基于海水和专门药品的水基燃烧法清除技术研究

基于海水和专门药品的水基燃烧法清除技术研究

随着世界石油能源需求的日益增加，海上石油运输大部分来自海洋的各个领域，并在不同的海上油田中得到了大量开发，这带来了一个不可避免的严重问题。海洋石油污染是当前海洋污染最重要的类型之一。到处都是石油污染，严重危害了海洋环境。尽管国内外已先后研究了分散、沉降、吸收、围栏、放任、燃烧等海洋石油污染清除处理技术,但如何真正对海洋石油污染进行更为有效的实际治理,仍然一直是当今国内外研究的一个重要热点和难点。而在现有的这些海上石油污染清除治理技术中,燃烧法因为其独特的作用而被不同国家和地区赋予了特别的地位,比如我国台湾地区2003年3月6日颁发生效的《海洋环境污染清除处理办法》之第6条就明确对此进行了规定。然而,现有的燃烧法清除技术其适用性非常有限,只有当海面石油污染层厚达2mm以上时才可能有较高的效率,而对海上最为普遍的薄层石油污染难以进行有效清除处理,其根本原因就在于海上特定环境下污染油层厚度不够大时,现有技术无法使其燃烧能够自持,也就是无法保证其燃烧能够持续不断地进行,因而也就难以达到清除治理的目的。可见,如能研发出具有自持式点火燃烧特性的新技术,将使燃烧法清除治理海上石油污染的问题迎刃而解。为此,本文专门提出了基于海水和专门化学药品的自持型水基燃烧法清除海洋油污的新技术,并重点就其技术思想和具体实现方法等主要问题,开展了针对性实验研究,旨在为海洋石油污染的有效治理找出一种新途径提供理论和实验基础。1材料和方法1.1药品与设备的使用为了检验自持型水基燃烧技术用以清除海洋石油污染的可行性和有效性,本文利用大连舰艇学院消防训练中心的相关设备,针对性地进行了相应的实验分析。实验中用到的设备与药品,主要有三部分:一是该消防训练中心的大号灭火盆,系一直径(内径)为2.2m的圆柱状桶形铁盆,盆内净高0.65m,其底部有一带截止阀的出水管,以便于灭火盆内液面的调节;二是该消防训练中心的棉花头点火棒一根,其长度约为1.2m,棉花头形状呈近似球形,直径约为10cm左右;三是本文专门制备的自持型水基燃烧法清除海洋油污的实验药品1000g,系颗粒粉末状物。1.2自适应水基燃烧法点火效果的研究实验分三个步骤进行,具体如下:第一步,水面不同厚度油污的模拟。在上述灭火盆内,放进海水(取自大连石槽海域)至高度约0.5m,再往盆内倒入石油原油若干(取自大连石油七厂),静置后进行下一步实验。当倒入石油原油分别为3L、5L和8L时,静置后得到的浮于海水上面的石油原油厚度分别约为0.8mm、1.3mm和2.1mm,其中前两者均小于传统燃烧法有效的最小油层厚度2mm。每次进行此步实验时,控制盆内水温约17℃,当时环境气温约为22℃。第二步,棉花头点火棒点火比对实验。在上述静置后浮于海水上面的石油原油表面中部上方,用已被点燃的棉花头点火棒点火,点火时将棉花头在石油原油表面小范围转动以有利于油层着火,持续点火35s,考察海水表面原油的着火状况。此步重复三次,每次间隔300s左右,以便每次实验时基本状态相近。进行此步实验的目的,是为了便于与自持型水基燃烧法对水面油层进行点火的比较,考察自持型水基燃烧法点火的独特优势。第三步,水面油污清除性能的考察实验。用干燥铁锨将本文专门制备的自持型水基燃烧法清除海洋油污的实验药品若干,轻轻快速布撒于灭火盆中间,布撒面积大约400cm2,考察此时的海水表面原油的着火状况和油层厚度的变化情况,并与上述第二步的结果进行比较。实验中,需重复此步和第一步,重复时每次间隔600s左右,以便每次实验时的基本状态相近;其中自持点火时间长短的控制,可通过改变自持型水基燃烧法清除海洋油污的实验药品的多少来实现。进行此步实验时,有两个方面必须要注意:一是往盆内布撒药品时,动作必须迅速,布撒完药品后立即离开,而且人员、铁锨离液面高度均应保持在50cm以上,以防产生的火焰飞溅造成伤害;二是铁锨每次用时都必须干燥,以防实验药品一碰到铁锨就立即发生剧烈反应而影响实验效果并致危险。2结果与讨论2.1通过在海水中燃烧和确定单带化学产品2.1.1协同水基燃烧特性自持型水基燃烧技术是自持型水基燃烧法清除海洋油污新技术的关键,是我们专门提出的一种新概念水基燃烧技术,它同时以使用海域的水和空气为激活条件而引发预设的水上燃烧,并且它无需额外的点火装置,仅利用其自身特定的化学自持点火扳机反应,即可在使用区域的气-水界面自行引燃。这些特性决定了它可有效形成强度与范围可控、作用时间可调、不受天气条件影响的水基燃烧,并可通过空中、水面或水下投放等多种方式使用,且成本低廉,使用后残留物又无污染或者低污染等优越性。自持型水基燃烧是通过其独特的主、副剂来实现的。当其被投掷到海上后,主剂和副剂将立即与环境中的海水和空气进而和反应产生的可燃气体之间发生一系列化学反应,大体主要包括主剂水化产生可燃气、副剂水化产生明火、可燃气持续燃烧等多个方面的化学反应。据此原理,其主、副剂显然可采用不同的化学配方组合,如可分别以常见的且对海洋不会产生二次污染的碳化钙和钾等活泼金属作为其主、副剂,此时将有下列重要过程:一是主剂碳化钙与水发生反应,不断产生大量的易燃气体乙炔并升至水面。二是副剂钾作为“点火扳机”,它在水下发生水化反应,产生可燃的点火气体氢气;而在气水界面处,它又将与水以及空气中的氧气同时接触,并发生更强烈的反应,从而燃烧产生明火。三是主、副剂产生的可燃气体乙炔和氢气由产生的明火引燃,使得燃烧持续进行。自持型水基燃烧技术,即是由这些过程共同组成的。2.1.2钾、钾等钠配方对燃烧的影响由上述过程实现的自持型水基燃烧,可通过对其主剂碳化钙和副剂金属钾等采取特定的包覆处理和粒径控制等措施,从而实现符合各种使用要求的自持型水基燃烧,而所得的相应主、副剂均为颗粒粉末状化学药品。在本文研究中,采用了如表1所示的三类主、副剂组合的具体配方,其中:钾配方就是前面阐述中提及的,即以碳化钙为主剂、以钾为副剂的配方;钠钾配方是钠、钾组合代替单纯的钾作为副剂,主要是考虑钠比钾具有更好的经济性,故在该配方中钠的用量尽可能多一些为好;而钠配方则是钾含量为零的钠钾配方,之所以对其也进行了实验,是为了将其作为比对配方,考察其可行性。表1记录了利用这三类配方分别进行实验时,各自的燃烧火焰高度、自持燃烧持续时间这两个重要性能数据(每个实验各重复多次的数据分布)。结果表明,钾配方、钠钾配方都可在海水环境中(海水取自大连石槽海域)成功地实现自持型水基燃烧,并且燃烧的火焰高度、自持燃烧的持续时间都在一定范围内可调,因而也便于满足不同的使用需求;而钠配方在海水环境中则根本没有发生燃烧,这应该是海水环境的弱碱性(取自大连石槽海域的海水pH约为8.2)使得它比在淡水环境中(不易发生燃烧)反应要弱的原因。鉴于此,在后文的研究中即用经济性相对更好的钠钾配方进行自持型水基燃烧的相关实验。2.2实验4:海水表面原油是点火按照1.2所述实验方法,保持每次实验时的水面油层厚度为1.3mm(即每次实验时均向灭火盆中倒入5L石油原油),并且每次均采用钠钾配方约40g药品(其主、副剂粒径及包覆程度根据需要的燃烧持续时间的长短而定)进行自持型水基燃烧清除水面油层实验,其结果大体均为:当颗粒粉末状的自持型水基燃烧技术药品一被布撒到灭火盆里,布撒区立即有较为激烈的气泡冒出(主、副剂水化产气的结果),并且很快着火(副剂点火反应的结果),其火苗高度达0.3m左右,稍后(约十来秒)火苗高度明显变高、火焰范围也比初始时大,并且伴随明显的黑烟(水面石油被点着燃烧的结果),一段时间后布撒区不再有气泡冒出(主、副剂反应消耗完毕的结果),但海水表面原油的着火状况仍然持续,直至海水表面原油的油层厚度几乎消失,仅能在海水表面偶然看见少许彩色干涉条纹,整个过程耗时约5min30s。表2记录了各组实验的海水自持燃烧持续时间、水面油层燃烧持续时间、燃烧完毕后的水面油层残余情况(每组实验各重复3次的数据分布)。根据前文1.2第二步实验的结果,三次点火的每次海水表面原油着火现象都不明显,并且约35s后撤走点火棒时,海水表面原油很快就看不到着火现象,这一结果反映了海水表面原油难以被传统方法点燃,因而清除起来效果不佳的问题。而在本部分实验中,燃烧完毕后的水面油层残余情况,即火最后完全熄灭后,海水表面原油的油层厚度几乎完全消失,海水表面仅能看见少许彩色干涉条纹这一结果,显然充分表明了由主、副剂反应直接产生的海水自持燃烧时间仅为20～30s时,已足以引发水面油层的充分燃烧,从而可以很好地保证其对水面油层进行高效清除。2.3自发型水基燃烧清除水面油层实验按照1.2所述实验方法,分别针对水面油层厚度为0.8mm、1.3mm、2.1mm(分别对应倒入石油原油3L、5L和8L),并且每次均采用相同的钠钾配方约40g主、副剂混合药品,进行自持型水基燃烧清除水面油层实验,其主要结果如表3所示(每组实验各重复3次的数据分布)。表3记录了各组实验时的水面油层厚度、海水自持燃烧持续时间、燃烧完毕后的水面油层残余情况。根据文献结果,对于厚度小于2mm时的水面污染油层,传统的燃烧清除方法是难以奏效的。而在本部分实验中,无论是水面油层厚度小于2mm的0.8mm和1.3mm,还是大于2mm的2.1mm,利用自持型水基燃烧方法清除时,在燃烧完毕后的水面原油的油层厚度几乎完全消失,其油层残余量仅能引起海水表面少许彩色干涉条纹,这一结果同样无疑表明了其良好的清除效果。4清除海洋石油污染的一般原则燃烧法清除处理海洋石油污染,其实质就是根据石油在特定条件下的可燃性,通过燃烧消耗的方法,使其不再在海洋表面积聚,也就是使得海洋表面的石油污染通过“被烧掉”的办法而从海洋表面消失。本文研究结果表明:(1)燃烧法能不能用来有效清除处理海上的石油污染,关键是要看能不能使得海水的石油污染能够被点燃并且能够保证持续燃烧直至最后完全被烧掉。(2)仅用通常的点火办法,海洋表面的石油污染是难以被点燃的,因而也就是难以被“烧掉”,也