JP2015031097A - メタンハイドレート回収システム及びメタンハイドレート回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ライザー管内でガスが発生する際に海水または湖水が凍結して閉塞するのを抑制することができ、かつ、少ないエネルギーで効率よくメタンハイドレートを回収する。
【解決手段】海底若しくは湖底またはその下方に存在するメタンハイドレートと海水または湖水とを混在させたスラリーを海上または湖上に移送するライザー管２と、海水または湖水の表層水を熱源としてライザー管内のスラリーを加熱する加熱手段１１とを備える。スラリー中のメタンハイドレートがライザー管内を通って上昇する際に減圧されて自己融解するときにメタンハイドレートが分解して発生するガスのガスリフト効果でライザー管内にスラリーの上昇流を発生させる。加熱手段から供給される熱によりスラリー中の海水または湖水が凍結するのを抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、海底もしくは湖底またはその下方の地層に存在するメタンハイドレートを回収するメタンハイドレート回収システム及びメタンハイドレート回収方法に関する。

従来から、メタンガスを主成分とした天然ガスをガス層から採掘し、エネルギー資源として商業的に利用している。メタンガスは石油や石炭と比較して燃焼時の二酸化炭素排出量が小さく、地球温暖化対策の観点から非常に有効なエネルギー資源である。

ところで近年、このメタンガスが多く含まれる有望なエネルギー資源として、メタンハイドレートが注目されている。このメタンハイドレートは、メタンを中心に周囲が水分子によって囲まれた包接水和物であり、低温、高圧の環境下で存在するものである。そして、このメタンハイドレートは、海底面下数百メートルの砂質層や、海底面あるいは湖底面近傍、または海底面あるいは湖面上に露出した状態で存在している。

海底もしくは湖底またはその下方の地層に存在するメタンハイドレートを回収する方法として、特許文献１には、海上に輸送されたガスハイドレートから発生する主にメタンガスからなる圧縮ガスを、輸送パイプ（ライザー管）の所定高さ位置に吹き込むことで、輸送パイプ内にガスハイドレートを含むスラリーの上昇流を形成し、このガスを用いた上昇流の効果（以下ガスリフト効果という）を利用して、スラリーに含まれるガスハイドレートを海上まで輸送して回収する技術が開示されている。

また、特許文献２には、輸送パイプの下端部に配置した水中ポンプを利用して、スラリーに含まれるガスハイドレートを海上まで輸送して回収する技術が開示されている。

特開２００３−２６２０８３号公報 特表２０１２−５１８１０２号公報

上述したメタンハイドレート回収方法のうち前者の技術にあっては、輸送パイプ内でガスハイドレートを含むスラリーが上昇する際、圧力（水圧）が低下するのに伴いメタンハイドレートが分解してガスが発生し、このガスがスラリーと一体となって上昇する。このようにメタンハイドレートが分解してガスが発生するときに吸熱反応を起こし、スラリー中の海水あるいは湖水を凍結させて、輸送パイプ内を閉塞させる問題が危惧される。

また、後者の技術にあっては、前者の技術同様、輸送パイプ内で海水または湖水が凍結して閉塞させる問題の他、輸送パイプの下端、つまり海底あるいは湖底近傍に配置した水中ポンプの動力によってスラリーを海上まで輸送するが、メタンハイドレートが存在する箇所は、通常水面下１０００ｍ程度あるいはそれ以上と非常に深い位置にあって、その分、輸送パイプ長が長くなる。このように輸送パイプ長が長くなるため、輸送パイプ内を流れるスラリーの摩擦損失が大になり、結局、動力の大きな水中ポンプを使用せざるを得なくなる。この結果、メタンハイドレート回収のために供給するエネルギーに対し、取得するガスの回収量が少ない。つまり、エネルギー的な利得率が悪い問題が危惧される。また、海底あるいは湖底近傍に配置した水中ポンプが大水深位置に配置されるため、水中ポンプをメンテナンスする際の作業が面倒になる問題も危惧される。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ライザー管内でガスが発生する際に海水または湖水が凍結して閉塞するのを抑制することができ、かつ、少ないエネルギーで効率よくメタンハイドレートを回収することができるメタンハイドレート回収システム及びメタンハイドレート回収方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
発明に係るメタンハイドレート回収システムは、海底若しくは湖底またはその下方に存在するメタンハイドレートと海水または湖水とを混在させたスラリーを海上または湖上に移送するライザー管と、海水または湖水の表層水を熱源として前記ライザー管内のスラリーを加熱する加熱手段とを備え、スラリー中のメタンハイドレートが前記ライザー管内を通って上昇する際に減圧されて自己融解するときにメタンハイドレートが分解して発生するガスのガスリフト効果で前記ライザー管内に前記スラリーの上昇流を発生させるとともに、前記加熱手段から供給される熱により前記スラリー中の海水または湖水が凍結するのを抑制することを特徴とする。

発明に係るメタンハイドレート回収システムによれば、スラリー中のメタンハイドレートがライザー管内を通って上昇する際に減圧される。メタンハイドレートは、メタンを中心に周囲が水分子によって囲まれた包接水和物であり、低温かつ高圧の条件下で安定的に存在する。しなしながら、ライザー管内を通って上昇して減圧されると、メタンハイドレートは自己融解してガス（主にメタンガス）が発生する。この発生したガスのガスリフト効果によって、ライザー管内にスラリーの上昇流が形成される。スラリーの上昇流によって、海底若しくは湖底またはその下方に存在するメタンハイドレートが海水または湖水と混在されたスラリーの形でライザー管内を上昇し、海上または湖上まで移送される。

ここで、ライザー管内で、スラリー中のメタンハイドレートからガスが発生するときに吸熱反応を起こし、スラリー中の海水あるいは湖水を凍結させることが懸念される。本発明では、ライザー管内のスラリーを加熱する加熱手段を備えており、ライザー管内のスラリーを加熱するので、ライザー管内の海水あるいは湖水が凍結するのを抑制できる。つまり、ライザー管内での海水等の凍結による閉塞を抑制できる。
また、加熱手段の熱源として海水または湖水の表層水を利用しており、表層水は比較的温度が高く加熱する必要がないので、ランニングコストを低減することができる。

なお、海水または湖水の表層水を熱源としてライザー管内のスラリーを加熱する加熱手段のエネルギーは、例えば、ライザー管の下端に取り付けてスラリーを水面まで移送する水中ポンプの動力に比べてはるかに小さい。
つまり、特別な動力を必要とすることなく、スラリーに含まれるメタンハイドレートから発生するガスのガスリフト効果によって、ライザー管内にスラリーの上昇流を形成することができ、少ないエネルギーで効率よくメタンハイドレートを回収することができる。

前記加熱手段は、海水または湖水の表層水を吸い込み、この吸い込んだ表層水を、前記ライザー管内を上昇するメタンハイドレートが自己融解する最深の水深位置またはこの水深位置よりも深い位置で、前記ライザー管内に供給する表層水供給手段を備えることが好ましい。
これにより、メタンハイドレートが自己融解する際あるいは自己融解する前にメタンハイドレートを加熱することができ、加えて、表層水を直接ライザー管内に供給するので加熱効率が良いことと相俟って、ライザー管内での海水等の凍結による閉塞をより一層抑制することができる。

前記表層水供給手段は、前記表層水を前記ライザー管内に供給する表層水供給口を深さが異なる複数位置に有することが好ましい。
これにより、表層水のスラリーへの混合効率を高めることができ、表層水の熱を好適に利用できる。

前記ライザー管の少なくも一部を２重管とし、該２重管の外環空間を、前記表層水を移送する表層水移送通路として利用することが好ましい。
これにより、ライザー管の一部を２重管とすることにより剛性を高めることができ、ライザー管の強度アップを図ることができる。また、単なる管状のものと同程度の強度で足りるならば、その分、管厚を薄くすることができる。また、ライザー管とは別の管を利用して表層水を移送する場合に比べ、管配置構成の簡素化が図れる。

前記加熱手段は、海水または湖水の表層水を吸い込み、この吸い込んだ表層水を、前記ライザー管内を上昇するメタンハイドレートが自己融解する最深の水深位置またはこの水深位置よりも深い位置で、前記ライザー管の外周面に供給し、該ライザー管の壁面を通してライザー管内の前記スラリーを加熱する伝熱手段を備えることが好ましい。
伝熱手段によってライザー管の壁面を通してライザー管内のスラリーを加熱することができ、スラリーに表層水を混入させないので、メタンハイドレートからガスを回収した後の、海または湖に戻す処理水量を減少させることができる。

前記表層水の温度または供給量を制御し、前記ライザー管内を上昇するメタンハイドレートから発生するガスの量を調整することで、前記ライザー管内のスラリーの上昇速度を制御する制御部を備えることが好ましい。
これにより、表層水の温度または供給量を制御することにより、メタンハイドレートに与える熱量を制御することができ、ひいては、メタンハイドレートから発生するガスの量を調整することにより、ライザー管内のスラリーの上昇速度を制御できる。

前記ライザー管の上端部には、ライザー管内を流れるスラリーに背圧をかけてメタンハイドレートから発生するガスの膨張を制御することで、前記ライザー管内のスラリーの上昇速度を制御する背圧機構を備えることが好ましい。
これにより、ライザー管内を流れるスラリーに背圧をかけてメタンハイドレートから発生するガスの膨張を制御し、スラリー中のガスの体積比率を低減することによって、ライザー管内のスラリーの上昇速度を制御できる。

前記ライザー管内に補助的にスラリーの上昇流を形成するため、前記ライザー管内にガスを供給するガス供給手段または前記ライザー管に接続されたスラリー移送用のポンプを備えることが好ましい。
これにより、ライザー管内のスラリーの上昇速度が遅い場合、ガス供給手段によりライザー管内にガスを供給することによって、あるいはポンプによってライザー管のスラリーに上昇圧を加えることによって、ライザー管内のスラリーの上昇速度を高めることができる。

前記ライザー管を介して回収されたスラリーから海水または湖水とガスをそれぞれ分離するとともに、スラリー中に残るメタンハイドレートを分解させて発生するガスを回収するセパレータを備えることが好ましい。
これにより、スラリーから海水または湖水とガスをそれぞれ分離することができ、また、スラリー中に含まれる未だ分解していないメタンハイドレートを強制的に分解させてガスを回収することができる。

本発明に係るメタンハイドレート回収方法は、初期にライザー管内にガスを吹き込んで、前記ライザー管内に、海底若しくは湖底またはその下方に存在するメタンハイドレートと海水または湖水とを混在させたスラリーの上昇流を形成する、吹き込みガスによるスラリー上昇流形成工程と、前記ライザー管の下端から前記スラリーが吸い込まれ、該スラリーの中のメタンハイドレートが前記ライザー管内を通って上昇する際に減圧されて自己融解するときに発生するガスのガスリフト効果によって前記ライザー管内にスラリーの上昇流が形成されたことを確認できた段階で、前記ライザー管へのガスの吹き込みを停止し、前記スラリーの中のメタンハイドレートが自己融解するときに発生するガスのガスリフト効果のみによって前記ライザー管内の前記スラリーを連続的に上昇させるスラリー自己上昇流工程とを備え、前記スラリー自己上昇流工程で、海水または湖水の表層水を熱源として前記ライザー管内の前記スラリーを加熱することを特徴とする。
ここで、「自己融解するときに発生するガスのガスリフト効果によって前記ライザー管内にスラリーの上昇流が形成されたことを確認できた段階」とは、例えば、スラリー中のガス濃度を検出してメタンガス濃度が所定値以上になったことを確認できた段階、スラリーの見かけ比重が所定値よりも小になったことを確認できた段階、あるいは、ライザー管内の上端部のスラリーの上昇速度が、エア等のガスを吹き込んだときの初期に形成されるスラリーの上昇速度に対して所定比率（例えば１．２倍）以上になったことを確認できた段階をいう。

本発明に係るメタンハイドレート回収方法によれば、ガスによるスラリー上昇流形成工程において、回収初期にライザー管内にガスを吹き込み、この吹き込んだガスがライザー管内で上昇するのに伴い、海底若しくは湖底またはその下方に存在するメタンハイドレートと海水または湖水とを混在させたスラリーがライザー管の下端から吸い込まれ、ライザー管内を上昇するスラリー上昇流が形成される。そして、例えば、このスラリーの上昇流の速度が所定値に達した段階で、ライザー管へのガスの吹き込みを停止する。

ガスの吹き込みを停止しても、スラリー中のメタンハイドレートがライザー管内を通って上昇する際に減圧されて自己融解するときメタンハイドレートから発生するガスのガスリフト効果によって、ライザー管内に生じるスラリーの上昇流が維持される。
このスラリー自己上昇流工程では、海水または湖水の表層水を熱源としてライザー管内のスラリーを加熱するので、ライザー管内で、メタンハイドレートからガスが発生するときの吸熱反応に起因する、スラリー中の海水あるいは湖水の凍結を抑制することができる。つまり、ライザー管内での海水等の凍結による閉塞を抑制することができる。

ここで、スラリーを加熱するに際し、海水または湖水の表層水の吸い込み、この吸い込んだ表層水を、前記ライザー管内を上昇するメタンハイドレートが自己融解する最深の水深位置またはこの水深位置よりも深い位置で、前記ライザー管内に供給することが好ましい。
これにより、メタンハイドレートが自己融解する際にあるいは自己融解する前にメタンハイドレートを加熱することができ、加えて、表層水を直接ライザー管内に供給するので加熱効率が良いことと相俟って、ライザー管内での海水等の凍結による閉塞をより一層抑制することができる。

請求項１の発明によれば、ライザー管内のスラリーを加熱する加熱手段を備えているので、ライザー管内でスラリー中の海水あるいは湖水が凍結するのを抑制することができる。つまり、ライザー管内での海水等の凍結による閉塞を抑制することができる。また、加熱手段の熱源として海水または湖水の表層水を利用しており、表層水は比較的温度が高く加熱する必要がないので、ランニングコストを低減することができる。また、特別な動力を必要とすることなく、スラリーに含まれるメタンハイドレートから発生するガスのガスリフト効果によって、ライザー管内にスラリーの上昇流を形成することができ、少ないエネルギーで効率よくメタンハイドレートを回収することができる。

請求項２の発明によれば、メタンハイドレートが自己融解する際にあるいは自己融解する前にメタンハイドレートを加熱することができるので、メタンハイドレートからのガスの発生を促進することができる。また、メタンハイドレードの周辺海水等を昇温させることができ、加えて、表層水を直接ライザー管内に供給するので加熱効率が良いことと相俟って、ライザー管内での海水等の凍結による閉塞をより一層抑制することができる。

請求項３の発明によれば、表層水のスラリーへの混合効率を高めることができ、表層水の熱を好適に利用できる。

請求項４の発明によれば、ライザー管の一部を２重管とすることにより剛性を高めるとともに、ライザー管の強度アップを図ることができる。また、単なる管状のものと同程度の強度で足りるならば、その分、管厚を薄くすることができる。また、ライザー管とは別の管を利用して表層水を移送する場合に比べ、管配置構成の簡素化が図れる。

請求項５の発明によれば、伝熱手段によってライザー管の壁面を通してライザー管内のスラリーを加熱することができ、スラリーに表層水を混入させないので、メタンハイドレートからガスを回収した後の、海または湖に戻す処理水量を減少させることができる。

請求項６の発明によれば、表層水の温度と供給量を制御することにより、メタンハイドレートに供給する熱量を制御することができ、ひいては、メタンハイドレートから発生するガスの量を調整することにより、ライザー管内のスラリーの上昇速度を制御できる。

請求項７の発明によれば、ライザー管内を流れるスラリーに背圧をかけてメタンハイドレートから発生するガスの膨張を制御し、スラリー中のガスの体積比率を低減することによって、ライザー管内のスラリーの上昇速度を制御できる。

請求項８の発明によれば、ライザー管内のスラリーの上昇速度が遅い場合に、ガス供給手段によりライザー管内にガスを供給することで、あるいはポンプによってライザー管のスラリーに上昇圧を加えることによって、ライザー管内のスラリーの上昇速度を高めることができる。

請求項９の発明によれば、スラリーから海水または湖水とガスをそれぞれ分離することができ、また、スラリー中に含まれる未だ分解していないメタンハイドレートを強制的に分解させて、そこからガスを回収することができる。

請求項１０の発明によれば、請求項１にかかる発明と同様、少ないエネルギーで効率よくメタンハイドレートを回収することができる。また、ライザー管内での海水等の凍結による閉塞を抑制することができる。

請求項１１の発明によれば、請求項２にかかる発明と同様、ライザー管内での海水等の凍結による閉塞をより一層抑制することができる。

は本発明に係るメタンハイドレート回収システムの第１実施形態を示す概略側面図である。 は本発明に係るメタンハイドレート回収システムの第１実施形態で用いられるセパレータの斜視図である。 は本発明に係るメタンハイドレート回収システムの第１実施形態で用いられるセパレータの断面図である。 はメタンハイドレートの特性を示す図である。 はメタンハイドレートが存在する海水における水深と温度との関係を示す図である。 は本発明に係るメタンハイドレート回収システムの第２実施形態を示す概略側面図である。 は図６のVII−VII線に沿う断面図である。

以下、本発明に係るメタンハイドレート回収システム及びメタンハイドレート回収方法を参照して説明する。
〈第１実施形態〉
図１〜図３は本発明に係るメタンハイドレート回収システムの第１実施形態を示すものであり、図１は同実施形態の概略側面図、図２はセパレータの斜視図、図３はセパレータの断面図である。

図１に示すように、この実施形態のメタンハイドレート回収システムは、海上に洋上プラットフォーム１を備え、この洋上プラットフォーム１からは、ライザー管２が海上から海底近傍まで達するように鉛直下方に延びて配設されている。ライザー管２は、例えば海底表面に露出するメタンハイドレート鉱床から得られるメタンハイドレートを、海水と混在させてスラリーの状態で海上のプラットフォームまで移送するものである。ライザー管２の下端には、可撓性のある接続管３を介してメタンハイドレート掘削機４が接続されている。

メタンハイドレート掘削機４は、接続管３の先端につながるフード５と、フード５の内側に設けられて、メタンハイドレート鉱床からメタンハイドレート片を掘削する掘削機本体６とを備える。フード５の中央にはメタンハイドレート片を吸い込むメタンハイドレート片吸込口５Ａが形成されている。採掘されたメタンハイドレート片はフード５を介して接続管３に移送される。
なお、ライザー管２の下端は、必要に応じて、連結具７及びワイヤー８等によって海底の所定位置に固定される。

ライザー管２には、ライザー管２内にエアを吹き込むエア導入手段１０、及びライザー管２内を上昇するスラリーを加熱する加熱手段１１が併設されている。

エア導入手段１０は、プラットフォーム上でエアを取り込むコンプレッサ１２と、コンプレッサ１２を駆動するモータ１３と、コンプレッサ１２に接続されてこのコンプレッサから圧送されるエアをライザー管２の長さ方向中間部分に吹き込むエア管１４とを備える。エア管１４の基端側にはバルブ１５が介装されている。
エア管１４のライザー管２への吹き込み位置は、エアの吹き込み量や吹き込んだときのスラリーの上昇速度等を考慮しながら設定される。具体的なエア吹き込み位置は、水深５０ｍ〜２００ｍの位置に設定される。

加熱手段１１は、ポンプ１６と、ポンプ１６を駆動するモータ１７と、ポンプ１６に接続され、ポンプ１６の駆動力により海水の表層水を吸い込み、吸い込んだ表層水をライザー管２の所定深さ位置に導入する表層水移送管１８とを備える。表層水移送管１８の基端側にはバルブ１９が介装されている。

表層水移送管１８内に吸い込んだ表層水をライザー管２内に供給する表層水供給口１８Ａ、つまり表層水移送管１８のライザー管２との連通部は、深さが異なる複数（図１では３つ）の位置、たとえば互いに深さ方向に間隔をあけた位置に配置される。
なお、表層水移送管１８のライザー管２との連通部である複数の表層水供給口１８Ａは、必ずしも、深さを異ならせて配置されるものではなく、深さを同じにして、ライザー管２に対する周方向の角度位置を異ならせて配置しても良い。さらに、深さとライザー管２に対する周方向の角度位置をともに異ならせて配置してもよい。

それら表層水供給口１８Ａのうち最も深い位置にあるものは、スラリー中のメタンハイドレート片がライザー管２内を通って上昇する際に減圧されて自己融解する高さ位置よりも深い位置、具体的には例えば水深３００ｍ程度の高さ位置とされる。
なお、最も深い位置にある表層水供給口１８Ａは、前述した自己融解する高さ位置と同程度の位置に配置されても良い。

ここで、加熱手段１１は、海水または湖水の表層水を吸い込みこの吸い込んだ表層水を、ライザー管２内を上昇するメタンハイドレート片が自己融解する最深の水深位置またはこの水深位置よりも深い位置で、ライザー管２内に供給する表層水供給手段を兼ねる。
また、ライザー管２内を上昇するメタンハイドレート片が自己融解する最深の水深位置は、ライザー管２内を上昇するメタンハイドレート片の周辺海水の温度やメタンハイドレートの純度によっても多少異なるが、当該メタンハイドレート回収システムが日本海に設置される場合には、おおよそ水深２５０ｍ〜３００ｍの位置となる。

ライザー管２内では、メタンハイドレート片が海水と混在されてスラリーの状態で、海上のプラットフォーム１まで移送される。このときのスラリーの上昇速度は、制御部２０から発せられる信号に基づいて、バルブ１９の弁開度が制御されることにより制御される。すなわち、バルブ１９の弁開度が制御されると、表層水のライザー管２内への供給量が調整され、これに伴い、ライザー管２内を上昇するメタンハイドレート片から発生するガスの量が調整されることによって、スラリーの上昇速度が制御される。

また、ライザー管２内のスラリーの上昇速度を制御する方法としては、そのほか、ライザー管２内を流れるスラリーに背圧をかけてメタンハイドレート片から発生するガスの膨張を制御することにより行なう方法も考えられる。例えば、ライザー管２の上端部に介装したバルブ２１の弁開度を調整することにより行なっても良い。
つまり、ここでは、バルブ２１が、ライザー管２内を流れるスラリーに背圧をかけて、ライザー管２内のスラリーの上昇速度を制御する背圧機構を構成している。

ライザー管２の上端にはセパレータ２５が接続されている。セパレータ２５は、ライザー管２を介して回収されたスラリーから海水とガスをそれぞれ分離するとともに、スラリー中に残るメタンハイドレート片を分解させて発生するガスを回収するものである。

セパレータ２５からはガス移送用パイプ２６が延びており、ガス移送用パイプ２６の先端には、スラリーから回収したガス（主にメタンガス）を貯留するガス貯留タンク２７が接続されている。
また、セパレータ２５からは海水移送用パイプ２８が延びており、スラリーからガスを回収した後の海水が、この海水移送用パイプ２８を介して海へ戻される。
なお、スラリー中の海水を海へ戻す際に、予め、スラリーからガスが分離された残りの海水が所定の排出基準を満たすかどうかの検査を行い、排出基準をクリアする場合にそのまま海に戻し、排出基準をクリアしない場合には所定の処理を行い、排出基準をクリアするようになったときにのみ海に戻すようにしてもよい。

図２、図３に示すように、セパレータ２５は、円筒状の容器３０を備え、この容器３０の一方の端板３０Ａの上部には海水の表層水を導入する表層水入り口３１が設けられ、同一方の端板３０Ａの下部には、メタンハイドレート片、ガス、海水が混在するスラリーを導入するスラリー入り口３２が設けられている。また、容器３０の他方の端板３０Ｂの上部にはメタンハイドレート片が分解して発生したガスを導出するガス出口３３が設けられ、同他方の端板３０Ｂの下部にはスラリーからガスを回収した後の海水を導出する水出口３４が設けられている。また、容器３０の胴部の外周には熱交換用のフィン３５が取り付けられている。

セパレータ２５の内部には、それぞれ高さの異なる高遮蔽板３６と低遮蔽板３７が、容器の長さ方向に沿って交互にかつ互いに所定間隔をあけて配置されている。高遮蔽板３６の高さは容器３０内に貯留されるスラリーの水面Ｓよりも高い位置に設定され、低遮蔽板の高さは同スラリーの水面Ｓよりも低い位置に設定されている。また、高遮蔽板３６の下部には、この高遮蔽板３６によって仕切られる前後の貯留室を互いに連通させる連通部３６Ａが形成されている。

次に、上記構成のメタンハイドレート回収システムの作用について説明する。
「吹き込みガスによるスラリー上昇流形成工程」
本システムをスタートアップさせるには、最初に、モータ１３を介してコンプレッサ１２を駆動させ、ライザー管２の長さ方向中間部分にエアを吹き込む。エアはライザー管２内を上昇することで、ライザー管２内に海水あるいは海水とエアが混在した上昇流を形成する。ここでは、ライザー管２として例えば内径２００ｍｍのパイプが用いられる。

次いで、モータ１７を介してポンプ１６を駆動させて海面の表層水を取り組み、表層水移送管１８を介してこの表層水をライザー管２内に供給する。表層水移送管１８からライザー管２につながる表層水供給口１８Ａはこの実施形態では３つ設けられる。表層水供給口１８Ａは例えば水深３００ｍ、２７５ｍ、及び２００ｍの位置に設けられる。そして、ライザー管２内に供給された表層水は、ライザー管２の上昇流に沿って、供給された位置から上昇する。

次いで、ライザー管２内の海水の速度が６ｍ／ｓに達した時点で、メタンハイドレート掘削機４により、海底面上のメタンハイドレート鉱床に対し掘削を開始する。このとき、メタンハイドレート片は、最大径が５０ｍｍ以下となるような大きさに破砕された状態で採掘される。
採掘されたメタンハイドレート片は、フード５のメタンハイドレート片吸込口５Ａまで自己浮上し、さらに、ライザー管２内の上昇流により発生した吸引力によって、海底にある海水とともにスラリーの状態で、接続管３内に吸引される。

接続管３内に吸引されたスラリーは、ライザー管２の下端に至り、そこからライザー管２内に流入して上昇する。この上昇に伴い水深が浅くなることでスラリーが減圧され、しかも、比較的暖かい表層水が表層水移送管１８を介してライザー管２内に供給されることで、スラリー中のメタンハイドレート片が、例えば水深２５０ｍ付近で自己融解し、ガスを発生させる。

これについて図４、図５を参照しながら説明する。図４はメタンハイドレートの特性を示す図であり、図５はメタンハイドレートが存在する日本海の所定位置の水深と温度との関係を示す図である。

図４から明らかなように、メタンハイドレートは、例えば水深１０００ｍ程度では約１２℃以下、水深５００ｍ程度では約５℃以下、水深３００ｍ程度では約０℃以下で、それぞれ安定した状態になる。一方、図５に示すように、日本海の所定位置では、３００ｍ以上の水深において、夏季、冬季いずれも約０℃になっている。これらから、日本海の所定位置において、メタンハイドレートは、水深３００ｍ程度では安定した状態になることが分かる。

採掘されたメタンハイドレート片がライザー管２を通じて上昇し、例えば水深が３００ｍより浅くなると、図４に示すように、０℃以下でないと安定した状態にはならない。ところが、図５に示すように、日本海の所定位置では、夏季、冬季いずれも水深３００ｍがより浅くなると、水温は０℃から徐々に上昇する。つまり、この日本海の所定位置で掘削されたメタンハイドレート片は、水深が約３００ｍより浅くなった時点、例えば水深２５０ｍ付近で、安定した状態を維持することができず、自己融解してガスを発生させる。

また、この実施形態では、さらに、メタンハイドレート片が自己融解する最深の水深位置あるいはこの水深位置よりも深い位置で、表層水をライザー管２内に供給することにより、スラリー中のメタンハイドレート片を加熱しており、これによって、メタンハイドレート片の分解をより促進している。

「スラリー自己上昇流工程」
このようにしてメタンハイドレート片から発生したガスのガスリフト効果により、ライザー管２内に形成される上昇流の速度が増す。
この上昇流の速度が所定値（例えば、メタンハイドレート片の自己融解に伴うガスリフト効果を除きエア吹き込みのみによるエアリフト効果によるスラリーの上昇流の速度の１．.２倍に）に達した時点で、前述したスタートアップ用のコンプレッサ１２を停止し、発生したガスのみによるガスリフト効果で、ライザー管２内に上昇流を形成する。つまり、コンプレッサ１２を用いることなく、メタンハイドレート片から発生するガスのガスリフト効果のみによってスラリーの上昇流を形成し、スラリーをライザー管２の上端まで移送することができる。
なお、コンプレッサ１２の停止は、スラリーの上昇流の速度が所定値に達した時点で、一気に停止する他、スラリーの上昇流の速度があまり変化しないように、時間をかけて徐々に停止する方法もある。

ここで、ライザー管２内で、メタンハイドレート片からガスが発生するときに吸熱反応を起こし、スラリー中の海水を凍結させることが懸念される。しかしながら、この実施形態では、メタンハイドレート片が自己融解する最深の水深位置またはこの水深位置よりも深い位置で、表層水をライザー管２内に供給することにより、スラリー中のメタンハイドレート片を加熱しているので、メタンハイドレート片からのガスの発生を促進することができる他、メタンハイドレード辺の周辺海水等を昇温させることができ、これによって、ライザー管２内の海水が凍結するのを抑制し、ひいては、ライザー管２内での海水の凍結による閉塞を抑制することできる。

さらに、この実施形態では、表層水移送管１８を介して表層水をライザー管２内に供給するのに、表層水供給口１８Ａを深さが異なる複数位置に設けてそこから供給しているので、表層水のスラリーへの混合効率を高めることができ、表層水の熱を好適に利用することができる。

なお、表層水を熱源としてライザー管２内のスラリー中のメタンハイドレート片を加熱するため、ポンプ１６を駆動するエネルギーは、例えば、ライザー管２の下端に取り付けてスラリーを水面まで移送する水中ポンプの動力に比べてはるかに小さい。
つまり、この実施形態では、特別な動力を必要とすることなく、スラリーに含まれるメタンハイドレート片から発生するガスのガスリフト効果によって、ライザー管２内にスラリーの上昇流を形成することができ、少ないエネルギーで効率よくメタンハイドレート片を海上まで移送して回収することができる。

このようにスラリーはライザー管２内を上昇してライザー管２の上端部まで達する。そして、ライザー管２の出口では、メタンハイドレート片から発生したガスが膨張することによってスラリーの上昇速度が増す。このスラリーの上昇速度を抑制するために、バルブ２１より上側の管部分の内径を下側部分よりも大に設定している。例えば、バルブ２１より下側の管部分２１の内径を２００ｍｍに設定しているのに対し、バルブ２１より上側の管部分２１の内径を６００ｍｍに設定している。これにより、スラリーの上昇速度を数ｍ/ｓ程度まで減速させている。

減速されたスラリーは、メタンハイドレート片、海水、ガスの３相が混在した状態のまま、スラリー入り口３２からセパレータ２５に流入する。
セパレータ２５内では、スラリーが、低遮蔽板３７の上縁を乗り越える動作と、高遮蔽板３６の下部の連通部３６Ａを潜り抜ける動作を交互に行ないながら、一方の端板３０Ａから他方の端板３０Ｂへ至る。このスラリーの移送中において、セパレータ２５の外周にフィン３５が取り付けられ、このフィン３５を通して比較的暖かい表層水との間で熱交換が行なわれること、並びにセパレータ２５内には同表層水が表層水入り口３１から供給されることによって、スラリーが加熱される。そして、スラリー中のメタンハンドレート片が分解してガスを発生させる。
なお、セパレータ２５をプラットフォーム１上に配置する場合には、フィン３５を介して周辺のエアと間で熱交換をすることも可能である。
また、夏季等においてフィン３５によってスラリーを十分加熱できる場合には、セパレータ２５内への表層水の供給を停止してもよい。

このようにセパレータ２５内で発生したガスは、もともとセパレータ２５内に流入する時点でガス化されているガスとともにガス出口３３からセパレータ２５の外方へ払い出され、ガス移送用パイプ２６を介してガス貯留タンク２７に流入する。
一方、スラリーからガスが分離された残りの海水は所定の水質検査が行なれ、排出基準をクリアする場合にはそのまま海に戻され、また、排出基準をクリアしない場合には所定の処理が行なわれ、排出基準をクリアするようになった時点で海に戻される。

また、この実施形態においては、制御部２０を備えており、この制御部２０から発せられる信号に基づきバルブ１９の弁開度が制御されることで表層水のライザー管２内への供給量が調整される。これに伴い、ライザー管２内を上昇するメタンハイドレート片から発生するガスの量が調整され、ひいては、ライザー管２内を上昇するスラリーの速度を制御することができる。

なお、ライザー管２内のスラリーの上昇速度を制御する方法としては、そのほか、表層水のライザー管２内への供給量を一定としておき、予め貯留していた温水を表層水に混入して表層水の温度を制御することにより行なう方法も考えられる。
また、逆に、予め貯留していた冷水を表層水に混入して表層水の温度を制御することにより行なう方法も考えられる。冷水の供給源としては、例えば、セパレータ２５内に滞留しメタンハイドレート片によって予め冷却された海水ある。

また、この実施形態では、ライザー管２の上端部にバルブ２１を介装しており、このバルブ２１の弁開度を調整することによって、ライザー管２内を流れるスラリーに背圧をかけて、ライザー管２内のスラリーの上昇速度を制御することもできる。

なお、ライザー管２内を流れるスラリーに背圧をかける方法としては、バルブ２１の弁開度を閉じる方向に制御する他、ガス貯留タンク２７に貯留してあるガスの圧力を利用することも考えられる。すなわち、ガス貯留タンク２７とライザー管２の上端部とを連通する連通路を設け、この連通路を介して、ガス貯留タンク２７内のガス圧を、ライザー管２の上端部に導入する構成にしても良い。この場合には、バルブ２１の弁開度を制御するよりも即効性がある。

また、この実施形態では、メタンハイドレート片から発生するガス等のガスリフト効果により形成されるライザー管２のスラリーの上昇速度が所定値に達した時点で、スタートアップ用のコンプレッサ１２を停止しているが、運転状況等何からの理由によって、スラリーの上昇速度が低下する場合には、スタートアップ用のコンプレッサ１２を補助的に駆動してもよい。
また、ライザー管２の下端にスラリー移送用のポンプを設け、スラリーの上昇速度が低下する場合にこのポンプを補助的に駆動しても良い。

〈第２実施形態〉
本発明に係るメタンハイドレート回収システムの第２実施形態を図６、図７を参照して説明する。この実施形態において、前記第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。

図６は本発明に係るメタンハイドレート回収システムの第２実施形態を示す概略側面図、図７は図６のVII−VII線に沿う断面図である。
この実施形態が前記第１実施形態と異なるところは、ライザー管２に併設するエア導入手段４０のエア移送通路４４Ａ、及び表層水供給手段４２の表層水移送通路４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄをライザー管２に一体に設けた点である。
図７にも示すように、ライザー管２の一部、具体的には水深約３００ｍの位置から上側の部分を２重管とし、該２重管の外環空間４４に、ライザー管２にエアを供給するエア移送通路４４Ａ、及びライザー管２に表層水を供給する表層水移送通路４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄをそれぞれ設けている。

２重管の外環空間４４は、周方向９０度置きに設けられた仕切板部４３によって４つの空間に仕切られており、そのうちの１つの空間がエア移送通路４４Ａ、残る３つの空間が表層水移送通路４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄとしている。
３つの表層水移送通路４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄにおけるライザー管２との連通部分である表層水供給口部（図示略）は、それぞれ深さが異なる位置、例えば、水深３００ｍ、水深２７５ｍ、水深２００ｍの位置に形成されている。

この実施形態においても、スタートアップ時にエア移送通路４４Ａを介してエアをライザー管２内に吹き込むことができ、また、スタートアップ時あるいはその後においても、表層水移送通路４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄを介して表層水をライザー管２内に供給することができる。

また、この実施形態では、前記ライザー管２の少なくも一部を２重管とし、該２重管の外環空間４４を、それぞれエアを移送するエア移送通路４４Ａ並びに表層水を移送する表層水移送通路４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄとして利用している。これにより、ライザー管２の２重管とした部分の剛性を高めるとともに、ライザー管２の強度アップを図ることができる。また、前述した第１実施形態のようにライザー管２として単なる管状のものを利用する場合に比べ、ライザー管２の２重管とした部分の管厚をより薄くすることができる。また、図１に示すように、ライザー管２とは別に、エア移送管および表層水移送管を別に設ける場合に比べ、管の配置構成の簡素化を図ることができる。

また、この実施形態では、ライザー管２のスラリーを移送する部分と表層水移送通路４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄとが、リング状の壁体４５を介して隣接している。したがって、リング状の壁体４５を介して、表層水の熱をスラリーに伝達することができる。言い換えれば、リング状の壁体４５が、表層水の熱を利用してスラリーを加熱する伝熱手段を構成している。このように、ライザー管２の壁面を通してライザー管２内のスラリーを加熱することができ、表層水が持つ熱をより効率よく利用することができる。

また、この実施形態では、表層水移送通路４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄを通過した後の表層水をライザー管２内に供給しているが、この表層水はライザー管２に供給することなく、リング状の壁体４５を介してスラリーを加熱した後にそのまま海に戻しても良い。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、前記実施形態では、海底表面に露出するメタンハイドレート鉱床から採掘されるメタンハイドレートを回収する場合を例に挙げて説明したが、これに限られることなく、湖底表面に露出するメタンハイドレート鉱床から採掘されるメタンハイドレートを回収する場合にも、または海底面下あるいは湖底面下数百メートルにあるメタンハイドレートを回収する場合にも適用可能である。

また、前記実施形態では、ライザー管２が１本だけの例を挙げて説明したが、これに限られることなく、複数本のライザー管２を用いる場合でも、本発明は適用可能である。その場合、表層水供給手段は、複数あるライザー管２それぞれに設けても、あるいは、複数あるライザー管２に共通に使用できるように設けても良い。
また、前記実施形態は、プラットフォームとして、船の形態をした浮遊式のものを例に挙げて説明したが、フラットフォームの形状は、これに限られることなく、台船型のものであっても、あるいは半潜水浮体型のものであってもよい。また、浮遊式のものに限られることなく、洋上にアンカー等を介して固定される固定式のものであってもよい。

１ 洋上プラットフォーム ２ ライザー管 ３ 接続管 ４ メタンハイドレート掘削機 ５ フード ６ 掘削機本体 １０ エア導入手段 １１ 加熱手段（表層水供給手段）１２ コンプレッサ １４ エア管 １８ 表層水移送管 １８Ａ 表層水供給口 ２０ 制御部 ２１ バルブ（背圧機構）２５ セパレータ ２６ ガス移送用パイプ ２７ ガス貯留タンク ２８ 海水移送用パイプ 円筒状の容器３０ ３５ 熱交換用のフィン ４０ エア導入手段 ４２ 表層水供給手段 ４４ 外環空間 ４４Ａ エア移送通路 ４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄ 表層水移送通路 ４５ リング状の壁体（伝熱手段）

Claims (11)

1. 海底若しくは湖底またはその下方に存在するメタンハイドレートと海水または湖水とを混在させたスラリーを海上または湖上に移送するライザー管と、
   海水または湖水の表層水を熱源として前記ライザー管内のスラリーを加熱する加熱手段とを備え、
   スラリー中のメタンハイドレートが前記ライザー管内を通って上昇する際に減圧されて自己融解するときにメタンハイドレートが分解して発生するガスのガスリフト効果で前記ライザー管内に前記スラリーの上昇流を発生させるとともに、前記加熱手段から供給される熱により前記スラリー中の海水または湖水が凍結するのを抑制することを特徴とするメタンハイドレート回収システム。
2. 前記加熱手段は、海水または湖水の表層水を吸い込みこの吸い込んだ表層水を、前記ライザー管内を上昇するメタンハイドレートが自己融解する最深の水深位置またはこの水深位置よりも深い位置で、前記ライザー管内に供給する表層水供給手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のメタンハイドレート回収システム。
3. 前記表層水供給手段は、前記表層水を前記ライザー管内に供給する表層水供給口を、深さが異なる複数位置、または前記ライザー管に対する周方向の角度位置が異なる複数位置に有することを特徴とする請求項２に記載のメタンハイドレート回収システム。
4. 前記ライザー管の少なくとも一部を２重管とし、該２重管の外環空間を、前記表層水を移送する表層水移送通路または前記ライザー管の深さ方向途中部分にまでエアを移送するエア通路として利用することを特徴とする請求項２または３に記載のメタンハイドレート回収システム。
5. 前記加熱手段は、海水または湖水の表層水を吸い込みこの吸い込んだ表層水を、前記ライザー管内を上昇するメタンハイドレートが自己融解する最深の水深位置またはこの水深位置よりも深い位置で、前記ライザー管の外周面に供給し、該ライザー管の壁面を通してライザー管内の前記スラリーを加熱する伝熱手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のメタンハイドレート回収システム。
6. 前記表層水の温度または供給量を制御し、前記ライザー管内を上昇するメタンハイドレートから発生するガスの量を調整することで、前記ライザー管内のスラリーの上昇速度を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のメタンハイドレート回収システム。
7. 前記ライザー管の上端部には、ライザー管内を流れるスラリーに背圧をかけてメタンハイドレートから発生するガスの膨張を制御することで、前記ライザー管内のスラリーの上昇速度を制御する背圧機構を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項にメタンハイドレート回収システム。
8. 前記ライザー管内に補助的にスラリーの上昇流を形成するため、前記ライザー管の中間部分にガスを供給するガス供給手段または前記ライザー管に接続されたスラリー移送用のポンプを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項にメタンハイドレート回収システム。
9. 前記ライザー管を介して回収されたスラリーから海水または湖水とガスをそれぞれ分離するとともに、スラリー中に残るメタンハイドレートを分解させて発生するガスを回収するセパレータを備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項にメタンハイドレート回収システム。
10. 初期にライザー管内にガスを吹き込んで、前記ライザー管内に、海底若しくは湖底またはその下方に存在するメタンハイドレートと海水または湖水とを混在させたスラリーの上昇流を形成する、ガスによるスラリー上昇流形成工程と、
    前記ライザー管の下端から前記スラリーが吸い込まれ、該スラリーの中のメタンハイドレートが前記ライザー管内を通って上昇する際に減圧されて自己融解するときに発生するガスのガスリフト効果によって前記ライザー管内にスラリーの上昇流が形成されたことを確認できた段階で、前記ライザー管へのガスの吹き込みを停止し、前記スラリーの中のメタンハイドレートが自己融解するときに発生するガスのガスリフト効果のみによって前記ライザー管内の前記スラリーを連続的に上昇させるスラリー自己上昇流工程とを備え、
    前記スラリー自己上昇流工程で、海水または湖水の表層水を熱源として前記ライザー管内の前記スラリーを加熱することを特徴とするメタンハイドレート回収方法。
11. 前記スラリーを加熱するに際し、海水または湖水の表層水の吸い込み、この吸い込んだ表層水を、前記ライザー管内を上昇するメタンハイドレートが自己融解する最深の水深位置またはこの水深位置よりも深い位置で、前記ライザー管内に供給することを特徴とする請求項１０に記載のメタンハイドレート回収方法。

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