det vara nödvändigt att testa ytterligare värme flussmedel. Upprepa steg 7,4-7.10 för värme flussmedel sänkas med 1 kW/m2 steg från den lägsta värmeflödet vid som lotsning tändning inträffade tills en värmeflödet är testad som lotsning tändning inte har observerats inom 10 min. Den kritiska värmeflödet är sedan knappt en 1 kW/m2 övre rad här värmeflödet.
      Försiktighet: Mycket flyktiga Oraffinerade oljor kan självantända när utsätts för hög värme Flusser (≥40 kW/m2), även när fönsterluckorna av konen värmaren är stängda.

8. yttemperatur vid tändning experiment av råolja i Flygplanets Setup (figur 4).

  1. Placera en 5-cm hög Pyrex glas cylinder med en I.D. 16,3 cm (OD 16,9 cm) på ett stativ, med en sammanlagd höjd 35-45 cm, i mitten av Flygplanets (figur 1). Placera två infraröda (IR) värmare monterade på justerbara rostfria fundament på två motsatta sidor av Pyrex glas cylindern på ett horisontellt avstånd på minst 5 cm från ytterkant cylindern.
    Obs: Den exakta specifikationer och dimensioner av IR värmare är irrelevant så länge de kan ge en tillräckligt hög värmeflödet till olja ytan att antända råoljor, som vanligtvis kräver 5-20 kW/m2 för tändning. En minsta effekt på 1 kW och minsta värmare bredd 17 cm rekommenderas. Alla kylsystem av IR värmare, såsom frånluftsfläktar, bör vidare inte interagera med oljeutsläppet under experimentet.
  2. För att mäta yttemperaturen vid antändning av en råolja, en incident värmeflödet 2-5 kW/m2 högre än dess kritiska värmeflödet (steg 7.11.1) rekommenderas.
    1. Förbereda en 100 kW/m2 heat flux mätare enligt steg 6.1.1-6.1.2 och Anslut heat flux mätaren till en datalogger. Plats värmeflödet mätare i mitten av Pyrex glas cylindern, uppåt, på en höjd av 1-2 mm under den övre kanten av cylindern. Den horisontella arean på denna höjd innanför den Pyrex glas cylinder från här på kallas ”det horisontella planet”. Detta horisontalplan motsvarar ytan av ett oljebälte inuti Pyrex glas cylindern.
      Anmärkning: Se till att värme flux mätaren kan flyttas fritt i horisontalplanet så att den kan mäta värmeflödet på olika platser i horisontalplanet. I Pyrex glas cylinder endast fungerar som ett visuellt hjälpmedel för att korrekt placera värmeflödet spårvidd horisontalplan, så om det behövs, Pyrex cylindern kan tas bort under steg 8,2.
    2. Starta datalogger, slå på IR värmare och övervaka värmeflödet vid mitten av horisontalplanet. Finjustera värmeflödet till horisontalplanet genom att justera rumsliga placeringen av IR värmare (höjd, vinkel och horisontella avståndet från horisontalplanet) och deras makt utgång procentandel tills det önskade värmeflödet erhålls.
    3. Mäta värmeflödet vid ytterkanterna på horisontalplanet. På alla platser, bör värmeflödet vara 2-5 kW/m2 högre än den kritiska värmeflödet av oljan som kommer att testas. Justera läge och power output procentandel av IR värmare enligt föregående steg, om det behövs.
    4. Efter varje justering av läge och makt produktionen av IR värmare, värdera värmeflödet till horisontalplanet vid dess center och ytterkanterna.
    5. Upprepa steg 8.2.2-8.2.5 tills det uppmätta värmeflödet under horisontalplanet är 2-5 kW/m2 högre än den kritiska värmeflödet av de valda olja. Sedan stänga av IR värmare och ta bort värme flux mätaren. Placera Pyrex glas cylindern tillbaka på sin monter, om det behövs.
  3. Fyll i Flygplanets med sötvatten (340-440 L) så att vattennivån är en centimeter nedanför kanten av Pyrex glas cylindern. Placera en propeller på en av sidorna av den Flygplanets vetter mot Pyrex glas cylindern på höjden hittade i steg 4.
  4. Placera och fixa en uppsättning av tre 1 mm tjock K-typ termoelement på 1-2 mm under kanten av Pyrex glas cylindern. Ordna termoelement så att de mäter längs radien av cylindern, med ett avstånd av ca 1-2 cm mellan varje termoelement. Anslut termoelement till en datalogger.
  5. Fäst en gnista tändare med en metall klämma en metallstav metall stativ som står i Flygplanets. Placera stativet så att tändaren kan enkelt flyttas från en neutral ställning till en position 2-3 cm ovanför centralområdet av Pyrex glas cylindern och tillbaka till sin neutrala position igen.
  6. Väga en mängd råolja motsvarar en 5 mm tjock oljeutsläppet i Pyrex glas cylindern (dvs baserat på täthet och volym 104 ml) i en aluminium maträtt.
  7. Häll råoljan på vattnet inuti Pyrex glas cylindern. Var noga med att inte spilla olja utanför botten av cylindern genom att hälla oljan för snabbt. Väga aluminium skålen igen och registrera den faktiska vikten av råolja hällde inuti Pyrex glas cylindern.
  8. Tillsätt långsamt vatten i Flygplanets tills ytan av oljan kommer bara i kontakt med de tre termoelement. Flytta spark igniter över oljan.
  9. Starta dataloggen och ett stoppur synkroniserade så att varje sekund matchar specifika Skanna flera. Slå på avgaser huven, propellern och spark tändaren. Slå på IR värmare och ställa in uteffekten till den procentandel som hittades i steg 8,2.
  10. Vid antändning av oljan, stoppa tidtagaruret och data logger, Stäng spark tändaren, och flytta den till sin neutrala position och inaktivera IR värmare och propellern. Sedan släcka elden genom att noggrant placera en icke brännbart täcka över Pyrex glas cylindern. Släcka elden kan kräva de termoelement flyttas bort först.
  11. Samla in och sälja av råolja med hydrofoba absorption kuddar. Dränera vatten från Flygplanets tills vattennivån är tillräckligt låg för att mäta värmeflödet till horisontalplanet igen med en heat flux mätare. Ren Pyrex glas cylinder med ett flyktigt icke-polära lösningsmedel.
  12. Plotta temperaturen av de tre termoelement som en funktion av antalet scan. Baserat på tiden på tidtagaruret, avgör motsvarande nummer för scan och uppritade diagrammet yttemperaturen vid tändning av testade råolja.
  13. För varje ytterligare olja som kommer att testas, upprepa steg 8,2-8.12.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 visar avdunstning kurvan av en lätt råolja som var avdunstat över flera dagar till en förlust av 30 wt % med den metod som beskrivs i steg 2. Figuren visar tydligt att efter den första dagen (19 h) av evaporativ vittring, avdunstningen minskar avsevärt, vilket möjliggör pauser som nämns i protokollet.

Figur 6 visar tändning fördröjningstiden som en funktion av värmeflödet från kon värmaren (steg 7, figur 2-3) för färska Grane (en tung råolja) och avdunstat Grane med förluster på 7 wt %. Resultatet ger ett exempel på ökad tändning fördröjningstiderna för avdunstat råoljor. Dessutom ökar den kritiska värmeflödet, företrädd av den vertikala asymptoter, också som en funktion av avdunstningsförluster. Övergripande, dessa resultat ger ett intryck av styrka och exponering varaktighet en antändningskälla behöver ha för att antända dessa olika typer av råoljor. Ytterligare resultat som erhållits med det protokoll som beskrivs häri kan hittas i Van Gelderen, Rojas Alva, et al. 32

En mer typisk presentation av tändning fördröjningstiden som en funktion av värmeflödet visas i figur 7. Råolja slicks fungerar vanligtvis som termiskt tjocka material och tändning fördröjningstiden (tig) kan sedan beskrivas av ekv (2)19,32.

Equation 2(2)

Här, k är värmeledningsförmåga, ρ densitet, c specifik värme koefficienten, Tig Yttemperaturen på tändning, T∞ omgivningstemperaturen (antas vara 20 ° C), en den absorptivity, och Equation 3 värmeflödet. Skriva om denna ekvation ger tändning fördröjningstiden som en linjär funktion av värmeflödet (ekv 3).

Equation 4(3)

Genom att rita tändning fördröjningstiden i form av 1 /Equation 5 som en funktion av värmeflödet, data bör visar en linjär trendlinje, och som sådan låta för att bedöma giltigheten av data. Dessutom sluttningarna av trendkurvor för olika råoljor ge en indikation av deras relativa termisk svängmassa (kρc) eftersom den lägre lutning, desto svårare är det att värma upp (och således antända) en råolja.

Resultatet för avdunstat Grane (figur 7) ger ett bra exempel på en datauppsättning som passar med sin linjära trendlinjen, med ett R2 -värde av 0.991. Resultaten för färska Grane börjar däremot, tydligt avviker från den linjära trenden på högre värme flussmedel (30 kW/m2). Detta beteende är mest sannolikt orsakas av de extremt korta tändning fördröjningstiderna (< 10 s) på sådan hög värme flussmedel för denna typ av flyktiga bränsle. Färsk Grane, liknar andra färska råoljor, innehåller en hög mängd flyktiga komponenter som antänds mycket snabbt under hög incident värme flussmedel. En av de antaganden som underliggande ekv (2) är att den tid det tar för brännbara gaser avdunstning från bränslet blandas med syre och nå spark igniter är försumbar33. Med tändningen fördröjningstiderna hos mindre än 10 sekunder, men blir denna blandning tid, som beräknas uppgå till storleksordningen några sekunder, en betydande bidragsgivare till tändning fördröjningstiden. Ekvation (2) gäller då inte längre med dessa kort tändning fördröjningstider och därmed data avviker från den linjära trendlinjen. När man studerar brandfarlighet av mycket flyktiga råoljor, bör detta beteende således beaktas när man analyserar den tändning dröjsmål tidsdata.

Figur 8 visar de värme release priserna som en funktion av tiden för en fräsch lätt råolja och en emulgerade lätt råolja (beredd enligt steg 2-3). De värme release har beräknats med den O2, CO2och CO koncentration mätningar från gas analyzer (steg 7) enligt ekv (26) från Janssens34. Se Kompletterande dokument för mer information på dessa beräkningar. Färsk råolja visar en typisk värme release rate profil av en långsamt sjunkande värmeeffekt över tid, som är representativt för alla råoljor som inte innehåller något vatten. Emulgerade råoljan visar ett bra exempel på explosivitet av överkokning fenomenet, med en värmeeffekt som snabbt ökar upp till en faktor fem gånger högre än den vanliga brinnande fasen före överkokning. Boilovers är mycket oregelbunden fenomen, dock och intensitet, varaktighet och tid för händelsen beror på stabilitet och volym andelen vattnet inuti råolja.

Figur 9 visar brinnande effektivitet och brinnhastigheten som en funktion av värmeflödet för en fräsch lätt råolja och en tung avdunstat olja med förluster på 7 wt %. Både förbränningshastigheten och bränna effektivitet ökar med ökande värmeflöde för bägge råolja. Brinnande effektivitet visar på låg värme flussmedel, en betydande skillnad mellan den färska lätt råoljan och den tunga avdunstat råoljan. På högre värme flussmedel konvergera brinnande effektivitetsvinsterna för dessa oljor mot liknande värden, vilket är typiskt beteende för alla typer av färska och väderbitna råolja. Brinnhastigheten visar inte denna konvergerande trend för olika oljor, eftersom brinntiden också förändras som en funktion av värmeflöde, som kan vara olika för varje typ av olja. För råoljor som innehåller vatten, bör andelen vatten i princip inte redovisas vid beräkning av den brinnande effektiviteten och brinnhastigheten, eftersom det är ett icke brännbart material. Men vattnet avdunsta under förbränningen och uppkomsten av överkokning ytterligare komplicerar brinnande effektivitet och brinnande hastighet anseende som det framdriver olja och vatten droppar från bränslet. Som sådan, emulgerade råoljor kan således Visa avvikelser från de data som visas, till exempel i figur 9, och försiktighet bör iakttas när man analyserar brinnande effektivitet och brinnande hastighet resultaten av råoljor som innehåller vatten.

Figur 10 visar Yttemperaturen på två termoelement på bränsle ytan som funktion av tiden för en avdunstat lätt råolja med förluster på 20 wt % i Flygplanets setup (steg 8, figur 4). Resultatet visar en tydlig stegring i temperatur efter 178 s. Precis innan detta ögonblick är Yttemperaturen på råoljan 129 ° C mätt med båda termoelement, vilket är Yttemperaturen på tändning. I kombination med tändning dröjsmål tid resultaten för denna olja (steg 7), kan ekv (2) sedan användas för att beräkna den termiska trögheten för oljan. Tabell 1 visar värmetröghet värdena för denna avdunstat lätt råolja baserat på dess yttemperatur vid tändning på 129 ° C och dess tändning fördröjningstider som en funktion av värmeflödet. Wu, et al. 19 fann att absorptivity inte gick att ange enhet för råoljor och denna term ingick därmed i de termiska trögheten beräkningarna. Litteratur värden av den termiska trögheten för råoljor för jämförelser kan hittas i Wu, et al. 19 och Ranellone, et al. 20

Figure 1
Figur 1 : Scheman över inställningen för Flygplanets. Schemat inkluderar en detaljerad vy av Pyrex glas cylindern på stativet (vänster), en ovanifrån av Flygplanets (mitten) och cross sectional utsikt över hela installationsprogrammet (höger). Dessutom visar en uppsättning av tre närbilder (a-c) påfyllningen av den Flygplanets som motsvarar protokollstegen 4.1 a 4.4 b och 4,5 (c). Flygplanets installationen används i steg 4 för att bestämma kalibreringspunkterna av brinnande effektivitet och brinnhastigheten en råolja för inställningen av konen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Full Schematisk översikt av konen setup (inte att skala). Installationen består av en kon värmare med en styrenhet, en skräddarsydd kon provhållare, peristaltiska pumpen och vattenkylning reservoar och ett avgassystem huva med en Gasanalysator. Schemat har också en närbild av termoelement placering i vatten rören (steg 5.1). Denna inställning används i steg 7 för att studera brandfarlighet av råoljor. Observera att det finns ingen direkt kontakt mellan oljan och kylvattnet i den här installationen eftersom de är åtskilda av en metallhållare. Detaljer för kon provhållaren ges i figur 3. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Detaljerad tvärsnittsdata Schematisk av cirkulär provhållaren av konen installationen. Metallkanter hindra oljan från överfyllda vid tändning och är vinklad 30° från oljeutsläppet att minimera re strålning. Denna kon provhållaren används i steg 7 för att studera brandfarlighet av råoljor. Observera att det finns ingen direkt kontakt mellan oljan och kylvattnet i den här installationen eftersom de är åtskilda av en metallhållare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 : Scheman över Flygplanets setup för att studera Yttemperaturen på råolja vid tändning. Schemat visar en ovanifrån (vänster) och tvärsnittsvyn (höger) och installationen inkluderar infraröd (IR) värmare, en gnista tändare och en uppsättning av tre termoelement att mäta Yttemperaturen på oljeutsläppet (steg 8). Ytterligare detaljer för Flygplanets setup visas i figur 1. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5 : Avdunstningsförluster av en lätt råolja (DUC) som en funktion av tiden. Data erhölls med luft bubblande metoden som beskrivs i steg 2 och visar tydligt en minskad Avdunstningshastighet efter första dagen (19 h).

Figure 6
Figur 6 : Tändning dröjsmål tid resultaten som en funktion av incidenten värma flux för en fräsch och avdunstat (förlust av 7 wt %) tung råolja (Grane). Dessa data erhölls med kon setup (figur 2) enligt protokollet i steg 7. Den vertikala asymptoter visar den kritiska värmeflödet (4 och 7 kW/m2) inom en 1 kW/m2 övre intervallet. Felstaplarna indikerar ett dataområde baserat på 2-3 experiment.

Figure 7
Figur 7 : Tändning dröjsmål tid resultaten som en funktion av incidenten värma flux för en fräsch och avdunstat (förlust av 7 wt %) tung råolja (Grane). Dessa data erhölls med kon setup (figur 2), enligt protokollet i steg 7, och behandlas med ekv (2). Resultaten indikerar att den avdunstade Grane har en högre termisk tröghet än färska Grane, som förväntat. Diagrammet visar dessutom hur, för flyktiga råoljor vid hög incident värme flussmedel, mycket kort tändning fördröjningstiderna (< 10 s) kan avvika från den linjära trendlinjen. Felstaplarna indikerar ett dataområde baserat på 2-3 experiment.

Figure 8
Figur 8 : Värmeeffekt som funktion av tiden för en ljus fräsch råolja och en emulgerade lätt råolja med avdunstat förluster av 40 wt % och som innehåller 40 vol % vatten. Data erhölls från kon setup (figur 2) genom att bearbeta den O2, CO2och CO koncentration mätningar från gas analyzer (steg 7) enligt ekv (26) från Janssens34. Den färska råoljan visar en vanlig värme release rate profil för råoljor utan vatten innehåll. Den emulgerade lätt råoljan resulterade i en överkokning i slutet av bränningen och dess värme release profil ger en indikation på intensiteten i en överkokning jämfört med en vanlig råolja brand.

Figure 9
Figur 9 : Förbränning effektivitet och bränna Betygsätt som en funktion av värmeflödet för en fräsch lätt råolja (DUC) och en avdunstat tung råolja med förluster på 7 wt % (Grane 7%). Data erhölls i kon setup (figur 2) enligt steg 7 och visa hur brinnande effektivitetsvinsterna av olika råolja typer konvergerar på hög incident värme flussmedel. Alla datapunkter hade ett maximalt fel på 2,5% från visas genomsnitten.

Figure 10
Figur 10 : Vattentemperatur som funktion av tiden för två termoelement under försökstiden tändning i Flygplanets med en avdunstat lätt råolja med förluster på 20 wt %. Data erhölls i Flygplanets setup (figur 4) enligt protokollet i steg 8. En plötslig stegring i temperatur efter 178 s anger tidpunkten för tändning. Temperatur höger innan denna plötsliga temperatur spike visar Yttemperaturen på tändning.

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

Tabell 1: tändning fördröjningstider och motsvarande värmetröghet som en funktion av incidenten värma flux för en avdunstat lätt råolja med förluster på 20 wt %. Den termiska trögheten beräknas med hjälp av ekv (2), baserat på tändning dröjsmål tid uppgifterna i steg 7 och yttemperaturen på tändning data i steg 8.

Kompletterande dokument Vänligen klicka här för att ladda ner detta dokument

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De två vittring metoder som diskuteras i detta dokument är en relativt enkel approximation av vittring processer att en spilld olja på vatten utsätts för17. Andra, mer sofistikerade vittring metoder kan också användas för att tillhandahålla väderbitna råolja prover, såsom den cirkulerande flume beskrivs av Brandvik och Faksness35. Fördelen med de presenterade metoderna är att de kräver enkel utrustning och lätt kan utföras i laboratoriemiljö. De resulterande väderbitna råoljor är sedan funktionella för brandfarlighet och brinnande effektivitetsstudier i detta protokoll, vilket framgår i avsnittet representativt resultat.

En av de viktigaste begränsningarna i protokollet är kalibrering av den vattenkylning för kon installation (steg 5). Problemet är att det finns ingen referensdata för i situ burning fältexperiment på samma skala och under liknande förhållanden som kon inställning. Det finns vidare ingen lättillgänglig värme överföring modeller som kan användas i praktiken för att bestämma värme balansen mellan en brinnande råolja och dess flödande vatten sub lager. Den vattenkylning kalibrering därför måste baseras på experimentella data från Flygplanets setup (steg 4). Som nämns i protokollet, kan kalibreringen sedan ske antingen enstaka oljor eller för varje olja separat. Utan referensdata eller en lämplig värme överföring modell är det omöjligt att veta vilken av dessa metoder, om någon, ger en korrekt återgivning av den värma balanserar för i situ burning råolja på vatten.

Värme balansen i kon inställningen kompliceras ytterligare genom att utsätta råoljan till en extern värme flux, som också kan påverka kylkapacitet vatten som rinner genom kon provhållaren. Under förbränningen av en råolja under kon värmaren, ökar utströmmande vattnet i temperatur över tiden, vars omfattning beror på värmeflödet. Vid det maximalt värmeflödet 50 kW/m2observerades även vattnet att vara kokande, som ånga kom ur vattenutloppet. Det är för närvarande oklart i vilken utsträckning kylvattnet värms direkt av konen värmaren (och inte den brinnande oljan) och om den har en betydande inverkan på resultaten. Endast genom en omfattande empirisk experimentell studie skulle det vara möjligt att optimera den vattenkylning kalibrering för alla testade incident värme flöden och för varje testad olja typ. Trots dessa problem bättre genomföra den vattenkylning i kon setup utan tvekan förmåga att inställningen för kon att representera i situ burning villkor. Preliminära experiment med en provhållare utan vattenkylning misslyckades att återge låga brinnande effektivitetsvinsterna hos Flygplanets och kunde inte användas för att representera i situ förbränning av råolja. Diskuterade begränsning är således inte en fråga om huruvida de nuvarande kon setup representerar i situ burning villkor råolja på vatten, men i vilken utsträckning korrekt representerar dessa villkor. Såvitt vi känner till, är laboratorieförfarande som presenteras, trots denna begränsning, för närvarande den mest realistiska metoden för att studera brandfarlighet och brinnande effektivitet i situ burning råolja på vatten.

Ett avgörande steg i protokollet är mätning av yttemperatur vid tändning i Flygplanets setup (steg 8). Det är mycket viktigt att när propellern slås på, ytan av oljeutsläppet inuti Pyrex glas cylindern är så stilla som möjligt. Om olja ytan är alltför mycket i (vertikal) rörelse, bör platsen och flödet av propellern (steg 4) justeras för att minska turbulensen på olja ytan. Utan en fortfarande olja yta blir det mycket utmanande att noggrant mäta Yttemperaturen på tändningen i steg 8. Valet av IR-värmare är också avgörande för framgång i detta steg. Under utvecklingen av detta protokoll konstaterades det att IR värmare behöver ha en mycket hög strålning utgång, samtidigt som den är så kompakt som möjligt och har ett kylsystem som inte stör Temperaturmätningarna. Det är därför viktigt att noga välja en uppsättning IR värmare för Flygplanets inställningar i figur 4. Idealiskt, IR värmare behöver för att kunna ge en värmeflödet minst 15 kW/m2 med avstånd mycket längre bort än 5 cm från Pyrex glas cylindern. Detta skulle möjliggöra använder IR värmare medan råoljan brinner. Råoljor brinnande effektivitet kan sedan testas som en funktion av en värmeflöde i ett experiment som bättre representerar i situ burning villkor.

Ytterligare kan förbättringar av återgivningen av i situ burning villkor under brandfarlighet och brinnande effektivitet experiment göras genom olika ändringar eller kompletteringar av Flygplanets och konen uppställningar. För närvarande genomförs experimenten under mycket lugn miljöförhållanden. Det har visats genom i situ burning fältstudier, dock att vågor och vind kan också påverka brandfarlighet av råolja5,21,36,37. För att simulera sådana villkor, kunde Flygplanets till exempel utrustas med en wave maker och fans som skapar en vind över vattenytan. Kallare klimat kunde simuleras med hjälp av en kallare Kylmedlets i kon setup, liknar Ranellone, et al. 20, eller genom att lägga till ice vatten kroppen i Flygplanets. Slutligen kan de råolja slicks ursprungliga tjocklek varieras i experiment, eftersom detta är också en parameter som är kända för att påverka den brandfarlighet och brinnande effektivitet av råoljor5,22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill tacka det danska rådet för oberoende forskning för finansieringen av projektet (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden finansierade byggandet av råolja brandfarlighet apparaten och gas analyzer, inklusive kanalen skäret. Maersk Oil och Statoil som tillhandahålls av råoljor som användes för representativa resultat. Ingen av sponsorer har varit inblandade i protokollet eller resultaten av detta papper. Författarna vill även tacka Ulises Rojas Alva för hjälp med att konstruera modifierade kon provhållaren.

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

Ingenjörsvetenskap utfärda 135 In Situ Burning råolja vittring värmeöverföring brandfarlighet förbränning effektivitet
Experimentell förfarande för laboratoriestudier av <em>In Situ</em> Burning: brandfarlighet och förbränning effektivitet av råolja
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