風化過程對溢油回收效率的影響

張慶范，安偉，趙建平，劉保占，李清平，何利民

(1.中海油能源發展股份有限公司 安全環保分公司，天津 300452；2.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；3.中海油研究總院，北京 100027)

隨著海上石油勘探開發及海洋交通運輸業務的日益增加，海洋溢油污染已經成為海洋環境的重要問題之一。溢油事故不僅會造成巨大的經濟損失，還會長期給海洋生態造成不可逆轉的損害，因此，必須發展高效實用的溢油處置技術以盡量降低溢油事故的危害。經過多年的探索和發展，有些學者已經提出了一系列相對成熟的溢油處置手段[1-3]，包括噴灑分散劑[4]、直接焚燒[5]、機械回收[6]、吸附回收[7]、生物降解[8]等。這些處置方法都有其相應的應用環境，在實際溢油應急過程中通常根據現場環境和油品性質會選擇合適的處置方法，其中溢油物性是決定處置技術選擇的關鍵因素。研究表明，受風浪流等海況環境的影響，溢油過程中會出現不同程度的風化現象[9-11]，從而導致溢油的物化性質發生顯著變化，進而影響溢油處置效果。為定量考察溢油風化對回收效率的影響，選擇3種渤海重質原油在波浪槽中開展48 h風化實驗，通過分析測試溢油的密度、黏度、含水率和回收效率隨溢油時間的變化趨勢，探討海上原油泄漏后的最佳處置時間窗口，以期為渤海溢油應急處置提供決策支持。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

3種原油取自渤海的3個平臺，分別標記為A、B、C。表1分別列出了原油的密度和黏度。

1.2 實驗裝置

1.2.1 波浪槽

所有溢油實驗均在項目組自行研制的波浪槽中開展，見圖1。整套裝置包括玻璃槽體、造波電機、造波板、消波組件、控制模塊和溢油回收模塊等。波浪槽長7 m、寬0.5 m、深0.5 m，試驗水位0.4 m。采用推板式機械造波機，設計最大造波高度0.15 m，波長、波高可調。

圖1 波浪槽溢油回收實驗裝置示意

1.2.2 溢油回收實驗裝置

為模擬海面溢油回收過程，基于真空式收油原理，設計加工了1套包括收油頭、真空泵、緩沖管和控制模塊的溢油回收實驗系統。其中在收油頭底部有1個高10 cm、直徑5 cm的儲油槽，當水面油污在抽吸作用下進入收油頭后會自動流入儲油槽中。收油頭靠支撐架搭載在波浪槽上，前端收油嘴寬10 cm，開口厚度1 cm。收油系統啟動時，調整收油頭入口的上部與波浪的最高點相平，以使其盡可能回收上層的油污，待油污充滿整個儲油槽后即停止抽吸。

1.3 實驗過程

在研究溢油風化時大多周期都以天計[11]，但是在實際情況中溢油后48 h內屬于風化速度較快的階段，且48 h也基本滿足溢油處置反應需求，因此，本實驗的研究周期選取48 h。實驗開始前在波浪槽中注入海水使水位達到40 cm，將波高和波長分別設置為6 cm和60 cm。隨后使用2段“模擬圍油欄”在波浪槽中部隔出長3 m的實驗區域，并在實驗區域中加入1.5 L的實驗油品后即開啟造波裝置。從造波裝置啟動起，分別在1、2、6、24、27、30、48 h取海面油樣進行測試分析，同時啟動收油系統測量溢油回收效率。

1.4 取樣及測試方法

物理性質測試所用樣品采用直接撇取的方式獲取，取樣時用不銹鋼小勺從水面粘附上層油品，用力甩掉粘附的水分后再刮入樣品瓶進行測試。油品密度、黏度和含水率的測試方法及所用設備或儀器見表2。

表2 原油物理性質測試方法及設備

由于回收油污對收油頭內壁具有一定的黏附作用，因此，難以直接測量實際的溢油回收量，實驗過程中選擇差重法來間接確定。在每次溢油回收實驗前稱量并記錄收油頭的重量，收油結束后先從收油頭中緩慢倒出其中的游離水并稱量，隨后用吸油毛氈將收油頭外壁擦拭干凈后整體稱重，利用差重法來確定收油頭中剩余油的質量。最后計算收油量與整體溢油回收物的質量百分比，作為溢油回收效率。

2 結果與討論

渤海A、B、C 3種原油48 h內物性測試數據及表觀回收效率見表3。其中時間單位為h；ρ為密度，kg/m3；μ為動力黏度，mPa·s；κ為含水率，%；η為表觀收油效率，%。

表3 不同時間下3種渤海原油物性及回收效率數據

圖2為3種原油的密度隨溢油時間的變化過程。由圖2可見，原油A的密度隨時間增長呈現出先降低后上升的趨勢，而原油B和C的密度則隨時間增長而一直上升。詳細分析原油B和C的密度變化曲線發現，在溢油后6 h內密度上升較為迅速，而6 h后密度增長卻比較緩慢，幾乎處于穩定狀態。在整個實驗周期內原油A和B的密度始終低于其初始密度，而原油C的密度則在6 h后高于初始密度，在48 h的密度分別達到889.8、883.0和983.7 kg/m3。

圖2 3種原油密度隨溢油時間的變化

通常認為，在原油風化實驗中原油的密度會隨時間呈現一直上升的趨勢，因為隨著風化時間增長原油中的輕質組分會逐漸揮發，從而使得原油的重質成分增加，導致密度和黏度均隨之增加[12-13]。但實際溢油過程中，水面溢油在風浪不停擾動的作用下會融入大量水和空氣，含水率測試結果和油水界面的氣泡分別證實2個過程的存在，因此，水面溢油的密度應由風化、乳化和空氣溶解3個方面共同決定，其中風化和乳化過程會使得溢油的密度增加，而空氣溶解則會降低溢油的密度。由于實驗中3種油品的空氣溶解量、風化速度和乳化情況均不相同，因此，在三者的共同作用下使得密度變化也不盡相同。

相對溢油乳化和風化過程，空氣的溶解過程相對較快且會快速達到飽和，因此，在溢油初始階段空氣的溶解量決定了溢油密度的大小，從而致使3種溢油在初始階段的密度均小于起始密度。隨著溢油時間增長，乳化作用會使油中的含水量快速上升，從而導致溢油的密度也逐漸攀升。當處于溢油中后期時，油中含水量則會趨于飽和，此時決定溢油密度的主要因素轉為風化過程。由于短期內風化過程相對較慢，因此，溢油后期密度隨時間變化曲線就變得比較平緩，幾乎處于穩定狀態。

圖3為3種原油黏度隨溢油時間的變化。

圖3 3種原油黏度隨溢油時間的變化

由圖3可見，3種原油黏度隨溢油時間的變化趨勢基本相同，在48 h內均隨溢油時間增長而線性增長。溢油24 h后，A、B、C 3種原油的黏度均超過10 000 MPa·s， 48 h后分別增長至20 857、23 791和34 422 MPa·s。雖然3種原油黏度的整體趨勢為直線上升，但由于在溢油黏度在初始階段也主要由風化、乳化及空氣溶解等因素決定，因此，導致溢油黏度在初始階段會出現比較復雜的波動，如原油B和原油C在前6 h就會出現先下降再上升的過程，而原油A則呈現出逐漸上升的趨勢。

圖4顯示了3種原油水分含量隨溢油時間的變化趨勢。

圖4 3種原油含水率隨溢油時間的變化

由圖4可見，3種原油中水分含量雖溢油時間變化趨勢基本一致，均在溢油初期快速上升，中后期趨于穩定。其中原油A在2 h即基本達到飽和狀態，而原油B和C則在6 h左右達到飽和，48 h后3種原油的含水率分別為42.1%、74.5%、62.8%。

為研究溢油風化對回收效率的影響，選擇真空式收油裝置在波浪槽中開展回收實驗，并以回收物中含油量的多少來考察溢油回收效率，命名為表觀回收效率。實驗結果見圖5，3種原油的表觀回收效率隨時間變化的趨勢基本一致，在初始6 h內隨時間增長而快速下降，隨后趨于穩定，該趨勢與溢油含水量隨時間變化的趨勢相反。當溢油6 h后3種原油黏度均超過10 000 MPa·s，回收過程中溢油將會粘附在收油口處造成堵塞，只有少量的溢油被水隨機帶入收油頭中，因此，導致回收效率降低且波動較大。通過數據擬合可知，6 h后3種原油的表觀回收效率分別穩定于18.8%、11.3%、12.3%。

圖5 3種原油表觀回收效率隨溢油時間的變化

考慮到溢油中乳化水的含量，重新定義并計算了3種原油在溢油48 h內的實際回收效率，計算公式為

η實際=η×(1-κ)

式中：η實際為實際回收效率；η為表觀回收效率；κ為溢油回收物中乳化水含量。3種原油在48h內的實際回收效率隨時間的變化趨勢見圖6。

圖6 3種原油實際回收效率隨溢油時間的變化

由圖6可見，實際溢油回收效率變化趨勢與表觀回收效率趨勢一致，溢油6h后實際回收效率均下降到20%以下。擬合結果顯示，溢油6h后A、B、C3種原油的實際回收效率分別僅有12.2%、3.5%、4.8%，此時真空式回收裝置已幾乎失效。

3 結論

溢油發生后，受揮發、乳化和空氣溶解等因素的影響，油品的密度、黏度及含水量等會快速上升，從而影響真空回收設備的工作效率。真空式溢油回收實驗結果顯示，溢油6h內回收效率急速下降，6h后3種原油的實際回收效率分別僅為12.2%、3.5%、4.8%，表明溢油6h內為真空回收的最佳處置窗口，該結論為渤海溢油處置決策提供支持。