A flare systeem is een industrieel veiligheids- en verbrandingsapparaat dat voofnamelijk wordt gebruikt in de olie- en gas-, petrochemische en raffinage-industrie om ongewenste of overtollige koolwaterstofgassen veilig te verwijderen door ze op een gecontroleerde manier te verbranden. In plaats van giftige of ontvlambare gassen rechtstreeks in de atmosfeer af te geven, leidt een fakkelsysteem ze naar een verbrandingspunt – meestal een verhoogde fakkelpunt of op grondniveau – waar ze worden ontstoken en omgezet in minder schadelijke verbrandingsbijproducten, voornamelijk kooldioxide (CO₂) en waterdamp.
Simpel gezegd is een fakkelsysteem de laatste verdedigingslinie tegen ongecontroleerde gasuitstoot. Het is geen normaal bedrijfsproces, maar een cruciaal nood- en drukontlastingsmechanisme dat de veiligheid van de fabriek, de naleving van de regelgeving en de bescherming van het milieu garandeert. Wereldwijd branden fakkelsystemen naar schatting 140–150 miljard kubieke meter aardgas per jaar Dat blijkt uit het Global Gas Flaring Reduction Partnership (GGFR) van de Wereldbank.
Flare-systemen dienen verschillende afzonderlijke maar onderling verbonden doeleinden bij industriële activiteiten:
Een goed ontworpen flare-systeem bereikt een verbrandingsrendement van 98–99,9% , wat betekent dat bijna alle koolwaterstoffen worden vernietigd in plaats van uitgestoten als onverbrande vluchtige organische stoffen (VOS).
Een compleet industrieel fakkelsysteem is niet zomaar een brandende fakkel; het is een geïntegreerd netwerk van samenwerkende apparatuur. De belangrijkste componenten zijn onder meer:
De fakkelkop is een netwerk van leidingen dat ontluchtingsgas uit meerdere bronnen in een faciliteit verzamelt (overdrukkleppen, spuikleppen en omleidingen voor regelkleppen) en deze naar een centrale knock-outtrommel en vervolgens naar de fakkelschoorsteen leidt. De maat van de header is van cruciaal belang: te kleine leidingen creëren een gevaarlijke tegendruk die kan voorkomen dat de ontlastkleppen bij de juiste ingestelde druk openen.
Voordat het gas de punt van de fakkel bereikt, passeert het een knock-out trommel (ook wel een flare-knock-outvat of vloeistofafdichtingstrommel genoemd). Dit vat scheidt meegevoerde vloeistoffen uit de gasstroom. Vloeistoffen die een fakkeltip binnendringen, kunnen gevaarlijke "fakkelregens" veroorzaken (brandende vloeistofdruppels die uit de stapel vallen) en kunnen de tip beschadigen of explosies veroorzaken. De knock-outtrommel is een niet-onderhandelbaar veiligheidskenmerk in elk goed ontworpen fakkelsysteem.
De fakkelstapel is het structurele element dat de fakkeltop naar een veilige hoogte boven het maaiveld tilt. Stapelhoogtes variëren doorgaans van 30 tot ruim 150 meter , afhankelijk van de grootte van de faciliteit, de vereiste warmtestralingslimieten op niveau en lokale wettelijke vereisten. Offshore-platforms maken vaak gebruik van horizontaal verlengde fakkelbomen in plaats van verticale stapels om de vlam weg te leiden van de platformconstructie.
De fakkeltip is het verbrandingsapparaat bovenaan de schoorsteen waar gas wordt ontstoken en verbrand. Moderne fakkeltips zijn ontworpen voor specifieke stroomsnelheden en gassamenstellingen en bevatten functies zoals:
Waakvlambranders houden te allen tijde een constante kleine vlam aan de punt van de fakkel, zodat het vrijkomende gas – zelfs onverwachts om 3 uur ‘s nachts – onmiddellijk ontbrandt. De meeste moderne systemen gebruiken hoogenergetische vonkontsteking or vlamfrontgeneratorsystemen (FFG). om piloten op afstand opnieuw aan te steken als ze worden gedoofd door wind of regen. Een fakkelsysteem met een onverlichte piloot is een ernstige veiligheidsovertreding.
Een continue stroom inert gas of brandstofgas (stikstof of aardgas) wordt in de fakkelkop geïnjecteerd om te voorkomen dat lucht terug in het systeem migreert en een potentieel explosief lucht-gasmengsel in de leidingen creëert. Deze "zuiveringsgas"-stroom is een van de voortdurende operationele kosten van het onderhouden van een fakkelsysteem en heeft doorgaans een snelheid van 0,1 tot 1,0 m/s bij de uitgang van de flaretip.
Geïnstalleerd aan de basis van de stapel of in de header, waterafdichtingen en moleculaire afdichtingen dienen als secundaire barrières tegen het binnendringen van lucht en fungeren ook als overdrukventielen. Een waterslottrommel houdt een waterkolom in stand (doorgaans 150–300 mm diep) waar gas doorheen moet borrelen, waardoor zowel een afdichting als een visuele indicator van de gasstroomsnelheden tijdens werkzaamheden ontstaat.
Flare-systemen worden geclassificeerd op basis van hun fysieke configuratie en de methode die wordt gebruikt om een rookloze, efficiënte verbranding te bereiken. Elk type is geschikt voor verschillende operationele en omgevingsomstandigheden.
| Flare-type | Configuratie | Typische toepassing | Belangrijkste voordeel |
|---|---|---|---|
| Verhoogde gloed | Verticale stapel, kantel op hoogte | Raffinaderijen, petrochemische fabrieken | Verspreidt warmte en geluid; verwerkt grote stromen |
| Grondvlam | Gesloten of open branders op niveau | LNG-terminals, gasfabrieken | Laag geluidsniveau, lage helderheid, rookloos |
| Offshore flare-boom | Horizontale arm die zich uitstrekt vanaf het platform | Offshore olie- en gasplatforms | Houdt de vlam weg van de structuur |
| Stoomondersteunde flare | Stoom geïnjecteerd aan de punt | Faciliteiten met beschikbare stoom | Rookloze verbranding van zware gassen |
| Luchtondersteunde flare | Geforceerde luchtblazer aan de basis | Afgelegen locaties zonder stoom | Rookloos zonder stoominfrastructuur |
| Kandelaar Flare | Eenvoudige, niet-ondersteunde verticale buis | Low-flow of back-up fakkels | Lage kosten, minimaal onderhoud |
Als u de operationele volgorde van een fakkelsysteem begrijpt, wordt duidelijk waarom elk onderdeel bestaat en ertoe doet:
Flare-systemen moeten worden ontworpen volgens internationaal erkende normen. De twee meest gezaghebbende documenten over het ontwerp van fakkelsystemen zijn:
In de Verenigde Staten is de EPA's 40 CFR Deel 60 en Deel 63 Regelgeving regelt de eisen inzake de efficiëntie van fakkelverbranding en de monitoringverplichtingen. Volgens deze regels moeten fakkels een netto verwarmingswaarde (NHV) in de verbrandingszone van ten minste behouden 270 BTU/scf en een maximale tipsnelheid onder een gedefinieerde drempel om een stabiele, efficiënte verbranding te garanderen.
De EU-richtlijn industriële emissies (IED 2010/75/EU) en de daarmee samenhangende conclusies over de beste beschikbare technieken (BBT) vereisen eveneens dat faciliteiten het affakkelen tot een minimum beperken en een continue monitoring van de verbrandingsefficiëntie bij grote installaties demonstreren.
Hoewel fakkelsystemen veel veiliger zijn dan het ongecontroleerd afblazen van gas, zijn ze niet zonder gevolgen voor het milieu. De belangrijkste zorgen zijn onder meer:
Wanneer de verbranding voltooid is, produceert het affakkelen CO₂ – een broeikasgas. Echter, bij onvolledige verbranding ontstaat methaan (CH₄) , dat een aardopwarmingsvermogen heeft dat ongeveer 84 keer groter is dan CO₂ over een periode van twintig jaar. Bij een verondersteld verbrandingsrendement van 98% stoot een fakkel die 1.000 kg methaan per uur afblaast nog steeds grofweg 20 kg/uur onverbrand methaan — een betekenisvolle klimaatimpact op schaal.
Het affakkelen van zware koolwaterstofgassen zonder voldoende hulp van lucht of stoom produceert zwarte rook — roetdeeltjes (PM2,5 en PM10) die zowel een probleem met de luchtkwaliteit als een overtreding van de regelgeving vormen. Dit is de reden dat er bij de meeste moderne industriële faciliteiten eisen worden gesteld aan het rookloos affakkelen, waarbij doorgaans minimaal rookloos affakkelen vereist is 50% van de ontwerpaffakkelsnelheid .
De ‘Nul routinematig affakkelen tegen 2030’ van de Wereldbank initiatief, gelanceerd in 2015, heeft de steun gekregen van meer dan 90 regeringen en oliemaatschappijen. Het initiatief is gericht op de eliminatie van het ‘routinematige affakkelen’ – het voortdurend affakkelen van bijbehorend gas tijdens de olieproductie, eenvoudigweg omdat er geen infrastructuur bestaat om het op te vangen. Volgens recente berichtgeving blijven de mondiale affakkelvolumes hardnekkig hoog, ongeveer 1,5 procent 144 miljard kubieke meter per jaar , wat de moeilijkheid van de transitie onderstreept.
De most effective way to reduce flaring is not to improve the flare itself, but to avoid sending gas to the flare in the first place. Systemen voor het terugwinnen van fakkelgas (FGR). opvang van lagedrukgas uit de fakkelkop voordat het de knockout-trommel bereikt en comprimeer het opnieuw voor gebruik als brandstofgas, of introduceer het opnieuw in het proces. Een goed ontworpen FGR-systeem kan routinematig affakkelen verminderen 70-90% .
Typische FGR-systeemcomponenten zijn onder meer:
Voor grote raffinaderijen zijn de economische argumenten voor FGR sterk: een rechtvaardig herstel 1 miljoen standaard kubieke voet per dag (MMSCFD) van gas dat anders zou worden afgefakkeld, kan een jaarlijkse besparing van meer dan opleveren $ 1 miljoen tegen aardgasprijzen van 3 à 4 dollar/MMBtu, terwijl tegelijkertijd de uitstoot en de wettelijke aansprakelijkheid worden verminderd.
Moderne fakkelsystemen zijn geen passieve infrastructuur; ze worden actief gemonitord via instrumentatie- en controlesystemen. Belangrijke monitoringelementen zijn onder meer:
Onder EPA-subdeel Ja (voor aardolieraffinaderijen) zijn faciliteiten verplicht om continue parameterbewakingssystemen (CPMS) te installeren en driemaandelijkse nalevingsrapporten in te dienen waaruit blijkt dat de normen voor de efficiëntie van de fakkelverbranding gedurende elke bedrijfsperiode werden gehandhaafd.
Zelfs goed ontworpen fakkelsystemen kunnen operationele problemen ondervinden. Door de meest voorkomende faalwijzen te begrijpen, kunnen operators en technici hierop anticiperen en deze voorkomen:
| Probleem | Oorzaak | Gevolg | Mitigatie |
|---|---|---|---|
| Uitdoven van de waakvlam | Harde wind, regen of lage stuurgasdruk | Onverlicht affakkelen – vrijkomen van ruw gas | Zelfontstekingssystemen, windschermen |
| Burnback van de flaretip | Lage gasstroom, vlam in de tip getrokken | Tipschade of vernieling | Voldoende spoelgasstroom, tipontwerp |
| Vloeibare overdracht | Knockout-trommel is te klein of mislukt | Brandende vloeibare regen, schade aan de tip | Correcte KO-vatafmetingen, niveaucontrole |
| Overmatig roken | Onvoldoende stoom/luchtondersteuning | Schending van de regelgeving, PM-emissies | Verhoog de hulpstroom en het onderhoud van de tip |
| Overdruk kop | Ondersized piping or blocked path | Tegendruk verhindert het openen van de PRV | API 521 hydraulische analyse, inspecties |
Hoewel fakkelsystemen het nauwst verbonden zijn met de olie- en gasindustrie, worden ze gebruikt in een breed scala aan industriële sectoren waar brandbare of gevaarlijke gassen worden geproduceerd:
De industrial world is under growing pressure to minimize flaring through both technological innovation and regulatory tightening. Key trends shaping the future of flare systems include:
De volgende generatie flare-tips met verbeterde interne menggeometrie kunnen worden bereikt rookloze verbranding bij debieten tot 90% van de ontwerpcapaciteit zonder stoomondersteuning , waardoor de bedrijfskosten en aanvullende emissies worden verlaagd. Fabrikanten zoals John Zink Hamworthy en Zeeco bieden gepatenteerde tipontwerpen met aanzienlijk verbeterde verbrandingsefficiëntie en verminderde geluidsprofielen.
VIIRS-satellietsensoren (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite), beheerd door NOAA en NASA, detecteren en kwantificeren nu wereldwijd affakkelingsgebeurtenissen met een detectiedrempel van ongeveer 1 MW stralingsvermogen . Deze mogelijkheid betekent dat toezichthouders en investeerders onafhankelijk fakkelgegevens op faciliteitsniveau kunnen verifiëren, waardoor de verantwoordelijkheid groter wordt dan zelfgerapporteerde cijfers.
Verschillende olieproducerende regio's, waaronder het Perm-bekken (Texas), de Vaca Muerta (Argentinië) en de Noordzee, hebben steeds strengere affakkellimieten of een regelrecht verbod op routinematig affakkelen voor nieuwe projecten ingevoerd. Bedrijven die niet aan deze eisen voldoen, worden geconfronteerd met productiebeperkingen, financiële boetes of het verlies van exploitatievergunningen, wat een sterke economische prikkel creëert om te investeren in de infrastructuur voor het opvangen van gas in plaats van aanhoudend affakkelen.
OEM/ODM Fabrikanten van hoogwaardige verbrandings- en thermische apparatuur
