Clayton A. Francis, Zeeco, EUA, explica por que os maiores impactos ambientais dos equipamentos de queima podem parecer inofensivos.
Às vezes, coisas que parecem inócuas podem ser prejudiciais. De acordo com a Organização Mundial da Saúde, mais jovens de hoje correm risco de perda auditiva devido a seus aparelhos de áudio pessoais do que devido ao volume de concertos e locais de música.1 É a exposição comum, aparentemente insignificante, que tem o maior impacto, não, como seria de se esperar, a explosão infrequente. Este fenômeno se aplica a outros aspectos da vida cotidiana, incluindo o impacto de certos equipamentos de processo.
Os membros da comunidade e os especialistas em regulamentação têm se perguntado às vezes se as chamas são eficazes em seu trabalho de descarte confiável, seguro e ambientalmente responsável de gás. Testes extensivos, que se estenderam por quatro décadas, confirmaram que as tochas corretamente operadas protegem de forma confiável o meio ambiente, bem como o equipamento e o pessoal dentro de uma instalação operacional. Os testes foram realizados principalmente sob cenários de operação ideal da ponta da tocha e seus fluxos de utilidades. Entretanto, fatores tão variados como treinamento insuficiente, falta de medição do processo ou outros obstáculos operacionais podem facilmente levar à operação ineficiente e ineficaz de uma tocha de processo.
Ao considerar a complexidade adicional das tecnologias de queima sem fumaça, outro fator operacional é a relação crítica entre as taxas de fluxo do gás de queima e dos meios de injeção sem fumaça. Quando muito vapor ou ar - os dois meios de injeção sem fumaça mais comuns - é aplicado, a zona de combustão pode ser diluída até que a eficiência da combustão seja reduzida ou mesmo interrompida completamente. Além de garantir que o projeto inicial da chama esteja de acordo com as leis ambientais, é imperativo que o projeto da chama forneça proteção contra a liberação de hidrocarbonetos não queimados mesmo com a baixa taxa normal de fluxo/excesso da chama.
Uma dificuldade inerente às tecnologias de queima sem fumaça é que são necessários fluxos mínimos de utilidades dos meios de injeção sem fumaça para proteger o equipamento de combustão contra danos térmicos. Esses fluxos mínimos, seja um fluxo especificado do fabricante do equipamento ou uma limitação pragmática da quebra do equipamento, são um pouco altos quando comparados ao fluxo mínimo de gás de purga combustível que flui para a chama. Este desequilíbrio entre a taxa mínima de queima e o fluxo relativamente grande de meios inertes sem fumaça pode ser devastador para a eficiência da combustão. Uma vez que as chamas raramente fluem a taxas de perturbação significativas, esta ineficiência de combustão problemática a taxas de purga constitui a operação normal, hora por hora. Desta forma, a aparentemente inócua compreende o maior impacto ambiental da queima de equipamentos.
Os riscos do desequilíbrio entre os meios de injeção sem fumaça e o gás de queima foram estudados e identificados por pesquisadores e órgãos reguladores, levando a regulamentações nos EUA que monitoram e controlam de perto esta proporção para garantir uma combustão adequada mesmo em períodos de recessão.2,3 Para as tecnologias convencionais de pontas de chama sem fumaça, é necessário um aumento nas taxas de purga de combustível a fim de atender às regulamentações de eficiência de combustão em operação normal sem a necessidade de abertura, levando a um aumento no consumo de gás combustível e desafios às licenças operacionais existentes. Com a revelação de que tanto impacto negativo é provável em operação normal, o desequilíbrio entre as taxas mínimas de injeção de vapor e purga de gás de queima deve ser mitigado.
Reduzindo o consumo de vapor
As chamas são tornadas sem fumaça, garantindo a disponibilidade de ar suficiente e oxigênio enterrado e misturado com o fluxo de hidrocarbonetos para que toda a ligação entre carbono e carbono seja oxidada. Com as tecnologias de queima a vapor não é o vapor em si que torna a chama sem fumaça, mas principalmente o ar impelido e arrastado pelo fluxo de vapor. Os avanços na tecnologia de queima de vapor, seja visando reduzir o consumo de vapor ou melhorar o desempenho da zona de combustão na recessão, começam pelo aumento da eficiência com a qual o ar é transportado pelo vapor.
Zeeco Os engenheiros da SteamForce desenvolveram a tecnologia de flare de HC para resolver problemas ambientais por meio de um mecanismo eficiente de injeção de vapor. A redução do consumo de vapor tem vários efeitos positivos sobre os custos operacionais, os impactos ambientais e a conformidade operacional. No novo projeto, um único riser de gás de flare é distribuído entre vários bicos de vapor. Os conjuntos de bicos são compostos por um venturi com duto de ar cercado concentricamente por um anel de gás de combustão (Figura 1). Cada bocal utiliza a injeção de vapor como força motriz em sua base e é cercado no perímetro por um anel de jato para garantir a mistura completa e a interação entre o gás de combustão e o ar de combustão redutor de fumaça.
Tecnologia de Injeção de Vapor
Nas primeiras tecnologias de injeção de vapor, um injetor impulsiona o ar ambiente para a zona de combustão, na maioria das vezes com um coletor de injetores ao redor do perímetro da ponta. O uso de tubos de vapor/ar (S/A) aumenta a eficiência da injeção ar/vapor ao coletar o ar com um sino de entrada, transportando então esse volume de ar através de um tubo até o núcleo da zona de combustão. O aumento do volume de ar e sua distribuição para regiões de difícil acesso do gás de queima tem sido a base por trás da maioria das pontas de queima de vapor de alta capacidade por décadas. Entretanto, duas ineficiências no sistema persistiram: os tubos de S/A exigiram uma mitra ou curva para direcionar corretamente o fluxo, o que diminui a eficiência, e o tubo tem um diâmetro consistente em todo o seu comprimento (Figura 2, à esquerda).
Altas velocidades no tubo S/A quando operado em alta capacidade criam perdas por arraste e queda de pressão, limitando a entrega total de ar para cada tubo. Várias tecnologias mais novas estão incorporando tubos retos para melhor desempenho; entretanto, o fluxo ainda é limitado e as eficiências limitadas na configuração consistência-diâmetro (Figura 2, à direita). Os Venturis são dispositivos bem conhecidos e têm sido utilizados em equipamentos em plantas de processo para comprimir, impulsionar ou multiplicar fluxos.
Os verdadeiros venturis só recentemente foram incorporados em pontas de chama de vapor para propulsão a ar. O cone de expansão a jusante da seção de compressão do venturi evita o arrastamento e a restrição do projeto do tubo de diâmetro reto (Figura 3).
Em geral, o impulso do vapor ejetado do bocal de vapor (em ambos os dispositivos) puxa o ar ao redor para dentro da campainha de entrada. A mistura de ar e vapor flui então através da seção reta, com o fluxo se desenvolvendo. No projeto venturi, o fluxo então se move através do sino de saída que gradualmente aumenta na área de saída, diminuindo a pressão, permitindo que mais fluxo se mova através do sistema. Através de testes empíricos, este projeto de tubo demonstrou um aumento de até 80% no volume de ar para o mesmo fluxo de vapor para um tubo S/A de tamanho semelhante (Figura 4). Este aumento da propulsão do ar resulta em economias significativas de vapor em capacidades sem fumaça (perturbação), mas mais importante ainda, o consumo reduzido de vapor também é aplicável em taxas normais de purga diária.
Figura 4. Para um fluxo de vapor de 3427 lbs/hr, o projeto venturi sem pré-mistura pode puxar em 49 572 lbs/hr de ar comparado a 27 468 lbs/hr de ar para um dispositivo de tubo reto com pré-mistura de gás de flare, vapor e ar. Além disso, o dispositivo venturi alcançou uma relação de massa de 14,47 lbs de ar por 1 lb de vapor em comparação com 8,06 lb de ar por 1 lb de vapor para o dispositivo de tubo reto.
Melhorar o acesso ao fornecimento de ar ambiente em configurações de tochas é um conceito que funciona comprovadamente em tochas de terra de múltiplos pontos, tecnologias sônicas de múltiplos braços, e outros. Com pontos de injeção adicionais, os limites de interação entre o gás de queima e o oxigênio disponível aumentam, de modo que mais oxigênio é puxado para a zona de combustão. Somente recentemente este conceito foi aplicado às chamas de vapor, uma vez que elas têm sido tradicionalmente um único e grande barril. A distribuição do fluxo de hidrocarbonetos entre vários conjuntos de bicos multiplica a proporção de ar ambiente em contato com os fluxos de hidrocarbonetos na queima. Esta configuração cria um fluxo anular para o gás de queima (Figura 1), ou seja, ele é cercado por ar tanto em seu perímetro interno como externo. O encapsulamento do gás desta forma assegura uma interação superior de vapor e ar, aumentando ainda mais a capacidade sem fumaça. Por fim, as tecnologias de queima de vapor são comparadas pela razão entre vapor e massa de hidrocarbonetos (S/HC) necessária para tornar as composições individuais de gás sem fumaça. Ao utilizar o propileno como meio de teste de gás, as taxas esperadas de S/HC são de 0,55 para a configuração tradicional de queima de vapor somente por injeção superior e 0,38 para projetos de tubos de S/A dobrados. Em contraste, um projeto anular requer uma taxa de 0,25 kg de vapor para cada 1 kg de propileno queimado sem fumaça (Figura 5).
Figura 5. O acima mostra economia no consumo de vapor usando uma chama SteamForce HC em comparação com o uso de um tubo S/A dobrado convencional ou ponta de chama de vapor superior.
O desempenho da chama é normalmente otimizado para fluxos superiores ao mínimo, utilizando velocidades e turbulências suficientemente altas para superar influências externas, tais como ventos cruzados. Na ponta SteamForce HC, um anel de jato é instalado ao redor do perímetro do bico para garantir a interação adequada entre o ar de combustão e o gás de queima em fluxos mínimos. Alguns fornecedores especificam pressões de chama operacionais relativamente altas, como 2 - 5 psi, para atingir seus parâmetros de desempenho prometidos. Essas tecnologias dependem da energia cinética dos gases em taxas de emergência ou de perturbação para otimizar o desempenho. Entretanto, uma infinidade de queimas de vapor operam a pressões máximas mais baixas, e o desempenho dessas pontas tipicamente sofre drasticamente com a queda de temperatura. Por outro lado, um anel de jato de ar comprimido limpa a forma do fluxo da chama, assegurando que ela interage corretamente com o núcleo do ar instruído, e mantém o desempenho da ponta em toda a sua faixa operacional, mais notavelmente na recessão total.
Considerações de custo e operacionais
Uma vez que os eventos de queima são pouco freqüentes e tipicamente de curta duração, os fluxos de vapor de resfriamento constante constituem a maior parte do vapor consumido por uma ponta de chama em uma base anual. O fluxo de resfriamento do vapor protege a integridade dos injetores, mitigando os efeitos do calor da zona de combustão; este fluxo e seus efeitos negativos são exacerbados em climas mais frios. Com o projeto SteamForce HC, essencialmente toda a indução de ar sem fumaça ocorre na base da ponta. Como resultado, os injetores não estão tão sujeitos a danos térmicos. Mais importante ainda, o maior volume de ar impulsionado pelos tubos venturi reduz ainda mais o fluxo mínimo de vapor necessário para proteger o equipamento. Muito poucos bicos venturi são necessários para atingir capacidades comparáveis sem fumaça, reduzindo novamente os requisitos de vapor de purga (Tabela 1).
Como uma aproximação geral do tempo que uma chama gasta em fluxo de purga versus uma grande carga de alívio, a razão de 95% a 5% tem sido razoavelmente utilizada na indústria. Os usuários finais têm um registro da taxa máxima de injeção de vapor e do fluxo mínimo de vapor para o equipamento de queima, e assim uma análise básica entre diferentes tecnologias demonstra como o custo operacional das pontas de queima pode ser dominado pelo caso normal, mínimo. Usando um valor geral de US$12/1000 lbs para geração de vapor, destaca a capacidade de economia de custos da nova tecnologia de queima de vapor (Tabela 2).
O método mostrado na Tabela 2 para o cálculo do custo de operação é simplificado e capta apenas a economia de fornecimento de vapor.4 Quando reguladores e usuários consideram adicionalmente a robustez da zona de combustão, às vezes expressa como valor de aquecimento líquido da zona de combustão (NHVcz), um fluxo de combustível enriquecedor deve ser adicionado a taxas mínimas de purga para garantir uma combustão saudável. A quantidade de injeção de gás combustível necessária está diretamente relacionada com a taxa mínima de vapor, de modo que a economia operacional da tecnologia de queima da empresa pode ser ampliada ainda mais com base nos custos de combustível e nos regulamentos locais. Em particular, este projeto não pré-mistura propositadamente o ar induzido e o gás de queima antes da saída da ponta de queima e da localização do piloto. Nenhuma pré-mistura significa nenhuma exigência de incluir o ar induzido nos cálculos do NHVcz, conforme descrito no US Environmental Protection Agency (EPA) Code of Federal Regulations, Chapter 1, Subchapter C, Part 63, Subpart CC.3 Quando o ar de combustão é pré-misturado com o gás de queima antes da saída, tem o efeito de diluir o desempenho da zona de combustão ainda mais do que o próprio vapor. Ao não introduzir ar de combustão até a saída da ponta da chama, apenas o fluxo de vapor deve ser enriquecido, poupando ao operador um custo significativo do gás combustível de enriquecimento.
A longevidade da ponta do clarão também pode ser aumentada. Os vetores de vapor e de injeção de ar são verticais, atenuando a possibilidade de limitação de chama. As antigas tecnologias de injeção de vapor tinham uma inclinação horizontal para a trajetória do vapor. Quando os fluxos de gás de queima estão em taxas mínimas, o fluxo de vapor transmite mais pressão, velocidade e momento do que o fluxo de combustível. O desequilíbrio no fluxo resulta em uma "tampa" eficaz sobre a saída da ponta de chama, e esta tampa frequentemente empurra a combustão para baixo dentro do barril da ponta de chama. Esta alta temperatura, reduzindo a reação química dentro da ponta causa danos irreparáveis ao longo do tempo e é um modo comum de falha de pontas assistidas por vapor. Múltiplas fontes de injeção de vapor que requerem múltiplas válvulas de controle podem exacerbar este dano porque é possível aplicar a injeção de vapor superior de forma muito agressiva em comparação com o nível aplicado através de tubos S/A. Entretanto, quando apenas uma única fonte de vapor e controle é utilizada, a combinação de vetores de injeção ascendentes e controle de ponto único elimina a queima interna da ponta de chama e proporciona maior longevidade e valor à instalação ao longo do tempo.
CONCLUSÕES
O público vê as chamas altas e brilhantes vindas das chamas como o maior risco sanitário e ambiental. Ironicamente, estas chamas indicam altas eficiências de destruição e que a chama está decompondo corretamente os hidrocarbonetos em composições seguras. O que tem sido mal entendido é que os fluxos minúsculos, quase despercebidos, são os mais suscetíveis à aplicação excessiva de vapor e ar. A sobreaeração é responsável por maiores danos ambientais, e sua retificação resulta em melhorias significativas nos custos de capital e operacionais. Ao criar um mecanismo de injeção de vapor mais eficaz, a zona de combustão é melhorada durante o caso de uso predominante de baixa vazão, ao mesmo tempo em que se utiliza menos vapor em condições de alta vazão ou de perturbação.
REFERÊNCIAS
- Make Listening Safe', Organização Mundial da Saúde, https://www. who.int/pbd/deafness/activities/MLS_Brochure_English_lowres_ for_web.pdf, (acessado em 14 de janeiro de 2019).
- 'Parameters for Properly Designed and Operated Flares', US EPA Office of Air Quality Planning and Standards, https://www3. epa.gov/airtoxics/flare/2012flaretechreport.pdf, (acessado em 14 de janeiro de 2019).
- EPA 40CFR 63.671.
- Benchmark the Fuel Cost of Steam Generation, US Department of Energy, https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f16/ steam15_benchmark.pdf, (acessado em 14 de janeiro de 2019).