Os fundamentos dos equipamentos de queima
Sreeram Krishnan, Zeeco, Inc., explora os sistemas de segurança para equipamentos queimados no setor de GNL.
Os equipamentos de queima podem ser encontrados na maioria das instalações operacionais em todo o mundo, independentemente do setor. Tecnicamente, o equipamento queimado é definido como qualquer dispositivo que queima combustível para gerar calor ou energia. Este artigo se concentrará especificamente em três tipos de equipamentos de combustão comumente usados como dispositivos de segurança, de processo ou de controle de emissões no setor de GNL: flares, incineradores e aquecedores de combustão. Cada um desses dispositivos de combustão pode ser utilizado em uma variedade de aplicações diferentes de GNL, desde a produção e liquefação de gás natural upstream até o transporte, armazenamento e regaseificação downstream. Apesar de seus inúmeros usos, os equipamentos queimados tendem a ter a reputação de estar entre as unidades mais especializadas e complexas de qualquer instalação operacional.
Ainda assim, seus princípios fundamentais de projeto são, na verdade, muito simples. Até mesmo o nome "equipamento queimado" é bastante direto - o fogo é literalmente usado para operar o equipamento.
Embora a palavra "fogo" possa ter conotações negativas no mundo das operações e manutenção de plantas, os sistemas de equipamentos queimados são algumas das unidades mais seguras em qualquer instalação operacional. Este artigo abordará os códigos de engenharia específicos, as normas e os recursos de segurança comumente implementados no projeto de flares, incineradores e aquecedores a combustão no setor de GNL. Também é importante saber distinguir entre esses três tipos principais de equipamentos queimados, portanto, este artigo destacará as semelhanças e diferenças entre cada um deles. Embora sejam usados em aplicações semelhantes, esses dispositivos de combustão diferem em termos de projeto geral, desempenho e operação.
Faróis
Ao passar por uma usina de GNL à noite, pode ser possível ver uma chama amarelo-avermelhada aparentemente suspensa no ar - a fonte dessa chama é provavelmente um flare elevado.
Há uma grande variedade de sistemas flare que podem ser encontrados em plantas petroquímicas e instalações de GNL em todo o mundo. Ainda assim, os mais comuns são os flares elevados, os flares de solo multiponto (MPGF) e os flares de solo fechados (EGF). Em geral, os flares são considerados o tipo mais ágil e versátil de equipamento queimado em comparação com um incinerador ou aquecedor queimado. Os flares apresentam taxas de redução significativamente mais altas e também podem queimar e destruir um grande volume repentino de gases ou líquidos voláteis com eficiência de remoção de destruição (DRE) de 98% ou mais. Por esses motivos, os flares são comumente usados como dispositivos de alívio de pressão de emergência ou de backup em uma planta de GNL ou instalação operacional para proteger os ativos e o pessoal da planta.
Dois recursos críticos de projeto devem ser considerados para um flare : uma purga contínua e um sistema de ignição e piloto seguro e confiável. O nitrogênio ou o gás combustível deve ser continuamente purgado pela tubulação flare e do header para evitar a entrada de oxigênio, o que poderia resultar em um acúmulo inadvertido de gases altamente inflamáveis dentro do header flare . Se o piloto do flareinflamar esses gases, poderá ocorrer um evento de flashback ou explosão, o que representa riscos adicionais para a equipe da fábrica e para os equipamentos ao redor. Um sistema de ignição e piloto seguro e confiável é tão importante quanto a purga contínua de um flareporque o sistema piloto garante que uma chama piloto contínua e estável seja mantida o tempo todo. Se a chama piloto for extinta e ocorrer um evento de queima de emergência, os vapores de resíduos perigosos do processo a montante poderão ser liberados para a atmosfera sem serem adequadamente queimados e destruídos. Esses vapores podem ser altamente explosivos e tóxicos por natureza, o que pode representar riscos adicionais à segurança da equipe da fábrica e dos residentes próximos.
Para evitar a falha da chama, os pilotos flare ZEECO® foram desenvolvidos e testados sob as mais severas condições climáticas globais para garantir que possam produzir e manter uma chama contínua e estável em todos os momentos, mesmo com ventos e chuva no nível de furacões. Os dispositivos de detecção de chama, como termopares e o sistema ZEECO VerifEye™, são mais comumente usados para detectar e confirmar a presença da chama piloto do flare. No entanto, dispositivos mais complexos, como o ZEECO FlareGuardian™ e o ViZion™, podem ser usados para detectar as chamas piloto e primária do flare. Esses dispositivos também podem monitorar e controlar os principais indicadores de desempenho, como a eficiência da combustão e a opacidade da fumaça.
Também é comum que um flare seja equipado com um sistema de ignição e controle certificado para uso em uma área perigosa de Classe I, Divisão II e projetado de acordo com os padrões API-521 e 537, fornecendo ao pessoal da fábrica métodos inerentemente seguros para acender e operar a unidade. Dispositivos de segurança adicionais, como protetores de detonação ou deflagração, também podem ser implementados no projeto de um sistema flare . Entretanto, esses itens não são tão cruciais quanto os outros já discutidos. Dito isso, é importante avaliar a necessidade geral desses dispositivos para cada aplicação flare com base em seu processo individual e nas condições de fornecimento.
Figura 1. Sistema típico de queima de alívio de pressão de emergência.
Incineradores
Muitas vezes, as pessoas se perguntam se há diferença entre um incinerador e um oxidador térmico, mas esses termos são usados indistintamente para descrever o mesmo tipo de equipamento de queima. Pode ser difícil identificar um incinerador em plena luz do dia, muito menos à noite. Ao contrário da chama exposta de um flare elevado, a chama de um incinerador é fechada e não é visível externamente durante a operação, o que dificulta a distinção em qualquer refinaria ou planta de GNL.
Os incineradores são normalmente considerados os dispositivos de equipamentos queimados mais complexos e altamente automatizados em comparação com um flare ou aquecedor queimado. Embora os incineradores não sejam tão ágeis quanto um flare, eles são capazes de queimar e destruir vários fluxos de alimentação de gás ou líquido gerados continuamente a temperaturas muito altas, o que lhes permite ostentar DREs impressionantes de 99,9999% ou mais. Os incineradores também costumam ser fornecidos com um pacote de controles e instrumentação em conformidade com a norma NFPA-86 e um sistema de gerenciamento de queimadores (BMS) com um controlador lógico programável (PLC) que controla a purga, a ignição, o aquecimento, a introdução de resíduos e a sequência de desligamento da unidade. As normas NFPA-86 têm o mesmo objetivo geral para os incineradores que as normas API-537 têm para os flares - fornecer à equipe da fábrica métodos inerentemente seguros e fáceis de operar a unidade sem assumir riscos adicionais.
Um dos recursos de segurança mais importantes estipulados pela NFPA-86 é a purga de pré-ignição, que remove compostos potencialmente combustíveis do incinerador antes da ignição. Os scanners de chama são um recurso de segurança comum que verifica a presença das chamas do piloto e do queimador principal durante a ignição e após a introdução de resíduos. Sinais de funcionamento do soprador/ventilador, interruptores de fluxo de ar de combustão e temperatura de ponto de ajuste e disparos de pressão de combustível também são recursos de segurança essenciais regidos pela norma NFPA-86 e comumente implementados no BMS do incinerador para garantir ainda mais a segurança do pessoal e do equipamento.
Alguns dos maiores e mais complexos sistemas de incineração do mundo são encontrados em usinas de liquefação de gás natural. Esses sistemas podem ser equipados com uma ampla variedade de dispositivos de tratamento pós-combustão que permitem que o incinerador cumpra os requisitos mais rigorosos de permissão de SOX, NOX e CO no ar. Também é comum que esses sistemas sejam fornecidos com unidades de recuperação de calor residual (WHRU) que utilizam os gases de combustão quentes do incinerador para reduzir o consumo geral de combustível e gerar os utilitários necessários para os processos de GNL a jusante.
Os sistemas complexos de incineradores oferecem ao usuário final um número significativo de benefícios, mas têm um preço. Pacotes de equipamentos maiores e mais diversificados geralmente são regidos por códigos e padrões de engenharia mais rigorosos para garantir ainda mais a segurança do pessoal e do equipamento, razão pela qual eles geralmente recebem uma classificação de nível de integridade de segurança (SIL) 2 ou 3 após a conclusão da análise de risco do processo (PHA) ou do estudo de risco e operabilidade (HAZOP). Os dispositivos de tratamento de pós-combustão e as WHRUs geralmente contribuem para pressões operacionais estáticas internas e de projeto mais altas, que normalmente exigem critérios de projeto mecânico e estrutural mais rigorosos, como os listados nos códigos de projeto ASME Seção VIII e Seção I. Também é comum que os sopradores/ventiladores desses sistemas sejam projetados de acordo com as normas API-560 ou 673, que exigem um nível mais alto de margem nas taxas de fluxo e pressões de projeto e requerem itens adicionais de instrumentação para fins de monitoramento e controle. Lembre-se de que, embora esses códigos e padrões de projeto não sejam necessariamente aplicados a todos os sistemas complexos de incineradores do setor de GNL, cada sistema deve ser avaliado com base em sua aplicação e serviço específicos.
Figura 2. Sistema complexo de incineração com gás ácido e pré-aquecedores de ar (WHRU).
Aquecedores a fogo
Os aquecedores a combustão são muito semelhantes aos incineradores em termos de projeto e complexidade geral e também são comumente usados em processos de GNL downstream, como desidratação e regaseificação de glicol.
Esse tipo de equipamento queima combustível em uma seção radiante para gerar gases de combustão quentes que transferem calor para uma série de tubos ou bobinas na seção convectiva. Essas bobinas normalmente contêm um fluido líquido de transferência de calor, como o Therminol®, que acaba sendo distribuído para vários processos de GNL a jusante. Também é possível que os aquecedores queimem subprodutos residuais de outros processos, mas, diferentemente de um incinerador, eles geralmente são limitados a um único gás residual exotérmico que representa apenas um máximo de aproximadamente 10% da liberação total de calor do sistema. Isso é feito para garantir que uma chama contínua e estável do queimador seja mantida o tempo todo. Os gases de combustão na saída de um aquecedor queimado são descarregados na atmosfera com DREs de 99,9% ou mais e, assim como um incinerador, os aquecedores queimados podem ser equipados com redução catalítica seletiva para reduzir ainda mais o NOX se necessário.
Os aquecedores a combustão são normalmente projetados de acordo com as normas API-560 e, em geral, são fornecidos com um pacote de controles e instrumentação em conformidade com a NFPA-87 e um PLC BMS. Embora a NFPA-87 seja especificamente voltada para aquecedores a fogo, ela é semelhante à NFPA-86 - ambas abordam as mesmas sequências gerais e requisitos de segurança, com algumas diferenças. Os termopares do tipo pele são dispositivos de segurança adicionais comumente instalados em bobinas tubulares dentro do aquecedor queimado. Esses dispositivos são usados para monitorar as temperaturas das bobinas tubulares para evitar superaquecimento ou ruptura, o que poderia resultar em uma liberação insegura e não planejada de hidrocarbonetos perigosos. Os transmissores de pressão diferencial também podem ser usados por motivos semelhantes - eles reduzem a probabilidade geral de eventos de sobrepressão dentro da carcaça do aquecedor queimado que poderiam resultar na liberação não planejada de hidrocarbonetos perigosos.
Controles adicionais e itens de instrumentação podem ser implementados no BMS de um aquecedor a fogo para garantir ainda mais a segurança do pessoal e do equipamento. Por exemplo, os analisadores de oxigênio podem ser usados como dispositivos de controle de compensação para garantir que um nível mínimo de oxigênio seja sempre mantido dentro da unidade (geralmente ≥3 vol. %). Os analisadores de combustíveis e/ou metano também podem ser implementados para monitorar as concentrações de compostos orgânicos voláteis nos produtos de gás de combustão para evitar a possível liberação, o acúmulo ou a ignição de hidrocarbonetos perigosos. Esses recursos não são exclusivos de aplicações de aquecedores a combustão - eles também podem ser utilizados em um sistema de incineração para os mesmos fins gerais.
Figura 3. Componentes típicos de aquecedores de queima direta.
Conclusões
O fogo pode ser perigoso, mas isso não significa que o equipamento queimado também seja inerentemente perigoso. Um parceiro confiável de projeto e fabricação pode tornar a escolha menos assustadora, como os especialistas da Zeeco, que têm quase 50 anos de experiência no projeto de tochas, incineradores e aquecedores a fogo personalizados.
Esses dispositivos são operados com segurança todos os dias em inúmeras instalações operacionais em todo o mundo. Eles não são apenas dispositivos de controle de emissões incrivelmente eficazes, mas também podem ser usados para produzir ou recuperar utilidades para processos posteriores, com um benefício adicional para o usuário final.
