JP2017192891A - Ｂｏｇからの窒素分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー消費量を大きくすることなくＢＯＧから窒素ガスを分離するＢＯＧからの窒素分離装置を得る。
【解決手段】本発明に係るＢＯＧからの窒素分離装置１は、窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填され、低温下で前記吸着剤に窒素を選択的に吸着させ、高温下で吸着した窒素を脱着させる温度スイング式の吸着装置として、第１吸着装置５と第２吸着装置７を有し、ＬＮＧ貯留タンク３からＢＯＧを排出するＢＯＧ排出管１７が、第１吸着装置５及び第２吸着装置７にそれぞれ開閉弁を介して接続され、第１吸着装置５及び第２吸着装置７には加熱媒体を流通させる熱媒流路が配設されて、前記加熱媒体により間接的に加熱できるようになっており、ＢＯＧ排出管１７からＢＯＧを第１吸着装置５と第２吸着装置７に選択的に通流させて、第１吸着装置５と第２吸着装置７によって窒素の吸着と脱着を交互に行えるようにしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、天然ガスを液化したＬＮＧを貯留するＬＮＧ貯留タンクから発生する蒸発ガス（ＢＯＧ）から窒素を除去する窒素分離装置に関する。

ＬＮＧは沸点がマイナス１６０℃という低温のため、タンクに貯蔵されている間にも周囲からの入熱により不可避的に蒸発ガス（ＢＯＧ）が発生する。その際、沸点の低い成分から優先的に蒸発することになるため、ＢＯＧには窒素が濃縮された状態となる。

ＢＯＧは再液化させて燃料として用いられるが、窒素は燃料としての性質をもたないため、窒素を含有するＢＯＧは窒素の分だけ発熱量が低下する。そこで、ＢＯＧから窒素を取り除く技術が求められ、例えば特許文献１、２にＢＯＧから窒素成分を分離除去する技術が開示されている。

特許文献１では、窒素を選択的に透過させる分離膜を有する膜分離装置によってＢＯＧから窒素を粗分離し、膜分離装置によって処理されたガスを圧力スイングのもとで吸着剤によって残留窒素を吸着するというものである。
また、特許文献２は圧力スイングのもとでＢＯＧから窒素を吸着剤によって吸着するというものである。

特開２０１５−９１９１８号公報 特開２０１２−１４４６２８号公報

特許文献１における膜分離装置のように分離膜で分離する膜分離方式では、分離膜の上流側と下流側で圧力差をつける必要がある。
また、吸着剤による吸着を行う場合において、特許文献１及び２では、圧力差を用いて吸着と脱着を行う圧力スイング方式を取っている。
一般に、吸着剤は高圧になるほど吸着量が増大することから、高圧状態で吸着させた後、低圧状態として脱着するようにしている。したがって、圧力スイング方式においても、膜分離と同様に圧力差をつける必要がある。

これらの膜分離方式や圧力スイング方式は、原料ガスが圧力（元圧）を有している（高圧状態となっている）場合にはそのまま分離装置に原料ガスを導入すれば良い。つまり、元圧と大気圧の圧力差を利用することが出来る。
一方、ＢＯＧの圧力はほぼ大気圧であるため、ＢＯＧを原料ガスとした場合、膜分離方式や圧力スイング方式を適用するためには、一旦、圧縮機で昇圧した後、分離装置に導入する必要がある。もしくは、分離装置に真空ポンプ（真空状態から大気圧状態まで昇圧する一種の圧縮機）を導入して、大気圧より低い圧力条件を作る必要がある。
しかしながら、気体を圧縮するためには大きな動力を要する。すなわち、大気圧状態のＢＯＧから、膜分離方式や圧力スイング方式で窒素ガスを分離しようとすると、エネルギー消費量が大きいという問題がある。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、エネルギー消費量を大きくすることなくＢＯＧから窒素ガスを分離するＢＯＧからの窒素分離装置を得ることを目的としている。

（１）本発明に係るＢＯＧからの窒素分離装置は、ＬＮＧ貯留タンクから排出されるＢＯＧから窒素ガスを除去する窒素分離装置であって、
窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填され、低温下で前記吸着剤に窒素を選択的に吸着させ、高温下で吸着した窒素を脱着させる温度スイング式の吸着装置として、第１吸着装置と第２吸着装置を有し、
前記ＬＮＧ貯留タンクからＢＯＧを排出するＢＯＧ排出管が、前記第１吸着装置及び第２吸着装置にそれぞれ開閉弁を介して接続され、
前記第１吸着装置及び第２吸着装置には加熱媒体を流通させる熱媒流路が配設されて、前記加熱媒体により間接的に加熱できるようになっており、
ＢＯＧ排出管からＢＯＧを前記第１吸着装置と前記第２吸着装置に選択的に通流させて、前記第１吸着装置と前記第２吸着装置によって窒素の吸着と脱着を交互に行えるようにしたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記第１吸着装置と第２吸着装置は、前記ＬＮＧ貯留タンクから払い出されたＬＮＧを流通させて、吸着装置内の吸着剤を間接的に冷却する冷媒流路が配設されており、かつ該冷媒流路に払出しＬＮＧを供給するためのＬＮＧ供給管が接続されていることを特徴とするものである。

本発明に係るＢＯＧからの窒素分離装置によれば、原料ガスや分離ガスを圧縮・昇圧する必要がなく、かつ、ＢＯＧが元々有している冷熱エネルギーを活用して窒素分離を行うため、従来の窒素分離技術に比べてエネルギー消費量が格段に小さいという優れた効果が得られる。

本実施の形態に係るＢＯＧからの窒素分離装置の説明図であって、第１吸着装置で窒素の吸着処理を行い、第２吸着装置で窒素の脱着処理を行っている状態を示している。 本実施の形態に係るＢＯＧからの窒素分離装置の説明図であって、第１吸着装置で窒素の脱着処理を行い、第２吸着装置で窒素の吸着処理を行っている状態を示している。

本実施の形態に係るＢＯＧからの窒素分離装置１（以下、単に「窒素分離装置１」という場合あり）は、図１に示すように、ＬＮＧ貯留タンク３から排出されるＢＯＧから窒素を除去する装置であって、第１吸着装置５と第２吸着装置７の２台の吸着装置を有している。
第１吸着装置５及び第２吸着装置７は同じ構造のものであり、窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填され、低温下で前記吸着剤に窒素を選択的に吸着させ、高温下で吸着した窒素を脱着させる温度スイング式の吸着装置である。

温度スイング式の吸着装置の構造例としては、熱交換器の一方の流路に粒状の吸着剤を充填したものが挙げられる。例えば、シェルアンドチューブ型熱交換器のシェル側に吸着剤を充填したものや、例えば特開2003-260327号公報に開示されたプレートフィン熱交換器の一方の流路に吸着剤を充填したものなどが挙げられる。

第１吸着装置５と第２吸着装置７は、窒素の吸着と脱着を交互に行うために設けられており、そのために第１吸着装置５及び第２吸着装置７には、ＬＮＧ貯留タンク３から払い出されたＬＮＧを流通させる第１冷媒流路９及び第２冷媒流路１１がそれぞれ配設されて、払出しＬＮＧにより吸着剤を間接的に冷却できるようになっている（吸着工程）。また、第１吸着装置５及び第２吸着装置７には、加熱媒体を流通させる第１熱媒流路１３及び第２熱媒流路１５がそれぞれ配設されており、加熱媒体により吸着剤を間接的に加熱できるようになっている（再生工程）。
このような機能を実現するための具体的な態様として種々の配管系統や開閉弁が設けられており、以下これら配管系統と開閉弁について説明する。

図１、図２に示すように、ＬＮＧ貯留タンク３からＢＯＧを排出するＢＯＧ排出管１７は、途中で第１ＢＯＧ排出管１９と第２ＢＯＧ排出管２１に分岐され、第１ＢＯＧ排出管１９には第１吸着装置５が、第２ＢＯＧ排出管２１には第２吸着装置７がそれぞれ接続されている。
また、第１ＢＯＧ排出管１９には第１開閉弁Ｖ１が、第２ＢＯＧ排出管２１には第２開閉弁Ｖ２がそれぞれ設けられている。なお、窒素分離装置１の動作については後述するが、白抜きの開閉弁は「開」の状態を示し、黒塗りの開閉弁は「閉」の状態を示している。

第１吸着装置５には、窒素の吸着処理がされた吸着処理ガス又は、窒素ガスの脱着処理がなされた再生ガスを排出するための第１ガス排出管２３が接続されている。
また、第２吸着装置７には、第１吸着装置５と同様に、窒素の吸着処理がされた吸着処理ガス又は、窒素ガスの脱着処理がなされた再生ガスを排出するための第２ガス排出管２５が接続されている。

第１ガス排出管２３には第３開閉弁Ｖ３を介して窒素の吸着処理がされた吸着処理ガスを流すための第１吸着処理ガス排出管２７が接続され、また第２ガス排出管２５には第４開閉弁Ｖ４を介して窒素の吸着処理がされた吸着処理ガスを流すための第２吸着処理ガス排出管２９が接続されている。

また、第１ガス排出管２３には第５開閉弁Ｖ５を介して窒素ガスの脱着処理がなされた再生ガスを排出するための第１再生ガス排出管３１が接続され、また第２ガス排出管２５には第６開閉弁Ｖ６を介して窒素ガスの脱着処理がなされた再生ガスを排出するための第２再生ガス排出管３３が接続されている。

ＬＮＧ貯留タンク３からポンプ３５によってＬＮＧを払い出すＬＮＧ払出し管３７には、第１吸着装置５に、吸着剤を冷却するための冷媒としてＬＮＧを供給するための第１ＬＮＧ供給管３９が接続されている。第１ＬＮＧ供給管３９は、ＬＮＧ払出し管３７から分岐して第１吸着装置５内において吸着剤を間接的に冷却する第１冷媒流路９の入り側に接続され、第１冷媒流路９の出側に接続されて再びＬＮＧ払出し管３７に接続されている。第１ＬＮＧ供給管３９の入り側の配管には第７開閉弁Ｖ７が設けられている。また、ＬＮＧ払出し管３７における第１ＬＮＧ供給管３９の入り側の接続部と出側の接続部の間には、第８開閉弁Ｖ８が設けられている。

また、第２吸着装置７にも第１吸着装置５と同様に、第２吸着装置７に、吸着剤を冷却するための冷媒としてＬＮＧを供給するための第２ＬＮＧ供給管４１が接続されている。第２ＬＮＧ供給管４１は、ＬＮＧ払出し管３７から分岐して第２吸着装置７内において吸着剤を間接的に冷却する第２冷媒流路１１の入り側に接続され、第２冷媒流路１１の出側に接続されて再びＬＮＧ払出し管３７に接続されている。第２ＬＮＧ供給管４１の入り側の配管には第９開閉弁Ｖ９が設けられている。また、ＬＮＧ払出し管３７における第２ＬＮＧ供給管４１の入り側の接続部と出側の接続部の間には、第１０開閉弁Ｖ１０が設けられている。

また、第１吸着装置５には、第１吸着装置５の第１熱媒流路１３に接続されて、吸着剤を間接的に加熱するための熱媒体（例えば海水や、常温の空気など）を供給するための第１熱媒体供給管４３が接続され、第１熱媒体供給管４３には第１１開閉弁Ｖ１１が設けられている。
同様に、第２吸着装置７には、第２吸着装置７内の第２熱媒流路１５に接続されて、吸着剤を間接的に加熱するための熱媒体（例えば海水や、常温の空気など）を供給するための第２熱媒体供給管４５が接続され、第２熱媒体供給管４５には第１２開閉弁Ｖ１２が設けられている。

以上のように構成された本実施の形態の窒素分離装置１の動作を、図１、図２に基づいて説明する。
図１、図２において、白抜きの開閉弁は「開」の状態を示し、黒塗りの開閉弁は「閉」の状態を示している。
図１に示す状態は、第１吸着装置５を用いてＢＯＧから窒素の吸着処理を行い、第２吸着装置７では窒素の脱着処理を行っている状態を示しており、図２に示す状態は、第２吸着装置７を用いてＢＯＧから窒素の吸着処理を行い、第１吸着装置５では窒素の脱着処理を行っている状態を示している。

図１に示すように、ＬＮＧはマイナス１６０℃の低温状態でＬＮＧ貯留タンク３に貯蔵されており、蒸発ガス（ＢＯＧ）も低温状態でＬＮＧ貯留タンク３からＢＯＧ排出管１７を介して排出され、第１吸着装置５に供給される。低温状態の蒸発ガス（ＢＯＧ）を第１吸着装置５に流通させると、低温の蒸発ガスで吸着剤は冷却されつつ、蒸発ガス中の窒素ガスは吸着剤に吸着される（吸着工程）。

一般的に、吸着剤の吸着能力は低温ほど大きくなるので、窒素は常温状態の吸着剤より多く吸着される。本実施の形態では、冷却効果を得るために、ＬＮＧ貯留タンク３から払出されるＬＮＧを、第１ＬＮＧ供給管３９によって第１吸着装置５に配設された第１冷媒流路９に流通させ、吸着装置（吸着剤）を冷却しているので、より吸着能力が高められている。
第１ＬＮＧ供給管３９によって第１吸着装置５に供給されたＬＮＧは、例えば-160℃から-150℃に加熱されて、再びＬＮＧ払出し管３７に戻される。

第１吸着装置５で窒素の吸着処理がされた窒素除去後のＢＯＧは、第１ガス排出管２３、第３開閉弁Ｖ３を介して第１吸着処理ガス排出管２７によって下流側に排出される。
なお、第１吸着処理ガス排出管２７から排出される窒素除去後のＢＯＧは、窒素ガスが除去されており、窒素除去前のＢＯＧよりも熱量が高く燃料としての価値が高い。例えば圧縮機でＢＯＧを圧縮してＬＮＧ払出し管３７によって払い出されるＬＮＧに混合して需要先に供給する場合、ＬＮＧ貯留タンク３から発生するＢＯＧをそのまま圧縮すると、熱量的に価値の無い窒素分も一緒に圧縮するため無駄な圧縮動力を消費することになるが、第１吸着処理ガス排出管２７から排出される窒素除去後のＢＯＧを圧縮するようにすれば、圧縮動力を削減することが可能となる。

一方、第２吸着装置７においては、第２熱媒体供給管４５により海水等の熱媒体が供給されて、窒素ガスの脱着処理が行われている。吸着剤は加熱されることで吸着能力が低下することで、脱着処理が行われる。脱着された再生ガスは、第２ガス排出管２５、第６開閉弁Ｖ６及び第２再生ガス排出管３３を介して排出される。

脱着された再生ガスの窒素純度が十分に高い場合、換言すれば、再生ガス中におけるメタンなどの可燃性ガス成分濃度が十分に低い場合は、脱着された再生ガスはそのまま大気中に放散することが出来る。脱着された再生ガスの窒素純度が十分に高くない場合は、さらに窒素純度を高める、すなわち、さらに再生ガス中の可燃性ガス成分と窒素分を高純度分離する後段プロセスを経てから窒素分を大気に放散するようにする。ここで、窒素分離装置１から排出される再生ガス量は、ＬＮＧ貯留タンク３から排出されるＢＯＧ量（発生ＢＯＧ量）に比較すると大幅に少なくなっており、発生ＢＯＧ量をそのまま高純度窒素分離する場合に比べて、後段プロセスの設備容量を大幅に軽減することができる。なお、後段プロセスで分離された可燃性ガス成分は燃料として利用でき、さらに、窒素分についても放散せずに製品窒素として回収しても良い。
第２熱媒体供給管４５により第２吸着装置７に供給された例えば20℃熱媒体は、吸着剤と熱交換することによって、例えば10℃になって排出される。

第１吸着装置５によって吸着能力限界まで窒素を吸着すると、第１吸着装置５を窒素ガスの脱着処理に、第２吸着装置７を窒素ガスの吸着処理に切り替える。
この切換は、開閉弁の開閉の切換によって行い、図２に示す状態が、切換後の開閉弁の開閉状態を示している。

図２に示す状態では、低温状態の蒸発ガス（ＢＯＧ）を第２吸着装置７に流通させると共に、ＬＮＧ貯留タンク３からの払出されるＬＮＧを第２ＬＮＧ供給管４１によって第２吸着装置７に置に配設された第２冷媒流路１１に流通させている。
第２吸着装置７で窒素の吸着処理がされて窒素除去後のＢＯＧは、第２ガス排出管２５、第４開閉弁Ｖ４を介して第２吸着処理ガス排出管２９によって下流側に排出される。

他方、第１吸着装置５においては、第１熱媒体供給管４３により海水等の熱媒体が供給されて、窒素ガスの脱着処理が行われ、脱着された再生ガスは、第１ガス排出管２３、第５開閉弁Ｖ５及び第１再生ガス排出管３１を介して排出される。

図２に示す状態において、第２吸着装置７によって吸着能力限界まで窒素を吸着すると、第２吸着装置７を窒素ガスの脱着処理に、第１吸着装置５を窒素ガスの吸着処理に切り替える。
このように、第１吸着装置５と第２吸着装置７の処理態様を切り換えることによって、継続的に窒素ガスの吸着及び脱着を行うことができる。
なお、第１吸着装置５や第２吸着装置７が吸着能力限界まで窒素を吸着したことの判断として、ＢＯＧ排出管１７や第１ガス排出管２３、第２ガス排出管２５にガス成分を計測する計測装置を配設し、窒素成分濃度の計測値によって切り替えても良い。例えば、第１吸着装置５で吸着処理を行っている状態で、第１ガス排出管２３から排出される窒素除去後のＢＯＧ中の窒素成分濃度が、ＢＯＧ排出管１７における窒素成分濃度（窒素除去前ＢＯＧ中の窒素成分濃度）に対して所定の比率以上になったら、第１吸着装置５は吸着能力限界まで窒素を吸着したと判断するようにする。一般的に、所定の比率のしきい値として1/50〜1/5程度の値をとることが多い。

以上のように、本実施の形態によれば、原料ガスや分離ガスを圧縮・昇圧する必要がなく、かつ、ＬＮＧが元々有している冷熱エネルギーを活用して窒素分離を行うため、従来の窒素分離技術に比べてエネルギー消費量が格段に小さいという優れた効果が得られる。

なお、上記の実施の形態では、第１吸着装置５及び第２吸着装置７において窒素の吸着処理を行う際に吸着剤を間接的に冷却するために第１吸着装置５及び第２吸着装置７にＬＮＧを供給するようにしているが、上述したようにＬＮＧ貯留タンク３から排出されるＢＯＧは低温であるため、常温状態のガスを流通させる場合よりも吸着効率がよい。この意味で、ＢＯＧからの窒素の吸着に温度スイング式の吸着装置を用いる意義があり、本発明は、ＬＮＧによって吸着剤を間接的に冷却する機構のない場合も含む。

また、上記の実施の形態では、第１吸着装置５と第２吸着装置７の２台の吸着装置を有する例を示したが、吸着装置の数は２台に限定されるものではなく、複数台あればよく、３台以上であってもよい。

１ 窒素分離装置
３ ＬＮＧ貯留タンク
５ 第１吸着装置
７ 第２吸着装置
９ 第１冷媒流路
１１ 第２冷媒流路
１３ 第１熱媒流路
１５ 第２熱媒流路
１７ ＢＯＧ排出管
１９ 第１ＢＯＧ排出管
２１ 第２ＢＯＧ排出管
２３ 第１ガス排出管
２５ 第２ガス排出管
２７ 第１吸着処理ガス排出管
２９ 第２吸着処理ガス排出管
３１ 第１再生ガス排出管
３３ 第２再生ガス排出管
３５ ポンプ
３７ ＬＮＧ払出し管
３９ 第１ＬＮＧ供給管
４１ 第２ＬＮＧ供給管
４３ 第１熱媒体供給管
４５ 第２熱媒体供給管
Ｖ１〜Ｖ１２ 第１開閉弁〜第１２開閉弁

Claims (2)

1. ＬＮＧ貯留タンクから排出されるＢＯＧから窒素ガスを除去する窒素分離装置であって、
   窒素を選択的に吸着する吸着剤が充填され、低温下で前記吸着剤に窒素を選択的に吸着させ、高温下で吸着した窒素を脱着させる温度スイング式の吸着装置として、第１吸着装置と第２吸着装置を有し、
   前記ＬＮＧ貯留タンクからＢＯＧを排出するＢＯＧ排出管が、前記第１吸着装置及び第２吸着装置にそれぞれ開閉弁を介して接続され、
   前記第１吸着装置及び第２吸着装置には加熱媒体を流通させる熱媒流路が配設されて、前記加熱媒体により間接的に加熱できるようになっており、
   ＢＯＧ排出管からＢＯＧを前記第１吸着装置と前記第２吸着装置に選択的に通流させて、前記第１吸着装置と前記第２吸着装置によって窒素の吸着と脱着を交互に行えるようにしたことを特徴とするＢＯＧからの窒素分離装置。
2. 前記第１吸着装置と第２吸着装置は、前記ＬＮＧ貯留タンクから払い出されたＬＮＧを流通させて、吸着装置内の吸着剤を間接的に冷却する冷媒流路が配設されており、かつ該冷媒流路に払出しＬＮＧを供給するためのＬＮＧ供給管が接続されていることを特徴とする請求項１記載のＢＯＧからの窒素分離装置。

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