本發(fā)明涉及海洋溢油處理應(yīng)用領(lǐng)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(shù)：

在海上油氣生產(chǎn)及運(yùn)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(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境、生物多樣性以及漁業(yè)造成了災(zāi)難性的影響。因此，快速有效地處理海上溢油對于降低溢油造成的水體污染，保障生態(tài)環(huán)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(xué)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，之后采用直接燃燒的方法對溢油進(jìn)行處理的方法。就地燃燒法在泄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(tǒng)清理岸線產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量以及海鳥和哺乳動物等接觸油類的機(jī)會。另外，在溢油事故發(fā)生后，若能及時(shí)采取就地燃燒法處理海面溢油，其溢油清除率可以達(dá)到90％以上，部分情況下甚至可以達(dá)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(yīng)用并取得了較為理想的效果。

然而，由于海洋環(huán)境、燃油種類與特性的多樣性，就地燃燒法在應(yīng)用過程中目前仍存在諸多缺點(diǎn)，具體為：

(1)難以引燃乳化油。在海風(fēng)與海浪作用下，海面溢油會在事故發(fā)生后的較短時(shí)間內(nèi)迅速被乳化。一般而言，溢油事故發(fā)生一天后，溢油乳化率能達(dá)到25％以上，惡劣環(huán)境中則能達(dá)到40-60％以上。較高的乳化率導(dǎo)致溢油難以被引燃或持續(xù)燃燒，降低溢油事故處理效率。

(2)燃燒速率較低?，F(xiàn)有的就地燃燒法處理海上溢油事故時(shí)，采用傳統(tǒng)的直接引燃溢油的方式。這種方式在燃燒過程中，火焰?zhèn)鬟f到燃油表面的能量只占火焰熱輻射總能量的1％-5％，其余大部分能量都散失到周圍環(huán)境中。小比例的熱反饋導(dǎo)致溢油產(chǎn)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)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(shù)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(tǒng)的圍油欄形成的燃燒區(qū)域內(nèi)，豎直固定金屬導(dǎo)熱桿；所述金屬導(dǎo)熱桿露出液面部分為集熱段，所述金屬導(dǎo)熱桿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，并通過自身的熱傳導(dǎo)效應(yīng)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(shí)，浸沒在溢油層中的金屬桿加熱段在高溫作用下，加速金屬桿加熱段與周圍溢油之間的熱交換，增大了溢油層內(nèi)部的熱傳遞效應(yīng)，提高溢油層吸收火焰熱量的效果，達(dá)到了充分引燃乳化油，并提高燃燒速率的目的。

所述金屬導(dǎo)熱桿的外部形狀、內(nèi)部填充物、數(shù)量、總長度及沒入溢油層的加熱段長度，可根據(jù)不同環(huán)境條件與溢油特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最佳處理效率。

其中，所述金屬導(dǎo)熱桿的外部形狀包括圓柱形、矩形、六邊形及其他形狀；優(yōu)選的，所述金屬導(dǎo)熱桿的外部形狀為矩形。

所述金屬導(dǎo)熱桿內(nèi)部為實(shí)心結(jié)構(gòu)或者中空結(jié)構(gòu)。

所述金屬導(dǎo)熱桿通過添加金屬、合金以及其他導(dǎo)熱率較高的物質(zhì)，來提高所述金屬導(dǎo)熱桿導(dǎo)熱效率；

所述金屬導(dǎo)熱桿的數(shù)量為1至多個(gè)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)具體的溢油環(huán)境，通過改變所述金屬導(dǎo)熱桿數(shù)量來提高燃燒效率；

具體的，乳化率、導(dǎo)熱桿數(shù)量與燃燒速率增大比例間的關(guān)系為：

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(dǎo)熱桿數(shù)量，單根導(dǎo)熱桿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(dǎo)熱桿的總長度及沒入溢油層的加熱段長度，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)溢油層厚度、溢油燃燒特性進(jìn)行調(diào)整，達(dá)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(jīng)濟(jì)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(jù)油池火平均火焰高度確定，即集熱段長度L等于平均火焰高度H，所述平均火焰高度H則通過油池火平均火焰高度計(jì)算公式得到，即：

其中，L是導(dǎo)熱桿集熱段長度，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(zhì)與燃燒速率決定，即：

其中，m”是溢油的質(zhì)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(dǎo)熱桿間熱輻射、金屬導(dǎo)熱桿內(nèi)熱傳導(dǎo)、金屬導(dǎo)熱桿與溢油層間熱傳導(dǎo)、溢油層內(nèi)部熱對流；其中，火焰與金屬導(dǎo)熱桿間熱輻射、金屬導(dǎo)熱桿內(nèi)部熱傳導(dǎo)、金屬導(dǎo)熱桿與溢油層間熱傳導(dǎo)的傳熱路徑增大了火焰?zhèn)鬟f到溢油層表面的總能量；金屬導(dǎo)熱桿浸沒在溢油層中的加熱段，與溢油層共同作用，在溢油層內(nèi)部形成熱對流循環(huán)，提高傳熱速率與效率。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)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?zhèn)鬟f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(nèi)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(fā)明加以說明，其中：

圖1是本發(fā)明的燃燒方法示意圖；

圖2是本發(fā)明的金屬導(dǎo)熱桿示意圖；

圖3是現(xiàn)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(zhì)量燃燒速率對比圖；

圖4是不同形狀導(dǎo)熱桿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(dǎo)熱桿、添加37根金屬導(dǎo)熱桿、添加59根金屬導(dǎo)熱桿三燃燒條件下的溢油層內(nèi)部高溫區(qū)域厚度示意圖；

圖5(b)是乳化率40％的燃油在無金屬導(dǎo)熱桿、添加37根金屬導(dǎo)熱桿、添加59根金屬導(dǎo)熱桿三燃燒條件下的溢油層內(nèi)部高溫區(qū)域厚度示意圖；

圖5(c)是乳化率60％的燃油在無金屬導(dǎo)熱桿、添加37根金屬導(dǎo)熱桿、添加59根金屬導(dǎo)熱桿三燃燒條件下的溢油層內(nèi)部高溫區(qū)域厚度示意圖；

圖6是不同乳化率、不同數(shù)量導(dǎo)熱桿作用下燃燒速率提高比例對比。

圖中：1-圍油欄、2-金屬導(dǎo)熱桿、3-溢油層、4-溢油層表面、5-金屬導(dǎo)熱桿集熱段、6-金屬導(dǎo)熱桿加熱段、7-溢油表面吸收火焰熱輻射、8-金屬導(dǎo)熱桿吸收火焰熱輻射、9-金屬導(dǎo)熱桿內(nèi)部熱傳導(dǎo)、10-溢油層內(nèi)部熱對流。

具體實(shí)施方式

概括來說，本發(fā)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(shí)施方法為：在傳統(tǒng)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(qū)域內(nèi)的溢油層3內(nèi)部豎直固定若干金屬導(dǎo)熱桿2，通過導(dǎo)熱桿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(shí)施過程中，導(dǎo)熱桿2露出溢油層表面4的部分為導(dǎo)熱桿集熱段5，用于收集燃燒中火焰熱輻射并向下傳遞；浸沒在溢油層3中的部分為導(dǎo)熱桿加熱段6，將導(dǎo)熱桿集熱段5收集的熱量傳遞到溢油層。

如圖3所示，圖3(a)現(xiàn)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(dāng)在溢油層3內(nèi)部使用金屬導(dǎo)熱桿2后，在原有溢油表面吸收烻熱輻射7作用的同時(shí)，導(dǎo)熱桿吸收火焰熱輻射8，并通過導(dǎo)熱桿內(nèi)部熱傳導(dǎo)9將吸收的熱量傳遞到導(dǎo)熱桿加熱段6，進(jìn)而促進(jìn)溢油層內(nèi)部熱對流10；圖3(c)中，兩種燃燒方法下，添加金屬導(dǎo)熱桿燃燒方法作用下，溢油層質(zhì)量燃燒速率遠(yuǎn)大于現(xiàn)有燃燒方法的質(zhì)量燃燒速率，同時(shí)，添加金屬導(dǎo)熱桿燃燒方法作用下，燃燒達(dá)到最大燃燒速率的時(shí)間、熄滅時(shí)間分別要小于現(xiàn)有燃燒方法燃燒下Δt₁、Δt₂。

不同形狀及中空與否的導(dǎo)熱桿，其在就地燃燒法處理海洋溢油過程中對于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(dǎo)熱桿對于燃燒速率的提升作用最為明顯。

所述金屬導(dǎo)熱桿通過添加金屬、合金以及其他導(dǎo)熱率較高的物質(zhì)，來提高所述金屬導(dǎo)熱桿導(dǎo)熱效率；

所述金屬導(dǎo)熱桿的數(shù)量為1至多個(gè)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)具體的溢油環(huán)境，通過改變所述金屬導(dǎo)熱桿數(shù)量來提高燃燒效率；

具體的，乳化率、導(dǎo)熱桿數(shù)量與燃燒速率增大比例間的關(guān)系為：

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(dǎo)熱桿數(shù)量，單根導(dǎo)熱桿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(dǎo)熱桿的總長度及沒入溢油層的加熱段長度，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)溢油層厚度、溢油燃燒特性進(jìn)行調(diào)整，達(dá)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(jīng)濟(jì)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(jù)油池火平均火焰高度確定，即集熱段長度L等于平均火焰高度H，所述平均火焰高度H則通過油池火平均火焰高度計(jì)算公式得到，即：

其中，L是導(dǎo)熱桿集熱段長度，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(zhì)與燃燒速率決定，即：

其中，m”是溢油的質(zhì)量燃燒速率，ΔH是溢油的燃燒熱。

為了更好的解釋本發(fā)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(jìn)作用，下面以一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步具體說明其效果：

一共開展9組溢油燃燒實(shí)驗(yàn)，其中溢油乳化率分為25％、40％、60％三種，銅制圓柱形導(dǎo)熱桿致直徑為1cm，總長度為46cm，其中集熱段長度為32cm，加熱段長度為14cm；實(shí)驗(yàn)中采用不添加金屬導(dǎo)熱桿、添加37根金屬導(dǎo)熱桿、添加59根金屬導(dǎo)熱桿三種燃燒方法；實(shí)驗(yàn)中使用的油池直徑為100cm，內(nèi)高為15cm，油層厚度為14cm；沿油池內(nèi)部豎直中心布置若干熱電偶，用于記錄燃油溫度；通過在油池下方放置電子天平，用于記錄油池質(zhì)量變化。

溢油燃燒過程中，高溫油層(溫度大于100℃)的厚度是衡量溢油(乳化油)能否被充分引燃的重要指標(biāo)，而溢油質(zhì)量燃燒速率則是衡量燃燒效率與效益的主要指標(biāo)，因此實(shí)驗(yàn)中主要通過測量溢油層的高溫油層厚度的大小和質(zhì)量燃燒速率的大小來比較不同燃燒方法的效果。

依據(jù)本發(fā)明的方法開展的燃燒實(shí)驗(yàn)，在燃燒100s時(shí)，乳化率分別為25％、40％、60％的實(shí)驗(yàn)組，其對應(yīng)的內(nèi)部高溫油層厚度分別如圖5(a)-圖5(c)所示；不添加金屬導(dǎo)熱桿、添加37根金屬導(dǎo)熱桿、添加59根金屬導(dǎo)熱桿三種燃燒方法實(shí)驗(yàn)中，25％乳化率條件下，三種燃燒方法的內(nèi)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(nèi)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(nèi)部高溫油層厚度依次為2.5cm、5cm、8.9cm；所有乳化率實(shí)驗(yàn)條件下，溢油層內(nèi)部高溫油層的厚度均隨著溢油層內(nèi)金屬導(dǎo)熱桿數(shù)量的增加而增大，說明金屬導(dǎo)熱桿的加入增加了火焰?zhèn)鬟f到溢油層的熱量，乳化油更易被加熱。

依據(jù)本發(fā)明的方法開展的燃燒實(shí)驗(yàn)，乳化率分別為25％、40％、60％的實(shí)驗(yàn)組，其在不同燃燒條件下的對應(yīng)燃燒速率如圖6所示；其中，25％乳化率條件下，添加37根導(dǎo)熱桿與添加59根導(dǎo)熱桿的燃燒速率相比于無導(dǎo)熱桿燃燒速率分別增大了183％、350％；40％乳化率條件下，添加37根導(dǎo)熱桿與添加59根導(dǎo)熱桿的燃燒速率相比于無導(dǎo)熱桿燃燒速率分別增大了187％、775％；60％乳化率條件下，添加37根導(dǎo)熱桿與添加59根導(dǎo)熱桿的燃燒速率相比于無導(dǎo)熱桿燃燒速率分別增大了182％、650％；同樣的，所有乳化率實(shí)驗(yàn)條件下，溢油層的質(zhì)量燃燒速率因金屬導(dǎo)熱桿的加入大幅增大，同時(shí)隨金屬導(dǎo)熱桿數(shù)量的增加而增大幅度也在增大，說明金屬導(dǎo)熱桿的加入對于溢油質(zhì)量燃燒速率的提高具有顯著促進(jìn)作用，提高了溢油燃燒效率。

上述雖然結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。