Torchères

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/m³; 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

Le nez de torche

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

Joint statique (molecular seal)

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.

Le fût de torche

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.

Les pilotes

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 systems

API 521

https://www.qwant.com/?q=API%20521&t=all