Une torchère est un dispositif permettant de
brûler un flux de gaz combustible généralement ponctuel ou
intermittent. Aucune récupération de la chaleur de combustion émise
n'est prévue. Si le flux gazeux est permanent ou peu combustible, un
incinérateur adapté sera préférable. Le flux gazeux peut provenir:
- du dégazage de tuyauteries ou de capacité qui doivent être
vidangées
- de la décharge de soupapes ou d'évents
- de la production d'un atelier de fabrication en cours de
démarrage ou d'arrêt
- ...
Une
torchère est un équipement de sécurité. Une émission à l'atmosphère,
d'un flux gazeux combustible, mais qui n'est pas brûlé est
particulièrement dangereux; il formera un nuage explosif, qui peut se
déplacer au gré du vent, et peut s'enflammer de manière incontrôlée,
provoquant des dégats considérables. Ce phénomène est connu sous le nom
d'UVCE (Unconfined Vapor Cloud Explosion) ou
explosion de gaz en milieu ouvert.
Au contraire, une émission enflammée de gaz combustible
n'est dangereuse que par les effets thermiques qu'elle engendre. La
radiation thermique peut brûler les personnes, échauffer les
équipements
ainsi que leur contenu, .... Ces effets sont
pris en compte dans le dimensionnement d'une torchère.
Les points de vigilence sont les suivants:
- un dispositif d'allumage doit être opérationnel en
permanence
-
en cas de débit faible ou nul, l'air atmosphérique ne doit pas pouvoir
pénétrer à rebours dans le fût de la torchère pour éviter toute
formation de mélange explosif à l'intérieur
- pour la même
raison le réseau connecté à la torchère ne doit pas pouvoir être mis en
dépression, ni par refroidissement du gaz contenu, ni par condensation
de vapeur ou connexion à un équipement sous vide.
- le réseau
de torche ne doit pas pouvoir être obstrué ni par des platines de
maintenance, ni par des accumulations de liquide ou de solide
- aucun liquide ne doit pouvoir être entrainé vers le nez de
torche
-
les gaz ayant un ratio C/H élevé émettent en brûlant des fumées noires
qui dispersent dans l'atmosphère des particules fines toxiques. La
combustion totale et propre du gaz doit être maitrisée au
moyen
d'une injection de vapeur adaptée
- la combustion à l'air
libre du gaz tend à former de grandes quantités d'oxydes d'azote. Les
fournisseurs de nez de torche proposent des équipements permettant de
les limiter.
- la combustion de grandes quantités de gaz sur
une torchère génère un bruit important et gênant pour le voisinage,
d'autant plus que le fonctionnement est discontinu et intempestif.
-
le gaz à détruire peut être toxique; l'incinération sur une torchère ne
garanti pas une destruction totale des composants; on peut
raisonnablement attendre 98% de destruction si le pouvoir calorifique du gaz (PCI) est supérieur à 10MJ/m
3; la dispersion de la
fraction non détruite doit être prise en compte.
Les
types de torchères
Les torches hautes
Elles
sont les plus classiques. La combustion se produit en hauteur au sommet
d'un tube vertical. Celui-ci peut être de plus de 100m de haut. La
hauteur est
généralement choisie pour limiter l'effet de la radiation thermique au
sol, et
ainsi préserver le personnel ou les équipements au sol. De plus il faut
veiller à ce qu'aucun bâtiment ou plateforme ne se trouve à
proximité du sommet de la torche. On recommande parfois de réserver
une distance de 150m horizontalement et 15m verticalement.
Le fût de torche est
maintenu en position par des haubans ou un derrick, ou bien être
auto-porteur.
Une
torchère
haubannée
nécessite un espace de diamètre équivalent à la hauteur de la torchère
pour y fixer l'amarrage des haubans. C'est la construction qui autorise
les plus grandes hauteurs; cependant son application est limitée pour
des gaz chauds; la dilatation différencielle entre le fût de la
torchère et les haubans peut induire des contraintes mécanique et/ou
affecter la stabilité de l'ensemble.
Une torchère
supportée par un derrick
est idéale pour les torchères de grande hauteur lorsque l'espace
disponible au sol limité; c'est la construction la plus
coûteuse,
mais elle autorise une importante dillatation entre le fût et le
support.
Une
torchère
auto-portée
est la plus économique à installer, mais mais n'autorise que des
hauteurs limitées à 60m environ. Pour accroitre la stabilité, la base
est généralement plus large que le sommet, et peut incorporer un ballon
séparateur de liquide.
Les torches basses
Contrairement
aux torches hautes, dans une torche basse un réseau de brûleurs sont
disposés au niveau du sol. Le gaz est distribué sur les différents
brûleurs en fonction du besoin.
Une torche basse permet de limiter
le bruit généré ainsi que la visibilté de la flamme, mais la dispersion
des produits de combustion est moindre. Elle est donc à réserver aux
combustions "propres", pour lesquelles la contrainte principale est le
bruit et la luminosité.
Les torches confinées
Elles sont constituées d'un brûleur unique semblable à celui d'une
torche haute, mais enfermée dans une cheminée verticale.
Les torches mobiles
Elles
sont utiles pour des opérations peu fréquentes de vidange de
tuyauteries ou de capacités afin de les mettre à disposition des
équipes de maintenance par exemple. Une torchère permanente ne se
justifie pas, mais la purge du gaz à l'air libre n'est pas acceptable
pour des raisons de sécurité.
Les
réseaux de torche
Dans
des installations manipulant des gaz inflammables, la torchère est
l'aboutissement de nombreux évents de décharge ou de soupapes. Tous
sont collectés par un réseau de tuyauteries dédiées. Il est nommé
réseau de torche.
Différents réseaux peuvent coexister dans une exploitation complexe; on
distingue généralement:
- réseau haute pression et réseau basse pression
- réseau chaud et réseau froid
Réseaux
haute et basse pression
La
capacité d'évacuation des évents de décharge dépend en partie de la
pression régnant en aval de l'organe régulateur (vanne ou soupape). Une
contre-pression élevée limitera le débit d'évacuation. La décharge sera
même impossible si la contre-pression est égale ou supérieure à celle
du gaz à évacuer.
La
contre-pression peut être permanente si elle est provoquée par une
garde hydraulique, ou variable si elle est provoquée par la perte de
charge des flux provenant d'autres décharges. Il convient alors
d'identifier le scénario susceptible de générer la contre pression
maximum.
Maintenir une pression basse en toutes
circonstances dans le réseau de torche oblige à opter pour des sections
de tuyauteries élevée. Cette contrainte devient excessive pour les
décharges de gaz à haute pression qui pourraient s'accommoder d'une
contre-pression plus élevée.
Dans le but d'optimiser le coût
d'installation du réseau, on peut trouver avantageux d'orienter les
décharges des équipements vers deux réseaux (ou plus) en fonction de la
contre-pression admissible:
- réseau haute pression, recevant
les décharges de gaz à haute pression et pouvant donc s'accommoder
d'une
contre-pression élevée
- réseau basse pression, recevant les
décharges de gaz à basse pression, et donc ne pouvant accepter qu'une
faible contre pression
Réseaux
chaud et froid
Le
réseau de torche doit être libre de toute obstruction qui pourrait
limiter le débit d'évacuation nécessaire. Une source courrante
d'obstruction est la condensation,la solidification et l'accumulation
de substances en cas de basse température. Typiquement si de la vapeur
d'eau est envoyée dans le réseau en période de température extérieure
basse, des accumulations de glace peuvent se former. Si tel est le cas,
le réseau doit être conçu pour ne jamais pouvoir se trouver à basse
température. Il sera alors traçé et calorifugé pour maintenir une
température minimum en toute circonstance. Il pourra être qualifié du
terme réseau chaud par opposition à un autre réseau qui ne
benéficierait pas de ces dispositifs.
Eléments
constitutifs d'une torchère
Une torche haute est composée des éléments suivants:
-
- le nez de torche:
- c'est le brûleur
-
- la barrière gaz:
- pour empêcher la formation de mélange explosif dans le fût par diffusion d'air atmosphérique dans les gaz combustibles légers
-
- le fût de torche
- pour conduire les gaz évacués jusqu'au brûleur
-
- le support de torche
- pour maintenir le fût en position
-
- la garde hydraulique
- pour
empêcher, en cas de dépression, l'aspiration d'air extérieur vers le
réseau amont; et pour stopper un éventuel front de flamme vers l'amont
-
- les pilotes
- pour emflammer le gaz évacué par le brûleur
-
- le système d'allumage
- pour allumer les pilotes
-
- le contrôle de la flamme
- pour vérifier le fonctionnement du brûleur (présence de suies)
-
- le poste d'allumage et de contrôle
- pour allumer les pilotes à distance, et vérifier leur bon fonctionnement
- les liaisons
C'est le brûleur des gaz à éliminer.
Il doit assurer une vitesse de sortie des gaz convenable, 0,2 à 0,5mach
pour les réseaux de torche dit basse pression, pour lesquels on ne peut
supporter une contre pression importante. Pour les réseaux dit haute
pression (>2bars), la vitesse peut atteindre 1mach avec un nez
adapté.
Il ne doit pas permettre le décrochement de la flamme grace à la
présence d'un anneau de rétention de la flamme
Un pare-vent évite le contact de la flamme avec le nez de torche
lorsque le vent souffle violemment.
Il est construit en acier inoxydable (AISI310 ou 800H), pour résister
aux
températures élevées et au caractère oxydant de la flamme.
Barrière gaz
C'est un dispositif
destiné à éviter les entrées d'air dans le fût de torche, surtout quand
le débit de gaz à évacuer est faible ou nul, et qui pourraient conduire
à des mélanges explosifs.
Un débit permanent de gaz exempt d'oxygène
(azote, gaz naturel, ...) peut assurer cette fonction. Selon l'API 521
le débit nécessaire dépend du diamètre du fût de torche et de la masse
volumique du gaz (donc de sa nature). Un gaz léger (l'hydrogène par
exemple) dans lequel la pénétration de l'air sera plus facile,
nécessitera un débit de gaz de purge plus important que dans un gaz
plus lourds tel que l'azote. Le débit de gaz de purge nécessaire
exprimée en vitesse de gaz sera de 1 à 10 m/sec.
Des équipements
spécifiques tels qu'un joint gazostatique ou dynamique, disposés immédiatement sous le nez de torche,
permettent
de réduire le débit de gaz de purge nécessaire
C'est une sorte de siphon, placé immédiatement sous le nez de
torche, au sommet du fût.
Il est muni d'une tuyauterie d'évacuation de liquide qui pourraient
s'accumuler à sa base; cette tuyauterie est munie à son extrémitée
basse, d'un siphon liquide destiné à empêcher le passage de gaz.
Il est alimenté par du gaz de balayage à un débit tel que la vitesse
dans le nez soit de l'ordre de 10mm/sec.
L'utilisation de vapeur comme gaz de balayage n'est pas
recommandé à cause des effets de la condensation.
Le joint gazostatique est construit en acier au carbone, à l'exception
de la zone inférieure qui peut retenir du liquide corrosif et qui sera
construite en acier inoxydable.
Joint
dynamique (fluidic seal)
Un
ou plusieurs déflecteurs coniques sont sont placés à l'intérieur du fût
de torche. Ils permettent d'accélérer le gaz de purge, qui à son tour
entraîne avec lui, l'air qui a pu s'introduire.
Cette technique permet de diviser environ par 10 les débits nécessaires
pour un tube lisse.
C'est un simple tube de diamètre approprié qui se monte entre
le
support de torche et le joint gazostatique (ou le nez de torche en
l'absence de joint gazostatique).
Il doit résister au efforts mécaniques imposés par :
- le vent
- le poids du joint gazostatique et du nez
- la réaction des haubans
Il est généralement construit en acier au carbone.
Ce sont les veilleuses des brûleurs de torche.
Au minimum de deux, leur nombre doit être suffisant pour éviter toute
extinction quel que soit le régime des vents.
Ils sont montés au sommet du nez de torche, à l'extérieur de celui-ci,
mais orientés et inclinés de manière à conduire les flammes dans le
flux de gaz sortant du nez de torche.
Ils doivent être alimentés en gaz de qualité constante pour entretenir
en permanence la flamme, et sont équipés d'une sonde thermométrique destinée à vérifier
l'existance de la flamme du pilote.
Un
système d'allumage à distance depuis le sol et en zone non dangereuse
doit permettre de rallumer les pilotes en cas de besoin. Le plus simple
à mettre en oeuvre est un système piézoélectrique générant une
étincelle à haute énergie au niveau du pilote. Malheureusement ce
système ne peut être entretenu qu'en intervenant au sommet de la
torchère. Un autre système, plus complexe à mettre en oeuvre consiste à
remplir un tube, débouchant à l'extrémité du pilote, d'un mélange
de gaz et d'air, puis d'allumer ce mélange depuis le sol; un front de
flamme se forme qui chemine à l'intérieur du tube vers le haut pour
finalement déboucher à proximité du pilote qu'il allume.
Rayonnement thermique des torches hautes
Les
torches hautes permettent une bonne dispersion dans l'atmosphère des
polluants émis par la combustion. Cependant la flamme génère un
rayonnement thermique important autour d'elle, et vers le sols où du
personnel peut se trouver. La hauteur de la torche est en pratique
souvent choisie pour limiter le rayonnement vers le sol à un niveau
acceptable.
Le niveau de rayonnement thermique acceptable varie
selon les normes de références ou les règlementations locales. Par
exemple l'API 521 propose les valeurs suivantes:
|
Flux thermique
maximum
kW/m² |
si le personnel peut se mettre à l'abris en queques
secondes |
9 |
si le personnel peut être exposé jusqu'à 1 mn |
6 |
si le peronnel peut être exposé plusieurs minutes |
4,5 |
si le personnel est exposé continuellement |
1,5 |
si des équipements sont exposés indéfiniment |
15 |
La règlementation française propose les seuils suivants
(arrêté du 29 sept 2005):
Effet sur les personnes |
Flux maximum
kW/m² |
Dose maximum
[kW/m²]4/3.sec |
Effets irréversibles (SEI) |
3 |
600 |
Effets létaux (SEL) |
5 |
1000 |
Effets létaux significatifs (SELS) |
8 |
1800 |
Effet sur les
équipements |
destruction des vitres |
5 |
|
dégats graves sur les structures avec effets "domino" |
8 |
|
dégats très grave sur le béton si exposé plusieurs
heures |
20 |
|
Estimation
du rayonnement
La
chaleur émise par la combustion du gaz se dissipe principalement sous
forme de convection et de rayonnement thermique. La proportion de
rayonnement thermique dépend beaucoup de la propension à former des
suies; ce sont elles qui sont la source même du rayonnement; la
formation de suies dépend de la nature du gaz et en particulier de son
rapport C/H du gaz incinéré, ainsi que de la proportion d'oxygène en mélange induite
par la turbulence:
Nature du gaz |
Proportion de
rayonnement thermique |
hydrogène et gaz naturel |
10 - 15% |
Propane |
30% |
Butane |
20 - 30% |
Ethylène |
40% |
Visuellement
on peut aisément constater que l'hydrogène produit une flamme bleuâtre
presque invisible, tandis que les hydrocarbures insaturés (acétylène,
aromatiques, ...) produisent plutôt une flamme jaune très lumineuse et
accompagnée d'un panache noir.
Le rayonnement émis par la flamme de la torchère se diffuse dans toutes les directions.
L'intensité
du rayonnement est réparti sur la surface d'une sphère de rayon égal à
la distance depuis le centre de la flamme. Il diminue au fur et à
mesure de la distance à la flamme selon le carré de la distance. De
plus, l'air atmosphérique, et plus particulièrement la vapeur d'eau
présente, absorbe une partie du rayonnement; sur une distance de 150m,
10 à 20% du rayonnement est ainsi absorbé.
Plus sur le
web
sur le site piping-engineering.com
Flare System: Types, Segregation, Tips,
Purge System and More
sur le site petrowiki.org
Flare and vent disposal systemsAPI 521https://www.qwant.com/?q=API%20521&t=all