Clayton A. Francis, Zeeco, USA, erklärt, warum die größten Umweltauswirkungen von Abfackelanlagen oft harmlos erscheinen.
Manchmal können Dinge, die harmlos erscheinen, schädlich sein. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind heute mehr Jugendliche durch ihre persönlichen Audiogeräte von Hörverlust bedroht als durch die Lautstärke von Konzerten und Musikveranstaltungen.1 Es sind die alltäglichen, scheinbar unbedeutenden Belastungen, die sich am stärksten auswirken, und nicht, wie man vielleicht erwarten würde, die seltenen Explosionen. Dieses Phänomen trifft auch auf andere Aspekte des täglichen Lebens zu, einschließlich der Auswirkungen bestimmter Prozessanlagen.
Mitglieder der Gemeinschaft und Regulierungsexperten haben sich bisweilen gefragt, ob Fackeln ihre Aufgabe der zuverlässigen, sicheren und umweltverträglichen Gasentsorgung tatsächlich erfüllen. Umfassende Tests, die sich über vier Jahrzehnte erstrecken, haben bestätigt, dass ordnungsgemäß betriebene Fackeln sowohl die Umwelt als auch die Ausrüstung und das Personal in einer Betriebsanlage zuverlässig schützen. Die Tests wurden in erster Linie unter den Bedingungen eines idealen Betriebs der Fackelspitze und ihrer Versorgungsströme durchgeführt. Allerdings können so unterschiedliche Faktoren wie unzureichende Ausbildung, fehlende Prozessmessungen oder andere betriebliche Hürden leicht zu einem ineffizienten und unwirksamen Betrieb einer Prozessfackel führen.
Bei der Betrachtung der zusätzlichen Komplexität rauchloser Abfackeltechnologien ist ein weiterer Betriebsfaktor die kritische Beziehung zwischen den Durchflussraten des Fackelgases und der rauchlosen Injektionsmedien. Wenn zu viel Dampf oder Luft - die beiden gängigsten rauchlosen Injektionsmedien - eingesetzt werden, kann die Verbrennungszone verdünnt werden, bis die Verbrennungseffizienz sinkt oder sogar ganz zum Erliegen kommt. Neben der Sicherstellung, dass die ursprüngliche Fackelkonstruktion den Umweltgesetzen entspricht, ist es unbedingt erforderlich, dass die Fackelkonstruktion auch bei der normalen niedrigen Durchfluss-/Spülrate der Fackel einen Schutz gegen die Freisetzung unverbrannter Kohlenwasserstoffe bietet.
Eine inhärente Schwierigkeit bei rauchlosen Fackeltechnologien besteht darin, dass Mindestdurchflussmengen des rauchlosen Injektionsmediums erforderlich sind, um die Verbrennungsanlage vor thermischen Schäden zu schützen. Diese Mindestdurchflüsse, sei es ein vom Hersteller der Anlage vorgegebener Durchfluss oder eine pragmatische Begrenzung des Turndowns in der Anlage, sind im Vergleich zum minimalen brennbaren Spülgas, das zur Fackel fließt, recht hoch. Dieses Ungleichgewicht zwischen der minimalen Fackelrate und dem vergleichsweise großen Durchfluss des rauchlosen Inertgases kann sich verheerend auf die Verbrennungseffizienz auswirken. Da Fackeln nur selten mit nennenswerten Störungsraten fließen, stellt diese störende Verbrennungsineffizienz bei den Spülgasraten den normalen, stündlichen Betrieb dar. Auf diese Weise stellt das scheinbar Harmlose die größte Umweltbelastung durch Abfackelanlagen dar.
Die Risiken des Ungleichgewichts zwischen rauchlosen Einspritzmedien und Fackelgas wurden von Forschern und Regulierungsbehörden untersucht und identifiziert, was in den USA zu Vorschriften geführt hat, die dieses Verhältnis genau überwachen und kontrollieren, um eine ordnungsgemäße Verbrennung auch bei Turndown sicherzustellen.2,3 Bei herkömmlichen rauchlosen Fackelspitzen-Technologien ist eine Erhöhung der Spülrate für brennbare Stoffe erforderlich, um die Vorschriften für den Verbrennungswirkungsgrad bei normalem, nicht abgesenktem Betrieb zu erfüllen, was zu einem erhöhten Brenngasverbrauch und zur Infragestellung der bestehenden Betriebsgenehmigungen führt. Angesichts der Tatsache, dass bei normalem Betrieb so viele negative Auswirkungen zu erwarten sind, muss das Ungleichgewicht zwischen der minimalen Dampfeinspritzung und den Fackelgasreinigungsraten gemildert werden.
Reduzierung des Dampfverbrauchs
Fackeln werden rauchfrei gemacht, indem sichergestellt wird, dass ausreichend Luft und mitgerissener Sauerstoff verfügbar sind und mit dem Kohlenwasserstoffstrom vermischt werden, so dass alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen oxidiert werden. Bei der Dampffackeltechnologie ist es nicht der Dampf selbst, der die Flamme rauchfrei macht, sondern in erster Linie die vom Dampfstrom angetriebene und mitgerissene Luft. Fortschritte in der Dampffackeltechnologie, sei es im Hinblick auf einen geringeren Dampfverbrauch oder eine verbesserte Leistung der Verbrennungszone bei der Abkühlung, beginnen mit der Erhöhung der Effizienz, mit der die Luft durch den Dampf transportiert wird.
Zeeco Ingenieure haben die SteamForce HC-Fackeltechnologie entwickelt, um Umweltprobleme durch einen effizienten Dampfinjektionsmechanismus zu lösen. Die Verringerung des Dampfverbrauchs hat eine Vielzahl positiver Auswirkungen auf die Betriebskosten, die Umweltauswirkungen und die Einhaltung von Vorschriften. Bei der neuen Konstruktion wird das Fackelgas in einem einzigen Steigrohr auf mehrere Dampfdüsen verteilt. Die Düsenbaugruppen bestehen aus einem luftführenden Venturi, der konzentrisch von einem Fackelgasring umgeben ist (Abbildung 1). Jede Düse nutzt die Dampfeinspritzung als Antriebskraft an ihrer Basis und ist am Umfang von einem Düsenring umgeben, um die vollständige Vermischung und Interaktion zwischen dem Fackelgas und der rauchreduzierenden Verbrennungsluft zu gewährleisten.
Dampfinjektionstechnik
Bei den frühen Dampfinjektionstechnologien wird die Umgebungsluft durch eine Einspritzdüse in die Verbrennungszone geblasen, meist mit einer Vielzahl von Einspritzdüsen um den Umfang der Spitze herum. Die Verwendung von Dampf-Luft-Rohren erhöht die Effizienz der Luft-Dampf-Einspritzung, indem die Luft mit einer Einlassglocke gesammelt und dann durch ein Rohr in den Kern der Verbrennungszone transportiert wird. Die erhöhte Luftmenge und ihr Einsatz in schwer zugänglichen Bereichen des Fackelgases sind seit Jahrzehnten die Grundlage der meisten Hochleistungs-Dampffackelspitzen. Zwei Unzulänglichkeiten des Systems blieben jedoch bestehen: Die S/A-Rohre benötigten eine Gehrung oder Biegung, um die Strömung richtig zu lenken, was die Effizienz beeinträchtigt, und das Rohr hat über seine gesamte Länge einen gleichmäßigen Durchmesser (Abbildung 2, links).
Hohe Geschwindigkeiten in der S/A-Röhre bei Betrieb mit hoher Kapazität führen zu Widerstandsverlusten und Druckabfall, wodurch die Gesamtluftmenge für jede Röhre begrenzt wird. Mehrere neuere Technologien verwenden gerade Rohre, um eine bessere Leistung zu erzielen; der Durchfluss ist jedoch nach wie vor eingeschränkt und der Wirkungsgrad in der Konfiguration mit konstantem Durchmesser begrenzt (Abbildung 2, rechts). Venturis sind wohlbekannte Geräte, die in allen Prozessanlagen zum Verdichten, Antreiben oder Vervielfachen von Strömungen eingesetzt werden.
Echte Venturis werden erst seit kurzem in Dampffackelspitzen für Luftantriebe eingesetzt. Der sich ausdehnende Kegel stromabwärts des Kompressionsabschnitts des Venturis vermeidet den Luftwiderstand und die Zwänge der Rohrkonstruktion mit geradem Durchmesser (Abbildung 3).
Im Allgemeinen zieht der Schwung des aus der Dampfdüse ausgestoßenen Dampfes (bei beiden Geräten) die Umgebungsluft in die Einlassglocke. Das Gemisch aus Luft und Dampf strömt dann durch den geraden Abschnitt, wobei sich die Strömung entwickelt. Bei der Venturi-Konstruktion fließt der Strom dann durch die Auslassglocke, deren Auslassfläche sich allmählich vergrößert, wodurch der Druck sinkt und mehr Strom durch das System fließen kann. Empirische Tests haben gezeigt, dass dieses Rohrdesign bei einem ähnlich großen S/A-Rohr eine bis zu 80 % höhere Luftmenge bei gleichem Dampfstrom ermöglicht (Abbildung 4). Dieser erhöhte Luftantrieb führt zu erheblichen Dampfeinsparungen bei rauchfreien (gestörten) Kapazitäten, aber noch wichtiger ist, dass der verringerte Dampfverbrauch auch bei normalen täglichen Spülraten anwendbar ist.
Abbildung 4. Bei einem Dampfdurchsatz von 3427 lbs/h kann die Venturi-Konstruktion ohne Vormischung 49 572 lbs/h Luft ansaugen, verglichen mit 27 468 lbs/h Luft bei einem Geradrohrgerät mit Vormischung von Fackelgas, Dampf und Luft. Darüber hinaus erreicht die Venturi-Anlage ein Massenverhältnis von 14,47 lbs Luft pro 1 lb Dampf im Vergleich zu 8,06 lbs Luft pro 1 lb Dampf bei der Geradrohranlage.
Die Verbesserung des Zugangs zur Umgebungsluft in Fackelkonfigurationen ist ein Konzept, das sich bei Mehrpunkt-Bodenfackeln, mehrarmigen Schalltechnologien und anderen bewährt hat. Mit zusätzlichen Einspritzpunkten erhöhen sich die Wechselwirkungsgrenzen zwischen Fackelgas und verfügbarem Sauerstoff, so dass mehr Sauerstoff in die Verbrennungszone gezogen wird. Erst in jüngster Zeit wurde dieses Konzept auch auf Dampffackeln angewandt, da diese traditionell ein einziges, großes Fass darstellen. Durch die Aufteilung des Kohlenwasserstoffstroms auf mehrere Düsenbaugruppen wird das Verhältnis von Umgebungsluft und Kohlenwasserstoffströmen in der Fackel vervielfacht. Durch diese Konfiguration entsteht eine ringförmige Strömung für das Fackelgas (Abbildung 1), d. h. es ist sowohl am inneren als auch am äußeren Rand von Luft umgeben. Durch diese Einkapselung des Gases wird eine bessere Wechselwirkung zwischen Dampf und Luft erreicht, was die rauchfreie Kapazität weiter erhöht. Letztlich werden Dampffackeltechnologien anhand des Verhältnisses von Dampf zu Kohlenwasserstoffmasse (S/HC) verglichen, das erforderlich ist, um einzelne Gaszusammensetzungen rauchfrei zu machen. Bei Verwendung von Propylen als Testgasmedium liegen die erwarteten S/HC-Raten bei 0,55 für die herkömmliche, nur oben eingespritzte Dampffackelkonfiguration und bei 0,38 für gebogene S/A-Rohrkonstruktionen. Im Gegensatz dazu ist bei einer ringförmigen Ausführung eine Rate von 0,25 kg Dampf pro 1 kg rauchfrei verbranntem Propylen erforderlich (Abbildung 5).
Abbildung 5. Die obige Abbildung zeigt die Einsparungen beim Dampfverbrauch durch die Verwendung einer SteamForce HC-Fackel im Vergleich zur Verwendung eines herkömmlichen gebogenen S/A-Rohrs oder einer oberen Dampffackelspitze.
Die Fackelleistung wird in der Regel für höhere als minimale Durchflüsse optimiert, wobei Geschwindigkeiten und Turbulenzen verwendet werden, die hoch genug sind, um externe Einflüsse wie Seitenwinde zu überwinden. An der HC-Spitze SteamForce ist ein Düsenring um den Umfang der Düse herum installiert, um eine gute Wechselwirkung zwischen der Verbrennungsluft und dem Fackelgas bei Mindestströmungen zu gewährleisten. Einige Hersteller geben relativ hohe Betriebsdrücke für Fackeln an, z. B. 2 - 5 psi, um die versprochenen Leistungsparameter zu erreichen. Diese Technologien stützen sich auf die kinetische Energie der Gase bei Notfall- oder Störungsraten, um die Leistung zu optimieren. Eine Vielzahl von Dampffackeln wird jedoch bei niedrigeren Maximaldrücken betrieben, und die Leistung dieser Spitzen leidet in der Regel drastisch bei niedrigem Turndown. Im Gegensatz dazu steuert ein Düsenring die Form der Fackelströmung und stellt sicher, dass diese korrekt mit dem Kern der abgeleiteten Luft interagiert und die Leistung der Düse über den gesamten Betriebsbereich aufrechterhalten wird, insbesondere bei vollem Durchsatz.
Kosten und betriebliche Erwägungen
Da Abfackelungen selten und in der Regel von kurzer Dauer sind, machen die Dampfströme mit konstanter Kühlung den größten Teil des Dampfverbrauchs einer Fackelspitze auf Jahresbasis aus. Der Kühlungsdampfstrom schützt die Integrität der Einspritzdüsen, indem er die Auswirkungen der Hitze der Verbrennungszone abschwächt; dieser Strom und seine negativen Auswirkungen werden in kälteren Klimazonen noch verstärkt. Bei der HC-Konstruktion ( SteamForce ) erfolgt die Ansaugung der rauchfreien Luft im Wesentlichen an der Basis der Spitze. Daher sind die Einspritzdüsen nicht so anfällig für thermische Schäden. Noch wichtiger ist, dass das höhere Luftvolumen, das von den Venturi-Rohren angetrieben wird, den zum Schutz der Geräte erforderlichen Mindestdampfstrom weiter reduziert. Es sind nur sehr wenige Venturidüsen erforderlich, um vergleichbare rauchfreie Kapazitäten zu erreichen, was wiederum den Spüldampfbedarf reduziert (Tabelle 1).
Als allgemeine Annäherung an die Zeit, die eine Fackel im Spülstrom im Vergleich zu einer großen Entlastungslast verbringt, wurde in der Industrie das Verhältnis von 95 % zu 5 % angemessen verwendet. Die Endverbraucher haben Aufzeichnungen über die maximale Dampfeinspritzrate und den minimalen Dampfdurchsatz für die Fackelanlage, und so zeigt eine grundlegende Analyse zwischen verschiedenen Technologien, wie die Betriebskosten von Fackelspitzen durch den normalen, minimalen Fall dominiert werden können. Die Verwendung eines allgemeinen Wertes von 12 US$/1000 lbs für die Dampferzeugung verdeutlicht das Kosteneinsparungspotenzial der neuen Dampffackeltechnologie (Tabelle 2).
Die in Tabelle 2 dargestellte Methode zur Berechnung der Betriebskosten ist vereinfacht und erfasst nur die Einsparungen bei der Dampfversorgung.4 Wenn Regulierungsbehörden und Nutzer zusätzlich die Robustheit der Verbrennungszone berücksichtigen, die manchmal als Nettoheizwert der Verbrennungszone (NHVcz) ausgedrückt wird, muss ein anreichernder Brennstoffstrom bei minimalen Spülraten hinzugefügt werden, um eine gesunde Verbrennung sicherzustellen. Die Menge der erforderlichen Brenngaseinspritzung steht in direktem Zusammenhang mit der Mindestdampfrate, so dass die betrieblichen Einsparungen durch die Abfackeltechnologie des Unternehmens je nach Brennstoffkosten und örtlichen Vorschriften weiter vergrößert werden können. Insbesondere wird bei dieser Konstruktion bewusst auf eine Vormischung der angesaugten Luft und des Fackelgases vor dem Ausgang der Fackelspitze und dem Pilotstandort verzichtet. Keine Vormischung bedeutet, dass die angesaugte Luft nicht in die NHVcz-Berechnungen einbezogen werden muss, wie im US Environmental Protection Agency (EPA) Code of Federal Regulations, Chapter 1, Subchapter C, Part 63, Subpart CC beschrieben.3 Wenn Verbrennungsluft mit dem Fackelgas vor dem Austritt vorgemischt wird, hat dies den Effekt, dass die Leistung der Verbrennungszone noch mehr verdünnt wird als der Dampf selbst. Wird die Verbrennungsluft erst am Ausgang der Fackelspitze zugeführt, muss nur der Dampfstrom angereichert werden, was dem Betreiber erhebliche Kosten für das Anreicherungsbrenngas erspart.
Die Langlebigkeit der Fackelspitze kann ebenfalls verbessert werden. Die Vektoren der Dampf- und Lufteinspritzung sind vertikal, was die Möglichkeit einer Flammenkappe verringert. Frühere Dampfinjektionstechnologien hatten eine horizontale Neigung der Dampfflugbahn. Wenn die Fackelgasströme minimal sind, übt der Dampfstrom mehr Druck, Geschwindigkeit und Schwung aus als der brennbare Strom. Das Ungleichgewicht in der Strömung führt zu einer effektiven "Kappe" über dem Fackelspitzenausgang, und diese Kappe drückt die Verbrennung im Fackelspitzenrohr oft nach unten. Diese chemische Hochtemperaturreaktion im Inneren der Spitze führt mit der Zeit zu irreparablen Schäden und ist eine häufige Fehlerart bei dampfunterstützten Spitzen. Mehrere Dampfeinspritzquellen, die mehrere Regelventile erfordern, können diesen Schaden noch verschlimmern, da die obere Dampfeinspritzung im Vergleich zu der über die S/A-Rohre zugeführten Menge zu aggressiv sein kann. Wenn jedoch nur eine einzige Dampfquelle und -steuerung verwendet wird, verhindert die Kombination aus nach oben gerichteten Einspritzvektoren und Ein-Punkt-Steuerung das innere Verbrennen der Fackelspitze und bietet eine längere Lebensdauer und einen höheren Wert für die Anlage.
SCHLUSSFOLGERUNGEN
Die Öffentlichkeit sieht in den hohen, hellen Flammen aus den Fackelkaminen das größte Gesundheits- und Umweltrisiko. Ironischerweise deuten diese Flammen auf eine hohe Zerstörungseffizienz hin und darauf, dass die Fackel die Kohlenwasserstoffe korrekt auf eine sichere Zusammensetzung herunterbricht. Was nicht verstanden wurde, ist, dass winzige, fast unbemerkte Strömungen am anfälligsten für eine übermäßige Zufuhr von Dampf und Luft sind. Die Überbelüftung ist für größere Umweltschäden verantwortlich, und ihre Behebung führt zu erheblichen Verbesserungen bei den Kapital- und Betriebskosten. Durch die Schaffung eines effektiveren Dampfeinspritzungsmechanismus wird die Verbrennungszone während des vorherrschenden Anwendungsfalls eines geringen Durchflusses verbessert, während gleichzeitig weniger Dampf bei hohem Durchfluss oder unter Störungsbedingungen verwendet wird.
REFERENZEN
- 'Make Listening Safe', Weltgesundheitsorganisation, https://www. who.int/pbd/deafness/activities/MLS_Brochure_English_lowres_ for_web.pdf, (abgerufen am 14. Januar 2019).
- 'Parameters for Properly Designed and Operated Flares', US EPA Office of Air Quality Planning and Standards, https://www3. epa.gov/airtoxics/flare/2012flaretechreport.pdf, (abgerufen am 14. Januar 2019).
- EPA 40CFR 63.671.
- Benchmark the Fuel Cost of Steam Generation", US Department of Energy, https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f16/ steam15_benchmark.pdf, (abgerufen am 14. Januar 2019).