EPA-452/F-03-019
Hoja de Datos - Tecnologia de Control
de Contaminantes del Aire
Nombre de la Tecnologia: Antorcha
Esto incluye a las antorchas elevadas, asistidas por vapor, asistidas por aire, no asistidas, asistidas por
presion, y antorchas encerradas asentadas en el suelo.
Tipo de Tecnologia: Destruccion por oxidacion termal.
Contaminantes Aplicables: Compuestos Organicos Volatiles (COV), con la excepcion de los compuestos
halogenados (EPA, 1995: Environmental Protection Agency- la Agenda para la Protection del Ambiente
en EE. UU.).
Limites de Emision Alcanzable/Reducciones:
La eficiencia de destruccion de COV depende de una temperatura adecuada de la llama, el tiempo de
residencia suficiente en la zona de combustion, y un mezclado turbulento (EPA, 1992). Una antorcha
operada apropiadamente puede alcanzar una eficiencia de destruccion del 98 porciento o mayoral controlar
corrientesdeemisionconcontenidosdecalormayoresdell megajoules per standard cubic meter (MJ/sm3-
megajoules por metro cubico estandar) (300 British Thermal Units per standard cubic foot (Btu/scf -
unidades termicas britanicas por pie cubico estandar)) (EPA, 1995; AWMA, 1992: Air & Waste Management
Association - la Asociacion para el Manejo de Aire y Residues de EE. UU.; EPA, 1992; EPA, 1991).
Tipo de Fuente Aplicable: Punto
Aplicaciones Industrials Tipicas:
Las antorchas pueden ser utilizadas para controlar casi cualquier corriente de COV y tipicamente pueden
manejar grandes fluctuaciones en la concentration de COV, velocidad de flujo, valor de calentamiento, y
contenido de especies inertes. El uso de las antorchas es apropiado para aplicaciones en corrientes de
venteo continue, variable y en grupos, pero el uso principal es como un dispositive de seguridad utilizado
para controlar un volumen grande de contaminante que sea el resultado de condiciones alteradas. Las
antorchas encuentran su aplicacion principal en las industrias del petroleo y petroquimicas. La mayoria de
las plantas quimicas y refinerias tienen sistemas de antorcha existentes disenados para aliviar las
alteraciones en los procesos de emergencia que requieren la liberation de grandes volumenes de gas.
Estas antorchas de gran diametro estan disenadas para manejar descargas de emergencia, pero tambien
pueden ser utilizadas para controlar las corrientes de venteo de varias operaciones de proceso. Los gases
ardidos por antorcha provenientes de las refinerias, la production de petroleo, y la industria quimica estan
compuestos mayormente de COV de peso molecular bajo y tienen valores de calentamiento altos. Las
antorchas usadas para controlar gases de desecho provenientes de los altos hornos consisten de especies
inertes y monoxide de carbono con un valor de calentamiento bajo. Los gases llameados por antorcha
provenientes de los hornos de coque son intermedios en composition comparados a los otros dos grupos
y poseen un valor de calentamiento moderado (EPA, 1995; EPA, 1992).
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Caracteristicas de la Corriente de Emision:
a. Flujo de Aire: Las velocidades de flujo a traves de la antorcha depende de las propiedades
de la corriente de gas de desecho y de la configuracion de la antorcha. Las antorchas asistidas
por vapor, por aire y por presion anaden flujo a la corriente de desecho con el proposito de
mejorar la estabilidad de la flama. En casos en que el valor de calentamiento del gas de
desecho es demasiado bajo o demasiado alto, se debe anadir al flujo un combustible auxiliar
o aire adicional, respectivamente. El flujo maximo a traves de las antorchas disponibles
comercialmente es de aproximadamente 500 standard cubic meters per second (m3/s - metres
cubicos estandar por segundo) (1,060,000 standard cubic feet per minute (scfm - pies cubicos
estandar por minuto)), y el minimo puede acercarse a un flujo de cero (EPA, 1995).
b. Temperatura: La temperatura de descarga se encuentra tipicamente dentro de un rango de
500°C a 1100°C (1000°F a 2000°F), dependiendo de la composition del flujo de gas de
desecho (AWMA, 1992).
c. Carga de Contaminantes: Dependiendo del tipo de configuracion de la antorcha (esto es,
antorchas elevadas o en el suelo) y la fuente de la corriente de desecho, la capacidad de las
antorchas para tratar gases de desecho puede variar hasta los 50,000 kg por hora (kg/h)
(100,000 libras por hora (Ib/hr)) de gases de hidrocarburo para antorchas en el suelo y
aproximadamente un millon de kg/h (2 millones de Ib/hr) o mas para las antorchas elevadas
(EPA, 1991). Las antorchas no estan sujetas a las precauciones de seguridad en cuanto a una
concentracion alta de sustancias organicas en el gas de desecho. Esto es debido a que flaring
(quemaral aire libre) es un proceso abierto de combustion y no posee una camara encerrada
de combustion que pudiera crear un ambiente explosive, lo que requiere que la concentracion
del gas de desecho sea sustancialmente por debajo del nivel inflamable inferior (Limite Inferior
Explosive, o LIE) del compuesto especifico que esta siendo controlado para evitarel potencial
de explosion (como regla, se usa un factor de seguridad de cuatro (esto es, el 25% del LIE)).
d. Otras Consideraciones: La corriente de gas de desecho debe poseer un valor de
calentamiento mayor de 11 MJ/m3 (300 Btu/scf). Si este minimo no es cubierto por el gas de
desecho, se debe introducir un gas auxiliar en cantidad suficiente para completar la diferencia
(EPA, 1995).
Requisites de Pre-tratamiento de la Emision:
Los liquidos que pudieran estar presentes en el gas de la corriente de venteo o que pudieran condensarse
dentro de las lineas de recoleccion y de transferimiento son removidas por un tambor de derrumbamiento.
El tambor de derrumbamiento es tipicamente un recipiente ya sea horizontal o vertical localizado en o cerca
de la base de la antorcha, o un recipiente vertical localizado dentro de la base de la chimenea de la antorcha.
El liquido en la corriente de venteo puede extinguir la flama o causar una combustion irregular y evolution
de humo. Ademas, los liquidos llameados pueden generar un rocio de quimicos ardiendo que pudiera
alcanzarel nivel del suelo y crear un peligro de seguridad (EPA, 1995).
Informacion de Costos:
Las antorchas elevadas tipicas son principalmente dispositivos de seguridad que evitan las emisiones de
grandes cantidades de hidrocarburos en crudo durante condiciones alteradas de la planta. Los costos de
capital de los sistemas de antorcha elevada pueden variar entre los $10,000 y $3,000,000 en dolares de
EE.UU., dependiendo de laaplicacion (Gonzalez, 1999). Los factores que controlan elcostode la antorcha
son la estructura basica de soporte de la antorcha, el tamano y la altura, y el equipo auxiliar. Otros factores
que influencian el costo son el grado de sofisticacion deseado (esto es, el control manual contra el
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automatico) y el numero de accesorios seleccionados, tales como los tambores de derrumbamiento, sellos,
controles, escaleras, y plataformas. El diametro minimo de una antorcha es de 2.5 cm (1 pulgada); el
diametro maximo de las antorchas disponibles comercialmente en la actualidad es de 2.3 m (90 pulgadas).
(EPA, 1996).
Los costos de operacion para una antorcha elevada depended mayormente del diseno de la antorcha (o sea,
una antorcha asistida por vapor requerira vapor), la velocidad de flujo (esto determinara el diametro de la
boquilla de la antorcha), y el valor de calentamiento del gas a ser controlado (esto sera un factor en la
determination de la altura de la antorcha y la cantidad de gas natural auxiliar requerido para alcanzar la
temperatura de destruccion deseada) (EPA, 1996).
A continuacion se presentan los ranges de costo (expresados en dolares del 2002) para antorchas elevadas
asistidas por vapor de diseno convencional bajo condiciones tipicas de operacion, desarrollados utilizando
los formatos de la EPA para estimation de costos (EPA, 1996) y referidos a la velocidad de flujo volumetrico
de la corriente de desecho tratada. Los costos fueron calculados para antorchas con boquillas entre 2.5 cm
(1 pulgada) y 2.3 m (90 pulgadas) de diametro, quemando el 100 por ciento del gas combustible de desecho
(sin aire) con un contenido calorifico de aproximadamente 4000 kilocalorias por metro cubico (kcal/m3) (450
Btu por pie cubico a condiciones estandares (Btu/scf)), y operadas entre 1 hora y 100 horas por ano. Las
antorchas en la parte baja de los ranges de capital, operacion y mantenimiento, y costo anualizado tienen
una capacidad de flujo mas alta (de aproximadamente 90 m3/s o 190,000 scfm), con un diametro de la
boquilla de la antorcha de hasta 2.3 m (90 pulgadas), y operan 100 horas por ano o mas. Aquellas en la
parte alta de los ranges de costo tienen una capacidad de flujo menor (de aproximadamente 0.01 m3/s o 24
scfm), diametros de la boquilla de la antorcha tan pequenos como 2.5 cm (1 pulgada), y operan menos de
diez horas por ano.
Debido a que las antorchas son sobre todo dispositivos de seguridad que tratan con flujos de corta duration
(por lo general una condition alterada o liberation accidental proveniente de un proceso) mas bien que un
dispositive de control que trata una corriente de desecho continua, no es del todo apropiado comparar la
efectividad de costo de las antorchas a otros dispositivos de control. El costo portonelada de contaminante
controlado depende grandemente de las horas de operacion anuales. El uso infrecuente de la antorcha
(aproximadamente diez horas por ano) resultara en un mayor costo por tonelada de contaminante
controlado, mientras el uso mas frecuente (aproximadamente 100 horas por ano) esta representado por los
costos menores portonelada de contaminante controlado en los ranges presentados a continuacion.
a. Costo de Capital: $30,000 a $2,000,000 por nf/s ($15 a $1,000 por scfm)
b. Costo de Operacion y Mantenimiento: $1,500 a $130,000 por nf/s ($1 a $60 por scfm),
anualmente
c. Costo Anualizado: $5,000 a $350,000 m3/s ($2 a $165 por scfm), anualmente
d. Efectividad de Costo: $14 a $6,400 por tonelada metrica ($13 a $5,800 por tonelada
corta), costo anualizado portonelada por ano de contaminante controlado.
Teoria de Operacion:
Flaring con antorcha es un proceso de control por combustion de COV en el cual los COV son conducidos
por medio de tuberia a una localidad remota, generalmente elevada, y quemados en una flama abierta al
aire libre utilizando una boquilla de quemador disenada especialmente, un combustible auxiliar, y vapor o
aire para promover la mezcla para una destruccion casi completa (>98%) de los COV. La totalidad de la
combustion en una antorcha esta gobernada por la temperatura de la flama, el tiempo de residencia en la
zona de combustion, el mezclado turbulento de los componentes de la corriente de gas para completar la
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reaccion de oxidacion, y oxigeno disponible para la formacion de radicales libres. La combustion es
completa si todos los COV son convertidos a bioxido de carbono y agua. La combustion incompleta tiene
como consecuencia que algunos de los COV no sean alterados o sean convertidos a otros compuestos
organicos tales como aldehidos o acidos.
Las antorchas se categorizan por lo general de dos maneras: (1) por la altura de la boquilla de la antorcha
(esto es, al nivel del suelo o elevadas), y (2) por el metodo de mejorar el mezclado en la boquilla de la
antorcha (esto es, asistidas por vapor, aire o presion, o no asistidas). La elevacion de la antorcha puede
evitar condiciones potencialmente peligrosas al nivel del suelo donde la flama abierta (o sea, la fuente de
ignicion) esta localizada cerca de una unidad de proceso. La elevacion de la antorcha tambien permite que
los productos de combustion sean dispersados por encima de las areas de trabajo para reducir los efectos
del ruido, calor, humo, y olores indeseables.
En la mayoria de las antorchas, la combustion ocurre por medio de una flama de difusion. Una flama de
difusion es aquella en la cual el aire se difunde a traves del limite entre la corriente de combustible y la
corriente del producto de combustion hacia el centra del flujo de combustible, formando la envoltura de una
mezcla combustible alrededorde un nucleo de gas combustible. Esta mezcla, al encendido, establece una
zona de flama estable alrededordel nucleo de gas sobre la boquilla del quemador. Este nucleo interne de
gas es calentado por la difusion de los productos de combustion desde la zona de la flama.
El craqueo puede ocurrir con la formacion de pequenas particulas calientes de carbon que imparten a la
flama su luminosidad caracteristica. Si existe una deficiencia de oxigeno y si las particulas de carbon son
enfriadas por debajo de su temperatura de ignicion, se genera humo. En flamas grandes de difusion, se
pueden formar vortices de producto alrededor de las porciones encendidas del gas y obturar el suministro
de oxigeno. Esta inestabilidad localizada causa la vacilacion de la flama, el cual puede ser acompanado de
la formacion de hollin. Como en todos los procesos de combustion, se requiere un suministro de aire
adecuado y un buen mezclado para completar la combustion y minimizar el humo. Los varies disenos de
antorchas difieren principalmente en su realization del mezclado.
Las antorchas asistidas por vapor son boquillasde quemador individuales, elevadas sobre el nivel del suelo
por razones de seguridad, que queman el gas venteado en una flama de difusion. De acuerdo a reportes,
comprenden a la mayoria de las antorchas instaladas y son el tipo predominante de antorcha que se
encuentra en las refinerias y plantas quimicas. Para asegurar un suministro de aire adecuado y un buen
mezclado, este tipo de sistema de antorcha inyecta vapor dentro de la zona de combustion para promover
la turbulencia para el mezclado y para inducir al aire hacia dentro de la flama.
Algunas antorchas utilizan el aire forzado para proporcionar el aire para la combustion y el mezclado
requerido para una operation sin humo. Estas antorchas son construidas con un quemador en forma de
arana (con muchos orificios de gas pequenos) localizado dentro pero cerca de la parte superiorde un cilindro
de acero de 0.6 metres (24 pulgadas) o mas de diametro. El aire de combustion es proporcionado por un
ventilador al fondo del cilindro. La cantidad de aire de combustion puede ser variada al variar la velocidad
del ventilador. La ventaja principal de las antorchas asistidas por aire es que pueden ser utilizadas donde
no hay vapor disponible. Aunque la asistencia por aire por lo general no se usa en las antorchas grandes
(porque generalmente no es economico cuando el volumen de gas es grande), el numero de antorchas
grandes asistidas por aire que estan siendo construidas va incrementando.
La antorcha no asistida consiste de una boquilla de antorcha sin alguna provision auxiliar para mejorar el
mezclado de aire hacia dentro de su flama. Su uso esta limitado a las corrientes de gas que tienen un
contenido bajo de calor y una proportion baja de carbon a hidrogeno y que, como resultado, arden
facilmente sin producir humo. Estas corrientes requieren de menos aire para su combustion completa,
poseen temperaturas de combustion menores que minimizan las reacciones de craqueo, y son mas
resistentes al craqueo.
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Las antorchas asistidas por presion utilizan la presion de la corriente de venteo para promoverel mezclado
en la boquilla del quemador. Varies vendedores ya ofrecen al mercado disenos de marca de boquillas de
quemador con alta caida de presion. Si se encuentra disponible una presion suficiente de la corriente de
venteo, estas antorchas pueden seraplicadas a corrientes que previamente requerian asistencia de vapor
o aire para una operacion sin humo. Las antorchas asistidas por presion generalmente (mas no
necesariamente) tienen el arreglo del quemador al nivel del suelo, y por consecuencia, deben ser colocadas
en una area remota de la planta donde haya bastante espacio disponible. Poseen cabezas de quemador
multiples que estan dispuestas para operar basandose en la cantidad de gas siendo liberada. El tamano,
diseno, numero, y ordenacion del grupo de cabezas de quemador dependen de las caracteristicas del gas
de venteo.
Las cabezas de quemador de una antorcha encerrada estan situadas dentro de un caparazon que esta
aislado internamente. El caparazon reduce el ruido, la luminosidad, y la radiacion de calory proporciona
protection contra el viento. Las antorchas encerradas, o asentadas en el suelo son usadas por lo general
en vez de las antorchas elevadas por razones de estetica o de seguridad. Una alta caida de presion en el
inyectorsueleseradecuada para proporcionarel mezclado necesario para una operacion sin humo y nose
requiere la asistencia de aire o vapor. En este contexto, las antorchas encerradas pueden serconsideradas
como una clase especial de antorchas asistidas por presion o no asistidas. La altura debe ser adecuada para
crear suficiente suction natural para suministrar el aire suficiente para una combustion sin humo y para la
dispersion de la pluma termal. Estas antorchas siempre estan al nivel del suelo.
Las antorchas encerradas generalmente tienen menos capacidad que las antorchas abiertas y son utilizadas
para quemar corrientes continuas y de flujo constante, aunque una operacion confiable y eficiente se puede
lograr a traves de un amplio rango de capacidad de diseno. Una combustion estable puede ser obtenida con
gases de venteo con un menor contenido de calorde lo que es posible con disenos para antorcha abierta
(1.9 a 2.2 MJ/m3 (50 a 60 Btu/scf)), probablemente debido a su aislamiento de los efectos del viento. Las
antorchas encerradas son utilizadas tipicamente en rellenos sanitarios para destruir los gases del relleno
(EPA, 1995).
Ventajas:
Las ventajas de las antorchas sobre otros tipos de oxidantes de COV incluyen (EPA, 1992; EPA, 1991):
1. Pueden ser una manera economica de desechar descargas repentinas de cantidades
grandes de gas;
2. En muchos casos no requieren un combustible auxiliar para sostener la combustion; y
3. Pueden ser utilizadas para controlar las corrientes de desecho intermitentes o fluctuantes.
Des ventajas:
Las desventajas de las antorchas incluyen (EPA, 1995):
1. Pueden producir ruido, humo, radiacion de calor, y luz indeseables;
2. Pueden ser una fuente de SOX, NOx,y CO;
3. No pueden ser utilizados para tratar corrientes de desecho con compuestos halogenados;
y
4. Se pierde el calor liberado proveniente de la combustion.
Otras Consideraciones:
El llameo con antorcha es considerado como una option de control cuando el valorde calentamiento de una
corriente de emision no puede ser recuperada debido a la incertidumbre de un flujo intermitente tal como
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en las alteraciones de proceso o en emergencias. Si el gas de desecho tiene un valor de calentamiento
suficientemente alto para sostener la combustion (esto es, mayor de 11 MJ/m3 o 300 Btu/scf), la corriente
puede servir como gas combustible para un incineradorsi uno esta siendo empleado en el sitio (EPA, 1991).
Referencias:
AWMA, 1992. Air & Waste Management Association, Air Pollution Engineering Manual. Van Nostrand
Reinhold, New York.
EPA, 1991. U.S. EPA, Office of Research and Development, "Control Technologies for Hazardous Air
Pollutants,"EPA/625/6-91/014, Washington, D.C., June.
EPA, 1992. U.S. EPA, Office of Air Quality Planning and Standards, "Control Techniques for Volatile
Organic Emissions from Stationary Sources,"EPA-453/R-92-018, Research Triangle Park, NC.,
December.
EPA, 1995. U.S. EPA, Office of Air Quality Planning and Standards, "Survey of Control Technologies for
Low Concentration Organic Vapor Gas Streams," EPA-456/R-95-003, Research Triangle Park, NC., May.
EPA, 1996. U. S. EPA, Office of Air Quality Planning and Standards, "OAQPS Control Cost Manual," Fifth
Edition, EPA 453/B-96-001, Research Triangle Park, NC. February.
Gonzalez, 1999. Steve Gonzalez, Kaldair, Inc., Houston, Texas, (800) 525-3247, personal
communications with Eric Albright, April 15 and 16, 1999.
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