現場燃燒技術在溢油應急處置中的應用

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(1.中海石油環保服務(天津)有限公司 , 天津 300452；2.中國石油海上應急救援響應中心，河北 唐山 063200)

1 現場燃燒技術

1.1 現場燃燒的概念

就地燃燒法是在泄漏地點將從船舶或設施中泄漏出的油類進行可控燃燒的方法。現場溢油燃燒的基本原理與燃燒相似，可燃物、氧氣和點火源是不可缺少的。其中可燃物是由溢油蒸發提供的蒸氣量，因此蒸發量必須足夠大才能保證穩態燃燒，如果沒有足夠的可燃物產生，燃燒不會開始或者很快就停止燃燒[1-3]。Chatris認為油燃燒經歷三階段，第一個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穩定的燃燒速率燃燒，第三階段燃燒速率降低直到燃燒熄滅[4]。

1.2 燃燒條件

現場控制燃燒過程中需要滿足一些條件，主要包括以下幾個部分[5-6]。

1)油膜厚度。油膜需要滿足一定的厚度才能足以燃燒，當油膜厚度小于1～2 mm情況下，由于大量的熱量會傳遞到水體中而不能支持燃燒。在燃燒過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，燃燒產生熱量中有2%～3%要傳遞給油膜保障進一步燃燒所需要的蒸氣。

2)點火設備。必須釋放足夠的能量和持續時間引燃油膜。在所有情況下為了使點火裝置向油膜傳遞足夠的熱量蒸發溢油并點燃油，要求點火裝置對油層造成最小的擾動是非常重要的。一般點火設備需要滿足兩個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生油蒸氣以便持續燃燒，另外必須保證安全可靠。油膜越厚越容易引燃油膜，也就是說揮發性好或者沒有發生風化作用就越容易引燃，但是對于乳化后的油卻很難引燃。對于重油而言，需要更長的點燃時間。

3)含水率。油膜中的含水率不應該超過30%～50%。當原油泄漏到水中混入微小的水滴就形成了乳化，當油品乳化時，粘度大幅增加，油組分的體積增大，點燃、燃燒溢油變得困難。乳化物中水的含量超過50%時即使是輕質燃油或者精煉產品也很難進行就地燃燒。

4)環境條件。為了有效地布放圍油欄，必須滿足一定的環境條件，風速應該小于20 kn，波高應該在1 m以下。實驗表明就地燃燒法僅在相對穩定的狀況下有效，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。美國海岸警衛隊曾在1999年5月受美國政府的委托，對市面上的多種防火型圍油欄進行了對比實驗，結果發現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 燃燒優缺點

相比傳統處置方法，現場燃燒法可以減少需要清理岸線人員的數量，并降低從事這種有害工作的相關傷害。通過在泄漏源頭清理掉溢油，將大幅減少被海鳥和哺乳動物接觸的油類數量。燃燒溢油將減少對岸線的影響，同時減少傳統清理岸線產生的廢棄物，而燃燒僅產生碳氧化合物、水和顆粒物質，就地燃燒法可以降低溢油中揮發性有機過氧化物(VOCs )的蒸發[7]。通過比較，就地燃燒法具有控制溢油的有害影響，且在大多數狀況下是可以接受的。據實際溢油事故和試驗，就地燃燒法清除率通常都90%以上，部分情況下甚至達到98%以上，作為一種應對大規模的溢油，防止溢油規模繼續擴大，快速、低成本的清除溢油方法，就地燃燒法具有巨大的優勢。現場溢油燃燒技術與其他泄漏清理的方法相比有一些獨特的優勢:①快速清除海面大量油污；②后期油污處理的量小；③效率高；④人員和設備投入少；⑤某些情況下只能選擇溢油燃燒技術，例如在冰期環境條件下；⑥費用低。

但現場燃燒技術也有一些缺點：①產生大量黑色煙霧，毒性對公眾有影響；②有限的時間；③油膜必須達到一定厚度才能保證點燃；④引起可燃物爆炸危險；⑤殘留物必須處置。

2 現場燃燒技術管理

2.1 燃燒相關規定

在國外燃燒溢油需要得到相關管理機構批準，中國海洋環境保護法中對此并沒有做出明確規定。現場燃燒是溢油應急反應行政決策中被普遍選擇的一種措施，這種現場燃燒措施已被國外的環境保護部門普遍接受。特別是在處理毗連區水域內發生的溢油事故時，行政決策部門都優先考慮使用現場燃燒這種處理溢油的應急方案，在考慮該區域的溢油應急隊伍的能力的基礎上，現場指揮人員批準使用現場燃燒技術。在美國各州之間，在領海內使用現場燃燒技術批準使用的要求也不盡相同。在幾個海岸線長的州，正準備制定請求使用現場燃燒技術的指南和應急反應隊伍的操作指南，避免由于行政決策的原因失去使用現場燃燒技術和現場燃燒最佳地理位置和時機，造成更大的損害[8]。

2.2 燃燒技術的應用程序

在過去的10年中，一系列關于現場燃燒的指導書不斷涌現。海上溢油燃燒需要執行嚴格的步驟程序，但很多詳細的細節需要進一步補充說明，其基本的燃燒程序見圖1。

圖1 現場燃燒的一般程序

當溢油發生時，現場形勢需要進行判斷分析可能的應急措施，油的類型、厚度和狀態等非常重要。這些現場條件是在決策現場燃燒之前非常重要的參數，如果執行燃燒可能性較大，應急計劃開始著手準備，計劃應涉及先前部署的情節、清單和安全措施等，在大多數情況下，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。

人員和設備到達現場后，在大多數情況下，耐火圍油欄布置在溢油點下風向的位置，并用船舶等牽引裝置拖拽。當圍油欄內油膜厚度達到燃燒需要的厚度時，可以利用點火設備開始引燃，直到燃燒熄滅后拖拽才可結束，燃燒和拖拽整個過程需要直升機或者船舶進行跟蹤監測，監測應包括一定時間內燃燒面積用于燃燒總量的計算，殘留物的量也可以被估計[9]。

通過釋放拖船的一端或者加速拖船都可以迫使燃燒結束，如果由于油膜厚度不足導致燃燒終止，拖船可以繞在溢油點的后側調頭繼續攔截油污。燃燒結束后，必須現場清理殘留物，如果殘留物粘度較大需要采取重油撇油器進行清理，量少則可以人工通過鏟子或者吸附劑清理。

2.3 健康安全與環保

現場燃燒技術在安全和環保方面最被關注的就是燃燒排放的氣體，排放物的監測和計算等手段能夠反映空氣質量狀況、煙羽流的行為和歸宿。目前能夠針對不同的規模和類型對污染物的濃度分布和擴散距離進行預測，500 m2的燃燒范圍在150 m處不會超過標準。相關的原位燃燒主要的環境與健康問題是產生的溫室氣體排放。總體而言，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算。

在現場燃燒操作過程中，所有響應人員必須經過嚴格的操作訓練，包括設備的使用和有關健康安全程序的培訓。一般來說，根據天氣情況現場燃燒不應在人口集中的1 km范圍內執行。天氣條件需要考慮包括風向的變化。根據1994年完成的監測數據結果，在1 km外的路面監測水平沒有超過標準值的25%，如果沒有大的氣團和風向的變動，在接近人口密集區也可以執行現場燃燒。在人口少的地區可以采取疏散群眾的措施。如果沒有明顯的空氣擾動或地面大氣發生倒置，燃燒可以靠近人口密集地區執行[10-11]。

當發生溢油時應盡最大努力控制油污對岸線產生影響，尤其是沙灘、巖石和植被等敏感區，現場燃燒是一個快速反應的方法，可以有效地保護海岸線。在海岸線應防止煙塵的沉降，為了避免對岸線的影響，應在離岸線距離1 km遠的地方燃燒，如果在岸線上燃燒必須采取一定的預防措施。如果在離岸1 km處燃燒一般不會對野生動物產生影響，并且由于鳥類趨避的本能燃燒不會對其帶來影響，同樣燃燒對海洋水體溫度影響不大，因此對海洋生物也基本沒有影響，但海底生物可能會受到燃燒產生的殘留物的影響。

2.4 燃燒后評估

2.4.1 跟蹤監測

燃燒完畢后必須對燃燒點周圍進行跟蹤監測，確定是否仍然存在沒有發生燃燒的油污，包含逃逸的油膜、圍油欄以及燃燒后的有機物。在及時的監測完畢后應該立即進行回收工作，防止燃燒后殘留物下沉，在已經下沉的區域應該及時記錄，因為可能造成對海底棲生物的影響。顆粒物、多環芳烴和揮發性物質在下風向的分析應該是完整的，這些監測結果應該納入最終的研究報告中。

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——殘留物的量。

如果溢油發生后，比如像船舶溢油就可以通過儲油箱的體積估算溢油量，如果鉆井平臺發生事故可以通過抽吸率計算，如果在某些情況下不能直接估算溢油量的，可以通過遙感等手段監測溢油面積，另外根據油膜厚度也可以對溢油量進行估算了。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

燃燒速率指通過燃燒法使油膜厚度減小的速率。人們普遍認為一個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后燃燒速率會降低。燃燒速率在一定程度上取決于物理條件和油膜的性質，溢油的風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 與其他應急措施的對比分析

現場燃燒技術在應急措施中常與消油劑效果進行對比，消油劑是一種化學處置手段，是通過促進生成小顆粒的油滴粒子容易消散在水體當中，消油劑中包括表面活性劑，含有水基和油基的組分。在過去的30年研究中對于消油劑的使用包含兩個最為重要的問題，即消油劑的毒性和效果分析。分散劑使用毒性關系油污本身的毒性以及分散劑使用引起的毒性，在很多國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。消油劑一個最主要的缺陷就是對于風化油、重油或者薄油膜不能起作用或者效果很不理想，消油劑對于輕質原油的效果很好。消油劑的應用有很狹窄的時效性，溢油發生一段時間后，原油會發生風化。

與機械回收處置技術比較，在開闊水域現場燃燒技術有很多優勢。圍油欄的使用受到流速的限制，流速應小于0.4 m/s；另外一方面盡管圍油欄和撇油器的處置效率遠小于現場燃燒技術手段，但機械回收一般很好應用在港口等掩護好的水域，不過流速很大或者波高超過2 m的水域也不能使用。在陸地上，與大多數處置技術相比燃燒具有更顯著的優勢，因為其他任何過程都是需要花費很多的時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，最好的清理策略應包含機械回收技術與現場燃燒技術，例如燃燒可以應用在開放的水域，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效性過后的一定時間內，燃燒并不排除其他對策的使用。當不同清理技術聯合使用時，目標應該是找到最優設備、人員和技術的最佳組合，降低對環境的影響。

3 案例分析

2010年4月20日，美國墨西哥灣的深海地平線鉆井平臺發生沉沒事故，造成了美國歷史上最嚴重的一次污染，3個泄漏點每天泄漏超過1萬桶的原油，在應急反應中，美國政府出動了大量的人力物力，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。根據深海地平線應急處置官方機構公布的數據表明，2個月內美國政府共開展了275次就地燃燒，共處理掉超過1 000萬加侖(約4.5萬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公司生產的防火型圍油欄Hydro-Fire Boom，該圍油欄采用了水冷卻的方式進行防火，且可以放置在卷欄機上，使用時采用兩條船拖拉，可以將收集到的浮油引導到安全的地方進行焚燒。該防火型圍油欄可以反復使用，而且存儲運輸方便。不像金屬制成的圍油欄，難以拖拉而且只能使用一次。在本次處置中美國政府實際使用該產品超過60天，經受住了實際的考驗。

通過這次事件，溢油受控燃燒法經歷了一個從概念的提出到實際運用的過程，影響此方法的關鍵因素在于如何在開闊水域聚集溢油、燃燒技術、燃燒條件、耐火圍油欄等，專家們在此次事件后對于該方法的使用經驗都得到了顯著增強。應急反應小組對于此次溢油的燃燒采用并實踐了很多新的方法[13]。

1)本次溢油事件共執行了411 次受控燃燒，控制燃燒最長時間持續近12 h，共處理石油約26.5 萬桶。

2)培訓和部署了10 只專業燃燒隊伍，專家人數超過50 人。

3)提高耐火圍油欄的技術，包括水冷式和可重復利用的圍油欄。

4)采用新技術來控制和燃燒溢油，此外還開發出“動態燃燒法”，該方法可通過連續燃燒新油來增加控制溢油燃燒的長度。

5)開發和實施了新的人工點火技術，明確了影響受控燃燒法的因素。

6)采用了新的安全技術，包括使用有顏色的油布來識別溢油燃燒船。

4 結束語

現場燃燒技術在溢油應急處置過程中應用時間比較久遠，但到目前為止這項技術沒有得到很好的發展。雖然燃燒在應用上相對簡單，但是比表現出來的過程更為復雜，此外燃燒技術融合了多門學科的特點，相關理論與背景較為復雜。綜上可知現場燃燒技術是處理大型溢油事故的技術措施之一，應出臺相應的工作指南和使用燃燒技術的政策，明確使用燃燒技術的海域，提高使用現場燃燒技術的成功率。我國海岸線狹長跨度大，應加大在該領域的研究與投人，合理配備相關器材，以提升我國在該領域的溢油處置能力。

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