Die Grundlagen der Feuerungstechnik
Sreeram Krishnan, Zeeco, Inc., untersucht die Sicherheitssysteme für befeuerte Anlagen in der LNG-Industrie.
Feuerungsanlagen finden sich in den meisten Betriebsanlagen auf der ganzen Welt, unabhängig von der jeweiligen Branche. Technisch gesehen ist eine Feuerungsanlage definiert als ein Gerät, das Brennstoff verbrennt, um Wärme oder Energie zu erzeugen. Dieser Artikel befasst sich speziell mit drei Arten von Feuerungsanlagen, die in der LNG-Industrie häufig als Sicherheits-, Prozess- oder Emissionskontrollvorrichtungen eingesetzt werden: Fackeln, Verbrennungsanlagen und befeuerte Erhitzer. Jede dieser Verbrennungsanlagen kann in einer Vielzahl verschiedener LNG-Anwendungen eingesetzt werden, von der vorgelagerten Erdgasproduktion und -verflüssigung bis hin zum nachgelagerten Transport, der Lagerung und Wiederverdampfung. Trotz ihrer zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten haben befeuerte Anlagen den Ruf, zu den spezielleren und komplexeren Einheiten in jeder Betriebsanlage zu gehören.
Dennoch sind ihre grundlegenden Konstruktionsprinzipien eigentlich sehr einfach. Sogar der Name "befeuerte Geräte" ist ziemlich einfach - Feuer wird buchstäblich verwendet, um die Geräte zu betreiben.
Obwohl das Wort "Feuer" in der Welt des Anlagenbetriebs und der Instandhaltung eine negative Konnotation haben kann, gehören befeuerte Ausrüstungssysteme zu den sichersten Einheiten in jeder Betriebsanlage. Dieser Artikel befasst sich mit den spezifischen technischen Vorschriften, Normen und Sicherheitsmerkmalen, die bei der Konstruktion von Fackeln, Verbrennungsanlagen und befeuerten Erhitzern in der LNG-Industrie üblich sind. Es ist auch wichtig, zwischen diesen drei Haupttypen von befeuerten Anlagen zu unterscheiden, daher werden in diesem Artikel die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den einzelnen Anlagen hervorgehoben. Obwohl sie in ähnlichen Anwendungen eingesetzt werden, unterscheiden sich diese Verbrennungsanlagen in ihrer Gesamtkonstruktion, ihrer Leistung und ihrem Betrieb.
Fackeln
Wenn man nachts an einer LNG-Anlage vorbeifährt, kann man eine rötlich-gelbe Flamme sehen, die in der Luft zu schweben scheint - die Quelle dieser Flamme ist höchstwahrscheinlich eine hochgelegene Fackel.
Es gibt eine Vielzahl von Fackelsystemen, die in petrochemischen Anlagen und LNG-Anlagen auf der ganzen Welt zu finden sind. Die gängigsten sind jedoch Hochfackeln, Mehrpunkt-Bodenfackeln (MPGF) und geschlossene Bodenfackeln (EGF). Im Allgemeinen gelten Fackeln als die reaktionsschnellste und vielseitigste Art von Feuerungsanlagen im Vergleich zu Verbrennungsanlagen oder befeuerten Heizgeräten. Fackeln weisen deutlich höhere Abscheideraten auf und können außerdem eine plötzliche, große Menge flüchtiger Gase oder Flüssigkeiten mit einem Wirkungsgrad von 98 % oder mehr verbrennen und zerstören. Aus diesen Gründen werden Fackeln häufig als Reserve- oder Notfall-Druckentlastungsvorrichtungen in einer LNG-Anlage oder Betriebseinrichtung eingesetzt, um Anlagen und Personal zu schützen.
Zwei kritische Konstruktionsmerkmale müssen bei einer Fackel berücksichtigt werden: eine kontinuierliche Spülung und ein sicheres und zuverlässiges Zündsystem. Stickstoff oder Brenngas muss kontinuierlich durch die Fackel und die Sammelleitungen gespült werden, um das Eindringen von Sauerstoff zu verhindern, was zu einer unbeabsichtigten Ansammlung von hochentzündlichen Gasen im Fackelsammler führen könnte. Wenn die Zündflamme der Fackel diese Gase entzündet, kann es zu einem Flammenrückschlag oder einer Explosion kommen, was zusätzliche Risiken für das Anlagenpersonal und die umliegenden Anlagen mit sich bringt. Ein sicheres und zuverlässiges Pilot- und Zündsystem ist ebenso wichtig wie die kontinuierliche Spülung einer Fackel, da das Pilotsystem dafür sorgt, dass eine kontinuierliche und stabile Pilotflamme zu jeder Zeit aufrechterhalten wird. Wird die Pilotflamme gelöscht und kommt es zu einer Notfackel, können gefährliche Abfalldämpfe aus dem vorgeschalteten Prozess in die Atmosphäre entweichen, ohne ordnungsgemäß verbrannt und zerstört zu werden. Diese Dämpfe könnten hochexplosiv und giftig sein, was ein zusätzliches Sicherheitsrisiko für das Anlagenpersonal und die Anwohner darstellen könnte.
Um ein Versagen der Flamme zu verhindern, wurden die ZEECO®-Fackelpiloten entwickelt und unter den schwierigsten globalen Wetterbedingungen getestet, um sicherzustellen, dass sie jederzeit eine kontinuierliche und stabile Flamme erzeugen und aufrechterhalten können - selbst bei orkanartigen Winden und Regen. Flammenerkennungsgeräte wie Thermoelemente und das ZEECO VerifEye™-System werden am häufigsten verwendet, um das Vorhandensein der Pilotflamme der Fackel zu erkennen und zu bestätigen. Komplexere Geräte wie der ZEECO FlareGuardian™ und ViZion™ können jedoch sowohl die Pilot- als auch die Primärflamme der Fackel erkennen. Diese Geräte können auch wichtige Leistungskennzahlen wie die Verbrennungseffizienz und die Rauchtrübung überwachen und steuern.
Es ist auch üblich, dass eine Fackel mit einem Zünd- und Steuersystem ausgestattet ist, das für den Einsatz in einem Gefahrenbereich der Klasse I, Division II, zertifiziert ist und nach den Normen API-521 und 537 konstruiert wurde, so dass das Anlagenpersonal über inhärent sichere Methoden zur Zündung und zum Betrieb der Anlage verfügt. Zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen, wie z. B. Detonations- oder Verpuffungsschutzvorrichtungen, können ebenfalls in die Konstruktion eines Fackelsystems integriert werden. Diese Elemente sind jedoch nicht so wichtig wie die anderen bereits erwähnten. Dennoch ist es wichtig, die Gesamtnotwendigkeit dieser Vorrichtungen für jede Fackelanwendung auf der Grundlage der individuellen Prozess- und Versorgungsbedingungen zu bewerten.
Abbildung 1. Typisches Notabfackelungssystem zur Druckentlastung.
Verbrennungsanlagen
Die Leute fragen sich oft, ob es einen Unterschied zwischen einer Verbrennungsanlage und einer thermischen Oxidationsanlage gibt, aber diese Begriffe werden austauschbar verwendet, um dieselbe Art von Feuerungsanlage zu beschreiben. Es kann schwierig sein, eine Verbrennungsanlage am helllichten Tag zu erkennen, geschweige denn in der Nacht. Im Gegensatz zur freiliegenden Flamme einer Hochfackel ist die Flamme einer Verbrennungsanlage eingeschlossen und während des Betriebs von außen nicht sichtbar, so dass sie in einer bestimmten Raffinerie oder LNG-Anlage nur schwer zu erkennen ist.
Verbrennungsanlagen gelten im Vergleich zu Fackeln oder befeuerten Erhitzern als die komplexesten und am stärksten automatisierten Feuerungsanlagen. Verbrennungsanlagen sind zwar nicht so reaktionsschnell wie eine Fackel, können aber mehrere kontinuierlich erzeugte Gas- oder Flüssigkeitsströme bei sehr hohen Temperaturen verbrennen und zerstören, so dass sie beeindruckende DREs von 99,9999 % oder höher aufweisen können. Verbrennungsanlagen werden in der Regel mit einem NFPA-86-konformen Steuerungs- und Instrumentenpaket und einem Brenner (BMS) mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) geliefert, das die Spül-, Zünd-, Aufheiz-, Abfallzufuhr- und Abschaltsequenz der Anlage steuert. Die NFPA-86-Normen dienen für Verbrennungsanlagen demselben allgemeinen Zweck wie die API-537-Normen für Fackeln - sie bieten dem Anlagenpersonal inhärent sichere und einfache Methoden zum Betrieb der Anlage, ohne zusätzliche Risiken einzugehen.
Eines der wichtigsten Sicherheitsmerkmale gemäß NFPA-86 ist die Vorzündspülung, mit der potenziell brennbare Verbindungen vor der Zündung aus dem Verbrennungsofen entfernt werden. Flammenfühler sind ein gängiges Sicherheitsmerkmal, mit dem das Vorhandensein von Zünd- und Hauptflamme Brenner während der Zündung und nach der Abfallzufuhr überprüft wird. Gebläse-/Ventilatorlaufsignale, Verbrennungsluftstromschalter sowie Sollwerttemperatur- und Brennstoffdruckauslöser sind ebenfalls kritische Sicherheitsfunktionen, die durch NFPA-86 geregelt sind und üblicherweise in das BMS der Verbrennungsanlage implementiert werden, um die Sicherheit des Personals und der Ausrüstung weiter zu gewährleisten.
Einige der größten und komplexesten Verbrennungsanlagen weltweit befinden sich in Erdgasverflüssigungsanlagen. Diese Anlagen können mit einer breiten Palette von Nachverbrennungsanlagen ausgestattet werden, die es der Verbrennungsanlage ermöglichen, die strengeren SOX-, NOX- und CO-Luftzulassungsanforderungen zu erfüllen. Üblicherweise werden diese Anlagen auch mit Abwärmerückgewinnungsanlagen (WHRU) ausgestattet, die die heißen Rauchgase der Verbrennungsanlage nutzen, um den Gesamtbrennstoffverbrauch zu senken und die für die nachgeschalteten LNG-Prozesse erforderlichen Energiequellen zu erzeugen.
Komplexe Verbrennungsanlagen bieten dem Endnutzer eine Reihe von Vorteilen, haben aber auch ihren Preis. Größere und vielfältigere Ausrüstungspakete unterliegen in der Regel strengeren technischen Vorschriften und Normen, um die Sicherheit von Personal und Ausrüstung zu gewährleisten. Aus diesem Grund werden sie nach Abschluss der Prozessgefährdungsanalyse (PHA) oder der Gefahren- und Betriebsfähigkeitsstudie (HAZOP) in der Regel mit einer Sicherheitsintegritätsstufe (SIL) 2 oder 3 eingestuft. Nachverbrennungsanlagen und WHRUs tragen in der Regel zu höheren internen statischen Betriebs- und Auslegungsdrücken bei, die in der Regel strengere mechanische und strukturelle Auslegungskriterien erfordern, wie sie in den ASME Section VIII und Section I Design Codes aufgeführt sind. Es ist auch üblich, dass Gebläse/Ventilatoren in diesen Systemen nach den API-560- oder 673-Normen ausgelegt werden, die einen höheren Spielraum für Durchflussraten und Drücke vorsehen und zusätzliche Messgeräte für Überwachungs- und Steuerungszwecke erfordern. Beachten Sie, dass diese Konstruktionsvorschriften und -normen nicht unbedingt auf alle komplexen Verbrennungsanlagen in der LNG-Industrie angewandt werden, sondern dass jedes System auf der Grundlage seiner spezifischen Anwendung und Dienstleistung bewertet werden sollte.
Abbildung 2. Komplexe Verbrennungsanlage mit Sauergas- und Luftvorwärmern (WHRU).
Befeuerte Heizgeräte
Befeuerte Erhitzer sind in ihrer Konstruktion und Gesamtkomplexität Verbrennungsanlagen sehr ähnlich und werden auch häufig in nachgelagerten LNG-Prozessen eingesetzt, z. B. bei der Glykolentwässerung und Regasifizierung.
Bei dieser Art von Anlagen wird der Brennstoff in einem Strahlungsteil verbrannt, um heiße Rauchgase zu erzeugen, die die Wärme in eine Reihe von Rohren oder Schlangen im Konvektionsteil übertragen. Diese Rohrschlangen enthalten in der Regel eine flüssige Wärmeübertragungsflüssigkeit wie Therminol®, die schließlich an verschiedene nachgeschaltete LNG-Prozesse verteilt wird. In befeuerten Erhitzern können auch Nebenprodukte aus anderen Prozessen verbrannt werden, aber im Gegensatz zu einer Verbrennungsanlage sind sie in der Regel auf ein einziges exothermes Abgas beschränkt, das maximal etwa 10 % der gesamten Wärmeabgabe des Systems ausmacht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine kontinuierliche und stabile Brenner aufrechterhalten wird. Die Rauchgase am Ausgang eines befeuerten Erhitzers werden mit einem DRE von 99,9 % oder mehr in die Atmosphäre abgeleitet, und wie Verbrennungsanlagen können befeuerte Erhitzer mit einer selektiven katalytischen Reduktion ausgestattet werden, um die NOX Emissionen bei Bedarf weiter zu reduzieren.
Befeuerte Erhitzer werden in der Regel nach den API-560-Normen ausgelegt und in der Regel mit einem NFPA-87-konformen Steuerungs- und Instrumentierungspaket und einer BMS-SPS geliefert. Obwohl die NFPA-87 speziell auf befeuerte Erhitzer ausgerichtet ist, ähnelt sie der NFPA-86 - beide behandeln die gleichen allgemeinen Abläufe und Sicherheitsanforderungen, mit einigen Unterschieden. Skin-Typ-Thermoelemente sind zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen, die üblicherweise an den Rohrschlangen im befeuerten Heizgerät installiert werden. Sie werden zur Überwachung der Rohrschlangentemperaturen verwendet, um eine Überhitzung oder einen Bruch zu verhindern, was zu einer unsicheren und ungeplanten Freisetzung gefährlicher Kohlenwasserstoffe führen könnte. Auch Differenzdrucktransmitter können aus ähnlichen Gründen eingesetzt werden - sie verringern die Wahrscheinlichkeit von Überdruckereignissen im Gehäuse des befeuerten Erhitzers, die zu einer ungeplanten Freisetzung von gefährlichen Kohlenwasserstoffen führen könnten.
Das BMS eines befeuerten Heizgeräts kann mit zusätzlichen Steuerungen und Instrumenten ausgestattet werden, um die Sicherheit von Personal und Ausrüstung weiter zu gewährleisten. So können z. B. Sauerstoffanalysatoren als Trimmgeräte eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass im Gerät stets ein Mindestsauerstoffgehalt (in der Regel ≥3 Vol.-%) eingehalten wird. Brennstoff- und/oder Methananalysatoren können auch zur Überwachung der Konzentrationen flüchtiger organischer Verbindungen in den Rauchgasprodukten eingesetzt werden, um die mögliche Freisetzung, Ansammlung oder Entzündung gefährlicher Kohlenwasserstoffe zu verhindern. Diese Funktionen sind nicht nur für befeuerte Erhitzer geeignet, sondern können auch in Verbrennungsanlagen für dieselben allgemeinen Zwecke eingesetzt werden.
Abbildung 3. Typische Komponenten eines direkt befeuerten Heizgeräts.
Schlussfolgerungen
Feuer kann gefährlich sein, aber das bedeutet nicht, dass befeuerte Anlagen auch von Natur aus gefährlich sind. Ein vertrauenswürdiger Konstruktions- und Fertigungspartner kann die Entscheidung erleichtern, wie z. B. die Experten von Zeeco, die über fast 50 Jahre Erfahrung in der Konstruktion von kundenspezifischen Fackeln, Verbrennungsanlagen und befeuerten Heizgeräten verfügen.
Diese Geräte werden tagtäglich in zahllosen Betriebsanlagen auf der ganzen Welt sicher betrieben. Sie sind nicht nur unglaublich wirksame Emissionsminderungsvorrichtungen, sondern können auch zur Herstellung oder Rückgewinnung von Betriebsmitteln für nachgeschaltete Prozesse eingesetzt werden, was dem Endverbraucher einen zusätzlichen Nutzen bringt.
