LNG産業は、電力生産から水素製造の原料、クリーンな代替輸送手段まで、多様なニーズに対応しています。LNGバリューチェーンにおける技術開発は、LNG産業の発展に欠かせないものとなっています。
一般的な液化設備では、天然ガスを-259˚F（-162˚C）で液化しています。LNGの占有率は1/600分の1 LNGは、天然ガスの600分の1の体積で、天然ガスが入手しにくい主要市場へ効率的に輸送することができる。また、LNGはパイプラインのない遠隔地への配送にも欠かせない。
LNG産業は、天然ガス生産、液化設備、輸送・船積み、貯蔵、再ガス化など、LNGバリューチェーンを構成する様々なセクターで構成されている。これらの施設の多くは、メンテナンス、プロセスの異常、または緊急時の救援による廃棄物の流れを処理するためにフレアシステムを必要とします。
フレアシステムは、これらの廃棄物の流れを安全に燃焼させ、施設の環境負荷を低減するために設計されています。一般的な施設で発生するメタンを効率的に燃焼させることは、未燃焼のメタンは地球温暖化係数（GWP）が25であるのに対し、燃焼生成物の一つである二酸化炭素のGWPは1であるため、重要である。一般的に、これらのフレアシステムは、ガス状の廃棄物のみを効率的に処理するように設計されています。API521にはこうある。"大きな液滴や液体の負荷は、煙や液滴（燃焼しているか否かを問わない）がフレアから放出されたり、機械的な損傷を引き起こす可能性がある。"
フレアリングには、可視光線放出許容量の達成、騒音や放射線の要件、フレアシステムおよびその無菌区域のための十分な敷地面積の確保といった施設面での課題など、多くのコンプライアンス上の課題がある。無菌エリアは、過剰な火炎放射や騒音レベルのためにアクセスが制限されます。さらに、フレアは、想定される救済能力シナリオの範囲内で動作するように設計されていなければなりません。一般的なガスフレアリングシステムでは、LNG施設などの液体プロセスストリームは、ガスストリームをフレアに送る前に、まずノックアウトドラムの一種を使って気化または分離する必要があります。これは、システムにさらなる複雑さとコストをもたらす可能性があります。
この記事の続きで説明するように、Zeeco 、液体廃棄物の流れを効率的に処理するフレアを設計し、テストした。その結果、設備コストの削減、工場と従業員の安全性の向上、環境への影響の低減など、いくつかの利点が得られた。
本格的なテストに成功
液体廃棄物の流れに対応できるフレア・システムを求める顧客の要望に応え、Zeeco 、圧力噴霧式フレア・システムを開発し、米国オクラホマ州ブロークン・アローの本社でLNGを使用した実物大テストを実施した。このフレアテストは成功し、LNG産業におけるこの技術の新たな可能性と応用への扉を開いた。
LNGは二重壁の真空断熱トレーラーでZeeco 、試験用フレアヘッダーに接続された。トレーラーに搭載されたポンプがLNGをステンレス製ヘッダーとフレアチップを通してフレアチップに送った。廃棄物の流れの温度と圧力は、相（気体、二相、液体）を決定するために記録された。試験開始時、フレアヘッダーは常温で、廃棄物の流れは気体であった。ヘッダーが冷えるにつれて、廃棄物の流れは二相、そして液体へと移行し、その間、全プロセスを通じて安定した無煙の炎が維持された。フレアの設計が、あらゆる運転条件下で効率的な燃焼を実証したことは重要である。フレアチップは、数回の予備試験を経て、顧客の立会いによる最終試験まで、機械的な損傷もなく、過酷な条件と熱サイクルに耐えた。最も堅牢な液体フレアチップ設計を提供するため、Zeeco 、熱影響部の溶接数を減らし、機械的噴霧の要件を満たす鋳造を採用した。
設計上の留意点
液体フレアチップの最大の懸念は、燃焼した液体の飛沫が地上にまで到達し、安全上の問題を引き起こす可能性があることです。液体廃棄物の流れを効果的に霧化することで、液体の流れが小さな液滴になり、液体の表面積と燃焼速度が増加するため、この問題に対処することができます。表面張力，粘性，密度は，液滴の大きさと噴霧パターンの特徴に影響する主要な流体特性である．フレアシステムは、与えられた廃棄物の流れの特性に合わせて、適切な圧力による霧化が達成されるようにモデル化されています。
圧力噴霧は、廃棄物の流れ自体のエネルギーで噴霧を生成し、蒸気や圧縮空気のような噴霧媒体を必要としません。もう一つの一般的な霧化方法は、高圧ガスアトマイズです。これは、液体ストリームに空気、蒸気、または天然ガスを注入することによって、液体を小さな液滴に分解するものです。圧力噴霧の主な利点は、追加のユーティリティや対応するインフラを必要とせずに機能することで、フレアシステムに関連する資本コストと運用コストを削減するのに役立つことです。
火炎の安定性は、フレアシステムの安全な運転と廃棄物の適切な破壊に不可欠である。安定した火炎は、フレアが運転および環境設計条件を通して点火されたままであることを意味する。リーンな廃棄物ストリーム（すなわち、低発熱価）および／または高い廃棄物ストリーム出口速度は、不安定な火炎の典型的な原因である。火炎の安定性が失われると、廃棄物の流れが未燃になり、環境に悪影響を及ぼし、安全性に懸念が生じる可能性がある。この用途のために開発された圧力噴霧液体フレアシステムは、安定した火炎を確保するために、独自のメカニズム（Zeeco ）を使用している。API521のセクション5.7.2.4には、火炎の安定性を判断するための様々な観察が記載されている（すなわち、低周波のドキドキ音は、火炎前面が脈動する不安定な火炎に関連している）。試験中に記録された可視および可聴観察に基づき、フレアシステムは、天然ガスの燃焼から二相天然ガス/液体、そして亜冷却LNGへと移行する間、安定した火炎を維持した。
付加価値
フレアシステムの開発は、新規設備の建設や既存設備の改修の際に多くの利点をもたらすことができます。特に配慮が必要なのは、機器から発生する騒音です。ブロワー、コンプレッサー、エアドライヤー、ヒーター、フレア、その他の発生源はすべて、必要に応じて適切な個人保護具や標識が使用されるように考慮しなければならない作業騒音レベルに寄与します。場合によっては、フレアの高さやフレア周辺の無菌半径が騒音制限によって決定されます。したがって、フレアの騒音レベルを下げることは、作業者の健康にとって大きなメリットであり、コスト削減の機会にもなり得ます。
実際、OSHAは、"大きな騒音は身体的・心理的ストレスを生じさせ、生産性を低下させ、コミュニケーションや集中力を妨げ、警告信号が聞こえにくくなることで労働災害や傷害の一因となる "と報告しています。特に人口密集地では、騒音公害を減らすことは、近隣の企業や地域社会との良好な関係を維持することにつながり、施設に良い影響を与えます。Zeecoの液体フレアリング技術は、従来の気体フレアリングよりも騒音公害の発生が少なく、廃棄物の流れを安全に処理できることが証明されています。
フレアリングのシナリオで発生する騒音は、燃焼音と噴射音の2つのカテゴリーに分けることができます。燃焼騒音は、炎全体の熱放出の局所的なばらつきによる燃焼生成物の膨張と収縮によって引き起こされます。この膨張と収縮により圧力波が発生し、人間の耳には騒音として認識される。ジェットノイズ（ベントノイズ）は、オリフィスを通過する流体速度の上昇に起因するものです。ジェットノイズはさらに、乱流によって生じる流れの脈動である乱流ノイズと、フレア出口で出口速度が音速に達する（流れが詰まる）ときの衝撃波ノイズとして特徴付けることができる。
液体フレアシステムの利点は、気体に比べて液体の音速がはるかに速いことに起因する。例えば、メタンガスの音速は925 ft/sec（-259˚F）であるのに対し、液体メタンは4658 ft/sec（-259˚F）である。(一方、液体メタンの音速は4658 ft/sec.です（-274˚F）。(である。）また、液体は気体よりも密度が高いため、同じ質量流量でも液体の出口速度は小さくなります。液体の音速が高く、同じ質量流量でも出口速度が低いことを考慮すると、液体フレアシステムはジェット騒音を最小限に抑えることができる。このことは、Zeeco によって実施されたフレア試験によって確認された。この試験で、圧力噴霧式液体フレアは、同じ質量流量で気体フレアよりも騒音が大幅に少ないことが示された。表1は、圧力噴霧液体フレアの試験結果と従来のガスフレアシステムの予測結果の比較である。
また、設備の設置面積や、配管、サポート、その他の付属品など、設備の関連コストも考慮する必要があります。例えば、配管の直径を小さくすると、配管の総重量の減少、パイプラックの必要数の大幅な減少、配管の直径が小さくなったことによる材料の取り扱いや溶接の減少による設置の容易化、付属品（バルブやフランジなど）のサイズ減少、機器全体の設置面積の減少など、多くの利点があります。パイプ径の縮小のメリットは、数百フィートの高さに達するフレアライザーにも適用され、供給量の削減と風域の縮小により、フレアシステムの資本コストをさらに削減することができます。前述したように、液体廃棄物は密度が高いため、気体廃棄物と比較して、所定の質量流量の場合、より小さな直径のパイプを使用することができる。
これらの潜在的なシステム節約を考えるには、液体フレアリング用の LNG システムとガスフレアリン グ用の LNG システムを比較するのが有効な例である。700 000 lb/hrの流量を使用する場合、液体フレアリング用LNGシステムの推定コストはUS$750 000である。一方、同じプロセス条件でのガスフレアリング用LNGシステムの見積もりは、900,000米ドルである。これらのコストは、フレアシステムの供給のみの見積もりであり、ヘッダーとヘッダーサポートによる節約分は含まれていない。資本コストの節約に加えて、圧力噴霧式液体LNGフレアシステムは、長期的に騒音と総所有コストを削減することができます。
結論
技術開発は、LNG産業が過去50年間に築き上げてきた進歩を維持し、将来の発展を促進する上で極めて重要である。Zeeco によって設計・試験されたLNG用圧力噴霧液体フレアシステムは、業界の進歩に貢献する最新の開発のひとつであり、厳しい極低温運転条件下でサブクール天然ガスを確実に処理できるLNGフレアソリューションを提供する。LNGが他の化石燃料に代わるクリーンで経済的な燃料として人気が高まるにつれ、さらなる進歩が必至となり、LNG産業は次の発展段階へと進む。
書誌情報
- 'Pressure-Relieving and Depressuring Systems:API Standard 521」、米国石油協会、（2014）。
- 'Liquefied Natural Gas:Understanding the Basic Facts', US Department of Energy, (August 2005).
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- Climate Change Connection, climatechangeconnection.org/ emissions/co2-equivalents/.
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