A indústria de GNL atende a diversas necessidades, desde a produção de eletricidade até a matéria-prima para a produção de hidrogênio e uma alternativa limpa para o transporte. À medida que a indústria se expande, os desenvolvimentos tecnológicos em toda a cadeia de valor do GNL são primordiais para auxiliar esse crescimento.
Em uma instalação típica de liquefação, o gás natural é liquefeito em -259˚F (-162˚C). O GNL resultante ocupa 1/600th do volume de gás natural, tornando mais eficiente o transporte para os principais mercados onde de outra forma o gás natural não estaria facilmente disponível. Além disso, o GNL é crucial para o fornecimento de gás natural para locais remotos sem acesso a gasodutos.
A indústria de GNL é composta por vários setores que compõem a cadeia de valor do GNL, incluindo a produção de gás natural, instalações de liquefação, transporte e expedição, armazenamento e regaseificação. Muitas dessas instalações exigem um sistema de queima para lidar com fluxos de resíduos devido à manutenção, transtornos de processo ou alívio de emergência.
O sistema de chama é projetado para queimar com segurança esses fluxos de resíduos, a fim de reduzir o impacto ambiental das instalações. A combustão eficiente do metano produzido em uma instalação típica é importante porque o metano não queimado tem um Potencial de Aquecimento Global (PAG) de 25, comparado ao de um dos produtos da combustão, o dióxido de carbono, que tem um PAG de um. Tipicamente, estes sistemas de queima são projetados para lidar eficientemente apenas com fluxos de resíduos gasosos. A API 521 declara: "Grandes gotículas de líquido e carregamento de líquido podem causar fumaça, gotículas de líquido (queimando ou não queimando) a serem liberadas da queima, ou danos mecânicos".
Flaring apresenta uma infinidade de desafios de conformidade, tais como atingir os requisitos de emissão visíveis permitidos, satisfazer os requisitos de ruído e radiação, e desafios de instalações - tais como a alocação de espaço adequado para o sistema de chama e sua área estéril. Uma área estéril tem acesso restrito devido ao excesso de radiação de chama ou níveis de ruído. Além disso, a chama deve ser projetada para operar em toda a gama esperada de cenários de capacidade de alívio. Em sistemas típicos de queima de gás, fluxos de processo líquido, como os de uma instalação de GNL, teriam que ser primeiro vaporizados ou separados usando uma forma de tambor de extinção antes de enviar o fluxo gasoso para a queima. Isto pode introduzir complexidade e custo adicionais ao sistema.
Como será explorado no restante deste artigo, a Zeeco projetou e testou um flare que lida eficientemente com fluxos de resíduos líquidos e, portanto, oferece vários benefícios, como redução dos custos da instalação, maior segurança da fábrica e do pessoal e redução do impacto ambiental.
Testes em larga escala bem sucedidos
Em resposta a uma solicitação de um cliente por um sistema de flare capaz de lidar com fluxos de resíduos líquidos, a Zeeco desenvolveu um sistema de flare atomizado por pressão e realizou um teste em escala real usando GNL em sua sede em Broken Arrow, Oklahoma, EUA. O teste de flare foi bem-sucedido e abriu as portas para muitas novas oportunidades e aplicações para essa tecnologia no setor de GNL.
O GNL foi entregue no site Zeeco em um reboque de parede dupla isolado a vácuo, que foi posteriormente conectado ao coletor do flare de teste. A bomba integrada do trailer enviou o GNL para a ponta do flare por meio do coletor de aço inoxidável e da ponta do flare. A temperatura e a pressão do fluxo de resíduos foram registradas para determinar a fase (ou seja, gás, duas fases, líquido). Quando o teste começou e o coletor do flare estava em temperatura ambiente, o fluxo de resíduos era gasoso. Com o resfriamento do coletor, o fluxo de resíduos passou a ser bifásico e depois líquido, mantendo uma chama estável e sem fumaça durante todo o processo. É importante observar que o projeto do flare demonstrou combustão eficiente em toda a faixa de condições operacionais. A ponta do queimador suportou condições extremas e ciclos térmicos durante vários testes preliminares e, em seguida, durante os testes finais testemunhados pelo cliente, sem nenhum dano mecânico. Para oferecer o projeto mais robusto de ponta de flare líquido, a Zeeco usou uma fundição para reduzir o número de soldas na zona afetada pelo calor e para atender aos requisitos de atomização mecânica.
Considerações de projeto
A principal preocupação com uma ponta de chama líquida é que ela pode resultar em um spray de líquidos queimados que podem atingir o nível do solo e criar um risco de segurança. A atomização eficaz do fluxo de resíduos líquidos resolve este problema quebrando o fluxo de líquido em pequenas gotas, aumentando assim tanto a área de superfície do líquido quanto a taxa de combustão. Tensão superficial, viscosidade e densidade são as propriedades do fluido primário que influenciam o tamanho das gotas líquidas resultantes e as características do padrão de pulverização. O sistema de flare é modelado para assegurar que a atomização induzida pela pressão adequada seja obtida para as propriedades de um determinado fluxo de resíduos.
Atomização por pressão significa que a atomização é gerada pela energia do próprio fluxo de resíduos e não requer nenhum meio atomizador, como vapor ou ar comprimido. Outro método comum de atomização é a atomização de gás de alta pressão. É aqui que o fluido é quebrado em pequenas gotas injetando ar, vapor ou gás natural no fluxo de líquido. O principal benefício da atomização por pressão é que ela pode funcionar sem precisar de utilidades adicionais e infra-estrutura correspondente, ajudando a reduzir os custos de capital e operacionais associados ao sistema de queima.
A estabilidade da chama é fundamental para a operação segura de um sistema de flare e para a destruição adequada dos fluxos de resíduos. Uma chama estável significa que o flare permanece aceso em todas as condições operacionais e ambientais do projeto. Os fluxos de resíduos magros (ou seja, baixo valor de aquecimento) e/ou a alta velocidade de saída do fluxo de resíduos são causas típicas de uma chama instável. A perda da estabilidade da chama pode resultar em fluxos de resíduos não queimados, impactos ambientais negativos e preocupações com a segurança. O sistema de flare de líquido atomizado sob pressão desenvolvido para essa aplicação usa mecanismos proprietários Zeeco para garantir uma chama estável. A API 521, Seção 5.7.2.4, descreve várias observações para determinar a estabilidade da chama (ou seja, um ruído de batida de baixa frequência está associado a uma chama instável à medida que a frente da chama pulsa). Com base nas observações visíveis e audíveis registradas durante o teste, o sistema de flare manteve uma chama estável durante a transição da queima de gás natural para gás natural/líquido bifásico e, em seguida, para GNL sub-resfriado.
Benefícios adicionais
Os desenvolvimentos em sistemas de fachada podem oferecer uma infinidade de benefícios ao construir uma nova instalação ou modernizar uma já existente. Um tópico que requer consideração significativa é o ruído gerado pelo equipamento. Sopradores, compressores, secadores de ar, aquecedores, tochas e outras fontes contribuem para os níveis de ruído ocupacional que devem ser considerados para assegurar que equipamentos de proteção pessoal e sinalização adequados sejam usados quando necessário. Em alguns casos, a altura da chama ou o raio estéril ao redor da chama é determinado pelos limites de ruído; portanto, reduzir o nível de ruído da chama é um grande benefício para a saúde dos trabalhadores e uma oportunidade potencial de economia de custos.
Na verdade, a OSHA informou que "o ruído alto pode gerar estresse físico e psicológico, reduzir a produtividade, interferir na comunicação e na concentração e contribuir para acidentes e lesões no local de trabalho, dificultando a audição de sinais de alerta". A redução da poluição sonora, especialmente em áreas densamente povoadas, pode ajudar a manter relacionamentos positivos com as empresas e comunidades vizinhas, o que reflete bem na instalação. ZeecoFoi comprovado que as tecnologias de queima de líquidos da Gartner são capazes de descartar com segurança os fluxos de resíduos e, ao mesmo tempo, gerar menos poluição sonora do que a queima de gases tradicional, o que leva a uma redução imediata do ruído da instalação e a possíveis benefícios de longo prazo para a comunidade.
O ruído gerado por um cenário de queima pode ser dividido em duas categorias: ruído de combustão e ruído de jato. O ruído de combustão é causado por expansões e contrações dos produtos de combustão devido às variações locais na liberação de calor através da chama. Estas expansões e contrações geram ondas de pressão que são percebidas como ruído pelo ouvido humano. O ruído de jato (ou seja, ruído de ventilação) é devido a um aumento na velocidade do fluido através de um orifício. O ruído de jato pode ser ainda caracterizado como ruído turbulento, que são pulsações no fluxo de fluxo causadas pela turbulência, e ruído de ondas de choque quando a velocidade de saída atinge a velocidade sônica (ou seja, o fluxo se torna sufocado) na saída da chama.
O benefício dos sistemas de queima de líquidos decorre do fato de os líquidos terem velocidades sônicas muito mais altas do que os gases. Por exemplo, a velocidade do som no gás metano é de 925 pés/seg. (a -259˚F). (a -259˚F), enquanto no metano líquido é de 4658 pés/seg. (a -274˚F). (a -274˚F). Além disso, os líquidos têm densidades mais altas do que os gases, o que significa que a velocidade de saída dos líquidos é menor com a mesma taxa de fluxo de massa. Considerando a maior velocidade sônica dos líquidos e a menor velocidade de saída para uma determinada taxa de fluxo de massa, os sistemas de flare de líquidos geram um ruído mínimo de jato. Isso foi confirmado pelo teste de flare realizado pela Zeeco, que mostrou que o flare de líquido atomizado por pressão produziu significativamente menos ruído do que um flare gasoso com a mesma taxa de fluxo de massa. A Tabela 1 mostra uma comparação entre os resultados do teste de líquido atomizado por pressão e os resultados previstos de um sistema tradicional de flare de gás.
Outra consideração para as instalações é a pegada do equipamento e os custos associados ao equipamento, tais como tubulações, suportes e outros itens auxiliares. Por exemplo, a redução do diâmetro da tubulação tem inúmeros benefícios, incluindo a redução do peso total do material da tubulação; redução significativa das exigências de prateleiras de tubos; instalação mais fácil - devido ao fato de haver menos material para manusear e menos solda devido aos diâmetros menores dos tubos; redução do tamanho dos itens de acompanhamento (ou seja, válvulas e flanges); e uma redução da área total do equipamento. Os benefícios da redução do diâmetro da tubulação também se aplicam ao riscador de flare que pode atingir várias centenas de pés de altura, com reduções de fornecimento e redução da área de vento, reduzindo ainda mais o custo de capital do sistema de flare. Como mencionado anteriormente, devido a sua maior densidade, os fluxos de resíduos líquidos podem utilizar tubos de diâmetro menor em comparação com os fluxos gasosos para uma determinada vazão de massa.
Para colocar estas economias potenciais do sistema em perspectiva, uma comparação entre um sistema de GNL para queima de líquidos e um sistema de GNL para queima de gás é uma ilustração útil. Utilizando um fluxo de 700 000 lb/hr, o custo estimado para um sistema de GNL para queima de líquidos é de US$750 000. Entretanto, um sistema GNL para queima de gás sob as mesmas condições de processo é estimado em US$900 000. Estes custos são estimativas para o fornecimento do sistema de queima somente e não incluem a economia com cabeçalhos e suportes de cabeçalho. Além da economia de custos de capital, os sistemas de queima de GNL líquido atomizado por pressão podem reduzir o ruído e o custo total de propriedade ao longo do tempo.
Conclusão
Os desenvolvimentos tecnológicos são fundamentais para manter o progresso feito pelo setor de GNL nos últimos 50 anos, bem como para alimentar seu desenvolvimento futuro. O sistema de queima de líquido atomizado sob pressão para GNL, projetado e testado pela Zeeco, é um dos mais recentes desenvolvimentos que contribuem para o avanço do setor, oferecendo uma solução de queima de GNL capaz de lidar com gás natural sub-resfriado de forma confiável em condições operacionais criogênicas severas. Como o GNL continua a crescer em popularidade como uma alternativa limpa e econômica a outros combustíveis fósseis, outros avanços serão inevitavelmente feitos, impulsionando o setor de GNL para seus próximos estágios de desenvolvimento.
Bibliografia
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