Der zunehmende Fokus auf Treibhausgasemissionen veranlasst die Betreiber, nach Möglichkeiten zu suchen, diese Emissionen zu reduzieren. Die Fackel ist ein interessanter Bereich für reduzierte Emissionen. In diesem Beitrag werden verschiedene Techniken untersucht, die zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen von Fackeln eingesetzt werden können.
Fackelgasrückgewinnung
Die Fackelgasrückgewinnung ist eine bewährte Technologie, bei der Fackelgas zurückgewonnen und in das Brennstoffsystem der Anlage verdichtet wird. Anstatt die Energie der Entlüftungsgase in einer Fackel zu verbrennen, wird diese Energie in Öfen und Kessel abgegeben, wodurch die für einen Prozess benötigte Brennstoffmenge reduziert wird, was wiederum die gesamten CO2-Emissionen einer Anlage reduziert. Ein gut konzipiertes Fackelgasrückgewinnungssystem (FGRS) kann die Menge des abgefackelten Gases um 90 % oder mehr reduzieren. Ein weiterer Vorteil der Verbrennung der Entlüftungsgase in einem Ofen/Kessel ist die verbesserte Zerstörungseffizienz und die reduzierten NOx-Emissionen.
Kurze Diskussion über Methan
Methan ist eine gängige Komponente von Entlüftungsgas in der Produktions-, Raffinerie- und Petrochemieindustrie. Die US-amerikanische Umweltbehörde EPA hat das Treibhauspotenzial (GWP) von Methan über einen Zeitraum von 100 Jahren auf 27 bis 30 geschätzt. Das bedeutet, dass 1 Tonne Methan in der Atmosphäre einen ähnlichen Wärmeeinfangeffekt hat wie 27 bis 30 Tonnen CO2 über einen Zeitraum von 100 Jahren. Während CO2 für Tausende von Jahren in der Atmosphäre verbleibt, befindet sich Methan im Durchschnitt nur 10 Jahre in der Atmosphäre. Das bedeutet, dass das Treibhauspotenzial von Methan über einen Zeitraum von 10 Jahren im Bereich von 270 bis 300 liegt. Wenn Methan vollständig verbrennt, entstehen etwa 2,74 Masseneinheiten CO2 pro Masseneinheit Methan. Wenn also Methan in die Atmosphäre entweicht, nimmt es etwa 10-mal (29/2,74 = 10,6) mehr Wärme auf, als wenn es über einen Zeitraum von 100 Jahren zu CO2 verbrannt worden wäre. Methan macht etwa 11 % aller Treibhausgasemissionen in den USA aus.
Schnelle Diskussion über NO2 NO2
ist ein weiteres Treibhausgas und wird von der EPA auf ein Treibhauspotenzial von 273 über 100 Jahre geschätzt. NO2 verbleibt mehr als 100 Jahre in der Atmosphäre. NOx-Emissionen aus Fackeln sind in der Regel unbekannt und nicht messbar. NO2 macht etwa 7 % aller Treibhausgasemissionen in den USA aus. (Hinweis: Das meiste NOx, das bei der Verbrennung entsteht, ist NO, aber sobald es in die Atmosphäre gelangt, wandelt es sich in NO2 um.)
Viele Leuchtraketen in den USA sind mit einer angenommenen Zerstörungseffizienz (DE) von 98 % erlaubt. Wenn diese Annahme richtig ist, werden 2 % der Entlüftungsgase in die Atmosphäre abgegeben. Unter der Annahme einer Zusammensetzung des Entlüftungsgases von 100 % Methan bedeutet eine Ablassung von 2 %, dass die Wärmeabsorptionskapazität der Fackelemissionen von 2,74 Masseneinheiten CO2 pro Masse Methan auf etwa 3,27 Masseneinheiten CO2-Äquivalent (2,74 x 0,98 + 29 x 0,02) pro Masse Methan steigt, was einer Steigerung von 19 % entspricht. Die Verbrennung in einem Ofen oder Kessel wird überwacht, und die Menge an unverbranntem Kohlenwasserstoff, die einen Ofen verlässt, ist in der Regel sehr gering. Durch die einfache Verbrennung des Entlüftungsgases in einer kontrollierteren Umgebung werden die Treibhausgasemissionen um etwa 16 % (1 -2,74/3,27) reduziert, basierend auf der angenommenen Zusammensetzung von DE und Entlüftungsgas.
Neben der erhöhten Zerstörungseffizienz haben Öfen/Kessel eine bessere Kontrolle über die NOx-Emissionen. Dies wird in der Regel durch den Einsatz einer NOx-armen Brennertechnologie erreicht, aber einige Systeme verwenden auch nachgeschaltete NOx-Minderungen wie selektive katalytische Reduktion (SCR) und selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR).
Die Notwendigkeit von Fackeln wird mit der Installation eines FGRS aus mehreren Gründen nicht beseitigt. Erstens ist es nicht praktikabel, ein FGRS für sehr große Notfälle zu entwickeln. Die Häufigkeit solch großer Fälle ist gering, und die erhöhten Kapitalkosten der FGRS für die Bewältigung dieser Durchflussmengen sind nicht gerechtfertigt. Zweitens wird ein Stromausfall (oft eines der größten Entlastungsszenarien) auch ein FGRS deaktivieren. Daher ist ein Flares immer mit einem FGRS verbunden. Eine gängige Methode, eine Fackel an den Fackelkopf zu befestigen, ist mit einer Flüssigkeitsdichtung, aber zu diesem Zweck können auch Ventile verwendet werden. Eine Fackel, die Teil eines Systems ist, das ein FGRS enthält, wird als "Standby"-Fackel bezeichnet. Stand-by-Fackeln bieten eine Reihe von Möglichkeiten, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren.
Stand-by-Fackeln und Stickstoffspülung
Stand-by-Fackeln erhalten in der Regel kein Entlüftungsgas. Da die Fackel kein Entlüftungsgas erhält, werden die Nachteile einer Stickstoffspülung gemildert. Das Hauptproblem bei der Verwendung von Stickstoff als Spülgas ist die Möglichkeit, Magergasgemische zu erzeugen, die nicht gut verbrennen und einige oder alle Kohlenwasserstoffe ablassen. Wenn die Fackel kein Entlüftungsgas aufnimmt, besteht keine Gefahr, dass sich ein mageres Gemisch bildet, und Stickstoff kann verwendet werden, um Sauerstoff aus dem Fackelkamin fernzuhalten. Das Problem des Schwachgasgemisches würde erneut auftreten, wenn kleine Durchflussmengen von Entlüftungsgas in den stickstoffgespülten Fackelkamin eingeleitet werden. Wenn die Standby-Fackelspitze dampfunterstützt ist, besteht ein weiterer Vorteil der Stickstoffspülung darin, dass der minimale Dampfstrom auf das Maß reduziert werden kann, das erforderlich ist, um die Leitungen warm zu halten (Erwärmungsrate), die niedriger ist als die herkömmliche Kühlrate. Wenn die Standby-Fackelspitze luftunterstützt ist, besteht ein weiterer Vorteil der Stickstoffspülung darin, dass alle Gebläse abgeschaltet werden können, wodurch Energie gespart wird.
Stand-by-Fackeln und Primus
Stand-by-Fackeln bieten ebenfalls die Möglichkeit, die Pilotemissionen zu reduzieren. Die Primus-Technologie ist ein von JZ entwickeltes Schnellzündsystem, das einen Piloten schnell (5 Sekunden oder weniger) zündet, selbst wenn der Kraftstoff in einer Kraftstoffleitung durch Luft verdrängt wurde. Das Problem bei einer solchen Technologie ist die Zuverlässigkeit angesichts der Bedeutung der Fackelzündung. Ein Ansatz, um dieses Problem zu verringern, besteht darin, einen Piloten eingeschaltet zu lassen und den Rest auszuschalten. Jeden Tag wird ein Pilot gezündet, und sobald dies überprüft wurde, wird der zuvor gezündete Pilot ausgeschaltet. Das Ausmaß der Emissionsreduzierung der Piloten hängt von der Anzahl der Piloten ab. (Eine Leuchtspitze mit drei Piloten würde eine Reduzierung der Pilotenemissionen um 66 % bewirken.) Auf diese Weise kann jeder mit Primus ausgestattete Pilot alle paar Tage seine Funktionsfähigkeit überprüfen. Wenn der Sammlerdruck vor der Standby-Fackel einen erhöhten Druck erreicht, werden alle Piloten gezündet.
Gestufte Fackeln
Auch wenn kein FGRS installiert ist, bietet das Staging Vorteile. Ein abgestuftes Fackelsystem besteht aus einer kleinen Fackel, die die normalen Tagessätze erhält, und einer großen Nothilfe-Bereitschaftsfackel, die über eine Flüssigkeitsdichtung oder Ventile mit dem Sammler verbunden ist. Die kleinere Primärfackel hat geringere Spülanforderungen und ist effizienter bei der rauchfreien Verbrennung von Entlüftungsgas als eine einzelne große Fackelspitze, die für den gesamten Betriebsbereich ausgelegt ist. Die Anzahl der Piloten erhöht sich mit einer inszenierten Leuchte. Die Notfackel kann drei bis vier Piloten haben, während die primäre Fackel in der Regel zwei oder mehr Piloten hat. Der Einsatz von Primus an der Notfackel könnte die Anzahl der Piloten im Einsatz auf etwas weniger als eine einzelne große Leuchtrakete reduzieren. Die große Notfackel kann alle Vorteile einer Stand-by-Fackel (N2 purge, Primus) nutzen.
Gestufte Multi-Point-Fackeln,
Multi-Point-Bodenfackeln (MPGF) oder im Jargon von John Zink (Linear Relief Gas Oxidizer – LRGO) haben mehrere Vorteile. Ein MPGF ist eine Fackel, die aus vielen Brennern besteht, die in Stufen gruppiert sind. Diese Brennergruppen werden je nach Entlastungsgrad in Betrieb genommen und wieder außer Betrieb genommen. In der Regel verfügt jede Brennerreihe über zwei Piloten, wobei die erste Stufe möglicherweise einen Piloten an jedem Brenner hat. Die erste Stufe eines MPGF hat einen geringen Spülbedarf. Oft wird die Spülrate durch die vom Endbenutzer gewünschte Sweep-Rate innerhalb des Headers festgelegt und nicht durch die Rate, die erforderlich ist, um Sauerstoff aus der ersten Stufe fernzuhalten. Wenn Stufen außer Betrieb genommen werden, werden sie mit Stickstoff gespült. Es gibt viele Piloten, die mit einem MPGF verbunden sind. Die Primus-Technologie könnte auf ein MPGF angewendet werden, wodurch die Anzahl der Piloten im Einsatz reduziert wird. Der größte Vorteil eines MPGF ist die sehr hohe Zerstörungseffizienz, die mit solchen Fackeln verbunden ist. Viele MPGF-Brenner wurden auf Emissionen getestet. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Regulierungsbehörden solche Fackeln für eine Zerstörungseffizienz von 99,5 % zulassen. (Die meisten Testdaten zeigen eine Vernichtungseffizienz von mehr als 99,5 %.) 99,5 % DE sind eine Reduzierung der unverbrannten Kohlenwasserstoffemissionen um 75 % im Vergleich zu 98 % DE. Der Nachteil eines MPGF besteht darin, dass der Heizwert des Entlüftungsgases relativ hoch sein muss (typischerweise 800 Btu/scf). Haben die zu verbrennenden Entlüftungsgase einen niedrigen Heizwert, muss ein Zusatzgas verwendet werden, um diesen zu erhöhen. Diese Anforderung beschränkt MPGFs in der Regel auf Anwendungen mit konstant hohem Heizwert Entlüftungsgas.
Seit
Jahrzehnten liefert John Zink Spülreduziergeräte. Diese Geräte gibt es in zwei Typen: Geschwindigkeitsdichtung (Handelsname Airrestor) und Auftriebsdichtung (Handelsname Molecular Seal). Diese Geräte reduzieren die Spülmenge, die erforderlich ist, um den Sauerstoffgehalt im Schornstein akzeptabel zu halten. Reduzierte Spülung bedeutet weniger Emissionen.
Wasserstoff Kraftstoff
Die Verwendung von Wasserstoff wird immer häufiger, da Unternehmen daran arbeiten, die CO2-Emissionen zu reduzieren. Das einzige Produkt der Verbrennung aus Wasserstoff ist Wasser. John Zink stellt seit Jahrzehnten Piloten für 100 % Wasserstofffackeln zur Verfügung und stellt solche Piloten für Startanlagen von Raumfahrzeugen zur Verfügung. Dies ist eine bewährte Technologie.
Stella Technology
John Zink hat ein Direktzündungssystem für Fackelspitzen (Stella) entwickelt. Der Zweck der Entwicklung bestand darin, Grubenfackeln an abgelegenen Orten zu platzieren, die keinen Zugang zu Versorgungseinrichtungen hatten. Durch den Einsatz von Solarbatteriesystemen ermöglichte eine Modifikation an einer Rohrfackel die Zündung der Fackelspitze durch einen Hochspannungsfunken. Die Tests wurden über einen Bereich von Austrittsgeschwindigkeiten des Entlüftungsgases (von sehr niedrig bis Mach 1), eine Reihe von Windgeschwindigkeiten, Windrichtungen mit und ohne Regen durchgeführt. Die Technologie wurde sowohl in horizontaler Ausrichtung (typische Grubenfackelausrichtung) als auch in vertikaler Ausrichtung getestet und die Zündsicherheit war bei allen Konfigurationen hoch. (Hinweis: Länderspezifische Vorschriften können den Einsatz dieser Technologie verhindern.) Der Vorteil dieser Technologie ist der Wegfall von Pilotgas und den damit verbundenen Emissionen.
Der
vorteilhafteste Weg, die CO2-Emissionen von Fackeln zu reduzieren, besteht darin, Prozessstörungen zu vermeiden, die Abfackelereignisse auslösen. Die meisten großen Betreiber verfügen über Analysefunktionen, die historische Daten nutzen können, um potenzielle Abfackelereignisse vorherzusagen, so dass die Ereignisse entweder reduziert oder ganz vermieden werden können.
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