CN104334829A - 天然气的生产方法及生产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的天然气的生产方法具备以下工序：对含有氦气的原料天然气进行绝热压缩的工序；将经绝热压缩的所述原料天然气通入分离膜单元中，将所述氦气从所述原料天然气中分离的工序；将分离了所述氦气的所述原料天然气通过管线输送至终端的工序；以及将从所述原料天然气中分离的所述氦气压入至地下的储存层内的工序。

Description

天然气的生产方法及生产系统
技术领域
本发明涉及用于对原料天然气进行处理而生产产品天然气的天然气的生产方法及生产系统。
本申请基于2012年5月16日提出的PCT/JP2012/062497主张优先权，在此引用其内容。
背景技术
对气田等进行开采而获得的原料天然气除了含有油和冷凝物等烃以及水和氮等杂质之外，有时还会含有氦气。在生产供至市场的产品天然气时，不仅从原料天然气中将上述烃和杂质除去，有时还进行将氦气除去的处理。
作为从原料天然气中将氦气分离的手段，已知大致分为深冷分离法、吸附吸收法、膜分离法的三个方法。深冷分散法是通过利用气体的沸点差异的蒸馏进行的分离方法。该深冷分散法是通过使含有氦气的原料天然气发生绝热膨胀而进行冷却、主要通过使氦以外的成分液化来进行分离的方法(例如参照专利文献1)。
吸附吸收法是通过使原料天然气与规定的吸附剂或吸收剂相接触，仅使氦气被吸附剂或吸收剂吸附或吸收，利用温度差或压力差，使氦气从吸附剂或吸收剂脱离的方法。另外，是通过使氦气以外的物质吸附到吸附剂或吸收剂中来提高氦的浓度，从而将氦气分离的方法(例如参照专利文献2)。
膜分离法例如是利用以下现象的分离方法，该现象是：使用将分子及原子根据其大小或性质选择性分离的膜，并使原料天然气与膜的单侧接触，使相反侧成为与该单侧相比相对较低的压力，从而主要使氦气透过膜，也就是说，利用了原料天然气中的成分相对于膜的透过速度差(例如参照专利文献3)。
含有氦气的杂质从原料天然气中的除去在通过管线与气田相连接的终端中进行，但是，氦气的含量根据天然气的产地有很大差异，在世界中数个产地开采的原料天然气中，与其他产地相比，含有非常多的氦气。如此，当从氦气的含量多的原料天然气中将氦气分离时，有时分离获得的氦气的处理成为问题。即，根据天然气的产出国的法规限制，有时不可以将从原料天然气中分离的氦气释放到大气中，必须将规定比例以上的氦气回收。
氦也被利用在超传导等超低温冷却或医疗现场的MRI等中，是贵重的天然资源，但是，由于消耗量不是那么多，因此即便廉价地将氦供给至市场，也有商业上不成立的可能性。
如果无法预料商业上的成立、无法向市场供给，则有必要利用某种手法对回收的氦气进行处理，但是，例如，若在终端建设储藏设备、对剩余的氦气进行储藏，则除了设备的建设费用之外，还需要设备的维持费用，无法作为产品上市的氦气的保管需要花费很多功夫和成本。因此，在氦气的含量多的天然气的产地中，未活跃地进行天然气的生产。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2005-509831号公报
专利文献2：日本国特表平2-503522号公报
专利文献3：日本国特开2003-342009号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，近年来由于对原子能发电的顾虑等，作为电力生产的能源，对化石燃料的需求再次增加，即便是在氦气含量多的天然气的产地中，也在积极地推进天然气的商业生产。
作为对剩余的氦气进行处理的一个对策，考虑到了将氦气压入至地下的储存层内的方法。通过该方法，即便不建设储藏设备，也能对氦气进行处理。但是，由于在终端的地下并不一定有能够压入氦气的储存层，因此若采用该方法，则氦气从原料天然气中的除去优选在开采原料天然气的生产用井的附近实施。这是由于在产出天然气的气田的地下，存在能够压入氦气的储存层的可能性高。
本发明基于上述见解而完成，其目的在于在生产天然气的过程中获得的氦气的处理中不会花费太多的功夫和成本，即可生产产品天然气。
用于解决上述课题的方法
本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法具备以下工序：对含有氦气的原料天然气进行绝热压缩的工序；将经绝热压缩的所述原料天然气通入分离膜单元中，将所述氦气从所述原料天然气中分离的工序；将分离了所述氦气的所述原料天然气通过管线输送至终端的工序；以及将从所述原料天然气中分离的所述氦气压入到地下的储存层内的工序。
一直以来，原料天然气在开采后在气田侧被加压，利用气田侧的管线入口与终端侧的管线出口的压力差，被输送至远处的终端。
本发明中着眼于上述方面，通过在对原料天然气进行加压、即进行绝热压缩而提高温度之后通入分离膜单元中，将氦气从原料天然气中分离。从原料天然气中分离的氦气被压入到气田附近的储存层中，在地下被还原。另一方面，分离了氦气的原料天然气在通过分离膜单元之后，与以往同样地利用压力差，被输送至远处的终端。
根据本发明，着眼于以往以天然气的远距离输送为目的而进行的原料天然气的加压，将通过绝热压缩进行了升压、升温的原料天然气暂时通入分离膜单元中，利用分离膜前后的压力差，将氦气从原料天然气中分离，因此用于对氦气进行分离的设备负担与采用深冷分离法、吸附吸收法时相比，很少即可。而且，由于由无机系的多孔质材料形成的分离膜对于加热至某种程度的氦气具有优异的分离能力，因此通过绝热压缩对原料天然气进行升温，在此方面也是有效的。另外，从原料天然气中分离的氦气被压入到气田附近的储存层中，在地下被还原，因此没有必要重新建设储藏设施。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法中，所述分离膜单元所具有的分离膜可以由具有多个细孔的无机系多孔质材料形成。
通过该方法，利用简单的构成即可实现效率良好的氦气的分离。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法中，所述分离膜的所述细孔可以具有0.26nm以上且小于0.43nm的直径。另外，本发明的细孔的直径是指与多个细孔有关的直径的平均值。
通过该方法，将分离膜的细孔的直径设定为作为氦分子的分子动力学直径、即考虑了分子运动的直径的0.26nm以上的大小。因此，当将原料天然气供给至分离膜的一面侧时，原料天然气中含有的氦分子通过分离膜的细孔、向分离膜的另一面侧移动。由此，可以从原料天然气中将氦气分离。另外，将分离膜的细孔的直径设定为小于0.43nm的大小。由此，原料天然气中含有的氦气以外的物质中，丙烷等侧链烃或甲苯等芳香族烃不会通过细孔被分离，因此可以高度地维持分离膜的分离效率。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法是使用压缩机实施对所述原料天然气进行绝热压缩的工序，所述压缩机也可以将所述原料天然气沿着从所述分离膜单元延伸的管线压送至下游侧。
通过该方法，由于在原料天然气的绝热压缩用途和原料天然气的压送用途中兼用1个压缩机，因此与分别设置发挥各自作用的压缩机的情况相比，可以实现材料费的降低及系统的小型化。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法中，供至所述分离膜单元的所述原料天然气的压力可以高于0.1MPa且低于12MPa。
通过该方法，由于将原料天然气的压力设定为高于0.1MPa的压力，因此可以防止氦气的分压变得过低、难以透过分离膜。由此，可进行氦气的可靠的分离。另外，将原料天然气的压力设定为低于12MPa的压力。这是因为，当原料天然气的压力超过12MPa时，为了可耐受夹持分离膜的两侧的压差，需要增加分离膜的厚度、增大其机械强度。但是，当增加分离膜的厚度时，与其相伴，氦气的透过速度或透过量减少，分离膜的分离能力降低。另外，在对于天然气的管线而言通常允许的最大压力为10～12MPa时，原料天然气的压力也不会超过该范围。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法可以通过调节供至所述分离膜单元的所述原料天然气的温度来控制所述氦气的分离量。
通过该方法，与利用设于管线中的阀门的开关等控制氦气的分离量的情况相比，可以精度更为良好、且迅速地对氦气的分离量进行控制。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法中，为了对供给至所述分离膜单元的所述原料天然气进行加热，也可使用附带设备的废热。
通过该方法，通过利用附带设备的废热、对原料天然气进行加热，可以提高作为系统全体的能量效率。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法中，所述附带设备可以是对所述压缩机进行驱动的气体涡轮机。
通过该方法，可以有效地利用气体涡轮机的废热。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法中，供给至所述分离膜的所述原料天然气的温度可以低于450℃。
通过该方法，可以高度地维持分离膜的分离能力。其原因在于，原料天然气的温度超过450℃时，作为氦以外的含有成分的甲烷、氮、二氧化碳等发生活性扩散，这些物质的透过速度或透过量增大，因此氦气的分离效率降低。另外，通过该方法，可以延长管线等设备的耐用寿命。这是由于，当原料天然气的温度超过500℃时，作为其含有成分的重质烃发生碳化，有对管线等设备造成腐蚀的危险，因而原料天然气不会超过该500℃。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法还可进一步具备导入气体、对所述分离膜单元进行清扫的工序。
根据该方法，通过利用导入的气体对分离膜单元进行清扫，将从原料天然气中分离的氦气从分离膜单元中清扫，不会滞留在分离膜单元的内部，因此利用分离膜单元的氦的分离作用提高。由此，可以效率良好地将氦气从原料天然气中分离、生产产品天然气。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法中，也可以导入所述原料天然气的一部分、对所述分离膜单元进行清扫。
通过该方法，为了对分离膜单元进行清扫，没有必要供给与原料天然气不同的气体，因此可以实现成本的削减和系统的简化。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产系统可具备：对含氦气的原料天然气进行绝热压缩的压缩机；从经绝热压缩的所述原料天然气中分离所述氦气的分离膜单元；用于将分离了所述氦气的所述原料天然气向终端输送的管线；以及将分离的所述氦气压入到地下的储存层内的地下还原设备。
根据该系统，着眼于以往以天然气的远距离输送为目的进行的原料天然气的加压，将通过绝热压缩而升压、升温的原料天然气暂时通入至分离膜单元中，利用分离膜前后的压力差将氦气从原料天然气中分离，因此用于分离氦气的设备负担与采用深冷分离法、吸附吸收法的情况相比，很少即可。而且，由无机系多孔质材料形成的分离膜由于对加热至某种程度的氦气具有优异的分离能力，因此通过绝热压缩将原料天然气升温，在此方面也是有效的。另外，从原料天然气中分离的氦气被压入到气田附近的储存层中，在地下被还原，因此没有必要建设新的储藏设施。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产系统中，所述分离膜单元所具有的分离膜可以由具有多个细孔的无机系多孔质材料形成。
通过该系统，可以通过简单的构成实现效率良好的氦气的分离。
另外，本发明实施方式所涉及的天然气的生产系统中，所述分离膜的所述细孔可以具有0.26nm以上且小于0.43nm的直径。
通过该系统，将分离膜的细孔的直径设定为作为氦分子的分子动力学直径、即考虑了分子运动的直径的0.26nm以上的大小。因此，当将原料天然气供给至分离膜的一面侧时，原料天然气中含有的氦分子通过分离膜的细孔、向分离膜的另一面侧移动。由此，可以将氦气从原料天然气中分离。另外，将分离膜的细孔的直径设定为小于0.43nm的大小。由此，原料天然气中含有的氦气以外的物质中，丙烷等侧链烃或甲苯等芳香族烃不会通过细孔被分离，因此可以高度地维持分离膜的分离效率。
发明效果
通过本发明所涉及的天然气的生产方法及天然气的生产系统，在生产产品天然气的过程中，对附属地获得的氦气的处理不用花费太多功夫和成本，就可以生产产品天然气。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式所涉及的天然气的生产系统的概略构成的示意图。
图2是对图1的分离膜单元的周边进行放大的部分放大图。
图3是表示本发明第一实施方式所涉及的天然气的生产方法的工序的流程图。
图4是对第二实施方式所涉及的天然气的生产系统中的分离膜单元的周边进行放大的部分放大图。
图5是对第三实施方式所涉及的天然气的生产系统中的分离膜单元的周边进行放大的部分放大图。
图6是对分离膜的一部分进行放大的部分放大图。
图7是表示本发明第四实施方式所涉及的天然气生产系统的概略构成的示意图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下参照附图对本发明实施方式所涉及的天然气的生产方法及生产系统分别进行说明。首先，对本发明第一实施方式所涉及的天然气的生产方法中使用的生产系统进行说明。图1是表示第一实施方式所涉及的天然气的生产系统10A的概略构成的示意图。
天然气的生产系统10A如图1所示，具备天然气配管11、杂质除去设备12、氦气分离设备13、氦气配管15和地下还原设备16。
天然气配管11从开采原料天然气的生产用井SI向氦气分离设备13延伸。杂质除去设备12设置在天然气配管11上。氦气分离设备13经由天然气输送用的管线11a，与远处的液化天然气生产设备(以下、记为LNG生产设备)14(终端)连接。氦气配管15从氦气分离设备13向还原用井TI延伸。地下还原设备16设置在氦气配管15上。另外，本申请说明书中使用的“终端”这一用语是指以各种目的设置在管线11a的末端部的设备，LNG生产设备14为其一例。
杂质除去设备12发挥从挖掘生产用井SI所获得的原料天然气1中将油或冷凝物等烃以及水等杂质除去的作用。该杂质除去设备12如图1所示，设置于在天然气配管11中朝向气体的流动方向、比生产用井SI更下游侧的位置。
氦气分离设备13具有绝热压缩用压缩机131(第二压缩机)、分离膜单元132、旁通管134和流量调节阀135。
绝热压缩用压缩机131发挥通过对原料天然气1进行绝热压缩来进行升温、升压的作用。一般来说，当利用膜将氦等分子尺寸较小的物质从作为天然气主成分的甲烷等分子尺寸大的物质中分离时，温度或压力较高的情况是有利的。因此，通过使用绝热压缩用压缩机131对原料天然气进行绝热压缩而进行升温、升压，在分离膜单元132中可以提高氦气从原料天然气1中的分离效率。
具体地说，绝热压缩用压缩机131按照原料天然气1的压力高于0.1MPa且低于12MPa的方式对原料天然气1进行绝热压缩。如此，由于经绝热压缩的原料天然气1的压力高于大气压的0.1MPa，因此可以防止氦气的分压变得过低、难以透过分离膜132M。另外，由于经绝热压缩的原料天然气1的压力低于12MPa，因此可以高度地维持分离膜132M的分离能力。即，当原料天然气1的压力超过12MPa时，为了可耐受夹持分离膜132M的两侧的压差，需要增加分离膜132M的厚度来增大其机械强度。但是，当增加分离膜132M的厚度时，与其相伴，氦气的透过速度或透过量减少，分离膜132M的分离能力降低。另外，在对于管线11a而言通常允许的最大压力为10～12MPa时，原料天然气1的压力也不会超过该范围。另外，为了确保氦气的分压、能够进行更可靠的分离，优选按照原料天然气1的压力高于1.0MPa的方式进行绝热压缩，更优选按照原料天然气1的压力高于3.5MPa的方式进行绝热压缩。这是由于，当原料天然气1的压力高于1.0MPa时，分离膜132M的氦气的透过量增加，另一方面，甲烷气体的透过量反而减少。另外，当原料天然气1的压力高于3.5MPa时，在分离膜132M中主要是氦气透过，甲烷气体几乎不会透过。
另外，绝热压缩用压缩机131对原料天然气1进行绝热压缩，直至达到不超过450℃的规定温度。由此，可以高度地维持分离膜132M的分离能力。其原因在于，当原料天然气1的温度超过450℃时，作为氦以外的含有成分的甲烷、氮、二氧化碳等发生活性扩散，这些物质的透过速度或透过量增大，由此氦气的分离效率降低。另外，当原料天然气1的温度超过500℃时，作为其含有成分的重质烃发生碳化，从而在管线11a等设备上易于发生腐蚀，由于原料天然气1不超过500℃，因此可以延长管线11a等设备的耐用寿命。另外，为了更可靠地将氦气进行分离，优选按照原料天然气1的温度高于70℃的方式进行绝热压缩，更优选按照原料天然气1的温度高于100℃的方式进行绝热压缩。其具有以下的优点：原料天然气1的温度高于70℃时，其中含有的乙烷以上的高级烃对氦气的分离造成的影响减小；另外，当原料天然气1的温度超过100℃时，其中含有的水及液状烃对氦气的分离造成的影响减小，从而可以高度地维持氦气的分离效率。
该绝热压缩用压缩机131如图1所示，设置在比天然气配管11中的杂质除去设备12更下游侧的位置上。另外，绝热压缩用压缩机131可以发挥作为用于通过管线11a进行的、向LNG生产设备14输送天然气的动力源的作用。此时，例如以压缩比3对50℃的天然气进行升压时，绝热压缩用压缩机131的出口处的天然气温度达到160℃左右。通过将该压缩热积极地利用在分离膜单元132的膜分离中，可以减少膜分离作用中的能量的消耗量，结果可削减成本。
分离膜单元132发挥从经由杂质除去设备12的原料天然气1中将氦气分离的作用。图2是将图1的分离膜单元132的周边放大的部分放大图。分离膜单元132含有分离膜132M。分离膜132M的材质为无机系的多孔质材料、例如硅化合物系材料，特别是具有氦气的透过量或透过速度大的特性。当原料天然气1流过分离膜单元132的内部时，如图2所示，原料天然气1中含有的氦气透过分离膜132M而流入氦气配管15中。如此构成的分离膜单元132如图1所示，在天然气配管11中设置在比绝热压缩用压缩机131更下游侧的位置上。
图6是将分离膜132M的一部分放大的部分放大图。分离膜132M中贯通其厚度方向地形成有多个细孔132H。该细孔132H的孔径(直径)设定为约0.26nm以上且小于0.43nm的大小。如此，细孔132H的孔径由于设定为作为氦分子Hb的分子动力学直径、即考虑了分子运动的直径的0.26nm以上，因此氦分子Hb可以透过细孔132H，从分离膜的一面侧向另一面侧移动。其中，下述表1表示原料天然气中含有的主要物质及其分子动力学直径。
表1
另外，由于将细孔132H的孔径设定为小于0.43nm，因此在原料天然气中含有的除氦气以外的分子Ob中，分子动力学直径为0.43nm以上的物质(表1所示的丙烷和正丁烷等的低级烃)难以通过细孔132H被分离。因此，能够以很高的分离效率将氦气从原料天然气中分离。另外，为了进一步提高利用分离膜132M的氦气的分离效率，优选将细孔132H的孔径设定为小于0.40mm。其原因在于，若将孔径设定为小于0.40nm，则除了上述丙烷和正丁烷等之外，表1所示的乙烷(分子动力学直径0.400nm)难以通过细孔132H被分离。另外，更优选细孔132H的孔径设定为小于0.38nm。其原因在于，若将孔径设定为小于0.38nm，则除了上述各物质之外，表1所示的甲烷(分子动力学直径0.380nm)难以通过细孔132H被分离。
构成分离膜单元132的分离膜132M的数量、材质、形状等不限定于本实施方式，可适当进行设计变更。例如，分离膜132M可以是中空丝膜等的形状，也可以是薄板状的平膜。另外，分离膜132M的材质可以是具有氦气的透过量或透过速度大的特性的有机系高分子物质。但是，如本实施方式那样使用无机系的多孔质材料时，由于能够耐受更高温的原料天然气1，因此具有可提高氦气的分离效率的优点。
旁通管134发挥将天然气绕过分离膜单元132向下游侧的管线11a移送的作用。该旁通管134如图1所示，夹持天然气配管11中的分离膜单元132，将上游侧的位置和下游侧的位置连接。
流量调节阀135发挥调节流过旁通管134的天然气流量的作用。即，经由杂质除去设备12的天然气中的氦气含量少、而且没有必要从天然气中分离氦气时，可以打开流量调节阀135，绕过分离膜单元132，使天然气向下游侧的管线11a流动。
另外，也可调节流过旁通管134的天然气的流量、调节通过分离膜单元132的原料天然气1的量。例如，不是像上述那样将流量调节阀135全开，在如果使经过杂质除去设备12的天然气全部通入分离膜单元132，则氦的含量降低至必要程度以上时，通过部分地打开流量调节阀135，减少通过分离膜单元132的原料天然气1的量。由此，可以减轻分离膜单元132的负荷、抑制与膜分离作用有关的能量的浪费。
当筹划氦气向市场的供给、生产作为产品的氦气时，也可以打开流量调节阀135，将含有氦气的原料天然气通过管线11a、输送至LNG生产设备14。在LNG生产设备14中，可以采用包含深冷分离法、吸附吸收法、膜分离法的已知分离方法生产产品氦气。
LNG生产设备14由通过杂质除去设备12和氦气分离设备13进行了处理的天然气生产作为产品天然气的LNG。
地下还原设备16发挥将流过氦气配管15的氦气3压入至还原用井TI中的作用。该地下还原设备16如图1所示，具有压入用压缩机161(第一压缩机)和压入排出阀162。另外，实际上氦气3是指比原料天然气更多地含有氦的混合气体。
压入用压缩机161发挥对氦气3进行压缩的作用。该压入用压缩机161如图1所示，设置在氦气配管15的规定位置上。
压入排出阀162发挥切换氦气3向还原用井TI的还原或者将在地下被还原的含氦的原料天然气自还原用井TI的开采的作用。该压入排出阀162如图1所示，设置于在氦气配管15中朝向气体的流动方向、比压入用压缩机161更下游侧的位置。
接着，对使用本发明第一实施方式所涉及的天然气的生产系统10A的天然气生产方法进行说明。图3是表示本发明实施方式所涉及的天然气生产方法的工序的流程图。其中，以下说明中按顺序说明各工序，但在实际的设备中优选一并实施各工序、连续地生产产品天然气。
首先，挖掘图1所示的生产用井SI，获得原料天然气1(工序S1)。
接着，通过将原料天然气1通入至图1所示的杂质除去设备12中，将油或冷凝物等烃以及水等杂质从原料天然气1中除去(工序S2)。
接着，利用图1所示的绝热压缩用压缩机131对原料天然气1进行绝热压缩(工序S3)。进而，通过将经绝热压缩的原料天然气1通入至图1所示的分离膜单元132中，将氮气3从原料天然气1中分离(工序S4)。此时，由于原料天然气1通过被绝热压缩而升温、升压，因此利用分离膜可进行氦气3的效率良好的分离。
通过杂质除去设备12及氦气分离设备13处理过的天然气通过管线11a被输送至LNG生产设备14中。在LNG生产设备14中，生产作为产品天然气的LNG(工序S5)。
另外，利用图1所示的地下还原设备16将在分离膜单元132中分离的氦气3压入到还原用井TI中(工序S6)。即，利用压入用压缩机161对流过氦气配管15的氦气3进行压缩，通过压入排出阀162压入到还原用井TI中。压入至还原用井TI中的氦气被还原至地下的储存层内。另外，压入排出阀162在不需要将氦气还原至地下的情况下被关闭，通过根据需要打开该压入排出阀162，可以从还原用井TI中获得氦含量多的原料天然气。
根据这种天然气的生产方法，通过将在生产产品天然气的过程中附属地获得的氦气3通入还原用井TI而还原至地下，能够以很少的成本将氦气储存。因此，在关于氦气的处理有所限制的情况下，也可以廉价地生产产品天然气。
另外，本实施方式中与生产用井SI不同地另外设置了还原用井TI，但并非限定于此，也可以将生产用井SI作为还原用井TI，将从原料天然气分离的氦气还原至生产用井SI。
(第二实施方式)
接着，对第二实施方式所涉及的天然气的生产系统10B进行说明。本实施方式所涉及的天然气的生产系统10B与第一实施方式相比时，在具备清扫气体导入部133的方面是不同的。除此以外的构成由于与第一实施方式相同，因此使用与第一实施方式相同的符号，这里省略说明。
图4是将本实施方式所涉及的天然气生产系统10B中将分离膜单元132的周边放大的部分放大图。本实施方式的氦气分离设备13进一步具有清扫气体导入部133。清扫气体导入部133发挥将清扫用的气体导入至分离膜单元132的作用。
该清扫气体导入部133如图4所示，设置在接近于分离膜单元132的位置上，将清扫气体2导入至分离膜单元132内。当导入清扫气体时，分离膜单元132内的透过侧的氦分压降低。另外，通过流过清扫气体，将分离膜单元132内的氦扫出。由此，利用分离膜单元132进行的氦的分离效率提高。进而，分离膜单元132由于经由氦气配管15连接于压入用压缩机161的低压侧，因此当驱动压入用压缩机161时，分离膜单元132的内压降低，结果使得分离膜单元132内被清扫。
通过将导入至分离膜单元132中的气体从分离膜单元132中清扫，从原料天然气1分离的氦气伴随着导入至分离膜单元132的气体，从分离膜单元132中被清扫、不会滞留在分离膜单元132的内部，因此利用分离膜单元132的氦气的分离作用提高。由此，可以效率良好地将氦气从原料天然气1中分离、生产产品天然气。另外，作为清扫气体2还可以使用任意组成的气体。另外，本实施方式中将压入用压缩机161作为清扫气体2的驱动源，但是，也可与压入用压缩机161不同，另外地设置清扫气体2的驱动源。
(第三实施方式)
接着，对第三实施方式所涉及的天然气的生产系统10C进行说明。本实施方式所涉及的天然气的生产系统10C与第二实施方式相比较时，仅构成氦气分离设备13的清扫气体导入部的构成不同。除此之外的构成由于与第一实施方式相同，因此使用与第一实施方式相同的符号，这里省略说明。
图5是将本实施方式所涉及的天然气生产系统10C中将分离膜单元132的周边放大的部分放大图。本实施方式的清扫气体导入部136(天然气导入部)中，作为用于清扫分离膜单元132的清扫气体4，使用原料天然气1的一部分。由此，为了对分离膜单元132进行清扫，没有必要供给与原料天然气1不同的气体，因此可以实现成本的削减及系统的简化。另外，由于清扫气体4的作用效果与第二实施方式相同，因此这里省略说明。
(第四实施方式)
接着，对本发明第四实施方式所涉及的天然气的生产方法中使用的生产系统进行说明。图7是表示本发明第四实施方式所涉及的天然气的生产系统10D的概略构成的示意图。
天然气的生产系统10D如图7所示，具备天然气配管11、杂质除去设备12、氦气分离设备17、氦气配管15、地下还原设备16。本实施方式所涉及的天然气的生产系统10D与第一实施方式的天然气的生产系统10A相比较时，仅氦气分离设备17的构成不同。对于其以外的构成，由于是与第一实施方式相同的构成，因此赋予相同的符号，这里省略说明。
氦气分离设备17如图7所示，具有绝热压缩用压缩机171、气体涡轮机172(附带设备)、热交换器173、分离膜单元174和冷却塔175。
绝热压缩用压缩机171发挥通过对原料天然气1进行绝热压缩而升温及升压的作用。该绝热压缩用压缩机171与第一实施方式的绝热压缩用压缩机131同样，按照原料天然气1的压力高于0.1MPa且低于12MPa的方式，通过绝热压缩用压缩机171对原料天然气1进行绝热压缩。另外，为了增大氦气的分压、能更可靠地进行分离，优选按照原料天然气1的压力高于0.5MPa的方式进行绝热压缩，更优选按照原料天然气1的压力高于1.0MPa的方式进行绝热压缩。另外，绝热压缩用压缩机171与第一实施方式的绝热压缩用压缩机131同样，对原料天然气1进行绝热压缩直至达到不超过450℃的规定温度。
气体涡轮机172发挥作为绝热压缩用压缩机171的驱动装置的作用。该气体涡轮机172如图7所示，在直接连接于绝热压缩用压缩机171对其进行驱动的同时，将驱动时产生的废热供给至热交换器173。另外，该气体涡轮机172是本发明所涉及的“附带设备”的一例，作为附带设备例如也可使用天然气的生产系统10D所附带的用于向各设备供给电力的发电设备的驱动装置。
热交换器173发挥将气体涡轮机172的废热传递至原料天然气1中的作用。该热交换器173如图7所示，设置在比天然气配管11中的绝热压缩用压缩机171更下游侧的位置。该热交换器173进一步对通过被绝热压缩用压缩机171绝热压缩而高温化的原料天然气1进行加热。由此，通过利用热交换器173的加热将被绝热压缩用压缩机171加热至不超过450℃的温度的原料天然气1上升至不超过500℃的规定温度。由此，如第一实施方式说明的那样，可以在高度地维持分离膜132M的分离能力的同时，管线等设备也难以发生腐蚀。另外，仅靠绝热压缩用压缩机171无法充分地加热原料天然气1时，由于可以利用气体涡轮机172的废热将原料天然气1加热至很高的温度域，因此可以在更广的范围内调节氦气的分离量。另外，为了能够更可靠地将氦气分离，优选按照原料天然气1的温度高于70℃的方式利用热交换器173进行加热，更优选按照原料天然气1的温度高于100℃的方式进行加热。原料天然气1的温度高于70℃时，其中所含的乙烷以上的高级烃对氦气的分离造成的影响减小，因此当原料天然气1的温度高于100℃时，其中所含的水及液状烃对氦气的分离造成的影响减小，因此具有可以高度地维持氦气的分离效率的优点。
如此，根据本实施方式所涉及的天然气的生产系统10D，由于使用绝热压缩用压缩机171和热交换器173两者进行原料天然气1的加热，因此与像第一实施方式那样仅使用绝热压缩用压缩机171进行原料天然气1的加热的情况相比，通过有效地利用气体涡轮机的废热，能提高作为系统全体的能量效率。
分离膜单元174发挥从原料天然气1中分离氦气的作用。该分离膜单元174如图7所示，设置在比天然气配管11中的热交换器173更下游侧的位置上。本实施方式的分离膜单元174虽然在图中未详细地显示、但具有分离膜。该分离膜由于与第一实施方式的分离膜单元132所具有的分离膜132M相同，因此图7中赋予与图1相同的符号，这里省略说明。
冷却塔175发挥通过使原料天然气1与大气相接触而进行冷却的作用。该冷却塔175如图7所示设置在比管线11a中的分离膜单元174更下游侧的位置上。通过该冷却塔175，可以将利用绝热压缩用压缩机171及热交换器173加热的原料天然气1的温度降低至对管线11a所规定的一定的标准温度。
产业上的可利用性
本发明涉及一种天然气的生产方法，其具备以下工序：对含有氦气的原料天然气进行绝热压缩的工序；将经绝热压缩的所述原料天然气通入分离膜单元中，将所述氦气从所述原料天然气中分离的工序；将分离了所述氦气的所述原料天然气通过管线输送至终端的工序；将从所述原料天然气中分离的所述氦气压入至地下的储存层内的工序。
根据本发明，对在生产产品天然气的过程中附属地获得的氦气的处理不会花费过多的功夫和成本，就可以生产产品天然气。
符号说明
1 原料天然气
3 氦气
11a 管线
131、171 绝热压缩用压缩机
132、174 分离膜单元
132M 分离膜
133 清扫气体导入部(天然气导入部)
14 液化天然气生产设备(终端)
161 压入用压缩机

Claims (14)

1.一种天然气的生产方法，其具备以下工序：
对含有氦气的原料天然气进行绝热压缩的工序；
将经绝热压缩的所述原料天然气通入分离膜单元中，将所述氦气从所述原料天然气中分离的工序；
将分离了所述氦气的所述原料天然气通过管线输送至终端的工序；以及
将从所述原料天然气中分离的所述氦气压入至地下的储存层内的工序。
2.根据权利要求1所述的天然气的生产方法，其中，所述分离膜单元所具有的分离膜由具有多个细孔的无机系多孔质材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的天然气的生产方法，其中，所述分离膜的所述细孔具有0.26nm以上且小于0.43nm的直径。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的天然气的生产方法，其中，对所述原料天然气进行绝热压缩的工序使用压缩机进行，所述压缩机将所述原料天然气沿着从所述分离膜单元延伸的管线压送至下游侧。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的天然气的生产方法，其中，供至所述分离膜单元的所述原料天然气的压力高于0.1MPa且低于12MPa。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的天然气的生产方法，其中，通过对供至所述分离膜单元的所述原料天然气的温度进行调节，控制所述氦气的分离量。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的天然气的生产方法，其中，为了对供至所述分离膜单元的所述原料天然气进行加热，使用附带设备的废热。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的天然气的生产方法，其中，所述附带设备是驱动所述压缩机的气体涡轮机。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的天然气的生产方法，其中，供至所述分离膜的所述原料天然气的温度低于450℃。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的天然气的生产方法，其进一步具备导入气体、对所述分离膜单元进行清扫的工序。
11.根据权利要求10所述的天然气的生产方法，其中，导入所述原料天然气的一部分，对所述分离膜单元进行清扫。
12.一种天然气的生产系统，其具备：
对含有氦气的原料天然气进行绝热压缩的压缩机；
将所述氦气从经绝热压缩的所述原料天然气中分离的分离膜单元；
用于将分离了所述氦气的所述原料天然气朝向终端输送的管线；以及
将经分离的所述氦气压入至地下的储存层内的地下还原设备。
13.根据权利要求12所述的天然气的生产系统，其中，所述分离膜单元所具有的分离膜由具有多个细孔的无机系多孔质材料形成。
14.根据权利要求13所述的天然气的生产系统，其中，所述分离膜的所述细孔具有0.26nm以上且小于0.43nm的直径。
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