Nueva tecnología para reducción de emisiones: SteamForce

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Por: Clayton Francis

Zeeco Therme presenta su más reciente innovación de desafogadores con la finalidad de reducir el impacto ambiental y aportar a la baja en emisiones. 

Reducción de Emisiones a través del Diseño de una Boquilla

Colectivamente, el mundo está centrado en la reducción de emisiones y los esfuerzos de reducción de metano están completamente en marcha. En particular, las emisiones de los desafogadores están bajo escrutinio para mejorarlas, lo que requiere el desarrollo de una nueva generación de tecnología de quemadores. Una nueva tecnología de boquillas capaz de minimizar el consumo de vapor, reducir las emisiones de partículas y ser más robusta contra su mala operación, esto podría ofrecer mejoras drásticas en las emisiones de los quemadores.

SteamForce

Fundamentalmente, los desafogadores se hacen sin humo al garantizar que haya suficiente oxígeno atrapado disponible y se mezcle con el flujo de hidrocarburos para que se oxiden todos los enlaces carbono-carbono. Los avances en la tecnología de quemadores de vapor comienzan con el aumento de la eficiencia con la que el vapor transporta el aire. Los ingenieros de Zeeco desarrollaron la tecnología SteamForce Flare para resolver problemas ambientales a través de un mecanismo de inyección de vapor hiper-eficiente. En este nuevo diseño, una solo chimenea para quema de gas se distribuye entre varias boquillas de vapor de eficiencia superior. Los conjuntos de boquillas están compuestos por un venturi de expulsión de aire rodeado concéntricamente por un anillo de gas de combustión. Cada boquilla utiliza la inyección de vapor como fuerza motriz en la base de la boquilla y está rodeada en el perímetro por un anillo de chorro para asegurar la mezcla completa y la interacción entre el gas de quema y el aire de combustión que reduce el humo. 

Figura 1: La campana de entrada venturi mejorada fue diseñada para reducir la pérdida de presión de entrada para maximizar el arrastre de aire generado por el impulso del vapor que sale de la boquilla de vapor. El uso de un verdadero diseño de venturi aumenta significativamente la cantidad de aire que se puede arrastrar con una determinada cantidad de vapor. 

Una Mirada al Interior

La más impactante de las múltiples mejoras incrementales es el advenimiento de un verdadero venturi para la aspiración de aire. En el estado del arte anterior, los tubos de vapor/aire (S/A) se emplearon para aumentar la eficiencia de la inyección de aire a vapor transportando ese aire recolectado con una campana venturi a través de un tubo al núcleo de la zona de combustión. Sin embargo, los tubos S/A tienen ingletes que restan eficacia, y el tubo siempre ha tenido una métrica constante en toda su longitud.

Los venturis son un dispositivo bien conocido que se utiliza en los equipos de las plantas de proceso para comprimir, impulsar o “multiplicar” los flujos. Hasta el diseño de SteamForce, los verdaderos venturis nunca se habían incorporado en las boquillas de vapor para la propulsión de aire. El cono en expansión aguas abajo de la sección de compresión del venturi evita el arrastre y la restricción del diseño del tubo S/A. A través de pruebas empíricas, este diseño de venturi ha demostrado hasta un 80% de aumento en el volumen de aire para el mismo flujo de vapor para un tubo S/A de tamaño similar (ver Fig. 2). Esta propulsión de aire aumentada da como resultado un ahorro de vapor significativo en las capacidades sin humo (salto), pero lo que es más importante, también en las tasas de purga diaria normales.

Gráfico

Descripción generada automáticamente

Figura 2: la ilustración anterior muestra que para una tasa de flujo de vapor establecida, el diseño de venturi puede atraer un mayor flujo de masa de aire y lograr una mayor relación de masa de aire a vapor en comparación con otras tecnologías. Según estos resultados computacionales (CFD), el venturi SteamForce fluye alrededor de un 80% más de aire.

A diferencia de un solo dispositivo, el diseño de múltiples boquillas aumenta los límites de interacción entre el gas de quema y el aumento de oxígeno disponible, por lo que se introduce más oxígeno en la zona de combustión. La distribución del flujo de hidrocarburos entre múltiples conjuntos de boquillas SteamForce multiplica la proporción de aire ambiental en contacto con los flujos de hidrocarburos en el desafogador. La encapsulación entre el venturi en el centro y el aire del ambiente asegura una interacción superior entre el vapor y el aire. La eficacia de se demuestra por la mejora de vapor a hidrocarburo (S/H) requerida para la quema sin humo. Cuando se usa propileno como medio de gas de prueba, esperaríamos una tasa de S/H de 0.55 para una configuración de quemador de vapor de inyección superior tradicional y de 0.38 para diseños de tubos de S/A doblados. Por el contrario, el nuevo diseño de Zeeco solo requiere una tasa de 0,25 kg de vapor por cada kg de propileno quemado sin humo (ver Fig. 3).

Además del esfuerzo por lograr mayores capacidades de quemadores elevados sin humo, las operaciones problemáticas en el rango de operación debían ser consideradas en el diseño. Cuando se aplica demasiado vapor, la zona de combustión se puede diluir hasta que la eficiencia de la combustión se reduzca o incluso se detenga por completo. Los riesgos del desequilibrio entre el vapor y el gas de antorcha han sido estudiados e identificados por investigadores y organismos reguladores [1], lo que ha dado lugar a reglamentaciones en los Estados Unidos de América que vigilan y controlan de cerca esta relación para garantizar una combustión adecuada incluso en condiciones de reducción [2]. Para las tecnologías convencionales de boquillas de quemadores sin humo, se requiere un aumento en las tasas de purga de combustible para cumplir con las regulaciones de eficiencia de combustión en operación normal, lo que lleva a un mayor consumo de combustible. El flujo de metano agregado contrasta directamente con los nuevos objetivos de mitigación. Con la revelación que se están produciendo emisiones no deseadas durante el funcionamiento normal, se necesitaba una nueva tecnología para mitigar el desequilibrio entre la inyección mínima de vapor y las tasas de purga de gas de quema.

Costo y Consideraciones Operativas 

Debido a que los eventos de quema son poco frecuentes y típicamente de corta duración, los flujos constantes de vapor de enfriamiento comprenden la mayor parte del flujo anual de vapor. El flujo de enfriamiento de vapor protege la integridad de los inyectores al mitigar los efectos del calor de la zona de combustión. El mayor volumen de aire propulsado por los tubos venturi SteamForce significa que se requiere menos flujo para proteger el equipo, lo que reduce en gran medida el consumo total de vapor. En comparación con los diseños de boquillas tradicionales, se requieren muy pocas boquillas SteamForce para lograr capacidades comparables sin humo, lo que nuevamente reduce los requisitos de vapor (ver Fig. 3).

En la industria se ha utilizado una proporción de 95% a 5% para aproximar el tiempo que un quema pasa entre el flujo de purga versus una gran carga de alivio. Un análisis muy básico entre diferentes tecnologías demuestra que el costo operativo de las boquillas del quemador está dominado por el caso mínimo normal.

Costo de OperaciónZeeco SteamForce Quema de Vapor Comparada a Tecnologías Convencionales
Descripción de TecnologíaZeeco SteamForceVapor SuperiorSoloConvencional Tubo Doblado S/A
Número de Boquillas4MuchosMuchos
Máxima Tasa de Flujo
    Propileno (#/hr)
201,580201,580201,580
Tasa de Flujo Sin Humo
    Propileno (#/hr)
40,31640,31640,316
Relación Requerida de Inyección
    (# stm/ # fuel)
0.250.550.38
Tasa de Vapor Mínima (#/hr)2327501,910
Tasa de Vapor Sin Humo (#/hr)10,07922,17415,320
% Tiempo a la Tasa de Purga95%95%95%
% Tiempo a la Tasa Sin Humo5%5%5%
Vapor Usado por Año (#/año)3,172,6537,976,81211,300,943
Costo por Año (USD)$38,072 $95,722 $135,611 

Figura 3: la tabla compara los ahorros en el consumo de vapor y el dinero cuando se compara el Zeeco SteamForce con la tecnología de vapor superior tradicional y una llamarada de tubo S / A doblado convencional. En el análisis se utilizó un valor de $ 12 por 1,000 libras para la generación de vapor.

El método que se muestra en la Fig. 3 solo captura los ahorros en el suministro de vapor, pero es indicativo de la mejora general del rendimiento de las emisiones. Cuando las regulaciones consideran la robustez de la zona de combustión, a veces expresada como valor calorífico neto de la zona de combustión (NHVcz), se debe agregar un flujo de combustible enriquecedor a tasas normales para asegurar una combustión saludable. La cantidad de inyección de gas combustible requerida es proporcional a la tasa mínima de vapor, por lo que la mitigación de metano y los ahorros operativos del diseño SteamForce se magnifican aún más en función de los costos de combustible y las regulaciones locales.

Dominando el Caso Común

El público ve en gran medida las llamas altas y brillantes que provienen de los desafogadores como riesgos para la salud y el medio ambiente. Irónicamente, estas llamas luminosas indican altas eficiencias de destrucción y la llamarada está descomponiendo correctamente los hidrocarburos en composiciones seguras. Lo que se ha entendido mal es que los flujos más pequeños son los más susceptibles a la aplicación excesiva de vapor y aire. La sobre aireación es el mayor contribuyente a las emisiones de quema y al daño ambiental. Al crear un mecanismo de inyección de vapor ultraeficiente en SteamForce, la zona de combustión se mejora durante el caso de uso predominante de flujo bajo y, al mismo tiempo, se usa menos vapor en condiciones de flujo alto o alteraciones.

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