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ガスフレアは、フレアスタック、フレアブーム、グラウンドフレア、フレアピットとも呼ばれ、石油精製所、化学プラント、天然ガス処理プラント、油井やガス井のある石油・ガス採掘現場、沖合の石油・ガス掘削装置、埋立地などで使用されるガス燃焼装置です。
工業プラントでは、フレアスタックは主に、プラント設備の予期せぬ過圧時に安全弁から放出された可燃性ガスを燃焼させるために使用されます。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]プラントまたは部分プラントの起動および停止時には、比較的短時間で計画的にガスを燃焼させるためにもよく使用されます。
石油・ガス採掘現場では、ガスフレアは同様に、起動、メンテナンス、テスト、安全、緊急時などさまざまな目的で使用されます。[ 6 ]生産フレアリング と呼ばれる方法では、油井の寿命全体にわたって、大量の不要な随伴石油ガスを処分するためにも使用されることがあります。 [ 7 ]
工業プラント設備の圧力が過剰になった場合、圧力逃がし弁はガス、場合によっては液体を自動的に放出する重要な安全装置です。これらの圧力逃がし弁は、工業設計基準や規格、そして法律によって設置が義務付けられています。
放出されたガスと液体は、フレアヘッダーと呼ばれる大きな配管システムを通って垂直に高く設置されたフレアに送られます。放出されたガスはフレアスタックから出る際に燃焼されます。発生する炎の大きさや明るさは、可燃性物質の流量（ジュール/時、またはBTU /時）によって決まります。[ 4 ]
ほとんどの工業プラントのフレアには、放出されるガスに伴って発生する可能性のある大量の液体を除去するために、フレアの上流に気液分離器（ノックアウトドラムとも呼ばれる）が設置されている。
黒煙の発生を抑えるために、炎に蒸気を注入することが非常に多い。蒸気を加えすぎると、「過剰蒸気」と呼ばれる状態になり、燃焼効率が低下し、排出量が増加する可能性がある。 [ 8 ]フレアシステムを機能させるために、パイロットランプのように少量のガスが継続的に燃焼され、システムが常に過圧安全システムとしての主要な目的を果たす準備が整っている。
隣接するフロー図は、一般的な工業用フレアスタックシステムの構成要素を示しています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
図はパイプのフレア先端部を示しています。フレア先端部にはいくつかの形状があります。
フレアスタックの高さ、またはフレアブームの到達範囲は、機器または人員がさらされても許容される熱放射によって決定されます。 [ 11 ]適切な作業服を着用した人員が継続的にさらされる場合、最大放射レベルは1.58 kW/m² ( 500 Btu/hr.ft²) が推奨されます。より高い放射レベルも許容されますが、暴露時間は短縮する必要があります。
地上フレアは、炎を視界から隠し、熱放射と騒音を低減するように設計されています。[ 10 ]これらは、耐火材で内張りされた鋼鉄製の箱または円筒で構成されています。上部は開いており、底部には燃焼用空気が入るための開口部があります。複数のフレアチップの配列を備え、火力調整機能を提供し、フレアの断面全体に炎を広げることができます。これらは一般的に、陸上の環境に敏感な地域で使用され、洋上では浮体式生産貯蔵積出設備（FPSO）で使用されています。[ 10 ]
原油が油井から抽出・生産される際、原油に付随する天然ガスも同時に地表に運ばれます。特にパイプラインやその他のガス輸送インフラが不足している地域では、こうした付随ガスの膨大な量が廃棄物または使用不可能なガスとして燃焼されるのが一般的です。付随ガスの燃焼は、垂直フレアスタックの上部で行われる場合もあれば、土のピット内の地上フレアで行われる場合もあります。好ましくは、付随ガスは貯留層に再注入され、将来の使用のために保存されるとともに、より高い坑井圧力と原油生産性が維持されます。[ 12 ]
衛星監視の進歩と自主的な報告により、少なくとも1990年代半ばから2020年まで、世界中で毎年約150×10⁹立方メートル（5.3×10¹²立方フィート）の随伴ガスが燃焼されていることが明らかになった。 [ 13 ] 2011年には、これは米国の年間天然ガス消費量の約25％、または欧州連合の年間ガス消費量の約30％に相当する。[ 7 ] 市場では、この量のガスは名目価格1000立方フィートあたり5.62ドルで、298億米ドルの価値がある 。[ 14 ]さらに、この廃棄物は二酸化炭素（CO₂ ）やその他の温室効果ガスの排出 の大きな原因となっている。
人為的なメタンの重要な発生源は、廃水、動物の廃棄物、埋立地などの有機廃棄物の処理と貯蔵です。[ 15 ]ガスフレアは、バイオガスの生成と収集につながるあらゆるプロセスで使用されます。そのため、ガスフレアはバイオガスの生成を制御するための設備の標準的な構成要素となっています。[ 16 ]これらは、農業または家庭で発生した有機廃棄物を使用して燃料または暖房用のメタンを生成する埋立地、廃水処理場、嫌気性消化プラントに設置されています。
バイオガス収集システムにおけるガスフレアは、ガス生産量が工業プロセスでの使用を正当化するのに十分でない場合に使用されます。しかし、ガス生産量が工業プロセスで直接使用できるほど十分なプラントでは、その工業プロセスは循環型経済の一部と分類され、発電、車両燃料用の天然ガス品質のバイオガスの生産[ 17 ]、建物の暖房、廃棄物由来燃料の乾燥、浸出液処理などが含まれる可能性があります。ガスフレアは、発電設備のメンテナンスや故障による停止時間中のバックアップシステムとして使用されます。後者の場合、バイオガスの生成は通常中断できないため、ガスフレアを使用して生物学的プロセスの内部圧力を維持します。[ 18 ]
バイオガスの制御に使用されるガスフレアには、開放型と密閉型の2種類があります。開放型フレアは1000 ℃未満の低温で燃焼し、一般的に密閉型フレアよりも安価です。密閉型フレアは燃焼温度が高く、通常、煙突内での滞留時間が0.3秒になるように供給され、バイオガスに含まれる有毒分子を完全に破壊します。フレアの仕様では、密閉型フレアは通常1000 ℃超1200℃未満で運転する必要があります。これは、98%の破壊効率を確保し、 NOxの生成を回避するためです。[ 19 ]
フレアで燃焼されなかった天然ガスは、メタンとして大気中に放出されます。メタンの地球温暖化係数は、1世紀でCO2の28～36倍、20年で84～87倍と推定されています。[ 20 ]天然ガスのフレアリングでは、天然ガスの化学組成やフレアでの燃焼効率に応じて、CO2やその他の多くの化合物が生成されます。したがって、ガスフレアがメタンを大気中に放出する前にCO2に変換する限り、そうでなければ発生する地球温暖化の量を減らすことになります。[ 21 ] [ 22 ]
2017年にはフレアリングによる排出が2億7000万トンのCO2に寄与しており、フレアリングによる排出削減は地球温暖化抑制の重要な要素と考えられています。[ 23 ]政府や産業界の間で、フレアリングの廃止または削減を誓約する動きが広がっています。[ 23 ] COP26で署名された「世界メタン誓約」では、111か国が2030年までに2020年レベルから少なくとも30％のメタン排出量削減を約束しており、メタンに対する世界的な注目を高める上で重要な役割を果たしています。
フレアリングによって放出されるその他の有害な煙には、発がん性があることが知られている芳香族炭化水素（ベンゼン、トルエン、キシレン）やベンゾ(a)ピレンなどが含まれる可能性があります。2013年の研究では、ガスフレアが北極に堆積した黒色炭素の40%以上を占めていることがわかりました。 [ 24 ] [ 25 ]
フレアリングは、鳥や昆虫を炎に引き寄せることで野生生物に影響を与える可能性があります。2013年9月13日、カナダのニューブランズウィック州セントジョンにある液化天然ガスターミナルのフレアに、約7,500羽の渡り鳥が引き寄せられて死にました。 [ 26 ]同様の事故は、沖合の石油・ガス施設のフレアでも発生しています。[ 27 ]蛾は光に引き寄せられることが知られています。生物多様性条約事務局が発行した、グローバル分類イニシアチブを説明するパンフレットには、「熱帯雨林で作業していた分類学者が、石油精製所のガスフレアが数百匹のこれらの蛾（スズメガまたはオオスカシバ）を引き寄せて死に至らしめていることに気づいた」という状況が記述されています。精製所が稼働していた数ヶ月から数年の間に、膨大な数の蛾が死んだに違いなく、広範囲の森林で植物の受粉ができなかったことを示唆しています。[ 28 ]
フレアからは、ベンゼン、微粒子、窒素酸化物、重金属、ブラックカーボン、一酸化炭素など、さまざまな化学物質が放出されます。これらの汚染物質のいくつかは、早産や新生児の出生体重の低下と関連しています。2020年の1つの研究によると、フレアを起こしている天然ガスや油井の近くに住む妊婦は、早産率が50%高いと報告されています。[ 29 ]フレアからは、メタンやその他の揮発性有機化合物、二酸化硫黄やその他の硫黄化合物が放出される可能性があり、これらは喘息やその他の呼吸器疾患を悪化させることが知られています。[ 30 ]
2021年の研究では、フレアリングされた天然ガスが1%増加すると、呼吸器関連の入院率が0.73%増加することがわかりました。[ 31 ]