JP2005171049A - ハイドレート供給装置及びハイドレート再ガス化システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、大気圧相当下に保存されているハイドレートを効率的に高圧系に供給することができるハイドレート供給装置、及びハイドレートを高圧系で効率的に分解して再ガス化することができるハイドレート再ガス化システムを提供することにある。
【解決手段】ハイドレート４１を高圧系に供給するハイドレート供給装置２０であって、耐圧容器２１にハイドレート４１を導入するハイドレート導入手段Ｌ１と、ハイドレート４１を収容した耐圧容器２１に水を導入する水導入手段Ｌ２と、耐圧容器２１内を往復移動可能に設けられ、ハイドレート４１を高圧系に供給するピストン２２と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス状のハイドレート形成物質がハイドレート化して形成されたハイドレートを高圧系に供給するハイドレート供給装置、及びハイドレートを高圧系下で分解ガス化して高圧状態のガスを回収するハイドレート再ガス化システムに関する。

ハイドレートは、水分子で構成されるクラスター内にガス状のハイドレート形成物質（例えば天然ガス、メタン、エタン、二酸化炭素など。以下、天然ガスを例に挙げて説明する。）が包接された構造の水和物である。このハイドレートは、１ｍ^３中に約１６５Ｎｍ^３もの天然ガスを包蔵することができるなど高いガス包蔵性を有するとともに、大きな生成熱・解離熱、生成・解離差圧、高い反応選択性等の性質を有するため、例えば天然ガスの輸送・貯蔵システムや蓄熱システム、アクチュエータ、混合ガスの分離・精製システムなどの多様な用途での利用が注目されており、現在盛んに研究されている。

ハイドレートに含まれる天然ガスを使用するには、ハイドレートを分解して再ガス化する必要がある。再ガス化した天然ガスは高圧状態である方がガス供給などの観点から好ましく、例えばハイドレートを再ガス化して得られる天然ガスを都市ガスとして利用する場合には、およそ３．５ＭＰａに調整する必要がある。

ハイドレートは通常大気圧程度の圧力下で保存されており、この状態のハイドレートを分解して得られる天然ガスを高圧状態とする手段としては、大気圧下でハイドレートを分解してガス化し、得られた天然ガスを圧縮して高圧状態とすることが考えられる。しかし、この方法ではガス圧縮に要するエネルギーが大き過ぎ、実用的ではない。また、特許文献１には、水和物化した天然ガスを分解してガス化する天然ガス水和物の分解装置について記載されているが、ガス化した後の天然ガスの圧力等については、記載も示唆もなされていない。

そのため、ハイドレートを高圧下で分解して再ガス化する手段が採用されている。従来の高圧下での再ガス化は、図２に示すハイドレート再ガス化装置２００により実施されていた。このハイドレート再ガス化装置２００は、大気圧下にあるハイドレートを高圧下とする充填槽８２と、高圧下でハイドレートを分解して再ガス化する再ガス化槽８３を備えている。

このハイドレート再ガス化装置２００でハイドレートを再ガス化する際には、まずバルブ９１を開き、バルブ９２で再ガス化槽８３と区切られた大気圧相当の充填槽８２にハイドレートを導入した後、バルブ９１を閉め、バルブ９３を開いて充填槽８２の圧力を再ガス化槽８３内の天然ガスを利用して再ガス化槽８３と同等の圧力となるまで昇圧させる。充填槽８２の昇圧後、バルブ９２を開いて充填槽８２と再ガス化槽８３とを連通させ、充填槽８２内のハイドレートを再ガス化槽８３に移送させて、ハイドレートを再ガス化するように構成されている。

次のハイドレートを充填槽８２に導入するためには、当該充填層８２が高圧下であることから、バルブ９２、９３を閉じて充填槽８２と再ガス化槽８３とを区切り、ガス排出経路８４を介して充填槽８２の圧力が大気圧相当となるまで天然ガスを放出させる必要がある。すなわち、１回のハイドレートの再ガス化にあたり、充填槽８２の圧力を再ガス化槽８３と同等まで昇圧するのに要する量と同程度の量の天然ガスが大気圧相当まで脱圧されてしまっていた。脱圧された天然ガスは大気圧相当の圧力であるため、そのままでは利用価値が低く、昇圧ポンプ８９などによって昇圧する必要があり、多くのエネルギーを消費するという問題があった。

また、再ガス化槽８３にはハイドレートの分解に伴い水が蓄積されるため、これを適宜抜き出す必要があった。なお、１ｍ^３の天然ガスハイドレートが分解すると、約０．８ｍ^３の水が生成される。

また、充填槽８２を昇圧させる際に、槽内温度が上昇してハイドレートの一部が分解し、それが分解時の吸熱反応によって再び凍結することにより、充填槽８２が閉塞する問題があった。

さらに、ハイドレートは比重が水より小さいために再ガス化槽８３内で水面に浮いてしまい、充分に熱を伝達することが困難である問題がある。また、分解時の吸熱反応によって水面に浮くハイドレートが氷塊となり、分解が抑制されてしまう問題があった。

特開２００１−２７９２８１号公報

本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、その課題は、大気圧相当下に保存されているハイドレートを効率的に高圧系に供給することができるハイドレート供給装置、及びハイドレートを高圧系で効率的に分解して再ガス化することができるハイドレート再ガス化システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係るハイドレート供給装置の発明は、ハイドレートを高圧系に供給するハイドレート供給装置であって、耐圧容器にハイドレートを導入するハイドレート導入手段と、ハイドレートを収容した前記耐圧容器に水を導入する水導入手段と、前記耐圧容器内を往復移動可能に設けられ、ハイドレートを前記高圧系に供給するピストンと、を備えていることを特徴とする。

この特徴によれば、ハイドレートを収容した耐圧容器に水を導入する水導入手段を備えているため、水と反応させてハイドレートの一部を分解、ガス化させることにより、耐圧容器を昇圧させることができる。そして、ハイドレートを高圧系に押し込むようにピストンを駆動させることにより、ハイドレートを確実に高圧系に供給することができる。また、ハイドレートはピストンにより押し込まれるため耐圧容器の内壁に付着したハイドレートをも確実に高圧系に供給することができる。なお、本発明において「高圧系」とは、大気圧相当の圧力より高い圧力に調整された領域を示すものである。

また、本発明の第２の態様に係るハイドレート供給装置の発明は、前記第１の態様において、さらに、前記耐圧容器における前記ピストンの裏側に前記高圧系下の水を導入する高圧水導入手段を備えていることを特徴とする。

ハイドレートを高圧系に供給する場合には、ピストンに高圧系に対抗するだけの大きな駆動力が必要となる。本発明においては、ピストンの裏側（ハイドレートが存在する表側の反対側）に高圧系下の水を導入する高圧水導入手段を備えているため、ピストンの表裏での圧力差を小さくすることができ、小さい駆動力でピストンを駆動させることが可能である。

また、本発明の第３の態様に係るハイドレート供給装置の発明は、前記第１の態様または前記第２の態様において、前記ピストンが鉛直線に沿って往復移動可能に構成されていることを特徴とする。

耐圧容器にはハイドレート導入手段により導入した固体状のハイドレートと、水導入手段により導入した液体状の水と、ハイドレートの一部が分解して生成した気体状のガスとが存在する状態が形成される場合がある。このような場合には、比重の違いによって下側から水、ハイドレート、ガスの順に配置された状態となる。

本発明においては、ピストンが鉛直線に沿って往復移動可能に構成されていることにより、耐圧容器内においてピストン側から水、ハイドレート、ガスが存在する状態を構成することができる。従って、安定してピストンを駆動させることができるとともに、ハイドレートを確実に高圧系に供給することが可能である。

また、本発明の第４の態様に係るハイドレート再ガス化システムの発明は、高圧系にハイドレートを供給するハイドレート供給装置と、前記高圧系に設けられ、ハイドレートを分解するハイドレート分解部と、分解したハイドレートを気相成分と液相成分とに分離する気液分離槽と、を備えるハイドレート再ガス化システムにおいて、前記ハイドレート供給装置が前記第１の態様から前記第３の態様のいずれかの態様に記載のハイドレート供給装置であることを特徴とする。この特徴によれば、高圧系においてハイドレートを確実に分解させることができ、効率的に再ガス化することができる。

本発明によれば、大気圧程度の圧力条件下に保存されているハイドレートを高圧系に効率的に供給することができる。そして、高圧系下においてハイドレートを再ガス化することができ、高圧状態のガスを確実に回収することができる。

以下、図面に基づき本発明に係るハイドレート供給装置及びこのハイドレート供給装置を備えたハイドレート再ガス化システムについて説明する。

図１は、本発明に係るハイドレート再ガス化システム１００の説明に供する概略構成図である。

このハイドレート再ガス化システム１００は、主要な構成として、ハイドレート４１を貯蔵したハイドレートタンク１１と、ハイドレート４１を高圧循環系２に供給するハイドレート供給装置２０と、ハイドレート４１を分解するハイドレート分解部１３と、分解したハイドレートを気相成分と液相成分とに分離する気液分離槽１２とを備えている。

ハイドレートは水分子で構成されるクラスター内にガス状のハイドレート形成物質（例えば、天然ガス、メタン、エタン、二酸化炭素など）が包接された構造の水和物である。ここでは、ハイドレート形成物質として、都市ガスに利用可能な天然ガスを例に挙げて説明する。

天然ガスハイドレートは、所定温度、所定圧力の条件下において天然ガスと水とを接触させることにより得ることができる。このハイドレートは保存性、ハンドリング性などの観点から粉末状、ペレット状、顆粒状、圧密ブロック状などに形成される。ハイドレート４１はハイドレートタンク１１において大気圧程度の圧力下、天然ガス雰囲気、所定温度で貯蔵される。

ハイドレートタンク１１とハイドレート供給装置２０とは、ラインＬ１を介して繋がっており、ハイドレート４１を自重または図示しない駆動源を利用してハイドレート供給装置２０に導入することができるようになっている。

ハイドレート供給装置２０は、耐圧容器２１と、ハイドレート導入手段としてのラインＬ１と、水導入手段としてのラインＬ２と、ピストン２２と、ピストン２２の裏側（図中、ピストン２２の下側）に高圧水を導入する高圧水導入手段としてのラインＬ３と、耐圧容器２１と高圧循環系２とを繋ぐラインＬ４を備えている。なお、ラインＬ３はボールバルブ３６に繋がっており、耐圧容器２１から水を系外に排出する水排出手段としての機能も兼ね備えている。

耐圧容器２１は所定の圧力に耐えうる構造であれば特に限定することなく利用できる。耐圧容器２１に繋がる各ラインにはボールバルブやバルブが設けられており、適当なタイミングでハイドレート４１や水４３の導入／排出を行うことができるように構成されているとともに、耐圧容器２１に導入／排出するこれらの量を調整することができるようになっている。

ピストン２２は耐圧容器２１内を往復移動可能に構成されており、例えばプランジャーポンプを用いることができる。ピストン２２は耐圧容器２１の内壁に対して摺動し、ピストン２２の表裏での物質の移動がないように構成されていることが好ましい。ピストン２２にはピストン棒２３が取り付けられており、図示しない駆動源の作用によってピストン２２を耐圧容器２１内で往復移動させる。

また、ピストン２２が鉛直線に沿って往復移動できるようにハイドレート供給装置２０を構成することが好ましい。このような構成とすることにより、耐圧容器２１に固体状のハイドレート４１、気体状のガス４２及び液体状の水４３が存在する場合に、これらを比重の差によってピストン２２側から水４３、ハイドレート４１、ガス４２の順に配置することができる。すなわち、ピストン２２の全面に液体である水４３が接触した状態を構成できる。そのため、ピストン２２の押し上げ動作を安定して行うことができ、高圧循環系２にハイドレート４１を確実に供給することができるとともに、耐圧容器２１の内壁に付着したハイドレート４１をも確実に高圧循環系２に押し出すことができる。

高圧系下で水４３を循環させることによって構成される高圧循環系２は、水４３を送出するポンプＰ１と、ハイドレート４１を分解するハイドレート分解部１３と、天然ガス４２と水４３とを分離する気液分離槽１２を備えている。なお、本実施形態では、高圧系はハイドレートの分解により得られる天然ガスを都市ガスとして利用する観点から、およそ３．５ＭＰａに調整されている。

ハイドレート分解部１３はラインＬ４との合流地点より下流側のラインＬ５上に配設されており、熱供給装置１４を備え、高圧循環系２に供給されたハイドレート４１に熱を供給して天然ガス４２と水４３とに分解する。熱供給装置１４はハイドレート４１に熱を供給することができる構成であれば特に限定されるものではなく、例えば管路の外部に熱源が設けられた形態の熱供給装置や管路の内部に熱源が設けられた形態の熱供給装置などを利用可能であり、具体的には管路の外側に加熱用媒体を充満させた熱供給装置が好ましい。なおハイドレート分解部１３ではハイドレート４１の分解が進むことにより圧力が急激に高まることがあるため、ラインＬ４は圧力上昇に耐えうる耐圧性を備えていることが好ましい。

すなわち、ハイドレート４１は高圧循環系２において、ハイドレート分解部１３でラインＬ５を流れながら分解される。また、ラインＬ５では、気体状の天然ガス４２と液体状の水４３と固体状のハイドレート４１とが混合した気液固混合流、水４３とハイドレート４１とが混合した液固混合流、または天然ガス４２と水４３とが混合した気液混合流が形成されている。このような状態においてハイドレート４１はその周囲を水４３で覆われた状態で流れることとなる。その結果、水との接触面積が大きく形成され、ハイドレート４１に対して効率的に熱を供給することができ、もって分解を促進させることができる。

このように本発明のハイドレート再ガス化システム１００においては、従来の再ガス化槽に該当する装置が無く、高圧循環系２を流れる間にハイドレート４１を分解させることができる。このため、従来の再ガス化槽と比して構成を簡易にすることができる。なお、本実施形態ではハイドレート分解部１３が単一の管路から構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の管路から構成することもできる。

気液分離槽１２はハイドレート４１の分解により生成した気相成分である天然ガス４２と液相成分である水４３とを分離する。ハイドレート４３が分解すると天然ガス４２が細かい気泡となって水中に分散された状態となり、そのままの状態では天然ガス４２の回収が困難である場合がある。しかし、本実施形態に係るハイドレート再ガス化システム１００では高圧循環系２におけるハイドレート分解部１３の下流側に気液分離槽１２が設けられているため、天然ガス４２と水４３とを確実に分離し、天然ガス４２を回収することができる。

気液分離槽１２には高圧循環系２から分枝して天然ガス４２の回収手段としてのラインＬ６が設けられており、このラインＬ６には天然ガス４２の温度を調整する熱交換器１８、天然ガス４２の圧力を調整する調圧バルブ３７及び天然ガス４２を乾燥する脱湿機１９が設けられている。脱湿機１９を通過した天然ガス４２は高圧力状態の製品ガスとして利用、貯蔵される。また、気液分離槽１２には、上述したように高圧循環系２から分枝して水４３を耐圧容器２１に供給するラインＬ２が設けられている。なお、ラインＬ２からはバルブ３８を備えたラインＬ２１が分枝している。

耐圧容器２１に残留した水はラインＬ３を介して系外に排出される。この際、耐圧容器２１は大気圧程度まで脱圧されるとともに、天然ガスによって満たされる。このような構成により、耐圧容器２１などに空気が混入する虞がなく、製品ガスの汚染を回避することができる。そして、次のハイドレート４１を導入させることができる状態となる。このように、ハイドレート４１は耐圧容器２１が気体である天然ガス４２によって満たされている状態で導入される。

次にハイドレート再ガス化システム１００を使用してハイドレートを再ガス化する際の動作について図１に沿って説明する。

耐圧容器２１内のピストン２２が下がり、ボールバルブ３２、３３、３５、３６及びバルブ３４を閉じた状態でボールバルブ３１を開いて、ハイドレートタンク１１と耐圧容器２１とを同程度の圧力に調整する。このとき耐圧容器２１は天然ガスで満たされている。

ボールバルブ３２を開き、ラインＬ１を介して所定量のハイドレート４１を耐圧容器２１に導入する。ハイドレート４１を収容した後、ボールバルブ３１、３２を閉じ、バルブ３４を開いてラインＬ２を介して気液分離槽１２内の水４３を所定量、耐圧容器２１に導入する。水導入により、ハイドレート４１の一部を分解させてガス化し、耐圧容器２１を昇圧させることができ、具体的には例えば高圧循環系２と同程度またはそれ以上に調整することができる。耐圧容器２１の圧力は、ハイドレートや水の導入量及び分解温度により調整することができる。また、ハイドレート４１は水４３と混合することによりスラリー状となる場合がある。

バルブ３４を閉め、ボールバルブ３５を開いてピストン２２の裏側にラインＬ３を介して高圧系下の水４３を導入するとともに、ボールバルブ３３を開き、ピストン２２を高圧循環系２に向けて押し上げてハイドレート４１と水４３との混合物（水４３との反応によってハイドレート４１の一部が分解して生成したガス４２を含む。）を高圧循環系２に供給する。高圧系下の水４３をピストン２２の裏側に導入することにより、ピストン２２の表裏の圧力差を小さくすることができ、少ない駆動力でピストン２２を押し上げることができる。また、ピストン２２によって押し出すため、耐圧容器２１の内壁に付着したハイドレート４１をも確実に高圧循環系２に押し出すことができる。また、ハイドレート４１は水４３と反応することによってスラリーを形成し得るため、安定してピストン２２を駆動させることができる。

高圧循環系２に供給されたハイドレート４１は、熱供給装置１４からの熱を受け、ハイドレート分解部１３において管路内を流れながら分解され、天然ガス４２と水４３とを生成する。天然ガス４２と水４３との混合物は気液分離槽１２に導入され、気相成分の天然ガス４２と液相成分の水４３とに分離される。

天然ガス４２は気液分離槽１２の上部からラインＬ６で回収され、熱交換器１８において所定の温度に調整され、調圧バルブ３７において所定の圧力に調整され、さらに脱湿機１９において乾燥させられ、高圧状態の製品ガスとして回収される。

ピストン２２が耐圧容器２１の上部に上がっている状態で、ボールバルブ３３、３５を閉め、ボールバルブ３６を開き、ラインＬ３を介して水を系外に放出させて耐圧容器２１を大気圧程度まで脱圧させる。さらに、ピストン２２を下げるとともに、ボールバルブ３１を開いて耐圧容器２１をハイドレートタンク１１内のガス（ボイルオフガス。ハイドレート４１の分解により生成したガスであり、ここでは天然ガスである。）で置換する。なお、耐圧容器２１をボイルオフガスで置換する際に、ボールバルブ３２を開いてハイドレート４１を導入することも可能である。

ラインＬ３を介して耐圧容器２１から排出される水は、当該耐圧容器２１に導入されたハイドレート４１の分解により生成される水量とほぼ同量である。従って、ハイドレート４１の分解ガス化の度に気液分離槽１２に水が蓄積されることがほとんど無く、気液分離槽１２の水量（水位）をほぼ一定に保つことができる。

本発明は、天然ガスなどのハイドレート形成物質を包接したハイドレートを高圧系に供給するハイドレート供給装置、及びハイドレートを高圧条件下において分解してガス化し、高圧状態の天然ガスを回収するハイドレート再ガス化システムに利用可能である。

本発明の実施形態に係るハイドレート再ガス化システムを示す概略構成図である。

従来技術に係るハイドレート再ガス化装置を示す概略構成図である。

符号の説明

２ 高圧循環系
１１ ハイドレートタンク
１２ 気液分離槽
１３ ハイドレート分解部
１４ 熱供給装置
１８ 熱交換器
１９ 脱湿機
２０ ハイドレート供給装置
２１ 耐圧容器
２２ ピストン
２３ ピストン棒
４１ ハイドレート
４２ 天然ガス
４３ 水
１００ ハイドレート再ガス化システム

Claims (4)

1. ハイドレートを高圧系に供給するハイドレート供給装置であって、
   耐圧容器にハイドレートを導入するハイドレート導入手段と、
   ハイドレートを収容した前記耐圧容器に水を導入する水導入手段と、
   前記耐圧容器内を往復移動可能に設けられ、ハイドレートを前記高圧系に供給するピストンと、を備えていることを特徴とする、ハイドレート供給装置。
2. 請求項１において、さらに、前記耐圧容器における前記ピストンの裏側に前記高圧系下の水を導入する高圧水導入手段を備えていることを特徴とする、ハイドレート供給装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記ピストンが鉛直線に沿って往復移動可能に構成されていることを特徴とする、ハイドレート供給装置。
4. 高圧系にハイドレートを供給するハイドレート供給装置と、
   前記高圧系に設けられ、ハイドレートを分解するハイドレート分解部と、
   分解したハイドレートを気相成分と液相成分とに分離する気液分離槽と、を備えるハイドレート再ガス化システムにおいて、
   前記ハイドレート供給装置が前記請求項１から前記請求項３のいずれか一項に記載のハイドレート供給装置であることを特徴とする、ハイドレート再ガス化システム。

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