Capítulo 20 Antorchas Robert Schwartz, Jeff White, y Wes Bussman
TABLA DE CONTENIDO 20.1
20.2
20.3
Sistemas de Antorchas ............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ....................................................... ......................... 590 20.1.1
Propósito ............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ............................................................ .............................. 590
20.1.2
Objetivo de Antorchas ............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ........................................ .......... 590
20.1.3
Aplicaciones ............................................................. ............................................................................................ ............................................................. ....................................................... ......................... 591
20.1.4
Tipos de Sistemas de Antorchas ............................................................. ........................................................................................... ....................................................... ......................... 591
20.1.5
Principales Componentes del Sistema ......................................................... ....................................................................................... .................................................. .................... 593
Factores que Influyen en el Diseño de la Antorcha .......................................................... ........................................................................................ ............................................. ............... 594 20.2.1
Velocidad de Flujo ............................................................. ............................................................................................ ............................................................. ............................................. ............... 594
20.2.2
Composición del Gas.......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ............................................. ............... 594
20.2.3
Temperatura del Gas ......................................................... ........................................................................................ ............................................................. ............................................. ............... 595
20.2.4
Presión de Gas Disponible ........................................................... .......................................................................................... .............................................................. ................................... .... 596
20.2.5
Costos de Utilidad y Disponibilidad ............................................................. ........................................................................................... .................................................. .................... 596
20.2.6
Requisitos de Seguridad ......................................................... ........................................................................................ .............................................................. ........................................ ......... 597
20.2.7
Requisitos Ambientales .......................................................... ......................................................................................... .............................................................. ........................................ ......... 597
20.2.8
Requisitos Sociales............................................................. ............................................................................................ ............................................................. ............................................. ............... 598
Consideraciones de Diseño de Antorcha........................................................... ......................................................................................... ............................................................ .............................. 598 20.3.1
Quema Fiable ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ....................................................... ......................... 599
20.3.2
Hidráulica............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ............................................................ .............................. 599
20.3.3
Extracción de Liquido ......................................................... ........................................................................................ ............................................................. ............................................. ............... 600
20.3.4
Infiltración de Aire ............................................................. ............................................................................................ ............................................................. ............................................. ............... 601
20.3.5
Radiación de la Llama ............................................................. ............................................................................................ ............................................................. ........................................ .......... 601
20.3.6
Supresión de Humo ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ............................................. ............... 603
20.3.7
Llama Ruido/Visible ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ............................................. ............... 604
20.3.8
Mezclas de Aire/Gas .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ............................................. ............... 605
589
590
20.4
20.5
The John Zink Combustion Handbook
Equipo de Antorcha............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ............................................................ .............................. 605 20.4.1
Quemadores de Antorcha......................... Antorcha....................................................... ............................................................. .............................................................. ........................................ ......... 605
20.4.2
Pilotos, Encendedores, y Monitores ............................................................ .......................................................................................... .................................................. .................... 614
20.4.3
Tambores Eliminadores .......................................................... ......................................................................................... .............................................................. ........................................ ......... 618
20.4.4
Sellos Líquidos ......................................................... ........................................................................................ ............................................................. ....................................................... ......................... 619
20.4.5
Sellos de Reducción de Purga ............................................................ .......................................................................................... ............................................................ .............................. 620
20.4.6
Quemadores Cerrados ............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ........................................ .......... 622
20.4.7
Estructuras de Apoyo de Antorcha .............................................................. ............................................................................................ .................................................. .................... 623
20.4.8
Controles de Antorcha ............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ........................................ .......... 624
20.4.9
Preventores ............................................................. ............................................................................................ ............................................................. ....................................................... ......................... 629
Productos de la Combustión en Antorcha.............................................................. ............................................................................................ ....................................................... ......................... 629 20.5.1
Eficiencia de la Reacción ......................................................... ........................................................................................ .............................................................. ........................................ ......... 630
20.5.2
Emisiones ............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ............................................................ .............................. 631
20.5.3
Dispersión ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ............................................................ .............................. 632
Referencias ........................................................ ........................................................................................ ............................................................... ............................................................. ............................................................ .............................. 633
20.1 SISTEMAS DE ANTORCHA Durante la operación de muchas plantas industriales de hidrocarburo, existe la necesidad de controlar condiciones de proceso mediante ventilación de gases y/o líquidos. En circunstancias de emergencia, válvulas de alivio actúan automáticamente para limitar sobrepresión de equipos. Por muchas décadas del siglo pasado, ventilaciones de proceso y flujos de alivio de presión fueron dirigidos, individual o colectivamente, a la atmosfera sin quemar. Gases separados del petróleo producido también fueron ventilados a la atmosfera sin quemarlos. La costumbre de ventilar productos no quemados comenzó a finales de la década de los 40 cuando aumento la conciencia medioambiental y problemas de seguridad crearon el deseo de convertir ventilaciones a antorchas de quema continua. Quemar provoco la necesidad de pilotos y encendedores piloto y la necesidad de conciencia de los factores de diseño y consideraciones impuestas en un sistema por una llama a la salida. En muchos casos, la quema deseable de gases estuvo acompañada por objetable denso humo negro como se muestra en la figura 20.1. Además al desarrollo de quemadores piloto y sistemas de encendido, pioneros de la industria como John Steele Zink and Robert Reed inventaron el primer quemador de antorcha sin humo exitoso a finales de los años 50. Esta invención fue un punto importante en la transición de ventilaciones sin quema a con quema y de tubos de ventilación a quemadores diseñados específicamente para aplicaciones de quemado. Mientras que los fundamentos de combustión discutidos anteriormente en este libro se siguen aplicando, quemadores de antorcha difieren de proceso y quemadores de caldera en varios aspectos, incluyendo:
1. 2.
3. 4. 5.
La composición de gases manejados por una antorcha a menudo varía en un rango mucho más amplio. Se requiere que las antorchas operen sobre un muy gran índice de limpieza (caudal máximo de emergencia a la tasa de flujo de purga). Un quemador de antorcha debe funcionar durante largos períodos de tiempo sin mantenimiento. Los quemadores de antorcha operan a altos niveles de exceso de aire en comparación con otros quemadores. Muchos quemadores de antorcha tienen una tasa de flujo de alivio de emergencia que produce una llama a cientos de pies de largo con un desprendimiento de calor de billones de Btu por hora (Figura 20.3).
20.1.1
Propósito
La amplia gama de aplicaciones para antorchas a través de las industrias de hidrocarburos y petroquímica desafía a propietarios de las plantas y diseñadores, así como al diseñador del equipo de antorcha. El propósito de este capítulo es el de proveer un entendimiento de las consideraciones de diseño y factores que influencian el sistema de antorcha y diseño de equipo. También se discuten las técnicas de quema más frecuentemente utilizadas y equipos asociados.
20.1.2
Objetivo de Antorchas Antorchas
Independientemente de la aplicación, los sistemas de antorcha tienen un objetivo primordial común: la eliminación segura y eficaz de los gases y lí quidos... a un precio asequible. Debe haber conciencia constante de que el diseño y operación sistema de antorcha no deben comprometer nunca el objetivo principal.
Antorchas
591
FIGURA 20.1
Representación antorcha a inicios de los años 50.
FIGURA 20.2
típica
de
una
Un modelo anticipado de antorcha
sin humo
20.1.3
Aplicaciones
Dentro de las industrias de hidrocarburos y petroquímica, desde el sitio de perforación a la planta petroquímica aguas abajo y en muchas instalaciones en el medio, antorchas se utilizan para lograr el objetivo principal. La capacidad de diseño de antorcha individual puede variar desde menos de 100 a más de 10 millones de lb/hr. Material liberado en un sistema de antorcha es a menudo una mezcla de varios componentes que pueden variar de hidrógeno a hidrocarburos pesados y puede a veces incluir gases inertes. Algunos de los hidrocarburos pesados pueden estar en estado gaseoso cuando se liberan en el sistema, pero se condensan al enfriarse. Mientras que este capítulo se centra en las antorchas y la quema en la industria de hidrocarburos, muchos de los temas tratados se refieren también a las aplicaciones de antorchas en otras industrias. Los requisitos de diseño para una instalación determinada rara vez son idénticos a las de cualquier otra instalación. Esta variación, además de la amplia gama de
FIGURA 20.3
Importante evento quema. (Tenga en cuenta que la altura de la chimenea es más de 300 pies (90m).)
aplicaciones de antorchas y condiciones en el lugar, a menudo requiere que el sistema de antorcha se di señará personalizado.
20.1.4
Tipos de Sistemas Sistemas de Antorchas Antorchas
Antorchas para el servicio en las industrias de hidrocarburos y petroquímica son generalmente de los siguientes tipos o combinación de los mismos:
Solo punto Multipunto Cerradas
20.1.4.1
Antorchas de un solo punto
Antorchas de un solo punto se pueden diseñar con o sin equipo de supresión de humo y son generalmente orientadas para disparar hacia arriba, con el punto de descarga en una posición elevada con relación a la de grado circundante y/o equipos
592
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.4
Típica antorcha elevada de un solo
punto.
Un grado montado, sistema de
antorcha LRGO multipunto
FIGURA 20.5
Típico pozo de instalación de
FIGURA 20.7
Sistema de antorcha LRGO
multipunto elevado
antorcha
cercanos (Figura 20.4). En ocasiones, una antorcha de un solo punto se coloca al fuego más o menos horizontal, por lo general sobre un pozo o excavación (Figura 20.5). Las antorchas horizontales se limitan generalmente a la perforación y aplicación de producción donde hay una alta probabilidad de líquidos no recuperables.
20.1.4.2
FIGURA 20.6
Antorchas Multipunto
Antorchas multipunto se utilizan para lograr una mejor combustión mediante el enrutamiento de la corriente de gas a una serie de puntos de ignición. Para aplicaciones de plantas de refinería o petroquímica, antorchas multipunto generalmente están diseñadas para lograr la quema sin humo de todos los flujos. Estas antorchas a menudo dividen los múltiples puntos de quema en etapas para facilitar una mejor combustión. Los múltiples puntos de ignición se pueden organizar en matrices situadas en o cerca de grado (figura 20.6) o en una posición elevada (Figura 20.7).
20.1.4.3
Antorchas Cerradas
Antorchas cerradas se construyen con el fin de ocultar la llama de la visión directa. Los beneficios adicionales pueden ser la reducción del nivel de ruido en la comunidad que la rodea y la minimización de la radiación. La capacidad de sistema puede ser máxima, pero a menudo está limitado a una velocidad de flujo que permitirá la instalación conectada a la puesta en marcha, parada, y operar sobre una base del día a día y sin la presencia de llamas quema. Varias antorchas cerradas se utilizan a veces para alcanzar la capacidad de llama oculta deseada. Cada una de las dos unidades que se muestran en la figura 20.8 están diseñadas para 100 toneladas métricas/hora de gas de escape de los hornos de etileno durante los inicios.
20.1.4.4
Sistemas Combinados
Una combinación común es una antorcha cerrada de capacidad limitada emparejada con una antorcha elevada (figura 20.9) que
Antorchas
593
está dimensionado para el flujo máximo esperado para el sistema. Tal vinculación da lugar a un sistema de antorcha que sólo tiene una llama expuesta durante los grandes eventos, perturbaciones o apagones. Otros emparejamientos como una antorcha elevada con una antorcha multipunto, también se han utilizado (figura 20.11).
20.1.5 Principales Componentes del Sistema Cada tipo de sistema de antorcha tiene su propio conjunto de componentes necesarios. Además, los sistemas pueden incluir componentes que se indican a continuación como opcionales. Estos componentes opcionales están dirigidos para atender necesidades especiales, tales como la supresión de humo o eliminación de líquido. El equipo opcional también puede ayudar a reducir el coste o auxilio al funcionamiento del sistema. Cabe señalar que existe una diferencia entre el quemador de antorcha, o quemadores, requerida para cada tipo de sistema de antorcha.
20.1.5.1
Antorchas de un solo punto
Para una antorcha de un solo punto, los componentes requeridos principales y opcionales son: 1.
2. 3. 4. 5. 6.
Quemador de antorcha, con o sin capacidad de supresión de humo: a. Uno o más pilotos b. Encendedor(es) Piloto c. Detector(es) de llama piloto Estructura de soporte, tuberías, y equipos auxiliares Dispositivo de reducción de purga (opcional) Tambor eliminador (opcional) Sello liquido (opcional) Equipos auxiliares: a. Control de supresión de humo (opcional) b. Soplador(es) (opcional) c. Flujo, composición, valor calorífico o monitor de vídeo (opcional)
20.1.5.2
FIGURA 20.8
Instalación múltiple ZTOF en una
planta de etileno.
Antorchas Multipunto
Para una antorcha multipunto, los componentes requeridos principales y opcionales son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Dos o más quemadores de antorcha multipunto Piloto(s), encendedor(es) piloto, y detector(es) de llama piloto Si está elevada, estructura de apoyo y equipos auxiliares Una cerca para limitar el acceso y reducir la radiación de la llama y la visibilidad (opcional) Tambor eliminador (opcional) Sello liquido (opcional) Tuberías Equipos Auxiliares a. Montar equipos e instrumentación (opcional) b. Supresión de humo refiriéndose a donde se requiere gran cobertura c. Flujo, composición, valor calorífico o monitor de vídeo (opcional)
FIGURA 20.9 antorcha elevada.
Combinación ZTOF y sistema de
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The John Zink Combustion Handbook
20.1.5.3
Antorchas Cerradas
Para una antorcha de un solo punto, los componentes requeridos principales y opcionales son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Quemadores de antorcha, con o sin capacidad de supresión de humo Piloto(s), encendedor(es) piloto, y detector(es) de llama piloto Carcasa/estructura con revestimiento de protección resistente Una cerca para limitar el acceso Tambor eliminador (opcional) Sello liquido (opcional) Tuberías y blindaje térmico opcional Equipos Auxiliares a. Montar equipos e instrumentación (opcional) b. Flujo, composición, valor calorífico o monitor de vídeo (opcional)
20.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE LA ANTORCHA A medida que uno se aproxima a la especificación de un sistema de antorcha, debe haber un conocimiento de ciertos factores que influyen en el tamaño, la seguridad, el cumplimiento ambiental y costo. Los principales factores que influyen en el diseño del sistema de antorcha
Velocidad de Flujo
Composición del Gas
Temperatura del Gas
Presión de Gas Disponible
Costos de Utilidad y Disponibilidad
Requisitos de Seguridad
Requisitos Ambientales
Requisitos Sociales
La información relativa a cada uno de estos factores está normalmente disponible para el diseñador de la planta y/o el propietario de la planta. Estos factores definen los requisitos del sistema de antorcha y deben estar disponibles para el diseñador de antorcha tan pronto como sea posible en el proceso de diseño. Al revisar la lista de factores, se puede ver que los primeros cuatro factores están determinados por la fuente(s) del gas que se ventila en el cabezal de la antorcha. El siguiente factor está relacionado con el diseño de la instalación en sí y su ubicación. Seguridad, medio ambiente y las necesidades sociales están relacionadas con los mandatos regulatorios, prácticas básicas de los propietarios, y la relación entre la instalación y sus vecinos. Se proporciona un análisis de cada factor a continuación.
20.2.1
Velocidad de Flujo
El diseñador de sistema de antorcha se basa principalmente en los datos de caudal suministrados. Por lo tanto, los datos deben reflejar de manera realista los diversos escenarios de flujo. Exageración de los flujos conducirá a equipos de gran tamaño, lo que aumenta el capital y costos
de operación, y puede conducir a una vida más corta de servicio. Subestimación puede resultar en un sistema ineficaz o inseguro.
La velocidad de flujo obviamente afecta cosas como el tamaño mecánico de los equipos de antorcha. Su influencia, sin embargo, es mucho más amplia. Por ejemplo, el aumento del flujo generalmente resulta en un aumento de la radiación térmica de una llama de antorcha elevada, que a su vez tiene un impacto directo en la altura y ubicación de una antorcha. La velocidad de flujo máxima de emergencia puede ocurrir durante una importante falla de una planta, como la pérdida total de energía eléctrica o de agua de refrigeración. Sin embargo, algunos procesos tienen su caudal máximo en condiciones de emergencia menos obvios tales como la pérdida parcial de la energía eléctrica donde, por ejemplo, las bombas siguen para suministrar material de alimentación a una sección de la planta desactivada. La duración de la tasa máxima de flujo puede afectar el diseño sistema de antorcha en varias maneras. Por ejemplo, la longitud de tiempo que un trabajador esté expuesto a calor de la llama de antorcha puede afectar a la elección de flujo de calor permisible. Por lo general, una muy corta duración del alivio en un sistema de antorchas puede dar lugar a una relativamente alta de radiación admisible. En cambio, una duración muy larga, de alivio de caudal alta puede requerir un diseño de nivel de radiación permitida más baja. En el pasado, la velocidad de flujo máxima de a veces se determinaba mediante la suma de las tasas de flujo de cada uno de los dispositivos de alivio conectados. Este enfoque dio como resultado una tasa de flujo máxima de magnitud poco realista debido a la suposición de que todos los dispositivos conectados al mismo tiempo es a menudo alivian falsa. Diseño de planta moderna y herramientas de análisis, como la simulación dinámica permiten al diseñador de procesos para definir más adecuadamente el caudal máximo de la antorcha. Una cuidadosa atención al diseño de control y sistemas eléctricos de potencia puede reducir significativamente las cargas antorcha por igual. Además de las condiciones máximas de flujo, también es importante definir explícitamente las condiciones de flujo en las que se espera que la antorcha queme sin humo. Estas condiciones de flujo pueden provenir de anomalías en los procesos, de los incidentes, como viaje de salida de un compresor o de varias operaciones de la planta, incluyendo el arranque, apagado y purga de ciertos equipos. Los intentos de acceso directo de la creación de escenarios de la quema sin humo basadas hechos mediante el establecimiento de la tasa de flujo de humo como un porcentaje de la tasa de flujo máxima de emergencia como un porcentaje de la tasa de flujo máxima de emergencia pueden conducir a la decepción o gastos innecesarios
20.2.2
Composición del Gas
La composición del gas puede influenciar el diseño de la antorcha de diferentes maneras. El diseñador debe darse la composición del gas para cada una de las condiciones de flujo identificados anteriormente y para los gases especiales que pueden estar en uso, tales como combustible piloto o gas de purga. Mediante el estudio de la composición del gas, sus características de combustión y la identidad de los posibles
Antorchas
595
componentes de los gases de combustión pueden ser determinadas. Por ejemplo, la composición revela la presencia relativa de hidrógeno y de carbono. La relación en peso de hidrógeno a carbono en un gas es uno de los parámetros que pueden indicar la tendencia humeante del gas. La influencia de la relación en peso de hidrógeno a carbono, se refiere a menudo como la relación H/C, en la tendencia de humear está ilustrada en la figura 20.10. La figura 20.10 muestra la llama producida por la combustión de tres gases diferentes utilizando el mismo equipo de antorcha y condiciones de funcionamiento. El llama producida por la combustión de un 25 MW de gas natural de cabeza de pozo (H/C = 0,27) es limpio, como se muestra en la figura 20.10 (a). La llama en la figura 20.10 (b) refleja la combustión de propano (H/C = 0,22). Tenga en cuenta que la llama de propano tiene un poco de humo posterior, tiene un color amarillo mucho más cerca del quemador de antorcha, y es más opaco cuando se compara con la llama de gas natural. El denso humo negro y llamas oscuras que se muestran en la figura 20.10 (c) se produjeron por la quema de propileno (H/C = 0,17). Tenga en cuenta que una parte de la llama está oculta o envuelta por el humo. El hecho de que el humo oculta parte de la llama debe tenerse en cuenta en el cálculo la radiación de la llama de antorcha. Análisis de la composición también revelará la presencia de los no hidrocarburos tales como sulfuro de hidrógeno o inertes. Tales gases pueden requerir metalurgias especiales o consideraciones de diseño, como el análisis de concentración a nivel del suelo. La composición combinada con la velocidad de flujo permite la determinación del caudal volumétrico o flujo másico de los gases que se maneja el sistema de antorchas. La práctica de la definición corriente de sus propiedades a granel solamente (peso molecular [MW], el valor calorífico inferior [PCI], límites explosivos superior/inferior [UEL/LEL], etc.) puede ocultar peligros de seguridad o prevenir equipamiento y reducción de costes operación de que de otro modo ser reconocido por el diseñador de antorcha. Por ejemplo, un gas MW 28 a 30 podría ser etano, etileno, nitrógeno, monóxido de carbono, aire, o incluso una mezcla de hidrógeno y xileno. Un sistema de antorchas para manejar una cierta cantidad fija de gas de 28 MW tendría muy diferente diseño y características de funcionamiento, dependiendo de la composición del gas que existe realmente. El etileno puede tender a humear, pero permanece encendido y estable a altas velocidades de salida. El monóxido de carbono, por otro lado, no humea, pero puede ser difícil de mantener encendido incluso a moderada a bajas velocidades de salida. La radiación, posible alivio de enriquecimiento de gas, los requisitos de purga, y el potencial para la condensación a temperaturas ambiente son otros ejemplos de impacto que la composición del gas puede tener en el diseño de antorcha.
20.2.3
(a)
(b)
(c)
FIGURA 20.10
Comparación de la llama producida por la combustión de (a) 25 MW de gas natural de cabeza de pozo, (b) propano, y (c) propileno
Temperatura del Gas
Además del impacto de la temperatura del gas de alivio en la expansión térmica, el volumen de gas, y los requisitos metalúrgicos, existe el efecto más sutil de temperatura del gas
en el potencial de algunos componentes de los gases a condensar. Posible condensación o flujo de dos fases requiere equipo de eliminación de líquido para evitar una mayor
596
The John Zink Combustion Handbook
recomendable estimar que la pérdida o ganancia de calor a través de los encabezados de paredes antorcha de la fuente a la chimenea de la antorcha y para determinar la temperatura del gas resultante a la llamarada. La atención a tales detalles puede dar lugar a un coste reducido para l a chimenea.
20.2.4
FIGURA 20.11
Combinación sistema de antorchas utilitario
elevada
LRGO
y
tendencia a humear y/o la posibilidad de una lluvia líquido ardiente. La condensación en condiciones de bajo o no flujo dará lugar a la formación de una condición de vacío en el cabezal de la antorcha y el potencial resultante para extraer el aire a través de la boquilla de la antorcha o a través de fugas de tuberías. Sellantes líquidos se utilizan a veces para hacer frente a este peligro. Sin embargo, la temperatura del gas puede afectar el diseño del sello líquido y operación. Los gases calientes tienden a hervir el líquido de sello, a veces, muy rápidamente. Por otra parte, gases extremadamente fríos presentan un escenario de congelación que podría bloquear completamente el flujo de gas residual. Mientras que una antorcha puede parecer incontenible y por lo tanto libre de expandirse, puede haber problemas de diseño mecánico, como resultado de las variaciones de temperatura de gas de gran tamaño. Crecimiento de de Cabecera, tuberías el movimiento relativo de las tuberías de servicios públicos, y la pila de tensado de cable individuo son sólo tres áreas en las que pueden surgir problemas. Ambas temperaturas altas y bajas tienen el potencial de crear problemas que afectan al diseño de la chimenea. En los casos en que la presión de la fuente de gas alivio es extremadamente alta, el diseñador de la planta debe tener en cuenta para la refrigeración por expansión a través de la válvula de alivio o de ventilación. Cuando la temperatura del gas en la fuente es significativamente diferente de la temperatura ambiente, es
Presión de Gas Disponible
La presión de gas disponible para la antorcha se determina por análisis hidráulico de todo el sistema de alivio de presión de la rejilla de ventilación o dispositivos de alivio de presión al quemador de antorcha. Cada condición de flujo importante debe ser analizada para determinar la presión en cada alivio o de ventilación en cada rama del cabezal de la antorcha. Esta presión normalmente está limitada por la más baja permisible contrapresión en cualquier válvula de alivio en el sistema. El límite se aplica a todas las condiciones de flujo, independientemente de si o no la válvula de alivio de la limitación contribuye a la condición de f lujo bajo estudio. En la mayoría de los sistemas de antorcha, gran parte de la caída de presión del sistema se debe a pérdidas de tubería de flama de cabecera con poca caída de presión restante para el quemador de antorcha. Tales diseños de sistemas pueden no maximizar el valor de la presión del gas en la promoción de combustión sin humo. La quema sin humo puede ser mejorada mediante la conversión de la mayor cantidad de presión de gas disponible como sea posible en un impulso de gas. Además, la redistribución de la caída de presión del sistema para proporcionar más presión en la boquilla de la antorcha puede reducir el costo general del sistema. Otro de los beneficios de tener una mayor caída de presión a través del quemador de antorcha es el aumento de la densidad del gas en el cabezal de la antorcha, lo que puede conducir a una antorcha de cabecera más pequeña de tamaño y costo reducido tubería. Más presión en la boquilla de la antorcha significa generalmente un quemador de flama más pequeño y, por consiguiente, menores flujos de purga. La mejora de la quema sin humo y la disminución de las necesidades de gas de purga tanto reducir el costo de operación del día a día. Tanto el capital y costos de operación pueden ser reducidos de esta manera. La presión de gas disponible en la antorcha puede ser definida como presión total en la entrada de antorcha, o como la presión estática en un tubo de entrada de tamaño específico. La presión estática es la presión aplicada por el gas a las paredes de la tubería. Es decir, esta es la presión detectada por un medidor de presión montado en una boquilla simple al lado de la tubería. Esta es también la presión que determina la densidad del gas. La presión total es la suma de la presión estática y la presión de la velocidad en un punto dado en la tubería (por ejemplo, la entrada de pila). Cuando se utiliza la presión estática para definir la presión de gas disponible, el diseñador de la planta también debe especificar el tamaño de la entrada anticipada .
20.2.5 Costos de Utilidad y Disponibilidad En muchos casos, el impulso de la corriente de gas por sí sola no es suficiente para proporcionar quema sin humo. En la mayor
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597
parte de los casos, es necesario añadir un medio de asistencia para aumentar el impulso general al nivel quema sin humo. El medio más común es vapor de agua, que se inyecta a través de uno o más grupos de boquillas. Una alternativa al vapor de agua es el uso de un gran volumen de aire a baja presión suministrado por un soplador. Los gastos locales de energía, la disponibilidad, fiabilidad, y las condiciones meteorológicas deben tenerse en cuenta en la selección del medio de supresión de humo. Purga y gas piloto deben ser suministrados a la antorcha en todo momento. La cantidad de cada gas requerida está relacionada con el tamaño del sistema de antorcha. La composición del gas de purga y / o la composición del gas residual también puede influir en el requisito de gas de purga. El consumo de gas piloto puede verse afectado por las características de la combustión de los gases residuales. Los gases utilizados para el gas de purga y para alimentar los quemadores piloto deben provenir de la fuente más fiable. El gas de purga puede, en principio, ser cualquier gas no corrosivo que no contenga oxígeno y que no va al punto de rocío en las condiciones previstas. Como opción atractiva para el gas de purga puede ser una mezcla de nitrógeno y un gas de combustible sin contenido de hidrógeno como el gas natural o propano. Por ejemplo, una mezcla de nitrógeno y propano de 300 Btu/scf puede ser eficaz como un medio de purga. Tal mezcla presenta una serie de ventajas en comparación con solo el gas combustible, incluyendo:
20.2.6
menores emisiones de CO₂
ahorro potencial si el nitrógeno es menos costoso mayor fiabilidad debido a cualquier fuente por si sola puede funcionar como gas de purga menor desgaste y desgarre en el quemador de antorcha
Requisitos de Seguridad
Casi todos los aspectos de diseño de antorcha implican algunos problemas de seguridad. Las preocupaciones de seguridad incluyen la radiación térmica de la flama, encendido fiable, capacidad hidráulica, infiltración de aire, y la dispersión de gases de combustión. Ciertos aspectos de la seguridad son dictados por las prácticas básicas del propietario. Por ejemplo, las prácticas de seguridad de los propietarios suelen establecer la radiación permitida de la flama a las personas o equipos. Por lo tanto, no es sorprendente que el nivel de radiación permitida variará de un propietario a propietario. Un punto de variación común implica el tratamiento de la radiación solar en relación con el nivel permisible. La experiencia ha demostrado que la radiación solar no necesita ser considerada en la mayoría de los diseños. En la práctica, la consideración de la radiación solar es un tema complejo que no se presta a una solución simple. La cuestión de la radiación solar implica una serie de variables y es específico del sitio. A modo de ejemplo, sería apropiado incluir la radiación solar en la base de diseño si hay grandes probabilidades de que un trabajador puede llegar a ser expuesto a la radiación de antorcha máxima y a la radiación del sol de manera a ditiva. Hay varias fuentes de orientación sobre el nivel de radiación permitida. El más ampliamente referenciado es el
Instituto Americano del Petróleo (API) Práctica Recomendada (RP) 521. La mayoría de las especificaciones exigen un nivel de radiación máximo de 1500 Btu/hr/ft² (4,73 kW/m²) para las condiciones de quema de emergencia. Algunas especificaciones definen un límite de nivel de radiación adicional de 500 Btu/hr/Ft² (1,58 kW/m²) para las personas sin protección durante los eventos de quema de larga duración. Especial consideración debe darse a los límites de radiación para las antorchas localizadas cerca de posibles áreas de acceso p úblico a lo largo de los límites de la planta, donde puede ocurrir la exposición pública. Consulte la Sección 20.3.5 para más detalles sobre la radiación de llama. La ignición fiable en la boquilla de la antorcha es uno de los requisitos más fundamentales de seguridad, lo que garantiza que los gases liberados a la antorcha se quemen en una ubicación definida. La quema confiable garantiza también la destrucción de las emisiones potencialmente tóxicas. El objetivo principal (sección 20.1.2) exige quema fiable de la antorcha. El tema se trata con más detalle en las secciones 20.3.1 y 20.4.2. La hidráulica del sistema de antorcha determina la contrapresión en las válvulas de alivio. Inadecuado tamaño inicial del sistema o adiciones posteriores a las cargas de alivio de antorcha puede prevenir una unidad de alcanzar su velocidad máxima de alivio cuando sea necesario y crea un riesgo de sobre-presión en la planta. Sección 20.3.2 proporciona más discusión del efecto de la selección de la válvula de alivio en el diseño del sistema de antorcha. La prevención de la infiltración de aire debe ser una consideración en el desarrollo de las operaciones y planes de mantenimiento para el sistema de antorcha y los equipos conectados. Fuentes de aire incluyen la salida de boquilla de la antorcha, los sellos del lazo de los buques y bajo punto de drenajes, respiraderos de punto alto y bridas. Estos temas se discuten en la Sección 30.3.4.
20.2.7
Requisitos Ambientales
Las antorchas pueden afectar a su entorno mediante la generación de humo, ruido, o productos de combustión. Las agencias reguladoras a veces definen los límites en todas o algunas de estas áreas. En muchos casos, es necesario inyectar un medio de asistencia tal como vapor de agua con el fin de lograr la combustión sin humo y para cumplir con las regulaciones de emisión de humos. La inyección del vapor y la turbulencia creada por la mezcla de vapor de agua, aire, y el gas causan la emisión de sonido. El nivel de ruido en varios puntos dentro y fuera de los límites de la planta es a menudo objeto de regulación. Otros problemas ambientales son la eficacia de la reacción y las emisiones de gases de combustión. Prueba pionera llevada a cabo por la compañía John Zink estableció que un quemador de antorcha adecuadamente diseñado y operado tendrá una eficiencia de combustión de más de 98% de emisiones de NOx, CO, y de hidrocarburos no quemados (UHCs) se determinó también durante estas pruebas. NOx, CO, y los factores de emisión para UHC bengalas están disponibles en la AP-42. Estos factores de emisión son ampliamente aceptados por las autoridades reguladoras, como base para las estimaciones de las emisiones de permisos antorchas. Para las
598
The John Zink Combustion Handbook
La Zink Compañía John reconoció la necesidad de reducir la elevada quema hace más de 30 años e inventó primera exitosa. La antorcha encerrada en el mundo para la eliminación de la visible de día a día quema. Desde entonces, muchas plantas han incluido una Zink Antorcha de Oxidante Térmico (ZTOF) en su sistema de antorcha. La disposición general de un sistema de antorcha, que incorpora un ZTOF durante el día a día las tasas de quema y una antorcha elevada para las tasas de emergencia en que se muestran en la figura 20.12. El sello líquido en el sistema actúa para desviar el flujo a la ZTOF hasta que alcance su capacidad máxima. Cualquier flujo adicional pasará a través del sello de líquido y será quemado en la boquilla de la antorcha elevada. Una instalación de tal sistema se muestra en la figura 20.9.
FIGURA 20.12
Disposición general de un sistema de antorcha organizado, incluyendo un ZTOF y una antorcha elevada
FIGURA 20.13
Instalación de pruebas John Zink
Co. en Tulsa, Oklahoma estimaciones de las emisiones de SOx, a menudo se asume que el 100% del azufre disponible se convierte en SO₂.
20.2.8
Requisitos Sociales
La mayoría de los sistemas de quema de emergencia incluyen una antorcha que es la más alta, o una de las más altas estructuras de la planta. Como resultado, la llama de antorchas es visible en grandes distancias. Aunque el dueño de la planta se ha cumplido con todas las regulaciones ambientales, el sistema de antorcha puede no cumplir con las expectativas de los vecinos de la planta. La percepción pública de la finalidad y rendimiento de la antorcha puede poner requisitos más estrictos en el diseño de antorcha. Por ejemplo, una llama sin humo puede cumplir con los requisitos reglamentarios, pero podría ser objetable para los vecinos debido a la luz o al ruido.
20.3 CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE ANTORCHA Después de haber recibido información sobre el sistema de los factores de definición expuestos anteriormente, el diseñador de antorcha debe ahora aplicar sus conocimientos a las siguientes consideraciones de diseño. Un proyecto dado puede requerir la inclusión de todos o sólo algunos de estos puntos, dependiendo de la naturaleza de la información de sistema descrito y el alcance del proyecto. El diseñador de antorcha debe considerar cómo las decisiones relativas a cada factor afectarán a la totalidad del sistema de antorcha, así como todos los demás factores. El principal objetivo de la eliminación segura y eficaz de los gases y los líquidos se debe utilizar como un principio rector, ya que cada examen apropiado se incorpora en el diseño general de antorchas. Las consideraciones de diseño son: 1.
Quema Fiable
2.
Hidráulica
3.
Extracción de Liquido
4.
Infiltración de Aire
5.
Radiación de la Llama
6.
Supresión de Humo
7.
Llama Ruido/Visible
8.
Mezclas de Aire/Gas
La selección exitosa y operación de equipos de antorcha requieren una clara comprensión de estas consideraciones de diseño. El éxito y la rentabilidad de un diseño de antorcha dependen de la habilidad y experiencia del experto de antorcha y su acceso a las últimas herramientas técnicas de estado de diseño y el equipo. Una herramienta clave para el desarrollo es la capacidad para llevar a cabo un test de antorcha a las altas tasas de flujo experimentado en operaciones reales de la planta. Instalaciones capaces de llevar a cabo test de esta magnitud (Figura 20.13) representan una importante inversión de capital y toman las características de un sistema de antorcha planta de procesos complejos. La comprensión de cada consideración se expone a continuación.
Antorchas
20.3.1
599
Quema Fiable
La ventilación de los gases residuales se puede dar en cualquier momento durante la operación de la planta. Por lo tanto, se requiere un sistema de encendido integrado que pueda iniciar inmediatamente y mantener la combustión estable durante todo el período de flujo de gas de desecho. La quema estable debe estar garantizada en todas las condiciones de flujo. Un sistema de encendido integrado incluye uno o más piloto(s), un dispositivo de encendido piloto, monitor(es) de piloto, y un medio para estabilizar la llama. En principio, todas las antorchas deben tener una llama piloto continua para asegurar una combustión fiable. Esto es especialmente cierto de la refinería, petroquímica y antorchas de campo de producción debido a que no se puede apagar a menos que y hasta que la planta entera se apague. Además, tales antorchas pueden estar en línea durante semanas o meses antes de un evento impredecible que cree una necesidad inmediata para la ignición fiable. Excepciones notables son antorchas de biogás de rellenos sanitarios o antorchas que operan continuamente a tasas considerables e incluyen sistemas de control de llama que se apaga automáticamente pérdida de flujo de gas en caso de fallo de la llama. Pilotos discontinuos deben considerarse únicamente cuando todas las condiciones siguientes se apliquen:
La llama principal permanece encendida y estable sin piloto en todas las condiciones de diseño. La llama principal se monitorea. La antorcha se apaga automáticamente en caso de fallo de llama principal. El apagado de antorcha no crea un peligro para la seguridad en la planta.
El número de pilotos requeridos puede variar, dependiendo del tamaño y tipo de quemador de la antorcha y de su uso previsto. Quemadores piloto son generalmente quemadores premezclados diseñados de tal manera que el gas piloto y el aire se mezclan entre sí en un punto alejado de la salida de quemador de antorcha y se entrega a través de un tubo a la punta piloto para la combustión. Esto asegura que la llama piloto no se ve afectada por las condiciones en la salida del quemador de antorcha (por ejemplo, la presencia de gases de combustión, gas inerte o vapor). El consumo de gas piloto varía de acuerdo con los requisitos específicos de quema. Sin embargo, existe un límite inferior práctico para el consumo de gas del piloto. Un monitor piloto se requiere a menudo para verificar la llama piloto. Como una consideración de seguridad, un piloto de encendido se inicia generalmente desde una posición alejada de la antorcha. Ya sea un generador de frente de llama o chispa piloto de encendido directo se pueden utilizar, dependiendo de los requisitos del sistema. Continuación del debate de este importante aspecto de la seguridad se proporciona en la sección 20.4.2. Existe una relación compleja entre la antorcha velocidad punta de salida, la composición del gas, diseño de punta, y el mantenimiento de combustión estable. Hay una serie de ventajas en el uso de la más alta velocidad de salida posible,
incluyendo el tamaño del equipo mínimo y la forma óptima de la llama. Además, debido a que la velocidad de descarga alta tiende a mejorar la mezcla de aire con una reducción resultante en la formación de hollín, se puede ver que la maximización de velocidad de descarga alta puede ayudar a mejorar el rendimiento sin humo. Es importante tener en cuenta que la velocidad de descarga puede ser limitada por la presión de gas disponible o alteraciones acerca de estabilidad de la llama. En algunas circunstancias, tales como el control de COV, la velocidad de descarga puede ser limitada por la regulación. Las primeras investigaciones sobre el diseño del sistema antorcha sugirieron limitar la velocidad de descarga de hasta 0,2 Mach debido a problemas de estabilidad. Más tarde se sugirió que una velocidad de descarga alta de Mach 0,5 o superior podría ser utilizada si se emplean las técnicas adecuadas de estabilización de llama. Las técnicas de estabilización de llama se han empleado con éxito para la salida de velocidades de Mach 1 o mayores. La composición del gas residual puede afectar significativamente la velocidad de salida permitida. Por ejemplo, un quemador de antorcha bien diseñado puede mantener la combustión estable de propano a 1 Mach o mayor. Por otro lado, si el propano se mezcla con una gran cantidad de gas inerte, la velocidad máxima de salida debe estar limitada a un número mucho menor de Mach con el fin de asegurar una combustión estable.
20.3.2
Hidráulica
La mayoría de los sistemas de antorcha se componen de múltiples válvulas que descargan en un colector de antorcha común de sistema de cabecera. Un elemento clave que influye en el diseño del sistema de antorcha es la válvula de alivio de presión de retorno permisible. La caída de presión del sistema de cada descarga de la válvula de alivio a través de la boquilla de la antorcha no debe exceder la válvula de alivio de presión de retorno permisible para todas las condiciones de flujo del sistema. El permisible de contrapresión se limita típicamente a alrededor de 10% de la válvula de alivio de presión de ajuste mínimo corriente arriba de las válvulas de alivio convencionales. La válvula de alivio de presión de retorno permisible alrededor de 30% de la presión de corriente arriba en la mayoría de los casos. Donde hay una amplia variación en la válvula de alivio de presión permisible de respaldo, puede ser económico usar encabezados independientes de alta y baja presión antorcha. El aumento de válvula de alivio de presión permisible de respaldo puede tener varios efectos sobre los componentes del sistema de antorcha, incluyendo:
Manifold y la tubería de cabecera más pequeñas Eliminadores y tambores sello líquido más pequeños Menor tamaño de antorcha, dando tasas de purga más bajos y una mayor vida útil Reducción significativa o eliminación de las utilidades requeridas para la quema sin humo a través de la utilización de una mayor energía de presión en la boquilla de la antorcha
600
The John Zink Combustion Handbook
algunas aplicaciones, se puede producir un gran número de diferentes condiciones de flujo. Para simplificar el proceso de identificación de los casos en que puedan regir el sistema hidráulico, una medida comparativa de las tasas de flujo es útil. El equivalente en volumen, o Veq, es una medida utilizada para identificarla el caso controlando hidráulicamente:
√ Donde
Q MW T
= = = =
(20.1)
Equivalente volumétrico, SCFH Flujo de gas residual, SCFH Peso molecular de gas residual Temperatura de gas residual, R
(a) Veq es el caudal de aire que produciría la misma presión de la velocidad que el flujo de gas de escape en la misma línea de tamaño. Aunque este método proporciona una guía general, no debe sustituir a un análisis hidráulico más completo. Correctamente utilizada, una mayor caída de presión permisible para el sistema de antorcha proporciona una oportunidad de ahorro de costos de capital, ahorros de costos de operación y menor tiempo de inactividad debido a la mayor duración del equipo. Mientras que el ahorro de costes de capital es más evidente en sistemas completamente nuevos de antorcha, todos estos ahorros se pueden realizar en los sistemas existentes también.
20.3.3 (b)
(c)
FIGURA 20.14
Remanente líquido de una antorcha elevada. (a) Inicio de evento de quema. (b) Precipitación líquida y lluvia de llamas de flama. (c) Líquido llameante envuelve antorcha.
Como se mencionó en la Sección 20.2.4, cada condición de flujo principal debe ser analizada para comprobar que no hay ninguna fuente de alivio con exceso de presión. En
Extracción de Líquido
Inherente en muchos sistemas de antorcha es el potencial, ya sea para la introducción de líquido, o la formación de hidrocarburo o vapor de agua condensado, en el cabezal de la antorcha. Permitir que este material en fase líquida alcanzar la zona de combustión puede hacer la operación más difícil. Por ejemplo, las gotitas de hidrocarburos lo suficientemente pequeñas para ser arrastradas por el gas de desecho y llevado a la llama generalmente se quema en forma incompleta, la formación de hollín, y, como resultado, reducen la capacidad sin humo de la antorcha. Si las gotitas se hacen más grandes, pueden ser capaces de caer fuera de la envolvente de la llama principal. Además, se han reportado eventos en los que una corriente la mayoría del líquido ha sido descargada de la antorcha. La figura 20.14 muestra una antorcha en alta mar que recibió líquidos de la forma descrita anteriormente. Las últimas dos fotos, (b) y (c), se tomaron sólo a unos pocos minutos de diferencia e ilustran cómo rápidamente esta situación se puede deteriorar. La incorporación de un tambor eliminador bien diseñado y operado en el sistema de antorcha puede minimizar estos problemas. Hay tres tipos básicos de tambores eliminadores que se pueden incorporar en un sistema de antorcha: un tambor horizontal de sedimentación, un tambor vertical de asentamiento, y un separador de ciclón. Para obtener más información sobre cada uno de estos tipos de tambores de eliminación, consulte la Sección 20.4.3. Independientemente del concepto tambor de eliminación, la capacidad de retención del tambor debe ser
Antorchas
601
cuidadosamente considerada. Un tambor eliminador llenado en exceso puede obstruir el flujo de gas a la antorcha, lo que resulta en exceso de presión a los sistemas de corriente arriba. En el caso extremo, un tambor eliminador llenado en exceso puede dar lugar a soplado de grandes volúmenes de líquidos hasta en el chimenea de la antorcha. Líquido de extracción para la capacidad debe ser suficiente para evitar el llenado excesivo del tambor. Además, se debe considerar una bomba de de respaldo y medios de transmisión. Líquido recuperado del tambor eliminador debe eliminarse cuidadosamente de el o almacenado. La tubería principal de antorcha debe tener una pendiente adecuada para evitar focos de bajo punto de donde líquidos podrían acumularse.
20.3.4
Infiltración de Aire
La infiltración de aire en un sistema de antorcha puede conducir a quemado en retroceso de llama, que a su v ez podría iniciar una detonación destructiva en el sistema. A menudo, quemado en retroceso sólo puede ser observado en la noche. El aire puede entrar en el sistema de antorcha por uno o varios de los siguientes escenarios:
A través de salida de la chimenea por intercambio dinámico, la acción del viento, o la contracción A través de fugas en las conexiones de tuberías Como un componente del gas de desecho
Las medidas de prevención están disponibles para hacer frente a cada uno de los mecanismos de infiltración de aire. El gas de purga a menudo se inyecta en el sistema de antorcha para evitar el ingreso de aire a través de la salida de la chimenea. La cantidad de gas de purga requerida depende del tamaño y diseño de la antorcha, la composición del gas de purga, y la composición de cualquier gas residual que pudiera estar presente en el sistema después de un evento de ventilación o alivio. En general, cuanto menor sea la densidad del gas en el quemador, mayor será la cantidad de gas de purga necesaria para la seguridad del sistema. El requisito de gas de purga se puede reducir usando un dispositivo de conservación tales como John Zink Airrestor o Sello Molecular. El costo y la disponibilidad del gas de purga guiarán la elección de dicho dispositivo. La contracción de gas en el sistema de antorcha se produce debido al enfriamiento de gases calientes después de la quema. La tasa de contracción se acelerará dramáticamente si el enfriamiento conduce a la condensación de los componentes del gas contenido. El riesgo de contracción puede reducirse al mínimo mediante el uso del sistema de Tempurge. Tempurge detecta condiciones de cabezal de antorcha y se inicia la introducción de gas de purga adicional para compensar la contracción. Una pila antorcha elevada lleno de gas más ligero que el aire tendrá una presión negativa en la base creada por la diferencia de densidad entre el gas de la chimenea y el aire ambiente. La densidad del gas de la pila está relacionada con el peso molecular del gas y su temperatura. La ecuación (20.2) define la presión en la base de una pila de quemado en condiciones de muy bajo flujo, como purga.
() Donde
=
H
=
= =
(20.2)
Presión estática en la base de la pila, in. w.c. Altura de la pila encima de la entrada, ft Densidad de gas en pila, lb-m/ft³ Densidad de aire atmosférico, lb-m/ft³
Si existe una presión estática negativa en la base de la pila, a continuación, con flujos bajos todo el sistema de cabezal de la antorcha estará bajo presión negativa. El funcionamiento del sistema de antorcha bajo presión negativa aumenta en gran medida el potencial de infiltración de aire en el sistema de cabecera a través de fugas, válvulas abiertas, o bridas, o a través de la salida de la punta por decantación en la pila. Estas fugas se sabe que han ocurrido durante el servicio de las válvulas de alivio. La instalación de un sello líquido en el sistema puede producir presión positiva de cabezal de la antorcha a pesar de que la presión corriente abajo de la junta es negativa. Esto reduce en gran medida el potencial de fugas de aire en el sistema. Debido a que un sello líquido también puede ser una barrera para el aire que entra en la cabecera de la antorcha, la localización de la junta de líquido en la base de la pila ofrece la máxima protección del sistema de cabecera. En esta posición, el sello líquido también puede ser diseñado para aislar la fuente de ignición antorcha del cabezal de la antorcha y las unidades de proceso. Los gases que contienen oxígeno deben estar separados del sistema principal de antorcha. Los gases residuales que contienen oxígeno presentan un reto de diseño especial. El riesgo de retroceso en los sistemas de manejo de estos gases puede ser minimizado mediante el uso de la llama/detonación pararrayos, sellos líquidos especiales, y/o el uso de quemadores de antorcha especializados. La presencia de más de una cantidad traza de oxígeno (más de 1% en volumen) en una corriente de gas residual crea una consideración de diseño separada discutido en la Sección 20.3.8.
20.3.5
Radiación de la Llama
A medida que se queman los gases residuales, una cierta parte del calor producido se transfiere a los alrededores por radiación térmica. La seguridad en el diseño de una antorcha requiere una cuidadosa consideración de la radiación térmica. Los límites de radiación discutidos en la Sección 20.2.6 pueden convertirse en la base para determinar la altura de la antorcha y su ubicación. Para un conjunto dado de condiciones de flujo de gas residual, los límites de radiación por lo general se pueden satisfacer mediante el ajuste de altura total de pila de la antorcha y / o el uso de una zona de acceso limitado alrededor de la antorcha. La altura antorcha y / o el tamaño de la zona de acceso limitado pueden afectar a la economía de la planta. Para las plantas con parcela limitada (y para los buques), una antorcha cerrada puede emplearse para cumplir con las restricciones de r adiación.
602
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.15
Termo grama de flama
Cortinas de pulverización de agua también se han utilizado para controlar la radiación en las plataformas marinas. En el capítulo 3, la transferencia de calor por radiación fue descrita en términos teóricos. La radiación de una llama a otro objeto se determina por:
Temperatura de la llama Concentraciones de emisores radiantes en la llama (por ejemplo, CO₂, H₂O, y el hollín) Tamaño, la forma y la posición de la llama Ubicación y orientación del objeto de destino con relación a la llama Características del espacio intermedio entre la llama y el objeto
Los cálculos basados en la teoría pueden ser factibles dentro de los límites bien definidos de un horno que opera a una condición constante. Desafortunadamente, la mayoría de estos factores no se puede definir con precisión para una flama en el aire libre. Ya que la temperatura aparece en la ecuación de la radiación a la cuarta potencia, es claramente un factor dominante. A pesar de su importancia, la temperatura de la llama de la antorcha es extremadamente difícil de medir o estimar. Un error de sólo el 10% de la temperatura absoluta afecta a la transferencia de calor radiante calculada en más de un 40%. Los observadores han notado variaciones en la temperatura de la llama local de tan alto como 1.000 °C (1.800 °F) entre el núcleo y la superficie exterior más frío de una llama quemada a cielo abierto. La figura 20.15 muestra un termo grama de una flama. En el termo grama, el blanco representa la temperatura más alta y la más baja de color azul oscuro. Por lo tanto, sólo la zona amarilla pequeña, brillante está a una temperatura alta. La temperatura cae rápidamente a medida que uno se acerca al borde exterior de la envoltura de llama. La temperatura de la llama está influenciada por su interacción con el entorno. La disponibilidad de aire ambiental hace que las partes exteriores de la envoltura de llama se enfríen. Además, la llama se irradia tanto al espacio exterior frío y para objetos
relativamente más cálidos en la Tierra. Por lo tanto, no es sorprendente que las observaciones indican antorcha pico temperaturas de llama mucho menos que calcula la temperatura adiabática de la llama. Para acercarse a la radiación antorcha de una b ase teórica, temperatura de la llama local, que varía sustancialmente a través de la flama, tendría que ser predicha con mayor precisión que las herramientas actuales permiten. Los otros factores enumerados también son muy difíciles de determinar. Las concentraciones de las sustancias que son emisores radiantes varían mucho de un punto a otro dentro de una flama, lo que crea problemas en la predicción de longitudes de vigas y emisividad. La forma detallada de una flama es mucho más complicada y caótica que cualquier aproximación geométrica simple pueda representar. Fluctuaciones de viento hacen que la llama se mueva constantemente, por lo que las concentraciones, la temperatura, y las posiciones relativas son siempre cambiantes. La absorción atmosférica y la dispersión dependen de las condiciones climáticas transitorias e imprevisibles, como la temperatura ambiente, la humedad, la niebla, la lluvia, etc. Para superar estas dificultades, los ingenieros han estimado en forma histórica la radiación mediante el tratamiento de las llamas antorcha como fuentes puntuales, utilizando liberación de calor como base para la potencia de emisión y las fracciones radiantes empíricos en lugar de la verdadera emisividad radiante. La figura 20.16 muestra los supuestos generales de geometría que afectan al enfoque de fuente puntual. La ecuación de la radiación API clásico representa este enfoque en su forma más simple:
Donde
K T F Q D
= = = = = objeto
(20.3)
Radiación, Btu / hr-pie ' transmisividad atmosférica fracción radiante Calor liberación, Btu / hr Distancia del epicentro calor al
Muchas de las complejidades del tratamiento teórico completo son equiparados en la fracción radiante determinado empíricamente. Este factor incluye efectos de las llamas de temperatura, el gas y el hollín de emisividad, la duración media del haz, y otras cuestiones de forma de llama. El factor de distancia disfraza una serie de matices que surgen como resultado de la predicción de forma de la llama, incluyendo la longitud de la llama, trayectoria de la llama, y la posición del epicentro del calor. Sin embargo, este tipo de enfoque simplificado se ha utilizado en una forma u otra para estimar la radiación de las llamas antorcha durante muchos años. Varios métodos publicados están disponibles para la estimación preliminar de la radiación bengala y alturas de apilamiento. Un artículo de Schwartz y Blanco presenta un análisis detallado de la predicción de la radiación bengala y una revisión crítica de los métodos publicados. Basado en el Ejemplo 2 en el documento de referencia, la figura 20.17 proporciona una comparación visual de las alturas de apilamiento determinados por cada uno de varios métodos de radiación y el costo del equipo relativo asociado con cada altura de la pila. Diseñadores y usuarios de plantas por igual deben ser conscientes de que los métodos tradicionales de cálculo de las intensidades de calor radiante son ni coherente ni consistente conservador optimista. Hace mucho tiempo, el John Zink Company reconoció las limitaciones y los riesgos asociados con
Antorchas
603
FIGURA 20.16
Geometría Radiación API
los métodos tradicionales, y emprendió el desarrollo de métodos patentados para la predicción de la radiación. Los últimos métodos de predicción de capturar el efecto del diseño del quemador de antorcha, la cantidad de gas y la composición, diferentes momentos, velocidad de combustión sin humo y la formación de humo en la forma de la llama, y características radiantes.
20.3.6
Supresión de Humo
Quema sin humo es un problema complejo que involucra muchos del sistema de factores que se analizan en la Sección 20.2-En la elección del mejor método de supresión de humo definición, el diseñador llamarada se guía por su / su experiencia en la interpretación de la información específica de la tarea recibida en relación a cada uno de estos factores. Quema sin humo, en general, se produce cuando el impulso producido por todas las fuentes de energía eductos empleados y mezcla el aire suficiente con el gas residual. Para quemar sin humo, una cuestión clave es el impulso de los gases de escape a medida que sale del quemador de antorcha. En algunos casos, la corriente de gas residual está disponible a una presión que, si adecuadamente transformada, puede proporcionar el impulso necesario. Si la presión de gas de desecho (impulso) no es adecuada para la quema sin humo, el diseñador debe llamarada recabar la ayuda de otra fuente de energía (por ejemplo, vapor de agua o aire a baja presión). En algunos casos, una combinación de fuentes de energía puede ser eficaz.
En pocas palabras, la transformación de energía implica la conversión de la energía interna (presión) del gas de desecho a la energía cinética (velocidad). Existen diseños para bengalas de alta presión (5 a 10 psig o más) que no requieren ningún medio de ayudar a suplementario. Los sistemas que utilizan esta técnica han sido muy exitosos y disfrutar de bajos costos de operación y una excelente vida útil. La inyección de vapor es la técnica más común para añadir impulso a los gases de baja presión. Además de la adición de impulso, el vapor también proporciona los beneficios de supresión de humo de la dilución del gas y la participación en la química del proceso de combustión. La eficacia de vapor se demuestra en la serie de fotografías que se muestran en la figura 20.18. En el marco de (a), no hay inyección de vapor, en el marco de (b), la inyección de vapor acaba de comenzar, y en el marco de (c), la inyección de vapor ha alcanzado combustión sin humo. Algunas plantas tienen vapor disponible en varios niveles de presión diferentes. A menudo hay una ventaja de costes de funcionamiento para el uso de vapor de baja presión (30 a 50 psig). El diseñador de la planta debe equilibrar esta ventaja de costos de operación contra el aumento de los costos de tuberías para vapor de baja presión. También, mientras que la antorcha puede conseguir la velocidad de di seño sin humo a la presión de vapor máxima, el consumo de vapor de agua a tasas de disparo encima de la cama debajo del máximo puede ser mayor de lo esperado.
604
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.17
Comparación de la altura de la pila y el coste relativo para distintos métodos de cálculo de radiación.
Porque la mayoría de los eventos de quema implican caudales relativamente bajos, el rendimiento en estas condiciones, encima de la cama debe ser cuidadosamente considerado. De aire de baja presión (de 0,25 a 1,0 psig) se utiliza en los casos en que la presión del gas es baja y el vapor no está disponible. El aire suministrado añade impulso y es una parte del aire de combustión requerido. La figura 20.19 muestra otra serie de fotografías que ilustran la eficacia de la asistencia de aire. Imagen (a) muestra la bengala sin asistencia de aire. El ventilador se enciende en el cuadro (b), pero debido a que el ventilador requiere un poco de tiempo para alcanzar la máxima velocidad, el efecto completo de inyección de aire no se ve hasta que el marco (d). El gas que está siendo quemado en este caso es propileno. En general, el ventilador suministra sólo una fracción del aire de combustión requerido por la condición de flujo sin humo. Para la mayoría de los diseños, de 15 a 50% del requerimiento estequiométrico de aire es soplado en la llama. El resto del aire requerido es arrastrado a lo largo de la longitud de la llama bengala.
20.3.7
Llama Ruido/Visible
La energía liberada en la combustión produce erupción, gas ionizado de calor, luz y sonido. La mayoría de las plantas están equipadas con antorchas elevadas que por su naturaleza emiten sonido quema a la planta y al barrio circundante. En algunos casos, el nivel de sonido se convierte en inaceptable y se
considera que constituye el ruido. Quema de sonido se genera por al menos tres mecanismos: I. por el chorro de gas a medida que sale del quemador de antorcha y se mezcla con el aire circundante 2. por cualquier inyección supresor del humo y el asociado de mezcla 3. por la combustión Tubería corriente arriba y válvulas asociado con la fuente del gas de alivio también pueden crear niveles de ruido sustanciales que se realizan a lo largo del cabezal de la antorcha y salir a través de la boquilla de la antorcha. A la velocidad máxima sin humo de la quema de un quemador de vapor o una bengala asistida por aire, el ruido del chorro de gas es por lo general un contribuyente menor. El ruido generado por el segundo mecanismo puede ser mitigado por el uso de inyectores de bajo nivel de ruido, bufandas, y de distribución cuidadosa de supresor. El quemador de antorcha Steamizer se muestra en la figura 20.20 es de un diseño de bajo ruido con reducción de ruido adicional que viene de un concepto silenciador desarrollado primero para su uso en antorchas de suelo cerrados. El diseño cuidadoso puede reducir la quema niveles de ruido por un factor de 75% o más (6 dB o más). Cuando la luz de una flama es objetable, una antorcha cerrada es una buena selección. Un quemador cerrado de tamaño adecuado puede eliminar llama visible para todos los casos, excepto en casos de emergencia. Un beneficio igual de un quemador cerrado es la reducción de la quema de ru ido.
Antorchas
20.3.8
605
Mezclas Aire/Gas
Corrientes de gases residuales que contienen mezclas de aire/gas se pueden dividir generalmente en dos tipos. El primero está compuesto por los sistemas que se espera contener mezclas de aire / gas. Algunos ejemplos son los vertederos, terminales de carga de gasolina y los instalaciones médicas de esterilización de equipos. El segundo tipo es potencialmente más peligroso que el aire no se espera que en la composición de los respiraderos y relieves. Un ejemplo es el aire de ventilación de un recipiente o depósito en el comienzo de un ciclo de purga antes de la puesta en marcha. Sistemas de quema que manejan mezclas de aire / gas por lo general implican una serie de consideraciones de seguridad especiales. Las consideraciones especiales, que se refieren principalmente al aumento del riesgo de retroceso, incluyen: 1. 2. 3. 4.
5. 6.
(a)
Seguridad entrelaza demostrar gas de purga y los pilotos en el inicio parada automática en la pérdida de gas de purga o pilotos más altas que las normales de purga para mantener la salida del quemador velocidad y evitar burnback rango de cobertura limitada para mantener la velocidad de salida del quemador y prevenir la reignición uso de detonación y / o supresores de llama prácticas operacionales especiales
20.4 EQUIPO DE ANTORCHA Al evaluar las consideraciones generales de diseño establecidos anteriormente, el diseñador antorcha también debe comenzar la selección del equipo. Consideraciones generales de diseño y selección de equipos específicos son aspectos interrelacionados del proceso de diseño del sistema. Los diversos componentes principales del sistema que figuran en la Sección 20.1.5 se discuten aquí con más detalle.
20.4.1
Quemadores de Antorcha
A pesar de que se han instalado en el extremo del sistema de antorcha, quemadores de antorcha se encuentran entre los primeros elementos considerados en el diseño del sistema. En este punto, debe quedar claro que los beneficios sustanciales están asociadas a la utilización de la mayor parte de la presión disponible en el quemador de de antorcha. La salida del quemador de antorcha es el punto en el que la caída de presión determinada de flujo por lo general se produce. Los diseños van desde simples llamaradas de servicios públicos a los sistemas por etapas múltiples puntos cerrados, y de la falta de asistencia a múltiples inyectores de vapor a múltiples diseños asistidos por aire del ventilador. Independientemente del diseño de punta, medios de ignición deben estar disponibles para asegurar que se logre el objetivo primordial.
20.4.1.1
(b)
Utilidad o No Asistidas
Los tipos más simples son la no asistencia o de servicios públicos, quemadores de antorcha. Estos quemadores están
(c)
FIGURA 20.18
Eficacia de vapor de agua en la supresión de humo: (a) sin vapor, (b) a partir de vapor, y (c) sin humo.
constituidas esencialmente por un cuerpo cilíndrico con accesorios para una mayor estabilidad de la llama (medios de retención de llama) y los pilotos para iniciar y mantener la
606
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.19
(a)
(b)
(c)
(d)
Eficacia de aire en la supresión de humo: (a) ningún soplador de aire, (b) iniciar soplador, (c) aumentar el flujo
de aire, y (d) sin humo.
ignición de los gases de socorro. Una erupción típica no asistida se muestra en la Figura 20.21. Bengalas de utilidad se suele brida para facilitar su sustitución. Las versiones de montaje horizontal se denominan generalmente como quemar puntas de antorcha pozo (Figura 20.5). En ambos casos, se produce una llama de difusión turbulenta. La llama puede ser una llama estable conectada o desconectada. La velocidad de salida de un quemador de antorcha es dependiente de la composición de los residuos de gas, el diseño específico de quemador de la antorcha, y la caída de presión permisible. En algunos casos, la velocidad de salida puede llegar con seguridad a Mach 1. Cabe señalar que algunos bengalas o casos de socorro antorcha están sujetos a regulaciones que limitan la velocidad de salida. Las características opcionales que pueden prolongar la vida útil del equipo incluyen parabrisas y el revestimiento refractario. Los Zink doble refractarios (ZDR) puntas de antorcha de servicio severo (Figura 20.22) utilizan revestimientos refractarios interna y externamente para proteger la punta contra tanto ardor interno y pulldown llama fuera de la punta. Por otra parte, el centro de vapor se utiliza a veces para ayudar a evitar la quema interna en lugar de un revestimiento refractario interno para extender la vida de la punta. Este enfoque es más eficaz en climas donde la congelación no es un problema. Centro de vapor es un medio relativamente ineficaz para el
control de humo, ya que no arrastrar el aire, que normalmente es una parte esencial de cualquier estrategia de supresión de humo.
20.4.1.2
Asistida de Vapor Simple
Las primeras bengalas sin humo eran simples adaptaciones de las llamaradas de servicios públicos. Este diseño básico se ha mejorado en los últimos años con boquillas múltiples puertos para reducir el ruido de inyección de vapor, patrones de inyección optimizado para mejorar la eficiencia de vapor, y la inyección de vapor central opcional para reducir el daño burnback interna. La figura 20.23 muestra un ejemplo moderno de este diseño. Un colector de vapor, denominado el colector de vapor superior o anillo a menudo, se monta cerca de la salida de la boquilla de la antorcha. El anillo de vapor de agua puede ser diseñada para presiones de suministro de vapor normalmente van de 30 a 150 psig. Varios inyectores de vapor se extienden desde los chorros múltiples y directos de vapor en el gas de escape a medida que sale de la boquilla de la antorcha. Los chorros de vapor absorben aire de la atmósfera circundante y lo inyecta en el gas con altos niveles de turbulencia. Estos aviones también actúan para recoger, contener y guiar los gases que salen de la boquilla de la antorcha. Esto evita que el viento cause
Antorchas
607
FIGURA 20.21
FIGURA 20.20
Steamizer
antorcha
sin
antorcha típica no asistida
humo
asistido por vapor.
desplegable llama alrededor de la boquilla de la antorcha. Vapor inyectado, aire educted, y el gas de alivio se combinan para formar una mezcla que quema gas alivio sin humo. La tasa máxima alcanzable sin humo con un quemador de antorcha dado depende de una serie de factores, incluyendo la composición del gas, la cantidad de vapor de agua disponible, y las presiones de gas y vapor. Sin embargo, existen limitaciones de diseño inherentes a este tipo de boquilla de la antorcha. Los inyectores de vapor se encuentran cerca de la salida de la boquilla de la antorcha, por lo que se hace muy difícil para amortiguar el ruido de vapor producido por los chorros de alta presión. Cualquier silenciador para el ruido de vapor superior tendría que ser capaz de soportar la incidencia de la llama directa en vientos adversos y que podría tender a interferir con el aire que está siendo aspirado por los chorros de vapor. Además, como el tamaño de la punta aumenta, se hace más difícil para las mezclas de vapor / aire para alcanzar el centro de la llama. Por último, el perímetro de la boquilla de la antorcha sólo se incrementa linealmente con el tamaño de la punta, mientras que el área de flujo de la boquilla de la antorcha aumenta con el cuadrado del tamaño de la punta., como se muestra en la figura 20.24. Por lo tanto, como antorcha aumenta el tamaño de punta, la necesidad de aire (una función del área de flujo) supera rápidamente la capacidad de educto aire (una función del perímetro.) Esta característica fundamental de una simple antorcha asistida por vapor limita el tamaño máximo efectivo de dicho quemador de antorcha.
20.4.1.3
Asistida de Vapor Avanzada
Para superar las limitaciones y otras deficiencias del simple diseño de inyección de vapor, fue inventada una antorcha asistida por vapor avanzada que utiliza múltiples puntos de inyección de vapor. Además de la parte superior del colector de vapor, se utiliza un conjunto de tubos externa-interna para entregar una mezcla de vapor / aire a l a base de la salida de
FIGURA 20.22
Zink doble refractaria (ZDR) severa boquilla de la antorcha de servicio.
gases residuales (figura 20.25). La presencia de estos tubos, distribuido adecuadamente a través de la salida de la punta, aumenta el perímetro efectivo disponible para el acceso del aire al gas residual (figura 20.26). Los tubos externos-internos comienzan fuera de la pared o el cuerpo de la boquilla de la antorcha, pasan a través de aberturas en la pared, y girar hacia arriba, terminando en la salida de la punta. Juntas de soldadura en el punto donde el tubo penetra en la pared. Los chorros de vapor inyectan vapor en la entrada de estos tubos, inspirating grandes cantidades de aire. La mezcla vapor / aire sale de los tubos a alta velocidad, la entrega de impulso, la dilución de vapor, el aire de combustión y la turbulencia en la base de la llama. Las innovaciones recientes han aumentado la eficacia de los tubos que permiten mayores capacidades sin humo. Nuevo, con inyectores de vapor mejorados han aumentado la eficiencia eduction aire. Inyección de vapor superior mejora aún más la combustión sin humo
608
The John Zink Combustion Handbook
anteriores. En algunos casos, el ruido de chorro de vapor puede ser totalmente neutralizado a través del diseño del inyector y el uso de las nuevas técnicas de amortiguación Como la capacidad, el tamaño y la capacidad sin humo de quemadores antorcha han aumentado, se ha puesto más énfasis en las herramientas de diseño sofisticadas que pueden predecir el ruido y el rendimiento sin humo. Las herramientas de diseño de este tipo pueden ser desarrolladas y validadas mediante pruebas a gran escala en una instalación como se muestra en la Figura 20.13.
20.4.1.4
FIGURA 20.23
antorcha sencilla asistida por vapor
FIGURA 20.24
Perímetro: relación de área como una función del tamaño de la boquilla para una antorcha sencilla asistida por vapor.
mediante el aumento de la turbulencia y mezcla y por mitigar los efectos adversos de viento. El diseño avanzado antorcha asistido por vapor incorpora varias estrategias de supresión de humo: el aumento del perímetro, mayor impulso, más aire de combustión, mayor turbulencia para la interacción de mezcla, dilución y química por vapor, y el moldeo de la llama para resistir los efectos del viento. Cada una de estas estrategias ayuda a reducir el humo, en combinación, producen algunas de las tasas más altas disponibles sin humo en las erupciones de un solo punto. Los nuevos sistemas de antorcha pueden alcanzar velocidades de humo de más de 500,000 lb / hr (230,000 kg / hr) de los gases que generalmente se consideran difíciles de quemar limpiamente. Un ejemplo de un diseño del quemador antorcha del estado de la técnica se muestra en la Figura 20.27. Los diseños mejorados silenciador y la redistribución de vapor pueden dar niveles de ruido mucho más bajos que los modelos
Baja Presión de Aire asistido
No todas las plantas tienen grandes cantidades de vapor de agua disponible para el uso de la antorcha. Algunas plantas prefieren no utilizar vapor para evitar problemas de congelación, mientras que otros no pueden cometer el agua para producir vapor para el control del humo, y aún otros no optar por instalar una caldera. Para satisfacer esta necesidad, se inventaron una serie de diseños antorcha asistida por aire. En general, el quemador de antorcha asistida por aire consiste en un gas quemador montado en una cámara de aire en la parte superior de la chimenea de la antorcha (Figura 20.28). Alivio de gas se suministra al quemador por un gas tubo de subida funcionando coaxial hasta el centro de la antorcha. De aire de baja presión se suministra al quemador de uno o más sopladores situados cerca de la base de la chimenea de la antorcha. Los flujos de aire hacia arriba a través del espacio anular entre la antorcha y el tubo ascendente de gas. Las primeras aplicaciones antorcha asistidas por aire se asociaron con operaciones a cierta distancia de la planta principal o totalmente a distancia de servicios de soporte de la planta. Bengalas aire tempranas fueron diseñados a menudo a estallar de pequeñas a moderadas velocidades de flujo. El éxito de estas llamaradas llevado a la utilización de asistencia de aire en los brotes de la mayor capacidad. Más recientemente, bengalas asistidas por aire han entrado en uso como el gusto por las grandes instalaciones de proceso. El método de similitud de llama y el relacionado Near Field mezcla modelos región discutidos en el Capítulo 8 son ejemplos de las herramientas de diseño necesarias para rentable aplicación de bengalas asistidas por aire. Hoy en día, diseños antorcha de aire están disponible con demostrada la esperanza de vida de la punta de 5 a 10 años. Tasas sin humo por encima de 150 x 106 pies cúbicos estándar por día (SCFD) están disponibles para hidrocarburos saturados tales como pro relieves de las instalaciones producción. La figura 20.29 muestra un ejemplo de lo último en diseño antorcha aire. Residuos de gas sale del quemador en uno o más chorros anulares estrechos, cada uno rodeado de asistencia de aire. Este diseño hace un buen uso del perímetro: Relación concepto de zona se discutió anteriormente en el con texto de las erupciones de vapor asistida.
20.4.1.5
Conversión de Energía
En las discusiones quema sin humo por encima de, el enfoque centrado en la adición de energía a partir de una fuente externa para aumentar el nivel de energía en general lo suficientemente alta para lograr quema sin humo. Una ventaja se obtiene si no se requiere una fuente externa. Este es el caso de quemadores de
Antorchas
FIGURA 20.25
609
Esquema de una antorcha de vapor asistida avanzada
antorcha de conversión de energía. Estos quemadores son también conocidos como quemadores de antorcha de alta presión o quemadores de antorcha de múltiples puntos. En caso de que se pueden emplear, el uso de quemadores de antorcha de conversión de energía puede proporcionar una reducción significativa en el coste operativo antorcha. Hay dos grupos distintos de quemadores de conversión de energía. El primer grupo se distingue por tener una sola entrada y relativamente cerca de agrupación de los puntos de descarga de gas de desecho. El otro grupo cuenta con un medio más allá de la conversión de energía para lograr la combustión sin humo. En ambos grupos, un principio subyacente es la conversión de la presión estática del gas residual, en el quemador, a la velocidad del chorro y en última instancia, en un impulso. Otro concepto empleado por ambos grupos es la división de la corriente de gas entrante en múltiples puntos de ignición. Este concepto se refiere a veces como el "principio de leña" a causa de una analogía ilustrativa. El "principio de leña" considera la situación en la que un árbol ha sido cortado y se va a utilizar como combustible chimenea. Si se coloca una gran sección del tronco de árbol en la chimenea, será difícil de encender y quemar debido a la relación de combustible a la superficie (la exposición al aire) es muy grande. Esta situación se puede mejorar mediante la división de la sección del tronco en pedazos más pequeños, obteniendo así una mejor combustible: proporción de superficie. Obviamente, el equilibrio debe ser alcanzado entre el esfuerzo realizado para dividir la madera (pensar en él como el costo) y la mejora de la capacidad de quemar (pensar en esto como humo capacidad menor quema).
FIGURA 20.26
Una comparación del perímetro: relación de área para bengalas de vapor asistida por simples y avanzadas.
Las aplicaciones de quemadores antorcha que emplean conversión de energía para lograr la quema sin humo requieren una atención especial a fluir los casos de la cama. Algunas antorchas, por lo general las relacionadas con las actividades de producción de petróleo, operan en o cerca de su flujo máximo de diseño la mayoría del tiempo. Antorchas de conversión de energía para aplicaciones de producción, tales como la llamarada Hydra comercialmente disponible se muestra en la Figura 20.30, ofrecen una forma de la llama controlada y reducida radiación de llama. Estas características son
610
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.27
State-of-the-art Steamizer quemador de antorcha y el silenciador.
particularmente atractivas para las antorchas de montaje en plataforma. Lo contrario es cierto en general quemadores antorcha sirven refinerías o plantas petroquímicas. Estas Antorchas por lo general tienen una carga muy pequeña (gas de purga más cualquier fuga) con una carga intermedia de corta duración ocasional. En Antorchas de conversión de energía, la característica presión vs caudal de gas sigue las mismas reglas que un orificio. Por encima de la caída de presión crítica. la característica de caudal / presión varía con la relación de las presiones absolutas. En o por debajo de la caída de presión crítica, la característica de caudal / presión sigue una relación cuadrada. Por ejemplo, una reducción de flujo de 50% reducirá la caída de presión de gas a 25% del valo r de flujo completo. Las relaciones experimentadas por turndown de refinería y petroquímica antorchas reducirían la presión del gas en un grado tal que la energía para la quema sin humo no estaría presente. Este problema ha sido superado usando un concepto de puesta en escena. El concepto de puesta en escena divide los quemadores en etapas o grupos de quemadores, con las primeras etapas que tienen un menor número de quemadores de las últimas etapas. El flujo de cada etapa o grupo de quemadores está controlada por una válvula que opera en una manera de encendido / apagado según las indicaciones de
FIGURA 20.28
Antorcha sin humo con aire asistida con dos ventiladores en una refinería.
un sistema de control. La válvula de la primera etapa por lo general abiertos todo el tiempo. El principio del sistema de control es a la proporción del número de quemadores en servicio para el flujo de gas. En efecto, esto permite que los quemadores para operar dentro de un determinado rango de presión (véase la figura 20.31), de modo que al menos el nivel de energía mínimo para la quema sin humo está siempre presente. La operación de una antorcha de múltiples puntos puede ser espectacular, como se muestra en la figura 20.31. Esta serie de fotografías ilustra la adición de las etapas del quemador como el flujo de gas a los aumentos de antorcha. En el cuadro
Antorchas
611
final, la llamarada alcanza una velocidad de combustión sin humo de más de 550.000 libras/hr (250,000 kg/hr). El sistema de la antorcha LRGO disponible comercialmente se muestra está rodeado por una valla para excluir el personal y los animales de la zona de antorcha. En los casos donde el espacio es limitado tierra, una cerca que delimite, tal como se muestra en la figura 20.32, puede emplearse para reducir la radiación al entorno y para reducir la visibilidad y el ruido. El sistema de antorcha más grande en el mundo emplea un sistema LRGO para manejar más de 10 millones de libras de gases de residuos por hora sin humo. El diseño de un sistema de quema de conversión de energía, ya sea de un solo punto o multipunto, involucra cuestiones que no son una consideración para los demás tipos de quemador antorcha. Preguntas como quemador o separación chorro de gas deben ser resueltos. Por ejemplo, la capacidad de un quemador dado que se desea iluminar a la luz y sus vecinos es de suma importancia. Figura 20.31 (f) captura esta característica encendido cruzado en curso. Sin embargo, los quemadores de espaciamiento únicamente sobre la base de encendido cruzado pueden restringir el flujo de aire y obstaculizar quema sin humo. Propiedades del gas son aún más crítica cuando el diseño depende de la conversión de energía para lograr la quema sin humo solo.
20.4.1.6
Endotérmico
Algunas aplicaciones de antorcha implican gases con un alto contenido de gas inerte. Cuando el contenido inerte es lo suficientemente alta, la reacción de combustión se convierte en endotérmica, lo que significa que se requiere una fuente externa de calor para mantener la reacción. Recuperación de petróleo crudo por el CO₂, inyección, incinerador bypass, hornos de coque y fábricas de acero son ejemplos de actividades que generan gases que requieren más combustible para mantener la llama del quemador principal. Tales gases a menudo contienen cantidades significativas de materiales tóxicos tales como H₂S, NH₃, CO, o varios gases que normalmente se envía a un incinerador. La quema ha sido reconocida por muchos años como un método adecuado de eliminación de dichos gases. Sustancialmente destrucción completa de tales gases protege a la comunidad y el medio ambiente. Las primeras antorchas endotérmicas consistieron en puntas de antorcha no asistidas simples con un enriquecimiento de gas combustible del gas de residuos aguas arriba de la antorcha para garantizar que la mezcla de llegar a la punta era combustible. Este sistema era simple, pero impuso un alto costo del combustible en las instalaciones. Un diseño alternativo suministra una mezcla de aire / combustible suplementario templada a un anillo alrededor de la boquilla de la antorcha. La combustión de esta mezcla suministra calor y la ignición de los gases de escape en su salida de la boquilla de la antorcha. Este diseño tiene un gas combustible suplementario limitada turndown de antes de reignición ocurrido en el anillo, por lo que requiere una completa dentro o fuera de operación del gas suplementario. Altos costos de energía de hoy proporcionan un incentivo para reducir ese uso de combustible. El RIMFIRE® (Figura 20.33) es una antorcha endotérmica moderna con un quemador de gas suplementario
FIGURA 20.29
Antorcha aire anular
FIGURA 20.30
Hydra quemador de antorcha en
una ubicación offshore
612
The John Zink Combustion Handbook
(a)
(e)
(b) (f)
(c) (g)
FIGURA 20.31
Hydra quemador de antorcha en
una ubicación offshore
(d)
asistido por aire que rodea la salida de gases residuales. El uso de combustible suplementario para construir un fuerte "tiro forzado" llama de encendido, se reduce la cantidad de gas de enriquecimiento necesario para mantener encendido. La cantidad de combustible suplementario requerido depende del tamaño del quemador antorcha y el servicio. La RIMFIRE® fue desarrollada originalmente para los campos de inyección de CO₂ en el oeste de Estados Unidos. Los respiraderos y los relieves del sistema de recuperación de aceite
Antorchas
613
FIGURA 20.32
LRGO sistema de múltiples puntos con una valla de radiación. (Cortesía de María Celia, Setal Ingeniería, Sao Paulo, Brasil).
FIGURA 20.34
OWB prueba líquido de cocción
antorcha 150 gpm.
FIGURA 20.35
Tiro forzado antorcha liquido
Dragón
RIMFIRE® es sustancialmente menor que el requerimiento de combustible para otros diseños. Hoy en día, el RIMFIRE ® se utiliza en una amplia gama de aplicaciones donde se requiere el enriquecimiento de los gases residuales.
20.4.1.6
FIGURA 20.33
Una RIMFIRE® antorcha
endotérmica.
envían materiales altamente inertes a la antorcha. En este servicio, un consejo no asistida requeriría el enriquecimiento de los gases de socorro a un LHV de aproximadamente 300 Btu/scf. Utilizando el RIMFIRE® antorcha de percusión anular, el requisito LHV se redujo a aproximadamente 180 Btu / scf. El requerimiento total de combustible, además de enriquecimiento de combustible suplementario para la
Tipos Especiales
Secciones 20.4.1. 1 a 20.4.1.6 han descrito la amplia variedad de quemadores antorchas disponibles para el diseñador antorcha actual. En general, estos quemadores se utilizan para quemar material de desecho gaseoso y utilizar ciertas técnicas de supresión de humo. Hay, sin embargo, otras antorchas que están diseñados para quemar hidrocarburos líquidos o de utilizar un líquido como el supresor de humo. Algunos ejemplos son los siguientes. Sustancialmente destrucción completa de tales gases protege a la comunidad y el medio ambiente. Figuras 20.34 y 20.35 muestran dos ejemplos de antorchas líquidos con muy diferentes diseños. La llamarada CONTRATÉ (figura 20.34) tiene múltiples quemadores combinados en una sola unidad. En el momento de la fotografía, la antorcha ardía aceite con una liberación de calor de alrededor
614
The John Zink Combustion Handbook
la antorcha en una flecha con un trapo ardiendo adjunta, o disparar una bengala en la parte superior. Estos métodos, sin embargo, fueron poco confiables o seguros. En 1949, el John Zink Company desarrolló el primer piloto de luz y la continua quema los gases de ventilación de una antorcha. Desde entonces, ha habido una serie de mejoras en el diseño de piloto, el encendido, y la vigilancia. Esta sección trata sobre los pilotos y los métodos utilizados para el encendido del piloto y de seguimiento.
20.4.2.1
FIGURA 20.36
Antorcha Poseidón: con ayuda de
agua Hydra.
FIGURA 20.37
Partes piloto Fundamentales
de 1000 millones de Btu / hr. Los consejos OWB permiten un enfoque modular para el diseño de una capacidad específica. Además, una muy amplia turndown de se puede obtener con sólo apagar el flujo de algunos de los consejos. Las aplicaciones típicas son las pruebas de pozos de petróleo y limpieza de derrames. La llamarada del dragón (figura 20.35) utiliza uno o más quemadores y está equipado con un ventilador para mejorar la mezcla de humo menos quema. Este Antorcha se emplea en la destrucción de los excedentes de aceite o productos o desechos fuera de las especificaciones. El éxito del vapor como un supresor de h umo ha impulsado el uso de agua para evitar que el humo. Con los años, se han inventado una serie de diseños que utilizan agua para la supresión de humo. En ciertas situaciones, el agua se puede utilizar con gran ventaja. Un ejemplo de ello es la instalación mar adentro de una Antorcha Poseidón se muestra en la Figura 20.36. Esta Antorcha utiliza el agua para mejorar la combustión sin humo, reducir la radiación térmica y reducir el ruido. La instalación que se muestra en la fotografía logró una reducción de 13 dBA en ruido y una caída de 50% en comparación con la radiación a la antorcha convencional anterior.
20.4.2
Quemadores de Antorcha
Antes de 1947, la purga de hidrocarburos no quemados a la atmósfera era una práctica de la industria. Después de 1947, las regulaciones requirieron que los hidrocarburos sean quemados. Los primeros métodos para encender una antorcha incluidos izado un trapo aceitoso ardor en la parte superior de la antorcha, el tiro en la parte superior de
Pilotos
Un quemador piloto es un sistema de quemador premezclado diseñado para operar en un rango estrecho de liberación de calor. Como un quemador, el piloto debe (1) metro el combustible y el aire, (2) mezclar el combustible con el aire, (3) moldear la forma de la llama deseada, y (4) mantener la estabilidad de la llama. Típicamente, los pilotos constan de cuatro partes fundamentales: un mezclador o Venturi, un orificio de gas, una sección aguas abajo que conecta el mezclador y la punta, y una punta, como se ilustra en la Figura 20.37. Todos los componentes de un piloto son cuidadosamente diseñados para trabajar en conjunto como un sistema para lograr un rendimiento adecuado. Un cambio en cualquiera de los componentes afectará el equilibrio del sistema y por lo tanto el funcionamiento del piloto. En funcionamiento, la energía de presión del combustible piloto se utiliza para aspirar aire ambiente en la entrada del mezclador, mezclar el gas y el aire, y propulsar la mezcla a través de la sección de aguas abajo y fuera de la punta piloto. Los objetivos clave para un piloto diseñado adecuadamente misma son los siguientes: 1. 2. 3. 4.
ser capaz de encendido fiable proporcionar estabilidad de la llama piloto evitar que la llama piloto se apague proporcionar una larga vida de servicio
Un objetivo de la aplicación es piloto para encender el gas residual que sale del quemador de antorcha. Si el volumen de aire aspirado en el piloto cae fuera de los límites de inflamabilidad del gas combustible piloto, el piloto no funcionará correctamente. Por ejemplo, el metano requiere de 5,7 a 19 volúmenes de aire por volumen de combustible con el fin de quemar. Si un piloto está funcionando por debajo de este volumétrico de aire: límite de la relación de combustible, de aire externo al piloto debe estar disponible con el fin de quemar el combustible. Si la punta piloto se envolvió con gases inertes de la llamarada, debido a purgar gas o gases de combustión de la flama, el piloto no puede estar encendido, ni va a quemar. Por el contrario, si un piloto está funcionando con metano y el aire volumétrico: combustible está por encima o cerca de 19, el piloto será difícil a la luz y puede ser inestable en condiciones de viento. El entorno operacional de un quemador piloto requiere que el piloto sea capaz de soportar la lluvia, el viento, el calor de la llama bengala, y el contacto directo con las llamas. Problemas experimentales más comunes son la falta de luz y quemar con una llama estable y retrospectiva.
Antorchas
615
FIGURA 20.38 20.4.2.2
Generador de llama frontal convencional
Piloto de Encendido
El método más común de iluminación elevados quemadores piloto es por el uso de un generador de frente de llama (FFG). Una FFG es un dispositivo diseñado para producir una bola de fuego, que se desplaza en el interior de una tubería desde el punto de ignición del piloto, iluminando así el piloto. Hay tres tipos fundamentales de FFGs: convencional, estela, y la autoinspirating.
20.4.2.2.1
FFG Convencional
Un FFG convencional se ilustra en la figura 20.38. Un Venturi cámara de mezcla / combinación de encendido está conectado por un 1-in. tubería para el piloto. La longitud del tubo puede ser 5.000 pies (1.500 m) o más, pero la tubería debe ser de 1 pulgada (2,5 cm) y no más pesado que el SCH. 80. La secuencia de encendido se inicia por el flujo de aire y gas al mezclador de Venturi. En este sistema, las velocidades de flujo de aire y de gas están cada una controladas y monitoreadas usando una válvula de aguja y manómetro de presión. La cámara de ignición está situado inmediatamente aguas abajo de la zona de mezcla. Una bujía en la cámara de encendido puede encender la mezcla de aire / combustible. La bola de fuego resultante viaja a través de la tubería hasta que se alcanza el piloto. La bola de fuego a continuación, enciende la mezcla de aire/combustible generado por el piloto como sale de la punta piloto. Es importante que la línea de FFG llene completamente con la mezcla de aire/combustible inflamable para que se genere la chispa. Si la línea de FFG no está completamente llena con la mezcla de aire/combustible, la bola de fuego se extinga antes de que alcance el piloto y no se encenderá el piloto. FFG líneas largas pueden tardar minutos para llenar por completo con una mezcla de aire/combustible inflamable, dependiendo de la mezcla aire/velocidad de mezcla de flujo "de combustible y FFG tamaño de la línea. Por ejemplo, si la velocidad de la mezcla aire/combustible en la línea FFG es
de 50 ft/s (15 m/s) y la línea de FFG es 1.000 pies (300 m) de largo. la mezcla de aire/combustible debe fluir durante aproximadamente 20 a 30 segundos antes de intentar encender el piloto. Cada intento de encender el piloto en este ejemplo debe permitir que entre 20 y 30 segundos en la línea de rellenar con la mezcla de aire/combustible.
20.4.2.2.2
FFG Estela
La FFG estela dirige una parte de la mezcla de aire / combustible generado por el Venturi piloto a un tubo situado adyacente a la piloto, como se muestra en la figura 20.39. La estela se desplaza a través del tubo y sale cerca de la punta piloto. Una sonda de dispositivo de encendido de descarga de alta energía se utiliza para encender la mezcla, la generación de una bola de fuego dentro de la línea de corriente deslizante que a su vez enciende el piloto. Las principales ventajas que este sistema tiene sobre el sistema convencional de FFG son relight rápida piloto, hay líneas de frente de llama, y no requiere aire comprimido. Las principales desventajas son que los componentes críticos se encuentran en la boquilla de la antorcha y, por lo tanto, inaccesible sin un cierre llamarada, y que el cable eléctrico que conduce desde el transformador a la sonda de chispa se limita a aproximadamente 750 pies (230 m). Muchos de los pilotos equipados con una estela FFG también están equipados con un FFG convencional y la tubería asociada. En este caso, la FFG convencional se utiliza como un sistema de encendido de copia de seguridad instalado.
20.4.2.2.3
FFG auto-inspirating
La FFG auto-inspirating es un sistema en el que se genera una mezcla de aire/combustible en el grado utilizando un sistema eductor, como se muestra en la figura 20.40. Este eductor está separado del principal mezclador de Venturi piloto. Una chispa, generada justo aguas abajo del eductor dispositivo de encendido, crea una bola de fuego dentro de la l ínea de
616
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.39
generador estela de llama frente
20.4.2.2
FIGURA 20.40
Generador de llama frontal de
auto-inspirating
encendido que conduce a la punta piloto. La principal ventaja de que este sistema tiene sobre el sistema de FFG convencional es que el aire comprimido no es necesario. La ventaja sobre la FFG estela es que las partes críticas son accesibles durante el funcionamiento antorcha. La desventaja de este sistema, sin embargo, es que la distancia máxima de la línea de encendido se limita a aproximadamente 200 pies (60 m). La distancia exacta, sin embargo puede variar, dependiendo de la presión de combustible disponible, composición del combustible, el diámetro y la rugosidad de la pared de la línea de encendido, y la densidad del aire ambiente.
Monitores
La verificación de que un quemador piloto se está quemando es un requisito obligatorio e importante, en algunos casos. Ubicación remota del piloto y la inaccesibilidad durante el funcionamiento antorcha hacen difícil la verificación de llama. Una breve revisión de los métodos de monitoreo quemador piloto ilustra las dificultades. La mayoría de los combustibles piloto producen una llama baja luminosidad debido a que la mezcla de gas en la punta piloto contiene cerca de 100% del aire requerido por el combustible. Puede ser muy difícil ver una llama piloto durante el día. Visualización de la noche suele ser más exitosa. Si el piloto se enciende mediante un FFG convencional, la apertura de la válvula de combustible del FFG puede mejorar la observación visual, el día o la noche. El combustible añadido producirá una llama más grande y más luminosa en el piloto. Después de la llama del piloto se ha avistado, el combustible adicional debe estar apagado. Por naturaleza, uno asocia inmediatamente llama con calor. De hecho, produce una llama, gas ionizado de calor, luz y sonido. La técnica para la verificación de una llama piloto mediante la detección del calor de la llama generada con un termopar se ha utilizado durante muchos años. En la técnica de termopar, la unión de termopar se coloca en una posición para detectar el calor generado por la llama piloto. A debe lograrse un equilibrio entre una alta exposición al calor con una posible rotura del termopar rápido y una menor exposición con un tiempo de respuesta más lento. El termopar está conectado a un interruptor de temperatura o un equipo que indica el fracaso piloto si la temperatura cae por debajo de un punto de ajuste. En la mayoría de los casos, se requiere un cierre para reemplazar un termopar quemado.
Antorchas
FIGURA 20.41
617
generador estela de llama frente
Otras técnicas han tratado de verificar el uso de una llama por ionización de llama o de lectura óptica. El método de ionización de llama requiere dos elementos situados en la llama del piloto. La presencia o ausencia de una llama se detecta por un cambio en la resistencia entre los elementos. Como un termopar, estos elementos no se pueden mantener durante el funcionamiento antorcha. El uso de ionización de llama para monitorear quemadores piloto es limitado. Óptica de detección se beneficia de una ubicación a nivel de grado accesible. Mayoría de los sensores ópticos empleados en quemadores piloto utilizan una o más bandas de ondas infrarrojas para detectar la presencia de una llama. Sensores ultravioletas, que se utilizan con frecuencia en el proceso y quemadores de calderas, generalmente se limitan a usar en antorchas de suelo cerrados. Los métodos ópticos pueden ser incapaces de distinguir entre los pilotos de la llama principal o un piloto de otro. Además, la trayectoria óptica puede ser oscurecida por fuertes lluvias, niebla o nieve, o el
movimiento de la parte superior de la chimenea de la antorcha puede mueva la llama fuera del campo del sensor de vista. La más reciente técnica de control de la llama detecta la llama del piloto de forma remota utilizando la característica de la llama pasa por alto de generación de sonido. Este sistema consta de un sensor acústico y un procesador de señal. El sensor de escucha sonidos del piloto a través de la línea del generador de llama frontal tanto como un médico utiliza un estetoscopio para escuchar el corazón. Los datos acústicos se transportan desde el sensor al procesador de señales a través de un cable. El procesador de señales analiza los datos acústicos y señala el estado de la llama del piloto. Un sistema de monitorización acústica se muestra en la figura 20.41. Un monitor piloto acústica puede distinguir su piloto conectado desde fuentes de sonido cercanas, como otros pilotos, inyección de vapor y de combustión de la antorcha. Las condiciones climáticas no afectan negativamente al monitor.
618
The John Zink Combustion Handbook
20.4.3
FIGURA 20.42
Tambor de sedimentación horizontal en la base de una antorcha de aire asistida
FIGURA 20.43
Separador de ciclón. (Tenga en cuenta que la escarcha que indica la trayectoria del flujo del líquido a baja temperatura, ya que se elimina.)
Tambores Eliminadores
Hay tres tipos básicos de tambores eliminadores que pueden incorporarse a un sistema de antorcha: un tambor de decantación horizontal, un tambor vertical de asentamiento, y un separador de ciclón. Los tambores de sedimentación horizontales son grandes tambores en los que las gotas se permite suficiente tiempo de residencia para separar del gas por gravedad. API RP5215 proporciona directrices detalladas de diseño de este tipo de tambor. La figura 20.42 muestra un ejemplo típico de este diseño. La caída de presión a través de estos tambores es relativamente baja. Los tambores de este tipo son particularmente útiles para la eliminación de líquidos dentro o cerca de las unidades de proceso que pueden enviar líquidos al de cabezal de la antorcha. Es común que el nivel máximo de líquido a ser en la línea central del tambor, permitiendo así que el 50% del volumen total del vaso que se utiliza para el almacenamiento de líquido temporal durante un alivio. Los tambores de sedimentación verticales funcionan de una manera similar. En el diseño de los tambores de sedimentación verticales, una cuidadosa atención debe centrarse en la velocidad terminal gota porque esta velocidad determina el diámetro del tambor. Además, el volumen disponible para el almacenamiento de líquido durante un alivio está limitado por la elevación de la tubería de cabezal de la antorcha. Cualquier gota pequeña que pase a través del tambor de eliminación puede aglomerarse para formar gotas más grandes en los sistemas de la antorcha corriente abajo del tambor eliminador. Localizar el tambor eliminador muy cerca de la base del quemador, o incorporándolo a la base de la chimenea, se puede minimizar este problema. A pesar de la caída de presión requerida para los tambores de sedimentación es generalmente baja, el diámetro del tambor requerido puede convertirse en poco práctico para ir de compras-fabrica si la velocidad de flujo es alta. Eliminación de muy pequeñas gotitas de líquido no se puede lograr a través de una simple reducción de la velocidad de la corriente de gas. Separación del ciclón es el mejor para la eliminación de gotitas pequeñas. Los separadores de gotas, utilizando la fuerza centrífuga, pueden ser muy eficaces cuando se incorporen a la base de la antorcha. Son más pequeños en diámetro que los tambores de sedimentación horizontal o vertical y por lo general ofrecen una alta eficiencia de remoción de líquido a expensas de una mayor caída de presión. La escarcha en el exterior del tambor en la figura 20.43 ilustra claramente el patrón de flujo de l íquido. La aglomeración de las gotitas de aguas abajo de un separador de ciclón es generalmente menos de un problema de lo que es para los diseños de tambor de decantación. El tambor de asentamiento típico está diseñado para eliminar las gotas de más de 300 a 600 micras en la velocidad de flujo sin humo. Los tamaños de gotita en la tasa de flujo máximo puede ser mayor de 1000 micras en algunos casos. Por comparación, las gotitas que salen del ciclón son mucho más pequeñas, típicamente de 20 a 40 micras, y el tamaño de las gotas permanece bajo durante todo el rango de operación.
Antorchas
619
Sin embargo, el volumen disponible para el almacenamiento de líquido en un separador de ciclón es generalmente pequeño en comparación con el tambor de sellado vertical porque se requiere una longitud sustancial para el espacio de vapor en este diseño. Cuando se anticipan cargas líquidas sustanciales, tambores de sedimentación horizontales normalmente se proporcionan en el extremo de aguas arriba del colector de antorcha para atrapar la mayor parte del volumen de líquido. El eliminador de neblina en la base de la chimenea de la antorcha elimina los problemas de líquidos y minimiza restantes con aglomeración.
20.4.4
Sellos Líquidos
Un sello líquido es un dispositivo que utiliza un líquido, tal como agua o glicol / mezcla de agua, como un medio de proporcionar la separación de un gas (o vapor) en una sección de conducto de corriente arriba y una sección corriente abajo. La disposición física de un sello líquido típico se muestra en la figura 20.44. El gas fluye a través del sello cuando la presión del gas en el lado corriente arriba del sello es igual o mayor que la presión representada por el sello de la pierna de sumersión más cualquier contrapresión aguas abajo. La profundidad de inmersión utilizada depende de la finalidad de la junta. La práctica actual consiste en sumersión profundidades que varían de aproximadamente 2 pulgadas (5 cm) a más de 120 pulgadas (300 cm). Sellantes líquidos se encuentran en muchos tipos de sistemas de combustión, incluyendo antorchas, debido al hecho de que los sellos líquidos se pueden utilizar para llevar a cabo cualquiera de una variedad de objetivos:
evitar que los líquidos corriente abajo de la contaminación de la sección de corriente arriba presurizar la sección de corriente arriba desviar el flujo de gas proporcionar un alivio seguro derivación alrededor de una válvula de control detener a un frente de llama o detonación
20.4.4.1
Prevenir la Contaminación Corriente Arriba
Uno de los usos más frecuentes de los sellos líquidos es para evitar la infiltración de aire en la sección aguas abajo de la propagación a la sección de corriente arriba. Sellos líquidos operados correctamente proporcionan una protección contra la formación de una mezcla explosiva en el colector de antorcha, al actuar como una barrera para el flujo de retorno.
20.4.4.2
Presurice Sección Corriente Arriba
Como se discute en la Sección 20.3.4, una presión negativa puede existir en la base de la chimenea de la antorcha en condiciones de flujo bajo. Mediante la inyección de gas de purga corriente arriba del sello líquido, la sección corriente arriba está presurizada a un nivel relacionado con la profundidad de inmersión. Como resultado, cualquier fuga en la sección de aguas arriba de gas fluirá fuera del colector de antorcha en lugar de aire en la cabecera. Formación de una mezcla explosiva en el colector de antorcha, al actuar como una barrera para el flujo de retorno.
20.4.4.3
Presurice Sección Corriente Arriba
Sellantes líquidos se utilizan a menudo para desviar el flujo de gas en una dirección preferida. Un ejemplo es una sistema de antorcha por etapas que implica una antorcha cerrada y una antorcha de elevada tal
FIGURA 20.44
Esquema de un sello líquido vertical.
como la que se muestra en la figura 20.12. El sello líquido en la línea de la antorcha elevada desvía todos los flujos a la antorcha cerrada hasta que la caída de presión causada por el flujo de gas a través del sistema de antorcha cerrada excede la profundidad de inmersión.
20.4.4.4
Válvula de Control de Bypass
Una válvula de control en el servicio de cabezal de la antorcha puede representar un riesgo de seguridad si falla para abrir cuando sea necesario. Un sello líquido de derivación alrededor de la válvula de control protege la planta contra un posible fallo de la válvula de control para abrir durante un alivio. Cuando la presión aguas arriba llega a la profundidad de inmersión más cualquier presión de retorno de la antorcha elevada, el gas residual comenzará a fluir a través del sello líquido a la antorcha elevada si la válvula de control está abierta o no.
20.4.4.5
Sellos Líquidos como Preventores
Sellantes líquidos que se utilizan como supresores de llama generalmente se dividen en tres categorías de la siguiente manera: 1. juntas diseñadas para manejar gases combustibles entrantes que no contienen aire (u oxígeno): ejemplo: una antorcha refinería 2. juntas diseñadas para manejar los flujos de entrada de vapor que contienen una mezcla de gases combustibles y aire (u oxígeno); ejemplo: la corriente de vapor / aire combustible que se produce durante el camión cisterna o las operaciones de carga de barcazas 3. juntas diseñadas para manejar cualquiera de óxido de etileno (ETO) y del acetileno; ejemplo: el sello válvula de escape para los gases de ETO de un esterilizador utilizado para el tratamiento de los suministros médicos.
620
The John Zink Combustion Handbook
sido desarrollados que mejoran en la idea básica. Varios de los diseños que se han utilizado en los últimos años se muestran en la figura 20.46. Hoy en día, los diseños están disponibles que pueden convertir un tambor nocaut horizontal existente en un líquido sellador/eliminador tambor combinación con la suficiente profundidad de inmersión para permitir la recuperación de gases de antorcha. Los dos fluidos utilizados normalmente para un sello líquido son agua y glicol/mezcla de agua. Siempre que sea posible, se prefiere el agua. El uso de hidrocarburos líquidos (excepto glicol) está totalmente desaconsejado.
20.4.5
FIGURA 20.45
"Señales de humo" de un sello líquido
creciente.
20.4.4.5
Factores de Diseño
Una vez que el propósito del sello de líquido se ha establecido, el diseñador puede producir un diseño de sello líquido adecuado. Hay varios factores que influyen en el diseño general de sello líquido, incluyendo:
Orientación recipiente sello (horizontal o vertical) diámetro del vaso sello Sellado pierna profundidad de inmersión La configuración de la parte final de la etapa de sellado (junta de boquilla o de la cabeza del sello) El espacio por encima del nivel de líquido El tipo y el tamaño de salida La selección del fluido sello
Una discusión completa de todos estos factores está más allá del alcance de este texto. Sellos líquidos han sido conocidos por causar flujos pulsantes a antorchas. Pulsar el flujo, a su vez, hace que el control del humo difícil y crea un ruido fluctuante y la fuente de luz que puede llegar a ser una molestia para los vecinos. La figura 20.45 muestra la "señal de humo" efecto que puede ocurrir en casos extremos de tales patrones de flujo. La causa fundamental de este flujo pulsante es el flujo bidireccional que se produce cuando el líquido desplazado en el recipiente se mueve para reemplazar las burbujas de gas liberado en la salida de gas de la cabeza de la junta o tubo de entrada. Como que aumenta la profundidad de inmersión, las fuerzas de flotación que actúan sobre el aumento de líquido y el potencial para el movimiento violento por el fluido de sello crece. Diámetros de los vasos más grandes también aumentan el potencial de chapoteo líquido, que es otro conductor de la pulsación. Internos diseñados adecuadamente pueden reducir tales pulsaciones mediante el control del flujo de gas bidireccional y el movimiento del líquido. Robert Reed produjo algunos de los primeros internos de sellos líquidos a finales de 1950. Desde entonces, un número de diseños alternativos han
Sellos de Reducción de Purga
La infiltración de aire en un sistema de antorcha a través del quemador antorcha se discutió en la Sección 20.3.4. La mayoría de los sistemas están diseñados para combatir la infiltración de aire en la punta y el elevador de una purga. La cantidad de gas de purga necesaria para evitar que el aire entre en el sistema puede ser bastante grande, especialmente en el caso de que los gases ligeros están presentes. Una alta tasa de purga puede plantear varias desventajas. En primer lugar es el costo del gas de purga; segundo, el calor de la combustión del gas de purga puede ser perjudicial para el quemador de enderezamiento, y tercero, la quema más gas que es absolutamente necesario aumenta el nivel de emisiones de la planta. Adición de un dispositivo de reducción de purga al sistema de antorcha puede mitigar estos inconvenientes. Normalmente, tales dispositivos se instalan justo por encima o inmediatamente debajo de la antorcha del quemador-brida de montaje a fin de maximizar la zona de exclusión aérea. Dispositivos de reducción de purga están destinados a mejorar la eficacia del gas de purga de manera que la cantidad requerida para proteger el sistema se puede reducir. Dispositivos de reducción de la purga, se hace referencia a menudo como sellos, se basan en el uso de cualquiera de las dos estrategias básicas: (1) diferencia de densidad (a veces llamado un sello densidad), o (2) atrapar y acelerar (a veces llamado una junta de velocidad). A continuación se examinan el principio de cada tipo de sello y sus ventajas y desventajas. Un sello de velocidad se muestra en la figura 20.47. El principio del sello de velocidad es para atrapar el aire cuando entra en la boquilla de la antorcha, invierta su dirección, y llevarlo a cabo de la punta con el gas de purga acelerada. Las pruebas en las antorchas, grandes y pequeñas, han demostrado que el aire entra en una boquilla de la antorcha a lo largo de la pared interior de la punta. En el sello de la velocidad, en forma de una trampa se coloca en la pared interior de la punta. Las intercepciones atrapan el aire entrante y se vuelve de nuevo hacia la salida de la punta. Al mismo tiempo, la forma de la trampa actúa para acelerar el gas de purga. El gas de purga acelerada y aire de salida se encuentran en la salida del dispositivo de sellado y el flujo hacia fuera de la punta. Sin el gas de purga acelerada, la trampa sólo servirá para demorar la entrada de aire, no reducirlo. En comparación con un sello de densidad, un sello de velocidad es relativamente pequeño y tiene bajo costo de capital. El sello de velocidad se reducirá el requisito de gas de purga, pero la reducción está templada por la c antidad de
Antorchas
621
FIGURA 20.46
Varios tipos de líquido sello de cabeza: "A" extremo biselado, "B" diente de sierra, ranura "C" y el triángulo (después de API RP-521), "Armas D'' con puertos en superficies superiores," E "hacia la baja cono perforado, "F" mirando hacia arriba cono perforado.
oxígeno permitido debajo de la junta. Un sello de velocidad requiere más gas de purga que un sello densidad. Una desventaja adicional de un sello velocidad se produce cuando se interrumpe el flujo de gas de purga. En este caso, el nivel de oxígeno en el elevador comienza a aumentar casi inmediatamente. La disposición de un dispositivo de reducción de purga de tipo densidad se ilustra en la figura 20.48. Como que el gas fluye hacia arriba a través del tubo de subida, que se dirige a través de dos anulares 1.800 vueltas, formando así espacios donde se atrapan los gases más ligeros o más pesados que el aire. La diferencia de densidad entre el gas de purga de aire atrapado y forma una barrera al movimiento del aire. Sólo se permitirá la difusión del aire para trabajar su camino a través de la barrera. Por lo tanto, un velocidad de purga suficiente para refrescar constantemente el gas en la interfase gas / aire es todo lo que se requiere. Esta velocidad de purga es mucho menor que
la tasa requerida para un sello de velocidad (que tendrá un cierto nivel de oxígeno por debajo de ella). A diferencia de densidad tan pequeño como de nitrógeno al aire es suficiente para el sello de de la función. El encendedor (o más pesado) el gas de purga, se convierte en la más eficaz el sello de. Las pruebas han demostrado que el nivel de oxígeno por debajo de una junta del tipo de densidad correctamente purgado será cero. Si el flujo de gas de purga a un sello densidad se interrumpe, el aire empezará a penetrar el gas por difusión. Sin embargo, el proceso de difusión es lento y un tiempo significativo pasará antes de que el aire entre en el tubo ascendente. El sello densidad requiere el tipo de gas de purga más pequeña y cuenta con el menor costo de operación. A requerimiento de gas de purga inferior también significa menos calor alrededor de la boquilla de la antorcha y menores emisiones.
622
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.47
Sello la reducción de purga de tipo
velocidad Airrestor.
FIGURA 20.48
Sello de reducción del tipo de purga
densidad Sello Molecular.
Sin embargo, el tamaño físico del sello la densidad hace que su costo de capital más grande.
20.4.6
Quemadores Cerrados
El deseo de ocultar la quema de actividades se remonta a la década de 1950. Vendedores llamarada y usuarios intentaron durante varios años para diseñar antorchas de suelo cerrados y fracasaron, a veces espectacular. En un caso, el humo generado por una antorcha suelo era tan densa que obligó a parar la
planta. En otro caso, el tabaquismo causa el cierre de una carretera principal y el ruido rompió ventanas a gran distancia. Un concepto de diseño diferente produjo el primer éxito de antorchas de suelo cerradas en 1968, cuando dos unidades designadas como ZTOFs (Zink antorchas oxidación térmica) fueron puestos en servicio por Caltex. "Estas antorchas de suelo cerrados y decenas de unidades adicionales construidas en los años siguientes llevó a la desarrollo de la moderna antorcha Encerrada. Antorchas de suelo cerrado usan una cámara de combustión con revestimiento refractario para contener toda la llama, haciéndolo invisible a los vecinos. Un diagrama esquemático de una antorcha de terreno cerrado se muestra en la figura 20.49. La cámara de combustión es generalmente cilíndrico, pero puede ser rectangular, hexagonal, u otras formas formadas a partir de paneles planos. Secciones cilíndricas son generalmente favorecidas. Los paneles planos se utilizan en algunos casos para reducir los costes de envío o para optimizar el montaje en campo. A ZTOF es esencialmente un calentador de aire gigante, fuego directo. Aire necesario para la combustión y para el control de temperatura entra en la cámara de combustión por tiro natural después de pasar a través de una abertura del quemador. Las temperaturas elevadas en la cámara de combustión reducen la densidad de los gases de combustión en el interior y producen proyecto de acuerdo con la ecuación. (20.2). Este proyecto es la fuerza motriz que impulsa los productos de combustión hacia fuera la parte superior de la pila y se aspira el aire a través de las aberturas de los quemadores. La optimización de la utilización de la energía disponible es una parte esencial del diseño adecuado de un ZTOF. La mayoría de ZTOFs están diseñados para manejar mucho más que el requerimiento de aire estequiométrico. El exceso de aire se utiliza para enfriar la temperatura de la llama. Esto reduce el grado de la temperatura requerida para el revestimiento refractario, que es una parte significativa del coste global del sistema. Aunque la temperatura del gas de combustión enfriado puede ser 1600 ° F (900 ° C) o inferior, el revestimiento refractario - al menos en la sección inferior de la de pila - se debe seleccionar para una temperatura de servicio más alta ya que las temperaturas locales pueden ser superiores a la final temperatura del gas de combustión. Cuando un ZTOF se utiliza como la primera etapa de un sistema de antorcha, existe el potencial de ofrecer más gas residual a la ZTOF de lo que está diseñado para manejar. Overfiring la ZTOF puede resultar en llamas y / o humo por la parte superior de la pila. Generalmente hay dos salvaguardias para evitar que esto suceda. En primer lugar, cuando la caída de presión creada por el flujo de gas a través del sistema de ZTOF supera el punto de ajuste del dispositivo de desviación (ya sea líquido o válvula de sello), el exceso de gas fluye automáticamente a la antorcha elevada. En segundo lugar, la mayoría de ZTOFs están equipadas con termopares para controlar la temperatura de la chimenea. Cuando la temperatura de salida de la chimenea supera el nivel de diseño, un interruptor de temperatura inicia el cierre automático, ya sea parcial o total, del sistema de quemadores ZTOF. El flujo de gas se envía a las otras partes del sistema de antorcha planta hasta
Antorchas
FIGURA 20.49
623
Esquema de un ZTOF
que la causa de la condición overfiring puede ser identificada y corregida. ZTOFs han sido diseñados con capacidades que van desde menos de 100 lb / h (45 kg / h) a más de 100 toneladas métricas / hora. Las cámaras de combustión varían de 3 pies (1 m) a más de 50 pies (15 m) de ancho y puede ser mayor de 100 pies (30 m) de altura. Para maximizar el beneficio del volumen de combustión disponible, ZTOFs suelen estar equipados con sistemas de quemadores multi-punto. Como se discutió en la Sección 20.4.1.5, rompiendo el flujo de gas en muchas llamas pequeñas mejora el rendimiento del quemador. Sistemas ZTOF frecuencia operan a niveles de presión consistentes con profundidades sello líquido. Como resultado, la energía disponible de los gases residuales se reduce. Por lo tanto, la celebración de los sistemas de quemadores ZTOF es aún más importante para mantener un buen rendimiento en condiciones de reducción. Cuando se utilizan quemadores de vapor asistida en ZTOFs. Eficiencias de vapor son sustancialmente mayores que antorchas al aire libre, lo que resulta en el consumo de vapor más bajo del día a día. En las unidades pequeñas, ajustando las aberturas de aire de alimentación de aire en la cámara de combustión se puede controlar la temperatura en la cámara de combustión. El control de temperatura es común en las erupciones de biogás de vertederos, antorchas, y cámaras de combustión de vapor en terminales de carga de gasolina. El control apropiado de temperatura reduce al mínimo las emisiones de estas unidades, lo que en algunos casos se ejecutan continuamente. La valla de viento se utiliza para administrar el flujo de aire en la cámara de combustión puede ser diseñado para amortiguar el ruido de combustión y vapor de agua generado por los quemadores. La cámara de combustión con revestimiento refractario también puede absorber el ruido de alta frecuencia y sirve para bloquear el paso de la línea de visión directa para la transmisión de ruido de las llamas en la cámara. Al proporcionar limpio, tranquilo, eliminación, invisible de los
relieves del día a día, el uso de un ZTOF permite operación de la planta en armonía con sus vecinos.
20.4.7 Estructuras de Apoyo de Antorcha La combinación del calor liberado en el flujo de diseño máxima y las instrucciones de los propietarios de la radiación incidente permitido plantea un desafío de diseño que a menudo se resuelve mediante la elevación de la grabadora de de antorcha. (Ver Secciones 20.2.6 y 20.3.5 para la discusión de los factores y consideraciones de diseño que influyen en la determinación de la altura requerida.) Una vez que la altura ha sido calculada, el enfoque de diseño se convierte en la selección del tipo de estructura de la llamarada a utilizar. En principio, hay tres conceptos de la estructura de apoyo básicos más una variante que puede ser muy útil en ciertas circunstancias. Los conceptos y la variante son:
auto soportada Cable guy apoyado derrick apoyo derrick con posibilidad de bajar el elevador y el quemador antorcha
Una estructura auto soportante (Figura 20.50) requiere el menor espacio terrestre y puede acomodar fácilmente un sello líquido o tambor de final, o ambos, en la sección de base. Variando el diámetro y el espesor de la estructura a diferentes alturas absorbe las cargas de viento. Potencial de vibración no amortiguada se evita mediante la variación de la longitud y el diámetro de las secciones de la estructura. En general, las estructuras auto soportadas no son rentables a alturas por encima de unos 250 pies (76 m). Tal vez el medio más común de apoyar un quemador de antorcha elevada es un elevador que se mantiene en la línea de cables de retención (Figura 20.51). Por lo general, hay tres tipos de cables de retención espaciados 120 °. El número de cables de retención dispuestos verticalmente en un l ugar
624
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.50
Antorcha auto soportada.
determinado depende de la altura de la estructura, las cargas de viento, y el diámetro del tubo de subida. Cable de sujeción apoyados estructuras requieren un mayor compromiso espacio de la tierra. Altura total puede alcanzar los 600 pies o más. Cuando la superficie terrestre es de alto valor o de disponibilidad limitada, una estructura de torre de perforación puede ser empleado. La torre en sí (Figura 20.52) actúa como una guía para mantener el elevador en línea. En general, torres de perforación están diseñadas con tres o cuatro lados y se han utilizado en alturas superiores a 650 pies (200 m). Quemadores antorcha en las estructuras de apoyo muy altos y antorchas ubicadas en zonas remotas son difíciles de mantener o reemplazar debido al limitado número de grúas que puedan dar respuesta a la elevación requerida. En tales casos, una variación torre de perforación refiere a menudo como se emplea una torre de perforación desmontable. El diseño de la torre de perforación desmontable (figura 20.53) permite que el tubo ascendente y el quemador antorcha adjunta sean bajados a la tierra, ya sea como una sola pieza o en múltiples secciones. Una ventaja adicional de una grúa desmontable es su capacidad para soportar más de un elevador de tamaño completo.
Con la excepción de las torres de perforación desmontables, cualquier antorcha estructura de soporte del quemador con una altura de más de aproximadamente 50 pies (15 m) por encima del nivel típicamente incluye una plataforma 360 ° para el uso durante el mantenimiento. Si se utiliza una plataforma de 360 °, que se encuentra a menudo justo debajo de la antorcha del quemador-brida de montaje. La estructura también proporcionará apoyo para escaleras, plataformas de paso de despegue requerido y los servicios públicos de tuberías. Algunas estructuras llamarada, debido a su altura y ubicación, pueden requerir el marcaje de advertencia de aviones tales como pintura o luces. Varios factores entran en la selección de la estructura: cargas físicas, condiciones de proceso, espacio de tierra disponible, el costo de la tierra, la disponibilidad de grúas, y el número de bandas a tener en cuenta. El proceso de selección puede ser simplificado mediante el uso de la guía se muestra en la figura 20.54. La guía hace una serie de preguntas que se pueden responder "sí" o "no" con la respuesta que influye en la siguiente pregunta. Mientras que las respuestas sí / no parecen conducir a una respuesta absoluta, hay sutilezas que pueden promover una alternativa. Por ejemplo, el deseo de localizar un sello líquido o tambor de final, o ambos, en la base de la pila puede realizar un diseño de auto apoyado atractivo. La guía se refiere a situaciones en las que habrá un elevador de gas residual (111) o dos bandas de gas residual (R1 y R2). Si hay dos bandas, las preguntas de la guía del tamaño de la segunda canalización vertical en comparación con R1 / 3. Típicamente, un segundo tubo ascendente con un tamaño de R1 / 3 o menos será una antorcha de pequeña capacidad de servir a un sistema de ventilación o de bypass incinerador. Esta pequeña llamarada, se refiere a menudo como una "antorcha cuestas", recibirá el apoyo de la antorcha principal o su estructura de apoyo. Si el segundo tubo ascendente es mayor que R1 / 3, que será tratado, a efectos de diseño estructural, como un segundo antorcha importante. Los casos que involucran a más de dos bandas son buenos candidatos para una estructura de torre desmontables.
20.4.8
Controles de Antorcha
Sistemas de quema se asocian a menudo con las cabeceras antorcha que se acumulan gases descargados por las válvulas de alivio y otras fuentes. Una llamarada está llamado a funcionar correctamente durante condiciones irregulares y mal funcionamiento de los sistemas de control de impacto a través de la planta, incluyendo la falta de energía y la falta de aire de instrumentos. Por lo tanto, los controles de los sistemas de quema se deben utilizar con discreción para asegurar que la antorcha continuará funcionando con seguridad incluso si sus controles fallan. Controles llamarada puede ayudar a proporcionar un desempeño efectivo sin humo, bajo nivel sonoro y otras características deseables durante el funcionamiento normal del día a día. Muchos de los controles utilizados en los sistemas de quema se asocian con los pilotos, el encendido y el monitoreo piloto y ya se han discutido en la Sección 20.4.2. En esta sección se analiza el control de vapor, puesta en escena del quemador, controles de nivel y control de purga.
Antorchas
FIGURA 20.51
625
Tipo de alambre apoyado Antorcha
626
The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.52 20.4.8.1
Antorcha Apoyada Derrick
Válvula de control de vapor típica
Control de vapor fiable es una parte importante de la estrategia de supresión de humo para antorchas de vapor asistida. El sistema de control de vapor más simple consta de una válvula manual que un operador utiliza para ajustar el flujo de vapor de agua a la boquilla de la antorcha. La mayoría de las plantas prefieren no dedicar un operador para gestionar el uso de vapor de sus antorchas. En cambio, las válvulas de control de vapor están equipadas con equipos de posicionamiento remoto que permite a un operador en la sala de control para ajustar el flujo de vapor en el desempeño de otras tareas más rentables. La figura 20.55 muestra una estación de válvula d e control de vapor típico. La válvula de control de vapor en una antorcha puede funcionar casi completamente cerrada durante largos periodos de tiempo. Como resultado, el desgaste en el asiento de la válvula se convierte en un problema de mantenimiento. Para permitir la extracción y el mantenimiento, mientras que la antorcha está en funcionamiento, se recomiendan las válvulas de bloqueo tanto aguas arriba como corriente abajo de la válvula de control. Para hacer funcionar el antorcha sin humo durante el mantenimiento válvula de control, una línea de
FIGURA 20.53
Derrick Desmontable
bypass con una válvula de manual de está instalado alr ededor de la válvula control y sus válvulas de bloqueo. Un manómetro de presión debe ser instalado corriente abajo de la estación de válvula de control para proporcionar al operador con una herramienta para el diagnóstico de problemas de control y una guía para el control manual, cuando sea necesario. La mayoría de antorchas de vapor asistida requieren un flujo de vapor mínimo por dos razones. En primer lugar, un flujo de vapor mínima para que se mantenga la línea de vapor de la válvula de control para el quemador de antorcha caliente y listo para su uso. También minimiza los problemas con condensado en esa línea. En segundo lugar, un flujo de vapor mínima mantiene el colector de vapor de la llamarada del quemador frío ("vapor frío") en caso de que la llama de bajo flujo se une al equipo de vapor. Para mantener el flujo de vapor mínimo, una segunda línea de derivación se instala con un orificio de medición de tamaño para el flujo mínimo y un par de válvulas de bloqueo para el mantenimiento del orificio. Las trampas de vapor son obligatorias siempre que condensado puede acumularse en las tuberías de vapor. Muchos diseños de inyectores de vapor utilizan relativamente pequeños orificios, al menos en parte para reducir el ruido audible. Por lo
Antorchas
627
FIGURA 20.54
Soporte guía de selección de la estructura de Antorcha
FIGURA 20.55
Estación de válvula de control de vapor
tanto, se recomienda una línea de filtro de vapor. Si los orificios son muy pequeños, todas las tuberías de vapor de acero inoxidable pueden ser apropiadas.
20.4.8.2
Control de Vapor Automático
A medida que el flujo de gas o la composición de los residuos enviados a la antorcha varía, la cantidad de vapor necesaria para los cambios de supresión de humo. Muchas plantas de ajustar el
requisito de vapor sobre la base de observaciones periódicas por un operador en la sala de control buscando una imagen de vídeo a partir de una cámara destinada a la llamarada. Cualquier condición fumar se corregirá rápidamente por un aumento en el flujo de vapor a la antorcha. Sin embargo, cuando el flujo de gas comienza a disminuir, la flama continúa buscando "limpio" para el operador. Por lo tanto, puede pasar algún tiempo antes de que el operador reduce el flujo de vapor. Como resultado, este método de control de humo tiende a resultar en oversteaming
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The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.56
Estatificación conjunto de la válvula de control.
de la antorcha, que a su vez produce un ruido excesivo y el consumo innecesario de vapor. Sistemas de sensores ópticos están disponibles para supervisar la condición de la llama bengala y ajustar el flujo de vapor continuamente. Equipos de detección óptica automático puede controlar con eficacia el flujo de vapor para mantener un aspecto de la llama en consonancia con el uso de vapor de agua mínimo y el mínimo ruido.
20.4.8.3
Válvula de control estatificación Típica
Tipos de antorcha de conversión de energía, como la LRGO discutido en la Sección 20.4.1.5 están diseñados para funcionar sin humo cuando la presión del gas está por encima de un cierto nivel. Dos objetivos operativos clave para este tipo de sistemas que utilizan quemadores de conversión de energía son: (1) mantener la presión de gas por encima del nivel mínimo requerido para el funcionamiento sin humo, y (2) evitar la contrapresión de exceder el nivel de diseño permisible. Para lograr estos objetivos, una sistema de control de puesta en escena se utiliza que inicia y detiene el flujo a varios grupos de quemadores en función del flujo de gas entrante. Dependiendo de la aplicación, la válvula de clasificación usado para lograr esto se pueden instalar en cualquiera de una número de posibles configuraciones, que van desde una sola válvula a un complejo sistema de bypass y las válvulas de bloqueo. La figura 20.56 muestra un conjunto de válvula de puesta en escena típica. La válvula principal de puesta en escena puede o bien no cerrado o abierto falle, dependiendo de las consideraciones de seguridad que rigen el sistema en su conjunto. En general, las válvulas de parada de una antorcha de terreno cerrado son fallen cerrado cuando otro brote está disponible para manejar
cargas de socorro de emergencia. Estos conjuntos de válvulas de parada general no incluyen un dispositivo de bypass. Estatificación válvulas, especialmente en las últimas etapas de un organizado sistema de antorcha planta multipunto generalmente están diseñados para dejar abierta cuando el dispositivo de derivación es un disco de ruptura. Si el dispositivo de derivación se vuelve a cerrar con facilidad o se restablece automáticamente, la válvula de estatificación puede ser diseñada para fallar cerrado. El dispositivo de derivación, que se muestra en la figura como un disco de ruptura, también puede ser una válvula de alivio o un sello líquido.
20.4.8.4
Controles de Nivel
Sistemas de antorcha a menudo incluyen los buques tales como tambores eliminadores o sellos líquidos que pueden contener niveles de líquidos que deben ser controlados y/o controladas para una operación segura. El nivel de líquido se controla en tambores eliminadores para evitar el llenado excesivo, como se discutió en la Sección 20.3.3. En algunos casos, también es importante para evitar que un nivel demasiado bajo. Cuando se haya eliminado todo el líquido en un tambor de final, se hace posible para los gases residuales en el cabezal de la antorcha para migrar en el sistema de drenaje, la creación de una mezcla explosiva y posiblemente un riesgo de seguridad grave. Instrumentación generalmente se compone de uno o más interruptores de nivel o transmisores montados a menudo junto con gafas de calibre para simplificar ajustes de consigna y para permitir la supervisión visual o de control manual. Líquido de control de nivel del mar presenta una serie de problemas que no se encuentran en otras aplicaciones de control de nivel. En el funcionamiento normal, cuando el gas está fluyendo a través del sello líquido. la superficie del líquido se agita violentamente. Acción de las olas de pequeña escala, la
Antorchas
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pulverización y la generación de espuma también crear requisitos especiales para los sistemas de control de nivel de líquido del sello. Sellantes líquidos en servicio antorcha se pueden acumular una cierta cantidad de condensado de hidrocarburos. Estos condensados son generalmente más ligeros que el agua y afectan el control y la seguridad de nivel. La presencia de tales condensados en el sello de líquido crea el potencial para generar gotitas de hidrocarburos en el gas de escape que fluye a la boquilla de la antorcha. Como se discutió en la Sección 20.3.3, esto puede convertirse en un peligro para la seguridad. Para protegerse contra este peligro, los sellos líquidos antorcha a menudo están equipados con sistemas de espumado de hidrocarburos que eliminan el condensado acumulado a partir de la superficie del líquido, en algunos casos d e forma automática. Sellos de bucle se utilizan para evitar que los gases de escape de un buque, mientras que permite que los líquidos que se eliminan automáticamente. Sistemas de espumado de hidrocarburos líquidos en los sellos antorcha a menudo utilizan los sellos de bucle, como se muestra en la figura 20.57, para proporcionar la eliminación constante de líquidos. Bucle del sello guía de diseño es proporcionada por la API RP-521. Algunas preocupaciones adicionales incluyen:
Pérdida de circuito cerrado de fluido del sello por evaporación o sobrepresión puede resultar en el gas residual que entra en el sistema de alcantarillado y/o escapar a la atmósfera a través de la ruptura anti sifón en la parte superior del bucle fuera de borda. Congelación de circuito cerrado de fluido sello puede resultar en el llenado excesivo del recipiente y/o acumulación de condensado de hidrocarburos en el recipiente. Elevación de la parte superior del bucle externo debe estar en o por debajo del nivel del líquido controlado. Si se anticipan líquidos de diferentes densidades. la elevación del bucle externo debe ser lo suficientemente baja como para permitir que el líquido más ligero para empujar el líquido más pesado.
20.4.8.5
Controles de Purga
Inyección de gas de purga es una de las características de seguridad más importantes en un sistema de antorcha. Un método común para controlar el flujo de gas de purga es el uso de un orificio de dosificación y un suministro de gas de purga con presión regulada. Una disposición típica se muestra en la figura 20.58. Las características de seguridad deben incluir un filtro eficaz para prevenir el taponamiento del orificio de dosificación, un transmisor de flujo con una alarma para bajo condiciones de flujo, y una presión de suministro sustancialmente más alto que cualquier presión de cabezal de la antorcha anticipada.
20.4.8
Preventores
Supresores seco como para llamas o supresores de detonación han limitado su aplicación en sistemas de quema de plantas o de producción. Esto es debido a la preocupación de que los pequeños pasajes de un supresor podrían obstruirse, lo que lleva a un aumento de presión de retorno de la fuente de alivio o de ventilación. En el peor de los casos, la fuente podría convertirse en exceso de presión. Algunos de los motivos de preocupación en relación con el taponamiento son:
FIGURA 20.57
Sello de Bucle
Escala o desechos transportados por altas velocidades del gas de desecho en el cabezal de la antorcha composiciones de gas que incluyen compuestos con tendencia a polimerizar El flujo de dos fases transporte de líquidos o condensado en el pararrayos
Hay algunas circunstancias limitadas en las que el uso de un supresor seco puede ser aceptable. Por ejemplo, un protector puede utilizarse en sistemas que manejan, materiales o sistemas que pueden s er fácilmente cerradas por mantenimiento debe detectarse un exceso de presión seca relativamente limpio. Al igual que con todos los problemas del sistema de antorcha, se requiere una cuidadosa atención a los aspectos de seguridad del primer objetivo.
20.5 PRODUCTOS DE LA COMBUSTION DE ANTORCHA Una llamarada industrial es la tecnología más adecuada y ampliamente utilizadas para la eliminación de grandes cantidades de emisiones de vapores orgánicos. En la década de 1980, la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. (EPA) llevó a cabo varias pruebas para determinar la destrucción y la eficiencia de la combustión de una antorcha industrial que opera en condiciones normales. Basado en parte en estas pruebas, la EPA de los EE.UU. hizo varias decisiones relativas al diseño de una bengala. El propósito de esta sección es analizar los resultados de estas pruebas y resoluciones de la US EPA sobre el diseño de antorcha.
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The John Zink Combustion Handbook
FIGURA 20.58 20.5.1
Estación de Control de Purga
Los términos de la eficiencia de la combustión y eficiencia de destrucción con frecuencia y erróneamente han sido considerados sinónimos. De hecho, estos dos conceptos son muy diferentes. Una llamarada de funcionamiento con una eficiencia de combustión de 98% se puede lograr una eficiencia de destrucción en exceso de 99,5%.
20.5.1.1
Eficiencia de la Reacción
Definición de la destrucción y la eficiencia de la combustión
Eficiencia de destrucción es una medida de la cantidad del hidrocarburo original serán destruidos, es decir, se divide en las formas no-hidrocarburos, específicamente de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO₂) y vapor de agua (H₂0). La eficiencia de destrucción se puede calcular por un balance de carbono como sigue:
(20.4)
El término %DE es el porcentaje de eficiencia de destrucción y CO₂, CO, y UHC son las concentraciones de volumen de dióxido de carbono, monóxido de carbono y de hidrocarburos no quemados (como el metano) en la columna al final de la flama, respectivamente. Observe que si no hay hidrocarburos sin quemar escaparon de la llama, la eficiencia de destrucción sería 100%. La eficiencia de combustión es una medida de la cantidad del hidrocarburo original de quema completamente a dióxido de carbono y vapor de agua. Utilizando el enfoque de balance de carbono, eficiencia de la combustión se puede calcular como:
(20.5)
Donde %CE es la eficiencia de la combustión por ciento. Tenga en cuenta que incluso si no hay hidrocarburos no quemados escapan a la llama, la eficiencia de la combustión puede ser inferior a 100% porque el CO representa combustión incompleta. Es evidente a partir de las Ecs. (20.4) y (20.5) que la eficiencia de la combustión siempre será menor que o igual a la eficiencia de destrucción.
20.5.1.2
Revisión técnica de eficiencia de combustión de antorcha industrial
En 1983, la Compañía John Zink y la Asociación de Fabricantes de Productos Químicos (CMA) financiaron conjuntamente un proyecto de investigación destinado a determinar las emisiones de antorchas funcionando en condiciones normales, en el mundo real conditions.18 varias mezclas de propileno cruda y nitrógeno se utiliza como combustible primario , con gas valores caloríficos inferiores de residuos (visitadoras) que varía de aproximadamente 80 hasta 2200 las tasas de Btu / scf y el flujo de hasta 3000 lb / hr. Las pruebas se llevaron a cabo utilizando vapor asistida, asistida por aire, y antorchas no asistidas. Estas pruebas concluyeron que antorchas que operan con una llama estable normal de alcanzar eficiencias de combustión mayores que o igual a otras tecnologías de control disponibles. La EPA de los EE.UU. dictaminó que una antorcha se puede lograr una eficiencia de combustión del 98% o mayor si la velocidad de salida de la corriente de residuos orgánicos, en la boquilla de la antorcha, se encuentra dentro de los siguientes límites:
Antorchas
631
Solución: Debido a LHV del combustible es de 450 Btu / scf, la
Antorchas no asistidas y asistidas por vapor:
-
ecuación. (20.7) se utiliza para determinar la velocidad máxima:
Si 200 Btu/scf < LHV < 300 Btu/scf,
-
(20.6)
Si 300 Btu/scf < LHV < 1000 Btu/scf,
(20.7) -
Si LHV > 1000 Btu/scf,
(20.8)
Antorcha asistida por aire: Si LHV > 300 Btu/scf,
20.5.1.2.1
(20.9)
(20.10)
=
Velocidad máxima permitida, m/s Constante, 6.0 vol% hidrogeno Constante, 3.9 (m/s)/vol% hidrogeno Vol% hidrogeno, en base húmeda
La ecuación (20.10) sólo se debe utilizar para bengalas que tienen un diámetro de 3 pulgadas o mayor, son no asistida, y tienen un contenido de hidrógeno de 8,0% (en volumen) o mayor. Ejemplo 20.1
(20.11)
Emisiones
Antorchas industriales han sido aprobadas por la Ley de Aire Limpio Enmiendas a ser una de las tecnologías de control aceptables que pueden destruir eficazmente los vapores orgánicos. El documento AP-42 dirección EPA de los EE.UU. sugieren que una llamarada funciona correctamente, con una eficiencia de combustión del 98% o mayor, emitirá UHC, CO y NOx en los siguientes tipos:
Como el hidrógeno tiene un LHV volumétrico inferior gases orgánicos comúnmente quemados en antorcha, la EPA de EE.UU. modificada 40 CFR 60 para incluir una provisión para el contenido de hidrógeno. La EPA cree que las bengalas de combustible de hidrógeno, cumplir la limitación de la velocidad máxima, como se muestra a continuación, va a lograr una eficiencia de combustión de 98% o mayor.
Donde
20.5.2
Enriquecimiento de Hidrógeno
( ) = = =
UHC = 0,14 lb / MMBtu despedido CO = 0,37 lb / MMBtu despedido NOx = 0,068 libras / MMBtu despedidos
En 40 CFR 60.8c, las normas indican que durante los periodos de arranque, parada o mal funcionamiento, las emisiones por encima del límite regulado no puede ser considerada como una violación. Esto incluye UHC, CO y NOx. Esto también podría interpretarse en el sentido de que los límites de velocidad de salida no se aplican en estas condiciones. Sin embargo, de acuerdo con 40 CFR 60.10 (c), los Estados pueden tomar sus propias reglas con respecto a las operaciones de bengala, siempre y cuando sean más estrictas que el fallo EPA EE.UU. Dado que las normas están en un constante estado de cambio, el lector deberá determinar la normativa vigente para el complejo industrial de que se trate. Ejemplo 20.2 Dado:
Siguiendo las condiciones del ejemplo 20.1, se supone que la antorcha está bien diseñado y operado de acuerdo con la decisión EPA EE.UU.
Halle:
Las libras de UHC, CO, y NOx emitidos en 1 año si la antorcha está quemando el gas de escape a una velocidad de 10.000 libras/hr (4.500 kg/hr), 50 veces al año, durante 1 hora durante cada evento (descuidar la contribución de las emisiones de los pilotos y el gas de purga). La densidad del gas es de 0,05 lb/scf.
Solución: En primer lugar determinar cuántos BTU se liberan en
Dado:
Una llamarada asistida por vapor quema un gas con un LHV de 450 BTU/scf y 160 (71 ).
Halle:
La máxima velocidad de salida del gas en la boquilla de la antorcha para lograr una eficiencia de combustión de 98% o mayor según el fallo EPA de los EE.UU.
1 año (yr):
632
The John Zink Combustion Handbook
(20.12) Las libras de UHC, CO, y NOx emitida en 1 año se calculan de la siguiente manera:
20.5.3
(20.13)
Donde
= = = = = =
(20.16)
Concentración de GLC predicha,
g/m³
Tasa de emisión de la fuente, g/s Velocidad del viento horizontal a la altura central de la pluma, m / s Pluma altura central por encima del
suelo, m
(20.14) (20.15)
Dispersión
Si una antorcha falla en no disponer adecuadamente de vapores tóxicos, corrosivos o inflamables, podría representar un serio peligro para la salud del personal en las cercanías y en la comunidad a favor del viento de la liberación. Sax ofrece información extensa sobre muchos de los compuestos que se envían a veces a una antorcha. Es importante que los dueños tengan un análisis de dispersión de su llamarada realizado. Un análisis de dispersión es un método estadístico utilizado para estimar una concentración a favor del viento de un gas que se ventila a la atmósfera o emitida de una flama. Modelos de dispersión son ampliamente utilizados en la industria y se han utilizado en el pasado para alturas Quemador de gas residual tamaño, estimar los peores escenarios de comunicados de emergencia, y determinar los posibles problemas de olor . Los modelos matemáticos de dispersión de gas de la chimenea comenzaron en la década de 1930. En ese momento, estos modelos fueron un tanto simplificada. Hoy en día, sin embargo, a través de la llegada de los ordenadores, estos modelos se han vuelto más sofisticados y capaces de capturar mucho más detalle de la problema de la dispersión. El propósito de esta sección es discutir los conceptos generales utilizados para la estimación de la concentración a nivel del suelo (GLC) de un contaminante emitido por una antorcha. Cuando un contaminante se emite desde una llamarada, que se dispersa medida que se mueve a favor del viento por la turbulencia atmosférica y, en menor medida, por la difusión molecular, como se ilustra en la figura 20.59. La GLC de un contaminante a favor del viento de la antorcha depende de lo rápido que el contaminante se está extendiendo perpendicular a la dirección del viento y en la altura de la pluma por encima del suelo. La velocidad a la que un contaminante se está dispersando, a su vez, depende de factores tales como la velocidad del viento, la hora del día, nubosidad, y el tipo de terreno. El modelo de dispersión gaussiano fue uno de los primeros modelos desarrollados para estimar GLC. Este modelo supone que la concentración de los contaminantes, en tanto el viento de costado y verticales direcciones, toma la forma de una distribución de Gauss sobre la línea central de la pluma y se escribe como sigue:
Derivaciones estándar de las distribuciones de la concentración en las direcciones de viento cruzado y vertical, respectivamente, m viento cruzado distancia, m (véase la figura 20.59)
Este modelo de dispersión gaussiano se obtuvo asumiendo una columna continua boyante, fuente de un solo punto, y el terreno plano. Beychok analiza las deficiencias de los modelos de dispersión de Gauss. Beychok sugiere que es realista esperar que los modelos de dispersión de Gauss para predecir consistentemente concentraciones del mundo real penacho de dispersión dentro de un factor que puede ser tan alta como 10. Modelos de dispersión de Gauss, sin embargo, son útiles para que puedan dar una estimación y comparación de los niveles de contaminantes de fuentes puntuales elevadas ásperas y bastante rápidas. La exactitud de un modelo de dispersión gaussiano depende de lo bien que se puede determinar la elevación de la pluma, H, a cualquier distancia a favor del viento dada y coeficientes de dispersión, y . Un método de clasificación de la estabilidad atmosférica estándar, conocido como la clasificación Pasquill-Gifford-Turner, es ampliamente utilizado en los modelos de GLC. Este método clasifica la estabilidad de la atmósfera en seis clases que varían desde muy inestable (clase A) a muy estable (clase F). Una atmósfera que es estable tiene bajos niveles de turbulencia y se dispersará un contaminante más lentamente que un ambiente inestable. Los coeficientes de dispersión, y , son dependientes de la cantidad de turbulencia en la atmósfera y son, por lo tanto, relacionadas con la clase de estabilidad atmosférica. Para obtener más información acerca de las ecuaciones que describen los coeficientes de dispersión, véase Turner. La altura de la pluma se define como la distancia vertical desde la parte central de la pluma de grado, como se ilustra en la figura 20.59. Hay varias variables que pueden afectar a la altura de la pluma. Estas variables se dividen en dos categorías: los factores de emisión y los factores meteorológicos. Los factores de emisión incluyen (1) la velocidad de pila de gas de salida, (2) diámetro de salida de la chimenea, (3) altura de la pila, y (4) la temperatura de los gases emitidos. Los factores meteorológicos incluyen (1) la velocidad del viento, (2) la temperatura del aire con la altura, (3) cizalladora del viento con la altura. (4) la estabilidad atmosférica, y (5) del terreno. Ninguna de las ecuaciones reportadas en la literatura para estimar las alturas de pluma, sin embargo, tener en cuenta
Antorchas
FIGURA 20.59
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Geometría para el cálculo de la dispersión.
Todos los factores de emisión y meteorológicos. Para una revisión de estas ecuaciones, véase Moisés, Strom, y Carson. El análisis por GLC es muy complejo debido a que los resultados pueden depender de muchas variables, como se discute brevemente más arriba. En el pasado, los ingenieros y los científicos han descrito GLC modelaje como un arte más que una ciencia. Sin embargo, este paradigma está cambiando debido a la más sofisticada computadora models.25 Debido a la complejidad de estos modelos, se debe consultar a un experto cuando se requiere el análisis de GLC.
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