Die LNG-Industrie deckt einen vielfältigen Bedarf, der von der Stromerzeugung bis hin zu Rohstoffen für die Wasserstoffproduktion und einer sauberen Alternative für den Transport reicht. Da die Branche expandiert, sind technologische Entwicklungen in der gesamten LNG-Wertschöpfungskette von entscheidender Bedeutung, um dieses Wachstum zu unterstützen.
In einer typischen Verflüssigungsanlage wird das Erdgas bei -259˚F (-162˚C) verflüssigt. Das entstehende LNG nimmt 1/600th des Volumens von Erdgas, wodurch es effizienter zu großen Märkten transportiert werden kann, auf denen Erdgas sonst nicht so leicht verfügbar wäre. Darüber hinaus ist LNG von entscheidender Bedeutung für die Lieferung von Erdgas an entlegene Orte ohne Zugang zu Pipelines.
Die LNG-Industrie setzt sich aus verschiedenen Sektoren zusammen, die die LNG-Wertschöpfungskette bilden, darunter die Erdgasförderung, Verflüssigungsanlagen, Transport und Verschiffung, Lagerung und Regasifizierung. Viele dieser Anlagen benötigen ein Fackelsystem, um Abfallströme aufgrund von Wartungsarbeiten, Prozessstörungen oder Notfalleinsätzen zu behandeln.
Das Fackelsystem ist für die sichere Verbrennung dieser Abfallströme ausgelegt, um die Umweltauswirkungen der Anlagen zu verringern. Eine effiziente Verbrennung des in einer typischen Anlage erzeugten Methans ist wichtig, da unverbranntes Methan ein Treibhauspotenzial (GWP) von 25 hat, während Kohlendioxid, eines der Verbrennungsprodukte, ein GWP von eins hat. Normalerweise sind diese Fackelsysteme so ausgelegt, dass sie nur gasförmige Abfallströme effizient behandeln. API 521 besagt: "Große Flüssigkeitströpfchen und Flüssigkeitsbeladung können zu Rauch, zur Freisetzung von Flüssigkeitströpfchen (brennend oder nicht brennend) aus der Fackel oder zu mechanischen Schäden führen."
Das Abfackeln bringt eine Vielzahl von Herausforderungen mit sich, wie z. B. das Erreichen der zulässigen sichtbaren Emissionen, die Einhaltung von Lärm- und Strahlungsanforderungen und die Bereitstellung einer angemessenen Fläche für das Abfackelsystem und seinen sterilen Bereich. Ein steriler Bereich ist aufgrund übermäßiger Flammenstrahlung oder Lärmpegel nur eingeschränkt zugänglich. Darüber hinaus muss die Fackel so ausgelegt sein, dass sie über den erwarteten Bereich der Entlastungskapazität funktioniert. In typischen Gasabfackelungssystemen müssen flüssige Prozessströme, wie z. B. in einer LNG-Anlage, zunächst verdampft oder mit einer Art Knockout-Trommel abgetrennt werden, bevor der gasförmige Strom in die Fackel geleitet wird. Dies kann zusätzliche Komplexität und Kosten für das System bedeuten.
Wie im weiteren Verlauf dieses Artikels erläutert wird, hat Zeeco eine Fackel entwickelt und getestet, die flüssige Abfallströme effizient handhabt und somit mehrere Vorteile bietet, wie z. B. geringere Anlagenkosten, verbesserte Anlagen- und Personalsicherheit und geringere Umweltbelastung.
Erfolgreiche Erprobung in großem Maßstab
Als Reaktion auf eine Kundenanfrage nach einem Fackelsystem, das flüssige Abfallströme handhaben kann, entwickelte Zeeco ein druckzerstäubtes Fackelsystem und führte an seinem Hauptsitz in Broken Arrow, Oklahoma, USA, einen groß angelegten Test mit LNG durch. Der Fackeltest war erfolgreich und öffnete die Tür zu vielen neuen Möglichkeiten und Anwendungen für diese Technologie in der LNG-Industrie.
Das LNG wurde in einem doppelwandigen, vakuumisolierten Anhänger an Zeeco geliefert, der anschließend an den Testfackelkopf angeschlossen wurde. Die im Anhänger eingebaute Pumpe beförderte das LNG durch den Edelstahlsammler und die Fackelspitze zur Fackelspitze. Die Temperatur und der Druck des Abfallstroms wurden aufgezeichnet, um die Phase (d. h. Gas, Zweiphasengas, Flüssigkeit) zu bestimmen. Zu Beginn der Prüfung, als der Fackelsammler noch Umgebungstemperatur hatte, war der Abfallstrom gasförmig. Als der Sammler abkühlte, ging der Abfallstrom in eine zweiphasige und dann in eine flüssige Phase über, wobei während des gesamten Prozesses eine stabile, rauchfreie Flamme erhalten blieb. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Fackelkonstruktion eine effiziente Verbrennung über den gesamten Bereich der Betriebsbedingungen zeigte. Die Fackelspitze hielt extremen Bedingungen und thermischen Zyklen in mehreren Vorversuchen stand und überstand auch die vom Kunden bezeugten Endtests ohne mechanische Schäden. Um die robusteste Konstruktion für eine Flüssigfackelspitze zu erhalten, verwendete Zeeco ein Gussteil, um die Anzahl der Schweißnähte in der Wärmeeinflusszone zu reduzieren und die Anforderungen an die mechanische Zerstäubung zu erfüllen.
Überlegungen zur Gestaltung
Das Hauptproblem bei einer Flüssigkeitsfackel besteht darin, dass ein Sprühnebel brennender Flüssigkeiten entstehen kann, der den Boden erreichen und ein Sicherheitsrisiko darstellen könnte. Eine wirksame Zerstäubung des flüssigen Abfallstroms behebt dieses Problem, indem der Flüssigkeitsstrom in kleine Tröpfchen zerlegt wird, wodurch sowohl die Oberfläche der Flüssigkeit als auch die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht werden. Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte sind die wichtigsten Flüssigkeitseigenschaften, die die Größe der Flüssigkeitströpfchen und die Eigenschaften des Sprühmusters beeinflussen. Das Fackelsystem wird modelliert, um sicherzustellen, dass eine angemessene druckinduzierte Zerstäubung für die Eigenschaften eines bestimmten Abfallstroms erreicht wird.
Druckzerstäubung bedeutet, dass die Zerstäubung durch die Energie des Abfallstroms selbst erzeugt wird und kein Zerstäubungsmedium wie Dampf oder Druckluft erforderlich ist. Eine weitere gängige Zerstäubungsmethode ist die Hochdruck-Gaszerstäubung. Dabei wird die Flüssigkeit durch Einspritzen von Luft, Dampf oder Erdgas in den Flüssigkeitsstrom in kleine Tröpfchen zerlegt. Der Hauptvorteil der Druckzerstäubung besteht darin, dass sie ohne zusätzliche Versorgungseinrichtungen und die entsprechende Infrastruktur auskommt, wodurch die mit dem Fackelsystem verbundenen Kapital- und Betriebskosten gesenkt werden können.
Die Flammenstabilität ist für den sicheren Betrieb einer Fackelanlage und die ordnungsgemäße Vernichtung von Abfallströmen von entscheidender Bedeutung. Eine stabile Flamme bedeutet, dass die Fackel unter allen Betriebs- und Umweltbedingungen gezündet bleibt. Typische Ursachen für eine instabile Flamme sind magere Abfallströme (d.h. niedriger Heizwert) und/oder eine hohe Austrittsgeschwindigkeit des Abfallstroms. Der Verlust der Flammenstabilität kann zu unverbrannten Abfallströmen, negativen Umweltauswirkungen und Sicherheitsbedenken führen. Das für diese Anwendung entwickelte Druckzerstäubungs-Flüssigkeitsfackelsystem verwendet proprietäre Zeeco Mechanismen, um eine stabile Flamme zu gewährleisten. API 521, Abschnitt 5.7.2.4 beschreibt verschiedene Beobachtungen zur Bestimmung der Flammenstabilität (d.h. ein niederfrequentes, pochendes Geräusch wird mit einer instabilen Flamme in Verbindung gebracht, da die Flammenfront pulsiert). Basierend auf den sichtbaren und hörbaren Beobachtungen, die während der Tests aufgezeichnet wurden, behielt das Fackelsystem eine stabile Flamme bei, während es von der Verbrennung von Erdgas auf zweiphasiges Erdgas/Flüssigkeit und dann auf unterkühltes LNG umschaltete.
Zusätzlicher Nutzen
Die Entwicklung von Fackelsystemen kann beim Bau einer neuen Anlage oder bei der Nachrüstung einer bestehenden Anlage eine Vielzahl von Vorteilen bieten. Ein Thema, das besondere Aufmerksamkeit erfordert, ist der von den Anlagen erzeugte Lärm. Gebläse, Kompressoren, Lufttrockner, Heizgeräte, Fackeln und andere Quellen tragen alle zu den Lärmpegeln am Arbeitsplatz bei, die berücksichtigt werden müssen, um sicherzustellen, dass bei Bedarf die richtige persönliche Schutzausrüstung und Beschilderung verwendet wird. In einigen Fällen wird die Höhe der Fackel oder der sterile Radius um die Fackel durch Lärmgrenzwerte bestimmt; daher ist eine Verringerung des Lärmpegels der Fackel ein großer Vorteil für die Gesundheit der Arbeitnehmer und eine potenzielle Möglichkeit zur Kosteneinsparung.
Laut OSHA kann lauter Lärm physischen und psychischen Stress verursachen, die Produktivität verringern, die Kommunikation und Konzentration beeinträchtigen und zu Unfällen und Verletzungen am Arbeitsplatz beitragen, da er das Hören von Warnsignalen erschwert. Die Verringerung der Lärmbelastung, insbesondere in dicht besiedelten Gebieten, kann dazu beitragen, positive Beziehungen zu den benachbarten Unternehmen und Gemeinden zu pflegen, was ein gutes Licht auf die Anlage wirft. ZeecoDie Flüssigabfackeltechnologien des Unternehmens sind nachweislich in der Lage, Abfallströme sicher zu entsorgen und dabei weniger Lärmbelästigung zu verursachen als die herkömmliche Gasabfackelung, was zu einer unmittelbaren Lärmminderung in der Anlage und potenziellen längerfristigen Vorteilen für die Gemeinde führt.
Der beim Abfackeln entstehende Lärm kann in zwei Kategorien unterteilt werden: Verbrennungslärm und Strahlungslärm. Der Verbrennungslärm wird durch Ausdehnungen und Kontraktionen der Verbrennungsprodukte verursacht, die auf lokale Schwankungen der Wärmeabgabe in der Flamme zurückzuführen sind. Diese Ausdehnungen und Kontraktionen erzeugen Druckwellen, die vom menschlichen Ohr als Lärm wahrgenommen werden. Strahlgeräusche (d. h. Entlüftungsgeräusche) sind auf einen Anstieg der Flüssigkeitsgeschwindigkeit durch eine Öffnung zurückzuführen. Strahlgeräusche lassen sich weiter charakterisieren als Turbulenzgeräusche, d. h. durch Turbulenzen verursachte Pulsationen im Strömungsstrom, und Schockwellengeräusche, wenn die Austrittsgeschwindigkeit am Fackelausgang Schallgeschwindigkeit erreicht (d. h. die Strömung wird gedrosselt).
Der Vorteil von Flüssigkeitsfackeln liegt darin, dass Flüssigkeiten im Vergleich zu Gasen viel höhere Schallgeschwindigkeiten haben. Beispielsweise beträgt die Schallgeschwindigkeit in Methangas 925 ft/sec. (bei -259˚F), während sie in flüssigem Methan 4658 ft/sec. beträgt. (bei -274˚F). Außerdem haben Flüssigkeiten eine höhere Dichte als Gase, was bedeutet, dass die Austrittsgeschwindigkeit für Flüssigkeiten bei gleichem Massendurchsatz geringer ist. In Anbetracht der höheren Schallgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und der geringeren Austrittsgeschwindigkeit bei einem gegebenen Massendurchsatz erzeugen Flüssigkeitsfackeln nur ein minimales Strahlgeräusch. Dies wurde durch die von Zeeco durchgeführten Fackeltests bestätigt, die zeigten, dass die druckzerstäubte Flüssigkeitsfackel bei gleichem Massendurchsatz deutlich weniger Lärm erzeugt als eine gasförmige Fackel. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen den Testergebnissen der druckzerstäubten Flüssigkeit und den vorhergesagten Ergebnissen eines herkömmlichen Gasfackelsystems.
Eine weitere Überlegung für die Anlagen ist der Platzbedarf der Ausrüstung und die damit verbundenen Kosten, wie z. B. für Rohrleitungen, Halterungen und andere Zusatzartikel. Die Verringerung des Rohrdurchmessers bringt zahlreiche Vorteile mit sich, u. a. ein geringeres Gesamtgewicht des Rohrmaterials, deutlich geringere Anforderungen an das Rohrgestell, eine einfachere Installation, da weniger Material zu handhaben ist und aufgrund des geringeren Rohrdurchmessers weniger geschweißt werden muss, eine geringere Größe der zugehörigen Teile (z. B. Ventile und Flansche) und eine geringere Gesamtaufstandsfläche der Anlage. Die Vorteile des geringeren Rohrdurchmessers gelten auch für die Fackelsteigleitung, die mehrere hundert Fuß hoch sein kann, wobei die Verringerung der Liefermenge und des Windbereichs die Investitionskosten des Fackelsystems weiter reduziert. Wie bereits erwähnt, können für flüssige Abfallströme aufgrund ihrer größeren Dichte bei einem gegebenen Massendurchsatz Rohre mit kleinerem Durchmesser als für gasförmige Ströme verwendet werden.
Um diese potenziellen Systemeinsparungen ins rechte Licht zu rücken, ist ein Vergleich zwischen einer LNG-Anlage zum Abfackeln von Flüssigkeiten und einer LNG-Anlage zum Abfackeln von Gas nützlich. Bei einer Durchflussrate von 700 000 lb/h belaufen sich die geschätzten Kosten für eine LNG-Anlage zum Abfackeln von Flüssigkeiten auf 750 000 US$. Die Kosten für eine LNG-Anlage zum Abfackeln von Gas unter denselben Prozessbedingungen werden dagegen auf 900 000 US-Dollar geschätzt. Bei diesen Kosten handelt es sich um Schätzungen nur für die Lieferung der Fackelanlage und nicht um Einsparungen durch Sammler und Sammlerhalterungen. Zusätzlich zu den Einsparungen bei den Kapitalkosten können LNG-Abfackelanlagen mit Druckzerstäubung im Laufe der Zeit den Lärmpegel und die Gesamtbetriebskosten senken.
Schlussfolgerung
Technologische Entwicklungen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung des Fortschritts, den die LNG-Industrie in den letzten 50 Jahren gemacht hat, und für ihre zukünftige Entwicklung. Das von Zeeco entwickelte und getestete Druckzerstäubungs-Flüssigfackelsystem für LNG ist eine der jüngsten Entwicklungen, die zum Fortschritt der Branche beitragen. Es bietet eine LNG-Abfackellösung, die in der Lage ist, unterkühltes Erdgas unter schwierigen, kryogenen Betriebsbedingungen zuverlässig zu verarbeiten. Da LNG als saubere und wirtschaftliche Alternative zu anderen fossilen Brennstoffen immer beliebter wird, werden unweigerlich weitere Fortschritte gemacht werden, die die LNG-Industrie in die nächsten Entwicklungsphasen führen werden.
Literaturverzeichnis
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