Fakkel/Toorts

Toepasbaarheid

Fakkels zijn geschikt om gassen met hoge fluctuaties in VOS-gehalte (inclusief methaan), 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. Als om milieuredenen een continue emissie wordt behandeld, is het nodig eerst de toepasbaarheid van naverbranding te onderzoeken. Breed toepassingsgebied in de volgende sectoren:

  • (Petro-)chemische industrie
  • Olie- en gasindustrie
  • Hoogovens en cokesovens
  • Affakkelen van stortgas van storten
  • Affakkelen van overschot aan biogas bij vergistinginstallaties en anaërobe waterzuiveringsinstallaties
componenten

Verwijderde componenten

Verwijderings- efficiëntie1, %

Restemissie, mg/m03

Validatiekengetal

VOS (inclusief CH4)

> 99

-

1

1 Afhankelijk van de specifieke configuratie en bedrijfscondities. Waarden zijn in principe gebaseerd op halfuursgemiddelde waarden. Bij slechte verbranding is de werkingsgraad moeilijk vast te stellen.

randvoorwaarden

Debiet, m03/uur

< 1.800.000

Minimale verbrandingswaarde afgas, MJ/m03

8 - 11

Druk

atmosferisch

Drukval, bar

1

Temperatuur, ºC

500 – 1.100

Beschrijving

Bij fakkels wordt het afgas 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 verbranding van VOS worden roetdeeltjes 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.

Principeschema

Fakkel

Financiële aspecten

Investeringen, EUR/1000 m03/uur

Circa 100.000 – 650.0001 voor on-shore uitvoering zonder bordessen

Operationele kosten, EUR/1000 m03/uur

-

Personeel

Kan ook sterk variëren; de vakbekwaamheid van onderhoudspersoneel wordt hier als essentiële factor aangeduid

Hulp en reststoffen

Eventueel stoom, steunbrandstof, stikstof

Energieverbruik, kWh/1000 m03/uur

Afhankelijk van stoom en extra brandstof

Elektriciteitskosten, EUR/1000 m03/uur

Laag, afhankelijk van bijvoorbeeld persluchtgebruik

Kostenbepalende parameters

Eventueel steunbrandstof

Baten

Geen

1 De kosten, uitgedrukt in EUR per 1000 m03/uur, kunnen sterk variëren omdat deze afhankelijk zijn van het aantal uren dat er gefakkeld wordt. Omdat een fakkel primair als veiligheidsmiddel wordt ingezet zal het aantal uren dat de fakkel wordt gebruikt laag zijn (van 10 tot 100 uren per jaar).

Uitgebreide beschrijving

Varianten

  • Fakkels met stoominjectie. Voor voldoende luchttoevoer en een goede menging van lucht en brandstof, wordt bij dit type fakkel stoom in de verbrandingszone geïnjecteerd. 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 om voldoende lucht en turbulentie voor een rookvrije verbranding te krijgen. 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. Fakkels met drukmenging bevinden zich meestal op grondniveau en moeten hierdoor in een afgelegen terrein liggen waar voldoende ruimte is.
  • 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/waterstofverhouding die makkelijk branden zonder roetvorming. Deze gasstromen hebben minder lucht nodig voor volledige verbranding en geven lagere verbrandingstemperaturen.

Installatie: ontwerp en onderhoud

Er zijn twee typen fakkels: torenfakkels en grondfakkels. De grondfakkels worden voornamelijk gebruikt voor een continue verbranding van de basislast. De torenfakkel wordt toegepast om de incidentele en accidentele grote volumes te verbranden. Industrieën hebben vaak een geïntegreerd systeem met een grondfakkel geoptimaliseerd voor efficiënte verbranding van de basislast en een torenfakkel voor de onvoorziene grote volumes.

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

Grondfakkel. 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 grondfakkels. De gesloten cilinder waar verbranding plaatsvindt, vermindert de hinder door geluid, licht, warmteafgifte en zorgt voor bescherming tegen de wind. Ze hebben geen zichtbare vlam en er is geen fakkeltoren die boven alle omliggende gebouwen uitsteekt

Een nieuw type grondfakkel maakt gebruik van verbranding van een voorgemengd gasmengsel op een permeabel medium van verschillende lagen metaaldraad. Het afgas verbrandt net boven het permeabel medium. Het systeem maakt warmteterugwinning mogelijk.

Monitoring

De fakkel en de waakvlam moeten bemeten worden om een goede werking van de fakkel te garanderen. Meten kan door middel van thermokoppels, UV-monitoring, ionisatie-probes, low pressure alarm en debietmetingen van het afgas.

Voor- en nadelen milieu

Specifieke voordelen

  • Economisch voordelige manier om accidentele en incidentele, grote hoeveelheden VOS of methaanhoudende 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

Specifieke nadelen

  • Kan overlast veroorzaken door geluid, rook, warmte en lichtproductie
  • Productie van SOx, NOx, CO en roet (Roetvorming en thermisch gevormde NOx kan door gebruik van stoom worden verminderd)
  • Niet geschikt om gehalogeneerde verbindingen te behandelen
  • De warmte geproduceerd door de verbranding gaat verloren

Hulpstoffen
Afhankelijk van de uitvoering:

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

Cross Media Effects
Fakkels zijn in essentie een veiligheidsvoorziening. Daarnaast dragen zij ook bij aan de vermindering van emissies van VOS. Bij fakkelen kan ook overlast ontstaan door licht, geluid en geur. De lichthinder ontstaat bij hoge fakkels. De geurhinder komt van onvolledige verbranding. Daarnaast kunnen er emissies ontstaan van:

  • Roetdeeltjes
  • Onverbrande VOS
  • NOx, SOx, CO.

Geluidsoverlast ontstaat voornamelijk door injectie van stoom tegen rookontwikkeling, verbrandingsprocessen en ventilatie.

Informatiebron

  1. Beschrijving van luchtemissiebeperkende technieken, L26 InfoMil/Tauw, maart 2000
  2. Gids luchtzuiveringstechnieken, VITO 2004/IMS/R/066
  3. IPPC Reference document on Best Available Techniques in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, February 2003
  4. Reference document on BAT in the large volume organic chemical industry, February 2003
  5. Reference document on BAT for mineral oil and gas refineries, February 2003
  6. US EPA CACT Air Pollution Control Technology Factsheet