ANÁLISE DE CAMADAS DE PROTEÇÃO (LOPA) EM UMA PLANTA DE GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA

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1 ANÁLISE DE CAMADAS DE PROTEÇÃO (LOPA) EM UMA PLANTA DE GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA N.L. SOUZA 1, M.F. JESUS 1, E.A. TORRES 1,2, S.A.B. VIEIRA DE MELO 1,2 1 Universidade Federal da Bahia, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Química 2 Universidade Federal da Bahia, Escola Politécnica, Programa de Engenharia Industrial para contato: naiaraleandros@hotmail.com RESUMO - No mundo atual é crescente a necessidade de se economizar energia, bem como buscar novas tecnologias para suprir a demanda energética, levando-se em consider os impactos ambientais. Neste contexto, destacam-se as tecnologias de gaseific de biomassa, que possibilitam a sua conversão em gás combustível. Para garantir a segurança durante o processo é fundamental a gestão dos riscos envolvidos. O presente trabalho tem por objetivo a análise de riscos da planta piloto, localizada na Escola Politécnica da UFBA, usando a técnica semiquantitativa de camadas de proteção (LOPA). Dos cenários identificados na análise, são requeridas ações imediatas para evitar a ocorrência de acidentes relativos à falha do filtro, a furo ou ruptura de tubul e a danos físicos ao gaseificador. 1. INTRODUÇÃO De acordo com Grassi (1990) e Kirubarakan (2007), a biomassa forma-se a partir da decomposição de resíduos orgânicos. Pode ser transformada em energia através de processos bioquímicos e termoquímicos. O primeiro baseia-se na biometaniz da biomassa, enquanto o segundo abrange a combustão, a pirólise e a gaseific da biomassa. Na planta piloto da UFBA, a biomassa é gaseificada com ar para produzir um gás combustível formado principalmente por metano, hidrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos. A descrição do processo foi detalhada por Souza et al. (2016). Para que sejam evitados acidentes existem técnicas de análise de risco que vem sendo implantadas. A LOPA (Layer of Protection Analysis), também conhecida como análise de camadas de proteção, é uma técnica semi-quantitativa desenvolvida para avaliar o risco de cenários de acidente considerando as camadas independentes de proteção pertinentes.

2 2. METODOLOGIA A metodologia LOPA baseia-se na execução de seis etapas. Primeiramente são identificados os critérios para seleção de cenários, ou seja, os cenários identificados na APR/HAZOP como definido em CCPS (2001). A segunda etapa consiste em identificar o cenário de acidente a ser analisado, baseado em um par único de causa-consequência, de acordo com CCPS (2001). Em seguida, são estimadas as magnitudes das consequências com base na Tabela 1, conforme sugestão de Macedo et al. (2011). Essas consequências foram identificadas com base na análise de risco qualitativa usando HAZOP. Tabela 1 - Categorias associadas ao evento iniciador. Magnitude de Perda Característica da Consequência Dano mecânico à planta Equipamento não essencial Planta indisponível por dias Planta indisponível por semanas Planta indisponível por meses Categoria 1/2 Categoria 3 Categoria 4 Categoria 5 Na terceira etapa é identificado o evento iniciador para o cenário em análise e determinada a frequência do evento iniciador (eventos por ano), como afirma o CCPS (2001). Os dados de freqüência dos eventos iniciadores foram obtidos da literatura, como mostrado em CCPS (2001), CCPS (1989) e Young et al. (2006). As camadas de proteção (IPLs) podem ter sua efetividade quantificada em termos de probabilidade de falha quando demandadas (PFD). Em seguida é necessário identificar as camadas independentes de proteção, determinando quais salvaguardas são consideradas como IPL e estimar a probabilidade de falha na demanda de cada camada independente de proteção, quando seu uso for requisitado pelo sistema (CCPS, 2001). A estimativa quantitativa do risco de cada cenário através da combin de dados da consequência, evento iniciador e IPL caracteriza a quinta etapa. Como mostra Macedo (2011), esse risco é calculado pelo produto entre a frequência do evento iniciador e a PFD de cada IPL: (1)

3 O é o risco calculado; é a frequência do evento iniciador e é a probabilidade de falha da IPL. A sexta e última etapa é caracterizada pela avali do risco para a tomada de decisão com rel à aceitabilidade do mesmo, segundo CCPS (2001). Neste passo, o valor do risco calculado é comparado com o critério de tolerância, segundo o Apêndice E do CCPS (2001), como apresentado na Tabela 2. Tabela 2 - Matriz de riscos com zonas de individual. Categoria da Frequência Frequência da Consequência Categoria 1 Categoria 2 Categoria 3 Categoria 4 Categoria 5 Ação imediata Ação imediata Ação imediata Para os casos em que o cenário apresentou risco calculado menor que o critério de tolerância (sem ações adicionais), a planta foi considerada segura quanto a este risco. Quando o risco calculado foi maior que o critério de tolerância ( imediata/ na ), foram sugeridas camadas de proteção adicionais para tornar a planta segura. 3. RESULTADOS

4 Um esquema simplificado do processo é apresentado na Figura 1. O gás é obtido através de uma série de reações que ocorrem em um gaseificador do tipo leito fixo com dois estágios de aliment. Inicialmente, o gaseificador (Nó 1) é alimentado manualmente com o cavaco de eucalipto seco, que preenche o reator completamente. O ar é injetado ao processo através de um soprador. O gás produto de alta temperatura formado é direcionado para o ciclone (Nó 2). Antes de passar pelo filtro manga (Nó 5), o gás produto deve ser resfriado, passando por dois trocadores de calor, o trocador de calor I (Nó 3) e o trocador de calor II (Nó 4). Para garantir que o mínimo de umidade esteja presente no gás, este passa por um separador de condensado. Uma vez limpo e resfriado, o gás produto é armazenado em um gasômetro (vaso pulmão Nó 6), onde fica disponível para uso. Nó 1 Nó 3 Água Ar Nó 4 Nó 5 TCI TCII Água Nó 6 Água Nó 2 Figura 1 Esquema simplificado do processo Gás combustível pronto para uso Na Tabela 3 são apresentados os cenários identificados pelo LOPA que serão analisados, com seus respectivos eventos iniciadores e frequência por ano. Tabela 3 - Descrição dos cenários e frequência dos eventos iniciadores Cenário Evento Iniciador (E.I) Freqüência do Consequência E.I/ano 1 Falha no instrumento da temperatura 0,8 Parada do processo por problemas no reator 2 Falha do operador na 0,01 Produto fora da especific secagem da biomassa 3 Falha do operador na secagem da biomassa 0,01 Redução da velocidade de re e da eficiência do processo 4 Válvula falha fechada 0,1 O gás produto não está formado

5 5 Furo na linha de entrada do trocador 0,001 Presença de alcatrão no gás produto Produto fora de especific 6 Entupimento na saída de sólido do 0,1 Acúmulo de sólido Redução na quantidade de gás produto formado filtro manga 7 Entupimento da 0,1 Danos aos elementos filtrantes saída de gás do filtro manga 8 Defeito no separador de condensado 0,1 Mangas com uma camada muito espessa de pó 9 Defeito nas mangas 0,1 Emissão de pó na saída do filtro Nas tabelas de 4 e 5 são apresentados, de forma simplificada, os resultados que apresentaram maior necessidade de a fim de se evitar ocorrência de acidentes na planta. O cenário 4 apresentou resultados similares ao cenário 1, bem como os cenários 7 e 9 em rel ao cenário 6. Tabela 4 - Resultado do LOPA para cenário 1. LOPA DOCUMENTAÇÃO E CÁLCULOS DE CENÁRIOS Número do cenário Zona de Avali Título do cenário 1 Gaseificador Danos ao reator devido ao descontrole da temperatura Data Descrição Probabilidade Frequência 12/12/2015 Consequência (Descrição/Categoria) Parada do processo por problemas no reator Categoria 5 Evento Iniciador Falha no medidor de temperatura - 0,8 Camadas de Proteção Independentes (IPL s) BCPS Intervenção Humana - 0,01 - SIF - - -

6 Probabilidade total de falha na demanda para todas IPL s 0,01 Freqüência da conseqüência mitigada 0,008 Critério de tolerância de risco é atendido? Ações necessárias para atender à tolerância de risco SIM NÃO OPCIONAL X Instal de sistema de alarme e intertravamento para temperatura alta (acima de novecentos graus celsius) no reator. Observações - Tabela 5 - Resultado do LOPA para cenário 7. LOPA DOCUMENTAÇÃO E CÁLCULOS DE CENÁRIOS Número do cenário Zona de Avali Título do cenário 6 Filtro Manga Redução do gás de síntese devido à entupimento da saída de sólido do filtro Data Descrição Probabilidade Frequência 12/12/2015 Consequência (Descrição/Categoria) Acúmulo de sólido, reduzindo a quantidade de gás de síntese Categoria 5 Evento Iniciador Entupimento da saída de sólido do filtro - 0,1 Camadas de Proteção Independentes (IPL s) BCPS Intervenção Humana - 0,01 - SIF - - -

7 Probabilidade total de falha na demanda para todas IPL s 0,01 Freqüência da conseqüência mitigada 0,001 Critério de tolerância de risco é atendido? Ações necessárias para atender à tolerância de risco SIM NÃO OPCIONAL X Manutenção preventiva do filtro Observações - Os cenários 1 e 4 são caracterizados pela parada do processo por problemas no gaseificador. No primeiro, a ocorrência de falha nos indicadores de temperatura pode danificar o reator. Como sugestão do estudo de LOPA, seria recomendada a instal de sistema de alarme e intertravamento para temperatura alta no reator. E no segundo, a falha das válvulas que controlam a entrada de ar no reator acarretaria na não form do gás combustível. Por isso, é sugerida a manutenção e inspeção periódicas das válvulas. Os cenários 6, 7 e 9 abrangem problemas que podem acontecer com o filtro manga caso a saída de sólidos do filtro seja obstruída, os elementos filtrantes sejam danificados e se as mangas do filtro apresentarem defeito, respectivamente. Tais consequências podem ser evitadas e, para isso, a LOPA sugere a realiz de inspeções e manutenções periódicas no filtro. 3. CONCLUSÃO Com o resultado desse estudo de LOPA foi possível identificar os cenários que merecem maior atenção dentre todas as possibilidades apresentadas no HAZOP (Souza et al., 2016). Com a prevenção desses cinco cenários principais, pode-se garantir que a planta estará segura no que diz respeito à parada do processo, ou seja, ações como manutenção e inspeção periódicas da tubul e do compressor e autom da planta com sistemas de alarmes e intertravamento podem garantir o funcionamento seguro da planta sem a ocorrência de paradas devidas às falhas do processo. 4. REFERÊNCIAS MOTA, C. J. A.; MONTEIRO, R. S. Química e sustentabilidade: novas fronteiras em biocombustíveis, 2013.

8 GRASSI, G.; GOSSE, G.; DOS SANTOS, G. Biomass for Energy and Industry. London; Elsevier Applied Science; Anexo 10 (LOPA) do Procedimento de Análise e Gerenciamento de Impactos e Riscos de Processos e Serviços, Layer of Protection Analysis Simplified Process Risk Assessment. Center for Chemical Process Safety (CCPS) New York, MACEDO, L.S.; VIEIRA DE MELO, S.A.B.; TORRES, E.A. Estudo de Perigos e Operabilidade (HAZOP) em uma Planta Piloto de Biodiesel. Relatório Interno, UFBA, SOUZA, N. L.; JESUS, M. F.; TORRES, E. A., VIEIRA DE MELO, S. A. B., Estudo de perigos e operabilidade (HAZOP) em uma planta piloto de gaseific de biomassa, Aceito pelo COBEQ 2016.