一種提高就地燃燒法處理海上溢油效率的方法與流程
2023-07-27 23:57:27
本發明涉及海洋溢油處理應用領域，具體涉及一種提高就地燃燒法處理海上溢油效率的方法。
背景技術：
在海上油氣生產及運輸過程中，溢油是一類常見且危害巨大的事故。海上溢油往往會給當地海洋環境、生物多樣性以及漁業造成了災難性的影響。因此，快速有效地處理海上溢油對於降低溢油造成的水體汙染，保障生態環境和生物多樣性具有重要意義。目前常用的處理海上溢油事故的方法主要包括物理法、化學法、生物處理法和就地燃燒法等方法。
就地燃燒法是通過使用圍油欄將溢油聚攏，之後採用直接燃燒的方法對溢油進行處理的方法。就地燃燒法在洩漏源頭將溢油燃燒掉，可以大幅減少溢油對水體的影響，降低傳統清理岸線產生的廢棄物數量以及海鳥和哺乳動物等接觸油類的機會。另外，在溢油事故發生後，若能及時採取就地燃燒法處理海面溢油，其溢油清除率可以達到90％以上，部分情況下甚至可以達到98％以上。因此，就地燃燒法作為一種快速、低成本的清除溢油方法，已在美國墨西哥灣「深水地平線」平臺爆炸溢油等事故處理中多次應用並取得了較為理想的效果。
然而，由於海洋環境、燃油種類與特性的多樣性，就地燃燒法在應用過程中目前仍存在諸多缺點，具體為：
(1)難以引燃乳化油。在海風與海浪作用下，海面溢油會在事故發生後的較短時間內迅速被乳化。一般而言，溢油事故發生一天後，溢油乳化率能達到25％以上，惡劣環境中則能達到40-60％以上。較高的乳化率導致溢油難以被引燃或持續燃燒，降低溢油事故處理效率。
(2)燃燒速率較低。現有的就地燃燒法處理海上溢油事故時，採用傳統的直接引燃溢油的方式。這種方式在燃燒過程中，火焰傳遞到燃油表面的能量只佔火焰熱輻射總能量的1％-5％，其餘大部分能量都散失到周圍環境中。小比例的熱反饋導致溢油產生可燃蒸氣的速率較低，也即是燃燒速率較低，降低了溢油事故處理效率。
技術實現要素：
本發明的目的就是針對現有技術存在的上述缺陷，提供一種提高就地燃燒法處理海上溢油效率的方法，所述方法不僅能夠充分引燃含水量較高的海面溢油，而且能提高就地燃燒法處理海洋溢油事故的燃燒速率與效率。
具體的，本申請技術方案如下：
一種提高就地燃燒處理海上溢油效率的方法，在傳統的圍油欄形成的燃燒區域內，豎直固定金屬導熱杆；所述金屬導熱杆露出液面部分為集熱段，所述金屬導熱杆浸沒在溢油層中的部分為加熱段；所述集熱段在燃燒過程吸收大量火焰熱輻射傳遞的能量，並通過自身的熱傳導效應將吸收的能量向下傳遞，直接增加了溢油層吸收的熱量；同時，浸沒在溢油層中的金屬杆加熱段在高溫作用下，加速金屬杆加熱段與周圍溢油之間的熱交換，增大了溢油層內部的熱傳遞效應，提高溢油層吸收火焰熱量的效果，達到了充分引燃乳化油，並提高燃燒速率的目的。
所述金屬導熱杆的外部形狀、內部填充物、數量、總長度及沒入溢油層的加熱段長度，可根據不同環境條件與溢油特點進行調整，達到最佳處理效率。
其中，所述金屬導熱杆的外部形狀包括圓柱形、矩形、六邊形及其他形狀；優選的，所述金屬導熱杆的外部形狀為矩形。
所述金屬導熱杆內部為實心結構或者中空結構。
所述金屬導熱杆通過添加金屬、合金以及其他導熱率較高的物質，來提高所述金屬導熱杆導熱效率；
所述金屬導熱杆的數量為1至多個，本領域技術人員可根據具體的溢油環境，通過改變所述金屬導熱杆數量來提高燃燒效率；
具體的，乳化率、導熱杆數量與燃燒速率增大比例間的關係為：
z＝16.22x2-0.005y2+1.124xy-13.43x-0.13y+3.44
其中，x為溢油乳化率，y為添加的導熱杆數量，單根導熱杆橫截面面積與油層面積之比為1×10-4，z為燃燒速率增大比例。
所述金屬導熱杆的總長度及沒入溢油層的加熱段長度，本領域技術人員可根據溢油層厚度、溢油燃燒特性進行調整，達到最佳處理效率；其中，加熱段長度由溢油層厚度決定，為保證效率與經濟效益最大化，加熱段長度與溢油層厚度之比為1-1.5：1；而集熱段長度則根據油池火平均火焰高度確定，即集熱段長度L等於平均火焰高度H，所述平均火焰高度H則通過油池火平均火焰高度計算公式得到，即：
其中，L是導熱杆集熱段長度，H是油池火平均火焰高度，D是溢油層油池的直徑，是溢油燃燒的熱釋放速率；而溢油燃燒的熱釋放速率則由溢油本身性質與燃燒速率決定，即：
其中，m」是溢油的質量燃燒速率，ΔH是溢油的燃燒熱。
所述方法燃燒過程中的熱傳遞過程包括：火焰與溢油層表面熱輻射、火焰與金屬導熱杆間熱輻射、金屬導熱杆內熱傳導、金屬導熱杆與溢油層間熱傳導、溢油層內部熱對流；其中，火焰與金屬導熱杆間熱輻射、金屬導熱杆內部熱傳導、金屬導熱杆與溢油層間熱傳導的傳熱路徑增大了火焰傳遞到溢油層表面的總能量；金屬導熱杆浸沒在溢油層中的加熱段，與溢油層共同作用，在溢油層內部形成熱對流循環，提高傳熱速率與效率。
本發明的有益效果是：本發明提供一種提高就地燃燒法處理海洋溢油效率的方法，可以提高燃燒過程中火焰傳遞到溢油層的熱量，充分引燃含水量較高的海面溢油，尤其是含水量較高的乳化油，提高就地燃燒法處理海洋溢油事故的效率；可以提高溢油層內部的熱交換速率，提高就地燃燒法處理海洋溢油事故的燃燒速率與效率。
附圖說明
下面參照非限制性的附圖，僅通過例子對本發明加以說明，其中：
圖1是本發明的燃燒方法示意圖；
圖2是本發明的金屬導熱杆示意圖；
圖3是現有就地燃燒法處理海洋溢油與本燃燒方法處理海洋溢油過程中的傳熱分析、質量燃燒速率對比圖；
圖4是不同形狀導熱杆作用下燃燒速率提高比例對比示意圖；
圖5(a)是乳化率25％的燃油在無金屬導熱杆、添加37根金屬導熱杆、添加59根金屬導熱杆三燃燒條件下的溢油層內部高溫區域厚度示意圖；
圖5(b)是乳化率40％的燃油在無金屬導熱杆、添加37根金屬導熱杆、添加59根金屬導熱杆三燃燒條件下的溢油層內部高溫區域厚度示意圖；
圖5(c)是乳化率60％的燃油在無金屬導熱杆、添加37根金屬導熱杆、添加59根金屬導熱杆三燃燒條件下的溢油層內部高溫區域厚度示意圖；
圖6是不同乳化率、不同數量導熱杆作用下燃燒速率提高比例對比。
圖中：1-圍油欄、2-金屬導熱杆、3-溢油層、4-溢油層表面、5-金屬導熱杆集熱段、6-金屬導熱杆加熱段、7-溢油表面吸收火焰熱輻射、8-金屬導熱杆吸收火焰熱輻射、9-金屬導熱杆內部熱傳導、10-溢油層內部熱對流。
具體實施方式
概括來說，本發明提供了一種提高就地燃燒法處理海上溢油效率的方法。
如圖1所示，一種提高就地燃燒法處理海上溢油效率的方法，其實施方法為：在傳統就地燃燒法處理海洋溢油事故的過程中，在圍油欄1形成的燃燒區域內的溢油層3內部豎直固定若干金屬導熱杆2，通過導熱杆2來提高燃燒過程中火焰向下熱輻射能量傳遞。
如圖2所示，方法實施過程中，導熱杆2露出溢油層表面4的部分為導熱杆集熱段5，用於收集燃燒中火焰熱輻射並向下傳遞；浸沒在溢油層3中的部分為導熱杆加熱段6，將導熱杆集熱段5收集的熱量傳遞到溢油層。
如圖3所示，圖3(a)現有就地燃燒法處理海洋溢油過程中，火焰能量只能通過溢油層表面4吸收火焰熱輻射6的形式來加熱溢油層；圖3(b)中，當在溢油層3內部使用金屬導熱杆2後，在原有溢油表面吸收烻熱輻射7作用的同時，導熱杆吸收火焰熱輻射8，並通過導熱杆內部熱傳導9將吸收的熱量傳遞到導熱杆加熱段6，進而促進溢油層內部熱對流10；圖3(c)中，兩種燃燒方法下，添加金屬導熱杆燃燒方法作用下，溢油層質量燃燒速率遠大於現有燃燒方法的質量燃燒速率，同時，添加金屬導熱杆燃燒方法作用下，燃燒達到最大燃燒速率的時間、熄滅時間分別要小於現有燃燒方法燃燒下Δt1、Δt2。
不同形狀及中空與否的導熱杆，其在就地燃燒法處理海洋溢油過程中對於燃燒速率的提升作用有所不同，從圖4中可以看出，矩形金屬導熱杆對於燃燒速率的提升作用最為明顯。
所述金屬導熱杆通過添加金屬、合金以及其他導熱率較高的物質，來提高所述金屬導熱杆導熱效率；
所述金屬導熱杆的數量為1至多個，本領域技術人員可根據具體的溢油環境，通過改變所述金屬導熱杆數量來提高燃燒效率；
具體的，乳化率、導熱杆數量與燃燒速率增大比例間的關係為：
z＝16.22x2-0.005y2+1.124xy-13.43x-0.13y+3.44
其中，x為溢油乳化率，y為添加的導熱杆數量，單根導熱杆橫截面面積與油層面積之比為1×10-4，z為燃燒速率增大比例。
所述金屬導熱杆的總長度及沒入溢油層的加熱段長度，本領域技術人員可根據溢油層厚度、溢油燃燒特性進行調整，達到最佳處理效率；其中，加熱段長度由溢油層厚度決定，為保證效率與經濟效益最大化，加熱段長度與溢油層厚度之比為1-1.5：1；而集熱段長度則根據油池火平均火焰高度確定，即集熱段長度L等於平均火焰高度H，所述平均火焰高度H則通過油池火平均火焰高度計算公式得到，即：
其中，L是導熱杆集熱段長度，H是油池火平均火焰高度，D是溢油層油池的直徑，是溢油燃燒的熱釋放速率；而溢油燃燒的熱釋放速率則由溢油本身性質與燃燒速率決定，即：
其中，m」是溢油的質量燃燒速率，ΔH是溢油的燃燒熱。
為了更好的解釋本發明對提高就地燃燒法處理海洋溢油過程中燃燒速率的促進作用，下面以一組實驗數據進一步具體說明其效果：
一共開展9組溢油燃燒實驗，其中溢油乳化率分為25％、40％、60％三種，銅製圓柱形導熱杆致直徑為1cm，總長度為46cm，其中集熱段長度為32cm，加熱段長度為14cm；實驗中採用不添加金屬導熱杆、添加37根金屬導熱杆、添加59根金屬導熱杆三種燃燒方法；實驗中使用的油池直徑為100cm，內高為15cm，油層厚度為14cm；沿油池內部豎直中心布置若干熱電偶，用於記錄燃油溫度；通過在油池下方放置電子天平，用於記錄油池質量變化。
溢油燃燒過程中，高溫油層(溫度大於100℃)的厚度是衡量溢油(乳化油)能否被充分引燃的重要指標，而溢油質量燃燒速率則是衡量燃燒效率與效益的主要指標，因此實驗中主要通過測量溢油層的高溫油層厚度的大小和質量燃燒速率的大小來比較不同燃燒方法的效果。
依據本發明的方法開展的燃燒實驗，在燃燒100s時，乳化率分別為25％、40％、60％的實驗組，其對應的內部高溫油層厚度分別如圖5(a)-圖5(c)所示；不添加金屬導熱杆、添加37根金屬導熱杆、添加59根金屬導熱杆三種燃燒方法實驗中，25％乳化率條件下，三種燃燒方法的內部高溫油層厚度依次為3.8cm、5cm、7.8cm；40％乳化率條件下，三種燃燒方法的內部高溫油層厚度依次為5cm、6.3cm、14cm；60％乳化率條件下，三種燃燒方法的內部高溫油層厚度依次為2.5cm、5cm、8.9cm；所有乳化率實驗條件下，溢油層內部高溫油層的厚度均隨著溢油層內金屬導熱杆數量的增加而增大，說明金屬導熱杆的加入增加了火焰傳遞到溢油層的熱量，乳化油更易被加熱。
依據本發明的方法開展的燃燒實驗，乳化率分別為25％、40％、60％的實驗組，其在不同燃燒條件下的對應燃燒速率如圖6所示；其中，25％乳化率條件下，添加37根導熱杆與添加59根導熱杆的燃燒速率相比於無導熱杆燃燒速率分別增大了183％、350％；40％乳化率條件下，添加37根導熱杆與添加59根導熱杆的燃燒速率相比於無導熱杆燃燒速率分別增大了187％、775％；60％乳化率條件下，添加37根導熱杆與添加59根導熱杆的燃燒速率相比於無導熱杆燃燒速率分別增大了182％、650％；同樣的，所有乳化率實驗條件下，溢油層的質量燃燒速率因金屬導熱杆的加入大幅增大，同時隨金屬導熱杆數量的增加而增大幅度也在增大，說明金屬導熱杆的加入對於溢油質量燃燒速率的提高具有顯著促進作用，提高了溢油燃燒效率。
上述雖然結合實施例對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。