JP2006096779A - 窒素によるメタンハイドレートの分解方法及び分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大量に存在し供給しやすく安定な媒体を供給してメタンガスハイドレートを分解する方法及び装置の提供
【解決手段】低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解させてメタンガスを取り出す方法において、相平衡状態で安定しているメタンガスハイドレート中に窒素を送入することにより、メタンガスハイドレートが分解領域となり、前記メタンガスハイドレートの分解反応によるメタンガスを取り出して回収することを特徴とするメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す方法及び装置。
【選択図】なし

Description

本発明は、メタンハイドレートの分解方法及び装置に関するものである。

ガスハイドレートは、水分子が作る籠状の格子の中にゲスト分子であるメタンや二酸化炭素等のガスが取り込まれたガス水和物であり、氷状の固体物質の形態をとる。
ゲスト分子としてメタンが取り込まれたメタンガスハイドレートは、天然に広く分布し新エネルギーとして注目を集めている。メタンガスハイドレートは、永久凍土地帯や、大陸棚近くの海底下に広く分布する。最近、経済産業省のメタンガスハイドレート開発国家プロジェクトが開始されており、２１世紀の新エネルギー資源として利用される可能性が高まっている。これは埋蔵量が多く、十分に期待に答えることができると考えられることによる。資源量を検討している研究者の試算によれば、全世界のメタンガスハイドレートの埋蔵量は、陸域で概ね数十兆ｍ³、海域で数千兆ｍ³ に及ぶという。これは世界の天然ガスの確認埋蔵量の数十倍以上に相当する量である。
メタンガスハイドレートは低温高圧の条件下で安定に存在する。海底に存在する場合には、メタンガスハイドレートは低温高圧の安定な条件下にある。これからメタンを生産しようとする場合は、海底のメタンガスハイドレートが存在する所或いはそれを採り出そうとしている所で、メタンガスと水に分解し、メタンを採りだすことが必要となる。図1は、メタンガスハイドレートと窒素および酸素ハイドレートの相平衡条件を示す（Sloan）。低温高圧の安定領域にあるメタンハイドレートを、分解領域の条件に導いてメタンハイドレートを分解する場合には、減圧法または加熱法により条件を分解領域にすることが考えられる。カナダマリックのメタンガスハイドレート産出試験を行った際のプレス発表においても、減圧法と加熱法で行ったことが報告されている。この加熱法では80℃の熱水を用いて、分解領域の条件としている。同様に減圧法では減圧下の分解条件を採用するものである。しかしながら、減圧法、及び加熱法では、コスト面、技術面での問題が解決されていない。他の分解法には海水を注入する方法がある。この方法の場合には、海水の注入の温度が低いこと、浸透率が十分ではないなどの問題点が指摘されている。
又、二酸化炭素で置換する方法（特許文献１）がある。この方法では二酸化炭素が固化することが問題とされ、二酸化炭素による置換には効率の低いことが問題とされている。ガスハイドレート層近傍にガス遮蔽壁を設け高温蒸気を注入する方法（特許文献２）が報告されている。また、水や砂を混合して練り合わせたスラリ-を高速噴流体で供給する方法がある（特許文献３）。この方法は、水や砂を混合して練り合わせたスラリ-を高速噴流体で供給することが大掛かりな装置となり、この点が問題点である。
メタンガスハイドレートの分解のためには、安定で大量に存在し、かつ供給しやすい媒体を用いる、新規な方法及びその装置の開発が望まれている。

特開平６−７１１６１号 特開２０００−６１２９３号 特開平１０−３１７６８６９号 特開２００３−２１４０８２号

本発明の課題は、大量に存在し、供給しやすく、安定な媒体を供給することにより地中に存在するメタンガスハイドレートを分解する新規な方法及び装置を提供することである。

本発明者らは、安定した相平衡条件にあるメタンガスハイドレート層に窒素を注入し、メタンガスハイドレート層が分解領域となるようにして前記ハイドレートの分解反応によりメタンガスを取り出して回収すること、このメタンガスハイドレート層の圧力が一定となるようにして前記ハイドレートの分解反応によりメタンガスを取り出して回収するため、メタンガスハイドレート層に窒素を供給することにより前記分解領域となるように維持しつつメタンガスハイドレートを分解させてメタンガスを取り出すことにより、分解反応を継続して、利用しようとしているメタンガスハイドレートを水とメタンガスに分解できることを見出して本発明を完成させた。

本発明によれば、以下の方法が提供される。
（１）低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解させてメタンガスを取り出す方法において、相平衡状態にあるメタンガスハイドレート中に窒素を送入し、メタンガスハイドレート層が分解領域となるようにしてガスを放出させることによりメタンガスハイドレート層の分解反応によりメタンガスを取り出すことを特徴とするメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す方法。
（２）前記分解領域となるようにしてガスを放出させることによりメタンガスハイドレート層の分解反応によりメタンガスを取り出す操作により、前記分解領域を一定に維持しつつメタンガスハイドレートを分解させてメタンガスを取り出すことを特徴とする（1）記載のメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す方法。
（３）前記相平衡状態にあるメタンガスハイドレートは図１に示される温度圧力の関係を有するものであり、窒素を送入し、メタンガスハイドレートの原位置条件（温度278〜288K、圧力7〜25MPa）で分解領域に保たれていることを特徴とする前記（1）又は（2）記載のメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す方法。
（４）低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す装置において、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段及びメタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段を有し、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段及びメタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段がプラットホーム上に設置されていることを特徴とする低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す装置。
（５）前記メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段が、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に設けられている温度センサーにより分解過程を監視する手段及びメタンガスハイドレートが蓄えられている部分を一定の圧力に維持するために必要な窒素量を算出できる窒素量供給手段を有することを特徴とする。（６）記載の低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す装置。

メタンガスハイドレートの分解方法に窒素を供給する本発明は、メタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す従来の方法と相違して、確実に又比較的に簡単な設備により行なうことができるものである。具体的には、相平衡論的に安定しているメタンガスハイドレート層に必要量の窒素を注入して原位置のメタンガスハイドレートを分解領域となるようにしてメタンガスを取り出すものであり、経済効果は大である。また、メタンガスハイドレート開発だけでなく、中小天然ガス田等で開発計画のあるメタンをハイドレート化して輸送、貯蔵した後に分解して取り出す方法及び装置としても利用できるものである。
以上の方法によれば、地球環境問題の中心的な二酸化炭素やイオウ酸化物の排出量が少ないエネルギー源として注目されているメタン資源を、前記の効率的な方法により量産することができる。

図２を用いて本発明の装置を説明する。
本発明の低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す全体装置（１）において、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分（２）、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段（３）及びメタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段（４）を有し、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段及びメタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段がプラットホーム（５）上に設置されている。

メタンガスハイドレートが蓄えられている部分（２）は、大陸棚などのメタンが蓄えられている海底下地中部分である。この部分は絶えず自然の状態であり、かつ一定温度に保たれている。特定地域によりその温度には変動が見られるが、一般的には２７８〜２８８Ｋ程度に保たれていると考えてよい。この温度の詳細は、予め測定されている。又、海底下の地中にあることから、メタンガスハイドレートの生成に必要な圧力がメタンガスハイドレートにかけられている状態にある。メタンガスハイドレートは、相平衡の状態に保たれており、また地殻温度による低温状態に保てたれいる。相平衡状態にあるメタンガスハイドレートは図１に示される温度圧力の関係を有するものである。

メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段（３）は、プラットホーム上にポンプを有し、窒素の供給量（流量）を調節できるようになっており、かつ窒素圧入井を有するものである。メタンガスハイドレート層に前記窒素を供給する手段により窒素を供給すると、メタンガスハイドレート層のメタンガスハイドレートに対して一定の圧力で浸透し、結果としてメタンガスハイドレートを分解しやすい方法に導くことができる。このようにして、メタンガスハイドレートの相平衡をずらして、メタンガスハイドレートを分解しやすい条件に導くことができる。そして、ポンプから供給される窒素は輸送手段（圧入井）により、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に送られるようになっている。

メタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段は、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に設けられている輸送手段（生産井）を介して取り出し、ポンプにより輸送取出しが行なわれ、さらにパイプ輸送或いは船上の貯蔵手段などに貯蔵されるようになっている。

低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す際には、漸近も通り、相平衡状態にあるメタンガスハイドレート中に窒素を送入し、分解領域となるように維持しつつガスを放出させることによりハイドレート層の分解反応によりメタンガスを取り出す。
相平衡状態にあるメタンガスハイドレートの状態は、図１に示されている通りである。前記操作において、相平衡状態にあるメタンガスハイドレート層中に窒素を送入し、メタンガスハイドレート層が分解領域となるようにメタンガスを放出させる際の空気の温度は、通常メタンガスハイドレートと同様の温度である。一般的は２７８〜２８８Ｋ程度である。圧力が一定とは、メタンガスハイドレートが保たれている圧力に対して幾分加圧する状態を指している。通常、圧力が７〜２５ＭＰａ程度の範囲である。
前記メタンガスハイドレートの分解領域となるように窒素を供給することにより、メタンガスハイドレート層が分解反応をして、その結果、相平衡条件は高圧側に移行し、原位置のメタンガスハイドレート層は分解領域となり、分解されやすい側に移行し、反応が促進される。前記圧力が一定となるようにガスを放出されるが、圧力が一定とは、メタンガスハイドレートが保たれている圧力に対して幾分加圧された状態を指している。
以下、具体的な模擬実験によるメタンガスハイドレートの分解反応の態様について説明する。これは本発明の内容を支持する十分な実験内容であり、実験により得られる結果も本発明の内容を十分に確認することができるものである。

メタンガスハイドレートの分解挙動について，図3に示されている実験装置により行なった。図３の装置は、実際にメタンガスハイドレートを分解して取り出す場所及びその装置である図２の海底下を模擬したものである。
実験装置は高圧容器部，恒温装置部，ガス制御部，データ計測部から成っている。高圧容器本体は内径20cm，高さ40cm，内容積12l，最高使用圧力30MPaのステンレス製である。本体は温度を制御するため全体を恒温槽に浸している。高圧容器は上下にステンレス製カバーをボルトで締め付けており，上カバーにはガス排出口を，下カバーにはガス入口を設けている。温度センサは容器側面から引き込み、容器中心部の高さ方向に16点、容器底面から10cmと20cmの位置に横方向に各10点を配置している。
メタンおよび窒素はボンベより増圧器、流量計，圧力センサおよび高圧バルブを経て高圧容器に圧入する。ガス排出経路には圧力センサ，高圧バルブ、流量計およびガスサンプル口を設けている。高圧容器内部の圧力，温度およびガス経路における流量の各データは各センサで計測し，パーソナルコンピュータに収録する。
実験の手順は次の通りである。まず、高圧容器に堆積層を模擬する豊浦標準砂と純水を細密充てんし，自由水を抜いてから容器内の温度を7℃付近まで低下させる。次に、メタンガスを所定の圧力まで圧入し，メタンハイドレートを生成・成長させる。次に、窒素を圧入し、容器内部の圧力が一定になるように一定流量で放出する。そのとき、メタンハイドレートが分解する。放出ガスを連続でガス分析し、分解量を求める。分解が終わった後、高圧容器内に存在するガスを大気圧まで放出し，その間、ガス分析とガス量を計測する。実験の期間中，ガスの入・排出経路に設置した圧力センサで圧力変化を，高圧容器内に設置した温度センサで容器内部の温度変化を測定する。
窒素によるメタンガスハイドレート分解時の温度変化を図4に示す。窒素を一定量流し、圧力を一定になるようにガスを放出し、そのガスを高速ガスクロで分析した。図から、窒素を圧入するとほぼ同時に容器下部からメタンガスハイドレートの分解による吸熱反応で温度の低下が見られた。温度変化は最大で約8℃からマイナス温度まで低下した。容器下部から約79ｍｍまではメタンガスハイドレートの成長が弱いため、短時間で反応は終了し、恒温槽温度に依存して上昇した。メタンガスハイドレートの成長が強い位置ではマイナス温度まで低下した。
圧入した窒素と放出ガス量の差は反応初期で空気の約2倍の放出量であり、時間とともに放出ガス量は減少し、反応の終わりではほぼ同じ量を示した。
交換反応時のガス組成変化を図5に示す。窒素を圧入しながら容器内の圧力を一定となるようにガスを放出し、そのガスを5分間隔で分析した。放出初期では容器内部のガス相を満たしていたメタンガスがほぼ100％を示し、その後、窒素と分解したメタンが混合ガスとなり、メタンは徐々に低下し、窒素は逆に上昇した。窒素がほぼ100％になった時点で反応の終了とした。
ガス分析とガス量計測から、使用したメタンガスの総量は約665lで、その内、ハイドレート化したガス量は約376lであった。交換反応に用いた窒素の量は約1300lである。これらのことから、メタンハイドレートの空気による分解ガス量は0.77l/minであることが分かった。また、反応時間約400minでメタンハイドレートの77％を分解することを明らかにした。

符号の説明

１： メタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す全体装置
２： メタンガスハイドレートが蓄えられている部分
３： メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段
４： メタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段
５： メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段及びメタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段が設けられているプラットホーム

メタンガスハイドレートの相平衡を示す図である。 メタンガスハイドレートの分解装置 メタンガスハイドレートの分解模擬装置 メタンハイドレート分解時の温度変化を示す図 交換反応時のガス組成変化を示す図

Claims (5)

1. 低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解させてメタンガスを取り出す方法において、相平衡状態で安定しているメタンガスハイドレート中に窒素を送入することにより、メタンガスハイドレートが分解領域となり、前記メタンガスハイドレートの分解反応によるメタンガスを取り出して回収することを特徴とするメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す方法。
2. 前記メタンガスハイドレートが分解領域となるようにして前記メタンガスハイドレートの分解反応によるメタンガスを取り出して回収する操作について、メタンガスハイドレート層に窒素を供給することにより前記メタンガスハイドレートが分解領域となるように維持しつつメタンガスハイドレートを分解させてメタンガスを取り出すことを特徴とする請求項1記載のメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す方法。
3. 前記相平衡の状態にあるメタンガスハイドレートは図１に示される温度圧力の関係を有するものであり、窒素を送入することにより、メタンガスハイドレートが分解領域で一定に保たれていることを特徴とする前記請求項1又は2記載のメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す方法。
4. 低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す装置において、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段及びメタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段を有し、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段及びメタンガスハイドレートが分解されて発生するメタンを回収する回収手段がプラットホーム上に設置されていることを特徴とする低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す装置。
5. 前記メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に必要量の窒素を供給する手段が、メタンガスハイドレートが蓄えられている部分に設けられている温度センサーにより、分解過程を監視する手段及びメタンガスハイドレートが蓄えられている部分を一定の圧力に維持するために必要な窒素量を算出できる窒素量供給手段を有することを特徴とする請求項４記載の低温高圧下にあるメタンガスハイドレートを分解してメタンガスを取り出す装置。