JP2006104386A

JP2006104386A - ガスハイドレート製造装置

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Publication number: JP2006104386A
Application number: JP2004295060A
Authority: JP
Inventors: Takashi Arai; 新井　　敬; Tetsuo Murayama; 哲郎村山; Seiji Horiguchi; 清司堀口; Toshio Yamaki; 俊男八巻
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】水切り部の構造を適正化することにより、脱水器の運転を一定の脱水率で安定して運転可能とする。
【解決手段】原料ガスｇと原料水ｗとを反応させてガスハイドレートｈを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器１２によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造する。前記脱水器１２を、筒状の第１塔体２１と、該第１塔体の上部に設けた水切り部２２と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部２３と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体２４により形成する。前記水切り部２２に無数の貫通孔１９又はスリット４０を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置に関するものである。

現在、メタンなどの炭化水素を主成分とする天然ガスを貯蔵および輸送する方法として、ガス田から天然ガスを採取した後、液化温度まで冷却し、液化天然ガス（ＬＮＧ）とした状態で貯蔵および輸送する方法が一般的である。

しかし、例えば、ＬＮＧの主成分であるメタンの場合、液化させるには、−１６２℃といった極低温条件が必要であり、こうした条件を維持しながら貯蔵および輸送するには、専用の貯蔵装置やＬＮＧ輸送船といった専用の輸送手段が必要となる。

こうした装置などの製造および維持・管理には、非常に高いコストを要するため、上記方法に代わる低コストの貯蔵および輸送する方法が鋭意研究されてきた。

こうした研究の結果、天然ガスを水と水和させて氷の結晶状の水和物、すなわち、天然ガスハイドレートを生成し、この結晶状のまま貯蔵あるいは輸送するという方法が見出され、近年、特に、有望視されている。

この方法では、ＬＮＧを取り扱う場合のような極低温条件は必要ではない。また、結晶状とするため、その取り扱いも比較的容易である。

このため、既存の冷凍装置あるいは既存のコンテナ船を、若干、改良したものを貯蔵装置あるいは輸送手段として利用可能である。

従って、ＬＮＧを取り扱う場合に比較して大幅な低コスト化が図れるものとして期待がよせられている。

この天然ガスハイドレートは、包接化合物の一種であって、複数の水分子により形成された立体かご型の包接格子の中に天然ガスの各成分を構成する分子、すなわち、メタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）などが入り込んで包接された結晶構造を有するものである。

立体かご型の包接格子に包接された天然ガス構成分子どうしの分子間距離は、天然ガスが高圧充填された場合のガスボンベ中における分子間距離よりも短くなる。これは、天然ガスが緊密充填された結晶を生成することを意味しており、例えば、メタンの水和物が安定する条件下、すなわち、−８０℃、大気圧（１ｋｇ／ｃｍ²）においては、気体状態に比較して約１／１７０の体積とすることができる。

このように、天然ガスハイドレートは、比較的容易に得られる温度および圧力条件下において、製造可能で、かつ、安定した保存が可能なものである。

上記の方法において、ガス田から採取した天然ガスは、酸性ガス除去工程において二酸化炭素（ＣＯ₂）や硫化水素（Ｈ₂Ｓ）などの酸性ガスが除去され、一旦、ガス貯蔵部に貯蔵され、この後、生成工程にて水和される。

この天然ガスハイドレートは、水が混在するスラリー状であり、続く脱水工程において、混在している未反応の水が除去され、更に、冷却工程および減圧工程を経てコンテナなどの容器に封入され、貯蔵装置内において所定の温度、圧力に調整された状態で貯蔵される。

ところで、上述した従来の天然ガスハイドレート生成方法では、下記のような問題を有している。

すなわち、天然ガスハイドレートの生成プラントでは、生成直後の天然ガスハイドレートが多量の水を含んだスラリー状であるため、この天然ガスハイドレートを、そのまま、あるいは冷凍して貯蔵および輸送すれば、水（氷）の分だけ、貯蔵や輸送にかかるコストが膨大なものになってしまう。

そこで、含水率の低いパサパサな状態の天然ガスハイドレートを生成して、その貯蔵や輸送にかかるコストを低減することを目的として、スラリー状の天然ガスハイドレートを横型のスクリュープレス型脱水装置を用いて強制的に脱水する天然ガスハイドレートの生成方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１０５３６２号公報（第７−１０頁、図２）

このスクリュープレス型脱水装置は、メッシュ加工した内壁と、この内壁の外側にあって外殻を構成する筒体との二重構造になっており、前記内壁内に設置したスクリュー軸によってスラリー状の天然ガスハイドレートを強制的に前進させることによって内壁に加工したメッシュから水を除去するようにしているため、脱水（濃縮）中に天然ガスハイドレートの多くが水と一緒に内壁のメッシュ孔をすり抜け、天然ガスハイドレートの回収率が低下するという問題がある。また、スクリュー軸を高トルクで回転させるための動力費がかかるという問題がある。更に、内部が高圧の状態で高トルクを発生させるため、設備全体が過重になる。加えて、スクリュー軸を高圧から大気圧にシールする必要がある。

このような問題を無くすために、本発明者らは、従来のような強制脱水ではなく、重力を利用した天然ガスハイドレートスラリーの脱水方法を提案した。すなわち、図５および図６に示すように、塔体２の略中間部に、所定の開口を有する平織りの金網４と、この金網４を支持するための多孔板６を円筒状に形成した水切り部３を設けた脱水器１を用いて天然ガスハイドレートスラリーｓを脱水するものである。

天然ガスハイドレートスラリーｓを脱水器１の塔体２の下部に供給すると、天然ガスハイドレートスラリーｓは、塔体２内を上方に向かって流れる。そして、水切り部３に達すると、天然ガスハイドレートに同伴している水ｗが水切り部３の金網４の網目を通過して塔体２の外部に流出するので、天然ガスハイドレートスラリーｓの脱水が行われる。

しかし、天然ガスハイドレートの粒径は、約０．０１〜０．１ｍｍであり、非常に小さいので、水切り部３の金網部分が天然ガスハイドレート層の抵抗となり、脱水器１に天然ガスハイドレートスラリーｓを搬送するスラリーポンプ５の吐出圧力が増大したり、固体状の天然ガスハイドレートによって脱水器１が閉塞したり、或いは、液面（水位）が上昇して脱水不良になるなどの問題が発生して一定の脱水率を維持したまま安定した運転ができなくなることがあった。

本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、その目的とするところは、水切り部の構造を適正化することにより、脱水器の運転を一定の脱水率で安定して運転可能とするガスハイドレート製造装置を提供することある。

上記の課題を解決するため、本発明は、次のように構成されている。

請求項１に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数の貫通孔又はスリットを設けたことを特徴とするガスハイドレート製造装置である。

請求項２に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に下方から上方に向かって連続的又は段階的に孔径が大きくなる無数の貫通孔を設けたことを特徴とするガスハイドレート製造装置である。

請求項３に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、前記貫通孔を、千鳥状又は碁盤の目状に配置することを特徴とする請求項２記載のガスハイドレート製造装置である。

請求項４に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、前記貫通孔の最小孔径を０．１〜５ｍｍ、前記貫通孔の最大孔径を０．５〜１０．０ｍｍとすることを特徴とする請求項２又は３記載のガスハイドレート製造装置である。

請求項５に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数の貫通孔を設け、かつ、前記貫通孔を、その出口が入り口よりも下方になるように傾斜させることを特徴とするガスハイドレート製造装置である。

請求項６に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、前記貫通孔を、千鳥状又は碁盤の目状に配置することを特徴とする請求項５記載のガスハイドレート製造装置である。

請求項７に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、前記貫通孔の孔径を０．１〜１０．０ｍｍとすることを特徴とする請求項５又は６記載のガスハイドレート製造装置である。

請求項８に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数のスリットを設けたことを特徴とするガスハイドレート製造装置である。

請求項９に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、前記筒体を、横断面がくさび型の線状体を所定の間隔を空けて周方向に多数並べて形成することを特徴とする請求項８記載のガスハイドレート製造装置である。

請求項１０に記載の発明に係るガスハイドレート製造装置は、各線状体の幅又は各スリット間の間隔を１．０〜５．０ｍｍ、各線状体間の間隔又は各スリットの幅を０．１〜５．０ｍｍとすることを特徴とする請求項８又は９記載のガスハイドレート製造装置である。

上記のように、請求項１に記載の発明は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数の貫通孔又はスリットを設けたので、水切り部におけるガスハイドレートスラリー移動抵抗を、水切り部に金網を用いていた従来よりも低減することができた。

従って、脱水器にガスハイドレートスラリーを送出するスラリーポンプを、流量一定、吐出圧一定の安定した運転で運転することが可能となった。また、ガスハイドレート層の移動速度が一定となるため、脱水器の安定した運転が可能となった。また、ガスハイドレート層の円滑な移動により、一定の脱水率が得られるため、脱水器の次工程に一定品質、一定量のガスハイドレートの供給が可能となった。

請求項２に記載の発明は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に下方から上方に向かって連続的又は段階的に孔径が大きくなる無数の貫通孔を設けたので、水切り部におけるガスハイドレートスラリー移動抵抗を、水切り部に金網を用いていた従来よりも大幅に低減することができた。

請求項５に記載の発明は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数の貫通孔を設け、かつ、前記貫通孔を、その出口が入り口よりも下方になるように傾斜させたので、脱水がより円滑に行われ、水切り部におけるガスハイドレートスラリー移動抵抗を、水切り部に金網を用いていた従来よりも大幅に低減することができた。

請求項８に記載の発明は、原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数のスリットを設けたので、水切り部におけるガスハイドレートスラリー移動抵抗を、水切り部に金網を用いていた従来よりも大幅に低減することができた。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１において、符号１１は、天然ガスハイドレート生成器（以下、ガスハイドレート生成器と称する。）、１２は、ガスハイドレート生成器１１で生成されたスラリー状の天然ガスハイドレート（以下、ガスハイドレートと称する。）を脱水する縦型移動層式の脱水器、１３は、脱水器１２でほぼ脱水されたガスハイドレートを次工程（図示せず）に横移送するガスハイドレート搬送装置である。

ガスハイドレート生成器１１は、耐圧容器１４と、天然ガスを微細な気泡状に噴出するガス噴出ノズル１５と、耐圧容器１４内の被処理物、つまり、天然ガスｇや水ｗ、更には、ガスハイドレートなどを攪拌する攪拌機１６と、反応熱除去用伝熱部１７とを備えている。

縦型移動層式の脱水器１２は、円筒状の第１塔体２１と、該第１塔体２１の上部に設けられ、かつ、無数の微細な孔を持つ筒状の水切り部２２と、該水切り部２２の外側に設けたジャケット状の脱水集合部２３と、前記水切り部２２の上部に設けた筒状の第２塔体２４により形成されている。

脱水集合部２３の底部２３ａは、水切り部２２の下端部２２ａより高さＨだけ下方に下げ、水切り部２２で脱水された水（未反応水）を貯留するようになっている。

水切り部２２は、図２に示すように、凹凸の無い平滑な内面を持つ筒体１８によって形成すると共に、筒体１８に貫通孔１９を碁盤の目状に設けている。この場合、筒体１８は、上下２つのゾーンに分割され、下方のゾーンｘには、ガスハイドレートの粒径を考慮して孔径が０．１〜５．０ｍｍの貫通孔１９ａを設け、上方のゾーンｙには、それよりも孔径が多少大きい、孔径が０．５〜１０．０ｍｍの貫通孔１９ｂを設け、脱水によって次第に含水率が低下するガスハイドレートの移動摩擦を略一定に保持するようにしている。

ここで、貫通孔１９を設けるゾーン数は、上記のような２ゾーンに限らず、それ以上のゾーン数とすることができる。また、ゾーンによって貫通孔１９の孔径を変化させるのではなく、筒体１８の下方から上方に向かって貫通孔１９の孔径を連続的に拡大させるようにしてもよい。

また、貫通孔１９の配置は、碁盤の目状のほか、例えば、千鳥状に配置することができる。また、下方ゾーンｘの貫通孔１９ａのピッチは、１．０〜１０．０ｍｍ程度が好ましく、上方ゾーンｙの貫通孔１９ｂのピッチは、２．０〜２０．０ｍｍ程度が好ましい。

ガスハイドレート搬送装置１３は、円筒形の横型の筒体３１と、軸体３２の側面に螺旋状の突条部３３を有するスクリュー状の移送体３４により形成され、モーター３５によって軸体３２を回転するようになっている。

図中、符号３７は原料水供給ポンプ、３８は原料ガス（天然ガス）供給ポンプ、３９は循環ガスブロワ、４０は循環水ポンプ、４１は循環水冷却器を示している。

次に、上記ガスハイドレート製造装置の作用について説明する。

原料水供給ポンプ３７によって耐圧容器１４内に供給された原料水（水）ｗは、反応熱除去用伝熱部１７に供給される冷媒ｒによって所定の温度（例えば、１〜３℃）に冷却される。

続いて、攪拌機１６を駆動して耐圧容器１４内の原料水ｗを攪拌しながら、原料ガス供給ポンプ３８によって所定圧（例えば、５ＭＰａ）の原料ガス（天然ガス）ｇを供給すると、天然ガスｇは、ガス噴出ノズル１５から微細な気泡となって立ち上り、水面に到達する間に水ｗと反応して固体状のガスハイドレートとなる。

耐圧容器１４内のガスハイドレートは、水面下にあってスラリー状を呈しているので（この時のガスハイドレートの濃度は、約２０％である。）、スラリーポンプ５によって縦型移動層式の脱水器１２に供給する。縦型移動層式の脱水器１２の第１塔体２１の底部２１ａに供給されたガスハイドレートスラリーｓは、第１塔体２１内を上昇し、水切り部２２を形成している筒体１８の貫通孔１９ａおよび１９ｂから水ｗのみが流出する。

水切り部２２から水ｗが流出すると、ガスハイドレートｈが塔上部に残る。ガスハイドレートｈは、水切り部２２の部分にも蓄積され、ガスハイドレート層ｄを形成する。そして、水（ガスハイドレートに同伴した水。）ｗがガスハイドレート層ｄを通過する際に、ガスハイドレート層ｄを上方に押し上げることから、脱液したガスハイドレート層ｄを塔頂部（第２塔部２４）から連続的に取り出すことができる。この時のガスハイドレートの濃度は、約５０％である。

第２塔部２４に達したガスハイドレートｈは、ガスハイドレート移送装置１３のスクリュー状の移送体３４によって図示しない次工程に連続的に移送される。

ジャケット状の脱水集合部２３で分離された未反応の水ｗは、循環水ポンプ４０によって耐圧容器１４に戻される。その際、戻り水ｗは、循環水冷却器４１によって所定の温度に冷却される。

以上の説明では、水切り部２２における貫通孔１９の孔径を変化させる場合について説明したが、水切り部２２の貫通孔１９を、図３に示すように、その出口１９Ａが入り口１９Ｂよりも下方になるように傾斜させても同様の効果が得られる。この場合、貫通孔１９の孔径は、０．１〜１０．０ｍｍ程度、貫通孔１９のピッチは、２．０〜２０．０ｍｍ程度が好ましい。また、貫通孔１９の配置は、千鳥状でも碁盤の目状でもよい。

他方、水切り部２２は、図４に示すように、横断面がくさび型の線状体３８を所定の間隔ｅを設けて周方向に並べ、隣接する線状体３８間にスリット４０を形成しても同様の効果を得ることができる。この場合、線状体３８は、リング状の支持体３９に溶接され、バラバラにならないようになっている。

また、水切り部２２は、凹凸の無い平滑な内面を持つ筒体に無数のスリットを設けることによって形成することができる。

ここで、線状体３８の隙間（スリット間隔）ｅは、０．１〜５．０ｍｍが好ましい。また、線状体３８の幅（スリット間の間隔）は、１．０〜５．０ｍｍが好ましい。

本発明に係るガスハイドレート製造装置の概略構成図である。水切り部の一部断面を含む側面図である。第２番目の水切り部の一部断面を含む側面図である。第３番目の水切り部の斜視図である。従来の脱水塔の断面図である。図５の符号Ｘの部分の拡大断面図である。

符号の説明

ｇ原料ガス
ｗ原料水
ｈガスハイドレート
１２脱水器
１８筒体
１９貫通孔
２１第１塔体
２２水切り部
２３気液分離部
２４第２塔体
４０スリット

Claims

原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数の貫通孔又はスリットを設けたことを特徴とするガスハイドレート製造装置。
原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に下方から上方に向かって連続的又は段階的に孔径が大きくなる無数の貫通孔を設けたことを特徴とするガスハイドレート製造装置。
前記貫通孔を、千鳥状又は碁盤の目状に配置することを特徴とする請求項２記載のガスハイドレート製造装置。
前記貫通孔の最小孔径を０．１〜５ｍｍ、前記貫通孔の最大孔径を０．５〜１０．０ｍｍとすることを特徴とする請求項２又は３記載のガスハイドレート製造装置。
原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数の貫通孔を設け、かつ、前記貫通孔を、その出口が入り口よりも下方になるように傾斜させることを特徴とするガスハイドレート製造装置。
前記貫通孔を、千鳥状又は碁盤の目状に配置することを特徴とする請求項５記載のガスハイドレート製造装置。
前記貫通孔の孔径を０．１〜１０．０ｍｍとすることを特徴とする請求項５又は６記載のガスハイドレート製造装置。
原料ガスと原料水とを反応させてガスハイドレートを生成し、該ガスハイドレートを縦型移動層式の脱水器によって水切りして低含水率のガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置において、前記脱水器を、筒状の第１塔体と、該第１塔体の上部に設けた水切り部と、該水切り部の外側に設けた脱水集合部と、前記水切り部の上部に設けた筒状の第２塔体により形成すると共に、前記水切り部に無数のスリットを設けたことを特徴とするガスハイドレート製造装置。
前記筒体を、横断面がくさび型の線状体を所定の間隔を空けて周方向に多数並べて形成することを特徴とする請求項８記載のガスハイドレート製造装置。
各線状体の幅又は各スリット間の間隔を１．０〜５．０ｍｍ、各線状体間の間隔又は各スリットの幅を０．１〜５．０ｍｍとすることを特徴とする請求項８又は９記載のガスハイドレート製造装置。