JP2006169041A

JP2006169041A - 二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法

Info

Publication number: JP2006169041A
Application number: JP2004363781A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Ito; 秀伸伊藤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】安価でかつ少量のエネルギー消費で二酸化炭素ガスを海中に貯蔵する方法を提供する。
【解決手段】二酸化炭素ガスＧをゲストガスとした二酸化炭素ガスハイドレートＨに海水よりも密度が大きい密度調整物を混入し、海水よりも密度の大きいペレットＰに成形した後、輸送船１４で運搬して海に投入し自然沈降させて海底１５に二酸化炭素ガスＧを貯蔵する。
【選択図】図１

Description

本発明は二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法に関し、さらに詳しくは二酸化炭素ガスをガスハイドレートのペレットにして海中に自然沈降させる二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法に関するものである。

近年、地球温暖化が世界的な問題となっており、この温暖化の原因のひとつが石油などの化石燃料の燃焼等による二酸化炭素ガスの増加と言われている。そこで、二酸化炭素ガスの排出量を抑制する手段や排出された二酸化炭素ガスを処理する手段が種々研究されている。二酸化炭素ガスを処理する手段としては、二酸化炭素ガスを海中に貯蔵する方法が提案されている。たとえば、二酸化炭素ガスをゲストガスとする二酸化炭素ガスハイドレートを生成する装置を海中に設置して二酸化炭素ガスハイドレートを海水よりも密度の大きい粒子にして、海底に沈降させる二酸化炭素ガスの海洋処理方法が提案されている（特許文献１参照）。

この提案では、海中にガスハイドレート生成装置や、地上から海中に二酸化炭素ガスを供給するパイプライン等を設置する必要があり、設備投資が膨大となるだけでなく、設備を防水、水圧、防錆等を特別に考慮した仕様とする必要があり技術的に複雑なものとなる。また、各種装置のオペレーションやメンテナンス等のランニングコストも高くならざるを得ない。

別の提案としては、二酸化炭素をガスハイドレートとして深海底に輸送管を通じて圧力輸送することやコンテナに封入して海洋に投棄して処理する方法が提案されている（特許文献２参照）。

この提案では輸送管や圧送ポンプ等の特別な設備や設備稼働のエネルギーが必要となる。二酸化炭素ガスハイドレートをコンテナに封入して船で運搬して海洋に投棄すればコンテナが使い捨てになり、またコンテナの分だけ重量が重くなり、積載スペースも狭くなり輸送効率が悪い。この輸送効率の悪さは余分な燃料消費につながり、ひいては余分な二酸化炭素ガスを発生させることになる。
特開平１０−２６５２１０号公報特開平５−３８４２９号公報

そこで本発明の目的は、安価でかつ少量のエネルギー消費で二酸化炭素ガスを海中に貯蔵する方法を提供することにある。

本発明の二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法は、二酸化炭素ガスをゲストガスとした二酸化炭素ガスハイドレートに海水よりも密度が大きい密度調整物を混入し、海水よりも密度の大きいペレットに成形した後、海に投入し自然沈降させて海中に二酸化炭素ガスを貯蔵することを要旨とするものである。

本発明の二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法は、二酸化炭素をゲストガスとした二酸化炭素ガスハイドレートを海水の密度より大きいペレットの製造を地上で実施するので設備投資、ランニングコストを抑えることができ、複雑な装置も不要となる。

また、二酸化炭素ガスハイドレートは高い包蔵性を有しているので効率よく多量の二酸化炭素ガスを運搬し、海中に貯蔵することができる。これにより、輸送エネルギーを削減できる。

二酸化炭素ガスハイドレートのペレットを海底まで自然沈降させるので、特別な装備は必要なく設備投資およびエネルギー消費を抑制することができる。

以下、本発明の二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法を実施形態に基づいて説明する。まず、二酸化炭素ガスハイドレートのペレット（以下、ペレットＰ）の製造プロセスの一例を図２に示す。製造は地上で行うので装置の防水性、防錆性等に対する特別な仕様は不要である。

なお、ペレットＰとは二酸化炭素ガスハイドレートを圧縮して塊状にしたものをいい、形状も大きさも種々のものがあり、容易に形状が崩れない硬さを有するものである。

耐圧殻として形成された二酸化炭素ガスハイドレート生成装置５のドラム本体１内は、例えば３．５ＭＰａ程度に圧力が保持され、このドラム本体１内に水冷却器２により例えば０℃程度に冷却された水Ｗが供給される。ドラム本体１の下部からは、火力発電所や製鉄所等からの排出されるガスから取出した二酸化炭素ガスＧが供給される。これにより、二酸化炭素ガスＧの分子が水Ｗの分子が作るカゴの中に収まった結晶構造のガスハイドレートＨが生成される。即ち、二酸化炭素ガスＧをゲストガスとした二酸化炭素ガスハイドレートＨが生成される。

二酸化炭素ガスハイドレートＨは、０℃程度で１ｍ^３の中に５０ｍ^３の二酸化炭素ガスＧと包蔵している（ドライパウダー充填率０．４の場合）といわれており、高いガス包蔵性を有している。

ドラム本体１はドラム冷却器４で冷却され、ドラム本体１内の二酸化炭素ガスＧはガス循環装置３で循環されて、二酸化炭素ガスハイドレートＨを生成し易くする。

その後、脱水工程および／もしくは、乾燥工程を経て、二酸化炭素ガスハイドレートＨをパウダー状にして一次貯蔵タンク８に貯蔵し攪拌装置１１で攪拌しつつ、貯蔵タンク冷却器６で適切な温度に冷却される。

一次貯蔵タンク８における二酸化炭素ガスハイドレートＨの貯蔵条件はたとえば、圧力０〜１．２ＭＰａで温度はマイナス５５〜０℃である。詳述すると、圧力を０ＭＰa(大気圧)とした場合は温度をマイナス５５℃、圧力を１．２ＭＰａとした場合は温度を０℃としてガスハイドレートＨを貯蔵する。したがって、一次貯蔵タンク８内の設定圧力を変えれば、二酸化炭素ガスハイドレートＨの貯蔵に必要な温度も変わる。

必要に応じて一次貯蔵タンク８内のパウダー状の二酸化炭素ガスハイドレートＨは供給装置７によって、ペレット成型装置１２に供給され、圧縮成型により所定の形状、大きさのペレットＰに成形される。このときペレットＰの密度は海水の密度約１．０３ｇ／ｃｍ^３より大きい１．１０〜１．４０ｇ／ｃｍ^３とする。

ペレットＰに密度調整物Ａを混入する際は、パウダー状の二酸化炭素ガスハイドレートＨとともに密度調整物Ａをペレット成型装置１２に入れてペレットＰを成形する。

ペレットＰは、運搬されるまでペレット貯蔵タンク９で貯蔵されるが貯蔵方法、条件は既述したパウダー状の二酸化炭素ガスハイドレートＨの貯蔵と同じである。輸送船１４に積み込まれる際にペレット供給装置１０によって払い出しされる。

上記の製造プロセスにおいて、パウダー状の二酸化炭素ガスハイドレートＨの貯蔵プロセスを省略して、乾燥工程の直後にペレットＰを成型して貯蔵するようにしてもよい。

つぎに、ペレットＰが運搬されて海中に貯蔵されるプロセスを図１に基づいて具体的に説明する。ペレット貯蔵タンク９に貯蔵されているペレットＰを積み込み装置１３で輸送船１４に積み込む。輸送船１４には断熱構造のペレット収容タンクと冷凍装置が備わり、目的地に着くまでにペレットＰを構成する二酸化炭素ガスハイドレートＨに包蔵された二酸化炭素ガスＧが放出しないように温度を制御する。

二酸化炭素ガスハイドレートＨの場合は、大気圧下マイナス５℃以下で相平衡上、二酸化炭素ガスハイドレートの生成領域に入るため分解しない。したがって、この温度以下に保って運搬すれば圧力を上げなくても包蔵された二酸化炭素ガスＧが放出しない。

つまり、高圧ガス保安法の規制対象となるような耐圧タンク等がなくても、大気圧下で適切な温度制御をして運搬すれば、二酸化炭素ガスＧの放出量を少なくして効率的にペレットＰを運搬することができる。この温度制御に基づいた運搬方法を用いることで直接的な設備投資の抑制だけでなく、輸送船１４の軽量化とペレット収容タンクを広く確保できることによる輸送効率の向上、エネルギー消費の抑制を図る。

ペレットＰは大気圧下マイナス５℃以下にして密閉断熱状態で運搬するが、温度を下げるにはエネルギーが必要となるため、輸送船１４に積み込む際のペレットＰ温度はマイナス２０℃〜マイナス１０℃とするのが好ましい。

ペレット収容タンクは、断熱構造であるため外部からの入熱を防止するとともに、ペレットＰが溶解する時の吸熱を用いて温度上昇を抑制することができる。したがって、冷凍装置は小規模にすることができ、これにより、コストおよびエネルギー消費を削減できる。

ペレットＰを投入する目的地に到着後は、ペレットＰをそのまま海に投入して自然沈降させる。ペレットＰの密度は密度調整物Ａが混入されているため、海水の密度よりも大きく、特別な装置等なしで海底１５に沈ませることができる。

密度調整物Ａが混入しているペレットＰの内部は、球状ペレットＰの場合は、例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すような状態となる。

ペレットＰは小さすぎると潮流に流されやすくなり、海底に沈まずに途中で二酸化炭素ガスＧを放出してしまう可能性がある。一方で、大きすぎると貯蔵や運搬時の取り扱い性が悪くなり、製造もしにくくなる。そこで、直径５０〜１００ｍｍの球体、一辺が５０〜１００ｍｍの立方体、各辺が５０〜１００ｍｍの直方体の少なくてもいずれか一種類とするのが好ましい。

また、多数のペレットＰを海水で自然分解する袋に詰めて自然沈降させてもよく、潮流が強い場合にはペレットＰの拡散を防ぐことができる。袋は浮力を小さくするためにメッシュ状とするのが好ましい。

ここで形状や大きさの異なるペレットＰを混合して収容タンクに収容すればペレットＰどうしのすき間が小さくなるので輸送効率が向上する。

二酸化炭素ガスハイドレートＨが安定して存在できる条件は温度０℃で圧力１．３ＭＰａ以上であり、水深としては約１３０ｍ（以下、安定水深）に相当する。したがって、ペレットＰを貯蔵する海底１５の深さは圧力が１．３ＭＰａ以上となる水深１３０ｍ以上である。

海に投入されるペレットＰは運搬船１４の収容タンクから出されて安定水深に到達するまでは、包蔵した二酸化炭素ガスＧを放出しやすい不安定な状況におかれる。そこで二酸化炭素ガスＧの放出を抑制して海中での貯蔵率を上げるためには、ペレットＰをなるべく速く安定水深に到達させる必要がある。

ペレットＰを速く安定水深に到達させるにはペレットＰに海水よりも密度の大きい密度調整物Ａを混入して海水との密度差を大きくすればよい。海水との密度差を大きくすることで、ペレットＰの沈降速度が増し、より速く安定水深に到達させることができ、途中で二酸化炭素ガスＧが放出されることを抑制することができる。

ただし、密度差を大きくするには高密度の密度調整物Ａを多量に混入する必要があり、これを多量に混入させると運搬重量が増加し、二酸化炭素ガスＧ自体の運搬量が減少することになる。一方で、密度差が小さすぎると沈降速度を速くできないため、ペレットＰの密度は、１．１０〜１．４０ｇ／ｃｍ^３が好ましい。

密度調整物Ａとしては海洋を汚染せず、海水よりも密度の大きいものを使用することができ、例えば、溶鉱炉等で発生する溶融スラグなどの人工生成物や岩石の粒子や砂等の天然物を用いることができる。

溶鉱炉、ごみ焼却炉などで発生する溶融焼却灰、キューポラで生じるノロなどの溶融スラグを用いれば地上での貯蔵・処理場所不足を解消することができる。

不安定な状況でも二酸化炭素ガスＧを放出しにくくするには、海に投入する際のペレットＰの温度をマイナス２０℃〜マイナス５℃にしておくことが特に好ましいが、実際に海に投入する作業環境等を考慮すると、マイナス５０℃〜マイナス１℃が投入時の温度範囲となる。

ガスハイドレートは自己保存効果を有しているので、ペレットＰを投入時に少なくともマイナス５０℃〜マイナス１℃にしておけば、収容タンクから取出してから安定水深に達するまでにペレットＰから放出される二酸化炭素ガスＧの量を抑制することができる。

以下、本発明による効果を試算する。例えば、直径１００ｍｍ、密度が１．２２４ｇ／ｃｍ^３、海に投入する時の温度をマイナス１０℃とした球体のペレットＰの場合、安定水深である１３０ｍまで自然沈降するのに要する時間は１７３ｓ、二酸化炭素ガスハイドレートＨの分解率は１７％と試算される。この間にペレットＰの中心温度はマイナス１０℃、ペレットＰの表面温度は０℃になると考えられ、中心部は分解速度が遅いマイナス５℃以下なので包蔵された二酸化炭素ガスＧの放出量を抑制することができる。

また、直径５０ｍｍ、密度が１．２２４ｇ／ｃｍ^３、海に投入する時の温度をマイナス１０℃とした球体のペレットＰの場合、安定水深である１３０ｍまで自然沈降するのに要する時間は２５０ｓ、二酸化炭素ガスハイドレートＨの分解率は１３％と試算される。この間にペレットＰの中心温度はマイナス１０℃、ペレットＰの表面温度は０℃になると考えられ、中心部は分解速度が遅いマイナス５℃以下なので包蔵された二酸化炭素ガスＧの放出量を抑制することができる。

以上のように本発明によれば、二酸化ガスハイドレートＨの分解率を低くして、安価でかつ少量のエネルギー消費で二酸化炭素ガスを海中に貯蔵することができる。

本発明の二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法の概要を示す説明図である。本発明に係る二酸化炭素ガスハイドレートの製造プロセスの一例を示す説明図である。本発明に係る二酸化炭素ガスハイドレートペレット（球状ペレットの場合）の一例を示す断面図であり、（ａ）は密度調整物が１つ混入し、（ｂ）は密度調整物が複数混入しているペレットを示す。

符号の説明

１ドラム本体
２水冷却器
３ガス循環装置
４ドラム冷却器
５ガスハイドレート生成装置
６貯蔵タンク冷却器
７供給装置
８一次貯蔵タンク
９ペレット貯蔵タンク
１０ペレット供給装置
１１攪拌装置
１２ペレット成型装置
１３積み込み装置
１４輸送船
１５海底
Ｐ二酸化炭素ガスハイドレートのペレット

Claims

二酸化炭素ガスをゲストガスとした二酸化炭素ガスハイドレートに海水よりも密度が大きい密度調整物を混入し、海水よりも密度の大きいペレットに成形した後、海に投入し自然沈降させて海中に二酸化炭素ガスを貯蔵する二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法。
ペレットが直径５０〜１００ｍｍの球体、一辺が５０〜１００ｍｍの立方体、各辺が５０〜１００ｍｍの直方体のうちの少なくてもいずれか一種類である請求項１に記載の二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法。
密度調整物を溶融スラグとした請求項１または２に記載の二酸化炭素ガスの海中貯蔵方法。