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

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 arktiska^{3,4,5 ,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 system^5,7,8,9. 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.

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. 2…

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 f…

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 resulteran…

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.