книги / Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов

3.1.3. Сжигание нефти на месте разлива

Сжигание на месте не заменяет другие способы локализации, но иногда возникают ситуации, когда сжигание оказывается единственным эффек­ тивным способом локализации больших разливов нефти.

П р е и м у щ е с т в а метода сжигания нефтяных пятен на месте разлива:

•высокая эффективность (можно ликвидировать большой объем нефти);

•высокая скорость,

•отпадает необходимость в сборе и утилизации;

•минимум необходимого оборудования для про­ ведения операций по сжиганию и хранению;

•возможность использования в любой водной среде, в ночное время, в труднодоступных местах.

Не д о с т а т к и метода контролируемого сжи­ гания нефти на месте разлива, препятствующие его широкому распространению:

•опасность возникновения неконтролируемого пожара с соответствующими последствиями;

•опасность воздействия продуктов горения на здоровье людей и окружающую среду;

•трудности при поджоге выветренной и эмуль­ гированной нефти;

•в некоторых случаях остатки сжигания могут затонуть и образовать покровный слой на донных остатках;

•большинство огнестойких БЗ являются дорого­ стоящими, некоторые из них эффективны ограни­ ченное время.

Сжигание на месте разлива — эффективный способ локализации разлива нефти, если применя­ ется разумно. Для разливов в ледовых условиях это, может быть, единственный способ локализа­ ции. Хотя знаний по использованию способа сжи­ гания нефти на месте разлива достаточно, прово­ дятся дополнительные исследования по изучению вопросов, связанных:

•с основными принципами горения эмульсий;

•развитием каталогов по особенностям сжигания различных нефтей;

•использованием прерывателей горения эмуль­ сии для расширения удобных моментов применения способа;

•увеличением срока службы огнестойких бонов.

История применения метода сжигания нефтяного пятна на акваториях

Вне Арктики контролируемое сжигание в круп­ ных масштабах не использовалось. Несколько лите­ ратурных обзоров содержат сведения о случаях контролируемого и незапланированного сжигания нефти при разливах.

Случаи сжигания нефти в результате самопро­ извольного возгорания или возникновения ава­ рийных ситуаций известны очень давно. Мысль о регулируемом сжигании нефти на водной поверх­ ности прямо на месте разлива возникла после наблюдения случаев успешного сгорания ее на суше и ограниченной водной поверхности, в результате которого уменьшалось отрицательное воздействие разлива на окружающую среду.

Часто случайное возгорание рассматривалось как негативное для ликвидации разлива, и пред­ принимались меры по использованию других мето­ дов ликвидации. При больших разливах нефти в результате повреждения танкеров в первую оче­ редь предпринимаются действия по предотвраще­ нию возгорания, однако не всегда успешно. Разливы нефти с судов с возгоранием происходили довольно часто. Контролируемое сжигание нефтяных пятен на месте стало возможным лишь после создания огнестойких БЗ.

Принятие метода контролируемого сжигания в той или иной стране часто зависело от успешно­ сти попыток его применения. Первое зарегистри­ рованное контролируемое сжигание нефти отме­ чено в 1958 г. в Северной Канаде на реке Макензи. Позднее этот метод использовался в Канаде, но чаще всего без соответствующей отчетности. Не­ сколько случаев успешного поджога нефти в Шве­ ции и Финляндии привели к применению в этих, а также в других странах метода контролируемого сжигания. В Великобритании при разливе с танке­ ра «Торри Каньон» неудачные попытки осущест­ вить сжигание нефтяного пятна, которое пытались поджечь сбрасываемыми с самолета бомбами, ра­ кетами и др., но не смогли, т. к. не было возмож­ ности оградить его и нефть расплывалась по воде, и поджечь само судно привели к тому, что метод контролируемого сжигания в этой стране до послед­ него времени не применялся.

В большинстве стран в последние годы воз­ никла процедура получения одобрения примене­ ния метода контролируемого сжигания на месте

и опробованы различные системы поджога. Про­ водились исследования по прогнозу структуры шлейфа дыма, его траектории рассеивания и состава. Проведены серьезные исследования по изучению

влияния остатков горения на окружающую среду. Обнаружено, что на практике при разливе сжига­ ется порядка 80 % нефти. Наиболее экстенсивно сжигание нефтяных пятен на месте разлива при­ меняется в производящих нефть областях Канады и США (табл. 3.46).

Таблица 3.46

1969 Нидерланды

1970 Швеция

1970 Канада

1973 Канада

1975 Канада

1976 США

1976 Канада

1978 Канада

1979 В Центральной Атлантике

1979 Канада

Источник или причина разлива

Танкер «Торри Каньон»

Эксперименты по воз­ можности поджога нефтяных пленок

Танкер «Офелло»

Серия экспериментов

Эксперимент в заливе

Танкер «Арго»

Эксперимент

Ряд экспериментов

Танкер «Эгейский»

Танкер «Имперский»

Событие

Первое зарегистрирован­ ное сжигание нефти на месте разлива с использо­ ванием бонов

Поврежденные танки. Трудности с поджогом с помощью средств, имеющихся на вооруже­ нии у армии

Удачные испытания неко­ торых типов воспламени­ телей

Горение нефти среди льдов

Нефть горела во льдах

Сжигание нефти на грунте

Поджог пленок во льдах

Попытки поджечь тонкие нефтяные пленки в море

Определение параметров горения

Изучение параметров горе­ ния пленок

Нефтяное пятно без огра­ ждения сожжено в море

Сжигание топлива во льдах

Выводы

Сжигание на месте воз­ можно с использованием сдерживающих бонов

Существуют ограничения по возможности поджога нефтяных пятен

Поджог нефтяных пленок в море возможен

Можно сжигать нефть во льдах

То же

Получена высокая степень удаления нефти (более 75 %)

Поджог нефти на льду возможен

Поджечь тонкие пленки нефти на водной поверх­ ности невозможно

Управление параметрами горения нефтяных пленок

Зависимость воспламе­ няемости от толщины нефтяной пленки

Сжигание нефти непосред­ ственно после разлива возможно

Сжигания нефти во льдах возможно

Обычно считается, что воспламенение достиг­ нуто в тот момент, когда удается поджечь I м2 нефтяной пленки.

Кроме типа нефти и нефтепродуктов на вос­ пламеняемость влияют: скорость ветра, степень эмульгирования и качество воспламенителя. Вто­ ричные факторы — температура окружающей среды и волнение.

Максимальная скорость ветра для успешного воспламенения больших разливов нефти и нефте­ продуктов 10-12 м/с.

Для большинства типов нефти эмульсия должна содержать не более 25-30 % воды. При 50-70% содержании воды в нефти поджог большинства типов нефтей становится возможным, если произ­ водить его на очень большой площади, использовать для этого специальные устройства или задейство­ вать другие методы, способствующие повышению эффективности процесса. Некоторые типы нефти могут быть легко зажжены с более высоким вод­ ным содержанием в эмульсии, но для этого требу­ ется передача нефтяной пленке большей теплоты (рис. 3.76).

При температуре окружающей среды выше температуры вспышки нефти пленка горит быстро и легко, огонь распространяется по всей поверх­ ности нефтяного пятна. При температуре ниже температуры вспышки пламя распространяется значительно медленнее.

Скорость горения. При сжигании нефти ско­ рость горения обычно зависит от толщины пленки. Для пятна неэмульгированной сырой нефти диаметром более 3 м скорость горения на воде обычно составляет 3,5 мм/мин, для бензинов, дизель­ ного и реактивного топлив — приблизительно 4 мм/мин.

Скорость испарения. На скорость испарения влияют наличие в нефти летучих фракций, темпе­ ратура воздуха, воды и скорость ветра. Нефть, летучие фракции которой испарились, воспламе­ няется труднее.

Эффективность сжигания. Основные пара­ метры, от которых зависит эффективность сжига­ ния: начальная и конечная толщина пленки, площадь распространения огня.

Для неэмульгированной сырой нефти с началь­ ной толщиной пленки 10-20 мм конечная толщина ее составляет 1 мм; при большей начальной тол­ щине пленки конечная толщина больше (например,

при начальной толщине 50 мм конечная составит 3-5 мм).

Для эмульсий конечная толщина пленки гораздо больше. Для светлых и средних топлив она состав­ ляет 1 мм независимо от начальной толщины.

Эффективность сжигания толстых пленок выше. Ветер и течение могут собирать пленку у пре­ грады, например бона или кромки льда, утолщая таким образом пленку, что соответственно увели­ чивает эффективность ее горения. Ветер со ско­ ростью более 2 м/с способен увеличить толщину пленки настолько, что становится возможным ее

возгорание.

Течение может оказать негативное воздействие, унеся конечную пленку через БЗ, т. к. в процессе горения плотность и вязкость остаточных нефте­ продуктов увеличиваются. Кроме того, течение увеличивает теплообмен между пленкой и водой.

Значительное волнение также может негативно сказаться на процессе горения.

Остаток после достаточно эффективного горе­ ния сырой нефти (более 85 % от исходного объема) имеет толщину 10-20 мм. Он полутвердый, смолоподобный. Остаток от горения толстых пленок, которые могут формироваться за буксируемым БЗ (толщина около 150-300 мм), может быть твердым. Охлажденный остаток горения толстого (более 100 мм) слоя тяжелой нефти может тонуть как в пресной, так и в соленой воде.

Рис. 3.76. Минимальная теплота, необходимая для воспламенения нефти в зависимости

от водного содержания эмульсии

Скорость горения устойчивых эмульсий суще­ ственно снижается с увеличением содержания воды. На уменьшение ее при этом влияет также процесс выпаривания нефти. Общие закономерности, влияю­ щие на эффективность сжигания эмульсий:

•содержание воды до 12,5 % от объема незна­ чительно влияет на эффективность;

•при содержании воды более 12,5 % эффек­ тивность горения уменьшается, особенно при сжи­ гании выветренных нефтей;

•некоторые типы нефти формируют мало­ устойчивые эмульсии, которые могут эффективно гореть при более высоком содержании воды.

Очаги горящих эмульсий могут быть затушены пеной, образующейся при горении нефтяной плен­ ки в связи со вскипанием воды. Горение пленок эмульсии может прекратиться при появлении пены в одной области нефтяной поверхности, но через некоторое время они могут быть вновь зажжены соседним пламенем. Это может приводить

квнезапным вспышкам пламени. По сравнению

снеэмульгированными пленками эмульсии зажечь труднее, а когда они зажжены, на распространение пламени очень влияют ветер и волны.

Регулирование процесса горения пятна нефти. Как правило, при разливах нефти на воде противо­ пожарное оборудование не требуется, поскольку огонь может быть погашен путем удаления одной из сторон БЗ с тем, чтобы толщина пятна нефти стала недостаточной для поддержания горения, или путем буксировки БЗ с большой скоростью, что приведет к затоплению нефти и прекращению горения.

Сбор остатков продуктов горения. Не ограж­ денные бонами остатки продуктов горения нефти могут иметь толщину до нескольких сантиметров

ибыть достаточно вязкими, чтобы их можно было собрать с лодок крючьями, граблями или вилами. Рыболовные сети (погружаемые) со сравнительно небольшими отверстиями (2,5 см и менее) также можно использовать для сбора и извлечения остат­ ков. Остатки, а также использованные рыболовные сети помещают в контейнеры или бочки, покрытые изнутри пластиком. Жидкие остатки могут быть удалены методами, применяемыми при сборе раз­ литой нефти. Объем остатка разлива после сжига­ ния существенно меньше объема разлитой нефти (обычно 1-10% от ее первоначального объема). Экологические риски, связанные с сжиганием нефти,

зависят от свойств остатка. Если сохранится пла­ вучесть, то остаток будет представлять угрозу для морской биоты и пляжной зоны. Остаток, который тонет, может воздействовать на флору и фауну морского дна.

Сырые нефти содержат широкий диапазон УВ: от легких (алканов) до самых тяжелых (асфальте­ нов); в нефтепродуктах диапазон компонентов более узкий. В процессе горения участвуют как легкие, так и тяжелые компоненты нефти, но более легкие, т. е. имеющие более низкую точку кипения, УВ уносятся в первую очередь, а более тяжелые компоненты концентрируются в остатке.

Многочисленные опыты по сжиганию показали, что остатки менее токсичны и опасны, чем сырая нефть. В общем случае химический состав остатка зависит от состава исходной нефти, степени вывет­ ривания и эффективности горения.

Жидкие и полутвердые остатки представляют для окружающей среды практически такой же риск, как и исходная нефть: налипая на перья птиц, они лишают их водоотталкивающих свойств или отравляют птиц токсинами.

Оптимальные условия для сжигания нефтяных пленок на водной поверхности приведены в табл. 3.47.

Матрица принятия решения по применению способа локализации путем сжигания на месте разлива на водной поверхности представлена на рис. 3.78.

Для воспламенения и поддержания горения нефть должна быть локализована до достижения минимальной толщины. Если при разливах на воде естественная локализация отсутствует (например, во льду, при прилипании к мусору), необходимо иметь огнестойкие БЗ и суда для буксировки бонов.

Огнестойкие боновые заграждения

В настоящее время применяются следующие типы огнестойких бонов:

•из твердого материала (стали, нержавеющей стали); могут выдержать сжигание нефтяного пятна

вусловиях открытого моря длительное время, но тяжелы и трудны в развертывании;

•из огнеупорных тканей (на минеральной, син­ тетической или керамической основе); довольно просты в развертывании, перемещении и свертыва­ нии, но не выдерживают длительного воздействия пламени;

•с активным водяным охлаждением.

Огнестойкие боны из стали

Бон Fireguard изготовлен из коротких жестких поплавков, связанных гибкими соединениями. По­ плавки сделаны из квадратных труб AG-3 (сорт нержавеющей стали) толщиной 2 мм. Они при­ соединены к пластине толщиной 3 мм, которая служит корпусом и юбкой. Чтобы минимизировать теплопередачу, поплавки и вертикальная пластина разделены полосами асбеста шириной 1см. Осадка и надводный борт спроектированы с учетом тепло­

передачи в воду таким образом, чтобы при темпе­ ратуре 1300 °С не происходило разрушение бона. Гибкие соединения изготовлены из нержавеющей стали с покрытием из поливинилхлорида. Нагрузку на боны воспринимает стальной канат. Боны выпу­ скаются секциями по 5 м.

Бон Festop производится во Франции.

Бон Pocket, большой бон, изготовлен из нержа­ веющей стали (спроектирован взамен бона Dome, см. ниже) для условий длительного воздействия

Ветер

Волны

Скорость течения

Лед

Скорость ветра <37 км/ч

Высота волн:

<1 м (3 фута) (для развертывания БЗ); <1 м (3 фута) при изменчивой морской погоде (короткопериодные волны, <6 с);

<1,6-2,3 м (5,7 фута) при более спокойной погоде (т. е. волны длительного периода, >6 с)

Скорость течения <0,75 м/с (для развертывания БЗ)

Переменные эффекты в зависимости от геометрии. На участках, где лед содержит нефть и препятствует распространению нефтяного пятна, сжигание производится с большим коэф­ фициентом эффективности. Изолированные плавучие льдины могут помешать операциям по сжиганию нефтяных пятен

Боны, охлаждаемые водой

Для данного типа бонов характерно следующее: вода, просачиваясь через поры, охлаждает бон

изащищает его от огня. Вода закачивается в бон

спалубы судна.

Результаты испытаний бонов различных кон­ струкций (технические характеристики некоторых бонов приведены в табл. 3.49), подвергнутых воз­ действию пламени при горении пропана с исполь­ зованием воздушно-расширенной системы, пред­ ставлены в табл. 3.48.

Проверялись боны следующих типов:

•бон из огнестойкой ткани Swepi, разработанный для использования в битом льду;

•бон Pocket из нержавеющей стали Applied Fabric Technologies, Inc.;

•три опытных образца Blanket из нержавеющей стали Applied Fabric Technologies, Inc.;

•бон American Marine Fire Boom (первона­ чально 3M);

•бон American Marine Fire Boom Hydro, охла­ ждаемый водой;

•опытный образец American Marine Fire Boom, охлаждаемый водой, с защитным покрытием;

•опытный образец EMTA Blanket с охлаждаемым водой «одеялом»;

•опытный образец Oil Stop, Inc., с охлаждаемым водой «одеялом»;

•бон Oil Stop Autoboom-Fire Model надувной, наматываемый.

Врезультате экспериментов выявлено следующее:

•хорошо разработанный огнестойкий бон из нержавеющей стали при использовании в процессе сжигания на море может иметь достаточно боль­ шой срок службы;