JP2006096865A

JP2006096865A - ハイドレートスラリー製造装置およびハイドレート製造プラント

Info

Publication number: JP2006096865A
Application number: JP2004284461A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Matsuo; 和芳松尾; Masujiro Hisatani; 益士郎久谷; Junya Miyata; 淳也宮田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】所定の品質を有する製品ガスハイドレートを連続して安定に製造する。
【解決手段】ガスハイドレートを含むスラリーを生成する生成器１と、生成器内の原料ガスを循環させる循環ガスブロワー１２と、生成器内のスラリーを抜き出し、冷却器１６を通して生成器に戻す循環スラリーポンプ１５と、生成器底部のスラリーを脱水塔２に移送するスラリー移送ポンプ２０と、循環スラリーの密度（１９）を設定範囲に収めるように循環ガス量と、循環スラリー量と、循環スラリーの温度の少なくとも１つを制御して、ガスハイドレートスラリーの濃度を設定値に精度よく制御することにより、所定の品質を有する製品ガスハイドレートを連続して安定に製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイドレートスラリー製造装置およびハイドレート製造プラントに関する。

ガスハイドレートは、水分子の作る籠の中にガスを取り込んだ構造の固形の水和物であり、−１０数℃の大気圧下で安定することから、液化天然ガス（ＬＮＧ）に代わる天然ガスの輸送および貯蔵の手段として利用する研究が進められている。

一般に、ガスハイドレートは、例えば、天然ガス、メタンガス、炭酸ガスなどの原料ガスと水とを低温高圧の容器内で反応させて生成される。容器内で生成されるガスハイドレートは、多量の未反応水を含むことから、水を分離して製品ガスハイドレートを精製する必要がある。

容器内で生成されたガスハイドレートから水を分離する方法として、特許文献１に記載された方法によれば、生成容器からガスハイドレートと水をスラリーで抜き出し、まず、メッシュ加工された内筒を有する２重構造のスクリュープレス型脱水装置に導いて物理的に脱水する。その後、２軸スクリュー型脱水装置にてガスハイドレートの付着水と原料ガスと反応させる水和反応により脱水して、付着水の少ない製品ガスハイドレートを得るようにしている。

しかし、特許文献１に記載された方法では、スクリュープレス型脱水装置に導入されるガスハイドレートスラリーのガスハイドレート濃度を制御することについては配慮されていない。同様に、スクリュープレス型脱水装置および２軸スクリュー型脱水装置から排出されるガスハイドレート濃度についても制御することについては配慮されていない。

これに対し、特許文献２に記載されたガスハイドレート製造装置は、物理脱水装置および水和脱水装置から排出されるガスハイドレート濃度を制御するようにしている。

特開２００３−５５６７５号公報特開２００３−６４３８５号公報

しかしながら、特許文献２には、物理脱水装置および水和脱水装置から排出されるガスハイドレート濃度を検出する具体的な方法については記載されているが、ガスハイドレート濃度を制御する具体的な方法については記載されていない。また、物理脱水装置に導入されるガスハイドレートスラリーの濃度を制御する点については配慮されていない。

したがって、従来の技術によれば、ガスハイドレートスラリーの濃度が変動すると、物理脱水装置および水和脱水装置から排出されるガスハイドレート濃度を制御したとしても、製品ガスハイドレートの付着水の量が変動するおそれがあるから、所定の品質を有する製品ガスハイドレートを連続して安定に製造するという点に改善すべき余地がある。

本発明は、所定の品質を有する製品ガスハイドレートを連続して安定に製造することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のガスハイドレートスラリー製造装置は、供給される原料ガスと水とを水和反応させてガスハイドレートを含むスラリーを生成する生成器と、該生成器の上部の原料ガスを抜き出して該生成器内に散気するガス循環装置と、前記生成器からガスハイドレートを含むスラリーを抜き出し、冷却器を通して前記生成器の上部に戻すスラリー循環装置と、前記生成器からガスハイドレートを含むスラリーを脱水装置に移送するスラリー移送ポンプと、前記スラリー循環装置により循環される循環スラリーの密度を検出し、検出されたスラリー密度を設定範囲に収めるように、前記ガス循環装置により循環される循環ガス量と、前記スラリー循環装置の循環スラリー量と、循環スラリーの温度の少なくとも１つを制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。

すなわち、生成器内のスラリー中に散気する原料ガスの循環量を増やすと水和反応が促進されるから、スラリー中のガスハイドレート濃度を制御できる。また、水和反応は発熱反応であり、かつ水和反応は過冷却度（ガスハイドレート生成の平衡温度と生成器内の温度との差）に依存するから、生成器内のスラリー温度を制御することにより、スラリー中のガスハイドレート濃度を制御できる。生成器内のスラリー温度を制御する方法としては、冷却器を通して循環されるスラリーの循環量を制御する方法と、冷却器の冷媒流量を制御して温度を制御する方法とが考えられる。

一方、水とガスハイドレートは質量が異なるから、循環スラリーの密度を検出することにより、スラリー中のガスハイドレート濃度を検出できる。

これらに鑑み、本発明は、循環スラリーの密度を設定範囲に収めるように、循環ガス量と、循環スラリー量と、循環スラリーの温度の少なくとも１つを制御するようにしているから、スラリー中のガスハイドレート濃度を所望値に精度よく制御することができる。

また、生成器内のスラリーを攪拌することにより水和反応を促進させることができる。そこで、生成器に攪拌機を設け、循環スラリーの密度を設定範囲に収めるように、循環ガス量と、循環スラリー量と、循環スラリー温度と、攪拌機の回転数の少なくとも１つを制御する構成にしてもよい。

このように、本発明のガスハイドレートスラリー製造装置によれば、生成されるガスハイドレートスラリーの濃度を精度よく、かつ連続して制御できるから、ガスハイドレート製造プラントにおける次の工程の脱水操作を効果的に行うことができる。

すなわち、本発明のガスハイドレート製造プラントは、上記のガスハイドレートスラリー製造装置と、スラリー移送ポンプにより移送されるガスハイドレートを含むスラリーを導入して物理的に脱水する第１の脱水装置と、第１の脱水装置により脱水されたガスハイドレートに付着する水分に原料ガスを水和反応させて高濃度のガスハイドレートを生成する第２の脱水装置とを備えて構成することができる。

この場合において、第１の脱水装置は、スラリー移送ポンプにより移送されるガスハイドレートを含むスラリーが底部に導入される円筒状の縦型容器と、該容器の上部のガスハイドレートを排出する排出機と、前記容器の腹部に形成された複数の孔と、該複数の孔を包囲する水抜き室を形成する水抜き部と、前記水抜き室の水位が設定水位になるように前記水抜き室から抜き出す水抜き量を制御する制御手段とを備えて構成することが好ましい。これによれば、ガスハイドレートスラリー製造装置によってガスハイドレートスラリーの濃度を精度よく、かつ連続して制御できることと相まって、第１の脱水装置から排出されるガスハイドレートの濃度を所望値に制御できるから、さらに次の工程における水和反応による脱水操作を効果的に行うことができる。

この場合において、水和反応による第２の脱水装置は、前記第１の脱水装置の前記排出機により排出されるガスハイドレートと原料ガスが導入される円筒状の縦型容器と、該縦型容器の前記ガスハイドレートが導入される位置と底部との間に設けられた多孔板と、前記縦型容器の上部に連通された吸込み口を有し、前記縦型容器の上部の原料ガスを吸引し、冷却器を通して前記縦型容器の底部に循環させる循環ガスブロワーと、前記多孔板の上方のガスハイドレートを排出する排出機と、該排出機の負荷量を検出し、検出された負荷量を設定範囲に収めるように、前記循環ガスブロワーにより循環される循環ガス量と、循環ガスの温度と、前記排出機の排出量の少なくとも１つを制御する制御手段と備えて構成することが好ましい。

すなわち、第２の脱水装置は、第１の脱水装置から排出されるガスハイドレートを原料ガスにより流動化させて流動層を形成し、ガスハイドレートの付着水を流動層反応により原料ガスと反応させて、ガスハイドレートの濃度を製品に要求される濃度レベルに高めることができる。この第２の脱水装置から排出されるガスハイドレート濃度は、排出機の負荷量に相関する。つまり、ガスハイドレートの付着水が多く、ガスハイドレート濃度が低くなると、ハイドレートの粉粒体の粒径が大きな固まりになる傾向がある。このような固まりができると、ガスハイドレートの流動性が低下して排出機の負荷が大きくなる。そこで、排出機の負荷量、例えばトルクまたは排出機の駆動モータの電流を検出し、それらの値が設定範囲に収まるように、循環ガス量と、循環ガスの温度と、排出機の排出量の少なくとも１つを制御する。つまり、流動層反応を促進させる制御と流動層反応の滞留時間とを適宜組み合わせて制御することにより、製品ガスハイドレートの濃度を所望値にすることができる。

本発明によれば、所定の品質を有する製品ガスハイドレートを連続して安定に製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明のハイドレートスラリー製造装置を適用したハイドレート製造プラントの全体構成図を示す。本実施形態は、天然ガスのハイドレート（以下、ＮＧＨと略す。）を製造するプラントを示しているが、本発明は天然ガスに限らず、他の原料ガスのハイドレート製造に適用できる。

図１に示すように、本実施形態のハイドレート製造プラントは、ＮＧＨスラリーを生成する生成器１を含むハイドレートスラリー製造装置と、生成器１で生成されたＮＧＨスラリーから水分を分離して濃度の高いＮＧＨを生成する脱水塔２を含む第１の脱水装置と、脱水塔２で脱水されたＮＧＨの付着水と天然ガスとを反応させてＮＧＨの濃度を製品レベルに高める流動層反応塔３を含む第２の脱水装置と、製品ＮＧＨを貯留するホッパ４を備えて構成されている。これらの生成器１、脱水塔２、流動層反応塔３およびホッパ４は、いずれも所定の高圧（例えば、３〜１０ＭＰａ）に保持されている。

生成器１は、円筒状の容器で形成され、図示していない供給装置から、高圧の原料ガス（天然ガス）と高圧の水が一定量供給され、生成器１内に導入された天然ガスと水は低温（例えば、１〜５℃）の条件下で反応してＮＧＨが生成される。ＮＧＨの生成反応を促進するため、撹拌機１１により生成器１内の水を撹拌するとともに、循環ガスブロワー１２によって生成器１の上部の天然ガスを抜き出し、生成器１の底部のノズル１３から生成器１の水中に散気するガス循環系が設けられている。循環ガス量はガス流量計を備えた流量制御弁１４によって制御される。また、ＮＧＨ生成は発熱を伴うことから、生成器１内の温度を設定温度に保持するために、生成器１の底部から生成されたＮＧＨを含むＮＧＨスラリーを循環スラリーポンプ１５により抜き出し、冷却器１６により冷媒で冷却して生成器１の上部に戻すスラリー循環系が設けられている。スラリー循環量はスラリー流量計を備えた流量制御弁１７によって制御される。また、冷却器１６の冷媒量は、スラリー循環系に設けられた温度計１８により循環スラリーの温度を検出し、その検出値を設定温度Ｔ２に一致させるように制御される。このようにして生成器１で生成されたＮＧＨスラリーは、生成器１の底部からスラリー移送ポンプ２０によって連続的に抜き出され、脱水塔２の底部に供給されるようになっている。

ここで、生成器１でＮＧＨスラリーを循環させて連続的にＮＧＨを生成する場合、ＮＧＨスラリー中のＮＧＨの濃度が問題となる。すなわち、ＮＧＨは基本的に粉粒状であるから、スラリー液である水の量が少ないと、流動性が極端に低下して循環スラリーポンプ１５で循環させて冷却することができなくなり、連続的にＮＧＨを生成するのが困難になる。また、スラリー移送ポンプ２０によってＮＧＨスラリーを脱水塔２に供給することも難しくなる。特に、後述する脱水処理およびＮＧＨの付着水を天然ガスと反応させて製品ＮＧＨを製造するプロセスの制御を安定させて、精度のよい製品ＮＧＨを製造するためには、連続して一定濃度のＮＧＨスラリーを生成することが望まれる。

そこで、本実施形態では、スラリー循環系にＮＧＨスラリーの密度計１９を設け、検出密度を設定範囲（例えば、２０重量％程度）に収めるように、循環ガス量、循環スラリーの温度Ｔ２、循環スラリー量の少なくとも１つを制御するようにしている。本実施形態では、スラリー密度を設定密度にするように、循環スラリー量および循環ガス量を同時に連続して制御することにより、一定濃度のＮＧＨスラリーを連続的に生成するようにしている。また、この場合、冷却器１６の冷媒量を制御して、循環スラリーの温度Ｔ２を設定温度に制御する。これにより、ＮＧＨスラリーのＮＧＨ濃度を所望値に精度よく、かつ安定に連続して制御することができる。

一方、脱水塔２は、円筒状の縦型容器により形成され、塔の途中に大径の水抜き部２１が設けられ、この水抜き部２１に対応する塔内壁は、例えば金網や多孔板等により形成された多孔壁２２とされている。脱水塔２内に導入されたＮＧＨスラリーの水分は、多孔壁２２を通って水抜き部２１に分離される。水抜き部２１の水は、流量制御弁２３を介して脱水循環ポンプ２４により抜き出され生成器１に戻されるようになっている。水抜き部２１の水位は水位計２５によって検出され、その検出水位を設定水位の保持するように流量制御弁２３を調節するようになっている。また、脱水塔２内の頂部の近傍にスクリューコンベア２６の一端が挿入して設けられている。このスクリューコンベア２６は、塔内に位置する部位のケーシング（例えば、下面）に開口が設けられている。

このように構成されることから、本実施形態の脱水塔２によれば、塔の底部から導入されるＮＧＨスラリーが塔の頂部に押し上げられて水抜き部２１に達すると、スラリー中の水分が多孔壁２２を通って水抜き部２１に分離される。水抜き部２１に分離された水は脱水循環ポンプ２４により抜き出されて生成器１に戻される。このようにして、脱水塔２に導入されるＮＧＨスラリー中の水分は水抜き部２１にて分離除去され、脱水されたＮＧＨ濃度の高いＮＧＨスラリーとなって塔頂部に達する。塔頂部に達する過程におけるＮＧＨ濃度は、細密充填された粉粒状のＮＧＨの空隙部に水が充満している状態から、粉粒状のＮＧＨの表面に水が付着した状態まで変化する。つまり、ある高さに達するまでは、毛管現象によって粉粒状のＮＧＨ相互間の空隙に水が保持されるが、その保持力よりも水の重力が大きくなるに従ってＮＧＨから水が分離される。したがって、水抜き部２１の位置から塔頂部に達する過程で、ＮＧＨの水分は表面に付着した水分程度になる。このようにして脱水されて塔頂部に達したＮＧＨは、モータ２７によって駆動されるスクリューコンベア２６により脱水塔２から排出され、流動層反応塔３に導入される。

ここで、脱水塔２から排出されるＮＧＨ濃度が低すぎると、すなわちＮＧＨの付着水が多すぎると、次工程の流動層反応塔３におけるＮＧＨの流動性が低下し、ＮＧＨ付着水と原料ガスとの反応が困難になる。そこで、本実施形態では、スクリューコンベア２６によって搬出されるＮＧＨの濃度（ＮＧＨ／（ＮＧＨ＋付着水））を、例えば、４５〜７０重量％、好ましくは５０±５重量％に制御するようにしている。このＮＧＨ濃度の制御は、本実施形態では、水位計２５によって水抜き部２１における水位を設定水位に保持するように、抜き出し水量を流量制御弁２３で制御することにより行っている。つまり、毛管現象によってＮＧＨ相互間の空隙に保持される水の保持力と水の重力とが均衡する位置は、水抜き部２１の水位から一定の高さ位置になる。そこで、その均衡位置２８を、水抜き部２１の水位を基準として適宜調整することにより、スクリューコンベア２６によって搬出されるＮＧＨの濃度を所望値に制御することができる。その結果、流動層反応塔３に入るＮＧＨの濃度を制御して、流動層反応塔３における流動性および原料ガスとの反応を良好にすることができる。すなわち、本実施形態によれば、脱水塔２から排出するＮＧＨの濃度を所望値に精度よく、かつ安定に連続して制御することができるから、次工程の流動層反応塔３における処理が安定し、最終的な製品ＮＧＨの品質を向上させるとともに、安定製造することができる。

なお、水抜き部２１の水位を制御してＮＧＨの濃度を調整することに代えて、ＮＧＨ濃度とスクリューコンベア２６の負荷（トルク）とは相関があることから、モータ２７の電流が設定電流の範囲になるように、流量制御弁２３による抜き出し量を制御するようにすることができる。また、モータ２７の電流に代えて、トルク検出器により負荷トルクを直接検出するようにしてもよい。また、流量制御弁２３による抜き出し量を制御することに代えて、多孔壁２２の開口面積を可変することにより、多孔壁２２を通って水抜き部２１に分離される水量を調整することによっても制御することができる。多孔壁２２の開口面積を可変するには、例えば、多孔壁２１に沿って円筒状の仕切板を多孔壁２１の上方から下方に移動可能に設け、水抜き部２１の水位またはモータ２７の電流に応じて仕切板を上下に移動することにより実現できる。

一方、流動層反応塔３は、円筒状の縦型容器により形成され、縦型容器の頂部に原料ガスである天然ガスが供給されている。また、縦型容器の底部から一定高さに多孔板３１が設けられ、この多孔板３１の上にスクリューコンベア２６により搬送されたＮＧＨが投入されるようになっている。また、底部と多孔板３１との間に、循環ガスブロワー３２から流量制御弁３３を介して原料ガスである天然ガスが、流動化ガスとして吹き込まれるようになっている。流動層反応塔３の頂部はサイクロン３４を介して循環ガスブロワー３２の吸引口に連通されている。これによって、流動層反応塔３内に流動化ガスである天然ガスが循環されるようになっている。この天然ガスの循環系には、冷却器３５と温度計３６が設けられ、温度計３６の検出温度を設定温度に保持するように、冷却器３５の冷媒の流量が制御されるようになっている。

一方、多孔板３１の上方の空間に、モータ３７によって駆動されるスクリューコンベア３８の一端が挿入されている。このスクリューコンベア３８の流動層反応塔３内に位置する部位のケーシング（例えば、上面）に開口が設けられている。このスクリューコンベア３８の他端は、製品ＮＧＨを貯留するホッパ４の上部に連通されている。また、モータ３７の出力軸のトルクを検出するトルク検出器３９が設けられている。このトルク検出器３９により検出されたスクリューコンベア３８の負荷量を設定範囲に収めるように、流量制御弁３３を制御して循環ガス量と、スクリューコンベア３８の搬出量と、冷却器３５の冷媒の流量の少なくとも１つを制御する制御手段と備えて構成される。トルク検出器３９に代えて、モータ３７の電流を検出して負荷トルクを検出するようにしてもよい。

このように構成されることから、本実施形態によれば、流動層反応塔３に投入されて形成されるＮＧＨ層に多孔板３１を介して天然ガスが噴出されると、多孔板３１の上部にＮＧＨの流動層が形成される。この流動層においてＮＧＨの付着水と天然ガスとが反応してＮＧＨが生成され、ＮＧＨ濃度が例えば９０重量％以上に高められる。このようにして付着水が大幅に低減されたＮＧＨは、スクリューコンベア３８によってホッパ４に搬送されて一旦貯留される。ホッパ４に貯留された粉粒状のＮＧＨは、仕切弁４１を介して適宜切り出され、製品ＮＧＨとして、あるいはＮＧＨペレット製造装置等に移送して加工されるようになっている。なお、ホッパ４内は高圧（例えば、３〜１０Ｍｐａ）であることから、図示していないが、通常は、仕切弁４１の下流側に脱圧装置が設けられる。

上述したように、本実施形態のＮＧＨ製造プラントによれば、生成器１によってＮＧＨ濃度の安定したＮＧＨスラリーを連続的に生成することができるから、続く脱水塔２における脱水処理および流動層反応塔３における付着水のＮＧＨ化の処理を効果的に安定して行うことができる。また、脱水塔２と流動層反応塔３で脱水されたＮＧＨの濃度も精度よく制御されるから、最終的に高品質の製品ＮＧＨを安定して、連続的に製造できるという効果がある。

本発明の一実施の形態のハイドレートスラリー製造装置を適用した一実施の形態のハイドレート製造プラントの全体構成図である。

符号の説明

１生成器
２脱水塔
３流動層反応塔
４ホッパ
１１撹拌機
１２循環ガスブロワー
１３ノズル
１５循環スラリーポンプ
１６冷却器
１８温度計
１９密度計
２１水抜き部
２２多孔壁
２４脱水循環ポンプ
２５水位計
２６スクリューコンベア
３１多孔板
３２循環ガスブロワー
３４サイクロン
３５冷却器
３６温度計
３８スクリューコンベア
３９トルク検出器

Claims

供給される原料ガスと水とを水和反応させてガスハイドレートを含むスラリーを生成する生成器と、該生成器の上部の原料ガスを抜き出して該生成器から生成器内に散気するガス循環装置と、前記生成器からガスハイドレートを含むスラリーを抜き出し、冷却器を通して前記生成器の上部に戻すスラリー循環装置と、前記生成器からガスハイドレートを含むスラリーを脱水装置に移送するスラリー移送ポンプと、前記スラリー循環装置により循環される循環スラリーの密度を検出し、検出されたスラリー密度を設定範囲に収めるように、前記ガス循環装置により循環される循環ガス量と、前記スラリー循環装置の循環スラリー量と、循環スラリー温度の少なくとも１つを制御する制御手段とを備えてなるガスハイドレートスラリー製造装置。
供給される原料ガスと水とを水和反応させてガスハイドレートを含むスラリーを生成する生成器と、該生成器の上部の原料ガスを抜き出して該生成器から生成器内に散気するガス循環装置と、前記生成器内のスラリーを撹拌する攪拌機と、前記生成器からガスハイドレートを含むスラリーを抜き出し、冷却器を通して前記生成器の上部に戻すスラリー循環装置と、前記生成器からガスハイドレートを含むスラリーを脱水装置に移送するスラリー移送ポンプと、前記スラリー循環装置により循環される循環スラリーの密度を検出し、検出されたスラリー密度を設定範囲に収めるように、前記ガス循環装置により循環される循環ガス量と、前記スラリー循環装置の循環スラリー量と、循環スラリー温度と、前記攪拌機の回転数の少なくとも１つを制御する制御手段とを備えてなるガスハイドレートスラリー製造装置。
請求項１または２に記載のガスハイドレートスラリー製造装置と、前記スラリー移送ポンプにより移送されるガスハイドレートを含むスラリーを導入して物理的に脱水する第１の脱水装置と、該第１の脱水装置により脱水されたガスハイドレートに付着する水分を原料ガスと水和反応させて高濃度のガスハイドレートを生成する第２の脱水装置とを備えてなるガスハイドレート製造プラント。
前記第１の脱水装置は、前記スラリー移送ポンプにより移送されるガスハイドレートを含むスラリーが底部に導入される円筒状の縦型容器と、前記容器の上部のガスハイドレートを排出する排出機と、前記容器の腹部に形成された複数の孔と、該複数の孔を包囲する水抜き室を形成する水抜き部と、前記水抜き室の水位が設定水位になるように前記水抜き室から抜き出す水抜き量を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする請求項３に記載のガスハイドレート製造プラント。
前記第２の脱水装置は、前記第１の脱水装置の前記排出機により排出されるガスハイドレートと原料ガスが導入される円筒状の縦型容器と、該縦型容器の前記ガスハイドレートが導入される位置と底部との間に設けられた多孔板と、前記縦型容器の上部に連通され前記縦型容器の上部の原料ガスを吸引し、冷却器を通して前記縦型容器の底部に循環させる循環ガスブロワーと、前記多孔板の上方のガスハイドレートを排出する排出機と、該排出機の負荷量を検出し、検出された負荷量を設定範囲に収めるように、前記循環ガスブロワーにより循環される循環ガス量と、循環ガスの温度と、前記排出機の排出量の少なくとも１つを制御する制御手段と備えてなることを特徴とする請求項３に記載のガスハイドレート製造プラント。