Kontrolliertes Feuer in sensibler Umgebung

Gasanalyse mit Diodenlasern optimiert Verbrennungsprozesse

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07.07.2016 Öfen sind in Petrochemieprozessen immer ein Risiko. Deshalb gelten strenge Richtlinien für Schutzeinrichtungen. Mit neuen Diodenlasern kann das Verbrennungsmanagement optimiert werden.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Die Überwachung von CO-, CH4- und O2-Konzentrationen in Feuerungsanlagen ist nicht nur eine Frage der Brennereffizienz, sondern vor allem auch der Sicherheit.
  • Durchstimmbare Laserdioden-Spektrometer haben sich hier bewährt: Sie messen berührungslos über den gesamten Querschnitt der Strahlungszone und zeigen wenig
  • Querempfindlichkeiten.Eine große europäische Raffinerie setzt das System ein, um Risiken bei An- und Abfahrvorgängen zu verringern und den Wirkungsgrad zu optimieren.

Die Chemie scheut das Feuer. Dennoch wird gerade in der Petrochemie Prozesswärme oft mit Feuerungsanlagen erzeugt. Aufgrund des großen Risikopotenzials tun Betreiber gut daran, diese sicherheits- und regelungstechnisch stets auf dem neuesten Stand zu halten. Insbesondere für Feuerungsanlagen mit Naturzug, bei denen die Luftzufuhr ungeregelt ist, kommt noch ein weiterer Punkt hinzu: einen unnötig hohen Luftüberschuss zu vermeiden, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern. Für beide Ziele hat sich der Einsatz von TDLS-Analysatoren bewährt.
Bei den meisten Feuerungsanlagen wird die Luft nicht per Gebläsezug, sondern durch einen Naturzug zugeführt: Der natürliche Abgasauftrieb führt dem Brennraum neue Luft zu. Deshalb verfügen diese Feuerungen in der Regel nicht über den bei anderen Prozesseinheiten der Anlage eingesetzten Automatisierungsgrad.
Dazu kommt, dass in der Vergangenheit kaum zuverlässige und effektive Instrumentierungs- und Automatisierungstechnologien verfügbar waren, um die Brennstoffzufuhr, die Gaskonzentrationen und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu messen und zu regeln. So wird beispielsweise zur Berechnung des thermischen Wirkungsgrads am unteren Ende des Brennerrohrs ein Sauerstoff-Sensor benötigt. Während die Bediener aus Sicherheitsgründen einen Sauerstoff-Überschuss in der Feuerung aufrechterhalten, ist der von herkömmlichen Sensoren angegebene O2-Gehalt aufgrund von Fremdluft möglicherweise falsch. Tatsächlich ist es möglich, dass die Brenner trotz eines Sauerstoffüberschusses am unteren Brennerrohrende nicht mit genügend Luft versorgt werden. Außerdem lassen Bediener wegen der mangelnden Luftzufuhrregelung üblicherweise einen überhöhten Luftüberschuss in der Feuerungsanlage zu, was den Wirkungsgrad der Anlage erheblich reduziert.
Die fehlende effektive Instrumentierung zur kontinuierlichen und reaktionsschnellen Messung der O2- und CO-Konzentration in der Brennkammer der Feuerungsanlage stellt ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Abgesehen von der nicht möglichen simultanen Regelung der Brennstoff- und Luftkonzentrationen können brennstoffreiche Bedingungen entstehen, die das potenzielle Explosionsrisiko drastisch erhöhen. Temperatur- und Brennstoffregler funktionieren unter brennstoffreichen Bedingungen nicht mehr ordnungsgemäß.
Das American Petroleum Institute empfiehlt in der Technischen Regel API 556 die Erkennung von brennbaren Gasen, vor allem CH4. Herkömmliche Analysatortechnologien lassen sich jedoch aufgrund der hohen Temperaturen nicht in der Strahlungszone installieren. Um die Verbrennungsluft optimal zu regeln, müssen CH4- und CO-Konzentrationen unabhängig von der Brennerbelastung oben in der Strahlungszone gemessen werden, weil dort die Verbrennung abgeschlossen ist. Hierbei ist zu beachten, dass sowohl O2 als auch CO in Flammen mit Temperaturen bis 1.200 °C enthalten sind. Bei Low-NOX-Brennern wird der Verbrennungsablauf verzögert, um die Spitzentemperatur der Flammen zu senken. Dazu wird die Luft/Brennstoff-Führung gestuft oder werden kühlere Abgase mit der Verbrennungsluft extern rezirkuliert.
Für eine effektive Regelung des Verbrennungsprozesses müssen die O2- und CO-Konzentrationen weit oben in der Strahlungszone, idealerweise ca. 30 cm unter den Leitungen im Dach, zuverlässig gemessen werden. Als Alternative zu örtlich begrenzten und unter Umständen nicht repräsentativen Einzelpunktmessungen können dazu Spektroskope auf Basis durchstimmbarer Laserdioden (TDLS) eingesetzt werden. Dabei werden O2- und CO-Dichte über den gesamten Querschnitt ermittelt. So lässt sich das optimale Luft/Kraftstoff-Verhältnis einstellen. Der Brenner kann sicher geregelt und gleichzeitig ein hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht werden. TDLS-Analysatoren reagieren auch in solchen Situationen zuverlässig auf alle „O2-Vorkommnisse“, die von herkömmlichen Sensoren mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht erkannt werden würden.

Heftausgabe: Juli 2016
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Über den Autor

Arthur Groenbos, Yokogawa Europe; Werner Worringen, Yokogawa Deutschland
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