Quemadura de gas

Una antorcha de gas , también conocida como chimenea de antorcha , brazo de antorcha , antorcha terrestre o foso de antorcha , es un dispositivo de combustión de gas utilizado en lugares como refinerías de petróleo , plantas químicas y plantas de procesamiento de gas natural , sitios de extracción de petróleo o gas que tienen pozos de petróleo , pozos de gas , plataformas petroleras y de gas en alta mar y vertederos .

En las plantas industriales, las antorchas se utilizan principalmente para quemar gases inflamables liberados por las válvulas de seguridad durante la sobrepresión no planificada de los equipos de la planta. ^{[1] [2] [3] [4] [5]} Durante el arranque y parada de plantas o de plantas parciales, también se utilizan a menudo para la combustión planificada de gases durante períodos relativamente cortos.

En los sitios de extracción de petróleo y gas, las antorchas de gas se utilizan de manera similar para una variedad de propósitos de arranque, mantenimiento, prueba, seguridad y emergencia. ^[6] En una práctica conocida como quema de producción , también se pueden utilizar para eliminar grandes cantidades de gas de petróleo asociado no deseado , posiblemente a lo largo de la vida útil de un pozo de petróleo. ^[7]

Cuando los equipos de una planta industrial sufren una sobrepresión, la válvula de alivio de presión es un dispositivo de seguridad esencial que libera automáticamente gases y, a veces, líquidos. Estas válvulas de alivio de presión son obligatorias según los códigos y normas de diseño industrial, así como por ley.

Los gases y líquidos liberados se dirigen a través de grandes sistemas de tuberías llamados cabezales de antorcha hasta una antorcha elevada vertical. Los gases liberados se queman a medida que salen de las chimeneas de antorcha. El tamaño y el brillo de la llama resultante dependen del caudal del material inflamable en julios por hora (o BTU por hora). ^[4]

La mayoría de las antorchas de plantas industriales tienen un separador de vapor y líquido (también conocido como tambor de eliminación) aguas arriba de la antorcha para eliminar cualquier gran cantidad de líquido que pueda acompañar a los gases aliviados.

Muy a menudo se inyecta vapor en la llama para reducir la formación de humo negro. Cuando se agrega demasiado vapor, puede producirse una condición conocida como "exceso de vapor", que da como resultado una menor eficiencia de combustión y mayores emisiones. ^[8] Para mantener el sistema de antorcha en funcionamiento, se quema continuamente una pequeña cantidad de gas, como una luz piloto , de modo que el sistema esté siempre listo para su propósito principal como sistema de seguridad contra sobrepresión.

El diagrama de flujo adyacente muestra los componentes típicos de un sistema general de chimenea industrial: ^{[1] [2] [3]}

• Un tambor de extracción para eliminar el aceite o el agua de los gases liberados. Puede haber varios tambores de extracción: tambores de alta presión y de baja presión que reciben el flujo de alivio de los equipos de alta y baja presión. Un tambor de alivio frío que está separado del sistema de alivio húmedo debido al riesgo de congelamiento.
• Un tambor con sello de agua para evitar cualquier retroceso de la llama desde la parte superior de la chimenea de antorcha.
• Un sistema alternativo de recuperación de gas para su uso durante arranques y paradas parciales de plantas, así como en otros momentos en que sea necesario. El gas recuperado se envía al sistema de gas combustible de toda la planta industrial.
• Un sistema de inyección de vapor para proporcionar una fuerza de impulso externa utilizada para mezclar eficientemente el aire con el gas aliviado, lo que promueve una combustión sin humo.
• Una llama piloto (con su sistema de encendido ) que arde todo el tiempo de modo que está disponible para encender los gases aliviados cuando sea necesario. ^[9]
• La chimenea, incluida una sección para evitar el retroceso de llama en la parte superior de la chimenea.

El esquema muestra una boquilla de abocardado de tubería. La boquilla de abocardado puede tener varias configuraciones:

• una simple bengala de tubería
• una punta sónica – presión ascendente > 5 bar
• Una punta de boquilla múltiple, sónica o subsónica
• Punta Coandă: una punta perfilada que utiliza el efecto Coandă para introducir aire en el gas y mejorar la combustión. ^[10]

La altura de una chimenea de antorcha, o el alcance de un brazo de antorcha, está determinada por la radiación térmica a la que se puede exponer el equipo o el personal. ^[11] Para la exposición continua del personal que lleva ropa industrial adecuada, se recomienda un nivel máximo de radiación de 1,58 kW/m2 ⁽ 500 Btu/h.ft²). Se permiten niveles de radiación más altos, pero para tiempos de exposición reducidos:

• 4,73 kW/m ² (1500 Btu/hr.ft²) limitarían la exposición a 3 o 4 minutos.
• 6,31 kW/m ² (2000 Btu/hr.ft²) limitaría la exposición a 30 segundos. ^[11]

Las antorchas de tierra están diseñadas para ocultar la llama de la vista y reducir la radiación térmica y el ruido. ^[10] Consisten en una caja o cilindro de acero revestido con material refractario . Están abiertas en la parte superior y tienen aberturas alrededor de la base para permitir la entrada de aire de combustión. Pueden tener una serie de boquillas de antorcha múltiples para proporcionar capacidad de reducción de la llama y distribuir la llama a lo largo de la sección transversal de la antorcha. Por lo general, se utilizan en tierra en áreas ambientalmente sensibles y se han utilizado en alta mar en instalaciones flotantes de producción, almacenamiento y descarga (FPSO). ^[10]

Cuando se extrae y produce petróleo crudo de pozos petrolíferos , el gas natural en bruto asociado con el petróleo también se lleva a la superficie. Especialmente en áreas del mundo que carecen de tuberías y otras infraestructuras de transporte de gas, grandes cantidades de dicho gas asociado se queman comúnmente como desecho o gas inutilizable. La quema de gas asociado puede ocurrir en la parte superior de una chimenea de quema vertical, o puede ocurrir en una quema a nivel del suelo en un pozo de tierra. Preferiblemente, el gas asociado se reinyecta en el yacimiento, lo que lo guarda para uso futuro mientras se mantiene una mayor presión del pozo y la capacidad de producción de petróleo crudo. ^[12]

Los avances en el monitoreo satelital, junto con la presentación de informes voluntarios, han revelado que alrededor de 150 × 10 ⁹ metros cúbicos (5,3 × 10 ¹² pies cúbicos) de gas asociado se han quemado globalmente cada año desde al menos mediados de la década de 1990 hasta 2020. ^[13] En 2011, eso equivalía a alrededor del 25 por ciento del consumo anual de gas natural en los Estados Unidos o alrededor del 30 por ciento del consumo anual de gas en la Unión Europea . ^[7] En el mercado, esta cantidad de gas, a un valor nominal de $ 5,62 por 1000 pies cúbicos, valdría US $ 29.8 mil millones. ^[14] Además, los desechos son una fuente importante de dióxido de carbono (CO ₂ ) y otros gases de efecto invernadero .

Una fuente importante de metano antropogénico proviene del tratamiento y almacenamiento de material de desecho orgánico , incluyendo aguas residuales , desechos animales y vertederos. ^[15] Las antorchas de gas se utilizan en cualquier proceso que resulte en la generación y recolección de biogás . Como resultado, las antorchas de gas son un componente estándar de una instalación para controlar la producción de biogás. ^[16] Se instalan en vertederos , plantas de tratamiento de aguas residuales y plantas de digestión anaeróbica que utilizan desechos orgánicos producidos agrícola o domésticamente para producir metano para su uso como combustible o para calefacción.

Las antorchas de gas en los sistemas de recolección de biogás se utilizan cuando las tasas de producción de gas no son suficientes para justificar su uso en cualquier proceso industrial. Sin embargo, en una planta donde la tasa de producción de gas es suficiente para su uso directo en un proceso industrial que podría clasificarse como parte de la economía circular , y que puede incluir la generación de electricidad , la producción de biogás de calidad de gas natural para combustible de vehículos ^[17] o para calefacción en edificios, secado de combustible derivado de residuos o tratamiento de lixiviados , las antorchas de gas se utilizan como un sistema de respaldo durante el tiempo de inactividad por mantenimiento o avería del equipo de generación. En este último caso, la generación de biogás normalmente no se puede interrumpir, y se utiliza una antorcha de gas para mantener la presión interna en el proceso biológico. ^[18]

Existen dos tipos de antorchas de gas que se utilizan para controlar el biogás: abiertas o cerradas. Las antorchas abiertas arden a una temperatura más baja, menos de 1000 °C y generalmente son más económicas que las antorchas cerradas que arden a una temperatura de combustión más alta y generalmente se suministran para cumplir con un tiempo de residencia específico de 0,3 s dentro de la chimenea para garantizar la destrucción completa de los elementos tóxicos contenidos en el biogás. ^{[ cita requerida ]} La especificación de las antorchas generalmente exige que las antorchas cerradas deben operar a >1000 °C y <1200 °C; esto con el fin de garantizar una eficiencia de destrucción del 98% y evitar la formación de NOx . ^[19]

El gas natural que no se quema en una antorcha se libera a la atmósfera en forma de metano. Se estima que el potencial de calentamiento global del metano es entre 28 y 36 veces mayor que el del CO2 _en el transcurso de un siglo, y entre 84 y 87 veces mayor en dos décadas. ^[20] La quema de gas natural produce CO2 y muchos otros compuestos, dependiendo de la composición química del gas natural y de lo bien que se queme en la antorcha. Por lo tanto, en la medida en que las antorchas de gas convierten el metano en CO2 _antes de que se libere a la atmósfera, reducen la cantidad de calentamiento global que de otro modo se produciría. ^{[21] [22]}

Las emisiones por quema contribuyeron a 270 Mt ( megatoneladas ) de CO2 _en 2017 y se cree que la reducción de las emisiones por quema es un componente importante para frenar el calentamiento global. ^[23] Un número cada vez mayor de gobiernos e industrias se han comprometido a eliminar o reducir la quema. ^[23] El Compromiso Global de Metano firmado en la COP26 , en el que 111 naciones se comprometieron a reducir las emisiones de metano en al menos un 30 por ciento de los niveles de 2020 para 2030, también está desempeñando un papel en aumentar el enfoque global sobre el metano.

Otros humos nocivos emitidos por la quema de gas pueden incluir hidrocarburos aromáticos ( benceno , tolueno , xilenos ) y benzo(a)pireno , que se sabe que son cancerígenos. Un estudio de 2013 concluyó que las quemas de gas contribuyeron con más del 40% del carbono negro depositado en el Ártico. ^{[24] [25]}

La quema de gas puede afectar a la vida silvestre al atraer a las aves y los insectos hacia la llama. Aproximadamente 7.500 pájaros cantores migratorios fueron atraídos y asesinados por la quema en la terminal de gas natural licuado en Saint John, Nuevo Brunswick, Canadá, el 13 de septiembre de 2013. ^[26] Se han producido incidentes similares en las quemas de las instalaciones de petróleo y gas en alta mar. ^[27] Se sabe que las polillas se sienten atraídas por las luces. Un folleto publicado por la Secretaría del Convenio sobre la Diversidad Biológica que describe la Iniciativa Mundial de Taxonomía describe una situación en la que "un taxónomo que trabajaba en un bosque tropical notó que una quema de gas en una refinería de petróleo estaba atrayendo y matando a cientos de estas polillas [halcón o esfinge]. A lo largo de los meses y años que estuvo funcionando la refinería, debe haber muerto una gran cantidad de polillas, lo que sugiere que las plantas no podían ser polinizadas en una gran área de bosque". ^[28]

Las llamaradas liberan varios productos químicos diferentes, entre ellos: benceno , partículas , óxidos de nitrógeno , metales pesados , carbono negro y monóxido de carbono . Varios de estos contaminantes se correlacionan con el parto prematuro y la reducción del peso del recién nacido . Según un estudio de 2020, las mujeres embarazadas que viven cerca de pozos de gas natural y petróleo en llamas han experimentado una tasa de partos prematuros un 50% mayor. ^[29] Las llamaradas pueden emitir metano y otros compuestos orgánicos volátiles , así como dióxido de azufre y otros compuestos de azufre , que se sabe que exacerban el asma y otras enfermedades respiratorias . ^[30]

Un estudio de 2021 determinó que un aumento del 1 % en el gas natural quemado aumenta la tasa de hospitalización por problemas respiratorios en un 0,73 %. ^[31]

• Chimenea de purga
• Chimenea de gases de combustión
• Ventilación de gas

• Sistemas de eliminación de antorchas y venteos en PetroWiki

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