Gefahren im Verborgenen

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.

Angesichts der zusätzlichen Komplexität von Technologien zur Verbrennung von „ Rußfrei “ ist ein weiterer betrieblicher Faktor das kritische Verhältnis zwischen den Durchflussraten des Fackelgases und der „ Rußfrei “-Einspritzmedien. Wird zu viel Dampf oder Luft – die beiden gängigsten „ Rußfrei “-Einspritzmedien – zugeführt, kann die Verbrennungszone so stark verdünnt werden, dass der Verbrennungswirkungsgrad sinkt oder die Verbrennung sogar vollständig zum Erliegen kommt. Neben der Gewährleistung, dass die ursprüngliche Fackelkonstruktion den umweltrechtlichen Vorschriften entspricht, ist es unerlässlich, dass die Fackelkonstruktion auch bei der für die Fackel üblichen niedrigen Durchfluss- bzw. Spülrate Schutz vor der Freisetzung unverbrannter Kohlenwasserstoffe bietet.

Eine inhärente Schwierigkeit bei „ Rußfrei “-Fackeltechnologien besteht darin, dass Mindestdurchflussmengen des Rußfrei en Einspritzmediums erforderlich sind, um die Verbrennungsanlage vor thermischen Schäden zu schützen. Diese Mindestdurchflussmengen – sei es ein vom Anlagenhersteller vorgegebener Durchfluss oder eine pragmatische Regelbereichsbegrenzung der Anlage – sind im Vergleich zur minimalen Menge an brennbarem Spülgas, das zur Fackel strömt, relativ hoch. Dieses Ungleichgewicht zwischen der minimalen Fackelrate und dem vergleichsweise großen Durchfluss des inerten Rußfrei en Mediums kann verheerende Auswirkungen auf den Verbrennungswirkungsgrad haben. Da Fackeln selten mit nennenswerten Überlastungsraten betrieben werden, stellt diese problematische Verbrennungseffizienz bei Spülgasdurchsätzen den normalen, stündlichen Betrieb dar. Auf diese Weise verursacht das scheinbar harmlose Phänomen die größten Umweltauswirkungen von Fackelanlagen.

Die Risiken des Ungleichgewichts zwischen den Einspritzmedien „ Rußfrei “ und dem Fackelgas wurden von Forschern und Aufsichtsbehörden untersucht und identifiziert, was in den USA zu Vorschriften geführt hat, die dieses Verhältnis genau überwachen und steuern, um eine ordnungsgemäße Verbrennung auch bei Lastabsenkung sicherzustellen.^2,3 Bei herkömmlichen „ Rußfrei “-Fackelspitzentechnologien ist eine Erhöhung der brennbaren Spülraten erforderlich, um die Vorschriften für den Verbrennungswirkungsgrad im normalen, nicht gestörten Betrieb zu erfüllen, was zu einem erhöhten Brenngasverbrauch und Herausforderungen für bestehende Betriebsgenehmigungen führt. Angesichts der Erkenntnis, dass bereits im Normalbetrieb so erhebliche negative Auswirkungen zu erwarten sind, muss das Ungleichgewicht zwischen der minimalen Dampfeinspritzung und den Fackelgas-Spülraten gemildert werden.

Reduzierung des Dampfverbrauchs

Fackeln werden Rußfrei dadurch erzeugt, dass ausreichend Luft und mitgeführter Sauerstoff zur Verfügung stehen und mit dem Kohlenwasserstoffstrom vermischt werden, sodass alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen oxidiert werden. Bei Dampf-Fackeltechnologien ist es nicht der Dampf selbst, der die Flamme Rußfrei erzeugt, sondern in erster Linie die Luft, die vom Dampfstrom mitgerissen und mitgeführt wird. Fortschritte in der Dampf-Fackeltechnologie, sei es mit dem Ziel eines reduzierten Dampfverbrauchs oder einer verbesserten Leistung der Verbrennungszone im Teillastbereich, beginnen damit, die Effizienz zu steigern, 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 saugt die Bewegungsenergie des aus der Dampfdüse (bei beiden Geräten) ausgestoßenen Dampfes die Umgebungsluft in die Einlassglocke. Das Luft-Dampf-Gemisch strömt dann durch den geraden Abschnitt, wobei sich die Strömung entwickelt. Bei der Venturi-Konstruktion strömt die Strömung anschließend durch die Auslassglocke, deren Auslassquerschnitt sich allmählich vergrößert, wodurch der Druck sinkt und mehr Durchfluss durch das System ermöglicht wird. Empirische Tests haben gezeigt, dass diese Rohrkonstruktion bei gleichem Dampfdurchfluss im Vergleich zu einem S/A-Rohr ähnlicher Größe eine Steigerung des Luftvolumens um bis zu 80 % ermöglicht (Abbildung 4). Diese erhöhte Luftantriebskraft führt zu erheblichen Dampfeinsparungen bei „ Rußfrei “-Kapazitäten (Auslastungsspitzen), aber was noch wichtiger ist: Der reduzierte Dampfverbrauch gilt auch für die normalen täglichen Spülmengen.

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 Umgebungsluftzufuhr in Fackelkonfigurationen ist ein Konzept, das sich bei Mehrpunkt-Bodenfackeln, mehrarmigen Schalltechnologien und anderen Systemen bewährt hat. Durch zusätzliche Einspritzpunkte vergrößern sich die Wechselwirkungsgrenzen zwischen Fackelgas und verfügbarem Sauerstoff, sodass mehr Sauerstoff in die Verbrennungszone gesaugt wird. Erst seit Kurzem wird dieses Konzept bei Dampffackeln angewendet, da diese traditionell aus einem einzigen großen Zylinder bestehen. Durch die Aufteilung des Kohlenwasserstoffstroms auf mehrere Düsenbaugruppen wird das Verhältnis von Umgebungsluft, die mit den Kohlenwasserstoffströmen in der Fackel in Kontakt kommt, vervielfacht. Diese Konfiguration erzeugt eine ringförmige Strömung für das Fackelgas (Abbildung 1), d. h., es ist sowohl an seinem inneren als auch an seinem äußeren Umfang von Luft umgeben. Diese Einkapselung des Gases gewährleistet eine hervorragende Wechselwirkung zwischen Dampf und Luft und verbessert die „ Rußfrei “-Kapazität noch weiter. Letztendlich werden Dampffackeltechnologien anhand des Dampf-zu-Kohlenwasserstoff-Masse-Einspritzverhältnisses (S/HC) verglichen, das erforderlich ist, um bestimmte Gaszusammensetzungen zu erzeugen Rußfrei. Bei Verwendung von Propylen als Testgas betragen die erwarteten S/HC-Werte 0,55 für die herkömmliche Dampffackelkonfiguration mit ausschließlicher oberer Einspritzung und 0,38 für gebogene S/A-Rohrkonstruktionen. Im Gegensatz dazu erfordert eine ringförmige Konstruktion ein Verhältnis von 0,25 kg Dampf pro 1 kg rauchfrei verbranntem Propylen (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 Fackelvorgänge sowohl selten als auch in der Regel von kurzer Dauer sind, machen die Dampfströme zur konstanten Kühlung den größten Teil des Dampfverbrauchs einer Fackelspitze auf Jahresbasis aus. Der Kühlungsdampfstrom schützt die Integrität der Injektoren, indem er die Auswirkungen der Hitze aus der Verbrennungszone abmildert; dieser Strom und seine negativen Auswirkungen werden in kälteren Klimazonen noch verstärkt. Bei der „ SteamForce “-HC-Konstruktion erfolgt im Wesentlichen die gesamte Luftansaugung Rußfrei am Fuß der Spitze. Dadurch sind die Injektoren weniger anfällig für thermische Schäden. Noch wichtiger ist, dass das höhere Luftvolumen, das durch die Venturi-Rohre befördert wird, den zum Schutz der Anlage erforderlichen Mindestdampfdurchfluss weiter reduziert. Es sind nur sehr wenige Venturi-Düsen erforderlich, um vergleichbare „ Rußfrei “-Kapazitäten zu erreichen, was wiederum den Bedarf an Spüldampf verringert (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

1. 'Make Listening Safe', Weltgesundheitsorganisation, https://www. who.int/pbd/deafness/activities/MLS_Brochure_English_lowres_ for_web.pdf, (abgerufen am 14. Januar 2019).
2. '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).
3. EPA 40CFR 63.671.
4. 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).