クレイトン・A・フランシス、Zeeco （米国）は、 フレアリング設備が環境に与える最大の影響が、無害に見えることが多い理由を説明する。
一見、無害に見えるものが有害であることがあります。世界保健機関によると、現代の若者は、コンサートや音楽会場の音量よりも、個人所有のオーディオ機器によって難聴になる危険性が高いと言われています1。1影響が大きいのは、一見すると取るに足らないようなありふれた環境であり、期待されるような頻繁でない爆発音ではないのです。この現象は、特定のプロセス機器による影響など、日常生活の他の側面でも当てはまります。
地域住民や規制当局の専門家は、フレアが信頼性が高く、安全で、環境に配慮したガス処理に有効であるかどうか疑問に思うことがあります。40年にわたる広範な試験により、フレアが適切に運用されれば、環境だけでなく、運用施設内の機器や人員も確実に保護できることが確認されています。試験は主に、フレアチップとそのユーティリティーの流れが理想的に動作するシナリオで実施されてきました。しかし、不十分なトレーニング、プロセス測定の欠如、またはその他の運用上の障害など様々な要因が、プロセスフレアの非効率的で効果的でない運用に容易につながる可能性があります。
無煙フレアリング技術の複雑さを考慮すると、フレアガスの流量と無煙噴射剤の流量の間の重要な関係も運用上の要因の1つである。最も一般的な2つの無煙噴射媒体である蒸気や空気が多すぎると、燃焼効率が低下するか、あるいは完全に停止するまで燃焼領域が希釈される可能性があります。フレアの初期設計が環境法に適合していることを確認することに加え、フレアの通常の低流量/パージ率であっても、未燃炭化水素の放出を防止するフレア設計が不可欠である。
無煙フレア技術に固有の困難は、燃焼装置を熱損傷から保護するために、無煙噴射媒体の最小実用流量が要求されることである。これらの最小流量は、装置メーカーからの指定流量であれ、装置における実用的なターンダウン制限であれ、フレアに流れる最小可燃性パージガスと比較すると、やや高いものである。フレアーの最小流量と比較的大きな不活性無煙媒体流量の間のこのアンバランスは、燃焼効率に壊滅的な打撃を与える可能性がある。フレアの流量が大幅に増加することはほとんどないため、このパージ流量における厄介な燃焼効率の悪さは、時間単位での通常の運用を構成している。このように、一見無害に見えるものが、フレアリング装置による最大の環境影響を構成しているのです。
無煙噴射媒体とフレアガスのアンバランスによるリスクは，研究者や規制機関によって研究・指摘されており，米国ではターンダウン時でも適正燃焼を確保するために，この比率を厳密に監視・制御する規制へとつながっている。2,3従来の無煙フレアチップ技術では、通常のノンアップセット運転時の燃焼効率に関する規制を満たすために可燃性パージ率を上げる必要があり、燃料ガス消費量の増加や既存の運転許可への挑戦につながっています。通常の運転でこれだけの悪影響が出ることが明らかになった以上、最小限の蒸気注入量とフレアガスパージ量のアンバランスを緩和しなければならない。
スチーム消費量の削減
フレアは、十分な空気と酸素を確保し、炭化水素の流れに混合することで、炭素と炭素の結合を酸化させ、無煙化するものです。蒸気フレア技術では、炎を無煙にするのは蒸気そのものではなく、主に蒸気流によって推進され巻き込まれる空気である。蒸気フレア技術の進歩は、蒸気消費量の削減やターンダウン時の燃焼領域の性能向上など、蒸気による空気輸送の効率化から始まります。
Zeeco エンジニアは、効率的な蒸気噴射メカニズムを通じて環境問題を解決するため、SteamForce HCフレア技術を開発した。蒸気消費量の削減は、操業コスト、環境への影響、操業コンプライアンスに多くのプラスの効果をもたらす。新しい設計では、フレアガスの1本のライザーが複数のスチームノズルに分配される。ノズルアセンブリは、フレアガス環状体で同心円状に囲まれた空気ダクト付きベンチュリーで構成されている（図1）。各ノズルは、その底部で蒸気噴射を原動力として利用し、フレアガスと減煙燃焼空気の完全な混合と相互作用を確実にするため、周囲をジェットリングで取り囲んでいる。
スチームインジェクション技術
初期のスチーム噴射技術では、インジェクターが周囲の空気を燃焼領域に送り込みますが、多くの場合、先端部の周囲にインジェクターのマニホールドがあります。スチーム/エア（S/A）チューブを使用すると、インレットベルで空気を収集し、その空気量をチューブを通して燃焼ゾーンのコアに輸送することにより、空気からスチームへの注入効率を向上させることができます。この空気量の増加と、フレアガスにアクセスしにくい領域への配置が、数十年にわたりほとんどの大容量蒸気フレアチップの基礎となっています。しかし、S/Aチューブは流れを正しく導くためにミッターやベンドが必要で、これが効率を下げていたこと、チューブの直径が全長にわたって一定であること（図2、左）の2点が、このシステムの非効率な点として残っていた。
大容量で運転する場合，S/A 管内の流速が大きいと，抗力と圧力損失が生じ，各管の全体的な送気量が制限される．いくつかの新しい技術では、より良い性能を得るために直管を採用しているが、一貫した直径の構成では、依然として流量が制限され、効率も限られている（図2、右）。ベンチュリはよく知られた装置であり、流れの圧縮、推進、増圧のためにプロセスプラント内のあらゆる機器に使用されてきた。
真のベンチュリは、最近になって、空気推進用の蒸気フレアチップに組み込まれるようになりました。ベンチュリの圧縮部下流の円錐部が膨張することで、直管設計の抵抗と制約を回避することができます（図3）。
一般に、スチームノズル（両機種とも）から噴出する蒸気の勢いによって、周囲の空気が吸込ベルに引き込まれます。空気と蒸気の混合物は、直線部を流れ、流れが発達します。ベンチュリー型では、流れは出口ベルを通り、徐々に出口面積が大きくなり、圧力が下がり、より多くの流れがシステムを通ることができるようになります。経験則に基づく試験により、この管設計では、同じ蒸気流量の場合、同じサイズのS/A管で最大80%の空気量の増加が実証されている（図4）。この空気量の増加により、スモークレス（アップセット）容量での大幅なスチーム消費量の削減が実現しますが、さらに重要なことは、スチーム消費量の削減は通常のデイリーパージ容量でも適用可能であることです。
図 4.蒸気流量が 3427 lbs/hr の場合、フレアガス、蒸気、および空気を予混合する直管装置が 27 468 lbs/hr の空気を取り込むのに対し、予混合なしのベンチュリー設計は 49 572 lbs/hr の空気を取り込むことができる。さらに、ベンチュリー装置の質量比は、直管装置が1ポンドスチーム当たり8.06ポンドの空気であるのに対し、14.47ポンドの空気を達成した。
フレア構成における周囲空気供給へのアクセス改善は、マルチポイント地上フレア、マルチアーム音波技術などで効果が実証されている概念です。噴射ポイントを増やすと、フレアガスと利用可能な酸素の相互作用の境界が広がるため、より多くの酸素が燃焼ゾーンに引き込まれます。従来、蒸気フレアは単一の大きな樽であったため、この考え方が適用されたのはごく最近のことである。炭化水素の流れを複数のノズルアセンブリに分配することで、フレア内で炭化水素の流れに接触する外気の比率が高くなる。これにより、フレアガスが環状流になり（図1）、内外周が空気に囲まれた状態になります。このようにガスを封じ込めることで、蒸気と空気の相互作用に優れ、無煙化能力をより高めることができる。スチームフレア技術は、各ガス組成を無煙化するために必要なスチームと炭化水素の質量注入比（S/HC）で比較されます。試験ガスにプロピレンを使用した場合、従来の上部噴射のみのスチームフレアではS/HC比は0.55、ベントS/Aチューブ設計では0.38と予想されます。一方，環状型では，1kg のプロピレンを無煙化するために 0.25kg の蒸気を必要とする（図 5）．
図 5.上記は、SteamForce HCフレアを使用することで、従来のベントS/Aチューブや上部蒸気フレアチップを使用した場合と比較して、蒸気消費量を節約できることを示しています。
フレアーの性能は通常、最小流量よりも高い流量で、横風などの外部影響を克服するのに十分な速度と乱流を使用して最適化されます。SteamForce HCの先端には、最小流量時に燃焼空気とフレアガスの適切な相互作用を確保するために、ノズルの周囲にジェットリングが設置されている。ベンダーによっては、約束された性能パラメータを達成するために、2～5 psi などの比較的高い動作フレア圧力を指定している場合がある。これらの技術は、性能を最適化するために、緊急時やアップセット時のガスの運動エネルギーに依存している。しかし、多くのスチームフレアーは、より低い最高圧力で動作し、これらのチップの性能は、一般的に低ターンダウンで大幅に低下します。これに対し、ジェットリングはフレアフローの形状を整え、教育された空気のコアと正しく相互作用するようにし、特にフルターンダウン時に、動作範囲全体にわたってチップの性能を維持することができます。
コストと運用の検討
フレアリングは頻繁には行われず、一般的に短時間であるため、一定の冷却蒸気流は、年間ベースでフレアチップで消費される蒸気の大部分を構成している。蒸気の冷却流は、燃焼領域の熱の影響を緩和することによってインジェクターの完全性を保護します。この流とその悪影響は、寒冷地では悪化します。SteamForce HCデザインでは、基本的にすべての無煙空気導入がチップの基部で行われます。その結果、インジェクターは熱によるダメージを受けにくくなりました。さらに重要なことは、ベンチュリー管によって推進される空気の量が多いため、機器を保護するために必要な最小限の蒸気流量をさらに減らすことができることです。同等の無煙化能力を達成するために必要なベンチュリーノズルの数は非常に少なく、これもパージ蒸気の必要量を削減します（表1）。
フレアがパージ流で過ごす時間対大きなリリーフ負荷の一般的な近似値として、95%対5%の比率が産業界で合理的に使用されてきた。エンドユーザーはフレア装置の最大蒸気注入量と最小蒸気流量の記録を持っているので、異なる技術間の基本的な分析は、フレアチップの運転コストが通常の最小ケースによって支配され得ることを実証している。蒸気発生量にUS$12/1000 lbsという一般的な値を用いることで、新しい蒸気フレア技術のコスト削減能力が強調される（表2）。
表2に示した運転コストの計算方法は、蒸気供給量の節約分のみを捕捉する簡略化したものである。4 規制当局とユーザーが燃焼ゾーンの堅牢性（時に燃焼ゾーン純発熱量（NHVcz）として表される）をさらに考慮する場合、健全な燃焼を確保するために、最小パージ率で濃縮燃料流量を追加する必要があります。必要な燃料ガス噴射量は最小蒸気量に直接関係するため、同社のフレアリング技術による運転上の節約効果は、燃料コストや地域の規制に基づいてさらに拡大することが可能です。特に、この設計では、フレアチップの出口とパイロットの位置の前に、誘導空気とフレアガスを意図的に予混合していない。予混合しないことは，米国環境保護庁（EPA）連邦規則集第 1 章 C サブチャプター，パート 63， サブパート CC に記載されている NHVcz の計算に誘導空気を含める必要がないことを意味する3．出口前のフレアガスに燃焼空気を予 混合すると，蒸気よりも燃焼領域の性能をさらに希釈する効果があると考えられる．フレアチップの出口まで燃焼用空気を導入しないことで、蒸気流のみを濃縮する必要があり、オペレーターは濃縮燃料ガスのコストを大幅に節約することができる。
また、フレアチップの寿命も向上させることができます。スチームとエアーの噴射ベクトルが垂直であるため、火炎のキャッピングの可能性を軽減することができます。従来の蒸気噴射技術では、蒸気の軌道が水平に傾いていました。フレアガスの流量が最小の場合、蒸気の流れは可燃物の流れよりも大きな圧力、速度、運動量を与えます。この流れの不均衡がフレアチップの出口に効果的な「キャップ」を形成し、このキャップがフレアチップバレル内で燃焼を押し下げることがよくあります。この高温で還元的な先端内部の化学反応は、時間の経過とともに修復不可能な損傷を引き起こし、スチームアシストチップの一般的な故障モードとなります。複数の蒸気注入源があり、複数の制御弁が必要な場合、S/Aチューブから注入されるレベルに比べ、上部蒸気注入が強すぎる可能性があるため、この損傷を悪化させる可能性があります。しかし、単一の蒸気源と制御のみを使用する場合、上方噴射ベクトルと一点制御の組み合わせにより、フレアチップの内部燃焼を排除し、長期にわたってより長い寿命と設備価値を提供することができます。
結論
一般の人々は、フレアスタックから出る高く明るい炎を最大の健康・環境リスクと捉えています。皮肉なことに、これらの炎は高い破壊効率を示し、フレアが炭化水素を安全な組成に正しく分解していることを示している。しかし、このような誤解は、ほとんど気づかないような微小な流れが、蒸気や空気の過剰な投入の影響を最も受けやすいということである。過剰な空気注入は環境破壊の原因となり、その是正は資本コストと運用コストの大幅な改善につながります。より効果的な蒸気噴射機構を作ることで、低流量の主な使用例では燃焼ゾーンを強化し、同時に高流量やアプセット条件ではより少ない蒸気を使用することができます。
参考文献
- Make Listening Safe」、世界保健機関、https://www. who.int/pbd/deafness/activities/MLS_Brochure_English_lowres_ for_web.pdf, (accessed on 14 January 2019).
- 適切に設計・運用されたフレアのパラメータ」、US EPA Office of Air Quality Planning and Standards, https://www3. epa.gov/airtoxics/flare/2012flaretechreport.pdf, (accessed on 14 January 2019.).
- EPA 40CFR 63.671.
- 'Benchmark the Fuel Cost of Steam Generation', US Department of Energy, https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f16/ steam15_benchmark.pdf, (accessed on 14 January 2019).