侧风和罩体几何形状对低流量、无辅助火焰喷射器性能的影响

《Journal of the Air & Waste Management Association》：Effects of crosswind and shroud geometry on performance of low-flow, nonassisted flares

燃烧效率与甲烷去除效率研究：

　　在工业领域，如油气生产、炼油厂和垃圾填埋场，火炬燃烧技术被广泛用作安全控制和排放合规的重要手段。然而，对于低流量（≤100千立方英尺/天，MSCFD）的非辅助火炬，尽管其在实践中被广泛采用，但关于其在实际条件下的性能研究却相对有限。此外，虽然挡风罩（风挡）常用于减少风的影响，但其对火炬性能的具体影响尚未有明确的实证研究。本研究引入了一种新型的户外测试设施，用于评估低流量火炬的性能，并定量分析其在使用和不使用挡风罩情况下的表现。实验在5至75 MSCFD的火炬气体流量范围内进行，使用天然气和一种由80%天然气和20%丙烷组成的混合气体（按体积计算），并在风速从0到超过35英里/小时（MPH）的条件下测试。研究确定了所有运行条件下的燃烧效率（CE）和甲烷破坏去除效率（DRE_CH4）。

研究发现，对于基准非辅助火炬（3英寸直径的管道，配备点火系统），在风速低于10 MPH时，燃烧效率超过96.5%。然而，当风速超过10 MPH时，燃烧效率迅速下降，风速超过30 MPH时，燃烧效率低于70%。这些结果与之前风洞实验和提出的缩放关系进行了比较，并被纳入机器学习（ML）模型中。尽管缩放关系与整体数据相关性较差，但将风速湍流强度作为输入参数的ML模型显示出良好的一致性（R² = 0.84）。此外，研究还探讨了在非辅助火炬上安装不同挡风罩设计对性能的影响，并基于先前的研究估计了美国非辅助火炬年均甲烷排放量。

本研究的实验结果表明，挡风罩在各种条件下均能提高燃烧效率至≥96.5%，证明了挡风罩作为改善非辅助火炬性能的实用且成本效益高的策略的有效性。研究结果还显示出对不同挡风罩设计的低敏感性，说明即使在设计变化的情况下，挡风罩对燃烧效率的提升效果较为稳定。

本研究的实验设置和方法部分详细描述了户外测试设施的构建和操作流程。该设施基于J. Stolzman、L. Gutierrez等人的室内实验设置进行了改进，以适应户外环境并提供更广泛的实验条件。测试使用了一种6英尺×6英尺的排气罩，用于捕捉燃烧产物，并配备了热丝热线风速仪以连续测量上游风速。此外，还使用了多种气体分析仪，包括多气体分析仪和气相色谱法（GC）以测量关键燃烧和破坏效率物种。实验过程中，通过热电偶和红外摄像机确保了燃烧产物的准确测量，并验证了排气罩位置对效率测量的影响。

研究结果和讨论分为两个部分：第一部分讨论了非辅助火炬的性能，第二部分则探讨了挡风罩对火炬性能的影响。两个部分都围绕着一个核心问题展开：风速驱动的烟羽动态如何转化为远场混合燃烧效率？挡风罩部分的实验结果显示，被动的硬件装置可以部分恢复有利的混合环境，并在相同条件下恢复燃烧效率。研究还指出，尽管风洞实验和室内测试在某些条件下显示了非辅助火炬的较低效率，但户外实验的结果表明，燃烧效率在风速较低时仍保持较高水平，而随着风速的增加，燃烧效率迅速下降，特别是在风速超过10 MPH时，燃烧效率显著低于美国环境保护署（EPA）所假设的96.5%或98%的最低破坏效率标准。

研究还探讨了非辅助火炬在不同风速下的燃烧效率变化趋势，并与之前的风洞实验和室内测试结果进行了比较。结果表明，风速对燃烧效率的影响是非线性的，且在较高风速条件下更为显著。同时，实验数据的散点也表明，风速湍流强度对燃烧效率有重要影响，这进一步支持了将湍流强度作为输入参数的机器学习模型在预测火炬性能方面的有效性。

在评估不同挡风罩设计对火炬性能的影响时，研究发现，尽管四种挡风罩设计都显示出对燃烧效率的改善，但商业可用的挡风罩（Shroud 1）在所有测试条件下表现最佳，特别是在高风速条件下。此外，挡风罩的几何特性，如归一化投影面积（A_p’）和修改后的长宽比（R_m），在设计中起到了关键作用。研究还指出，虽然挡风罩能够有效改善火炬性能，但需要更多的研究来系统地评估其他设计参数对火炬性能的影响。

本研究的结果对实际应用具有重要意义。首先，研究揭示了非辅助火炬在实际环境中的燃烧效率普遍低于预期，特别是在高风速条件下。其次，研究展示了挡风罩作为一种有效的技术手段，能够在不显著增加成本的情况下显著提高火炬的燃烧效率，从而减少甲烷排放。此外，研究还强调了风速湍流强度在预测火炬性能中的重要性，并指出未来研究需要进一步探讨湍流长度尺度对火炬性能的影响，以更好地理解风速对火炬燃烧效率的动态影响。

总的来说，本研究为非辅助火炬的设计、优化和应用提供了重要的数据支持和技术参考。通过引入新型户外测试设施和机器学习模型，研究不仅揭示了非辅助火炬在实际环境中的性能特点，还展示了挡风罩作为改善火炬性能的可行解决方案。这些发现对于减少油气生产过程中的甲烷排放、提高火炬燃烧效率以及优化火炬设计具有重要的现实意义。