Fakkel

Synoniemen, afkortingen en/of procesnamen

—  Flare
—  Toorts

Verwijderde componenten

—  VOS

Principeschema

Procesbeschrijving

Bij fakkels worden de VOS via een pijp naar een afgelegen meestal hoge plaats geleid en hier via een open vlam in open lucht verbrand of naar een gesloten grondfakkel geleid. Om een goede verbranding te hebben is een goed ontworpen branderuitgang, een waakvlam, stoom of luchtinjectie voor goede turbulentie en menging nodig en eventueel steunbrandstof.  

De meeste fakkels werken via een diffusievlam. Bij een diffusievlam wordt aan de buitenste rand van het brandstofgas/afgas lucht bijgemengd zodat het brandstofgas omgeven is door een brandbaar gasmengsel. Bij ontsteking van dit mengsel wordt een stabiele vlam verkregen. De warmteoverdracht gebeurt door warmtediffusie tussen de grenslaag en het brandstofgas.

Door kraking van VOS zullen roetdeeltjes worden gevormd. Het gloeien van deze roetdeeltjes geeft de vlam zijn gele kleur en helderheid. Bij grote diffusievlammen kan door gaswervelingen en turbulenties een brandend gedeelte afgesloten worden van de buitenlucht. Hierbij wordt roet gevormd en krijgt men een lokale instabiliteit die de vlam doet flakkeren.

Varianten  

Fakkels kunnen op twee verschillende manieren ingedeeld worden:

  1. hoogte van de fakkel: grondfakkel of torenfakkel;
  2. methode om de menging te bevorderen: stoommenging, luchtmenging, drukmenging, zonder bijkomende menging.

torenfakkel

Het gebruik van een torenfakkel (10 – 180 m) kan mogelijke gevaarlijke situaties vermijden zoals een open vlam kort bij een proceseenheid of tankenpark. Door de fakkel hoog te maken kan ook hinder door geluid, warmte, rook en geur verminderd worden. De rook en de geur ontstaan door onvolledige verbranding. Een torenfakkel is steeds een open fakkel.

Een torenfakkel bestaat uit:

—  aanvoerleiding voor de procesgassen;
—  afscheidingsvat (knockout drum) om meegesleurde vloeistoffen te verwijderen;
—  waterslot, speciale afdichting of inert gas aansluiting om terugslag van de vlam in de leidingen te vermijden;
—  de fakkeltoren met bovenaan een of meerdere branderkoppen (voor een goede verbranding en verdeling van het gas);
—  waakvlam en steunbranders om het gas te doen ontbranden;
—  Optioneel: stoominjectie of luchtinjectie om voldoende turbulentie te creëren voor een rookloze verbranding.

Grondfakkel

Grondfakkels bestaan in verschillende uitvoeringsvormen. Het kunnen open fakkels zijn die horizontaal zijn opgesteld, maar meestal zijn het gesloten fakkels.

Open grondfakkels worden bijvoorbeeld gebruikt bij oliewinning in de woestijn waar weinig mensen in de buurt komen. Het nadeel van open grondfakkels is dat er gevaarlijke situaties kunnen ontstaan als mensen zich in de buurt van de fakkel bevinden als deze wordt geactiveerd. Een ander nadeel is dat de geur en verbrandingsgassen zich minder goed kunnen verspreiden dan bij een torenfakkel.

Gesloten fakkels bestaan uit een inwendig geïsoleerde verticale cilinder waar zich de branderkop in bevindt. De afgassen worden onderaan gevoed waar eveneens lucht wordt aangetrokken. De verbrandingsgassen worden langs boven geëmitteerd. De cilinder vermindert de hinder door geluid, licht, warmteafgifte en zorgt voor bescherming tegen de wind. Deze gesloten fakkels zijn steeds grondfakkels en worden meestal vanuit esthetisch oogpunt gebruikt. Ze hebben namelijk geen zichtbare vlam en er is geen fakkeltoren die boven alle omliggende gebouwen uitsteekt.

Een hoge drukval over de brander is bij een gesloten fakkel meestal voldoende om een goede rookvrije verbranding te verkrijgen. Stoominjectie of luchtinjectie is niet nodig. De hoogte van de cilinder moet voldoende zijn om via het schouweffect voldoende lucht aan te zuigen voor een rookvrije werking en om de geproduceerde warmte te dispergeren.

Gesloten fakkels hebben meestal een lagere capaciteit dan open fakkels en worden gebruikt voor meer constante procesemissies. Dankzij de afscherming van de wind wordt stabiele verbranding verkregen bij lagere verbrandingswaarden dan bij open fakkels, namelijk vanaf 1,9 – 2,2 MJ/Nm³.

Fakkels met stoominjectie

Om voldoende lucht en een goede menging te voorzien van de vlam wordt bij dit type fakkel stoom in de verbrandingszone geïnjecteerd. Fakkels met stoominjectie hebben een enkele brander en zijn omwille van veiligheidsredenen steeds torenfakkels . Dit type fakkel is het meest voorkomende type fakkel in de chemische en de petrochemische industrie. Om geluidshinder van de stoomlans te beperken wordt aangeraden de stoomdruk onder 7 bar te houden.

Fakkels met luchtinjectie

Bij fakkels met luchtinjectie wordt lucht geïnjecteerd in de verbrandingszone teneinde voldoende lucht en turbulentie voor een rookvrije verbanding te bekomen. De fakkels worden gebouwd met een stervormige branderkop met vele kleine gaatjes die zich bovenaan in een buis van minimaal 0,6 m diameter bevindt. Hierdoor krijgt men een goede verdeling van de gassen. Onderaan de buis is een ventilator met variabele snelheid geïnstalleerd die zorgt voor de verbrandingslucht. De snelheid van de ventilator regelt de hoeveelheid lucht die wordt voorzien. Het voordeel van de luchtinjectie is dat geen stoom aanwezig moet zijn op de plaats van de fakkel. Dit type fakkel wordt in mindere mate gebruikt voor grote fakkels.

Fakkels met drukmenging

Fakkels met drukmenging gebruiken de druk van de afgassen om een goede menging te verkrijgen bij de branderkop. Als er voldoende druk beschikbaar is van de afgassen kan dit type fakkels gebruikt worden voor rookvrije verbranding in plaats van fakkels met stoom of luchtinjectie. Fakkels met drukmenging bevinden zich meestal op grondniveau en moeten hierdoor in een afgelegen terrein liggen waar voldoende ruimte is. Deze fakkels hebben meerdere branderkoppen die in werking komen afhankelijk van de hoeveelheid te behandelen gas.

Fakkels zonder bijkomende menging

Deze fakkels hebben een brandertop zonder hulpmiddelen om de menging met lucht te verbeteren. Hun gebruik is beperkt tot gassen met een lage verbrandingswaarde en gassen met aan lage koolstof/waterstof verhouding die makkelijk branden zonder roetvorming. Deze gasstromen hebben minder lucht nodig voor volledige verbranding, geven lagere verbrandingstemperaturen (waardoor de krakingsreacties verminderd worden) en zijn meer resistent tegen kraking.

Werkingsgraad

Bij een goede werking van de fakkel en een verbrandingswaarde van het gas van meer dan 11 MJ/Nm³ kan een efficiëntie voor VOS-verwijdering van meer dan 98 % worden gehaald.

Randvoorwaarden

—  Het debiet waarvoor hoge fakkels verkrijgbaar zijn is 0 – 1 800 000 m³/h. Fakkel kan tot deellast van factor 1:1 000 van
      het maximale debiet gebruikt worden.
—  Het debiet voor grondfakkels is 600 – 210 000 m³/h waarbij de wobbe index tussen 15 en 52 MJ/Nm³ ligt. De wobbe
      index is een maat voor de uitwisselbaarheid van verschillende brandstofgassen op een bepaalde brander. Twee
      verschillende gassen met eenzelfde wobbe index geven het zelfde vermogen op een gasbrander.
—  Het afgas moet een minimale verbrandingswaarde van 11 MJ/Nm³ hebben om een goede verbranding te verkrijgen.
      Bij een lagere verbrandingswaarde moet extra steunbrandstof worden toegevoegd. Dit is niet het normale werkings-
      gebied van een fakkel. Bij hoge verbrandingswaardes moet extra lucht worden toegevoegd.
—  In tegenstelling tot naverbranders is er bij fakkels geen probleem om hoge solventconcentraties te behandelen. Dit is
      te danken aan de open verbranding bij fakkels. Bij naverbranding heeft men een gesloten ruimte zodat explosieve
      omstandigheden kunnen ontstaan. Bij een open vlam is dit niet het geval.
—  Het gebruik van fakkels kan worden overwogen als energierecuperatie uit de verbrandingsgassen niet mogelijk is
      door de onzekerheid van de emissie. Indien de emissie constant optreedt moet onderzocht worden of het als
      brandstofgas voor een boiler of verbrandingsinstallatie kan dienen.

Hulpstoffen

Afhankelijk van de uitvoering is nood aan:

—  Stoom;
—  Luchttoevoer (via ventilator);
—  Brandstofgas voor de waakvlam (en brander);
—  Gas om het systeem in overdruk te houden (stikstof, brandstof).

Milieu-aspecten

Bij fakkelen kan overlast ontstaan door licht, geluid en geur. De lichthinder ontstaat bij hoge fakkels. De geurhinder komt van onvolledige verbranding.

De belangrijkste bronnen van geluidhinder bij fakkels zijn:

—  injectie van middelen voor rookonderdrukking (stoom, lucht, druk);
—  het verbrandingsproces ( flakkeren, vlampulsaties);
—  ontsnappen van gas uit de openingen.

Fakkels met stoominjectie produceren geluid door de stoomjets die uit de injectors komen en door de verbrandingsprocessen. De hoge drukstoom zorgt voor geluid met een hoge frequentie, maar ook voor een betere en snellere verbranding zodat het geluid van de verbranding ook groter wordt. Dit geluid van de verbranding is meestal een geluid met een lage frequentie.

Geluid kan worden gereduceerd door toepassen van:

—  meervoudige stoominjectiepunten;
—  juiste plaatsing van de injectoren om het geluid van de menging te verminderen;
—  beperken van de stoomdruk tot 7 bar;
—  plaatsen van een geluidsdemper rond de stoominjector;
—  gebruik maken van luchtgeblazen fakkels of gesloten grondfakkels.

Naast deze hinderbronnen treden emissies op van:

—  roetdeeltjes;
—  onverbrande VOS;
—  NOx, SOx, CO.

Vermits het een slecht gecontroleerde verbranding is zijn de emissies hiervan moeilijk te controleren. Voor NOx wordt een emissie van 400 mg/Nm³ vermeld [2].

Energieverbruik

De energiekost is afhankelijk van het type fakkel, toepassing en type te behandelen gas.

Energieverbruikende onderdelen zijn:

—  Waakvlam: verbruik van brandstof en elektriciteit voor luchttoevoer
—  Brandstof indien de verbrandingswaarde van het gas aan de lage kant is. Bij torenfakkel die typisch rijke gasstromen
      behandelen omwille van veiligheidsredenen is wordt enkel brandstof voor de waakvlam gebruikt. Bij gesloten fakkel is
      het mogelijk dat brandstof wordt toegevoegd om een betere verbranding te krijgen. Dit is echter niet het normale
      werkingsregime.
—  Stoom, perslucht, lucht om de turbulentie van de vlam te verhogen. Om deze te produceren wordt brandstof of elek-
      triciteit verbruikt. Dit wordt verbruikt bij activering van de fakkel.

Kostprijs

De opgegeven kostprijzen zijn voor hoge fakkels met stoominjectie. De lage kosten voor investering en werking zijn van toepassing op fakkels met hoge afgasdebieten (90 m³/s) met fakkelopeningen van 2,3 m diameter en welke minimaal 100 h per jaar werken. De hoge kosten zijn van toepassing op de lage debieten (0,01 m³/s), fakkelopeningen tot 2,5 cm welke maximaal 10 uur per jaar werken.

  • Investering
    — 
    30 000 – 2 000 000 USD per Nm³/s [3]
  • Werkingskosten
    — 
    Hulp & reststoffen: 1 500 tot 130 000 USD per jaar per Nm³/s [3]
    —  De kosteneffectiviteit bedraagt 14 – 6 400 USD per ton per jaar. [3]
  • Voorbeelden

Kostprijs grondfakkel [4]

—  Vergistingsinstallatie van 50 000 ton GFT afval per jaar
—  Biogasproductie ongeveer 600 - 700 m³/h
—  Investeringskost: 78 600 EUR (anno 2000)

Voor- en nadelen

  • Voordelen
    — 
    Economisch voordelige manier om plotse en grote hoeveelheden solventbeladen gassen te behandelen
    —  Normaal is geen steunbrandstof nodig om een goede verbranding te verkrijgen (calorische waarde van het te
          behandelen afgas is voldoende hoog)
    —  Goed voor sterk fluctuerende of periodieke emissies
  • Nadelen
    — 
    Kan overlast veroorzaken door geluid, rook, warmte en lichtproductie
    —  Productie van SOx, NOx en CO
    —  Niet geschikt om gehalogeneerde verbindingen te behandelen
    —  De warmte geproduceerd door de verbranding gaat verloren.

Toepassingen

Fakkels zijn geschikt om VOS-gassen met hoge fluctuaties in VOS-gehalte, debiet, calorische warmte en gehalte aan inerte stoffen te behandelen. Affakkelen wordt primair gebruikt voor veiligheidsdoeleinden om grote hoeveelheden organische stoffen bij een calamiteit in een proces te vernietigen. Indien om milieuredenen een continue emissie moet worden behandeld moet eerst de toepasbaarheid van naverbranding ( techniekbladen recuperatieve  thermische verbranding, regeneratieve thermische verbrandingthermische naverbranding, recuperatieve katalytische verbranding, regeneratieve katalytische verbranding en katalytische verbranding)  worden onderzocht.

Als veiligheidsmaatregel worden fakkels dikwijls in de petroleum en chemische industrie gebruikt. Andere toepassingen kunnen worden gevonden bij:

—  hoogovens en cokesovens;
—  affakkelen van stortgas van storten;
—  affakkelen van overschot aan biogas bij vergistinginstallaties en anaërobe waterzuiveringsinstallaties.

Referenties

  1. Factsheets luchtemissie beperkende technieken, www.infomil.nl, Infomil
  2. BREF: "Common waste water and waste gas treatment /management systems in the chemical sector" EIPPC, february 2002
  3. EPA Air Pollution Technical factsheet: “Flare”
  4. leveranciersinfo
  5. J. Van Deynze, P. Vercaemst, P. Van den Steen en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor verf-,lak-,vernis- en drukinktproductie”, 1998
Producten en diensten: