Assine as atualizações do site Zeeco

CATEGORIAS:

Filtrar:

VOLTAR PARA NOTÍCIAS
Por Kirsten Berg e Adam Herrington em 17 de novembro de 2022

image-png-Nov-17-2022-03-49-02-1674-PMA queima de amônia está à beira da mudança devido ao impulso global para a descarbonização. Países focados no clima estão promulgando legislação para reduzir o uso de combustíveis fósseis, que pode tomar a forma de um imposto direto sobre a produção de dióxido de carbono (CO2) nas instalações, impostos sobre combustíveis de uso final, como gasolina e diesel, ou incentivos para usar menos combustíveis de carbono intensivo, como amônia ou hidrogênio. A amônia como combustível líquido de combustão direta ou como meio de transporte de hidrogênio dentro da cadeia de fornecimento de hidrogênio terá maior utilidade nos próximos anos e décadas porque não tem carbono ligado dentro da molécula.

Download do artigo

Devido a essas pressões sociais, a indústria tradicional do amoníaco tem se empenhado em criar amônia utilizando fontes de energia renováveis. Chamado de "hidrogênio verde" ou "amônia verde", cada passo em sua criação, transporte e utilização como combustível não requer combustíveis fósseis. A produção em escala real está a apenas alguns anos de distância, com um fornecedor gastando bilhões de dólares para trazer amônia verde de classe mundial à base de hidrogênio até 2025.

Já existem projetos on-line, ou que entrarão on-line nos próximos dois anos, que usarão amônia ou hidrogênio "azul" como um substituto para a combustão de combustíveis fósseis. A amônia azul difere da amônia verde por ser produzida através de métodos de produção baseados em combustíveis fósseis existentes, mas depois limita seu impacto de carbono através de seqüestro e compensações.

O que isso significa para o futuro da queima? Pode ser muito diversa. A amônia e/ou hidrogênio serão encontrados em qualquer instalação que faça a mudança para uma pegada de baixo carbono. O gás natural substituído pelo hidrogênio como queimador ou combustível piloto é cada vez mais solicitado pelos usuários finais. O projeto de equipamentos de combustão para proporcionar eficiência de destruição efetiva (DE) para aplicações químicas, petroquímicas e de processamento de gás apresenta desafios específicos que devem ser avaliados "por caso". Para as indústrias que produzem compostos químicos onde a natureza do próprio produto químico torna difícil a ignição e o alto DE, incluindo o amoníaco, devem ser empregadas práticas específicas de projeto de chama para garantir uma combustão limpa e eficiente.

 

Desafios na combustão do amoníaco

Diversos fatores contribuem para a dificuldade da combustão do amoníaco: é uma combustão à base de nitrogênio

tem baixa velocidade de propagação da chama, baixo valor de aquecimento e baixas temperaturas de chama. A resposta a estes desafios requer critérios específicos de projeto para chamas de amônia (ver Figura 1).

Figura 1. Exemplo de um sistema de chama projetado para lidar com gases residuais de instalações de amoníaco, apresentando um pára-brisas para auxiliar na combustão efetiva.

Figura 1. Exemplo de um sistema de chama projetado para lidar com gases residuais de instalações de amoníaco, apresentando um pára-brisas para auxiliar na combustão efetiva.

Para facilitar a combustão tecnicamente completa da amônia (99% ou mais), é necessário restringir a velocidade de saída do gás residual para garantir que a amônia tenha tempo de residência adequado para a combustão de alta DE. O site Zeeco acumulou dados de testes que demonstram uma correlação entre a estabilidade da chama da amônia e a velocidade de saída que apoia essa filosofia de projeto. Se um sistema de flare não for projetado com essa métrica fundamental, haverá um potencial maior de combustão incompleta e/ou uma liberação não inflamada do gás residual.

Figura 2. Velocidade máxima de saída típica do projeto versus diâmetro nominal da ponta da tocha.

Figura 2. Velocidade máxima de saída típica do projeto versus diâmetro nominal da ponta da tocha.

 

Figura 3. Cor típica da chama de teste do amoníaco.

Por exemplo, a Figura 2 ilustra que a velocidade máxima de saída do projeto para gás residual contendo amônia depende do diâmetro da ponta da tocha. Em geral, conforme o diâmetro da ponta da chama aumenta, há um volume maior de gás e maior liberação de calor da chama. Assim, o projeto do diâmetro da ponta da chama baseado no controle da velocidade de saída ajuda a manter uma temperatura de chama superior à temperatura de ignição da amônia, e a melhorar a estabilidade geral da chama.

Os testes realizados em gases 100% amônia por uma fábrica química em Houston, Texas, EUA, ilustram ainda mais estes pontos. A vazão do gás foi variada para avaliar a influência da velocidade de saída no ponto de descarga da ponta da chama sobre a eficiência da combustão. Os testes foram realizados em uma ponta de chama tipo utilitária de 12 pol. de diâmetro nominal com um anel de retenção de chama completo.

As opções a seguir foram ajustadas à dica como parte das avaliações:

  • Montagem de pára-brisas de grande diâmetro estendido que encerrava a descarga da ponta do sinalizador e dos pilotos.
  • Anel auxiliar de injeção de gás no ponto de saída da ponta da chama para produzir turbulência e maior inspiração de ar na zona de combustão.
  • Vários pilotos (no máximo três) estavam disponíveis para determinar o impacto das chamas de ignição sobre o processo de combustão.

Os testes incluíram a análise do desempenho do conjunto da ponta de chama usando vários fluxos de amônia, um a três pilotos, um anel de injeção de gás, o pára-brisa prolongado e combinações dos acima mencionados. A quantidade de amônia presente na pluma da chama foi determinada usando uma sonda aquecida que recolheu amostras em uma posição relativa à temperatura medida (para garantir que a sonda estivesse na porção mais quente da pluma). Veja a cor típica da chama de teste de amônia na Figura 3.

As conclusões dos testes foram:

  • A amônia queimará até a combustão tecnicamente completa (99% ou mais) se a velocidade de saída no ponto de descarga da ponta da chama for mantida muito baixa. A velocidade aceitável é uma função do diâmetro nominal da ponta de chama (ver Figura 2).
  • Velocidades de saída de gases de combustão mais elevadas resultam na inspiração de ar ambiente em excesso na zona de combustão, o que dilui a mistura amônia/ar abaixo do limite de combustível. A amônia tem um limite menor de explosivo/combustível que é de 16% no ar. Isto é em comparação com a maioria dos hidrocarbonetos que têm valores de LEL que são de 1 a 3%. Isto significa que a mistura de amônia e ar pode ser facilmente diluída até um ponto em que a amônia não queimará.
  • A amônia precisa ter uma fonte de ignição confiável. Isto é normalmente fornecido por uma chama piloto muito confiável e por pilotos suficientes ao redor do perímetro da ponta da chama. Se a fonte de ignição fosse removida durante os testes, a amônia não sustentaria uma chama estável.
  • Um pára-brisa é muito útil para limitar a quantidade de ar inspirado no fluxo de gás de chama do amoníaco para facilitar a ignição dos gases em uma área protegida contra ventos cruzados.
  • A queima do vapor de amoníaco elimina qualquer cheiro de amoníaco. Este processo também produzirá NOx. Qualquer toupeira de amônia produzirá uma toupeira de NOx. A temperatura de combustão em uma chama de amônia é muito mais baixa do que em uma chama de hidrocarboneto. O NOx produzido será tipicamente óxido de nitrogênio (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2) incolor.

Com base nestas descobertas, a amônia pode ser queimada em um sistema de chama com eficiência muito alta, se o sistema de chama for projetado corretamente.

 

Considerações de projeto para combustão de amoníaco

Os testes e a validação extensivos realizados nas instalações de testes da Zeecogeraram avanços inovadores nas considerações de projeto para a queima de gás de processo de amônia.

Distribuição de gás residual de ponta

Comumente, a porção da tocha referida como "ponta da tocha" é a parte superior de 10 pés do sistema de tocha. Como o gás residual de amônia entra no corpo da ponta de chama, o acesso ao ar e a mistura uniforme para promover a combustão desempenha um papel crítico na combustão total do composto. Para conseguir uma distribuição uniforme do gás residual em todo o corpo da ponta de chama, as pontas de chama de amônia precisam incluir dispositivos de distribuição de fluxo para dispersar adequadamente o gás residual, expondo o fluxo de resíduos a fontes de ignição, bem como aumentando o acesso ao ar de combustão.

Projeto de alta estabilidade e estabilização das chamas

Por exemplo, nas típicas pontas do pára-brisas, os pára-brisas são nivelados com a saída da ponta do pára-brisas, e os pilotos são dispostos no perímetro externo do pára-brisas. Um sistema de estabilização da chama fornece estabilidade uniforme da chama para a ignição inicial, pois o gás de alto valor de aquecimento pode propagar a combustão com facilidade após a ignição inicial ser realizada. Em contraste, para a combustão de amônia, o projeto do pára-brisa deve ser modificado para garantir que os efeitos do vento sejam minimizados, e a interação entre o ponto de ignição, ar e combustível seja concentrada nesta área.

Os pilotos são colocados em locais estratégicos para aumentar a estabilidade e ficar o mais próximo possível do perímetro da ponta do flare para a ignição. A Zeeco projeta e usa um sistema especial de estabilização de chama para gases de baixo valor de aquecimento, como a amônia. Com esse sistema em funcionamento, a ponta do flare, os pilotos e as abas de estabilização de chama são sincronizados para promover a mais alta estabilidade de chama possível. Todos os componentes interagem para proporcionar uma zona de combustão altamente estável, de modo que a amônia queime livremente e o sistema de flare atinja alta DE.

Estratégias de velocidade de saída

O comportamento físico do gás pode ser modificado durante a queima de amônia. Como mencionado anteriormente, o efeito da velocidade de saída sobre a combustão do gás residual de amônia é dramático, e restrições de projeto podem ser colocadas em prática para promover uma combustão estável. Zeeco normalmente opta por aumentar o diâmetro do cilindro da ponta do flare em conjunto com o uso de aparelhos de difusão para aplicações de amônia. Dessa forma, a amônia pode ser reduzida a uma velocidade de saída aceitável e difundida por toda a ponta do flare, promovendo a mistura adequada e a combustão estável em uma área uniforme.

Tais sistemas precisarão da capacidade de ventilar suas embarcações caso ocorra um incêndio nas instalações. Por isso, os sistemas de chama precisarão ser capazes de ser dimensionados e projetados para estes fluidos. Se esses gases precisariam ser ventilados para um novo sistema de descarga de baixa pressão, projetado da maneira tradicional, ou dentro de um sistema existente, seria determinado caso a caso.

A aceitação social do amoníaco é a principal preocupação dos operadores que utilizam o produto. O limiar de baixa concentração de odor alarmará rapidamente os operadores, e possivelmente as comunidades vizinhas, de um vazamento ou de um sistema de chama com mau desempenho. A abordagem desta preocupação na etapa FEED iniciará o equipamento no caminho certo nas primeiras etapas cruciais.

 

Discussão

Além do projeto de combustão para instalações de amoníaco, o equipamento auxiliar deve ser avaliado e avaliado. Por exemplo, os tambores de selagem líquida (LSD) são comumente usados como uma salvaguarda para separar o sistema de chama do cabeçalho e do equipamento a montante. Como a amônia é solúvel em água, quando um fluxo de alívio contendo amônia flui através do LSD, a água absorverá parte da amônia, formando uma solução de amônia corrosiva. Muitas vezes, o LSD é projetado como tal para que toda a água seja removida com o gás residual durante um evento de queima, e o LSD é reabastecido após a conclusão do evento de queima. Neste caso, a corrosão devido a uma solução de água de amônia não é provável.

Entretanto, se houver taxas de fluxo esperadas onde a água não será removida e substituída, pode ser necessário considerar melhor. Exigir que o LSD seja feito de materiais especiais, revestir o interior do LSD e/ou manter a qualidade da água através de escumação contínua e drenagem/reenchimento cíclico rotineiro da água são todos métodos possíveis para reduzir o efeito dos fluxos de amoníaco através de um LSD.

Como as chamas de amônia são projetadas para ter baixa velocidade de saída e baixa liberação de calor, o ruído causado pela própria chama deve ser mínimo. Entretanto, os fluxos de amônia são tipicamente fluxos de alta pressão do equipamento a montante da planta. Uma parte desta queda de pressão se traduzirá em ruído que percorrerá a tubulação do fluxo de resíduos da planta. Como a ponta de chama é o único ponto de saída para esse fluxo de resíduos, e devido à característica de projeto necessária para a ponta de chama, a ponta pode atuar como um amplificador para o ruído produzido na tubulação de montante. Os operadores que experimentam níveis de ruído inesperados no ponto de saída de uma tocha de amônia devem levar em consideração a alta quantidade de queda de pressão da tubulação a montante ou na fonte de alívio.

 

Conclusão

Há muitos aspectos de projeto a serem considerados ao projetar sistemas de flare e equipamentos auxiliares para processos de resíduos de amônia. Com a influência de normas de emissão mais rigorosas no horizonte, o progresso em direção a um projeto inerente e sólido de sistemas de flare para aliviar os resíduos se tornará mais crucial. Por meio de mais testes e inovações, os fornecedores de sistemas de flare, como a Zeeco , terão a oportunidade de desenvolver novas soluções para oferecer soluções de queima limpas, eficientes e eficazes para fábricas de amônia e ureia.

Download do artigo

VOLTAR PARA NOTÍCIAS