L'industria del GNL soddisfa esigenze diverse, dalla produzione di energia elettrica alla materia prima per la produzione di idrogeno e un'alternativa pulita per i trasporti. Con l'espansione del settore, gli sviluppi tecnologici lungo la catena del valore del GNL sono fondamentali per favorire la crescita.
In un tipico impianto di liquefazione, il gas naturale viene liquefatto a -259˚F (-162˚C). Il GNL risultante occupa 1/600del volume del gas naturale del volume del gas naturale, rendendo più efficiente il trasporto verso i principali mercati dove il gas naturale non sarebbe altrimenti facilmente disponibile. Inoltre, il GNL è fondamentale per trasportare il gas naturale in luoghi remoti senza accesso ai gasdotti.
L'industria del GNL è composta da vari settori che costituiscono la catena del valore del GNL, tra cui la produzione di gas naturale, gli impianti di liquefazione, il trasporto e la spedizione, lo stoccaggio e la rigassificazione. Molti di questi impianti necessitano di un sistema di torce per gestire i flussi di rifiuti dovuti a manutenzione, interruzioni di processo o interventi di emergenza.
Il sistema di torcia è stato progettato per bruciare in modo sicuro questi flussi di rifiuti e ridurre l'impatto ambientale degli impianti. Una combustione efficiente del metano prodotto in un impianto tipico è importante perché il metano incombusto ha un potenziale di riscaldamento globale (GWP) di 25, rispetto a quello di uno dei prodotti della combustione, l'anidride carbonica, che ha un GWP di uno. In genere, questi sistemi di torcia sono progettati per gestire in modo efficiente solo i flussi di rifiuti gassosi. L'API 521 afferma che: "Gocce liquide di grandi dimensioni e il carico di liquidi possono causare fumo, rilascio di gocce liquide (che bruciano o non bruciano) dalla torcia o danni meccanici".
La combustione in torcia presenta una serie di problemi di conformità, come il raggiungimento dei requisiti di emissione visibile consentiti, il soddisfacimento dei requisiti di rumore e radiazioni e i problemi di struttura, come l'assegnazione di uno spazio adeguato per il sistema di combustione e la relativa area sterile. Un'area sterile ha un accesso limitato a causa dell'eccessiva radiazione della fiamma o dei livelli di rumore. Inoltre, la torcia deve essere progettata per funzionare in tutta la gamma prevista di scenari di capacità di scarico. Nei tipici sistemi di torcia a gas, i flussi di processo liquidi, come quelli di un impianto di GNL, devono essere vaporizzati o separati utilizzando una forma di tamburo di abbattimento prima di inviare il flusso gassoso alla torcia. Questa operazione può introdurre ulteriori complessità e costi nel sistema.
Come verrà illustrato nel resto dell'articolo, Zeeco ha progettato e testato una torcia che gestisce in modo efficiente i flussi di rifiuti liquidi e offre quindi diversi vantaggi, come la riduzione dei costi dell'impianto, il miglioramento della sicurezza dell'impianto e del personale e la riduzione dell'impatto ambientale.
Test su scala reale di successo
In risposta alla richiesta di un cliente di un sistema di torcia in grado di gestire flussi di rifiuti liquidi, Zeeco ha sviluppato un sistema di torcia atomizzato a pressione e ha condotto un test su scala reale utilizzando il GNL presso la sede centrale di Broken Arrow, Oklahoma, USA. Il test di torcia ha avuto successo e ha aperto le porte a molte nuove opportunità e applicazioni per questa tecnologia nel settore del GNL.
Il GNL è stato consegnato a Zeeco in un rimorchio a doppia parete isolato sotto vuoto, successivamente collegato alla testata della torcia di prova. La pompa a bordo del rimorchio ha inviato il GNL alla punta della torcia attraverso la testata e la punta della torcia in acciaio inox. La temperatura e la pressione del flusso di rifiuti sono state registrate per determinare la fase (gas, bifase, liquido). All'inizio del test, quando la testata della torcia era a temperatura ambiente, il flusso di rifiuti era gassoso. Quando la testata si è raffreddata, il flusso di rifiuti è passato alla fase bifase e poi a quella liquida, mantenendo una fiamma stabile e senza fumo durante l'intero processo. È importante notare che il progetto della torcia ha dimostrato una combustione efficiente in tutta la gamma di condizioni operative. La punta della torcia ha resistito a condizioni estreme e a cicli termici nel corso di diversi test preliminari e poi durante i test finali condotti dal cliente, senza subire danni meccanici. Per fornire il design più robusto della punta della torcia liquida, Zeeco ha utilizzato una fusione per ridurre il numero di saldature nella zona interessata dal calore e per soddisfare i requisiti di atomizzazione meccanica.
Considerazioni sul design
Il problema principale di una torcia per liquidi è che può provocare uno spruzzo di liquidi in fiamme che potrebbe raggiungere il livello del suolo e creare un pericolo per la sicurezza. Un'efficace nebulizzazione del flusso di rifiuti liquidi risolve questo problema rompendo il flusso di liquido in piccole goccioline, aumentando così sia la superficie del liquido che il tasso di combustione. La tensione superficiale, la viscosità e la densità sono le principali proprietà del fluido che influenzano le dimensioni delle gocce di liquido e le caratteristiche del getto. Il sistema di torcia viene modellato per garantire che la nebulizzazione indotta dalla pressione sia adeguata alle proprietà di un determinato flusso di rifiuti.
L'atomizzazione a pressione significa che la nebulizzazione è generata dall'energia del flusso di rifiuti stesso e non richiede alcun mezzo di atomizzazione come vapore o aria compressa. Un altro metodo di atomizzazione comune è l'atomizzazione con gas ad alta pressione. In questo caso, il fluido viene spezzato in piccole gocce iniettando aria, vapore o gas naturale nel flusso di liquido. Il vantaggio principale dell'atomizzazione a pressione è che può funzionare senza bisogno di utenze aggiuntive e relative infrastrutture, contribuendo a ridurre i costi di capitale e operativi associati al sistema di torcia.
La stabilità della fiamma è fondamentale per il funzionamento sicuro di un sistema di torcia e per la corretta distruzione dei flussi di rifiuti. Una fiamma stabile significa che la torcia rimane accesa in tutte le condizioni operative e ambientali previste. I flussi di rifiuti magri (cioè a basso potere calorifico) e/o l'elevata velocità di uscita dei flussi di rifiuti sono cause tipiche di una fiamma instabile. La perdita di stabilità della fiamma può causare flussi di rifiuti incombusti, impatti ambientali negativi e problemi di sicurezza. Il sistema di torcia a liquido atomizzato in pressione sviluppato per questa applicazione utilizza meccanismi proprietari Zeeco per garantire una fiamma stabile. API 521, sezione 5.7.2.4, descrive varie osservazioni per determinare la stabilità della fiamma (ad esempio, un rumore a bassa frequenza e martellante è associato a una fiamma instabile, poiché il fronte di fiamma pulsa). In base alle osservazioni visibili e udibili registrate durante i test, il sistema di torcia ha mantenuto una fiamma stabile durante la transizione dalla combustione di gas naturale a quella di gas naturale/liquido bifase e poi di GNL sottoraffreddato.
Vantaggi aggiunti
Gli sviluppi dei sistemi di torcia possono offrire una moltitudine di vantaggi nella costruzione di un nuovo impianto o nell'adeguamento di uno esistente. Un argomento che richiede un'attenzione particolare è il rumore generato dalle apparecchiature. Soffiatori, compressori, essiccatori d'aria, riscaldatori, torce e altre fonti contribuiscono ai livelli di rumore professionale che devono essere presi in considerazione per garantire l'uso di dispositivi di protezione individuale e di segnaletica adeguati quando necessario. In alcuni casi, l'altezza della torcia o il raggio sterile intorno alla torcia sono determinati dai limiti di rumore; pertanto, la riduzione del livello di rumore della torcia rappresenta un grande vantaggio per la salute dei lavoratori e una potenziale opportunità di risparmio.
Infatti, l'OSHA ha riferito che "il rumore forte può creare stress fisico e psicologico, ridurre la produttività, interferire con la comunicazione e la concentrazione e contribuire agli incidenti e alle lesioni sul posto di lavoro rendendo difficile l'ascolto dei segnali di avvertimento". Ridurre l'inquinamento acustico, soprattutto nelle aree densamente popolate, può aiutare a mantenere relazioni positive con le aziende e le comunità vicine, il che si riflette positivamente sull'impianto. ZeecoÈ stato dimostrato che le tecnologie di flaring per liquidi sono in grado di smaltire in modo sicuro i flussi di rifiuti, generando al contempo meno inquinamento acustico rispetto al flaring gassoso tradizionale, con conseguente riduzione immediata del rumore dell'impianto e potenziali benefici a lungo termine per la comunità.
Il rumore generato da uno scenario di flaring può essere suddiviso in due categorie: rumore di combustione e rumore di getto. Il rumore di combustione è causato dalle espansioni e contrazioni dei prodotti di combustione dovute alle variazioni locali del rilascio di calore nella fiamma. Queste espansioni e contrazioni generano onde di pressione che vengono percepite come rumore dall'orecchio umano. Il rumore del getto (cioè il rumore dello sfiato) è dovuto all'aumento della velocità del fluido attraverso un orifizio. Il rumore del getto può essere ulteriormente caratterizzato come rumore turbolento, ovvero pulsazioni nel flusso causate dalla turbolenza, e rumore di onde d'urto quando la velocità di uscita raggiunge la velocità sonica (cioè il flusso diventa strozzato) all'uscita della torcia.
Il vantaggio dei sistemi di brillamento a liquido deriva dal fatto che i liquidi hanno velocità soniche molto più elevate rispetto ai gas. Ad esempio, la velocità del suono nel gas metano è di 925 ft/sec. (a -259˚F) mentre nel metano liquido è di 4658 ft/sec. (a -274˚F). Inoltre, i liquidi hanno densità più elevate dei gas, il che significa che la velocità di uscita dei liquidi è inferiore a parità di portata massica. Considerando la maggiore velocità sonica dei liquidi e la minore velocità di uscita per una data portata di massa, i sistemi di torcia a liquido generano un rumore di getto minimo. Ciò è stato confermato dai test sulla torcia eseguiti da Zeeco, che hanno dimostrato che la torcia liquida atomizzata in pressione produce un rumore significativamente inferiore rispetto alla torcia gassosa a parità di portata massica. La tabella 1 mostra un confronto tra i risultati dei test sui liquidi atomizzati in pressione e i risultati previsti per un sistema di torcia a gas tradizionale.
Un'altra considerazione per le strutture è l'ingombro dell'apparecchiatura e i costi ad essa associati, come le tubazioni, i supporti e altri elementi accessori. Ad esempio, la riduzione del diametro delle tubazioni comporta numerosi vantaggi, tra cui la diminuzione del peso totale del materiale delle tubazioni, la riduzione significativa dei requisiti di scaffalatura delle tubazioni, una maggiore facilità di installazione, dovuta alla minore quantità di materiale da movimentare e alla minore quantità di saldature, grazie ai diametri più piccoli delle tubazioni, la riduzione delle dimensioni degli elementi di accompagnamento (ad esempio, valvole e flange) e la riduzione dell'ingombro complessivo dell'apparecchiatura. I vantaggi della riduzione del diametro dei tubi si applicano anche al riser della torcia, che può raggiungere diverse centinaia di metri di altezza, con una riduzione delle forniture e dell'area di vento che riduce ulteriormente il costo capitale del sistema di torcia. Come già menzionato, a causa della sua maggiore densità, i flussi di rifiuti liquidi possono utilizzare tubi di diametro inferiore rispetto ai flussi gassosi per una data portata di massa.
Per mettere in prospettiva questi potenziali risparmi di sistema, un confronto tra un sistema di GNL per la combustione di liquidi e un sistema di GNL per la combustione di gas è un'utile illustrazione. Utilizzando una portata di 700.000 lb/ora, il costo stimato per un sistema di GNL per la combustione di liquidi è di 750.000 dollari. Un sistema di GNL per la combustione di gas, nelle stesse condizioni di processo, è stimato a 900.000 dollari. Questi costi sono stimati solo per la fornitura del sistema di torcia e non includono i risparmi derivanti dalle testate e dai supporti delle testate. Oltre ai risparmi sui costi di capitale, i sistemi di combustione del GNL liquido atomizzato a pressione possono ridurre il rumore e il costo complessivo di proprietà nel tempo.
Conclusione
Gli sviluppi tecnologici sono fondamentali per mantenere i progressi compiuti dall'industria del GNL negli ultimi 50 anni e per alimentarne lo sviluppo futuro. Il sistema di torcia liquida atomizzata in pressione per GNL, progettato e testato da Zeeco, è uno degli ultimi sviluppi che contribuiscono al progresso del settore, offrendo una soluzione di torcia per GNL in grado di gestire in modo affidabile il gas naturale sottoraffreddato in condizioni operative severe e criogeniche. Poiché il GNL continua a crescere in popolarità come alternativa pulita ed economica agli altri combustibili fossili, è inevitabile che vengano compiuti ulteriori progressi, spingendo l'industria del GNL verso le prossime fasi di sviluppo.
Bibliografia