現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)在溢油應(yīng)急處置中的應(yīng)用

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(1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司 , 天津 300452；2.中國(guó)石油海上應(yīng)急救援響應(yīng)中心，河北 唐山 063200)

1 現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)燃燒的概念

就地燃燒法是在泄漏地點(diǎn)將從船舶或設(shè)施中泄漏出的油類進(jìn)行可控燃燒的方法?，F(xiàn)場(chǎng)溢油燃燒的基本原理與燃燒相似，可燃物、氧氣和點(diǎn)火源是不可缺少的。其中可燃物是由溢油蒸發(fā)提供的蒸氣量，因此蒸發(fā)量必須足夠大才能保證穩(wěn)態(tài)燃燒，如果沒(méi)有足夠的可燃物產(chǎn)生，燃燒不會(huì)開始或者很快就停止燃燒[1-3]。Chatris認(rèn)為油燃燒經(jīng)歷三階段，第一個(gè)階段溢油蔓延然后油膜增加到最大值，第二階段油膜以相對(duì)穩(wěn)定的燃燒速率燃燒，第三階段燃燒速率降低直到燃燒熄滅[4]。

1.2 燃燒條件

現(xiàn)場(chǎng)控制燃燒過(guò)程中需要滿足一些條件，主要包括以下幾個(gè)部分[5-6]。

1)油膜厚度。油膜需要滿足一定的厚度才能足以燃燒，當(dāng)油膜厚度小于1～2 mm情況下，由于大量的熱量會(huì)傳遞到水體中而不能支持燃燒。在燃燒過(guò)程中不是溢油液體本身燃燒而是溢油的蒸氣被引燃并燃燒，燃燒產(chǎn)生熱量中有2%～3%要傳遞給油膜保障進(jìn)一步燃燒所需要的蒸氣。

2)點(diǎn)火設(shè)備。必須釋放足夠的能量和持續(xù)時(shí)間引燃油膜。在所有情況下為了使點(diǎn)火裝置向油膜傳遞足夠的熱量蒸發(fā)溢油并點(diǎn)燃油，要求點(diǎn)火裝置對(duì)油層造成最小的擾動(dòng)是非常重要的。一般點(diǎn)火設(shè)備需要滿足兩個(gè)基本的條件保證燃燒的有效性，首先必須有足夠的熱量保證產(chǎn)生油蒸氣以便持續(xù)燃燒，另外必須保證安全可靠。油膜越厚越容易引燃油膜，也就是說(shuō)揮發(fā)性好或者沒(méi)有發(fā)生風(fēng)化作用就越容易引燃，但是對(duì)于乳化后的油卻很難引燃。對(duì)于重油而言，需要更長(zhǎng)的點(diǎn)燃時(shí)間。

3)含水率。油膜中的含水率不應(yīng)該超過(guò)30%～50%。當(dāng)原油泄漏到水中混入微小的水滴就形成了乳化，當(dāng)油品乳化時(shí)，粘度大幅增加，油組分的體積增大，點(diǎn)燃、燃燒溢油變得困難。乳化物中水的含量超過(guò)50%時(shí)即使是輕質(zhì)燃油或者精煉產(chǎn)品也很難進(jìn)行就地燃燒。

4)環(huán)境條件。為了有效地布放圍油欄，必須滿足一定的環(huán)境條件，風(fēng)速應(yīng)該小于20 kn，波高應(yīng)該在1 m以下。實(shí)驗(yàn)表明就地燃燒法僅在相對(duì)穩(wěn)定的狀況下有效，由于圍油欄不能有效地圍堵溢油并且由于海浪的撞擊，溢油快速地乳化，燃燒逐漸變得困難。

5)防火圍油欄。采用就地燃燒技術(shù)需要配備防火型圍油欄。這種防火型圍油欄需要抵御2 093 ℃的高溫、海浪的撞擊，以及適合拖帶。美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)曾在1999年5月受美國(guó)政府的委托，對(duì)市面上的多種防火型圍油欄進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用陶瓷防火纖維材料和不銹鋼材料等防火材料制造的防火圍油欄在燃燒1 h后都被燒壞，不適合多次使用。

1.3 燃燒優(yōu)缺點(diǎn)

相比傳統(tǒng)處置方法，現(xiàn)場(chǎng)燃燒法可以減少需要清理岸線人員的數(shù)量，并降低從事這種有害工作的相關(guān)傷害。通過(guò)在泄漏源頭清理掉溢油，將大幅減少被海鳥和哺乳動(dòng)物接觸的油類數(shù)量。燃燒溢油將減少對(duì)岸線的影響，同時(shí)減少傳統(tǒng)清理岸線產(chǎn)生的廢棄物，而燃燒僅產(chǎn)生碳氧化合物、水和顆粒物質(zhì)，就地燃燒法可以降低溢油中揮發(fā)性有機(jī)過(guò)氧化物(VOCs )的蒸發(fā)[7]。通過(guò)比較，就地燃燒法具有控制溢油的有害影響，且在大多數(shù)狀況下是可以接受的。據(jù)實(shí)際溢油事故和試驗(yàn)，就地燃燒法清除率通常都90%以上，部分情況下甚至達(dá)到98%以上，作為一種應(yīng)對(duì)大規(guī)模的溢油，防止溢油規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，快速、低成本的清除溢油方法，就地燃燒法具有巨大的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)溢油燃燒技術(shù)與其他泄漏清理的方法相比有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):①快速清除海面大量油污；②后期油污處理的量?。虎坌矢?；④人員和設(shè)備投入少；⑤某些情況下只能選擇溢油燃燒技術(shù)，例如在冰期環(huán)境條件下；⑥費(fèi)用低。

但現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)也有一些缺點(diǎn)：①產(chǎn)生大量黑色煙霧，毒性對(duì)公眾有影響；②有限的時(shí)間；③油膜必須達(dá)到一定厚度才能保證點(diǎn)燃；④引起可燃物爆炸危險(xiǎn)；⑤殘留物必須處置。

2 現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)管理

2.1 燃燒相關(guān)規(guī)定

在國(guó)外燃燒溢油需要得到相關(guān)管理機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，中國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法中對(duì)此并沒(méi)有做出明確規(guī)定?，F(xiàn)場(chǎng)燃燒是溢油應(yīng)急反應(yīng)行政決策中被普遍選擇的一種措施，這種現(xiàn)場(chǎng)燃燒措施已被國(guó)外的環(huán)境保護(hù)部門普遍接受。特別是在處理毗連區(qū)水域內(nèi)發(fā)生的溢油事故時(shí)，行政決策部門都優(yōu)先考慮使用現(xiàn)場(chǎng)燃燒這種處理溢油的應(yīng)急方案，在考慮該區(qū)域的溢油應(yīng)急隊(duì)伍的能力的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)指揮人員批準(zhǔn)使用現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)。在美國(guó)各州之間，在領(lǐng)海內(nèi)使用現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)批準(zhǔn)使用的要求也不盡相同。在幾個(gè)海岸線長(zhǎng)的州，正準(zhǔn)備制定請(qǐng)求使用現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)的指南和應(yīng)急反應(yīng)隊(duì)伍的操作指南，避免由于行政決策的原因失去使用現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)燃燒最佳地理位置和時(shí)機(jī)，造成更大的損害[8]。

2.2 燃燒技術(shù)的應(yīng)用程序

在過(guò)去的10年中，一系列關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)燃燒的指導(dǎo)書不斷涌現(xiàn)。海上溢油燃燒需要執(zhí)行嚴(yán)格的步驟程序，但很多詳細(xì)的細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步補(bǔ)充說(shuō)明，其基本的燃燒程序見圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)燃燒的一般程序

當(dāng)溢油發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)形勢(shì)需要進(jìn)行判斷分析可能的應(yīng)急措施，油的類型、厚度和狀態(tài)等非常重要。這些現(xiàn)場(chǎng)條件是在決策現(xiàn)場(chǎng)燃燒之前非常重要的參數(shù)，如果執(zhí)行燃燒可能性較大，應(yīng)急計(jì)劃開始著手準(zhǔn)備，計(jì)劃應(yīng)涉及先前部署的情節(jié)、清單和安全措施等，在大多數(shù)情況下，由于油膜太薄而不能燃燒，因此圍控是燃燒的必要程序之一。

人員和設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，在大多數(shù)情況下，耐火圍油欄布置在溢油點(diǎn)下風(fēng)向的位置，并用船舶等牽引裝置拖拽。當(dāng)圍油欄內(nèi)油膜厚度達(dá)到燃燒需要的厚度時(shí)，可以利用點(diǎn)火設(shè)備開始引燃，直到燃燒熄滅后拖拽才可結(jié)束，燃燒和拖拽整個(gè)過(guò)程需要直升機(jī)或者船舶進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)應(yīng)包括一定時(shí)間內(nèi)燃燒面積用于燃燒總量的計(jì)算，殘留物的量也可以被估計(jì)[9]。

通過(guò)釋放拖船的一端或者加速拖船都可以迫使燃燒結(jié)束，如果由于油膜厚度不足導(dǎo)致燃燒終止，拖船可以繞在溢油點(diǎn)的后側(cè)調(diào)頭繼續(xù)攔截油污。燃燒結(jié)束后，必須現(xiàn)場(chǎng)清理殘留物，如果殘留物粘度較大需要采取重油撇油器進(jìn)行清理，量少則可以人工通過(guò)鏟子或者吸附劑清理。

2.3 健康安全與環(huán)保

現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)在安全和環(huán)保方面最被關(guān)注的就是燃燒排放的氣體，排放物的監(jiān)測(cè)和計(jì)算等手段能夠反映空氣質(zhì)量狀況、煙羽流的行為和歸宿。目前能夠針對(duì)不同的規(guī)模和類型對(duì)污染物的濃度分布和擴(kuò)散距離進(jìn)行預(yù)測(cè)，500 m2的燃燒范圍在150 m處不會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)的原位燃燒主要的環(huán)境與健康問(wèn)題是產(chǎn)生的溫室氣體排放?？傮w而言，溫室氣體排放量在某種程度上排放水平和安全距離可以計(jì)算。

在現(xiàn)場(chǎng)燃燒操作過(guò)程中，所有響應(yīng)人員必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的操作訓(xùn)練，包括設(shè)備的使用和有關(guān)健康安全程序的培訓(xùn)。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)天氣情況現(xiàn)場(chǎng)燃燒不應(yīng)在人口集中的1 km范圍內(nèi)執(zhí)行。天氣條件需要考慮包括風(fēng)向的變化。根據(jù)1994年完成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，在1 km外的路面監(jiān)測(cè)水平?jīng)]有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的25%，如果沒(méi)有大的氣團(tuán)和風(fēng)向的變動(dòng)，在接近人口密集區(qū)也可以執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)燃燒。在人口少的地區(qū)可以采取疏散群眾的措施。如果沒(méi)有明顯的空氣擾動(dòng)或地面大氣發(fā)生倒置，燃燒可以靠近人口密集地區(qū)執(zhí)行[10-11]。

當(dāng)發(fā)生溢油時(shí)應(yīng)盡最大努力控制油污對(duì)岸線產(chǎn)生影響，尤其是沙灘、巖石和植被等敏感區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)燃燒是一個(gè)快速反應(yīng)的方法，可以有效地保護(hù)海岸線。在海岸線應(yīng)防止煙塵的沉降，為了避免對(duì)岸線的影響，應(yīng)在離岸線距離1 km遠(yuǎn)的地方燃燒，如果在岸線上燃燒必須采取一定的預(yù)防措施。如果在離岸1 km處燃燒一般不會(huì)對(duì)野生動(dòng)物產(chǎn)生影響，并且由于鳥類趨避的本能燃燒不會(huì)對(duì)其帶來(lái)影響，同樣燃燒對(duì)海洋水體溫度影響不大，因此對(duì)海洋生物也基本沒(méi)有影響，但海底生物可能會(huì)受到燃燒產(chǎn)生的殘留物的影響。

2.4 燃燒后評(píng)估

2.4.1 跟蹤監(jiān)測(cè)

燃燒完畢后必須對(duì)燃燒點(diǎn)周圍進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，確定是否仍然存在沒(méi)有發(fā)生燃燒的油污，包含逃逸的油膜、圍油欄以及燃燒后的有機(jī)物。在及時(shí)的監(jiān)測(cè)完畢后應(yīng)該立即進(jìn)行回收工作，防止燃燒后殘留物下沉，在已經(jīng)下沉的區(qū)域應(yīng)該及時(shí)記錄，因?yàn)榭赡茉斐蓪?duì)海底棲生物的影響。顆粒物、多環(huán)芳烴和揮發(fā)性物質(zhì)在下風(fēng)向的分析應(yīng)該是完整的，這些監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)該納入最終的研究報(bào)告中。

2.4.2 燃燒效率

燃燒效率E就是燃燒掉的量與總量的比值。

E=(V1-V2)/V1

(1)

式中：V1——溢油總量;

V2——?dú)埩粑锏牧俊?/p>

如果溢油發(fā)生后，比如像船舶溢油就可以通過(guò)儲(chǔ)油箱的體積估算溢油量，如果鉆井平臺(tái)發(fā)生事故可以通過(guò)抽吸率計(jì)算，如果在某些情況下不能直接估算溢油量的，可以通過(guò)遙感等手段監(jiān)測(cè)溢油面積，另外根據(jù)油膜厚度也可以對(duì)溢油量進(jìn)行估算了。研究表明，燃燒效率不受石油屬性影響，而受浮油的厚度和石油類型的影響。

2.4.3 燃燒速率

燃燒速率指通過(guò)燃燒法使油膜厚度減小的速率。人們普遍認(rèn)為一個(gè)浮油燃燒厚度減小的速率在1～4 mm/min之間，在燃燒后期階段油膜變得很薄，直到油膜厚度小于0.5 mm后燃燒速率會(huì)降低。燃燒速率在一定程度上取決于物理?xiàng)l件和油膜的性質(zhì)，溢油的風(fēng)化可以降低燃燒速率，由于油膜中的含水率增加了燃燒需要的熱量，從而降低了燃燒蔓延的速度。

2.5 與其他應(yīng)急措施的對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)在應(yīng)急措施中常與消油劑效果進(jìn)行對(duì)比，消油劑是一種化學(xué)處置手段，是通過(guò)促進(jìn)生成小顆粒的油滴粒子容易消散在水體當(dāng)中，消油劑中包括表面活性劑，含有水基和油基的組分。在過(guò)去的30年研究中對(duì)于消油劑的使用包含兩個(gè)最為重要的問(wèn)題，即消油劑的毒性和效果分析。分散劑使用毒性關(guān)系油污本身的毒性以及分散劑使用引起的毒性，在很多國(guó)家消油劑的使用需要特別許可。消油劑的效果常被很多因素影響，包括組分、油的風(fēng)化程度、消油劑的量、海能、鹽度和水溫等。油的組分是這些因素中最重要的影響因素，另外就是海能和消油劑的量。消油劑一個(gè)最主要的缺陷就是對(duì)于風(fēng)化油、重油或者薄油膜不能起作用或者效果很不理想，消油劑對(duì)于輕質(zhì)原油的效果很好。消油劑的應(yīng)用有很狹窄的時(shí)效性，溢油發(fā)生一段時(shí)間后，原油會(huì)發(fā)生風(fēng)化。

與機(jī)械回收處置技術(shù)比較，在開闊水域現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)。圍油欄的使用受到流速的限制，流速應(yīng)小于0.4 m/s；另外一方面盡管圍油欄和撇油器的處置效率遠(yuǎn)小于現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)手段，但機(jī)械回收一般很好應(yīng)用在港口等掩護(hù)好的水域，不過(guò)流速很大或者波高超過(guò)2 m的水域也不能使用。在陸地上，與大多數(shù)處置技術(shù)相比燃燒具有更顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠渌魏芜^(guò)程都是需要花費(fèi)很多的時(shí)間以至于油滲入土壤造成土壤污染[12]。

在一些海洋泄漏情況下，最好的清理策略應(yīng)包含機(jī)械回收技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)，例如燃燒可以應(yīng)用在開放的水域，靠近岸邊可以采取圍油欄和撇油器的方式。燃燒也可以用于消油劑時(shí)效性過(guò)后的一定時(shí)間內(nèi)，燃燒并不排除其他對(duì)策的使用。當(dāng)不同清理技術(shù)聯(lián)合使用時(shí)，目標(biāo)應(yīng)該是找到最優(yōu)設(shè)備、人員和技術(shù)的最佳組合，降低對(duì)環(huán)境的影響。

3 案例分析

2010年4月20日，美國(guó)墨西哥灣的深海地平線鉆井平臺(tái)發(fā)生沉沒(méi)事故，造成了美國(guó)歷史上最嚴(yán)重的一次污染，3個(gè)泄漏點(diǎn)每天泄漏超過(guò)1萬(wàn)桶的原油，在應(yīng)急反應(yīng)中，美國(guó)政府出動(dòng)了大量的人力物力，其中就地燃燒法作為一種快速、高效、低成本的溢油清理方法，被廣泛地使用，并取得了巨大的成功。根據(jù)深海地平線應(yīng)急處置官方機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)表明，2個(gè)月內(nèi)美國(guó)政府共開展了275次就地燃燒，共處理掉超過(guò)1 000萬(wàn)加侖(約4.5萬(wàn)m3)的原油。

這次墨西哥灣的溢油事故使用的防火型圍油欄為Elaste公司生產(chǎn)的防火型圍油欄Hydro-Fire Boom，該圍油欄采用了水冷卻的方式進(jìn)行防火，且可以放置在卷欄機(jī)上，使用時(shí)采用兩條船拖拉，可以將收集到的浮油引導(dǎo)到安全的地方進(jìn)行焚燒。該防火型圍油欄可以反復(fù)使用，而且存儲(chǔ)運(yùn)輸方便。不像金屬制成的圍油欄，難以拖拉而且只能使用一次。在本次處置中美國(guó)政府實(shí)際使用該產(chǎn)品超過(guò)60天，經(jīng)受住了實(shí)際的考驗(yàn)。

通過(guò)這次事件，溢油受控燃燒法經(jīng)歷了一個(gè)從概念的提出到實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程，影響此方法的關(guān)鍵因素在于如何在開闊水域聚集溢油、燃燒技術(shù)、燃燒條件、耐火圍油欄等，專家們?cè)诖舜问录髮?duì)于該方法的使用經(jīng)驗(yàn)都得到了顯著增強(qiáng)。應(yīng)急反應(yīng)小組對(duì)于此次溢油的燃燒采用并實(shí)踐了很多新的方法[13]。

1)本次溢油事件共執(zhí)行了411 次受控燃燒，控制燃燒最長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)近12 h，共處理石油約26.5 萬(wàn)桶。

2)培訓(xùn)和部署了10 只專業(yè)燃燒隊(duì)伍，專家人數(shù)超過(guò)50 人。

3)提高耐火圍油欄的技術(shù)，包括水冷式和可重復(fù)利用的圍油欄。

4)采用新技術(shù)來(lái)控制和燃燒溢油，此外還開發(fā)出“動(dòng)態(tài)燃燒法”，該方法可通過(guò)連續(xù)燃燒新油來(lái)增加控制溢油燃燒的長(zhǎng)度。

5)開發(fā)和實(shí)施了新的人工點(diǎn)火技術(shù)，明確了影響受控燃燒法的因素。

6)采用了新的安全技術(shù)，包括使用有顏色的油布來(lái)識(shí)別溢油燃燒船。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)在溢油應(yīng)急處置過(guò)程中應(yīng)用時(shí)間比較久遠(yuǎn)，但到目前為止這項(xiàng)技術(shù)沒(méi)有得到很好的發(fā)展。雖然燃燒在應(yīng)用上相對(duì)簡(jiǎn)單，但是比表現(xiàn)出來(lái)的過(guò)程更為復(fù)雜，此外燃燒技術(shù)融合了多門學(xué)科的特點(diǎn)，相關(guān)理論與背景較為復(fù)雜。綜上可知現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)是處理大型溢油事故的技術(shù)措施之一，應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的工作指南和使用燃燒技術(shù)的政策，明確使用燃燒技術(shù)的海域，提高使用現(xiàn)場(chǎng)燃燒技術(shù)的成功率。我國(guó)海岸線狹長(zhǎng)跨度大，應(yīng)加大在該領(lǐng)域的研究與投人，合理配備相關(guān)器材，以提升我國(guó)在該領(lǐng)域的溢油處置能力。

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