Prevenzione delle emissioni negli impianti chimici e petrolchimici: facciamo il punto della situazione!

Con il crescere del mondo e lo svilupparsi delle economie, la futura esigenza di energia continuerà a incrementare drammaticamente. L’Agenzia Internazionale dell’Energia e molti altri prevedono che la domanda totale di energia del mondo crescerà del 35% nel 2030 rispetto a oggi, e si prevede che il petrolio/gas naturale rappresenterà quasi il 60% dell’energia totale fino al 2030. Questo implica che le emissioni fuggitive devono essere ridotte al minimo, al fine di preservare le scarse risorse e affrontare la sfida climatica globale. In tutto il mondo, le emissioni fuggitive da perdite di apparecchiature come valvole e pompe contribuiscono a oltre 1 milione di tonnellate di composti organici volatili/inquinanti atmosferici pericolosi (VOC/HAP) all’anno. Pompe/compressori rappresentano il 10%, flange-5%, serbatoi-10%, valvole-60% e valvole di scarico-15%. Le valvole, che rappresentano il 60% delle emissioni fuggitive, rappresentano la più grande opportunità per ridurre le emissioni fuggitive.

Cosa sono le emissioni fuggitive?

Le emissioni fuggitive o FE si riferiscono al rilascio involontario di gas o vapori dannosi per l’ambiente da parte di attività o impianti industriali. In un tipico impianto la maggior parte delle emissioni proviene da valvole e connettori, i componenti più diffusi, che spesso sono migliaia. I guasti alle guarnizioni o ai sigilli dovuti alla normale usura o alla manutenzione impropria sono la causa principale di queste emissioni. Oltre a contribuire alla perdita di prodotto vendibile, le emissioni fuggitive rappresentano un rischio per la salute e la sicurezza dei lavoratori e delle comunità circostanti.

Breve panoramica dei regolamenti FE per le valvole

Nell’ottobre del 1948, la città dei mulini di Donora, in Pennsylvania, fu coperta da uno smog tossico rilasciato involontariamente dagli impianti di produzione di acciaio locali. Dopo cinque giorni, i gas tossici provocarono una malattia che colpì migliaia di persone e la conseguente morte di 20 membri della comunità. Oggi considerato uno dei peggiori disastri di inquinamento atmosferico nella storia della nazione, l'”incidente di Donora” ha dimostrato la necessità di tenere sotto controllo l’inquinamento atmosferico, e ha portato alla creazione dei primi programmi di aria pulita negli Stati Uniti. In risposta al peggioramento dell’inquinamento industriale, l’agenzia per la protezione ambientale (EPA) introdusse l’US Clean Air Act, la prima legislazione federale sul controllo dell’inquinamento atmosferico. Anche la Germania iniziò a istituire regolamenti per il controllo dell’inquinamento atmosferico nel 1964, intitolati “Istruzioni tecniche sul controllo della qualità dell’aria” (Technische Anleitungzur Reinhaltung der Luft), o comunemente chiamati

TA Luft. Al fine di ridurre l’emissione di VOC e HAP fuggitivi, l’EPA ha istituito i regolamenti LDAR (Leak Detection and Repair), e l’EPA ha determinato che molte strutture stavano sotto-segnalando le emissioni, non riuscendo a implementare il Metodo 21 sufficientemente per soddisfare gli obiettivi di riduzione delle emissioni. Qui sotto ci sono esempi delle norme sulle valvole per le emissioni fuggitive più famose e utilizzate nel mondo:

1 Norme dell’Istituto Americano del Petrolio (API)

  • API 622 – “Test tipologici delle guarnizioni delle valvole di processo per le emissioni fuggitive”.
    Questo è un test della sola guarnizione della valvola.
  • API 624 – ” Test tipologici delle valvole a stelo ascendente equipaggiate con guarnizioni in grafite per le emissioni fuggitive”.
    Questo test valuta le prestazioni totali della valvola, non solo la sua guarnizione. La guarnizione usata in un test API 624 deve aver superato i requisiti API 622.
  • API 641 – “Test tipologici delle valvole a quarto di giro per le emissioni fuggitive”.
    Questo è il test d’omologazione per i modelli di valvole a quarto di giro che valutano le prestazioni a basse emissioni su un ciclo di vita accelerato. La guarnizione usata in un test API 641 deve aver superato i requisiti API 622.

2 Standard ISO (più comunemente usati in Europa)

  • ISO 15848-1 “Test tipologici per prototipi di valvole”.
    Specifica le procedure di test per la valutazione delle perdite esterne della valvola.
  • ISO 15848-2 “Test di produzione delle valvole”.
    Specifica le procedure di test per la valutazione della perdita esterna della valvola durante la produzione di massa. Innanzitutto, è bene notare che il confronto diretto di queste norme è impegnativo, poiché tutte si basano su procedure di prova proprie.

Le variabili più importanti sono i fluidi di prova, i metodi di rilevamento delle perdite e i limiti di perdita. Il fluido di prova può essere fondamentalmente elio o metano. L’elio è un gas molto permeabile e sicuro da usare, mentre il metano al contrario non possiede nessuna di queste qualità. A causa di queste differenze e delle precauzioni nell’uso del metano, i risultati delle prove di tenuta non sono strettamente comparabili. Esistono ulteriori differenze nelle procedure tra gli standard. Queste includono diverse temperature di prova, cicli di temperatura e il numero di cicli operativi prima che i dati della prova vengano raccolti. Inoltre, alcune norme permettono una maggiore interpretazione dei risultati dei test e altre meno. Per finire, anche i limiti di emissione stabiliti dai diversi standard variano e usano unità diverse. Tutto ciò richiede al produttore di monitorare costantemente i cambiamenti negli standard e nei requisiti delle emissioni fuggitive, oltre ad approcciare attentamente la scelta dei produttori e dei fornitori della valvola. A causa di questo processo molto dinamico, Bazan Group (gruppo petrolifero di Haifa) ha sviluppato degli standard interni per la selezione delle valvole e dei pacchetti di steli secondo le ultime versioni degli standard sulle emissioni fuggitive. “I nostri requisiti di alto livello per i sistemi di tenuta degli steli delle valvole e l’attenta selezione dei fornitori, ci permettono di salvare l’ambiente dall’inquinamento dei gas, di salvaguardare i costi di produzione e di evitare sanzioni”.

Applicazioni nel settore chimico e petrolchimico

I regolamenti sulle emissioni fuggitive (FE) richiedono agli impianti chimici e petrolchimici di monitorare le valvole (così come altre attrezzature) per le perdite. Il mancato rispetto di questi regolamenti può comportare pesanti sanzioni. Fino a un certo punto della storia (fine anni ’80, inizio anni ’90), non esisteva un unico standard che definisse le limitazioni e i parametri di prova per i produttori di valvole in grado di soddisfare i requisiti degli impianti. Questi obblighi molto severi hanno fatto sì che i produttori di valvole si rivolgessero agli organismi internazionali che stabiliscono gli standard nel mondo, per sviluppare l’equivalenza delle emissioni fuggitive e i metodi di prova per le valvole. Di conseguenza, ci sono alcuni standard FE per i produttori di valvole, tra cui ISO 15848-1 e API 641 (vedi sopra), che sono i più richiesti attualmente per le valvole a sfera.

Gestione della tenuta dello stelo della valvola e delle perdite dei componenti

La principale fonte di perdite delle valvole è nella guarnizione dello stelo, e per raggiungere la compatibilità con gli standard di tenuta sopra citati, molti produttori di valvole lavorano in collaborazione con sviluppatori e produttori di guarnizioni dello stelo. In Habonim, l’azienda ha sviluppato il proprio design speciale per soddisfare i requisiti FE. Il design include parti polimeriche che sono direttamente responsabili della tenuta, il corpo della valvola e le parti metalliche della guarnizione dello stelo (vedi Figura 1).

Una caratteristica speciale di questo design è una guarnizione chiamata HermetiX, che ha un design simmetrico che ricorda la lettera X e ha un’eccellente adattabilità alle superfici di tenuta e alle varie forze e pressioni esterne. Per esempio, la guarnizione si comporta ugualmente bene sia quando c’è pressione interna nella valvola sia quando l’operatore agisce meccanicamente sullo stelo, causando carichi laterali (vedi Figura 2).

Grazie a questo design e a un alto livello di adattamento alle superfici di tenuta, le valvole Habonim hanno un alto livello di tenuta e hanno ricevuto le certificazioni ISO 15848-1 e API 641. Un’altra caratteristica di questo design è il fatto che lo stelo privo di grafite resiste al fuoco. Questa caratteristica si ottiene utilizzando una speciale combinazione di elementi metallici e polimerici e sono indispensabili in tutti quei casi in cui la purezza del processo specificato dal cliente non permette la presenza di alcun elemento di grafite. Come già detto, le guarnizioni dello stelo sono il principale responsabile delle emissioni fuggitive. Allo stesso tempo, il 20% delle emissioni proviene da altre connessioni e giunti, come i componenti delle valvole: coperture, bonnet, estremità, ecc. Per migliorare tali connessioni, viene utilizzata una doppia guarnizione. La guarnizione esterna (grafite) svolge un ruolo ignifugo mentre quella interna (polimero) protegge il processo dalla contaminazione. La doppia guarnizione delle giunzioni dei componenti insieme alla guarnizione di tipo HermetiX, formano un sistema comune e unificato per tutti i prodotti dell’azienda chiamato Total HermetiX. Questo concetto permette la fabbricazione e la fornitura di un prodotto che soddisfa i requisiti più rigorosi dei clienti e gli standard globali, fornendo una protezione affidabile e la prevenzione dal rilascio di emissioni fuggitive fino a 100ppm attraverso lo stelo, e fino a 20ppm attraverso la tenuta dei componenti della valvola. L’idea di Total HermetiX è mostrata nella Figura 3.

Nel caso in cui le FE siano limitate a 50ppm attraverso lo stelo dall’impianto (equivalente a un livello di tenuta Bellow), le valvole aziendali possono essere dotate di un dispositivo opzionale che agisce come una seconda barriera per l’emissione. Il dispositivo mostrato nella Figura 4, è un ulteriore bonnet con uno stelo che trasferisce la rotazione allo stelo della valvola principale, fissato ermeticamente alla valvola. Come per lo stelo principale, lo stelo del dispositivo è protetto dal sistema di guarnizioni. Connessioni aggiuntive da 1/8 di pollice permettono di collegare una varietà di apparecchiature, come sensori e manometri che segnalano la presenza di una perdita attraverso lo stelo principale.

Habonim e Bazan Group si uniscono ad alcuni dei principali innovatori mondiali nel settore delle valvole, mentre le aziende continuano a sviluppare i propri standard interni per la selezione delle valvole e dei pacchetti di steli e ad evolvere il design di tali componenti per stare al passo con le sempre mutevoli normative sul controllo delle emissioni fuggitive industriali.

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