Le apparecchiature a combustione sono presenti nella maggior parte degli impianti operativi in tutto il mondo, indipendentemente dal settore industriale. Dal punto di vista tecnico, per apparecchiature a combustione si intende qualsiasi dispositivo che brucia combustibile per generare calore o energia. Il presente articolo si concentrerà in particolare su tre tipi di apparecchiature a combustione comunemente utilizzate come dispositivi di sicurezza, di processo o di controllo delle emissioni nel settore del GNL: torce, inceneritori e riscaldatori a combustione. Ciascuno di questi dispositivi di combustione può essere impiegato in una varietà di diverse applicazioni nel settore del GNL, dalla produzione e liquefazione del gas naturale a monte fino al trasporto, allo stoccaggio e alla rigassificazione a valle. Nonostante i loro numerosi impieghi, gli impianti a combustione tendono ad avere la reputazione di essere tra le unità più specializzate e complesse all’interno di qualsiasi impianto operativo.
Eppure, i loro principi fondamentali di progettazione sono in realtà molto semplici. Anche il nome stesso, “apparecchiature a combustione”, è piuttosto intuitivo: il fuoco viene letteralmente utilizzato per far funzionare le apparecchiature.
Sebbene il termine “fuoco” possa avere connotazioni negative nel mondo della gestione e della manutenzione degli impianti, i sistemi di riscaldamento a combustione sono tra le unità più sicure all’interno di qualsiasi impianto operativo. Questo articolo tratterà le norme tecniche, gli standard e le caratteristiche di sicurezza specifici comunemente implementati nella progettazione di torce, inceneritori e riscaldatori a combustione nel settore del GNL. È inoltre importante essere in grado di distinguere tra questi tre principali tipi di apparecchiature a combustione; pertanto, questo articolo metterà in evidenza le somiglianze e le differenze tra ciascuna di esse. Sebbene siano utilizzati in applicazioni simili, questi dispositivi di combustione differiscono per progettazione complessiva, prestazioni e funzionamento.
Torce
Quando si passa in auto vicino a un impianto di GNL di notte, potrebbe capitare di vedere una fiamma di colore giallo-rossastro che sembra sospesa nell’aria: la fonte di questa fiamma è molto probabilmente una torcia sopraelevata.
Esiste un’ampia varietà di sistemi di torcia presenti negli impianti petrolchimici e negli impianti di GNL in tutto il mondo. Tuttavia, i più comuni sono le torce sopraelevate, le torce a terra multipunto (MPGF) e le torce a terra chiuse (EGF). In generale, le torce sono considerate il tipo di apparecchiatura a combustione più reattiva e versatile rispetto a un inceneritore o a un riscaldatore a combustione. Le torce vantano rapporti di regolazione significativamente più elevati e sono in grado di bruciare e distruggere anche grandi volumi improvvisi di gas o liquidi volatili con un’efficienza di rimozione (DRE) pari o superiore al 98%. Per questi motivi, le torce sono comunemente utilizzate come dispositivi di scarico della pressione di riserva o di emergenza negli impianti di GNL o nelle strutture operative, al fine di proteggere le risorse dell’impianto e il personale.
Per un torchio è necessario tenere conto di due caratteristiche progettuali fondamentali: uno spurgo continuo e un sistema di accensione e fiamma pilota sicuro e affidabile. L’azoto o il gas combustibile devono essere spurgati continuamente attraverso il torchio e le tubazioni del collettore per impedire l’ingresso di ossigeno, che potrebbe potenzialmente causare un accumulo involontario di gas altamente infiammabili all’interno del collettore del torchio. Se la fiamma pilota del torchio accendesse questi gas, potrebbe verificarsi un ritorno di fiamma o un’esplosione, comportando ulteriori rischi per il personale dell’impianto e le attrezzature circostanti. Un sistema di accensione e di fiamma pilota sicuro e affidabile è importante tanto quanto lo spurgo continuo della torcia, poiché il sistema di accensione garantisce il mantenimento costante di una fiamma pilota continua e stabile. Se la fiamma pilota si spegnesse e si verificasse un evento di combustione di emergenza nella torcia, i vapori di scarto pericolosi provenienti dal processo a monte potrebbero essere rilasciati nell’atmosfera senza essere adeguatamente bruciati e distrutti. Tali vapori potrebbero essere altamente esplosivi e tossici, il che potrebbe comportare ulteriori rischi per la sicurezza del personale dell’impianto e dei residenti nelle vicinanze.
Al fine di prevenire l’estinzione della fiamma, i dispositivi di accensione per torce ZEECO® sono stati sviluppati e testati nelle condizioni meteorologiche più estreme a livello globale per garantire che siano in grado di produrre e mantenere una fiamma continua e stabile in ogni momento, anche in presenza di venti e piogge di intensità pari a quella di un uragano. I dispositivi di rilevamento della fiamma, quali le termocoppie e il sistema ZEECO , sono quelli più comunemente utilizzati per rilevare e confermare la presenza della fiamma pilota della torcia. Tuttavia, è possibile utilizzare dispositivi più complessi, come ZEECO e ViZion™, per rilevare sia la fiamma pilota che quella primaria della torcia. Questi dispositivi sono inoltre in grado di monitorare e controllare parametri chiave di prestazione quali l’efficienza di combustione e l’opacità del fumo.
È inoltre comune che una torcia sia dotata di un sistema di accensione e controllo certificato per l’uso in aree pericolose di Classe I, Divisione II e progettato secondo le norme API-521 e 537, fornendo al personale dell’impianto metodi intrinsecamente sicuri per l’accensione e il funzionamento dell’unità. Nel progetto di un sistema di torcia è possibile integrare anche dispositivi di sicurezza aggiuntivi, quali dispositivi di arresto della detonazione o della deflagrazione. Tuttavia, tali elementi non sono fondamentali quanto quelli già discussi. Detto questo, è importante valutare la necessità complessiva di questi dispositivi per ogni applicazione della torcia in base alle condizioni specifiche del processo e dell’alimentazione.
Figura 1. Sistema tipico di scarico di emergenza tramite torcia.
Inceneritori
Spesso ci si chiede se vi sia una differenza tra un inceneritore e un ossidatore termico, ma questi termini sono usati in modo intercambiabile per descrivere lo stesso tipo di impianto a combustione. Può essere difficile individuare un inceneritore in pieno giorno, figuriamoci di notte. A differenza della fiamma a vista di una torcia sopraelevata, la fiamma di un inceneritore è racchiusa e non è visibile dall’esterno durante il funzionamento, il che rende difficile distinguerlo all’interno di una raffineria o di un impianto di GNL.
Gli inceneritori sono generalmente considerati gli impianti a combustione più complessi e altamente automatizzati rispetto a una torcia o a un riscaldatore a combustione. Sebbene gli inceneritori non siano reattivi quanto una torcia, sono in grado di bruciare e distruggere più flussi di alimentazione gassosi o liquidi generati in modo continuo a temperature molto elevate, consentendo loro di vantare impressionanti tassi di riduzione dei residui (DRE) pari al 99,9999% o superiori. Gli inceneritori sono inoltre comunemente dotati di un pacchetto di controlli e strumentazione conforme alla norma NFPA-86 e di un sistema di gestione del bruciatore (BMS) con un controllore logico programmabile (PLC) che gestisce le sequenze di spurgo, accensione, riscaldamento, immissione dei rifiuti e spegnimento dell’unità. Le norme NFPA-86 hanno lo stesso scopo generale per gli inceneritori che le norme API-537 hanno per le torce: fornire al personale dell’impianto metodi intrinsecamente sicuri e semplici per azionare l’unità senza assumersi rischi aggiuntivi.
Una delle caratteristiche di sicurezza più importanti previste dalla norma NFPA-86 è lo spurgo pre-accensione, che rimuove i composti potenzialmente combustibili dall’inceneritore prima dell’accensione. I sensori di fiamma sono una comune misura di sicurezza che verifica la presenza sia della fiamma pilota che di quella del bruciatore principale durante l’accensione e dopo l’immissione dei rifiuti. Anche i segnali di funzionamento del ventilatore, gli interruttori di flusso dell’aria di combustione e gli interventi basati sulla temperatura di setpoint e sulla pressione del combustibile sono misure di sicurezza fondamentali disciplinate dalla norma NFPA-86 e comunemente implementate nel sistema di gestione dell’inceneritore (BMS) per garantire ulteriormente la sicurezza del personale e delle apparecchiature.
Alcuni dei sistemi di incenerimento più grandi e complessi al mondo si trovano negli impianti di liquefazione del gas naturale. Questi sistemi possono essere dotati di un’ampia gamma di dispositivi di trattamento post-combustione che consentono all’inceneritore di soddisfare i requisiti più rigorosi delle autorizzazioni ambientali relativi aSOX,NOX e CO. È inoltre comune che questi sistemi siano dotati di unità di recupero del calore residuo (WHRU) che utilizzano i gas di combustione caldi provenienti dall’inceneritore per ridurre il consumo complessivo di combustibile e generare l’energia necessaria per i processi a valle di produzione del GNL.
I sistemi di incenerimento complessi offrono all’utente finale un numero significativo di vantaggi, ma hanno un costo. Gli impianti più grandi e diversificati sono solitamente soggetti a norme e standard ingegneristici più rigorosi per garantire ulteriormente la sicurezza del personale e delle attrezzature; per questo motivo, al termine dell’analisi dei rischi di processo (PHA) o dello studio sui rischi e l’operabilità (HAZOP), viene loro comunemente assegnato un livello di integrità di sicurezza (SIL) 2 o 3. I dispositivi di trattamento post-combustione e le unità di recupero del calore di scarico (WHRU) contribuiscono solitamente a pressioni statiche interne di esercizio e di progetto più elevate, che richiedono comunemente criteri di progettazione meccanica e strutturale più rigorosi, come quelli elencati nei codici di progettazione ASME Sezione VIII e Sezione I. È inoltre comune che i soffiatori/ventilatori all’interno di questi sistemi siano progettati secondo le norme API-560 o 673, che richiedono un margine più elevato sia per le portate che per le pressioni di progetto, nonché ulteriori strumenti di strumentazione a fini di monitoraggio e controllo. È importante tenere presente che, sebbene questi codici e standard di progettazione non siano necessariamente applicati a tutti i sistemi complessi di incenerimento nel settore del GNL, ogni sistema dovrebbe essere valutato in base alla sua specifica applicazione e destinazione d’uso.
Figura 2. Sistema complesso di incenerimento con preriscaldatori di gas acidi e aria (WHRU).
Riscaldatori a combustione
I riscaldatori a combustione sono molto simili agli inceneritori per quanto riguarda la progettazione e la complessità complessiva e sono comunemente utilizzati anche nei processi a valle della lavorazione del GNL, quali la disidratazione con glicole e la rigassificazione.
Questo tipo di impianto a combustione brucia il combustibile all’interno di una sezione radiante per generare gas di combustione caldi che trasferiscono calore a una serie di tubi o serpentine all’interno della sezione convettiva. Queste serpentine contengono tipicamente un fluido termovettore liquido come il Therminol®, che viene infine distribuito ai vari processi a valle legati al GNL. È inoltre possibile che i riscaldatori a combustione brucino sottoprodotti di scarto provenienti da altri processi, ma a differenza di un inceneritore, essi sono solitamente limitati a un unico gas di scarto esotermico che rappresenta solo un massimo di circa il 10% del rilascio termico totale del sistema. Ciò viene fatto per garantire che venga mantenuta in ogni momento una fiamma del bruciatore continua e stabile. I gas di combustione all’uscita di un riscaldatore a combustione vengono scaricati nell’atmosfera con un DRE pari o superiore al 99,9% e, come un inceneritore, i riscaldatori a combustione possono essere dotati di un sistema di riduzione catalitica selettiva per ridurre ulteriormente le emissioni di NOX , se necessario.
I riscaldatori a combustione sono in genere progettati secondo gli standard API-560 e vengono solitamente forniti con un pacchetto di controlli e strumentazione conforme alla norma NFPA-87 e con un PLC BMS. Sebbene la norma NFPA-87 sia specificamente orientata ai riscaldatori a combustione, è simile alla norma NFPA-86: entrambe trattano le stesse sequenze generali e gli stessi requisiti di sicurezza, con alcune differenze. Le termocoppie a contatto diretto sono dispositivi di sicurezza aggiuntivi comunemente installati sulle serpentine all’interno del riscaldatore a combustione. Questi dispositivi vengono utilizzati per monitorare le temperature delle serpentine al fine di impedirne il surriscaldamento o la rottura, che potrebbero causare un rilascio non sicuro e non pianificato di idrocarburi pericolosi. Anche i trasmettitori di pressione differenziale possono essere utilizzati per ragioni simili: riducono la probabilità complessiva di eventi di sovrapressione all’interno dell’involucro del riscaldatore a combustione che potrebbero causare il rilascio non pianificato di idrocarburi pericolosi.
È possibile integrare ulteriori controlli e strumenti di monitoraggio nel sistema di gestione del riscaldamento (BMS) di un riscaldatore a combustione per garantire ulteriormente la sicurezza del personale e delle apparecchiature. Ad esempio, gli analizzatori di ossigeno possono essere utilizzati come dispositivi di regolazione per garantire che all’interno dell’unità sia sempre mantenuto un livello minimo di ossigeno (di solito ≥3% in volume). È inoltre possibile integrare analizzatori di sostanze combustibili e/o di metano per monitorare le concentrazioni di composti organici volatili nei gas di combustione, al fine di prevenire il potenziale rilascio, accumulo o accensione di idrocarburi pericolosi. Queste funzionalità non sono esclusive delle applicazioni relative ai riscaldatori a combustione, ma possono essere utilizzate anche in un sistema di incenerimento per gli stessi scopi generali.
Figura 3. Componenti tipici di un riscaldatore a combustione diretta.
Conclusioni
Il fuoco può essere pericoloso, ma ciò non significa che anche le apparecchiature a combustione siano intrinsecamente pericolose. Un partner affidabile nella progettazione e nella produzione può rendere la scelta meno impegnativa: è il caso, ad esempio, degli esperti di Zeeco, che vantano quasi 50 anni di esperienza nella progettazione di torri di combustione, inceneritori e riscaldatori a combustione su misura.
Questi dispositivi vengono utilizzati in tutta sicurezza ogni giorno in innumerevoli impianti in tutto il mondo. Non solo sono dispositivi di controllo delle emissioni incredibilmente efficaci, ma possono anche essere impiegati per produrre o recuperare energia per i processi a valle, con un ulteriore vantaggio per l’utente finale.