Clayton A. Francis de Zeeco, EE.UU., explica por qué los mayores impactos ambientales de los flares pueden parecer a menudo inofensivos.
A veces, cosas que parecen inofensivas pueden ser perjudiciales. Según la Organización Mundial de la Salud, son más los jóvenes de hoy en día que corren el riesgo de perder la audición debido a sus audifonos que por el volumen de los conciertos y sitios de música.1 Es la exposición habitual y aparentemente insignificante la que tiene más impacto, no, como cabría esperar, la exposición infrecuente. Este fenómeno es válido en otros aspectos de la vida cotidiana, incluido el impacto de ciertos equipos de proceso.
Los miembros de la comunidad y los expertos en reglamentación se han preguntado a veces si los flares son eficacientes en su función de eliminación confiable, segura y ambientalmente responsable del gas. Las extensas pruebas realizadas durante cuatro décadas han confirmado que los flares que operan correctamente protegen de forma confiable el medio ambiente, así como a los equipos y al personal de las instalaciones. Las pruebas se han realizado principalmente en escenarios de operación ideal de la boquilla de flare y sus flujos comunes. Sin embargo, factores tan variados como una formación insuficiente, la falta de medición del proceso u otros obstáculos operativos pueden conducir fácilmente a una operación ineficaz e ineficiente de un flare.
Al considerar la complejidad añadida de las tecnologías de combustión sin humo, otro factor operativo es la relación crítica entre los flujos del gas de combustión y de los medios de inyección sin humo. Cuando se aplica demasiado vapor o aire -los dos medios de inyección sin humo más comunes-, la zona de combustión puede diluirse hasta reducir la eficaciencia de la combustión o incluso detenerla por completo. Además de asegurarse de que el diseño inicial del flare cumple con la legislación ambiental, es imprescindible que el diseño de flare ofrezca protección contra la liberación de hidrocarburos no quemados, incluso con el bajo flujo/purga normal del flare.
Una dificultad inherente a las tecnologías de flares sin humo es que se requieren flujos mínimos en los medios de inyección sin humo para proteger el equipo de combustión de daños térmicos. Estos flujos mínimos, ya sea un flujo especificado por el fabricante del equipo o una limitación de reducción pragmática del equipo, son algo elevados en comparación con el gas combustible mínimo de purga que fluye hacia el flare. Este desequilibrio entre el flujo mínimo del flare y el flujo comparativamente grande de los medios inertes sin humo puede ser devastador para la eficiencia de la combustión. Dado que los flares rara vez fluyen a flujos imprevistos significativos, esta problemática ineficacia de la combustión en los flujos de purga constituye la operación normal, hora por hora. De este modo, lo aparentemente inofensivo constituye el mayor impacto ambiental de los flares.
Los riesgos del desequilibrio entre los medios de inyección sin humo y el gas de flare han sido estudiados e identificados por los investigadores y los organismos reguladores, lo que ha dado lugar a normativas en EE.UU. que vigilan y controlan estrechamente esta relación para garantizar una combustión adecuada incluso en flujos mínimos.2,3 En el caso de las tecnologías convencionales de boquillas de flare sin humo, se requiere un aumento de los flujos de purga de combustible para cumplir la normativa sobre eficiencia de la combustión en la operación normal sin alteraciones, lo que conduce a un mayor consumo de gas combustible y a desafíos para los permisos de operación existentes. Al revelar que es probable que se produzca un impacto tan negativo en la operación normal, es necesario mitigar el desequilibrio entre los flujos mínimos de inyección de vapor y de gas de purga en flares.
Reducir el consumo de vapor
Los flares se hacen sin humo asegurando la disponibilidad de suficiente aire y oxígeno arrastrado y mezclado con el flujo de hidrocarburos, de modo que toda la unión carbono-carbono se oxida. Con las tecnologías de falres asistidos con vapor, no es el propio vapor el que hace que la flama no produzca humo, sino principalmente el aire impulsado y arrastrado por el flujo de vapor. Los avances en la tecnología de flare asistido con vapor, tanto si se trata de reducir el consumo de vapor como de mejorar el rendimiento de la zona de combustión en flujo bajo, empiezan por aumentar la eficiencia con la que el aire es transportado por el vapor.
Zeeco Los ingenieros desarrollaron la tecnología de flare HC de SteamForce para resolver los problemas ambientales mediante un mecanismo eficiente de inyección de vapor. La reducción del consumo de vapor tiene multitud de efectos positivos en los costos de explotación, el impacto ambiental y el cumplimiento de las normas de operación. En el nuevo diseño, un único elevador de gas de flare se distribuye entre varias boquillas de vapor. Los ensambles de boquillas se componen de un venturi de conducción de aire rodeado concéntricamente por un anillo de gas de flare (Figura 1). Cada boquilla utiliza la inyección de vapor como fuerza motriz en su base, y está rodeada en su perímetro por un anillo de chorro para garantizar la mezcla completa y la interacción entre el gas de flare y el aire de combustión que reduce el humo.
Tecnología de inyección de vapor
En las primeras tecnologías de inyección de vapor, un inyector impulsa el aire ambiente hacia la zona de combustión, casi siempre con un colector de inyectores alrededor del perímetro de la boquilla. El uso de tubos de vapor/aire (S/A) aumenta la eficacia de la inyección de aire a vapor al recoger el aire con una campana de entrada, y luego transportar ese volumen de aire a través de un tubo hasta el núcleo de la zona de combustión. El aumento del volumen de aire y su despliegue en las regiones de difícil acceso del gas de flare han sido la base de la mayoría de las boquilla de flare asistida con vapor de alta capacidad durante décadas. Sin embargo, han persistido dos ineficiencias en el sistema: los tubos de S/A requerían un inglete o curva para dirigir correctamente el flujo, lo que restaba eficiencia, y el tubo tiene un diámetro constante en toda su longitud (Figura 2, izquierda).
Las altas velocidades en el tubo S/A cuando se opera a alta capacidad crean pérdidas de arrastre y de caída de presión, limitando el suministro de aire total para cada tubo. Varias tecnologías más recientes incorporan tubos rectos para mejorar el rendimiento; sin embargo, el flujo sigue siendo restringido y las eficiencias limitadas en la configuración de diámetro consistente (Figura 2, derecha). Los venturis son dispositivos muy conocidos y se han utilizado en equipos de todas las plantas de proceso para comprimir, propulsar o multiplicar flujos.
Los verdaderos venturis sólo se han incorporado recientemente a las boquillas de flare asistidas con vapor para la propulsión de aire. El cono de expansión que se encuentra aguas abajo de la sección de compresión del venturi evita la resistencia y la limitación del diseño de tubo de diámetro recto (Figura 3).
En general, el impulso del vapor expulsado por la boquilla de vapor (en ambos dispositivos) arrastra el aire circundante hacia la campana de entrada. La mezcla de aire y vapor fluye entonces a través de la sección recta, desarrollándose el flujo. En el diseño venturi, el flujo se desplaza entonces a través de la campana de salida, que aumenta gradualmente su área de salida, reduciendo la presión, lo que permite que se desplace más flujo a través del sistema. Mediante pruebas empíricas, este diseño de tubo ha demostrado un aumento de hasta el 80% en el volumen de aire para el mismo flujo de vapor para un tubo S/A de tamaño similar (Figura 4). Este aumento de la propulsión de aire se traduce en un importante ahorro de vapor en las capacidades sin humo (alteración), pero lo más importante es que la reducción del consumo de vapor se aplica también a los flujos normales de purga diarias.
Figura 4. Para un flujo de vapor de 3.427 libras/hora, el diseño venturi sin premezcla puede extraer 49.572 libras/hora de aire en comparación con las 27.468 libras/hora de aire de un dispositivo de tubo recto con premezcla de gas de flare, vapor y aire. Además, el dispositivo venturi logró una relación de masas de 14,47 libras de aire por 1 libra de vapor, en comparación con las 8,06 libras de aire por 1 libra de vapor del dispositivo de tubo recto.
La mejora del acceso al suministro de aire ambiente en las configuraciones de flare es un concepto que ha demostrado su eficacia en los flares terrestres de varios puntos, las tecnologías sónicas de brazos múltiples y otras. Con puntos de inyección adicionales, los límites de interacción entre el gas de flare y el oxígeno disponible aumentan, por lo que se introduce más oxígeno en la zona de combustión. Sólo recientemente se ha aplicado este concepto a los flares asisistidos por vapor, ya que tradicionalmente han sido un único y largo barril. El reparto del flujo de hidrocarburos entre múltiples conjuntos de boquillas multiplica la proporción de aire ambiente en contacto con los flujos de hidrocarburos en el flare. Esta configuración crea un flujo anular para el gas de flare (Figura 1), es decir, está rodeado de aire tanto en su perímetro interior como exterior. Al encapsular el gas de esta manera se garantiza una mayor interacción entre el vapor y el aire, lo que aumenta aún más la capacidad de combustión. En última instancia, las tecnologías de combustión de vapor se comparan por la relación de inyección de masa de vapor a hidrocarburos (S/HC) necesaria para que las composiciones de gas individuales sean sin humo. Cuando se utiliza propileno como medio de gas de prueba, las tasas de S/HC esperadas son de 0,55 para la configuración tradicional de flare asisitido por vapor sólo de inyección superior y de 0,38 para los diseños de tubo S/A doblado. Por el contrario, un diseño anular requiere un flujo de 0,25 kg de vapor por cada 1 kg de propileno quemado sin humo (Figura 5).
Figura 5. Lo anterior muestra el ahorro en el consumo de vapor mediante el uso de un flare HC SteamForce en comparación con el uso de un tubo S/A doblado convencional o una boquilla de flare de vapor superior.
El rendimiento del flare se optimiza normalmente con flujos superiores al mínimo, utilizando velocidades y turbulencias lo suficientemente altas como para superar las influencias externas, como los vientos cruzados. En la boquilla SteamForce HC, se instala un anillo de chorro alrededor del perímetro de la boquilla para garantizar una interacción adecuada entre el aire de combustión y el gas de flare con flujos mínimos. Algunos proveedores especifican presiones operativas de flare relativamente altas, como 2 - 5 psi, para lograr los parámetros de rendimiento prometidos. Estas tecnologías se basan en la energía cinética de los gases en los flujos de emergencia o inestables para optimizar el rendimiento. Sin embargo, multitud de flares asisitidos por vapor funcionan a presiones máximas más bajas, y el rendimiento de estas boquillas suele resentirse drásticamente a bajos flujos. Por el contrario, un anillo de chorro pastorea la forma del flujo del flare, asegurando que interactúa correctamente con el núcleo de aire educado, y mantiene el rendimiento de la boquilla en todo su rango operativo, sobre todo a bajo flujo.
Condiseraciones operativas y de costo
Dado que los eventos de quemado son poco frecuentes y normalmente de corta duración, los flujos de vapor de refrigeración constante constituyen la mayor parte del vapor consumido por una boquilla de flare sobre una base anual. El flujo de vapor de enfriamiento protege la integridad de los inyectores al mitigar los efectos del calor de la zona de combustión; este flujo y sus efectos negativos se agravan en climas más fríos. Con el diseño SteamForce HC, esencialmente toda la inducción de aire sin humo se produce en la base de la boquilla. Como resultado, los inyectores no están tan sujetos a daños térmicos. Y lo que es más importante, el mayor volumen de aire impulsado por los tubos venturi reduce aún más el flujo mínimo de vapor necesario para proteger el equipo. Se necesitan muy pocas boquillas venturi para lograr capacidades comparables de eliminación de humo, lo que reduce de nuevo las necesidades de vapor de purga (Tabla 1).
Como aproximación general el tiempo en el que en un flare pasa el flujo de purga frente a una gran carga de desfogue, se ha utilizado razonablemente en la industria la proporción de 95% a 5%. Los usuarios finales tienen un registro del flujo de inyección de vapor máxima y el flujo de vapor mínimo para el flare, por lo que un análisis básico entre las diferentes tecnologías demuestra cómo el costo de operación de la boquilla de flare puede estar dominado por el caso normal y mínimo. La utilización de un valor general de 12 dólares/1000 libras para la generación de vapor pone de manifiesto la capacidad de ahorro de costos de la nueva tecnología de flare asistidos por vapor (Tabla 2).
El método que se muestra en la Tabla 2 para calcular el costo de operación está simplificado y sólo considera el ahorro en el suministro de vapor.4 Cuando los reguladores y los usuarios consideran además la solidez de la zona de combustión, a veces expresada como valor calorífico neto de la zona de combustión (NHVcz), debe añadirse un flujo de combustible enriquecedor con flujos de purga mínimas para garantizar una combustión saludable. La cantidad de inyección de gas combustible necesaria está directamente relacionada con el flujo de vapor mínima, por lo que el ahorro operativo de la tecnología de combustión de la empresa puede ampliarse aún más en función de los costos del combustible y de la normativa local. En particular, este diseño no premezcla el aire inducido y el gas de flare antes de la salida del extremo del flare y la ubicación del piloto. La ausencia de premezcla significa que no es necesario incluir el aire inducido en los cálculos de NHVcz, tal como se describe en el Código de Reglamentos Federales de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), Capítulo 1, Subcapítulo C, Parte 63, Subparte CC.3 Cuando el aire de combustión se premezcla con el gas de flare antes de la salida, tiene el efecto de diluir el rendimiento de la zona de combustión incluso más que el propio vapor. Al no introducir el aire de combustión hasta la salida del flare, sólo hay que enriquecer el flujo de vapor, lo que ahorra al operador un importante costo de gas combustible de enriquecimiento.
La longevidad de la boquilla del también se puede mejorar. Los vectores de inyección de vapor y aire son verticales, lo que mitiga la posibilidad de que se produzca un taponamiento de la flama. Las antiguas tecnologías de inyección de vapor tenían una inclinación horizontal en la trayectoria del vapor. Cuando los flujos de gas del flare son mínimos, el flujo de vapor imparte más presión, velocidad e impulso que el flujo de combustible. El desequilibrio en el flujo da lugar a un "tapón" efectivo sobre la salida del flare, y este tapón a menudo empuja la combustión hacia abajo dentro del barril del flare. Esta reacción química reductora a alta temperatura dentro de la boquilla causa daños irreparables con el tiempo y es un modo de fallo común de las puntas asistidas por vapor. Múltiples fuentes de inyección de vapor que requieren múltiples válvulas de control pueden exacerbar este daño porque es posible aplicar una inyección de vapor superior demasiado agresiva en comparación con el nivel aplicado a través de los tubos S/A. Sin embargo, cuando se utiliza una sola fuente de vapor y un solo control, la combinación de vectores de inyección superior y el control de un solo punto eliminan la combustión interna de la boquilla del flare y proporcionan una mayor longevidad y valor a la instalación a lo largo del tiempo.
CONCLUSIONES
La opinión pública considera que las flamas altas y brillantes que salen de las chimeneas son el mayor riesgo para la salud y el medio ambiente. Irónicamente, estas flamas indican una alta eficiencia de destrucción y que el flare está descomponiendo correctamente los hidrocarburos hasta alcanzar composiciones seguras. Lo que se ha malinterpretado es que los flujos diminutos, casi imperceptibles, son los más susceptibles a la sobreaplicación de vapor y aire. El exceso de aireación es el responsable de los mayores daños medioambientales, y su rectificación supone una mejora significativa de los costos de capital y de operación. Al crear un mecanismo de inyección de vapor más eficaz, se mejora la zona de combustión durante el caso de uso predominante de bajo flujo, mientras que simultáneamente se utiliza menos vapor en condiciones de alto flujo o disturbios.
REFERENCIAS
- 'Haga seguro el escuchar', Organización Mundial de la Salud, https://www. who.int/pbd/deafness/activities/MLS_Brochure_English_lowres_ for_web.pdf, (consultado el 14 de enero de 2019).
- 'Parametros para el correcto diseño y operación de Flares', US EPA Oficina of Estándares y Planeación de la Calida del Aire, https://www3. epa.gov/airtoxics/flare/2012flaretechreport.pdf, (consultado el 14 de enero de 2019).
- EPA 40CFR 63.671.
- 'Compare el costo de combustible en la generación de vapor', Departamento de Energía de E.U., https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f16/ steam15_benchmark.pdf, (consultado el 14 de enero de 2019).