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Par Clayton A Francis le 15 mars 2019

Clayton A. Francis, Zeeco, USA, explique pourquoi les impacts environnementaux les plus importants des équipements de torchage peuvent souvent sembler inoffensifs.

Parfois, des choses qui semblent inoffensives peuvent être nuisibles. Selon l'Organisation mondiale de la santé, les jeunes d'aujourd'hui sont plus nombreux à risquer une perte d'audition à cause de leurs appareils audio personnels qu'à cause du volume des concerts et des salles de musique.1 C'est l'exposition banale, apparemment insignifiante, qui a le plus d'impact, et non, comme on pourrait s'y attendre, l'explosion peu fréquente. Ce phénomène se vérifie dans d'autres aspects de la vie quotidienne, notamment l'impact de certains équipements de traitement.

Les membres de la communauté et les experts en réglementation se sont parfois demandés si les torchères étaient efficaces dans leur travail d'élimination fiable, sûre et écologique des gaz. Des tests approfondis, s'étendant sur quatre décennies, ont confirmé que des torches correctement exploitées protègent de manière fiable l'environnement ainsi que l'équipement et le personnel dans une installation opérationnelle. Les tests ont principalement été effectués dans des scénarios de fonctionnement idéal de la pointe de la torche et de ses flux utilitaires. Cependant, des facteurs aussi variés qu'une formation insuffisante, un manque de mesure du processus, ou d'autres obstacles opérationnels peuvent facilement conduire à une opération inefficace et inefficiente d'une torche de processus.

Lorsque l'on considère la complexité accrue des technologies de torchage sans fumée, un autre facteur opérationnel est la relation critique entre les débits des gaz de torche et des médias d'injection sans fumée. Lorsqu'une trop grande quantité de vapeur ou d'air - les deux médias d'injection sans fumée les plus courants - est appliquée, la zone de combustion peut être diluée jusqu'à ce que l'efficacité de la combustion soit réduite ou même complètement arrêtée. En plus de s'assurer que la conception initiale de la torche est conforme à la législation environnementale, il est impératif que la conception de la torche assure une protection contre le rejet d'hydrocarbures non brûlés, même au faible débit/purge normal de la torche.

Une difficulté inhérente aux technologies de torches sans fumée est que des débits minimums d'utilité du média d'injection sans fumée sont nécessaires pour protéger l'équipement de combustion des dommages thermiques. Ces débits minimums, qu'il s'agisse d'un débit spécifié par le fabricant de l'équipement ou d'une limitation pragmatique du débit dans l'équipement, sont quelque peu élevés par rapport au débit minimum de gaz de purge combustible vers la torche. Ce déséquilibre entre le débit minimum de la torche et le débit relativement important du média inerte sans fumée peut être dévastateur pour l'efficacité de la combustion. Puisque les torchères ont rarement un débit de refoulement important, cette inefficacité de combustion gênante aux taux de purge constitue l'opération normale, heure par heure. De cette façon, l'apparemment inoffensif comprend le plus grand impact environnemental de l'équipement de torche.

Les risques du déséquilibre entre le milieu d'injection sans fumée et le gaz de torche ont été étudiés et identifiés par les chercheurs et les organismes de réglementation, ce qui a conduit à des réglementations aux États-Unis qui surveillent et contrôlent étroitement ce rapport pour assurer une combustion correcte, même en cas de réduction de puissance.2,3 Pour les technologies conventionnelles d'injection de gaz de torche sans fumée, une augmentation des taux de purge du combustible est nécessaire afin de respecter les réglementations relatives à l'efficacité de la combustion lors d'un fonctionnement normal sans retournement, ce qui entraîne une augmentation de la consommation de gaz combustible et remet en question les permis d'exploitation existants. Avec la révélation qu'un tel impact négatif est probable en fonctionnement normal, le déséquilibre entre l'injection minimale de vapeur et les taux de purge des gaz de torche doit être atténué.

 

Réduire la consommation de vapeur

Les torchères sont rendues sans fumée en s'assurant que suffisamment d'air et d'oxygène entraîné sont disponibles et mélangés au flux d'hydrocarbures afin que toutes les liaisons carbone-carbone soient oxydées. Avec les technologies de torches à vapeur, ce n'est pas la vapeur elle-même qui rend la flamme sans fumée, mais principalement l'air propulsé et entraîné par le flux de vapeur. Les progrès de la technologie des torches à vapeur, qu'ils visent à réduire la consommation de vapeur ou à améliorer les performances de la zone de combustion lors de la réduction du débit, commencent par l'augmentation de l'efficacité avec laquelle l'air est transporté par la vapeur.

Zeeco ont mis au point la technologie de la torchère SteamForce HC pour résoudre les problèmes environnementaux grâce à un mécanisme efficace d'injection de vapeur. La réduction de la consommation de vapeur a une multitude d'effets positifs sur les coûts d'exploitation, les impacts environnementaux et la conformité opérationnelle. Dans la nouvelle conception, une seule colonne montante de gaz de torche est répartie entre plusieurs buses de vapeur. Les ensembles de buses sont constitués d'un venturi à canalisation d'air entouré concentriquement d'un anneau de gaz de torche (figure 1). Chaque buse utilise l'injection de vapeur comme force motrice à sa base et est entourée d'un anneau de jet pour assurer le mélange complet et l'interaction entre le gaz de torche et l'air de combustion réduisant les fumées.

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Figure 1. La cloche d'entrée venturi a été conçue pour réduire la perte de pression à l'entrée afin de maximiser l'entraînement de l'air généré par l'élan de la vapeur sortant de la buse à vapeur.


Technologie d'injection de vapeur

Dans les premières technologies d'injection de vapeur, un injecteur propulse l'air ambiant dans la zone de combustion, le plus souvent avec un collecteur d'injecteurs autour du périmètre de la pointe. L'utilisation de tubes vapeur/air (S/A) augmente l'efficacité de l'injection air-vapeur en collectant l'air avec une cloche d'entrée, puis en transportant ce volume d'air à travers un tube jusqu'au cœur de la zone de combustion. L'augmentation du volume d'air et son déploiement dans les régions difficiles d'accès du gaz de torche sont à la base de la plupart des torches à vapeur de grande capacité depuis des décennies. Cependant, deux inefficacités du système ont persisté : les tubes S/A nécessitent un onglet ou un coude pour diriger correctement le flux, ce qui nuit à l'efficacité, et le tube a un diamètre constant sur toute sa longueur (figure 2, à gauche).

Les vitesses élevées dans le tube S/A lorsqu'il fonctionne à haute capacité créent des pertes par traînée et chute de pression, limitant le débit d'air global pour chaque tube. Plusieurs technologies plus récentes intègrent des tubes droits pour de meilleures performances ; toutefois, le débit est toujours limité et les rendements restreints dans la configuration à diamètre constant (figure 2, à droite). Les venturis sont des dispositifs bien connus et ont été utilisés dans des équipements d'usines de traitement pour comprimer, propulser ou multiplier les flux.

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Figure 2. La méthode du tube S/A courbé pour propulser l'air de combustion au cœur de la sortie du flux de la torche est illustrée à gauche. Les technologies plus récentes utilisent des tubes S/A droits, comme illustré à droite (source : Parameters for Properly Designed and Operated Flares ; US EPA Office of Air Quality Planning and Standards, avril 2012).2

Les véritables venturis n'ont été incorporés que récemment dans les embouts de torche à vapeur pour la propulsion aérienne. Le cône d'expansion en aval de la section de compression du venturi évite la traînée et la contrainte de la conception du tube à diamètre droit (figure 3).

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Figure 3. Dispositifs d'entraînement d'air à venturi et à tube S/A droit

En général, l'élan de la vapeur éjectée par la buse de vapeur (sur les deux appareils) attire l'air environnant dans la cloche d'entrée. Le mélange d'air et de vapeur s'écoule ensuite à travers la section droite, le flux se développant. Dans le modèle Venturi, l'écoulement passe ensuite par la cloche de sortie dont la surface augmente progressivement, ce qui fait baisser la pression et permet à un plus grand débit de circuler dans le système. Grâce à des tests empiriques, cette conception de tube a démontré une augmentation de 80 % du volume d'air pour le même débit de vapeur pour un tube S/A de taille similaire (figure 4). Cette propulsion d'air accrue permet de réaliser d'importantes économies de vapeur lors de capacités sans fumée (upset), mais surtout, la réduction de la consommation de vapeur est également applicable aux taux de purge quotidiens normaux.

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Figure 4. Pour un débit de vapeur de 3427 lbs/hr, le dispositif venturi sans prémélange peut aspirer 49 572 lbs/hr d'air, contre 27 468 lbs/hr d'air pour un dispositif à tube droit avec prémélange de gaz de torche, de vapeur et d'air. En outre, le dispositif venturi a atteint un rapport de masse de 14,47 lb d'air pour 1 lb de vapeur, contre 8,06 lb d'air pour 1 lb de vapeur pour le dispositif à tube droit.

Améliorer l'accès à l'alimentation en air ambiant dans les configurations de torches est un concept qui a fait ses preuves dans les torches terrestres à points multiples, les technologies soniques à bras multiples et autres. Avec des points d'injection supplémentaires, les limites d'interaction entre les gaz de la torche et l'oxygène disponible augmentent, de sorte que davantage d'oxygène est attiré dans la zone de combustion. Ce n'est que récemment que ce concept a été appliqué aux torches à vapeur, car elles ont traditionnellement été constituées d'un seul grand baril. La répartition du flux d'hydrocarbures entre plusieurs ensembles de buses multiplie le rapport de l'air ambiant en contact avec les flux d'hydrocarbures dans la torche. Cette configuration crée un flux annulaire pour le gaz de la torche (Figure 1), c'est-à-dire qu'il est entouré d'air sur ses périmètres intérieur et extérieur. L'encapsulation du gaz de cette manière assure une interaction supérieure entre la vapeur et l'air, ce qui améliore encore la capacité sans fumée. En fin de compte, les technologies de torche à vapeur sont comparées par le rapport d'injection de masse de vapeur et d'hydrocarbures (S/HC) nécessaire pour rendre les compositions de gaz individuelles sans fumée. En utilisant du propylène comme gaz de test, les taux S/HC attendus sont de 0,55 pour la configuration traditionnelle de torche à vapeur à injection supérieure uniquement et de 0,38 pour les conceptions de tubes S/A courbés. En revanche, une conception annulaire nécessite un taux de 0,25 kg de vapeur pour chaque kg de propylène brûlé sans fumée (figure 5).

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Figure 5. La figure ci-dessus montre les économies de consommation de vapeur réalisées en utilisant une torche HC SteamForce par rapport à l'utilisation d'un tube S/A coudé conventionnel ou d'une torche à vapeur supérieure.

Les performances de la torche sont généralement optimisées pour des débits plus élevés que les débits minimaux, en utilisant des vitesses et des turbulences suffisamment élevées pour surmonter les influences extérieures telles que les vents latéraux. Sur l'extrémité de SteamForce HC, un anneau de jet est installé autour du périmètre de la buse pour assurer une interaction correcte entre l'air de combustion et le gaz de torche à des débits minimums. Certains fournisseurs spécifient des pressions de fonctionnement de la torche relativement élevées, telles que 2 à 5 psi, pour atteindre les paramètres de performance promis. Ces technologies s'appuient sur l'énergie cinétique des gaz aux taux d'urgence ou de refoulement pour optimiser les performances. Cependant, une multitude de torchères à vapeur fonctionnent à des pressions maximales inférieures, et la performance de ces embouts souffre généralement de manière drastique à faible taux de transformation. En revanche, un anneau de jet guide la forme du flux de la torche, en s'assurant qu'il interagit correctement avec le noyau d'air éduqué, et maintient la performance de l'embout dans toute sa gamme opérationnelle, plus particulièrement à plein régime.

 

Coûts et considérations opérationnelles

Les torchères étant à la fois peu fréquentes et généralement de courte durée, les flux de vapeur à refroidissement constant constituent la majeure partie de la vapeur consommée par une torchère sur une base annuelle. Le flux de vapeur de refroidissement protège l'intégrité des injecteurs en atténuant les effets de la chaleur de la zone de combustion ; ce flux et ses effets négatifs sont exacerbés dans les climats plus froids. Avec la conception de SteamForce HC, l'essentiel de l'induction d'air sans fumée se fait à la base de l'embout. Par conséquent, les injecteurs ne sont pas aussi sujets aux dommages thermiques. Plus important encore, le volume d'air plus important propulsé par les tubes venturi réduit encore le débit de vapeur minimum nécessaire pour protéger l'équipement. Très peu d'injecteurs venturi sont nécessaires pour obtenir des capacités sans fumée comparables, ce qui réduit encore les besoins en vapeur de purge (tableau 1).

Tableau 1 : Comparaison des pointes de torches, basée sur une torche de 24 pouces assistée par la vapeur d'eau.

Comme une approximation générale du temps qu'une torche passe dans le flux de purge par rapport à une grande charge de décharge, le rapport de 95% à 5% a été raisonnablement utilisé dans l'industrie. Les utilisateurs finaux ont un enregistrement du taux maximum d'injection de vapeur et du débit minimum de vapeur pour l'équipement de la torche, et donc une analyse de base entre les différentes technologies démontre comment le coût d'opération des torches peut être dominé par le cas normal, minimum. L'utilisation d'une valeur générale de 12 $ US/1000 lb pour la production de vapeur met en évidence la capacité de réduction des coûts de la nouvelle technologie des torches à vapeur (tableau 2).

Tableau 2 : Coût d'exploitation des technologies de torchères à vapeur d'eauLa méthode présentée dans le tableau 2 pour calculer le coût d'exploitation est simplifiée et ne tient compte que des économies réalisées sur l'approvisionnement en vapeur.4 Lorsque les régulateurs et les utilisateurs prennent en plus en compte la robustesse de la zone de combustion, parfois exprimée par le pouvoir calorifique net de la zone de combustion (NHVcz), un flux de combustible enrichissant doit être ajouté à des taux de purge minimums pour assurer une combustion saine. La quantité d'injection de gaz combustible nécessaire est directement liée au taux de purge minimal, de sorte que les économies opérationnelles de la technologie de torchage de l'entreprise peuvent être encore amplifiées en fonction des coûts du combustible et des réglementations locales. En particulier, cette conception ne mélange pas l'air induit et le gaz de torche avant la sortie de la torche et l'emplacement du pilote. L'absence de prémélange signifie qu'il n'est pas nécessaire d'inclure l'air induit dans les calculs NHVcz, comme décrit dans le Code of Federal Regulations de l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA), chapitre 1, sous-chapitre C, partie 63, sous-partie CC.3 Lorsque l'air de combustion est prémélangé avec le gaz de torche avant la sortie, il a pour effet de diluer la performance de la zone de combustion encore plus que la vapeur elle-même. En n'introduisant l'air de combustion qu'à la sortie de la torche, seul le flux de vapeur doit être enrichi, ce qui permet à l'opérateur d'économiser des coûts importants de gaz combustible d'enrichissement.

La longévité de l'embout de la torche peut également être améliorée. Les vecteurs d'injection de vapeur et d'air sont verticaux, ce qui atténue la possibilité d'un recouvrement de la flamme. Les anciennes technologies d'injection de vapeur avaient une inclinaison horizontale de la trajectoire de la vapeur. Lorsque les flux de gaz de torche sont à des taux minimums, le flux de vapeur transmet plus de pression, de vitesse et de quantité de mouvement que le flux combustible. Ce déséquilibre dans le flux crée un " bouchon " efficace sur la sortie de la torche, et ce bouchon pousse souvent la combustion vers le bas dans le baril de la torche. Cette réaction chimique réductrice à haute température à l'intérieur du bec provoque des dommages irréparables au fil du temps et constitue un mode de défaillance courant des becs assistés par vapeur. Des sources d'injection de vapeur multiples nécessitant de multiples vannes de contrôle peuvent exacerber ces dommages car il est possible d'appliquer une injection de vapeur supérieure trop agressive par rapport au niveau appliqué à travers les tubes S/A. Cependant, lorsqu'une seule source de vapeur et un seul contrôle sont utilisés, la combinaison de vecteurs d'injection ascendants et d'un contrôle unique élimine la brûlure interne du bec de la torche et offre une plus grande longévité et une plus grande valeur pour l'installation au fil du temps.

 

CONCLUSIONS

Le public considère généralement que les flammes hautes et brillantes provenant des torchères constituent le plus grand risque pour la santé et l'environnement. Ironiquement, ces flammes indiquent une efficacité de destruction élevée et que la torchère décompose correctement les hydrocarbures en compositions sûres. Ce qui a été mal compris, c'est que les flux minuscules, presque inaperçus, sont les plus susceptibles d'être sur-aérés par la vapeur et l'air. La suraération est responsable de dommages environnementaux plus importants, et sa rectification entraîne une amélioration significative des coûts d'investissement et d'exploitation. En créant un mécanisme d'injection de vapeur plus efficace, la zone de combustion est améliorée pendant le cas d'utilisation prédominant de faible débit tout en utilisant simultanément moins de vapeur dans des conditions de débit élevé ou de perturbation.

 

RÉFÉRENCES

  1. " Make Listening Safe ", Organisation mondiale de la santé, https://www. who.int/pbd/deafness/activities/MLS_Brochure_French_lowres_ for_web.pdf, (consulté le 14 janvier 2019).
  2. 'Parameters for Properly Designed and Operated Flares', US EPA Office of Air Quality Planning and Standards, https://www3. epa.gov/airtoxics/flare/2012flaretechreport.pdf, (consulté le 14 janvier 2019).
  3. EPA 40CFR 63.671.
  4. 'Benchmark the Fuel Cost of Steam Generation', Département américain de l'énergie, https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f16/ steam15_benchmark.pdf, (consulté le 14 janvier 2019).
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