MX2012014461A

MX2012014461A - Combustion de petroleo flotante sobre agua.

Info

Publication number: MX2012014461A
Application number: MX2012014461A
Authority: MX
Inventors: Xianming Jimmy Li; Paul M Ashline; David Hon Sing Ying; Tunc Goruney; Leighta Maureen Johnson
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2013-02-11
Also published as: EP2603640A1; WO2012021183A1; CA2803290A1; US8366439B2; CA2803290C; US20120040296A1; SG186192A1

Abstract

Un método para la combustión de petróleo desde una capa que contiene petróleo (5) flotante sobre agua a partir de un derrame de petróleo o fuga del pozo. En el método, un gas que contiene oxigeno se pasa a través de un conducto (10), el gas que contiene oxígeno desde el conducto se introduce próximo a la capa que contiene petróleo flotante sobre agua, y el petróleo desde la capa que contiene petróleo se quema con el gas que contiene oxígeno en la presencia de una flama. El gas que contiene oxígeno se introduce con un gasto de flujo molar de oxígeno suficiente para disminuir la opacidad de una columna de humo de la combustión de petróleo.

Description

COMBUSTIÓN DE PETRÓLEO FLOTANTE SOBRE AGUA ANTECEDENTES El derrame de petróleo BP en el Golfo de México dio por resultado grandes áreas de petróleo crudo flotante sobre la superficie del océano. Algunas de estas áreas están cerca de las playas o hábitats naturales de los animales. La recuperación mecánica, tratamiento químico, biorremediación, y quemado in-situ están entre las tecnologías de respuesta a derrames de petróleo marinos muy ampliamente practicadas.

Mientras que el espumado a gran escala es un método para controlar la contaminación por petróleo, la Guardia Costera de los Estados Unidos ha llevado a cabo quemas in-situ del petróleo superficial, principalmente debido a las ventajas asociadas con esta tecnología tal como altas tasas de remoción de petróleo, relativamente a bajo costo y logística simple.

La Guardia Costera de los Estados Unidos expidió un manual de operaciones para el quemado in-situ del petróleo de los derrames de petróleo como el Reporte Central de Investigación y Desarrollo de la Guardia , Costera de los Estados Unidos No. CG-D-06-03, Respuesta al Derrame de Petróleo en Alta Mar, Manual de Operaciones de Quemado In-Situ, Reporte Final, Marzo del 2003 (después en la presente, Manual de la Guardia Costera) . El Manual de la Guardia Costera puede ser referido para el quemado in-situ convencional de acumulaciones de petróleo flotante sobre agua .

El problema del quemado de petróleo en la superficie del océano es que las condiciones de combustión favorables son raramente alcanzables, particularmente hacia el centro del fuego donde la disponibilidad del oxígeno es limitada debido a la falta de arrastré de aire. Como un resultado, una columna de humo negro del quemado in-situ puede elevarse cientos o aun miles de metros. El Manual de la Guardia Costera describió adicionar inhibidores químicos de humo tal como ferroceno. Pero su uso no es aprobado debido al alto costo, dificultad de aplicación y toxicidad potencial. Mientras que el humo negro puede tener menos impacto ambiental que la mancha de petróleo, el público generalmente encuentra la columna de humo negro objetable.

Un problema adicional del quemado in-situ es que una cantidad sustancial de petróleo aun se deja sin quemar después de que el fuego se auto-extingue, es decir, después de que se alcanza un mínimo de espesor de la capa de petróleo sostenible a la flama como es reportado en el Manual de la Guardia Costera.

Se desea un método para quemar el petróleo limpiamente con menos humo de manera sustancial y/o para reducir el petróleo residual después de que se desea la extinción del fuego.

Otro problema con el petróleo flotante sobre agua es la formación de una emulsión de agua en aceite estable que reducirá la ventana de oportunidades para el quemado in-situ. La presencia de una cantidad critica de agua en el petróleo previene que la mancha entre en contacto con la fuente de ignición de capturar el fuego como es reportado en el Manual de la Guardia Costera.

Se desea un método para incrementar la ventana de oportunidades para el quemado in-situ al proporcionar condiciones para quemar petróleos o aceites emulsificados .

BREVE DESCRIPCIÓN La presente invención se relaciona a un método para la combustión de petróleo de una capa que contiene petróleo flotante sobre agua.

Hay varios aspectos del método como se resumen enseguida .

Aspecto #1. Un método para la combustión de petróleo de una capa que contiene petróleo flotante sobre agua, el método que comprende: pasar un gas que contiene oxígeno a través de por lo menos un conducto; introducir el gas que contiene oxígeno desde por lo menos un conducto próximo a la capa que contiene petróleo flotante sobre agua; y quemar el petróleo de la capa que contiene petróleo con el gas que contiene oxigeno en la presencia de una flama, en donde el gas que contiene oxigeno se introduce con un gasto de flujo molar de oxigeno suficiente para disminuir la opacidad de una columna de humo de la combustión de petróleo.

Aspecto #2. El método del aspecto #1 en donde la opacidad se disminuye por debajo de una opacidad deseada.

Aspecto #3. El método del aspecto #1 o aspecto #2 en donde la etapa de introducir el gas que contiene oxigeno desde el conducto comprende inyectar el gas que contiene oxigeno a través de una pluralidad de boquillas.

Aspecto #4. El método de cualquiera de los aspectos #1 a #3 en donde la etapa de introducir el gas que contiene oxigeno desde el conducto comprende introducir el gas que contiene oxigeno en una región de flama por arriba de la capa que contiene petróleo.

Aspecto #5. El método del aspecto #4 en donde el gas que contiene oxigeno se introduce desde por lo menos un conducto de entre 0 y 1 metros por arriba de la superficie superior de la capa que contiene petróleo.

Aspecto #6. El método de cualquiera de los aspectos #1 a #3 en donde el gas que contiene oxigeno se introduce desde por lo menos un conducto de entre 0 y 1 metros por debajo de la superficie inferior de la capa que contiene petróleo .

Aspecto #7. El método de cualquiera de los aspectos #1 a #3 en donde el gas que contiene oxígeno se introduce desde por lo menos un conducto en la capa que contiene petróleo .

Aspecto #8. El método de cualquiera de los aspectos #1 a #7 además que comprende: recolectar la capa que contiene petróleo con una pluma o pescante antes de la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo.

Aspecto #9. El método de cualquiera de los aspectos #1 a #8 en donde la concentración de oxígeno del gas que contiene oxígeno en el conducto es mayor que 25% en mol de oxígeno cuando por lo menos una porción de la capa que contiene petróleo se presenta como una emulsión que contiene una concentración de agua de 25% en peso de agua a 40% en peso de agua.

Aspecto #10. El método de cualquiera de los aspectos #1 a #9 en donde la concentración de oxígeno del gas que contiene oxígeno en el conducto es aproximadamente 21% en mol de oxígeno cuando la capa que contiene petróleo es mayor que 3 mra de espesor.

Aspecto #11. El método de cualquiera de los aspectos #1 a #10 en donde la concentración de oxígeno del gas que contiene oxígeno en el conducto es mayor que 25% en mol de oxígeno cuando la capa que contiene petróleo es menor que 4 trun de espesor.

Aspecto #12. El método de cualquiera de Ios-aspectos #1 a #8 en donde la concentración de oxigeno del gas que contiene oxigeno en el conducto es mayor que 25% en mol de oxigeno cuando por lo menos una porción de la capa que contiene petróleo es mayor que 3 mm de espesor y la cantidad de oxigeno suministrada es menor que 80% del requerimiento de oxigeno estequiométrico para el petróleo.

Aspecto #13. El método de cualquiera de los aspectos #1 a #8 además que comprende: controlar la velocidad de la combustión de petróleo al variar el gasto de flujo molar de oxigeno introducido por el gas que contiene oxigeno próximo a la capa que contiene petróleo.

Aspecto #14. El método del aspecto #13 en donde la etapa de controlar la velocidad de la combustión de petróleo comprende disminuir el gasto de flujo molar de oxigeno para disminuir la velocidad de la combustión de petróleo.

Aspecto #15. El método del aspecto #13 en donde la etapa de controlar la velocidad de la combustión de petróleo comprende incrementar el gasto de flujo molar de oxigeno para incrementar la velocidad de combustión de petróleo .

Aspecto #16. El método del aspecto #1 además que comprende : pasar una mezcla de combustible de un combustible gaseoso y oxígeno a través de un segundo conducto; introducir la mezcla del segundo conducto próximo a la capa que contiene petróleo flotante sobre agua; y encender la mezcla de combustible con una fuente de encendido para de esta manera iniciar la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo.

Aspecto #17. El método del aspecto #1 además que comprende : pasar una o más mezclas de combustible que comprenden combustible gaseoso y oxígeno a través de dos o más conductos de flama piloto; introducir la mezcla de combustible desde los dos o más conductos de flama piloto próximos a la capa que contiene petróleo flotante sobre agua; y encender la mezcla de combustible con una fuente de encendido para de esta manera iniciar la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo.

Aspecto #18. El método del aspecto #1 además que comprende: pasar un gas pobre en oxígeno a través del por lo menos un conducto y/u otro conducto; e introducir el gas pobre en oxígeno desde el conducto o el otro conducto próximo a la capa que contiene petróleo para de esta manera enfriar rápidamente la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE VARIAS . VISTAS DE LOS DIBUJOS La FIG. 1 es una vista esquemática de la pluma o pescante de tracción de dos buques remolcadores y una configuración de conducto para suministrar un gas que contiene oxigeno.

La FIG. 2 es una vista esquemática de la capa que contiene petróleo con relación a la pluma y el conducto de gas que contiene oxigeno.

La FIG. 3 muestra algunas configuraciones de las boquillas de inyección de gas que contiene oxigeno.

La FIG. 4 es una vista esquemática que muestra la pluma de tracción de dos buques remolcadores y una configuración del conducto para suministrar un gas que contiene oxigeno y medios para iniciar/sostener la combustión de petróleo.

La FIG. 5 es una vista esquemática que muestra la pluma de tracción de dos buques remolcadores y otra configuración del conducto para suministrar un gas que contiene oxigeno.

La FIG. 6 es una vista esquemática que muestra la pluma de tracción de dos buques remolcadores y otro buque remolcador que jala el conducto para suministrar gas que contiene oxigeno.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Los artículos "un" y "uno" como se utilizan en la presente significan uno o más cuando se aplican a cualquier característica en las modalidades de la presente invención descritas en la especificación y en las reivindicaciones. El uso de "un" y "uno" no limita el significado a una sola característica a menos que tal límite sea establecido específicamente. El artículo "el" que precede los sustantivos singulares o plurales o frases sustantivas representa una característica especificada particular o características, especificadas particulares y puede tener una connotación singular o plural dependiendo del contexto en el cual se utiliza. El adjetivo "cualquier" significa uno, alguno, o todos indiscriminadamente de cualquier cantidad. El término "y/o" colocado entre una primera entidad y una segunda entidad significa uno de (1) la primera entidad, (2) la segunda entidad, y (3) la primera entidad y la segunda entidad. La frase "por lo menos una porción" significa "una porción o toda".

La presente invención se relaciona a un método para la combustión de petróleo desde una capa que contiene petróleo flotante sobre agua. Los aspectos del método también pueden ser útiles para el quemado de petróleo en tierra.

Como se utiliza en la presente, agua incluye agua de océano, agua de mar, agua de lago, agua de río y los similares.

El petróleo puede ser petróleo refinado, petróleo crudo no refinado, o cualquier mezcla flamable o combustible basada en hidrocarburo en una fase sustancialmente líquida. El petróleo puede ser petróleo que se ha fugado desde un recipiente o tubería. El petróleo puede ser petróleo que se ha fugado desde un pozo.

La capa que contiene petróleo puede contener sustancialmente solo petróleo. La capa que contiene petróleo puede ser una emulsión que contiene petróleo y agua. Por lo menos una porción de la capa que contiene petróleo flota sobre el agua.

El método comprende pasar un gas que contiene oxigeno a través de por lo menos un conducto.

Un gas que contiene oxígeno es un gas contenedor de oxígeno, por ejemplo aire, aire enriquecido con oxígeno y oxígeno de grado industrial. El aire tiene una concentración de oxígeno de aproximadamente 21% en mol de oxígeno. El aire enriquecido con oxígeno tiene una concentración de oxígeno mayor que el aire hasta aproximadamente 85% en mol de oxígeno. El oxígeno de grado industrial puede contener de 85% en mol a esencialmente 100% en mol de oxígeno. La concentración de oxígeno en el gas que contiene oxígeno puede ser variada a través del tiempo.

El gas que contiene oxígeno se puede suministrar por un compresor de aire a bordo de un barco. El enriquecimiento de oxígeno se puede efectuar al mezclar oxígeno industrial desde un tanque de almacenamiento a bordo del barco. El oxígeno de grado industrial se puede suministrar desde un tanque de almacenamiento a bordo del barco .

Un conducto es cualquier tubería, tubo, pasaje o los similares, a través de los cuales un fluido se puede transportar. El conducto puede ser fabricado de cualquier material adecuado conocido en la técnica. Puesto que el conducto será expuesto a las flamas de alta temperatura, el conducto se puede fabricar de materiales tales como tela retardante al fuego, metal, o materiales utilizados para la construcción de la pluma resistente al fuego.

El método además comprende introducir el gas que contiene oxígeno desde por lo menos un conducto próximo a la capa que contiene petróleo, la capa que contiene petróleo flotante sobre agua. El gas que contiene oxígeno desde el conducto se puede inyectar a través de una pluralidad de boquillas. El gas que contiene oxígeno se introduce próximo a la capa que contiene petróleo, que significa que el gas que contiene oxígeno se puede introducir en el agua directamente por debajo de la capa que contiene petróleo, en la capa que1 contiene petróleo y/o en una región de la flama por arriba de la capa que contiene petróleo. Como se utiliza en la presente, una región de flama es la región de flama visible como se observa por el ojo humano.

La gas que contiene oxigeno se puede introducir desde por lo menos un conducto de entre 0 y 1 metros por arriba de la superficie superior de la capa que contiene petróleo .

La gas que contiene oxigeno se puede introducir desde por lo menos un conducto de entre 0 y 1 metros por debajo de la superficie inferior de la capa que contiene petróleo .

La gas que contiene oxigeno se puede introducir desde por lo menos un conducto en la capa que contiene petróleo.

El método además comprende la combustión de petróleo desde la capa que contiene petróleo con el gas que contiene oxigeno en la presencia de una flama. El calor desde la flama vaporiza por lo menos una porción del petróleo para la combustión con el gas que contiene oxigeno.

El petróleo será quemado a una velocidad de combustión de petróleo o velocidad de quemado. La velocidad de quemado como es expresada en ya sea kg/m2/s o mm/minuto, es disponible en la literatura para varios líquidos flamables, ver Babrauskas, V. "Estimating Large Pool Fire Burning Rates", Fire Technology, 19/4, páginas 251-261, Noviembre de 1983.

El gas que contiene oxígeno se introduce con un gasto de flujo molar de oxígeno suficiente para disminuir la opacidad de una columna de humo desde la combustión de petróleo. La opacidad se puede disminuir por debajo de una opacidad deseada.

El gasto de flujo molar de oxigeno es el gasto de flujo molar de oxigeno en el gas que contiene oxigeno. El gasto de flujo molar de oxigeno es la fracción en mol de oxigeno multiplicado por el gasto de flujo molar del gas que contiene oxigeno.

Una disminución en la opacidad se puede observar fácilmente por incluso un observador casual. La disminución en la opacidad se puede determinar por el Método 9 de EPA -Determinación Visual de la Opacidad de Emisiones de Fuentes Estacionarias. El Método 9 de EPA es discutido en EPA 340/1-92-004, Métodos 9 y 22 de EPA de Emisiones Visibles de Campo Manual, Reporte Final, fechada el Diciembre de 1993. Mientras que la columna de humo de la combustión de petróleo de la capa que contiene petróleo flotante sobre agua se puede mover a una velocidad lenta debido al movimiento de la pluma remolcada por los barcos, para los propósitos de este método, el Método 9 es adecuado. La opacidad se puede determinar visualmente por un observador calificado quien se ha certificado de acuerdo con el Método 9 de EPA.

Antes de y/o durante la combustión de petróleo desde la capa que contiene petróleo, el método puede comprender recolectar la capa que contiene petróleo con una pluma. La pluma es una pluma resistente al fuego. La recolección de la capa que contiene petróleo es descrita en el Manual de la Guardia Costera. El Manual de la Guardia Costera también divulga una pluma resistente al fuego.

El Manual de la Guardia Costera divulga que la formación de una emulsión de agua en aceite estable en una mancha reducirá la ventana de oportunidades de un quemado in-situ. La presencia de una cantidad critica de agua en el petróleo previene que la mancha entre en contacto con la fuente de encendido del fuego capturado. Para ayudar a superar este problema, la concentración de oxigeno del gas que contiene oxígeno en el conducto puede ser mayor que 25% en mol de oxigeno cuando la capa que contiene petróleo se presenta como una emulsión. La concentración de oxígeno del gas que contiene oxígeno puede ser mayor que 50% en mol de. oxígeno cuando la capa que contiene petróleo se presenta como una emulsión. La concentración de oxígeno del gas que contiene oxígeno puede ser mayor que 75% en mol oxígeno cuando la capa que contiene petróleo se presenta como una emulsión. El enriquecimiento de oxígeno mejorará la combustibilidad de la emulsión. La emulsión puede contener de 25% en peso a 40% en peso de agua. Una cantidad adecuada de enriquecimiento de oxígeno se puede determinar sin experimentación indebida.

El Manual de la Guardia Costera divulga que un fuego de petróleo in-situ se extingue naturalmente cuando la mancha se quema a un espesor que permite que bastante calor pase a través de la mancha al agua para enfriar la superficie del petróleo por debajo de su punto de inflamación. Esta situación reduce la concentración de vapores flamables por arriba de la mancha a un nivel que es por debajo de los limites de combustible. El espesor al cual un fuego de petróleo sobre el agua se extingue se relaciona al tipo de petróleo y espesor de la mancha inicial. Las reglas generales se presentan en el Manual de la Guardia Costera que indican que el petróleo crudo con un espesor de la mancha inicial de hasta 20 mm se extinguirá a aproximadamente 1 mm, el petróleo crudo con un espesor de la mancha inicial de 50 mm se extinguirá a aproximadamente 2 a 3 mm, y los combustibles destilados de cualquier espesor de la mancha inicial se extinguirán a aproximadamente 1 mm. Esto significa que por arriba del espesor de la mancha de 3 mm, el petróleo debe ser quemado con combustión sostenida aun sin enriquecimiento de oxigeno.

La concentración de oxigeno del gas que contiene oxigeno en el conducto puede ser aproximadamente 21% en mol de oxigeno, es decir entre 20.5% en mol y 21.5% en mol de oxigeno, cuando la capa que contiene petróleo es mayor que 3 mm de espesor.

La eficiencia de quemado o eficiencia de remoción de petróleo mediante quemado in-situ se ha encontrado que se incrementa por la introducción de un gas que contiene oxigeno comparado con el arrastre natural del aire y la concentración de oxigeno del gas que contiene oxigeno.

La concentración de oxigeno del gas que contiene oxigeno en el conducto puede ser mayor que 25% en mol de oxigeno cuando por lo menos una porción de la capa que contiene petróleo es menor que 4 mm de espesor o menos de 3 mm de espesor para reducir la cantidad del petróleo residual. La concentración de oxigeno del gas que contiene oxigeno en el conducto puede ser mayor que 50% en mol de oxigeno cuando por lo menos una porción de la capa que contiene petróleo es menor que 4 mm de espesor o menos de 3 mm de espesor para reducir la cantidad del petróleo residual.

El método además puede comprender el control de la velocidad de quemado del petróleo al variar el gasto de flujo molar de oxigeno introducido por el gas que contiene oxigeno próximo a la capa que contiene petróleo. El gasto de flujo molar de oxigeno introducido por el gas que contiene oxigeno se puede variar al variar el gasto de flujo volumétrico del gas que contiene oxigeno y/o al variar la concentración de oxigeno del gas que contiene oxigeno. La velocidad de la combustión de petróleo se puede controlar al disminuir el gasto de flujo molar de oxigeno para disminuir la velocidad de la combustión de petróleo. La velocidad de la combustión' de petróleo se puede controlar al incrementar el gasto de flujo molar de oxigeno para incrementar la velocidad de la combustión de petróleo.

El Manual de la Guardia Costera se dirige a dispositivos de encendido. Sin embargo, por la dificultad de iniciar los incendios, por ejemplo con emulsiones, se pueden tomar etapas adicionales. El método además puede comprender el paso de una mezcla de combustible de un combustible gaseoso y oxigeno a través de un segundo conducto, introducir la mezcla del segundo conducto próximo a la capa que contiene petróleo flotando sobre el agua, y encender la mezcla de combustible con una fuente de encendido para de esta manera iniciar la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo. La fuente de encendido puede ser cualquier fuente de encendido conocida en la técnica, por ejemplo una chispa, heli-antorcha, llamarada de tipo encendedor, encendedor de lata de estaño, o una flama piloto.

Cuando por lo menos una porción de la capa que contiene petróleo se presenta como una emulsión que tiene una concentración de agua de 25% en peso de agua a 40% en peso de agua, el método puede comprender etapas adicionales para sostener la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo. El método puede además comprender pasar una o más mezclas de combustible que comprenden combustible gaseoso y oxigeno a través de dos o más conductos de flama piloto, introducir la mezcla de combustible de los dos o más conductos de flama piloto próximos a la capa que contiene petróleo flotante sobre agua, y encender la mezcla de combustible con una fuente de encendido para de esta manera iniciar la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo .

El Manual de la Guardia Costera divulga que hay métodos que permiten algún control sobre el área quemada y velocidad de quemado, pero que será difícil, si no imposible, extinguir rápidamente un fuego del petróleo grande sobre el agua .

El presente método puede comprender etapas para ayudar a enfriar la combustión del petróleo sobre el agua. El método puede comprender pasar un gas pobre en oxígeno a través del por lo menos un conducto y/ü otro conducto, e introducir el gas pobre en oxígeno desde el conducto o el otro conducto próximo a la capa que contiene petróleo para de esta manera enfriar rápidamente la combustión del petróleo de la capa que contiene petróleo.

Como se utiliza en la presente, un gas pobre en oxígeno es un gas que contiene 0 a 5% en mol de oxígeno. El gas pobre en oxígeno puede ser nitrógeno dé grado industrial. El nitrógeno de grado industrial puede contener de 99% en mol a esencialmente 100% en mol de nitrógeno.

La FIG. 1 ilustra un aparato para llevar a cabo el método. La FIG. 1 muestra una primera geometría para el conducto 10 para suministrar el gas que contiene oxígeno próximo a la capa que contiene petróleo 5 flotante sobre agua. Los buques remolcadores 1 y 2 jalan la pluma resistente al fuego 4 utilizando cables de remolque 3. El Manual de la Guardia Costera describe varias plumas que se pueden utilizar para este propósito. Debido a que la inyección de gas que contiene oxígeno intensifica la combustión, la temperatura de flama puede ser más alta. Por lo tanto, se prefieren las plumas con clasificación más alta de temperatura tal como aquellas hechas de metal o con enfriamiento de agua. Esquemáticamente, los cables de remolque 3 incluyen un conducto de suministro de gas que contiene oxígeno. Sin embargo, los cables que llevan la carga separada tales como aquellos hechos de alambres de acero de múltiples hebras podrían ser utilizados junto con un conducto de suministro de gas que contiene oxígeno que a su vez se puede hacer de tubería flexible resistente al fuego, tubo o flotación compuesta e implementos que llevan fluido. La pluma recolecta la capa que contiene petróleo 5 antes de y durante la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo 5. El conducto 10 se une a la pluma 4.

La FIG. 2 muestra una vista esquemática de la capa que contiene petróleo 5 con relación a la pluma 4 y el conducto 10 e ilustra detalles adicionales de la configuración. La capa que contiene petróleo 5 recolectada por la pluma 4 es sustancialmente flotante sobre la superficie del agua 101. La pluma 4 se hace para flotar a una profundidad deseada al controlar la cantidad del liquido 103 dentro de la pluma. El aire comprimido o algún otro fluido gaseoso se puede adicionar o remover a través del dispositivo control 109, por ejemplo una válvula, para afectar el nivel de liquido interno 104. De esta manera, al ajusfar la cantidad relativa del liquido contra el gas dentro de la pluma, la flotabilidad de la pluma se puede controlar de modo que ésta flota a una profundidad deseada. El conducto 10 para suministrar gas que contiene oxigeno se une a un dispositivo de flotación similarmente construido 106 donde un medio de control 110, por ejemplo una válvula, manipula el nivel de liquido interno 108 para afectar la posición de la boquilla 8 con relación a la superficie superior de la capa que contiene petróleo 5. El liquido interno 103 en la pluma 4 y el liquido 107 en el dispositivo de flotación 106 puede ser agua, agua de mar, o algún liquido rápidamente disponible. Como es descrito en la presente, el conducto de gas que contiene oxigeno es una flotación compuesta/sistema que transmite gas. Otros sistemas adecuados, diferentes del sistema como es descrito en la presente, puede proporcionar la misma función.' El conducto 10 en la FIG. 1 se configura con boquillas 8. La FIG. 3 ilustra algunos ejemplos de boquillas.

Las boquillas pueden ser boquillas rectas simples (FIG. 3a), boquillas con aberturas en el lado solamente (FIG. 3b), y/o boquillas con aberturas laterales y abertura (s) de extremo (s) (FIG. 3c) . El conducto 10 se puede configurar con el mismo tipo de boquillas en todo o las boquillas pueden ser variadas. Las boquillas pueden tener aberturas rectas donde el gas que contiene oxigeno se inyecta radialmente hacia afuera, o pueden tener un componente tangencial para inducir un patrón de remolino. Las aberturas laterales pueden tener cualquier ángulo entre el eje de chorro y el eje de la tubería. Es decir, el gas que contiene oxígeno se puede inyectar a 90 grados al eje de la tubería, o cualquier ángulo más o menos de 90 grados. Otra boquilla adecuada se designa, diferente de aquellas explícitamente divulgadas en la presente, pueden proporcionar la misma función y se pueden seleccionar sin experimentación indebida. El número de boquillas y el espaciado entre las boquillas depende del diámetro de la capa de petróleo, la presión disponible del gas que contiene oxígeno, el límite práctico del tamaño de equipo. Un ejemplo se presenta enseguida para ilustrar las consideraciones de dimensionamiento de tal equipo.

Los buques remolcadores 1 y 2 tienen un compresor de aire a bordo para suministrar el gas que contiene oxígeno al conducto 10. El compresor de aire puede ser un compresor de aire con motor de gasolina. El compresor puede ser accionado por cualquier fuente de poder en el barco, ya sea como parte del motor del barco o una fuente de poder separada. El compresor debe ser dimensionado para acomodar los requisitos del aire de un diámetro de acumulación de petróleo dado para reducir la opacidad de la columna de humo. Los buques remolcadores 1 y 2 también pueden tener un medio de almacenamiento adecuado para el oxigeno y nitrógeno de grado industrial. El medio de almacenamiento puede ser un depósito Dewar, por ejemplo. El oxigeno y nitrógeno de grado industrial puede estar en forma de liquido o en forma de gas comprimido. Si el liquido de cualquier clase se va a utilizar, se entiende que un sistema de vaporización adecuado también es incluido. Además, un sistema de control de flujo adecuado debe ser instalado para manejar y mezclar los flujos de aire comprimido, oxigeno industrial y/o nitrógeno industrial .

Alternativamente, una unidad de separación de aire compacto tal como un sistema de absorción oscilante al vacio o una unidad de membrana se pueden utilizar a bordo del barco de remolque para suministrar el oxigeno y nitrógeno industrial. El costo y espacio son algunas de las consideraciones en decidir que enfoque es el mejor adecuado.

Los conductos adicionales y líneas de suministro se pueden utilizar para suministrar mezclas de combustible que comprende combustible gaseoso y oxígeno para encender el petróleo, como es ilustrado en la FIG. 4. Las múltiples flamas piloto pueden ser útiles particularmente para la combustión de emisiones de petróleo. En la FIG. 4, la mezcla de gas de combustible se suministra a los conductos de la flama piloto 11 y colocados próximos a la capa que contiene petróleo 5. Los conductos de la flama piloto pueden tener una o más boquillas para producir flamas piloto. Cada una de las boquillas puede tener un encendedor de chispa. La posición de los conductos de la flama piloto se puede controlar por las dos lineas 12.

La FIG. 5 es similar a la FIG. 1 e ilustra una geometría alternativa que muestra dos conductos 10 para suministrar el gas que contiene oxígeno. Los números de referencia similares se refieren a elementos similares en la FIG. 1 y FIG. 5.

La FIG. 6 es similar a la FIG. 1 y la FIG. 5 e ilustra todavía otra geometría alternativa que muestra el conducto 10 para suministrar el gas que contiene oxígeno. Los números de referencia similares se refieren a elementos similares en la FIG. 1, FIG. 5 y FIG. 6. En la FIG. 6, un tercer buque de remolque se utiliza para remolcar el conducto 10.

El método no se limita al buque de remolque, línea de remolque, pluma, o configuraciones de conducto mostradas en la presente. Aquellos expertos en la técnica pueden determinar fácilmente las configuraciones del dispositivo adecuado para llevar a cabo el método.

E emplos Se condujeron experimentos a escala de laboratorio. Los experimentos se condujeron utilizando un recipiente de 10 cm en diámetro y un recipiente de 20 cm en diámetro. El recipiente de 10 cm en diámetro proporciona una flama turbulenta con realimentación de transferencia de calor convectiva. El recipiente de 20 cm en diámetro proporciona una flama turbulenta que está en la región de transición para realimentación de transferencia de calor radiante, como en un fuego de acumulación grande. El aceite combustible número 2 se utilizó como el liquido flamable.

Tanto el recipiente de 10 cm como el recipiente de 20 cm en diámetro son de 20 cm de altura. Aproximadamente 17.5 cm del recipiente se rellenó con agua, y hasta 2.5 cm del aceite combustible No. 2 se dejó flotar sobre la parte superior del agua. Un tubo de inyección de oxidante se colocó cerca del centro del recipiente. El tubo se tapó al final.. Seis orificios se perforaron sobre el lado del tubo cerca de la tapa para inyectar el oxidante sustancialmente de manera horizontal a través de la superficie del petróleo, y un orificio se perforó a través del centro de la tapa para inyectar el oxidante sustancialmente hacia arriba como es ilustrado en la FIG. 3c.

Para los experimentos con aire o inyección de aire enriquecido con oxigeno y el recipiente de 10 era en diámetro, el ID del tubo de inyección de oxidante fue 12.6 mm, el OD fue 15.9 mm y el tubo de inyección tuvo seis aberturas de 4.8 mm en el lado y una abertura de 4.8 mm en la parte superior. Para los experimentos con oxigeno industrial y el recipiente de 10 en diámetro, el ID de inyección de oxidante fue 6.2 mm, el OD fue 9.5 mm y el tubo de inyección tuvo seis aberturas de 2.4 mm en el lado y una abertura de 2.4 mm en la parte superior.

Para los experimentos con aire o inyección de aire enriquecido con oxígeno y el recipiente de 20 cm en diámetro, el ID del tubo de inyección de oxidante fue 25.7 mm, el OD fue 31.8 mm y el tubo de inyección tuvo seis aberturas de 9.7 mm en el lado y una abertura de 9.7 mm en la parte superior. Para los experimentos con oxigeno industrial y el recipiente de 20 cm en diámetro, el ID de inyección de oxidante fue 12.6 mm, el OD fue 15.9 mm, y el tubo de inyección tuvo seis aberturas de 4.8 mm en el lado y una abertura de 4.8 mm en la parte superior. El tubo de inyección de oxidante y los orificios se dimensionaron para acomodar los requerimientos de flujo incrementado.

La Tabla 1 muestra los resultados de un subconjunto de pruebas donde se evaluó el efecto de la concentración de oxígeno en el gas que contiene oxígeno en la cantidad de residuo de petróleo y velocidad de quemado relativa. Las pruebas en la Tabla 1 se condujeron en el aparato de prueba de 10 cm en diámetro, pero observaciones similares se hicieron para la generación de humo con el aparato de 20 cm en diámetro. Las pruebas se condujeron al encender el petróleo utilizando una flama piloto de propano mientras que el gas que no contiene oxigeno estuvo siendo inyectando. Una vez que se logró una flama de petróleo auto-sostenida, el piloto de propano se removió y el gas que contiene oxigeno se introdujo (si es aplicable) .

El fuego de la acumulación de petróleo se dejó quemar hasta que se extinguió naturalmente. El tiempo para la extinción de la flama se registró y el grado del residuo de petróleo se anotó. El tiempo para la extinción de la flama y la cantidad de petróleo cargado se utilizaron para calcular la velocidad de quemado relativa.

Cuando el gas que no contiene oxigeno se inyectó, hubo humo negro visible. Después de que el fuego se auto-extinguió, una capa continúa de residuo de petróleo fue visible sobre la superficie del agua. Si el aire comprimido se inyectó, no se observó humo visible y el residuo de petróleo fue mucho más delgado, aproximadamente, la mitad del caso previo. Finalmente, si una mezcla de N2/02 50:50' (en moles) se inyectó, nada de humo fue visible y solo puntos aislados ("islas") de petróleo se dejaron después que la flama se apagó por si sola.

Tablea 1. Residuo de petróleo de pruebas de fuego de la acumulación utilizando diferentes oxidantes.

Prueba Quemado Relativo Residuo de Petróleo Visual No. Gas Inyectado Humo Velocidad Observación 85 Ninguno Si 1.0 Capa continúa espesa 90 Aire No 1.5 Capa continúa delgada 91 Mezcla de No 3.0 "islas" de petróleo Los experimentos mostraron que una cantidad sustancial de humo se forma cuando el fuego de la acumulación se deja quemar con solo arrastre natural de aire.

Los experimentos mostraron que la introducción de aire, aun si es menos que la cantidad estequiométrica, puede eliminar esencialmente la columna de humo. La introducción de aire también incrementó la velocidad de quemado.

Los experimentos mostraron que al introducción de aire enriquecido con oxigeno (50% en mol de oxigeno) puede quemar el petróleo sin humo visible. El combustible residual dejado después del quemado fue aproximadamente la mitad de la cantidad del combustible residual cuando el petróleo se quemó con solo aire arrastrado.

Los experimentos mostraron que cuando la cantidad de oxigeno suministrado a través del tubo de inyección de oxidante es menor que el requerimiento estequiométrico, la opacidad se reduce significantemente comparada con la no inyección de oxidante. Para el aire oxidante (21% en mol de oxigeno) suministrado a 50% del requerimiento estequiométrico, se observó algo de humo gris. Para el oxidante enriquecido con oxigeno (28% en mol de oxígeno) suministrado a aproximadamente 60% del requerimiento estequiométrico, no se observó humo visible.

Los experimentos mostraron que la introducción de oxígeno esencialmente puro causa una velocidad de quemado extremadamente rápida con una fiama muy intensa. Algún humo negro visible se formó cuando una cantidad subestequiométrica de oxígeno se adicionó, el cual puede ser debido a la flama intensa de alta temperatura que vaporiza demasiado el combustible para el oxidante disponible. La opacidad de la columna de los experimentos de oxígeno esencialmente puros fue menos que los experimentos sin inyección de oxidante. Puede ser posible eliminar el humo visible utilizando oxígeno industrial como el oxidante con el diseño y arreglo apropiados de las boquillas de oxidante.

Como una medida de seguridad, se proporcionó la habilidad para inyectar nitrógeno a través de la boquilla. La flama se extinguió fácilmente al introducir nitrógeno a través de la boquilla.

El siguiente ejemplo ilustra una metodología para dimensionar el equipo. Para un diámetro dado de la acumulación de petróleo y espesor de la capa de petróleo, la cantidad del petróleo se puede estimar. La combinación de esta información con las propiedades del petróleo tal como la cantidad de carbono, hidrógeno, oxigeno, etc., uno de habilidad ordinaria puede calcular la .cantidad de oxigeno requerido para completar la combustión de la acumulación de petróleo. El requerimiento de oxigeno se conoce en la ciencia de combustión como el requerimiento de oxigeno estequiométrico. Puesto que la velocidad de quemado del petróleo se puede estimar basada en el diámetro de la acumulación, ver Babrauskas (1983), el tiempo de combustión total se puede estimar. De esta manera, una proporción promedio de consumo de oxigeno se puede estimar asumiendo que la velocidad de quemado es constante. Por supuesto, tales estimados son solamente aproximaciones debido a que la velocidad de quemado no puede ser una constante, y que las propiedades del petróleo no se puedan conocer exactamente.

El requerimiento de oxigeno aproximado para una acumulación de petróleo circular de 20 metros en diámetro y 5 cm de espesor se puede calcular. El requerimiento de oxigeno estequiométrico para la combustión se estima que es 104,000 NmVhr, y el tiempo de combustión total estimado es 17. minutos sin inyectar un gas que contiene oxigeno.

Si la mitad del oxigeno estequiométrico se suministra al inyectar un gas que contiene oxigeno y el gas que contiene oxigeno es aire comprimido, el tiempo de combustión se acorta a 11.6 minutos y el gasto de flujo de aire comprimido es 248,000 Nm3/hr.

Si la mitad del oxígeno estequiométrico se suministra al inyectar un gas que contiene oxígeno como en lo anterior pero el gas que contiene oxígeno tiene una fracción en mol de oxígeno de 50%, el tiempo de combustión se acorta a 5.8 minutos. El gasto de flujo del oxígeno industrial sustancialmente puro es 38,000 Nm3/hr y 5.2 toneladas métricas de oxígeno industrial se requiere durante el período de quemado. El gasto de flujo total del gas que contiene oxígeno es 104,000 Nm3/hr.

La velocidad de la inyección de gas que contiene oxígeno y/o el nivel de enriquecimiento de oxígeno no necesita ser constante por todo el período de quemado. Para reducir el consumo del oxígeno de grado industrial, por ejemplo, el enriquecimiento de oxígeno se puede utilizar al comienzo y al final de la combustión, para ayudar a establecer una flama auto-sostenida y para reducir la cantidad de petróleo residual, respectivamente. Durante el resto del período de quemado, el aire comprimido se puede utilizar como el gas que contiene oxígeno.

La literatura sugirió que el quemado controlado se puede llevar a cabo para olas de hasta 1 m de alto. Eso significa que la cabeza de velocidad de la boquilla debe ser por lo menos mucha para evitar el retroceso del agua en la tubería de gas. Teniendo en cuenta el margen de pérdida y diseño de la tubería, 1.5 metros de agua se utiliza como una cabeza de presión del compresor. Con un gasto de flujo de aire máximo de 248,000 NrnVhr, el requerimiento de potencia del compresor es 1.0 MW o 1350 hp.

El número de boquillas afecta el mezclado del gas que contiene oxígeno con el vapor de petróleo. Más boquillas promueven el mezclado pero también complican el diseño e incrementan el costo. Un balance práctico puede requerir qué cada boquilla cubra un área circular de aproximadamente 3 m en diámetro. Para la acumulación de petróleo de 20 metros en diámetro, son necesarias aproximadamente 45 boquillas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para la combustión de petróleo de una capa que contiene petróleo flotante sobre agua, el método caracterizado porque comprende: pasar un gas que contiene oxigeno a través de por lo menos un conducto; introducir el gas que contiene oxigeno desde por lo menos un conducto próximo a la capa que contiene petróleo flotante sobre agua; y quemar el petróleo desde la capa que contiene petróleo con el gas que contiene oxigeno en la presencia de una flama, en donde el gas que contiene oxigeno se introduce- con un gasto de flujo molar de oxigeno suficiente para disminuir la opacidad de una columna de humo desde la combustión de petróleo; y en donde la concentración de oxigeno del gas que contiene oxigeno en el conducto es mayor que 25% en mol de oxigeno cuando por lo menos una porción de la capa que contiene petróleo se presenta como una emulsión que tiene una concentración de agua de 25% en peso de agua a 40% en peso de agua.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la opacidad se disminuye por debajo de una opacidad deseada.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de introducir el gas que contiene oxigeno desde el conducto comprende introducir el gas que contiene oxigeno en una región de flama por arriba de la capa que contiene petróleo.

4. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el gas que contiene oxigeno se introduce desde por lo menos un conducto de entre 0 y 1 metro por arriba de la superficie superior de la capa que contiene petróleo.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas que contiene oxigeno se introduce desde por lo menos un conducto de entre 0 y 1 metro por debajo de la superficie inferior de la capa que contiene petróleo.

6. El método de conformidad con. la reivindicación 1, caracterizado porque el gas que contiene oxigeno se introduce desde por lo menos un conducto en la capa que contiene petróleo.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración de oxigeno del gas que contiene oxigeno en el conducto es aproximadamente 21% en mol de oxigeno cuando la capa que contiene petróleo es mayor que 3 mm de espesor.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la concentración de oxigeno del gas gue contiene oxigeno en el conducto es mayor que 25% en mol de oxigeno cuando por lo menos una porción de la capa que contiene petróleo es menor que 4 mm de espesor.

9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: controlar la velocidad de combustión de petróleo al variar él gasto de flujo molar de oxigeno introducido por el gas que contiene oxigeno próximo a la capa que contiene petróleo.

10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la etapa de controlar la velocidad de la combustión de petróleo comprende disminuir el gasto de flujo molar de oxigeno' para disminuir la velocidad de combustión de petróleo.

11. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la etapa de controlar la velocidad de combustión de petróleo comprende incrementar el gasto de flujo molar de oxigeno para incrementar la velocidad de. combustión de petróleo.

12. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: pasar una mezcla de combustible mixture que comprende un combustible gaseoso y oxigeno a través de un segundo conducto; introducir la mezcla de combustible desde el segundo conducto próximo a la capa que contiene petróleo flotante sobre agua; y encender la mezcla de combustible con una fuente de encendido para de esta manera iniciar la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: pasar una o más mezclas de combustible que comprenden combustible gaseoso y oxigeno a través de dos o más conductos de flama piloto; introducir la mezcla de combustible desde los dos o más conductos de flama piloto próximos a la capa que contiene petróleo flotante sobre agua; y encender la mezcla de combustible con una fuente de encendido para de esta manera iniciar la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo.

14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: pasar un gas pobre en oxigeno a través de por lo menos un conducto y/u otro conducto; e introducir el gas pobre en oxígeno desde el conducto o el otro conducto próximo a la capa que contiene petróleo para de esta manera enfriar la combustión del petróleo desde la capa que contiene petróleo.