文丨猿十叁

编辑丨猿十叁

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近年来，对环境保护的关注不断增加，促使大多数石油生产和发达国家对排放进行了更严格的监管。例如，加拿大政府在2018年确定了到2025年减少40-45％甲烷的排放的法规。

石油和天然气生产现场处置废弃物和不需要的气体的两种方法是排放和燃烧。一般来说，由于其对全球变暖的潜力较低，燃烧更受青睐。

甲烷的全球变暖潜力比二氧化碳高28-36倍，二氧化碳是甲烷燃烧的副产品，因此在石油和天然气生产现场将不需要的可燃气体进行燃烧效果优于排放。

根据世界银行的最新报告，全球每年在石油和天然气生产现场燃烧的天然气约为150亿立方米，2018年至2019年之间增长了3％。全球90％以上的天然气燃烧发生在上游/近海石油和天然气生产现场。

图1：带有径向定位雾化器的燃烧器的二维投影视图

虽然高效的燃烧可以减少甲烷排放，但也会释放出黑碳、氮氧化物和碳氢化合物等排放物，对环境、生态系统以及人类和其他物种的健康产生不利影响。

为了减少燃烧带来的有害影响，人们在燃烧过程中添加各种辅助流体以减少排放，其中最常见的有空气、蒸汽和液体水。这些辅助流体还可以控制噪声和火焰亮度或辐射。

四个雾化器的燃烧器设置

燃烧器出口的内径为50.8毫米，外径为57.1毫米，这对应于ASTM标准，通常用于ffares的40号管道。

使用的燃料是纯度为99.5%的丙烷。使用质量流量控制器、以保持恒定的燃料流量，标准流量为20标准升/分钟。

在燃烧器的新配置中，水通过四个雾化器径向注入湍流非预混火焰，这四个雾化器均匀分布在火焰周围，在实验室坐标系统中的垂直线和雾化器中心线之间的角度θ定义。

表1：排放测量的实验条件为恒定的丙烷流量（20 SLPM）

四个雾化器使用直径为12 ± 3微米的水滴注入水，每个雾化器的流量范围为2.1 ± 0.2克/分钟至8.1 ± 0.1克/分钟，导致最高的辅助燃料质量流量比为0.91。

虽然研究中燃料与水的质量流量比与此前测量的导致熄灭的MFR值不接近，但应注意，在湍流火焰中，外部液体水注入时，熄灭可能在雾化水通过到达火焰的局部发生，因此化学效应也起着重要作用。

图2：水辅助火焰和排放测量的测试设施示意图

注入水的质量流量使用电子天平和计时器进行测量。雾化器呈径向定位，并产生锥形喷雾，扩展角约为22°。所研究的雾化器角度包括θ = 20°、θ = 40°和θ = 60°。

对于θ = 20°、θ = 40°和θ = 60°，垂直于雾化器平面的方向分别表示为z1-、z2-和z3-方向。选择了一系列θ值，以使所有注入的水都被火焰消耗。

作为参考，注入角度也可以表示为距离燃烧器中心线的高度范围。对于θ = 20°、θ = 40°和θ = 60°的注入角度，相对于燃烧器内径的无量纲HAB范围分别约为3到12、1.5到3.5和0.5到1.5。

图3：水辅助火焰和PIV测量的测试设施示意图

从雾化器出口中心到燃烧器中心的水平距离变化范围为95毫米到135毫米。排放测量是在每分钟总出水流量约为8到33克的情况下进行的。

然而，在粒子图像测速中，只有位于激光平面内的两个雾化器以与排放测量中相同的个别雾化器流量运行，即总流量的一半，以排除位于垂直平面内的其他两个雾化器的喷雾场对激光平面内的喷雾场的干扰。

粒子图像测速piv

排放测量

图2显示了火焰测试设施的燃料、水喷射和排放测量系统。本研究使用的排放测量仪器包括用于黑碳质量浓度测量的光声消光仪和用于NOx浓度测量的NOx分析仪。

对于一氧化碳和未燃烧碳氢化合物的浓度，我们使用气相色谱法在类似的质量流速下进行了测量。

这些物种在这些测试中未被检测到，且碳转化效率保持在接近100％。扫描迁移粒径分析仪由差动迁移分析器和超细凝结颗粒计数器TSI型号3776组成，用于测量煤烟的粒径分布。

图4：火焰图像：(a) 雾化器的角度和（b）水平位移，(c) 注入不同浓度的NaCl溶液

附录中包含了在所有工况下通过SMPS测量的粒子排放的粒径分布信息；然而，对于粒子排放的讨论将重点放在PAX测量的黑碳质量浓度上。

两个面对面的雾化器喷出的雾化水液滴被一片薄薄的激光光幕照射。这种诊断方法无干扰且不影响喷雾液滴的轨迹线。

通过高速相机捕捉到散射自水液滴的光信号，分辨率为1024×1024像素。可编程定时单元用于同步激光和相机。

液态水喷雾速度场的PIV分析

对注入到火焰中的水滴进行的PIV分析表明，火焰中带有水滴的湍流流动。通过检查SLR图像，观察到几乎所有水滴在蒸发之前都在火焰中飞行良好，尽管水滴数量密度在穿过火焰后有所减少。

水滴通过火焰前部说明火焰在局部被熄灭，并且水滴会影响局部火焰温度、反应动力学和排放物。此外，由于水滴通过高温区域，并且沿着气体上升流动，蒸发的水滴参与化学反应。

因此，与内部注入相比，水对炭黑和氮氧化物的化学效应发生在火焰的较高位置。关于水雾和火焰相互作用的更多图像，请参阅补充材料。

图5：喷雾器角度为θ = 40°（以虚线表示的z2方向）的单个喷雾器SLR图像和PIV速度矢量场

假设所有四个雾化器出口处的速度场相似，PIV分析只针对单个雾化器进行，以增加空间分辨率。红色框在每个图中表示分析窗口。

流量较大和较小时，水滴的喷出速度分别约为1.4 m/s和0.8 m/s，比滴落速度大几个数量级。

然而，无论流量如何，水滴的速度似乎都趋于1 m/s，即超过100 mm处z2方向上的气体上升速度，这表明这些水喷嘴动量通量在火焰燃料一侧的气体流动中没有明显差异，从而减少了进入火焰的气体混入。

图6：以θ = 40°角度观察到的喷雾器喷雾中心线上的平均水滴速度大小

喷雾器角度对排放物的影响

在质量流量范围为0到0.25时，外部注入液态水与内部注入液态水和蒸汽显示出类似的EIBC结果。

然而，当质量流量值高于0.25时，内部注入液态水在抑制炭黑方面更为有效，其次是内部注入蒸汽，其EIBC几乎与外部注入液态水相同。

同时，通过减小喷雾器角度，外部水喷射到火焰中的抑制炭黑效果在高质量流量比下变得不太明显。

图7：BC排放指数（EIBC）：蒸汽和液体水对丙烷火焰的影响

当质量流量为0到0.4时，喷霧器角度为20°和40°的外部注入水与内部注入蒸汽显示出相同的EIBC。

然而，在质量流量大于0.85时，内部注入蒸汽的EIBC抑制效果明显优于外部注入水，效果提高了近一个数量级。

当喷雾器的水平位移在r = 135 mm到r = 95 mm之间变化时，喷雾器出口中心线在θ = 60°处穿过外部燃烧器直径，分别在z = 61.5 mm和z = 38.4 mm之间引入了水到火焰较低位置。

图8：NOx排放指数（EINOx）：丙烷火焰的辅助燃料质量流量比及其相应的影响

随着喷雾器靠近燃烧器中心，EIBC减少了近一个数量级，这可以归因于水的化学和热力学效应在燃烧早期阶段更靠近火焰底部注入。

可以假设，喷雾器越靠近燃烧器中心，水与燃料热解后立即形成的多环芳烃更早地发生反应。这种早期相互作用可能会阻碍碳黑前体物质的形成。

此外，由于水的注入，燃料的热裂解速率减小，这种热效应减少了碳黑的形成。此外，水注入导致OH自由基的增加，进一步氧化了碳黑前体物质，减少了碳黑排放，正如李等人所示，水辅助非预混合火焰中碳黑前体物质的摩尔分数降低。

喷雾器距离变化对EINOx没有显著影响，主要是由于喷雾器的水平距离变化有限。观察到的EINOx的轻微差异可能是由于不同实验中四个喷雾器的总水流量的不确定性。

图9：将EIBC和EINOx与喷雾器出口距离与燃烧器出口半径之比绘制在MFR = 0.9和θ = 60°条件下

结论

至此我们得出结论：不同浓度的钠盐溶液含有相同的水流量。可以看出，去离子水的注入与钠盐浓度为0.005%和0.05%时的EIBC和EINOx几乎相同。

这表明小浓度的钠盐对BC和NOx排放没有显著影响。然而，较高浓度的钠盐在相同的水流量和角度下注入，与去离子水相比，EINOx分别减少约20%和40%，而EIBC分别增加约2倍和7倍。

值得注意的是，EINOx的减少不是由于绝热火焰温度的降低：在这些实验中，总液体流量（H₂O + NaCl）几乎是恒定的，并且添加NaCl会导致理论绝热火焰温度略微增加。

图10：在恒定MFR = 0.9和θ = 60°的条件下，EIBC和EINOx与钠盐浓度的关系

在几乎恒定的绝热火焰温度下，NOx和BC排放的显著变化突显了添加NaCl对NOx抑制和煤烟增加的化学影响。根据此前研究 ，当NaCl添加到火焰中时，它降低了诸如H、O和OH等自由基浓度。

具体而言，已知钠在通过反应Na + OH + M ↔ NaOH + M和NaOH + H ↔ Na + H2O中直接参与去除OH和H自由基，其中M是除能量的碰撞伴侣。