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 von Endverbrauchern und Regulierungsbehörden wurden die Fackelbrennertests und -ergebnisse 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 

Der Name Multi-Point Ground Flares (MPGF) leitet sich von ihrem physischen Aufbau ab. In der Regel handelt es sich um ein Feld aus mehreren druckunterstützten Fackelspitzen, die vertikal an der Oberfläche angebracht und in Stufen angeordnet sind, die sich bei steigendem Druck (Gasfluss) 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 eine rauchfreie Verbrennung bei schweren Kohlenwasserstoffen mit hohem verfügbarem Druck zu erreichen, und haben sich für einen stabilen Betrieb bei Schallgeschwindigkeiten für eine breite Palette von Gaszusammensetzungen bewährt. MPGF werden auch dann eingesetzt, wenn der Konstrukteur die Strahlung oder die sichtbare Flamme reduzieren oder eliminieren möchte. Der hohe Druck wird zur Unterstützung des Gases verwendet, um einen rauchfreien Betrieb über den gesamten Bereich der Abfackelkapazität zu erreichen, was mit anderen Unterstützungsmedien wie Luft, Gas oder Dampf aufgrund der hohen Rauchfreiheitsrate schwierig sein kann. Jeder Brenner hat einen ungehinderten Luftzugang, so dass der Impuls der hohen Austrittsgeschwindigkeit des Fackelgases die für die Verbrennung notwendige Luft mitreißen kann. MPGF sind so konstruiert, dass sie ein Maximum an rauchfreier Leistung bieten und gleichzeitig die Auswirkungen der Strahlung und den Platzbedarf auf dem Grundstück minimieren. Die Installation eines Zauns um das Feld kann die Sicht auf die Flamme blockieren; dies erfüllt einen doppelten Zweck, indem es die Strahlung außerhalb des umzäunten Bereichs reduziert und die Wahrscheinlichkeit verringert, dass das Abfackeln eine Belästigung für die Öffentlichkeit darstellt. Die folgende Abbildung ist ein Beispiel für eine typische MPGF-Installation.

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 

Multi-Point Ground Flares ermöglichen rauchfreies Abfackeln über einen weiten Bereich von Strömungen, Zusammensetzungen und Drücken und haben dabei nur minimale Auswirkungen auf umliegende Gemeinden. Die in der Zeeco Combustion and Research Test Facility durchgeführten Tests untersuchten die Auswirkungen von NHV und Austrittsgeschwindigkeit auf die Stabilität und Effizienz der druckunterstützten Fackelspitzen von Zeeco. Alle Testergebnisse mit stabilen Flammen zeigen, dass die druckunterstützten Fackelspitzen von Zeecoselbst bei hohen Austrittsgeschwindigkeiten, die die derzeitigen gesetzlichen Grenzwerte überschreiten, eine hohe Zerstörungs- und Entfernungseffizienz bieten. Die Ergebnisse der extraktiven Probenahme bestätigten die Leistung des neuen FlareSentry, das eine praktische Methode zur Überwachung und Messung der Fackeleffizienz darstellt. Diese Tests haben den Konsens in der Industrie bekräftigt, dass druckunterstützte Fackelspitzen in der Lage sind, rauchfreies Abfackeln mit hoher Zerstörungs- und Entfernungseffizienz sowie Verbrennungseffizienz über einen breiten Bereich von Gaszusammensetzungen und -drücken zu gewährleisten. Für künftige Tests wird empfohlen, die Stabilität niedrigerer NHVs über eine Reihe von Drücken und Austrittsgeschwindigkeiten sowie die Auswirkungen unterschiedlicher Verhältnisse von brennbaren zu inerten Gasen zu untersuchen. Aktuelle und künftige Vorschriften sollten alle verfügbaren Prüfergebnisse berücksichtigen und die Verwendung von druckunterstützten Fackeln mit hohen Austrittsgeschwindigkeiten bis einschließlich Mach 1,0 erlauben, ohne dass eine AMEL durchgeführt werden muss.