JP2004321952A - メタンハイドレートのガス化回収システム - Google Patents
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Abstract
【課題】分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができるメタンハイドレートのガス化回収システムを提供することである。
【解決手段】海底下の地層中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するものであり、温水をメタンハイドレートに供給する供給手段31とメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段31と回収したメタンガスを加熱しつつ改質し水素ガスと二酸化炭素に分離する改質分離手段35と改質分離手段で得た水素ガスを地上若しくは海上に送出する送出手段40と改質分離手段で得た二酸化炭素を海底下の地層中に戻す返送手段32を備えた基地30を海底に設置し、該温水とメタンガスの加熱源を共通としている。
【選択図】 図1
【解決手段】海底下の地層中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するものであり、温水をメタンハイドレートに供給する供給手段31とメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段31と回収したメタンガスを加熱しつつ改質し水素ガスと二酸化炭素に分離する改質分離手段35と改質分離手段で得た水素ガスを地上若しくは海上に送出する送出手段40と改質分離手段で得た二酸化炭素を海底下の地層中に戻す返送手段32を備えた基地30を海底に設置し、該温水とメタンガスの加熱源を共通としている。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底下の地中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するメタンハイドレートのガス化回収システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
メタンハイドレートは、メタンガス外に水分子が籠状に結合した結晶構造を持ち、40気圧では5℃以下等、圧力及び温度条件が安定領域内であれば存在することができる物質で、世界の埋蔵量は従来型天然ガスの資源量と同等量存在し、日本周辺にも1999年度の日本における天然ガス消費量の100年分に相当する量が存在すると云われている。
【0003】
メタンハイドレートを資源とするためには、採掘しメタンハイドレートを取り出す方法が必要となるが、その方法として、メタンハイドレートをガス化して回収するメタンハイドレート分解方法がある。
【0004】
従来のメタンハイドレート分解方法として、メタンハイドレート層に二酸化炭素を導入して二酸化炭素をハイドレート化し、その時のハイドレート生成熱でメタンハイドレートを分解しメタンガスを回収する方法、即ち、二酸化炭素とメタンを置換する方法(特許文献1参照)や、回収したメタンガスを洋上基地で改質し、水素と二酸化炭素に分離し、余剰となった二酸化炭素をメタンハイドレート層に注入し、前例と同様に二酸化炭素とメタンを置換する方法(特許文献2参照)などがある。
【0005】
これらの方法は、メタンハイドレートと言う新しいエネルギー資源の確保と、石炭・石油・天然ガスなどの化石燃料使用により発生する二酸化炭素排出による地球温暖化の問題解決を同時に成立させるものである。メタンガスの二酸化炭素排出量は、石炭の半分程度と少ないが、二酸化炭素を大気に放出させない技術、つまり、二酸化炭素の固定・貯留先としてメタンハイドレート層が適しているとの考えから提案されたものと思われる。
【0006】
【特許文献1】
特開平6−71161号公報
【特許文献2】
特開2000−61293号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
日本近海に存在するメタンハイドレートは、圧力、温度が安定領域にある海底面下の地層中に存在している。海底の水温は、水深400mでは概ね5℃、深海では3〜4℃となっており、水深400m以深がメタンハイドレートの存在する領域となっている。また、メタンハイドレートは海底面下の地層中の孔隙率30%程度の砂層の隙間に存在しており、地層の下は地熱により温度が100mで2〜3℃上昇するため、存在できる地層深さには限界があり、深海面下の地層の下に広く、薄く存在している。
【0008】
メタンハイドレートを資源とするためには、掘削しても固体状で自噴しないため、メタンハイドレートからメタンを主とする炭化水素を取り出す方法が必要となる。
【0009】
そのための方法として、メタンハイドレートを安定領域条件から減圧または加熱することでガス化し回収する分解方法があるが、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくするエネルギー効率向上の問題がある。
【0010】
それゆえ本発明の目的は、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができるメタンハイドレートのガス化回収システムを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、海底下の地層中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するものにおいて、温水をメタンハイドレートに供給する供給手段とメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段と回収したメタンガスを加熱しつつ改質し水素ガスと二酸化炭素に分離する改質分離手段と改質分離手段で得た水素ガスを地上若しくは海上に送出する送出手段と改質分離手段で得た二酸化炭素を海底下の地層中に戻す返送手段を備えた基地を海底に設置し、該温水とメタンガスの加熱源を共通としていることにある。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図1,図2により説明する。
図1において、10,20,30はそれぞれ陸上,洋上,海底に設置した基地で、陸上基地10は洋上基地20及び海底基地30にケーブル1,2で電力を供給し、海底の基地30で製造しパイプ3で配送されてくる水素ガスを一時的に貯蔵する基地である。なおLAは陸地、OCは大洋(海)である。
【0013】
海面下、水深500m以上で約1000〜2000mの海底の下に厚さ約100〜200mの地層を挟み、厚さ約100〜200mのメタンハイドレート層Aが存在し、その下はフリーガス層Bとなっている。
【0014】
海底基地30はメタンハイドレート層Aの真上の海底に設置し、海上基地20は、図示していないが、海上原油採掘基地のように海底に放射状に複数のアンカーを設置してあり、少々の海流や風波を受けても移動せず、海底基地30の上に位置するようにしてある。
【0015】
洋上基地20はメタンハイドレート層Aの鉱脈探査や採掘にも利用できるものであり、メタンハイドレート層Aを発見すると、掘削して地層中に採掘管31と二酸化炭素注入管32を挿入する。
【0016】
洋上基地20は、陸上基地10からケーブル2で送られてくる電力により大気をコンプレッサ21で圧縮し、海底基地30に弾性に富んだパイプ4で送るとともに、海底基地30で使用されなかった無害な窒素ガスを排ガスとして弾性に富んだパイプ5で回収し大気に放散する。
【0017】
海底基地30では、図2に基づいて説明するように、採掘管31から温水をメタンハイドレート層Aに供給し、それによって分離してくるメタンガスを採掘管31で回収し、改質処理をして水素ガスを製造しさらに分離処理をして二酸化炭素ガスを回収して二酸化炭素注入管32でメタンハイドレート層Aに戻す。
【0018】
海底面下からメタンハイドレート層Aまでのボーリングにより形成するメタンガス回収と二酸化炭素注入を行う最低2本の掘削管の間隔は、生産採掘時におけるメタンハイドレート層Aにおける伝熱と分解の経年変化を考慮して決定する。採掘が終了した採掘管31と二酸化炭素注入管32において、メタンガスを回収する採掘管31は新たに掘削して作成し、採掘が終了した採掘管31はそのまま二酸化炭素注入管32として使用し得るが、二酸化炭素注入が終了した二酸化炭素注入管32は封止する。
【0019】
以下、図2により海底基地30の構成と動作について説明する。
【0020】
図2では海底基地30を構成する各装置をブロックで示しているが、それら各装置は図示していない耐蝕性フレーム上に相互に有機的関連性を持たせて配置してある。
【0021】
以下、各装置について説明する。
図2に示すように、図1に示した採掘管31は二重管構造を持っていて、内管31aは外管31bからポンプ33で汲み出した冷水を熱交換器34で温水としてメタンハイドレート層A側に供給し、メタンハイドレート層Aを加熱するようにしている。
【0022】
メタンハイドレート層Aでは温水による加熱でハイドレートの安定状態を崩され、メタンハイドレート層Aで発生するメタンガスは外管31bに設けてある無数の小孔から外管31b内に進入し、あるいはフリーガス層Bに移動してから外管31b内に進入し、ポンプ33が外管31b内の冷水を汲みだしている循環流に乗って上部に到る。上部にはメタンガスの捕集器31cがあり、大半のメタンガスは改質分離器35に送る。
【0023】
内管31aは温水をメタンハイドレートに供給する供給手段として機能し、外管31bと捕集器31cはメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段として機能している。
【0024】
残りのメタンガスは改質分離器35に隣接してある燃焼器36に洋上基地20におけるコンプレッサ21から送られてくる大気とともに送られて燃料ガスとされ、改質分離器35を加熱する。
【0025】
なお、システム起動開始時には熱交換器34に内蔵してある図示していない電熱器を熱源として熱交換器34を加熱して温水を供給するようにし、メタンガスが得られるようになったら電熱器による加熱は停止させる。
【0026】
燃焼器36での排ガスは充分熱を保持しているので、熱交換器34に送り、内管31aに供給する温水を作る熱エネルギーとして利用している。
【0027】
熱交換器34を出た排ガスは、まだ熱エネルギーを温存しているので、ガス分離器37で窒素ガスと二酸化炭素ガスに分け、窒素ガスは無害であるのでパイプ5で洋上基地20に戻して大気に放散し、二酸化炭素ガスはコンプレッサ38で二酸化炭素注入管32を介してメタンハイドレート層Aに戻す。二酸化炭素ガスが保持している熱はメタンハイドレート層Aの加熱しメタンガスの分離に再使用されるとともに冷えた後はハイドレート化して地球の温暖化を防ぐ。
【0028】
改質分離器35は、脱硫装置35a,改質装置35b,炭酸変成装置35cおよび水素分離装置35dからなる。
【0029】
先ず最初に脱硫装置35a内において、メタンガスと改質後の水素の一部を引き込みコバルト−モリブデン系等の触媒で水素添加反応を行い、次いで酸化亜鉛系等の触媒で脱硫反応を行い硫黄分を除去する。なお、水素添加及び脱硫反応温度は200〜300℃である。
【0030】
熱交換器34の下流から取り出した温水の一部は燃焼器36に内蔵させた蒸気発生装置39で水蒸気とされており、改質装置35b内において、ニッケル系等の触媒で脱硫されたメタンガスの水蒸気改質を行う。なお、水蒸気反応温度は700〜800℃であり、水素ガスと一酸化炭素が生成される。
【0031】
その後、炭酸変成装置35c内において、改質で生成された一酸化炭素と水蒸気は、銅−亜鉛系等の触媒で炭酸変成反応を行う。なお、炭酸変成反応温度は200〜300℃であり、水素ガスと二酸化炭素が生成される。
【0032】
最後に水素分離装置35d内において、機能性膜等を用いた水素分離手段により、前段の反応で生成した水素と二酸化炭素を分離する。
【0033】
以上の一連の反応により、1モルのメタンガスから4モルの水素ガスと1モルの二酸化炭素が生成される。
【0034】
その後、分離された水素ガスは、コンプレッサ40によりパイプ3で陸上基地10ヘ圧送し、分離された二酸化炭素はコンプレッサ38により二酸化炭素注入管32を介してメタンハイドレート層Aへ注入し、二酸化炭素ハイドレートとして固定化させる。
【0035】
海底では水圧があり、水素ガスは最も軽い気体であるため、水素圧送用コンプレッサ40を海底基地30に置くことで、圧送に要するエネルギー(輸送コスト)を低減でき、小型のコンプレッサ40で済み動力も少なくて済む。
【0036】
深海における海底基地30でのメタンガス改質プロセスは、高圧条件下における燃焼と改質となる。改質装置35b及び燃焼器36における、運転圧力の高圧化はプラント効率の向上とコンパクト化に有効である。さらに、燃焼温度特性は、燃焼室構造,改質触媒や熱交換器などの周囲の熱伝達状態,排気系統等によって決まるが、各熱伝達機器への伝熱量を制御する手段を用いることで、各触媒反応に適切な温度条件を与えることができる。
【0037】
ここで、メタンガスの改質プロセスの一例を説明する。改質プロセスにおける圧力条件は、海底基地30の位置が水深1000〜2000mの場合は約10〜20MPaとなり、海底基地30の水深位置により圧力条件が変化するため、改質効率の変化に対し処理流量、反応温度等を調整するようにする。
【0038】
なお、41は、捕集器31c殻得たメタンガスとパイプ4で贈られてくる大気を適切な燃空比で混合し燃焼器36送る混合器である。
【0039】
以上説明したようにこの実施形態では、同一の加熱源で、メタンハイドレートの分解、回収と、メタンガス改質、水素と二酸化炭素の分離と、分離した二酸化炭素をメタンハイドレート層に二酸化炭素ハイドレート化時の生成熱もメタンハイドレートの分解に使用するといった、メタンハイドレート層から水素エネルギー資源だけを回収するシステムであり、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができる。
【0040】
また、メタンハイドレート層Aからメタンガスを回収し、一部を改質の熱エネルギーに利用しているため、二酸化炭素が発生する。また、改質で二酸化炭素が分離されるが、それらはメタンハイドレート層A中に戻して二酸化炭素ハイドレート層として固定化できるので、温暖化の問題となる二酸化炭素の排出を防止することができる。
従って、二酸化炭素の抑止、資源回収エネルギーの低減を同時に行うことができる。
【0041】
さらに、同一モル数における二酸化炭素ハイドレート形成の生成熱量はメタンハイドレートの分解熱量よりも大きく、メタンハイドレートの分解に利用できる。
また、メタンハイドレートの分解で生じる水は二酸化炭素ハイドレート化時に使用され、二酸化炭素ハイドレート結晶構造の形成が地層の骨格構造の一部を形成することになり、地層の変形、破壊を防止することになり、メタンハイドレートの採掘により懸念されていた地盤沈下の問題も解決できる。
【0042】
海底基地30に設置したポンプ33で外管31bから汲み上げ熱交換器34で加熱した温水を内管31aから地層中のメタンハイドレート層Aに供給して循環させることにより、メタンハイドレート層Aを加熱することでメタンハイドレートの分解を行い、温水の加熱源は起動時には電熱器とするものの定常状態においては回収したメタンガスの燃焼器36としているため、発生した熱を改質とメタンハイドレート層の加熱に集中させ、海中への放熱を低減することができて熱効率がよい。
【0043】
メタンガスハイドレート採掘場所の海底では、メタンがハイドレート化する条件となっているが、本実施形態では海底基地30においてメタンガスを素早く改質したり燃料として利用しているのでハイドレート化による閉塞トラブルなどの問題は無く、ハイドレート化阻止のための付属設備等は不要である。
【0044】
海底基地30では得られた水素ガスを利用して、あるいは陸上基地10では送られてくる水素ガスを利用して燃料電池で発電し、海底基地30に動力として戻すこともできる。
【0045】
なお、水素ガスの圧送先は洋上基地20でも良いし、燃焼器36で使用する大気は陸上基地10から送付してもよい。水素ガスの圧送先を洋上基地20とする場合、燃料電池は洋上基地20に設置してもよいが、上記のように海底基地30に設置しても良い。
【0046】
さらにまた、システム起動開始時に熱交換器34に内蔵してある図示していない電熱器で熱交換器34を加熱して温水を供給するようにしているが、燃焼器36の排ガスを熱交換器34に廻しているので、電熱器は燃焼器36に内蔵させてもよい。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができるメタンハイドレートのガス化回収システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す図である。
【図2】図1における海底に設置した基地を説明する図である。
【符号の説明】
10…陸上基地
20…洋上基地
30…海底基地
31…採掘管
32…二酸化炭素注入管
33、38…ポンプ
34…熱交換器
35…改質分離器
35a…脱硫装置
35b…改質装置
35c…炭酸変成装置
35d…水素分離装置
36…燃焼器
37…ガス分離器
39…蒸気発生装置
40…コンプレッサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底下の地中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するメタンハイドレートのガス化回収システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
メタンハイドレートは、メタンガス外に水分子が籠状に結合した結晶構造を持ち、40気圧では5℃以下等、圧力及び温度条件が安定領域内であれば存在することができる物質で、世界の埋蔵量は従来型天然ガスの資源量と同等量存在し、日本周辺にも1999年度の日本における天然ガス消費量の100年分に相当する量が存在すると云われている。
【0003】
メタンハイドレートを資源とするためには、採掘しメタンハイドレートを取り出す方法が必要となるが、その方法として、メタンハイドレートをガス化して回収するメタンハイドレート分解方法がある。
【0004】
従来のメタンハイドレート分解方法として、メタンハイドレート層に二酸化炭素を導入して二酸化炭素をハイドレート化し、その時のハイドレート生成熱でメタンハイドレートを分解しメタンガスを回収する方法、即ち、二酸化炭素とメタンを置換する方法(特許文献1参照)や、回収したメタンガスを洋上基地で改質し、水素と二酸化炭素に分離し、余剰となった二酸化炭素をメタンハイドレート層に注入し、前例と同様に二酸化炭素とメタンを置換する方法(特許文献2参照)などがある。
【0005】
これらの方法は、メタンハイドレートと言う新しいエネルギー資源の確保と、石炭・石油・天然ガスなどの化石燃料使用により発生する二酸化炭素排出による地球温暖化の問題解決を同時に成立させるものである。メタンガスの二酸化炭素排出量は、石炭の半分程度と少ないが、二酸化炭素を大気に放出させない技術、つまり、二酸化炭素の固定・貯留先としてメタンハイドレート層が適しているとの考えから提案されたものと思われる。
【0006】
【特許文献1】
特開平6−71161号公報
【特許文献2】
特開2000−61293号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
日本近海に存在するメタンハイドレートは、圧力、温度が安定領域にある海底面下の地層中に存在している。海底の水温は、水深400mでは概ね5℃、深海では3〜4℃となっており、水深400m以深がメタンハイドレートの存在する領域となっている。また、メタンハイドレートは海底面下の地層中の孔隙率30%程度の砂層の隙間に存在しており、地層の下は地熱により温度が100mで2〜3℃上昇するため、存在できる地層深さには限界があり、深海面下の地層の下に広く、薄く存在している。
【0008】
メタンハイドレートを資源とするためには、掘削しても固体状で自噴しないため、メタンハイドレートからメタンを主とする炭化水素を取り出す方法が必要となる。
【0009】
そのための方法として、メタンハイドレートを安定領域条件から減圧または加熱することでガス化し回収する分解方法があるが、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくするエネルギー効率向上の問題がある。
【0010】
それゆえ本発明の目的は、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができるメタンハイドレートのガス化回収システムを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、海底下の地層中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するものにおいて、温水をメタンハイドレートに供給する供給手段とメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段と回収したメタンガスを加熱しつつ改質し水素ガスと二酸化炭素に分離する改質分離手段と改質分離手段で得た水素ガスを地上若しくは海上に送出する送出手段と改質分離手段で得た二酸化炭素を海底下の地層中に戻す返送手段を備えた基地を海底に設置し、該温水とメタンガスの加熱源を共通としていることにある。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図1,図2により説明する。
図1において、10,20,30はそれぞれ陸上,洋上,海底に設置した基地で、陸上基地10は洋上基地20及び海底基地30にケーブル1,2で電力を供給し、海底の基地30で製造しパイプ3で配送されてくる水素ガスを一時的に貯蔵する基地である。なおLAは陸地、OCは大洋(海)である。
【0013】
海面下、水深500m以上で約1000〜2000mの海底の下に厚さ約100〜200mの地層を挟み、厚さ約100〜200mのメタンハイドレート層Aが存在し、その下はフリーガス層Bとなっている。
【0014】
海底基地30はメタンハイドレート層Aの真上の海底に設置し、海上基地20は、図示していないが、海上原油採掘基地のように海底に放射状に複数のアンカーを設置してあり、少々の海流や風波を受けても移動せず、海底基地30の上に位置するようにしてある。
【0015】
洋上基地20はメタンハイドレート層Aの鉱脈探査や採掘にも利用できるものであり、メタンハイドレート層Aを発見すると、掘削して地層中に採掘管31と二酸化炭素注入管32を挿入する。
【0016】
洋上基地20は、陸上基地10からケーブル2で送られてくる電力により大気をコンプレッサ21で圧縮し、海底基地30に弾性に富んだパイプ4で送るとともに、海底基地30で使用されなかった無害な窒素ガスを排ガスとして弾性に富んだパイプ5で回収し大気に放散する。
【0017】
海底基地30では、図2に基づいて説明するように、採掘管31から温水をメタンハイドレート層Aに供給し、それによって分離してくるメタンガスを採掘管31で回収し、改質処理をして水素ガスを製造しさらに分離処理をして二酸化炭素ガスを回収して二酸化炭素注入管32でメタンハイドレート層Aに戻す。
【0018】
海底面下からメタンハイドレート層Aまでのボーリングにより形成するメタンガス回収と二酸化炭素注入を行う最低2本の掘削管の間隔は、生産採掘時におけるメタンハイドレート層Aにおける伝熱と分解の経年変化を考慮して決定する。採掘が終了した採掘管31と二酸化炭素注入管32において、メタンガスを回収する採掘管31は新たに掘削して作成し、採掘が終了した採掘管31はそのまま二酸化炭素注入管32として使用し得るが、二酸化炭素注入が終了した二酸化炭素注入管32は封止する。
【0019】
以下、図2により海底基地30の構成と動作について説明する。
【0020】
図2では海底基地30を構成する各装置をブロックで示しているが、それら各装置は図示していない耐蝕性フレーム上に相互に有機的関連性を持たせて配置してある。
【0021】
以下、各装置について説明する。
図2に示すように、図1に示した採掘管31は二重管構造を持っていて、内管31aは外管31bからポンプ33で汲み出した冷水を熱交換器34で温水としてメタンハイドレート層A側に供給し、メタンハイドレート層Aを加熱するようにしている。
【0022】
メタンハイドレート層Aでは温水による加熱でハイドレートの安定状態を崩され、メタンハイドレート層Aで発生するメタンガスは外管31bに設けてある無数の小孔から外管31b内に進入し、あるいはフリーガス層Bに移動してから外管31b内に進入し、ポンプ33が外管31b内の冷水を汲みだしている循環流に乗って上部に到る。上部にはメタンガスの捕集器31cがあり、大半のメタンガスは改質分離器35に送る。
【0023】
内管31aは温水をメタンハイドレートに供給する供給手段として機能し、外管31bと捕集器31cはメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段として機能している。
【0024】
残りのメタンガスは改質分離器35に隣接してある燃焼器36に洋上基地20におけるコンプレッサ21から送られてくる大気とともに送られて燃料ガスとされ、改質分離器35を加熱する。
【0025】
なお、システム起動開始時には熱交換器34に内蔵してある図示していない電熱器を熱源として熱交換器34を加熱して温水を供給するようにし、メタンガスが得られるようになったら電熱器による加熱は停止させる。
【0026】
燃焼器36での排ガスは充分熱を保持しているので、熱交換器34に送り、内管31aに供給する温水を作る熱エネルギーとして利用している。
【0027】
熱交換器34を出た排ガスは、まだ熱エネルギーを温存しているので、ガス分離器37で窒素ガスと二酸化炭素ガスに分け、窒素ガスは無害であるのでパイプ5で洋上基地20に戻して大気に放散し、二酸化炭素ガスはコンプレッサ38で二酸化炭素注入管32を介してメタンハイドレート層Aに戻す。二酸化炭素ガスが保持している熱はメタンハイドレート層Aの加熱しメタンガスの分離に再使用されるとともに冷えた後はハイドレート化して地球の温暖化を防ぐ。
【0028】
改質分離器35は、脱硫装置35a,改質装置35b,炭酸変成装置35cおよび水素分離装置35dからなる。
【0029】
先ず最初に脱硫装置35a内において、メタンガスと改質後の水素の一部を引き込みコバルト−モリブデン系等の触媒で水素添加反応を行い、次いで酸化亜鉛系等の触媒で脱硫反応を行い硫黄分を除去する。なお、水素添加及び脱硫反応温度は200〜300℃である。
【0030】
熱交換器34の下流から取り出した温水の一部は燃焼器36に内蔵させた蒸気発生装置39で水蒸気とされており、改質装置35b内において、ニッケル系等の触媒で脱硫されたメタンガスの水蒸気改質を行う。なお、水蒸気反応温度は700〜800℃であり、水素ガスと一酸化炭素が生成される。
【0031】
その後、炭酸変成装置35c内において、改質で生成された一酸化炭素と水蒸気は、銅−亜鉛系等の触媒で炭酸変成反応を行う。なお、炭酸変成反応温度は200〜300℃であり、水素ガスと二酸化炭素が生成される。
【0032】
最後に水素分離装置35d内において、機能性膜等を用いた水素分離手段により、前段の反応で生成した水素と二酸化炭素を分離する。
【0033】
以上の一連の反応により、1モルのメタンガスから4モルの水素ガスと1モルの二酸化炭素が生成される。
【0034】
その後、分離された水素ガスは、コンプレッサ40によりパイプ3で陸上基地10ヘ圧送し、分離された二酸化炭素はコンプレッサ38により二酸化炭素注入管32を介してメタンハイドレート層Aへ注入し、二酸化炭素ハイドレートとして固定化させる。
【0035】
海底では水圧があり、水素ガスは最も軽い気体であるため、水素圧送用コンプレッサ40を海底基地30に置くことで、圧送に要するエネルギー(輸送コスト)を低減でき、小型のコンプレッサ40で済み動力も少なくて済む。
【0036】
深海における海底基地30でのメタンガス改質プロセスは、高圧条件下における燃焼と改質となる。改質装置35b及び燃焼器36における、運転圧力の高圧化はプラント効率の向上とコンパクト化に有効である。さらに、燃焼温度特性は、燃焼室構造,改質触媒や熱交換器などの周囲の熱伝達状態,排気系統等によって決まるが、各熱伝達機器への伝熱量を制御する手段を用いることで、各触媒反応に適切な温度条件を与えることができる。
【0037】
ここで、メタンガスの改質プロセスの一例を説明する。改質プロセスにおける圧力条件は、海底基地30の位置が水深1000〜2000mの場合は約10〜20MPaとなり、海底基地30の水深位置により圧力条件が変化するため、改質効率の変化に対し処理流量、反応温度等を調整するようにする。
【0038】
なお、41は、捕集器31c殻得たメタンガスとパイプ4で贈られてくる大気を適切な燃空比で混合し燃焼器36送る混合器である。
【0039】
以上説明したようにこの実施形態では、同一の加熱源で、メタンハイドレートの分解、回収と、メタンガス改質、水素と二酸化炭素の分離と、分離した二酸化炭素をメタンハイドレート層に二酸化炭素ハイドレート化時の生成熱もメタンハイドレートの分解に使用するといった、メタンハイドレート層から水素エネルギー資源だけを回収するシステムであり、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができる。
【0040】
また、メタンハイドレート層Aからメタンガスを回収し、一部を改質の熱エネルギーに利用しているため、二酸化炭素が発生する。また、改質で二酸化炭素が分離されるが、それらはメタンハイドレート層A中に戻して二酸化炭素ハイドレート層として固定化できるので、温暖化の問題となる二酸化炭素の排出を防止することができる。
従って、二酸化炭素の抑止、資源回収エネルギーの低減を同時に行うことができる。
【0041】
さらに、同一モル数における二酸化炭素ハイドレート形成の生成熱量はメタンハイドレートの分解熱量よりも大きく、メタンハイドレートの分解に利用できる。
また、メタンハイドレートの分解で生じる水は二酸化炭素ハイドレート化時に使用され、二酸化炭素ハイドレート結晶構造の形成が地層の骨格構造の一部を形成することになり、地層の変形、破壊を防止することになり、メタンハイドレートの採掘により懸念されていた地盤沈下の問題も解決できる。
【0042】
海底基地30に設置したポンプ33で外管31bから汲み上げ熱交換器34で加熱した温水を内管31aから地層中のメタンハイドレート層Aに供給して循環させることにより、メタンハイドレート層Aを加熱することでメタンハイドレートの分解を行い、温水の加熱源は起動時には電熱器とするものの定常状態においては回収したメタンガスの燃焼器36としているため、発生した熱を改質とメタンハイドレート層の加熱に集中させ、海中への放熱を低減することができて熱効率がよい。
【0043】
メタンガスハイドレート採掘場所の海底では、メタンがハイドレート化する条件となっているが、本実施形態では海底基地30においてメタンガスを素早く改質したり燃料として利用しているのでハイドレート化による閉塞トラブルなどの問題は無く、ハイドレート化阻止のための付属設備等は不要である。
【0044】
海底基地30では得られた水素ガスを利用して、あるいは陸上基地10では送られてくる水素ガスを利用して燃料電池で発電し、海底基地30に動力として戻すこともできる。
【0045】
なお、水素ガスの圧送先は洋上基地20でも良いし、燃焼器36で使用する大気は陸上基地10から送付してもよい。水素ガスの圧送先を洋上基地20とする場合、燃料電池は洋上基地20に設置してもよいが、上記のように海底基地30に設置しても良い。
【0046】
さらにまた、システム起動開始時に熱交換器34に内蔵してある図示していない電熱器で熱交換器34を加熱して温水を供給するようにしているが、燃焼器36の排ガスを熱交換器34に廻しているので、電熱器は燃焼器36に内蔵させてもよい。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができるメタンハイドレートのガス化回収システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す図である。
【図2】図1における海底に設置した基地を説明する図である。
【符号の説明】
10…陸上基地
20…洋上基地
30…海底基地
31…採掘管
32…二酸化炭素注入管
33、38…ポンプ
34…熱交換器
35…改質分離器
35a…脱硫装置
35b…改質装置
35c…炭酸変成装置
35d…水素分離装置
36…燃焼器
37…ガス分離器
39…蒸気発生装置
40…コンプレッサ
Claims (5)
- 海底下の地層中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するものにおいて、
温水をメタンハイドレートに供給する供給手段とメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段と回収したメタンガスを加熱しつつ改質し水素ガスと二酸化炭素に分離する改質分離手段と改質分離手段で得た水素ガスを地上若しくは海上に送出する送出手段と改質分離手段で得た二酸化炭素を海底下の地層中に戻す返送手段を備えた基地を海底に設置し、該温水とメタンガスの加熱源を共通としていることを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。 - 上記請求項1に記載のメタンハイドレートのガス化回収システムにおいて、該温水とメタンガスの加熱源として回収したメタンガスの一部を燃焼させて得られる熱を利用することを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
- 上記請求項1に記載のメタンハイドレートのガス化回収システムにおいて、海底に設置した基地における各手段の動力は地上若しくは海上から電力で供給することを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
- 上記請求項3に記載のメタンハイドレートのガス化回収システムにおいて、海底に設置した基地に供給する電力は海底に設置した基地から送られてくる水素ガスを用いた燃料電池から得たものであることを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
- 上記請求項1に記載のメタンハイドレートのガス化回収システムにおいて、該供給手段でメタンハイドレートに供給した温水はポンプで汲み上げて加熱し該供給手段からメタンハイドレートに供給することにより循環するようにしてあることを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
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