このような社会的な圧力から、従来のアンモニア業界では、再生可能エネルギーを利用したアンモニアの製造に向けた機運が高まってきている。グリーン水素」または「グリーンアンモニア」と呼ばれ、その製造、輸送、燃料としての利用のすべての段階において、化石燃料を必要としない。本格的な生産は数年後に迫っており、ある業者は数十億ドルを投じて、2025年までに世界最高水準のグリーン水素ベースのアンモニアを稼働させることを目指している。
化石燃料の燃焼の代替として「ブルー」アンモニアや水素を使用するプロジェクトがすでに進行中であり、また今後数年のうちに開始される予定です。ブルーアンモニアはグリーンアンモニアと異なり、化石燃料を使用した既存の製造方法で生産され、隔離とオフセットにより炭素の影響を制限する。
フレアリングの将来はどうなるのでしょうか。それは非常に多様である可能性があります。アンモニアや水素は、低カーボンフットプリントへの転換を図るあらゆる施設に見られるようになるでしょう。バーナーやパイロット燃料として水素に置き換えた天然ガスは、エンドユーザーからの要望が高まっています。化学、石油化学、ガス処理などの用途で効果的な破壊効率（DE）を実現するための燃焼装置の設計には、「個々のケース」ごとに評価しなければならない特定の課題があります。アンモニアなど、化学物質そのものの性質によって着火や高いDEを達成することが難しい化学物質を生産する産業では、クリーンで効率的な燃焼を確保するために特定のフレア設計手法を採用する必要があります。
アンモニア燃焼の課題
アンモニアの燃焼を難しくしている要因は、窒素系であること。
このため、アンモニアフレアーは、火炎伝播速度が遅く、発熱量も少なく、火炎温度も低いという特徴があります。これらの課題を解決するためには、アンモニアフレア特有の設計基準が必要となる（図1参照）。
図1. アンモニア施設の排ガスを処理するために設計されたフレアシステムの一例。
アンモニアの技術的に完全な燃焼（99％以上）を促進するためには、廃ガスの出口速度を制限して、アンモニアが高DE燃焼のために十分な滞留時間を確保することが必要である。Zeeco 、この設計思想を支持するアンモニアの火炎安定性と出口速度の相関関係を実証する試験データを蓄積してきた。フレアシステムがこの重要な指標に基づいて設計されていない場合、不完全燃焼や廃ガスの未着火放出の可能性が高くなる。
図 2. 設計上の最大出口速度と公称フレア先端径の関係。
図3. 典型的なアンモニア試験の炎の色。
例えば，図2に示すように，アンモニアを含む排ガスの設計最大出口速度は，フレア先端径に依存することが分かる．一般にフレア先端径が大きくなると、ガス量が多くなり、火炎からの熱の放出が多くなります。このように出口速度を制御してフレア先端径を設計することで、アンモニアの着火温度以上の火炎温度を維持し、火炎全体の安定性を向上させることができます。
米国テキサス州ヒューストンの化学プラントで行われた100％アンモニアガスでのテストは、これらの点をさらに明確に示している。フレアチップの出口速度が燃焼効率に及ぼす影響を評価するため，ガスの流速を変化させた．試験は，公称 12 インチ径の完全保 炎リング付きユーティリティタイプのフレアチップで実施された．
評価の一環として先端に装着されたオプションは以下の通りです。
この試験には、さまざまなアンモニア流量、1～3個のパイロット、ガス注入リング、拡張ウインドシールド、およびこれらの組み合わせを使用したフレアチップアセンブリの性能分析が含まれています。フレアからのプルームに存在するアンモニアの量は、測定温度と相対する位置でサンプリングする加熱プローブを使用して決定されました（プローブがプルームの最も高温な部分にあることを確認するため）。図 3 の典型的なアンモニア試験の炎の色をご覧ください。
テストから得られた結論は
これらの知見から、フレアシステムの設計を正しく行えば、アンモニアを非常に高い効率で燃焼させることができる。
アンモニア燃焼の設計上の留意点
Zeecoの試験設備で実施された広範な試験と検証は、アンモニアプロセスガスの燃焼に関する設計上の考慮事項に革新的な進歩をもたらした。
チップ排ガスの分配
一般に、「フレアチップ」と呼ばれるフレアの部分は、フレアシステムの上部10フィート（約3.5メートル）の部分です。アンモニア廃ガスがフレアチップ本体に入ると、燃焼を促進するための空気へのアクセスと均一な混合が、化合物を完全に燃焼させるために重要な役割を果たします。フレアチップ本体全体に廃ガスを均一に分布させるために、アンモニアフレアチップには、廃ガスを適切に分散させ、廃ガスを点火源にさらすとともに、燃焼用空気へのアクセスを高めるための流量分配装置が必要とされます。
高安定設計、火炎安定化
例えば、一般的なユーティリティーのフレアチップでは、フロントガラスはフレアチップの出口と同一平面上にあり、パイロットはフロントガラスの外周に配置されています。火炎安定化装置は、高発熱量ガスが初期着火を達成した後、容易に燃焼を伝播させることができるため、初期着火のための均一な火炎安定性を提供します。一方、アンモニア燃焼の場合は、風の影響を最小限に抑え、着火点、空気、燃料の相互作用がこの部分に集中するように風防の設計を変更する必要があります。
Zeeco 、アンモニアなどの低位発熱量ガス用に特殊な火炎安定化システムを設計し、使用している。このシステムにより、フレア先端部、パイロット、火炎安定化タブが同期し、達成可能な最高の火炎安定性を促進します。アンモニアが自由に燃焼し、フレアシステムが高いDEを達成するように、すべてのコンポーネントが相互作用して高度に安定した燃焼ゾーンを提供します。
イグジット・ベロシティ戦略
アンモニアのフレアリングでは、ガスの物理的挙動を変更することができる。先に述べたように、アンモニア廃ガスの燃焼に対する出口速度の影響は劇的であり、安定した燃焼を促進するために設計上の制約を設けることができる。Zeeco 、通常、アンモニア用途の拡散装置の使用と併せて、フレア先端のバレル直径を大きくすることを選択する。そうすることで、アンモニアを許容可能な出口速度まで減速し、フレアチップ全体に拡散させることができ、適切な混合と均一な領域での安定した燃焼を促進することができる。
このようなシステムでは、施設内で火災が発生した場合、容器を排気する機能が必要になります。そのため、フレアシステムはこれらの流体に対応したサイズと設計が必要となります。これらのガスを、従来の方法で設計された新しい低圧フレアシステムに排出する必要があるか、または既存のシステム内で排出する必要があるかは、ケースバイケースで決定される。
アンモニアを使用する事業者が最も懸念するのは、社会的受容性である。臭気濃度の閾値が低いため、漏洩やフレアシステムの性能不良が発生すると、オペレーターや、場合によっては周辺住民にすぐに警告が発せられます。FEEDの段階でこの懸念に対処することで、重要な最初のステップで装置を正しい方向に導くことができます。
ディスカッション
アンモニア設備の燃焼設計とは別に、補助的な設備も評価されねばならない。例えば、リキッドシールドラム（LSD）は、フレアシステムを上流のヘッダーや機器から分離するための安全装置として一般的に使用されている。アンモニアは水に溶けるので、アンモニアを含むリリーフストリームがLSDを流れるとき、水はアンモニアの一部を吸収し、腐食性のアンモニア溶液を形成する。多くの場合、LSDはフレアリング中に廃ガスと一緒に水をすべて除去し、フレアリング終了後にLSDを再充填するように設計されている。この場合、アンモニア水溶液による腐食の可能性は低い。
しかし、水の除去や交換が行われない流量が予想される場合は、さらなる検討が必要であろう。LSD を特殊な材料で作ること、LSD の内部をコーティングすること、および/または、継続的なスキミングと定期的な水の排水/再充填によって水質を維持することは、LSD を流れるアンモニアの影響を軽減するためのすべての可能な方法である。
アンモニアフレアは出口速度が低く、熱の放出が少ないように設計されているため、フレア自体による騒音は最小であるはずです。しかし、アンモニアの流れは、通常、プラント内の上流機器からの高圧の流れです。この圧力損失の一部は、プラントの廃棄物配管を通過する騒音となります。フレアチップはその廃棄物流れの唯一の出口であり、フレアチップに必要な設計特性のため、チップは上流配管で発生するノイズの増幅器として機能することがあります。アンモニアフレアの出口で予想外の騒音レベルを経験したオペレーターは、上流配管からの圧力損失が大きいこと、あるいはリリーフ源での圧力損失を考慮する必要があります。
結論
アンモニア廃棄物プロセス用のフレアシステムと付属機器を設計する際に考慮すべき設計面は数多くある。今後さらに厳しくなる排出規制の影響を受け、廃棄物を除去するためのフレアシステムの健全な固有設計への進歩は、より重要になるでしょう。さらなる試験と技術革新により、Zeeco のようなフレアシステムプロバイダーは、アンモニア・尿素プラントにクリーンで効率的かつ効果的なフレアソリューションを提供する新しいソリューションを開発する機会を得ることになる。