一种提高就地燃烧法处理海上溢油效率的方法与流程

本发明涉及海洋溢油处理应用领域，具体涉及一种提高就地燃烧法处理海上溢油效率的方法。

背景技术：

在海上油气生产及运输过程中，溢油是一类常见且危害巨大的事故。海上溢油往往会给当地海洋环境、生物多样性以及渔业造成了灾难性的影响。因此，快速有效地处理海上溢油对于降低溢油造成的水体污染，保障生态环境和生物多样性具有重要意义。目前常用的处理海上溢油事故的方法主要包括物理法、化学法、生物处理法和就地燃烧法等方法。

就地燃烧法是通过使用围油栏将溢油聚拢，之后采用直接燃烧的方法对溢油进行处理的方法。就地燃烧法在泄漏源头将溢油燃烧掉，可以大幅减少溢油对水体的影响，降低传统清理岸线产生的废弃物数量以及海鸟和哺乳动物等接触油类的机会。另外，在溢油事故发生后，若能及时采取就地燃烧法处理海面溢油，其溢油清除率可以达到90％以上，部分情况下甚至可以达到98％以上。因此，就地燃烧法作为一种快速、低成本的清除溢油方法，已在美国墨西哥湾“深水地平线”平台爆炸溢油等事故处理中多次应用并取得了较为理想的效果。

然而，由于海洋环境、燃油种类与特性的多样性，就地燃烧法在应用过程中目前仍存在诸多缺点，具体为：

(1)难以引燃乳化油。在海风与海浪作用下，海面溢油会在事故发生后的较短时间内迅速被乳化。一般而言，溢油事故发生一天后，溢油乳化率能达到25％以上，恶劣环境中则能达到40-60％以上。较高的乳化率导致溢油难以被引燃或持续燃烧，降低溢油事故处理效率。

(2)燃烧速率较低。现有的就地燃烧法处理海上溢油事故时，采用传统的直接引燃溢油的方式。这种方式在燃烧过程中，火焰传递到燃油表面的能量只占火焰热辐射总能量的1％-5％，其余大部分能量都散失到周围环境中。小比例的热反馈导致溢油产生可燃蒸气的速率较低，也即是燃烧速率较低，降低了溢油事故处理效率。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种提高就地燃烧法处理海上溢油效率的方法，所述方法不仅能够充分引燃含水量较高的海面溢油，而且能提高就地燃烧法处理海洋溢油事故的燃烧速率与效率。

具体的，本申请技术方案如下：

一种提高就地燃烧处理海上溢油效率的方法，在传统的围油栏形成的燃烧区域内，竖直固定金属导热杆；所述金属导热杆露出液面部分为集热段，所述金属导热杆浸没在溢油层中的部分为加热段；所述集热段在燃烧过程吸收大量火焰热辐射传递的能量，并通过自身的热传导效应将吸收的能量向下传递，直接增加了溢油层吸收的热量；同时，浸没在溢油层中的金属杆加热段在高温作用下，加速金属杆加热段与周围溢油之间的热交换，增大了溢油层内部的热传递效应，提高溢油层吸收火焰热量的效果，达到了充分引燃乳化油，并提高燃烧速率的目的。

所述金属导热杆的外部形状、内部填充物、数量、总长度及没入溢油层的加热段长度，可根据不同环境条件与溢油特点进行调整，达到最佳处理效率。

其中，所述金属导热杆的外部形状包括圆柱形、矩形、六边形及其他形状；优选的，所述金属导热杆的外部形状为矩形。

所述金属导热杆内部为实心结构或者中空结构。

所述金属导热杆通过添加金属、合金以及其他导热率较高的物质，来提高所述金属导热杆导热效率；

所述金属导热杆的数量为1至多个，本领域技术人员可根据具体的溢油环境，通过改变所述金属导热杆数量来提高燃烧效率；

具体的，乳化率、导热杆数量与燃烧速率增大比例间的关系为：

z＝16.22x²-0.005y²+1.124xy-13.43x-0.13y+3.44

其中，x为溢油乳化率，y为添加的导热杆数量，单根导热杆横截面面积与油层面积之比为1×10^-4，z为燃烧速率增大比例。

所述金属导热杆的总长度及没入溢油层的加热段长度，本领域技术人员可根据溢油层厚度、溢油燃烧特性进行调整，达到最佳处理效率；其中，加热段长度由溢油层厚度决定，为保证效率与经济效益最大化，加热段长度与溢油层厚度之比为1-1.5：1；而集热段长度则根据油池火平均火焰高度确定，即集热段长度L等于平均火焰高度H，所述平均火焰高度H则通过油池火平均火焰高度计算公式得到，即：

其中，L是导热杆集热段长度，H是油池火平均火焰高度，D是溢油层油池的直径，是溢油燃烧的热释放速率；而溢油燃烧的热释放速率则由溢油本身性质与燃烧速率决定，即：

其中，m”是溢油的质量燃烧速率，ΔH是溢油的燃烧热。

所述方法燃烧过程中的热传递过程包括：火焰与溢油层表面热辐射、火焰与金属导热杆间热辐射、金属导热杆内热传导、金属导热杆与溢油层间热传导、溢油层内部热对流；其中，火焰与金属导热杆间热辐射、金属导热杆内部热传导、金属导热杆与溢油层间热传导的传热路径增大了火焰传递到溢油层表面的总能量；金属导热杆浸没在溢油层中的加热段，与溢油层共同作用，在溢油层内部形成热对流循环，提高传热速率与效率。

本发明的有益效果是：本发明提供一种提高就地燃烧法处理海洋溢油效率的方法，可以提高燃烧过程中火焰传递到溢油层的热量，充分引燃含水量较高的海面溢油，尤其是含水量较高的乳化油，提高就地燃烧法处理海洋溢油事故的效率；可以提高溢油层内部的热交换速率，提高就地燃烧法处理海洋溢油事故的燃烧速率与效率。

附图说明

下面参照非限制性的附图，仅通过例子对本发明加以说明，其中：

图1是本发明的燃烧方法示意图；

图2是本发明的金属导热杆示意图；

图3是现有就地燃烧法处理海洋溢油与本燃烧方法处理海洋溢油过程中的传热分析、质量燃烧速率对比图；

图4是不同形状导热杆作用下燃烧速率提高比例对比示意图；

图5(a)是乳化率25％的燃油在无金属导热杆、添加37根金属导热杆、添加59根金属导热杆三燃烧条件下的溢油层内部高温区域厚度示意图；

图5(b)是乳化率40％的燃油在无金属导热杆、添加37根金属导热杆、添加59根金属导热杆三燃烧条件下的溢油层内部高温区域厚度示意图；

图5(c)是乳化率60％的燃油在无金属导热杆、添加37根金属导热杆、添加59根金属导热杆三燃烧条件下的溢油层内部高温区域厚度示意图；

图6是不同乳化率、不同数量导热杆作用下燃烧速率提高比例对比。

图中：1-围油栏、2-金属导热杆、3-溢油层、4-溢油层表面、5-金属导热杆集热段、6-金属导热杆加热段、7-溢油表面吸收火焰热辐射、8-金属导热杆吸收火焰热辐射、9-金属导热杆内部热传导、10-溢油层内部热对流。

具体实施方式

概括来说，本发明提供了一种提高就地燃烧法处理海上溢油效率的方法。

如图1所示，一种提高就地燃烧法处理海上溢油效率的方法，其实施方法为：在传统就地燃烧法处理海洋溢油事故的过程中，在围油栏1形成的燃烧区域内的溢油层3内部竖直固定若干金属导热杆2，通过导热杆2来提高燃烧过程中火焰向下热辐射能量传递。

如图2所示，方法实施过程中，导热杆2露出溢油层表面4的部分为导热杆集热段5，用于收集燃烧中火焰热辐射并向下传递；浸没在溢油层3中的部分为导热杆加热段6，将导热杆集热段5收集的热量传递到溢油层。

如图3所示，图3(a)现有就地燃烧法处理海洋溢油过程中，火焰能量只能通过溢油层表面4吸收火焰热辐射6的形式来加热溢油层；图3(b)中，当在溢油层3内部使用金属导热杆2后，在原有溢油表面吸收烻热辐射7作用的同时，导热杆吸收火焰热辐射8，并通过导热杆内部热传导9将吸收的热量传递到导热杆加热段6，进而促进溢油层内部热对流10；图3(c)中，两种燃烧方法下，添加金属导热杆燃烧方法作用下，溢油层质量燃烧速率远大于现有燃烧方法的质量燃烧速率，同时，添加金属导热杆燃烧方法作用下，燃烧达到最大燃烧速率的时间、熄灭时间分别要小于现有燃烧方法燃烧下Δt₁、Δt₂。

不同形状及中空与否的导热杆，其在就地燃烧法处理海洋溢油过程中对于燃烧速率的提升作用有所不同，从图4中可以看出，矩形金属导热杆对于燃烧速率的提升作用最为明显。

所述金属导热杆通过添加金属、合金以及其他导热率较高的物质，来提高所述金属导热杆导热效率；

所述金属导热杆的数量为1至多个，本领域技术人员可根据具体的溢油环境，通过改变所述金属导热杆数量来提高燃烧效率；

具体的，乳化率、导热杆数量与燃烧速率增大比例间的关系为：

z＝16.22x²-0.005y²+1.124xy-13.43x-0.13y+3.44

其中，x为溢油乳化率，y为添加的导热杆数量，单根导热杆横截面面积与油层面积之比为1×10^-4，z为燃烧速率增大比例。

所述金属导热杆的总长度及没入溢油层的加热段长度，本领域技术人员可根据溢油层厚度、溢油燃烧特性进行调整，达到最佳处理效率；其中，加热段长度由溢油层厚度决定，为保证效率与经济效益最大化，加热段长度与溢油层厚度之比为1-1.5：1；而集热段长度则根据油池火平均火焰高度确定，即集热段长度L等于平均火焰高度H，所述平均火焰高度H则通过油池火平均火焰高度计算公式得到，即：

其中，L是导热杆集热段长度，H是油池火平均火焰高度，D是溢油层油池的直径，是溢油燃烧的热释放速率；而溢油燃烧的热释放速率则由溢油本身性质与燃烧速率决定，即：

其中，m”是溢油的质量燃烧速率，ΔH是溢油的燃烧热。

为了更好的解释本发明对提高就地燃烧法处理海洋溢油过程中燃烧速率的促进作用，下面以一组实验数据进一步具体说明其效果：

一共开展9组溢油燃烧实验，其中溢油乳化率分为25％、40％、60％三种，铜制圆柱形导热杆致直径为1cm，总长度为46cm，其中集热段长度为32cm，加热段长度为14cm；实验中采用不添加金属导热杆、添加37根金属导热杆、添加59根金属导热杆三种燃烧方法；实验中使用的油池直径为100cm，内高为15cm，油层厚度为14cm；沿油池内部竖直中心布置若干热电偶，用于记录燃油温度；通过在油池下方放置电子天平，用于记录油池质量变化。

溢油燃烧过程中，高温油层(温度大于100℃)的厚度是衡量溢油(乳化油)能否被充分引燃的重要指标，而溢油质量燃烧速率则是衡量燃烧效率与效益的主要指标，因此实验中主要通过测量溢油层的高温油层厚度的大小和质量燃烧速率的大小来比较不同燃烧方法的效果。

依据本发明的方法开展的燃烧实验，在燃烧100s时，乳化率分别为25％、40％、60％的实验组，其对应的内部高温油层厚度分别如图5(a)-图5(c)所示；不添加金属导热杆、添加37根金属导热杆、添加59根金属导热杆三种燃烧方法实验中，25％乳化率条件下，三种燃烧方法的内部高温油层厚度依次为3.8cm、5cm、7.8cm；40％乳化率条件下，三种燃烧方法的内部高温油层厚度依次为5cm、6.3cm、14cm；60％乳化率条件下，三种燃烧方法的内部高温油层厚度依次为2.5cm、5cm、8.9cm；所有乳化率实验条件下，溢油层内部高温油层的厚度均随着溢油层内金属导热杆数量的增加而增大，说明金属导热杆的加入增加了火焰传递到溢油层的热量，乳化油更易被加热。

依据本发明的方法开展的燃烧实验，乳化率分别为25％、40％、60％的实验组，其在不同燃烧条件下的对应燃烧速率如图6所示；其中，25％乳化率条件下，添加37根导热杆与添加59根导热杆的燃烧速率相比于无导热杆燃烧速率分别增大了183％、350％；40％乳化率条件下，添加37根导热杆与添加59根导热杆的燃烧速率相比于无导热杆燃烧速率分别增大了187％、775％；60％乳化率条件下，添加37根导热杆与添加59根导热杆的燃烧速率相比于无导热杆燃烧速率分别增大了182％、650％；同样的，所有乳化率实验条件下，溢油层的质量燃烧速率因金属导热杆的加入大幅增大，同时随金属导热杆数量的增加而增大幅度也在增大，说明金属导热杆的加入对于溢油质量燃烧速率的提高具有显著促进作用，提高了溢油燃烧效率。

上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。