现场燃烧技术在溢油应急处置中的应用

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(1.中海石油环保服务(天津)有限公司 , 天津 300452；2.中国石油海上应急救援响应中心，河北 唐山 063200)

1 现场燃烧技术

1.1 现场燃烧的概念

就地燃烧法是在泄漏地点将从船舶或设施中泄漏出的油类进行可控燃烧的方法。现场溢油燃烧的基本原理与燃烧相似，可燃物、氧气和点火源是不可缺少的。其中可燃物是由溢油蒸发提供的蒸气量，因此蒸发量必须足够大才能保证稳态燃烧，如果没有足够的可燃物产生，燃烧不会开始或者很快就停止燃烧[1-3]。Chatris认为油燃烧经历三阶段，第一个阶段溢油蔓延然后油膜增加到最大值，第二阶段油膜以相对稳定的燃烧速率燃烧，第三阶段燃烧速率降低直到燃烧熄灭[4]。

1.2 燃烧条件

现场控制燃烧过程中需要满足一些条件，主要包括以下几个部分[5-6]。

1)油膜厚度。油膜需要满足一定的厚度才能足以燃烧，当油膜厚度小于1～2 mm情况下，由于大量的热量会传递到水体中而不能支持燃烧。在燃烧过程中不是溢油液体本身燃烧而是溢油的蒸气被引燃并燃烧，燃烧产生热量中有2%～3%要传递给油膜保障进一步燃烧所需要的蒸气。

2)点火设备。必须释放足够的能量和持续时间引燃油膜。在所有情况下为了使点火装置向油膜传递足够的热量蒸发溢油并点燃油，要求点火装置对油层造成最小的扰动是非常重要的。一般点火设备需要满足两个基本的条件保证燃烧的有效性，首先必须有足够的热量保证产生油蒸气以便持续燃烧，另外必须保证安全可靠。油膜越厚越容易引燃油膜，也就是说挥发性好或者没有发生风化作用就越容易引燃，但是对于乳化后的油却很难引燃。对于重油而言，需要更长的点燃时间。

3)含水率。油膜中的含水率不应该超过30%～50%。当原油泄漏到水中混入微小的水滴就形成了乳化，当油品乳化时，粘度大幅增加，油组分的体积增大，点燃、燃烧溢油变得困难。乳化物中水的含量超过50%时即使是轻质燃油或者精炼产品也很难进行就地燃烧。

4)环境条件。为了有效地布放围油栏，必须满足一定的环境条件，风速应该小于20 kn，波高应该在1 m以下。实验表明就地燃烧法仅在相对稳定的状况下有效，由于围油栏不能有效地围堵溢油并且由于海浪的撞击，溢油快速地乳化，燃烧逐渐变得困难。

5)防火围油栏。采用就地燃烧技术需要配备防火型围油栏。这种防火型围油栏需要抵御2 093 ℃的高温、海浪的撞击，以及适合拖带。美国海岸警卫队曾在1999年5月受美国政府的委托，对市面上的多种防火型围油栏进行了对比实验，结果发现采用陶瓷防火纤维材料和不锈钢材料等防火材料制造的防火围油栏在燃烧1 h后都被烧坏，不适合多次使用。

1.3 燃烧优缺点

相比传统处置方法，现场燃烧法可以减少需要清理岸线人员的数量，并降低从事这种有害工作的相关伤害。通过在泄漏源头清理掉溢油，将大幅减少被海鸟和哺乳动物接触的油类数量。燃烧溢油将减少对岸线的影响，同时减少传统清理岸线产生的废弃物，而燃烧仅产生碳氧化合物、水和颗粒物质，就地燃烧法可以降低溢油中挥发性有机过氧化物(VOCs )的蒸发[7]。通过比较，就地燃烧法具有控制溢油的有害影响，且在大多数状况下是可以接受的。据实际溢油事故和试验，就地燃烧法清除率通常都90%以上，部分情况下甚至达到98%以上，作为一种应对大规模的溢油，防止溢油规模继续扩大，快速、低成本的清除溢油方法，就地燃烧法具有巨大的优势。现场溢油燃烧技术与其他泄漏清理的方法相比有一些独特的优势:①快速清除海面大量油污；②后期油污处理的量小；③效率高；④人员和设备投入少；⑤某些情况下只能选择溢油燃烧技术，例如在冰期环境条件下；⑥费用低。

但现场燃烧技术也有一些缺点：①产生大量黑色烟雾，毒性对公众有影响；②有限的时间；③油膜必须达到一定厚度才能保证点燃；④引起可燃物爆炸危险；⑤残留物必须处置。

2 现场燃烧技术管理

2.1 燃烧相关规定

在国外燃烧溢油需要得到相关管理机构批准，中国海洋环境保护法中对此并没有做出明确规定。现场燃烧是溢油应急反应行政决策中被普遍选择的一种措施，这种现场燃烧措施已被国外的环境保护部门普遍接受。特别是在处理毗连区水域内发生的溢油事故时，行政决策部门都优先考虑使用现场燃烧这种处理溢油的应急方案，在考虑该区域的溢油应急队伍的能力的基础上，现场指挥人员批准使用现场燃烧技术。在美国各州之间，在领海内使用现场燃烧技术批准使用的要求也不尽相同。在几个海岸线长的州，正准备制定请求使用现场燃烧技术的指南和应急反应队伍的操作指南，避免由于行政决策的原因失去使用现场燃烧技术和现场燃烧最佳地理位置和时机，造成更大的损害[8]。

2.2 燃烧技术的应用程序

在过去的10年中，一系列关于现场燃烧的指导书不断涌现。海上溢油燃烧需要执行严格的步骤程序，但很多详细的细节需要进一步补充说明，其基本的燃烧程序见图1。

图1 现场燃烧的一般程序

当溢油发生时，现场形势需要进行判断分析可能的应急措施，油的类型、厚度和状态等非常重要。这些现场条件是在决策现场燃烧之前非常重要的参数，如果执行燃烧可能性较大，应急计划开始着手准备，计划应涉及先前部署的情节、清单和安全措施等，在大多数情况下，由于油膜太薄而不能燃烧，因此围控是燃烧的必要程序之一。

人员和设备到达现场后，在大多数情况下，耐火围油栏布置在溢油点下风向的位置，并用船舶等牵引装置拖拽。当围油栏内油膜厚度达到燃烧需要的厚度时，可以利用点火设备开始引燃，直到燃烧熄灭后拖拽才可结束，燃烧和拖拽整个过程需要直升机或者船舶进行跟踪监测，监测应包括一定时间内燃烧面积用于燃烧总量的计算，残留物的量也可以被估计[9]。

通过释放拖船的一端或者加速拖船都可以迫使燃烧结束，如果由于油膜厚度不足导致燃烧终止，拖船可以绕在溢油点的后侧调头继续拦截油污。燃烧结束后，必须现场清理残留物，如果残留物粘度较大需要采取重油撇油器进行清理，量少则可以人工通过铲子或者吸附剂清理。

2.3 健康安全与环保

现场燃烧技术在安全和环保方面最被关注的就是燃烧排放的气体，排放物的监测和计算等手段能够反映空气质量状况、烟羽流的行为和归宿。目前能够针对不同的规模和类型对污染物的浓度分布和扩散距离进行预测，500 m2的燃烧范围在150 m处不会超过标准。相关的原位燃烧主要的环境与健康问题是产生的温室气体排放。总体而言，温室气体排放量在某种程度上排放水平和安全距离可以计算。

在现场燃烧操作过程中，所有响应人员必须经过严格的操作训练，包括设备的使用和有关健康安全程序的培训。一般来说，根据天气情况现场燃烧不应在人口集中的1 km范围内执行。天气条件需要考虑包括风向的变化。根据1994年完成的监测数据结果，在1 km外的路面监测水平没有超过标准值的25%，如果没有大的气团和风向的变动，在接近人口密集区也可以执行现场燃烧。在人口少的地区可以采取疏散群众的措施。如果没有明显的空气扰动或地面大气发生倒置，燃烧可以靠近人口密集地区执行[10-11]。

当发生溢油时应尽最大努力控制油污对岸线产生影响，尤其是沙滩、岩石和植被等敏感区，现场燃烧是一个快速反应的方法，可以有效地保护海岸线。在海岸线应防止烟尘的沉降，为了避免对岸线的影响，应在离岸线距离1 km远的地方燃烧，如果在岸线上燃烧必须采取一定的预防措施。如果在离岸1 km处燃烧一般不会对野生动物产生影响，并且由于鸟类趋避的本能燃烧不会对其带来影响，同样燃烧对海洋水体温度影响不大，因此对海洋生物也基本没有影响，但海底生物可能会受到燃烧产生的残留物的影响。

2.4 燃烧后评估

2.4.1 跟踪监测

燃烧完毕后必须对燃烧点周围进行跟踪监测，确定是否仍然存在没有发生燃烧的油污，包含逃逸的油膜、围油栏以及燃烧后的有机物。在及时的监测完毕后应该立即进行回收工作，防止燃烧后残留物下沉，在已经下沉的区域应该及时记录，因为可能造成对海底栖生物的影响。颗粒物、多环芳烃和挥发性物质在下风向的分析应该是完整的，这些监测结果应该纳入最终的研究报告中。

2.4.2 燃烧效率

燃烧效率E就是燃烧掉的量与总量的比值。

E=(V1-V2)/V1

(1)

式中：V1——溢油总量;

V2——残留物的量。

如果溢油发生后，比如像船舶溢油就可以通过储油箱的体积估算溢油量，如果钻井平台发生事故可以通过抽吸率计算，如果在某些情况下不能直接估算溢油量的，可以通过遥感等手段监测溢油面积，另外根据油膜厚度也可以对溢油量进行估算了。研究表明，燃烧效率不受石油属性影响，而受浮油的厚度和石油类型的影响。

2.4.3 燃烧速率

燃烧速率指通过燃烧法使油膜厚度减小的速率。人们普遍认为一个浮油燃烧厚度减小的速率在1～4 mm/min之间，在燃烧后期阶段油膜变得很薄，直到油膜厚度小于0.5 mm后燃烧速率会降低。燃烧速率在一定程度上取决于物理条件和油膜的性质，溢油的风化可以降低燃烧速率，由于油膜中的含水率增加了燃烧需要的热量，从而降低了燃烧蔓延的速度。

2.5 与其他应急措施的对比分析

现场燃烧技术在应急措施中常与消油剂效果进行对比，消油剂是一种化学处置手段，是通过促进生成小颗粒的油滴粒子容易消散在水体当中，消油剂中包括表面活性剂，含有水基和油基的组分。在过去的30年研究中对于消油剂的使用包含两个最为重要的问题，即消油剂的毒性和效果分析。分散剂使用毒性关系油污本身的毒性以及分散剂使用引起的毒性，在很多国家消油剂的使用需要特别许可。消油剂的效果常被很多因素影响，包括组分、油的风化程度、消油剂的量、海能、盐度和水温等。油的组分是这些因素中最重要的影响因素，另外就是海能和消油剂的量。消油剂一个最主要的缺陷就是对于风化油、重油或者薄油膜不能起作用或者效果很不理想，消油剂对于轻质原油的效果很好。消油剂的应用有很狭窄的时效性，溢油发生一段时间后，原油会发生风化。

与机械回收处置技术比较，在开阔水域现场燃烧技术有很多优势。围油栏的使用受到流速的限制，流速应小于0.4 m/s；另外一方面尽管围油栏和撇油器的处置效率远小于现场燃烧技术手段，但机械回收一般很好应用在港口等掩护好的水域，不过流速很大或者波高超过2 m的水域也不能使用。在陆地上，与大多数处置技术相比燃烧具有更显著的优势，因为其他任何过程都是需要花费很多的时间以至于油渗入土壤造成土壤污染[12]。

在一些海洋泄漏情况下，最好的清理策略应包含机械回收技术与现场燃烧技术，例如燃烧可以应用在开放的水域，靠近岸边可以采取围油栏和撇油器的方式。燃烧也可以用于消油剂时效性过后的一定时间内，燃烧并不排除其他对策的使用。当不同清理技术联合使用时，目标应该是找到最优设备、人员和技术的最佳组合，降低对环境的影响。

3 案例分析

2010年4月20日，美国墨西哥湾的深海地平线钻井平台发生沉没事故，造成了美国历史上最严重的一次污染，3个泄漏点每天泄漏超过1万桶的原油，在应急反应中，美国政府出动了大量的人力物力，其中就地燃烧法作为一种快速、高效、低成本的溢油清理方法，被广泛地使用，并取得了巨大的成功。根据深海地平线应急处置官方机构公布的数据表明，2个月内美国政府共开展了275次就地燃烧，共处理掉超过1 000万加仑(约4.5万m3)的原油。

这次墨西哥湾的溢油事故使用的防火型围油栏为Elaste公司生产的防火型围油栏Hydro-Fire Boom，该围油栏采用了水冷却的方式进行防火，且可以放置在卷栏机上，使用时采用两条船拖拉，可以将收集到的浮油引导到安全的地方进行焚烧。该防火型围油栏可以反复使用，而且存储运输方便。不像金属制成的围油栏，难以拖拉而且只能使用一次。在本次处置中美国政府实际使用该产品超过60天，经受住了实际的考验。

通过这次事件，溢油受控燃烧法经历了一个从概念的提出到实际运用的过程，影响此方法的关键因素在于如何在开阔水域聚集溢油、燃烧技术、燃烧条件、耐火围油栏等，专家们在此次事件后对于该方法的使用经验都得到了显著增强。应急反应小组对于此次溢油的燃烧采用并实践了很多新的方法[13]。

1)本次溢油事件共执行了411 次受控燃烧，控制燃烧最长时间持续近12 h，共处理石油约26.5 万桶。

2)培训和部署了10 只专业燃烧队伍，专家人数超过50 人。

3)提高耐火围油栏的技术，包括水冷式和可重复利用的围油栏。

4)采用新技术来控制和燃烧溢油，此外还开发出“动态燃烧法”，该方法可通过连续燃烧新油来增加控制溢油燃烧的长度。

5)开发和实施了新的人工点火技术，明确了影响受控燃烧法的因素。

6)采用了新的安全技术，包括使用有颜色的油布来识别溢油燃烧船。

4 结束语

现场燃烧技术在溢油应急处置过程中应用时间比较久远，但到目前为止这项技术没有得到很好的发展。虽然燃烧在应用上相对简单，但是比表现出来的过程更为复杂，此外燃烧技术融合了多门学科的特点，相关理论与背景较为复杂。综上可知现场燃烧技术是处理大型溢油事故的技术措施之一，应出台相应的工作指南和使用燃烧技术的政策，明确使用燃烧技术的海域，提高使用现场燃烧技术的成功率。我国海岸线狭长跨度大，应加大在该领域的研究与投人，合理配备相关器材，以提升我国在该领域的溢油处置能力。

[1] 任福安,殷佩海,耿晓辉.海上溢油事故等级的综合评定[J].交通环保,2000,21(6):16-19.

[2] 满春志,刘 欢.海上溢油应急处置技术探讨[J].油气田环境保护,2012,22(6):50-52.

[3] 王 辉,张丽萍.海洋石油污染处理方法优化配置及具体案例应用[J].海洋环境科学,2007,26(5):408-412.

[4] ALLEN AA,JAEGER D,MABILE N J,et al.The use of controlled burning during the gulf of Mexico deepwater horizon MC-252 Oil Spill Response[C]∥American Petroleum Institute,2011.

[5] BUIST I,NEDWED T.Using herders for rapid In situ burning of oil spills on open water[C]∥American Petroleum Institute,2011.

[6] ETKIN D S.Worldwide analysis of marine oil spill cleanup cost factors[C]∥Environment Canada，1999,2000.

[7] 黄亚继,仲兆平,金保昇,等.生物质油/柴油乳化油的稳定性与燃烧试验研究[J].东南大学学报:自然科学版,2010,40(4):794-799.

[8] 王水田.溢油就地焚烧的优点和缺点[J].交通环保,1995(3):26-34.

[9] FRITT-RASMUSSEN J,BRANDVIK P J.Measuring ignitability for in situ burning of oil spills weathered under

Arctic conditions:From laboratory studies to large-scale field experiments[J].Marine pollution bulletin，2011,62(8):1780-1785.

[10] LINDAU C W,DELAUNE R D,JUGSUJINDA A,et al.Response of Spartina alterniflora vegetation to oiling and burning of applied oil[J].Marine Pollution Bulletin，1999,38(12):1216-1220.

[11] 吴 勇.应用现场燃烧技术处理海上溢油的探讨[J].水运科学研究所学报,1996(4):3.

[12] 葛正光.油燃烧器点火难的原因与解决措施[J].电力建设,2002,23(4):56-57.

[13] 王辉东.就地燃烧法在深海地平线溢油清理中的应用[C]∥2010年船舶防污染学术年会论文集，2010：275-278.