Emissionsprüfung von Schallgeschwindigkeitsfackeln

In einem Bericht des EPA Flare Review Panel aus dem Jahr 2012 wurden die Vorschriften für Fackeln, die dazu neigen, außerhalb ihres stabilen Flammenbereichs zu arbeiten, um Grenzwerte für die Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Nettoheizwert erweitert. 

Die EPA-Bestimmungen erlauben es derzeit nicht, Schallgeschwindigkeitsfackeln zuzulassen und zu betreiben, ohne zuvor eine alternative Methode zur Emissionsbegrenzung zu testen, um die Zerstörungseffizienz zu validieren. Die bestehenden Vorschriften wirken sich auf die Anwendung von mehrstufigen Fackeln aus, da diese Fackeln mit Schallgeschwindigkeiten betrieben werden, die die Anforderungen an die maximale Austrittsgeschwindigkeit gemäß 40 CFR 60.18 und 40 CFR 63.11(b) sowie die geltenden staatlichen Vorschriften überschreiten. 

Im Laufe der Jahre hat Zeeco zahlreiche Tests zur Zerstörungseffizienz seiner Mehrpunkt-Schallfackeln durchgeführt. Alle Tests zeigten eine hohe Zerstörungseffizienz bei Geschwindigkeiten, die die EPA-Grenzwerte übersteigen. Der Zweck dieser Tests, die in der großtechnischen Verbrennungsanlage von Zeecoin der Nähe von Tulsa, Oklahoma, durchgeführt wurden, war die Validierung von Schallspitzen für weitere Anwendungen unter Verwendung eines erweiterten Bereichs von Gasen und Bedingungen. Mit Hilfe der extraktiven Probenahme wurden die Emissionen aus der Abgasfahne bei Staging- und De-Staging-Drucken gemessen. Die extrahierten Gaskonzentrationen wurden zur Berechnung der Zerstörungseffizienz der Mehrpunkt-Schallfackelspitzen an jedem Testpunkt verwendet. Selbst bei Schallgasaustrittsgeschwindigkeiten erreichten die unter Zeeco entwickelten Schallfackelspitzen eine hohe Zerstörungseffizienz. 

Trotz des Drucks seitens der Endverbraucher und der Regulierungsbehörden wurden die Tests und Ergebnisse der Fackel Brenner von Zeecointern beibehalten. In diesem Papier werden diese Ergebnisse der Industrie vorgestellt. 

Abbildung 1 - Typische Installation eines MPGF

Vorteile und Merkmale von Multi-Point Ground Flares 

Multi-Point Ground Flares (MPGF) verdanken ihren Namen ihrer baulichen Anordnung. In der Regel handelt es sich dabei um ein Feld aus mehreren druckunterstützten Fackelspitzen, die senkrecht auf Bodenhöhe montiert und in Stufen angeordnet sind, die sich bei steigendem Druck (Gasdurchfluss) öffnen und bei sinkendem Druck schließen. Dieses Konstruktionskonzept ist heute noch dasselbe wie bei der Erfindung der MPGF vor über 40 Jahren. MPGF werden häufig gewählt, um bei der Verbrennung schwerer Kohlenwasserstoffe mit hohem verfügbarem Druck eine „ Rußfrei “-Verbrennung zu erreichen, und haben sich bei Schallgeschwindigkeit für ein breites Spektrum an Gaszusammensetzungen als stabil im Betrieb erwiesen. MPGF kommen auch in Situationen zum Einsatz, in denen der Planer Strahlung oder sichtbare Flammen reduzieren oder ganz vermeiden möchte. Der hohe Druck wird genutzt, um den Gasfluss so zu unterstützen, dass über den gesamten Fackelkapazitätsbereich ein „ Rußfrei “-Betrieb erreicht wird, was mit anderen Hilfsmedien wie Luft, Gas oder Dampf aufgrund hoher „ Rußfrei “-Raten schwierig sein kann. Jede „ Brenner “ verfügt über einen ungehinderten Luftzugang, sodass der Impuls aus der hohen Austrittsgeschwindigkeit des Fackelgases die für die Verbrennung erforderliche Luft mitreißen kann. MPGF sind darauf ausgelegt, maximale „ Rußfrei “-Leistung zu bieten und gleichzeitig Strahlungsauswirkungen sowie den Platzbedarf zu minimieren. Die Errichtung eines Zauns um das Feld kann die Sicht auf die Flamme versperren; dies dient einem doppelten Zweck, indem sowohl die Strahlung außerhalb des umzäunten Bereichs reduziert als auch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass die Abfackelungsvorgänge eine Belästigung für die Öffentlichkeit darstellen. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für eine typische MPGF-Anlage.

Abbildung 2 - Typische Installation des MPGF-Zauns

Ein weiterer Vorteil des MPGF ist der einfache Zugang zu Wartungszwecken, da sich die gesamte Bereitstellungsausrüstung auf der Höhe und außerhalb des Zauns befindet. Dadurch kann das Personal sicher auf die Ausrüstung zugreifen, ohne von einem Abfackeln betroffen zu sein. Abbildung 2 veranschaulicht die Bereitstellungsausrüstung und das Äußere eines MPGF-Zauns.

Schlussfolgerung 

Mehrpunkt-Bodenfackeln ermöglichen eine „ Rußfrei “-Fackelung über einen breiten Bereich von Durchflussmengen, Zusammensetzungen und Drücken hinweg und haben dabei nur minimale Auswirkungen auf die umliegenden Gemeinden. Die an der Verbrennungs- und Forschungsversuchsanlage „ Zeeco “ durchgeführten Tests untersuchten den Einfluss des NHV-Werts und der Austrittsgeschwindigkeit auf die Stabilität und Effizienz der druckunterstützten Fackelspitzen von Zeeco. Alle Testergebnisse mit stabilen Flammen belegen, dass die druckunterstützten Fackelspitzen von Zeecoselbst bei hohen Austrittsgeschwindigkeiten, die die aktuellen gesetzlichen Grenzwerte überschreiten, eine hohe Zerstörungs- und Abscheideeffizienz bieten. Die Ergebnisse der extraktiven Probenahme bestätigten die Leistungsfähigkeit des neuen FlareSentry, das eine bahnbrechende praktische Methode zur Überwachung und Messung der Fackeleffizienz darstellt. Diese Tests haben den Konsens in der Branche bestärkt, dass druckunterstützte Fackelspitzen in der Lage sind, Rußfrei eine Fackelung mit hoher Zerstörungs-, Abscheidungs- und Verbrennungseffizienz über einen breiten Bereich von Gaszusammensetzungen und Drücken hinweg zu gewährleisten. Empfehlungen für zukünftige Tests sehen vor, die Stabilität niedrigerer NHV-Werte über einen Bereich von Drücken und Austrittsgeschwindigkeiten sowie die Auswirkungen unterschiedlicher Verhältnisse von brennbaren zu inerten Gasen zu untersuchen. Aktuelle und zukünftige Vorschriften sollten alle verfügbaren Testergebnisse berücksichtigen und den Einsatz druckunterstützter Fackeln mit hohen Austrittsgeschwindigkeiten bis einschließlich Mach 1,0 zulassen, ohne dass eine AMEL durchgeführt werden muss.