風(fēng)化過程對溢油回收效率的影響

張慶范，安偉，趙建平，劉保占，李清平，何利民

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 安全環(huán)保分公司，天津 300452；2.中國石油大學(xué)(華東) 儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.中海油研究總院，北京 100027)

隨著海上石油勘探開發(fā)及海洋交通運輸業(yè)務(wù)的日益增加，海洋溢油污染已經(jīng)成為海洋環(huán)境的重要問題之一。溢油事故不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會長期給海洋生態(tài)造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，因此，必須發(fā)展高效實用的溢油處置技術(shù)以盡量降低溢油事故的危害。經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，有些學(xué)者已經(jīng)提出了一系列相對成熟的溢油處置手段[1-3]，包括噴灑分散劑[4]、直接焚燒[5]、機械回收[6]、吸附回收[7]、生物降解[8]等。這些處置方法都有其相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境，在實際溢油應(yīng)急過程中通常根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和油品性質(zhì)會選擇合適的處置方法，其中溢油物性是決定處置技術(shù)選擇的關(guān)鍵因素。研究表明，受風(fēng)浪流等海況環(huán)境的影響，溢油過程中會出現(xiàn)不同程度的風(fēng)化現(xiàn)象[9-11]，從而導(dǎo)致溢油的物化性質(zhì)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響溢油處置效果。為定量考察溢油風(fēng)化對回收效率的影響，選擇3種渤海重質(zhì)原油在波浪槽中開展48 h風(fēng)化實驗，通過分析測試溢油的密度、黏度、含水率和回收效率隨溢油時間的變化趨勢，探討海上原油泄漏后的最佳處置時間窗口，以期為渤海溢油應(yīng)急處置提供決策支持。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

3種原油取自渤海的3個平臺，分別標(biāo)記為A、B、C。表1分別列出了原油的密度和黏度。

1.2 實驗裝置

1.2.1 波浪槽

所有溢油實驗均在項目組自行研制的波浪槽中開展，見圖1。整套裝置包括玻璃槽體、造波電機、造波板、消波組件、控制模塊和溢油回收模塊等。波浪槽長7 m、寬0.5 m、深0.5 m，試驗水位0.4 m。采用推板式機械造波機，設(shè)計最大造波高度0.15 m，波長、波高可調(diào)。

圖1 波浪槽溢油回收實驗裝置示意

1.2.2 溢油回收實驗裝置

為模擬海面溢油回收過程，基于真空式收油原理，設(shè)計加工了1套包括收油頭、真空泵、緩沖管和控制模塊的溢油回收實驗系統(tǒng)。其中在收油頭底部有1個高10 cm、直徑5 cm的儲油槽，當(dāng)水面油污在抽吸作用下進(jìn)入收油頭后會自動流入儲油槽中。收油頭靠支撐架搭載在波浪槽上，前端收油嘴寬10 cm，開口厚度1 cm。收油系統(tǒng)啟動時，調(diào)整收油頭入口的上部與波浪的最高點相平，以使其盡可能回收上層的油污，待油污充滿整個儲油槽后即停止抽吸。

1.3 實驗過程

在研究溢油風(fēng)化時大多周期都以天計[11]，但是在實際情況中溢油后48 h內(nèi)屬于風(fēng)化速度較快的階段，且48 h也基本滿足溢油處置反應(yīng)需求，因此，本實驗的研究周期選取48 h。實驗開始前在波浪槽中注入海水使水位達(dá)到40 cm，將波高和波長分別設(shè)置為6 cm和60 cm。隨后使用2段“模擬圍油欄”在波浪槽中部隔出長3 m的實驗區(qū)域，并在實驗區(qū)域中加入1.5 L的實驗油品后即開啟造波裝置。從造波裝置啟動起，分別在1、2、6、24、27、30、48 h取海面油樣進(jìn)行測試分析，同時啟動收油系統(tǒng)測量溢油回收效率。

1.4 取樣及測試方法

物理性質(zhì)測試所用樣品采用直接撇取的方式獲取，取樣時用不銹鋼小勺從水面粘附上層油品，用力甩掉粘附的水分后再刮入樣品瓶進(jìn)行測試。油品密度、黏度和含水率的測試方法及所用設(shè)備或儀器見表2。

表2 原油物理性質(zhì)測試方法及設(shè)備

由于回收油污對收油頭內(nèi)壁具有一定的黏附作用，因此，難以直接測量實際的溢油回收量，實驗過程中選擇差重法來間接確定。在每次溢油回收實驗前稱量并記錄收油頭的重量，收油結(jié)束后先從收油頭中緩慢倒出其中的游離水并稱量，隨后用吸油毛氈將收油頭外壁擦拭干凈后整體稱重，利用差重法來確定收油頭中剩余油的質(zhì)量。最后計算收油量與整體溢油回收物的質(zhì)量百分比，作為溢油回收效率。

2 結(jié)果與討論

渤海A、B、C 3種原油48 h內(nèi)物性測試數(shù)據(jù)及表觀回收效率見表3。其中時間單位為h；ρ為密度，kg/m3；μ為動力黏度，mPa·s；κ為含水率，%；η為表觀收油效率，%。

表3 不同時間下3種渤海原油物性及回收效率數(shù)據(jù)

圖2為3種原油的密度隨溢油時間的變化過程。由圖2可見，原油A的密度隨時間增長呈現(xiàn)出先降低后上升的趨勢，而原油B和C的密度則隨時間增長而一直上升。詳細(xì)分析原油B和C的密度變化曲線發(fā)現(xiàn)，在溢油后6 h內(nèi)密度上升較為迅速，而6 h后密度增長卻比較緩慢，幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)。在整個實驗周期內(nèi)原油A和B的密度始終低于其初始密度，而原油C的密度則在6 h后高于初始密度，在48 h的密度分別達(dá)到889.8、883.0和983.7 kg/m3。

圖2 3種原油密度隨溢油時間的變化

通常認(rèn)為，在原油風(fēng)化實驗中原油的密度會隨時間呈現(xiàn)一直上升的趨勢，因為隨著風(fēng)化時間增長原油中的輕質(zhì)組分會逐漸揮發(fā)，從而使得原油的重質(zhì)成分增加，導(dǎo)致密度和黏度均隨之增加[12-13]。但實際溢油過程中，水面溢油在風(fēng)浪不停擾動的作用下會融入大量水和空氣，含水率測試結(jié)果和油水界面的氣泡分別證實2個過程的存在，因此，水面溢油的密度應(yīng)由風(fēng)化、乳化和空氣溶解3個方面共同決定，其中風(fēng)化和乳化過程會使得溢油的密度增加，而空氣溶解則會降低溢油的密度。由于實驗中3種油品的空氣溶解量、風(fēng)化速度和乳化情況均不相同，因此，在三者的共同作用下使得密度變化也不盡相同。

相對溢油乳化和風(fēng)化過程，空氣的溶解過程相對較快且會快速達(dá)到飽和，因此，在溢油初始階段空氣的溶解量決定了溢油密度的大小，從而致使3種溢油在初始階段的密度均小于起始密度。隨著溢油時間增長，乳化作用會使油中的含水量快速上升，從而導(dǎo)致溢油的密度也逐漸攀升。當(dāng)處于溢油中后期時，油中含水量則會趨于飽和，此時決定溢油密度的主要因素轉(zhuǎn)為風(fēng)化過程。由于短期內(nèi)風(fēng)化過程相對較慢，因此，溢油后期密度隨時間變化曲線就變得比較平緩，幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3為3種原油黏度隨溢油時間的變化。

圖3 3種原油黏度隨溢油時間的變化

由圖3可見，3種原油黏度隨溢油時間的變化趨勢基本相同，在48 h內(nèi)均隨溢油時間增長而線性增長。溢油24 h后，A、B、C 3種原油的黏度均超過10 000 MPa·s， 48 h后分別增長至20 857、23 791和34 422 MPa·s。雖然3種原油黏度的整體趨勢為直線上升，但由于在溢油黏度在初始階段也主要由風(fēng)化、乳化及空氣溶解等因素決定，因此，導(dǎo)致溢油黏度在初始階段會出現(xiàn)比較復(fù)雜的波動，如原油B和原油C在前6 h就會出現(xiàn)先下降再上升的過程，而原油A則呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢。

圖4顯示了3種原油水分含量隨溢油時間的變化趨勢。

圖4 3種原油含水率隨溢油時間的變化

由圖4可見，3種原油中水分含量雖溢油時間變化趨勢基本一致，均在溢油初期快速上升，中后期趨于穩(wěn)定。其中原油A在2 h即基本達(dá)到飽和狀態(tài)，而原油B和C則在6 h左右達(dá)到飽和，48 h后3種原油的含水率分別為42.1%、74.5%、62.8%。

為研究溢油風(fēng)化對回收效率的影響，選擇真空式收油裝置在波浪槽中開展回收實驗，并以回收物中含油量的多少來考察溢油回收效率，命名為表觀回收效率。實驗結(jié)果見圖5，3種原油的表觀回收效率隨時間變化的趨勢基本一致，在初始6 h內(nèi)隨時間增長而快速下降，隨后趨于穩(wěn)定，該趨勢與溢油含水量隨時間變化的趨勢相反。當(dāng)溢油6 h后3種原油黏度均超過10 000 MPa·s，回收過程中溢油將會粘附在收油口處造成堵塞，只有少量的溢油被水隨機帶入收油頭中，因此，導(dǎo)致回收效率降低且波動較大。通過數(shù)據(jù)擬合可知，6 h后3種原油的表觀回收效率分別穩(wěn)定于18.8%、11.3%、12.3%。

圖5 3種原油表觀回收效率隨溢油時間的變化

考慮到溢油中乳化水的含量，重新定義并計算了3種原油在溢油48 h內(nèi)的實際回收效率，計算公式為

η實際=η×(1-κ)

式中：η實際為實際回收效率；η為表觀回收效率；κ為溢油回收物中乳化水含量。3種原油在48h內(nèi)的實際回收效率隨時間的變化趨勢見圖6。

圖6 3種原油實際回收效率隨溢油時間的變化

由圖6可見，實際溢油回收效率變化趨勢與表觀回收效率趨勢一致，溢油6h后實際回收效率均下降到20%以下。擬合結(jié)果顯示，溢油6h后A、B、C3種原油的實際回收效率分別僅有12.2%、3.5%、4.8%，此時真空式回收裝置已幾乎失效。

3 結(jié)論

溢油發(fā)生后，受揮發(fā)、乳化和空氣溶解等因素的影響，油品的密度、黏度及含水量等會快速上升，從而影響真空回收設(shè)備的工作效率。真空式溢油回收實驗結(jié)果顯示，溢油6h內(nèi)回收效率急速下降，6h后3種原油的實際回收效率分別僅為12.2%、3.5%、4.8%，表明溢油6h內(nèi)為真空回收的最佳處置窗口，該結(jié)論為渤海溢油處置決策提供支持。