JP2018071059A - 分離回収装置及びガスハイドレートの回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】更なる効率向上が可能な分離回収装置及びガスハイドレートの回収システムを提供する。【解決手段】分離回収装置４は、内部に分離空間Ｂを形成する収容部１０と、往復駆動されることで分離空間Ｂの容積を往復変化させる往復移動部１１と、往復移動部１１を往復駆動させる駆動部８と、を備える。収容部１０は、往復移動部１１が第一位置にある際に、開状態となって分離空間Ｂ内にガスハイドレートを含む堆積物を導入する導入ポートＰ１と、往復移動部１１が第一位置にある状態よりも分離空間Ｂの容積が大きくなって減圧状態となる第二位置にある際に開状態となって、ガスハイドレートから分離したガスを回収する回収ポートＰ２と、往復移動部１１が第二位置から第一位置に移動する際に、堆積物Ｔ２を排出する排出ポートＰ３と、を備える。【選択図】図２

Description

この発明は、分離回収装置及びガスハイドレートの回収システムに関する。

メタンハイドレートなどのガスハイドレートを回収する回収システムにおいては、一般に、海底などの水底で採掘されたガスハイドレートを、ライザー管等を通じて水上に汲み上げることが行われている。
メタンハイドレートは、低温高圧状態でメタン分子が水分子に囲まれた、氷状の固体である。このようにメタンハイドレートの重量の大半が水分であるため、海底でメタンハイドレートからメタンを分離して、メタンガスとして回収して揚収効率を向上することが望まれている。
ガスハイドレートからのガス分離には、加熱又は減圧が必要となる。しかし、深海底では、雰囲気圧が非常に高くガスハイドレートの減圧には技術的な課題も多い。そのため、加熱又は化学的な安定状態を変化させるインヒビターを用いた方法が現実的であると考えられている。

特許文献１には、メタンハイドレートを加熱するための熱エネルギーとしてレーザー光線を海上から海底へ供給するシステムが開示されている。この特許文献１では、海底でメタンハイドレートにレーザー光線を照射加熱してメタンハイドレートからメタンガスを分離させ、浮上するメタンガスを収集するようにしている。
特許文献２には、海底では無く水上でメタンハイドレートからメタンガスを分離させる設備が記載されている。この特許文献２の設備では、外部からのエネルギー供給を無くすために原動機の排熱を利用してメタンハイドレートを加熱している。

特許第３５０６６９６号公報 特許第４９６８９９８号公報

上述した特許文献１に記載のシステムは、ガスハイドレートを加熱するためにレーザー光線を用いているが、レーザー光源の駆動エネルギーが大きくなってしまい、効率向上が困難であるという課題がある。
一方、特許文献２に記載のシステムは、排熱を利用して効率向上を図っているが、排熱利用だけではガス分離に十分な熱エネルギーを得られず、他の熱エネルギーを注入する必要が有る。
また、特許文献２で利用する排熱は、深海底などの水底に導く途中で冷却されてしまう。そのため、特許文献２に記載のシステムを、海底で行うガス分離に適用することは困難となっている。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、更なる効率向上が可能な分離回収装置及びガスハイドレートの回収システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明の第一態様によれば、分離回収装置は、内部に分離空間を形成する収容部と、往復駆動されることで前記分離空間の容積を往復変化させる往復移動部と、前記往復移動部を往復駆動させる駆動部と、を備え、前記収容部は、前記往復移動部が第一位置にある際に、開状態となって前記分離空間内にガスハイドレートを含む堆積物を導入する導入ポートと、前記往復移動部が前記第一位置にある状態よりも前記分離空間の容積が大きくなって減圧状態となる第二位置にある際に開状態となって、前記ガスハイドレートから分離したガスを回収する回収ポートと、前記往復移動部が前記第二位置から前記第一位置に移動する際に、前記堆積物を排出する排出ポートと、を備える。
このように構成することで、分離空間内に導入ポートを介してガスハイドレートを含む堆積物が導入される。そして、この状態で往復移動部を第一位置から第二位置に移動させることで分離空間が減圧される。この減圧により、ガスハイドレートからガスを分離させることができる。さらに、第二位置に往復移動部が移動して回収ポートが開状態となりガスハイドレートから分離されたガスを、回収ポートを介して回収できる。また、ガスを回収ポートから回収した後、往復移動部を第二位置から第一位置へさせることで分離空間に残存しているガスが分離された堆積物を排出ポートから排出することができる。
したがって、ガスハイドレートから主に加熱によってガスを分離させる場合と比較して、減圧により効率よくガスを分離させることができる。また、往復移動部による往復動によって減圧を行うため、深海底などであっても容易且つ確実に分離空間を減圧することができる。

この発明の第二態様によれば、第一態様に係る分離回収装置において、前記分離空間に導入されたガスハイドレートを加熱可能な加熱部を備えていてもよい。
このように構成することで、ガスハイドレートの減圧と加熱とを両方行うことができる。その結果、ガスハイドレートからガスを効率よく分離させることができる。

この発明の第三態様によれば、第二態様に係る加熱部は、前記分離空間に、燃焼可能な気体を供給する燃焼気体供給部と、前記燃焼気体供給部によって供給された前記気体に着火する着火部と、を備えていてもよい。
このようにすることで、分離空間に供給された燃焼可能な気体に着火可能となる。そのため、気体を燃焼させて、この気体の燃焼によりガスハイドレートを加熱することができる。

この発明の第四態様によれば、第三態様に係る燃焼可能な気体は、ガスハイドレートから分離させたガスの一部を含むようにしても良い。
このようにすることで、ガスハイドレートから分離したガスを燃料として、ガスハイドレートを加熱することができる。そのため、例えば、水上等の外部から加熱用の燃料を供給する場合と比較して、外部からの燃料供給を抑制して省エネルギー化を図ることができる。

この発明の第五態様によれば、第一から第四態様の何れか一つの態様に係る駆動部は、前記ガスハイドレートから分離したガスの一部を燃料として駆動する内燃機関であってもよい。
このようにすることで、ガスハイドレートから分離したガスを燃料として、往復移動部を移動させることができる。そのため、例えば、水上等の外部から加熱用の燃料を供給する場合と比較して、外部からの燃料供給を抑制して省エネルギー化を図ることができる。

この発明の第六態様によれば、第一から第五態様の何れか一つの態様に係る分離回収装置において、前記駆動部で生じる排熱と、前記分離空間へ導入前の前記ガスハイドレートとの間で熱交換させる熱交換部を備えていてもよい。
この熱交換部により、駆動部の排熱を回収してガスハイドレートを加熱することができる。

この発明の第七態様によれば、分離回収装置は、ガスハイドレートを含む堆積物及び海水を含む流体が導入される分離管と、前記分離管内に配置され、前記分離管の軸線回りに回転することで、前記流体の流れに剥離を発生させて前記ガスハイドレードからガスを分離させるインデューサと、少なくとも前記インデューサを回転させる駆動部と、前記インデューサの径方向外側で前記分離管に接続されて、インデューサによる遠心分離によって前記流体を外部に排出する排出管と、前記分離管における前記インデューサの下流側に設けられて、軸線回りに回転することで、前記ガスを圧送する圧送部と、前記圧送部の下流側で前記分離管に接続されて、前記ガスを回収する回収管と、を備える。
上記のようにインデューサを流体中で高速回転させ、剥離を発生させることで、ガスハイドレートが減圧される。そのため、ガスハイドレートからガスを分離させることができる。さらに、インデューサによる遠心分離によって相対的に比重の大きい堆積物がインデューサの径方向外側に移動する一方で、相対的に比重の小さいガスがインデューサの径方向内側に移動する。そして、遠心分離された堆積物は、インデューサの径方向外側の排出管から外部に排出される。また、ガスハイドレートから分離されたガスは、圧送部に送り込まれる。そして、圧送部によって圧縮されて、回収管を介して、例えば、水上等に送られる。
したがって、ガスハイドレートから主に加熱によってガスを分離させる場合と比較して、減圧により効率よくガスを分離させることができる。また、インデューサの回転による流体の剥離を利用してガスハイドレートの減圧を行うため、深海底などであっても容易且つ確実にガスハイドレートを減圧することができる。

この発明の第八態様によれば、第七態様に係る分離回収装置において、前記分離管に導入された前記流体を加熱可能な加熱部を備えていてもよい。
このように構成することで、ガスハイドレートの減圧と加熱とを両方行うことができる。その結果、ガスハイドレートからガスを効率よく分離させることができる。

この発明の第九態様によれば、第八態様に係る加熱部は、前記駆動部の排熱によって前記インデューサを加熱するようにしてもよい。
このように構成することで、駆動部の排熱を有効利用してインデューサでガスハイドレートの加熱することができる。

この発明の第十態様によれば、ガスハイドレート回収システムは、第一から第九態様の何れか一つの態様に係る分離回収装置と、前記ガスハイドレートを採掘する採掘装置と、前記採掘装置により採掘した前記ガスハイドレートを前記分離回収装置へ移送する移送管と、前記分離回収装置で回収されたガスを揚収する揚収管と、を備える。
このように構成することで、採掘したガスハイドレートからガスを分離して、この分離したガスを、揚収管を介して水上等に移動させて回収することができる。
したがって、堆積物を水上まで上げる必要が無いため、ガス回収の効率を向上することができる。

上記分離回収装置及びガスハイドレート回収システムによれば、更なる効率向上が可能となる。

この実施形態のガスハイドレート回収システムの概略構成を示す構成図である。 この発明の第一実施形態における分離回収装置の概略構成図である。 この発明の第一実施形態における分離回収装置の導入工程を示す図である。 この発明の第一実施形態における分離回収装置の減圧工程を示す図である。 この発明の第一実施形態における分離回収装置の回収工程を示す図である。 この発明の第一実施形態における分離回収装置の排出工程を示す図である。 この発明の第一実施形態の変形例における図２に相当する概略構成図である。 この発明の第二実施形態におけるガスハイドレート回収システムの概略構成を示す構成図である。 この発明の第二実施形態における分離回収装置の概略構成図である。 この発明の第二実施形態におけるインデューサの翼を径方向外側から見た展開図である。 この発明の第二実施形態の変形例における分離回収装置の概略構成図である。 この発明の第二実施形態の他の態様における分離回収装置の概略構成図である。

次に、この発明の第一実施形態における分離回収装置及びガスハイドレート回収システムを図面に基づき説明する。
（第一実施形態）
図１は、この実施形態のガスハイドレート回収システムの概略構成を示す構成図である。
この第一実施形態においては、ガスハイドレートとしてメタンハイドレートからガスを回収するガスハイドレート回収システムを一例に説明する。また、この第一実施形態においては、深海底（例えば、水深１０００ｍ程度）に存在するメタンハイドレートを土砂とともに掘削して採取する場合について説明する。なお、採取されるメタンハイドレートは、砂層形、表層型の何れであっても良い。

図１に示すように、この第一実施形態のガスハイドレート回収システム１は、採掘機（採掘装置）２と、移送管３と、分離回収装置４と、ライザー管（揚収管）５と、揚収母船６と、を主に備えている。
採掘機２は、海底に堆積するメタンハイドレートを含む堆積物を破砕して吸入する。また採掘機２は、吸入した堆積物を粉砕して、この粉砕した堆積物を、移送管３を介して分離回収装置４へ供給する。

移送管３は、採掘機２によって採掘され粉砕されたガスハイドレートを含む堆積物を、分離回収装置４へ移送するための配管である。この移送管３は、粉砕された堆積物を円滑に移送可能な内径を有し、海底で用いるのに十分な耐圧性能を有している。ここで、移送管３の入口には、堆積物を圧送するためのポンプ等を設けてもよいが、分離回収装置４の自給作用が十分に得られる場合には移送管３のポンプは省略できる。

分離回収装置４は、移送管３を介して移送されてきた堆積物に含まれるメタンハイドレートからメタンガスを分離させる。さらに、分離回収装置４は、メタンガスが分離された堆積物Ｔ２を外部に排出する。また、分離回収装置４は、分離されたメタンガスをライザー管５へ送り出す。

図２は、この発明の第一実施形態における分離回収装置の概略構成図である。
図２に示すように、この第一実施形態における分離回収装置４は、分離装置本体部７と、駆動部８と、加熱部９と、を備えている。なお、図２においては、図示都合上、分離装置本体部７の上下を反転して示している。
この第一実施形態における分離回収装置４は、複数の分離装置本体部７、より具体的には３つの分離装置本体部７を備えている。
分離装置本体部７は、収容部１０と、往復移動部１１と、を主に備えている。
収容部１０は、その内部に分離空間Ｂを形成する。ここで、分離空間Ｂとは、メタンハイドレートからメタンガスを分離させるための空間を意味している。
より具体的には、収容部１０は、例えば、有底円筒状に形成され、その内周面１０ａと往復移動部１１の端面１１ａとによって分離空間Ｂを形成する。

収容部１０は、導入ポートＰ１と、回収ポートＰ２と、排出ポートＰ３と、を有している。
導入ポートＰ１は、往復移動部１１が第一位置（後述する）にある際に、バルブ（後述する）が開状態となるポートである。導入ポートＰ１には、移送管３が連通されており、導入ポートＰ１のバルブが開状態となることで、分離空間Ｂ内にメタンハイドレートを含む堆積物が導入可能となる。ここで、この堆積物には、海水も含まれている。

回収ポートＰ２は、メタンハイドレートから分離されたメタンガスを収容部１０の外部に排出するためのポートである。この回収ポートＰ２は、往復移動部１１が第一位置にある状態よりも分離空間Ｂの容積が大きくなって減圧状態となる第二位置にある際に、開状態となる。回収ポートＰ２には、ライザー管５が接続されており、回収ポートＰ２が開状態となることで、分離空間Ｂ内のメタンガスＭがライザー管５に流入するようになっている。

排出ポートＰ３は、収容部１０内でメタンガスＭが分離された後の堆積物Ｔ２（海水を含む）を外部に排出するためのポートである。この排出ポートＰ３は、排出管１２と連通しており、往復移動部１１が第二位置から第一位置に移動する際に、バルブ（後述する）が開状態となり、堆積物Ｔ２を外部に排出する。この排出管１２は、堆積物Ｔ２を、例えば、採掘機２から離れた海底の上などに放出する。

往復移動部１１は、収容部１０に収容されている。この往復移動部１１は、収容部１０の内部で往復動が可能となっている。この第一実施形態における往復移動部１１は、いわゆるピストンであって、ピストンロッド１１ｂを介して駆動される。この往復移動部１１が往復駆動されることで、分離空間Ｂの容積を往復変化させることができる。

駆動部８は、上述した往復移動部１１を往復駆動させる。より具体的には、駆動部８は、ピストンロッド１１ｂが連係されたクランクシャフト１３を回動するための回転エネルギーを発生させる。この第一実施形態における駆動部８は、水中電動機である。なお、駆動部８は、電動機に限られず、内燃機関を用いても良い。また、図２においては、図示都合上、駆動部８がクランクシャフト１３に直接接続されているが、駆動部８の回転エネルギーは、通常、減速機等を介してクランクシャフト１３に伝達される。

加熱部９は、分離空間Ｂに導入された堆積物を加熱する。加熱部９は、燃焼気体供給部１４と、着火部１５と、を備えている。
燃焼気体供給部１４は、メタンハイドレートから分離したメタンガスＭの一部を含む燃焼可能な気体を、分離空間Ｂに供給する。この第一実施形態における燃焼気体供給部１４は、燃焼気体供給配管１６と、メタンガス分岐配管１７と、を備えている。

燃焼気体供給配管１６は、例えば、助燃性のキャリアガスを分離空間Ｂに供給する。この第一実施形態における燃焼気体供給配管１６は、助燃性のキャリアガスとして酸素を分離空間Ｂに供給する。さらに、この第一実施形態における燃焼気体供給配管１６は、揚収母船６からキャリアガスを供給する場合を例示している。

メタンガス分岐配管１７は、ライザー管５によって揚収される前のメタンガスの一部を燃焼気体供給配管１６に流れるキャリアガスに合流させる。つまり、この第一実施形態における燃焼気体とは、キャリアガスである酸素とメタンガスＭとを混合した気体である。

着火部１５は、燃焼気体供給部１４によって分離空間Ｂに供給された燃焼気体に着火する。着火部１５としては、例えば、スパークプラグを用いることができる。なお、着火部１５による燃焼気体への着火は、分離空間Ｂ内での着火に限られず、例えば、分離空間Ｂとは別の空間で生成した火炎を分離空間Ｂに導入して燃焼気体に着火させるようにしても良い。

ライザー管５は、上述した分離装置本体部７と、揚収母船６との間を接続する配管である。この実施形態におけるライザー管５は、複数の分離装置本体部７で分離したメタンガスを集合させた後、コンプレッサ１８により圧送する。

揚収母船６は、ライザー管５により揚収されたメタンガスを一時的に貯留するタンクＴを備える。さらに、揚収母船６は、上述した燃焼気体供給配管１６に供給するキャリアガスを生成する設備（図示せず）等も有している。また、揚収母船６は、回収したメタンガスを液化する液化設備を備えていても良い。この揚収母船６に貯留されたメタンガスは、例えば、輸送船（図示せず）に移し替えて陸上の設備等に運搬される。

この第一実施形態のガスハイドレート回収システム１は、上述した構成を備えている。次に、上述した分離回収装置４の動作を、図面を参照しながら説明する。
図３は、この発明の第一実施形態における分離回収装置の導入工程を示す図である。図４は、この発明の第一実施形態における分離回収装置の減圧工程を示す図である。図５は、この発明の第一実施形態における分離回収装置の回収工程を示す図である。図６は、この発明の第一実施形態における分離回収装置の排出工程を示す図である。なお、図３から図６においては、図示都合上、上述した着火部１５の図示を省略している。

まず、駆動部８により往復移動部１１の往復動を開始する。そして、導入工程を行う。すなわち、分離回収装置４において、往復移動部１１が図３に示す第一位置に配置されているときに、導入ポートＰ１のバルブＶ１を開放する。これにより、メタンハイドレートを含む堆積物Ｔ１が収容部１０内の分離空間Ｂに導入される。ここで、上述した往復移動部１１の第一位置は、往復移動部１１の上死点としても良いが、分離空間Ｂの容積が小さくなる側の往復移動部１１のストロークエンド付近であればどの位置であっても良い。なお、堆積物Ｔ１を分離空間Ｂに円滑に導入するために、排出ポートＰ３のバルブＶ３を僅かに開放するようにしても良い。

次いで、分離回収装置４において、往復移動部１１が上死点を過ぎて下死点に向けて移動し始めたら、言い換えれば、往復移動部１１が第一位置から第二位置に向けて移動し始めたら、分離工程を行う。すなわち、図４に示すように、バルブＶ１，Ｖ３を閉塞する。これにより、密閉された分離空間Ｂの容積が大きくなって、分離空間Ｂが減圧される。そして、この減圧によりメタンハイドレートの圧力が安定領域から外れて、メタンハイドレートからメタンガスＭと水とがそれぞれ分離する。ここで、上記分離工程においては、メタンハイドレートの圧力が安定領域から外れた状態で、所定時間維持されるように、往復移動部１１の移動は、時間を掛けてゆっくりと行われる。

この際、この第一実施形態においては、加熱部９によるメタンハイドレートの加熱を行っている。すなわち、導入ポートＰ１から堆積物Ｔ１と共に、燃焼気体を分離空間Ｂへ供給し、この燃焼気体に着火してメタンハイドレートを加熱する。この加熱によりメタンハイドレートの温度が安定領域から外れ易くなり、メタンハイドレートから、より一層メタンガスＭと水とが分離し易くなる。

その後、分離回収装置４において、図５に示す回収工程を行う。すなわち、第二位置に往復移動部１１が到達すると、回収ポートＰ２が開放する。分離空間Ｂの内部で分離したメタンガスＭは、土砂や海水を含む堆積物Ｔ２や分離した水よりも比重が小さく、また、分離により体積も増大しているため、この開放した回収ポートＰ２から自然に排出され、ライザー管５に供給される。

そして、回収工程が完了すると、再び往復移動部１１が上死点（又は、第一位置）に向けて移動を開始し、まず、回収ポートＰ２が閉塞される。その後、排出工程を行う。すなわち、図６に示すように、排出ポートＰ３のバルブＶ３を開放して、往復移動部１１により堆積物Ｔ２を圧縮して、排出ポートＰ３から堆積物Ｔ２を排出管１２へ押し出す。この排出管１２へ押し出された堆積物Ｔ２は、上記各工程を繰り返し行うことで、徐々に排出管１２の端部開口へ向かって移動して、この端部開口から海底等へと放出される。

したがって、上述した第一実施形態によれば、分離空間Ｂ内に導入ポートＰ１を介してメタンハイドレートを含む堆積物Ｔ１を導入することができる。そして、この状態で往復移動部１１を第一位置から第二位置に移動させることで分離空間Ｂを減圧できる。さらに、この減圧により、メタンハイドレートからメタンガスＭを分離させることができる。

また、第二位置に往復移動部１１が移動して回収ポートＰ２が開状態となりメタンハイドレートから分離されたメタンガスＭを、回収ポートＰ２を介して回収できる。さらに、ガスを回収ポートＰ２から回収した後、往復移動部１１を第二位置から第一位置へさせることで分離空間Ｂに残存している堆積物Ｔ２を排出ポートＰ３から排出することができる。

その結果、メタンハイドレートから主に加熱によってメタンガスＭを分離させる場合と比較して、減圧により効率よくメタンガスＭを分離させることができる。また、往復移動部１１による往復動によって減圧を行うため、深海底などであっても容易且つ確実に分離空間Ｂを減圧することができる。

また、加熱部９を備えていることで、メタンハイドレートの減圧と加熱とを両方行うことができる。その結果、メタンハイドレートからメタンガスＭを効率よく分離させることができる。

さらに、分離空間Ｂに供給された燃焼気体に着火して、メタンハイドレートを効率よく加熱することができる。また、メタンハイドレートから分離させたメタンガスＭの一部を燃料として加熱することができる。そのため、揚収母船６等の外部から加熱用の燃料を供給する場合と比較して、外部からの燃料供給を抑制できるため、省エネルギー化を図ることができる。

また、採掘したメタンハイドレートからメタンガスＭを分離して、この分離したメタンガスＭを、ライザー管５を介して海上の揚収母船６に移動させて回収することができる。これにより、堆積物Ｔ１を揚収母船６上にまで上げる必要が無く、ガス回収の効率を向上することができる。

（第一実施形態の変形例）
次に、この発明の第一実施形態の変形例を図面に基づき説明する。なお、この第一実施形態の変形例は、上述した第一実施形態と、駆動部８が内燃機関である点と、予熱用の熱交換器を備える点とでのみ相違する。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図７は、この発明の第一実施形態の変形例における図２に相当する概略構成図である。
図７に示すように、この発明の第一実施形態の変形例におけるガスハイドレート回収システム１Ｂの分離回収装置４Ｂは、分離装置本体部７と、駆動部８Ｂと、加熱部９と、予熱部（熱交換部）２０と、を備えている。

駆動部８Ｂは、上述した第一実施形態の駆動部８と同様に、往復移動部１１を駆動するための回転エネルギーを発生する。この変形例における駆動部８Ｂは、内燃機関であって、上述したクランクシャフト１３に対して、クラッチや減速機等の伝達機構Ｄを介して回転エネルギーを伝達可能とされている。内燃機関としては、例えば、レシプロエンジンを用いることができる。さらに、この駆動部８Ｂは、メタンガスを燃料として駆動可能なガスエンジンである。

駆動部８Ｂは、分離装置本体部７で分離されたメタンガスの一部が分岐配管１９を介して燃料として供給される。駆動部８Ｂの排気ポート（図示せず）には、予熱部２０へ排気ガスを供給する排気配管２１が接続されている。

予熱部２０は、移送管３によって移送されるメタンハイドレートを含む堆積物を予熱する。より具体的には、堆積物に含まれるメタンハイドレートの温度が安定領域から外れない程度に加熱する。つまり、この加熱によってメタンハイドレートからメタンガスは分離しないようになっている。この実施形態における予熱部２０は、熱源として、駆動部８Ｂの排気ガスを利用している。この予熱部２０は、メタンハイドレートを含む堆積物と排気ガスとを熱交換させている。

したがって、上述した第一実施形態の変形例によれば、駆動部８Ｂの排熱を回収してメタンハイドレートを加熱することができる。そのため、分離装置本体部７において、メタンハイドレートからメタンガスＭを分離させる際に、上述した第一実施形態よりも更に効率よく分離させることができる。

さらに、分離装置本体部７で分離させたメタンガスＭを燃料として駆動部８Ｂを駆動できるため、海上の揚収母船６等から燃料や電力を送給する場合と比較して、燃料や電力の送給に掛かる設備やエネルギーを削減できる。

なお、第一実施形態の変形例においては、予熱部２０が駆動部８Ｂの排熱を利用する場合を一例にして説明したが、他の熱源から熱媒体を供給するようにしても良い。例えば、電動機の冷却水を予熱部２０に供給しても良い。さらに、駆動部８Ｂの燃料は、分離装置本体部７で分離されたメタンガスＭに限られない。また、駆動部８Ｂは、ガスエンジンに限られない。

（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態における分離回収装置及びガスハイドレート回収システムを図面に基づき説明する。
図８は、この発明の第二実施形態におけるガスハイドレート回収システムの概略構成を示す構成図である。
この第二実施形態においては、ガスハイドレートとしてメタンハイドレートからガスを回収するガスハイドレート回収システムを一例に説明する。また、この第二実施形態においては、深海底（例えば、水深１０００ｍ程度）に存在するメタンハイドレートを土砂とともに掘削して採取する場合について説明する。なお、採取されるメタンハイドレートは、砂層形、表層型の何れであっても良い。

図８に示すように、この第二実施形態のガスハイドレート回収システム１００は、採掘機１０２と、移送管１０３と、分離回収装置１０４と、ライザー管（揚収管）１０５と、揚収母船１０６と、を主に備えている。
採掘機１０２は、海底に堆積するメタンハイドレートを含む堆積物を破砕して吸入する。また採掘機１０２は、吸入した堆積物を粉砕して、この粉砕した堆積物を、移送管３を介して分離回収装置１０４へ供給する。

移送管１０３は、採掘機１０２によって採掘され粉砕されたガスハイドレートを含む堆積物と海水とを含む流体Ｆ１を分離回収装置１０４へ移送するための配管である。この移送管１０３は、堆積物を含む流体Ｆ１を円滑に移送可能な内径を有し、海底で用いるのに十分な耐圧性能を有している。ここで、移送管１０３の入口には、堆積物を圧送するためのポンプ等を設けてもよいが、分離回収装置１０４の自給作用が十分に得られる場合には移送管３のポンプは省略できる。

分離回収装置１０４は、移送管１０３を介して移送されてきた堆積物に含まれるメタンハイドレートからメタンガスを分離させる。さらに、分離回収装置１０４は、メタンガスが分離された堆積物である土砂と海水を含む堆積物Ｔ２をそれぞれ外部に排出する。また、分離回収装置１０４は、分離されたメタンガスを、ライザー管１０５を介して圧送する。

図９は、この発明の第二実施形態における分離回収装置の概略構成図である。
図９に示すように、この第一実施形態における分離回収装置１０４は、分離装置本体部１０７と、駆動部１０８と、を備えている。
分離装置本体部１０７は、分離管１０９と、インデューサ１１０と、排出管１１１と、圧送部１１２と、回収管１１３と、を備えている。

分離管１０９は、メタンハイドレートを含む堆積物及び海水を含む流体Ｆ１が、上述した移送管１０３を介して導入される。この分離管１０９は、インデューサ１１０と圧送部１１２とを収容している。分離管１０９の軸線Ｏ方向で、移送管１０３に近い側から、インデューサ１１０、圧送部１１２の順でそれぞれ並んで配置されている。これにより、分離管１０９に導入された流体Ｆ１は、最初にインデューサ１１０に吸い込まれる。また、分離管１０９は、インデューサ１１０と圧送部１１２との間に、スリット部Ｓを有している。このスリット部Ｓは、複数の細いスリットを備えており、圧送部１１２に向かってメタンガスＭは通過可能としつつ、土砂が圧送部１１２へ流入することを防止している。なお、スリット部Ｓを一例に説明したが、土砂の流入を防止する構造を有していればよく、例えば、網状の部材など、スリット部Ｓ以外の構造を採用しても良い。

インデューサ１１０は、分離管１０９の軸線Ｏ回りに回転することで、流体Ｆ１の流れに剥離を発生させてメタンハイドレードからメタンガスＭを分離させる。このインデューサ１１０は、駆動部１０８によって高速回転される。インデューサ１１０は、そのボス１２１の外周面から径方向外側に向かって突出する翼１１４を備えている。

図１０は、この発明の第二実施形態におけるインデューサの翼を径方向外側から見た展開図である。なお、この図１０においては、説明の都合上、翼形状を単純化して示している。
図１０に示すように、翼１１４は、複数設けられ、インデューサ１１０Ｂの軸線Ｏ方向にそれぞれ間隔を空けて配置されるとともに、インデューサ１１０の周方向に互いに等距離ずらして配置されている。周方向Ａにインデューサ１１０を回転させると、軸線Ｏ方向の上流側から流れてきた流体Ｆ１が、翼１１４に向かって進入する。

インデューサ１１０の翼１１４には、大きな迎え角θが設定されている。そのため、翼１１４において、流体Ｆ１の前縁剥離が誘起されて、翼１１４の前縁１１４ａ付近の流体Ｆ１が剥離する。言い換えれば、翼１１４は、その前縁付近で流体Ｆ１の剥離を生じさせて、メタンガスＭを分離させるのに十分な減圧が得られるような角度で形成されている。なお、メタンガスＭを分離させるのに十分な減圧が得られる迎え角θは、例えば、予め設定されたインデューサ１１０Ｂの回転数や翼の形状などの種々のパラメータに基づき、シミュレーション等により求めることができる。

図９に示すように、排出管１１１は、インデューサ１１０の径方向外側で分離管１０９に接続されている。この排出管１１１は、インデューサ１１０が回転することによる遠心分離によって、径方向外側へ移動した流体Ｆ１を、例えば、海底などの外部に排出する。ここで、インデューサ１１０による遠心分離は、流体Ｆ１に含まれる土砂や海水を分離管１０９の内壁に近い径方向外側へ移動させる。その一方で、分離管１０９の内壁に近い径方向外側には土砂や海水が移動するため、上述した剥離によってメタンハイドレートから分離されたメタンガスＭは、分離管１０９の径方向内側に移動して、圧送部１１２へと導入される。

圧送部１１２は、分離管１０９内におけるインデューサ１１０の下流側に設けられている。この第二実施形態における圧送部１１２は、インデューサ１１０と回転軸１２２を共用しており、駆動部１０８によって回転駆動される。この第二実施形態で例示する圧送部１１２は、複数段のインペラＩ１〜Ｉ３を備える圧縮機であって、軸線Ｏ回りに回転することで、メタンハイドレードから分離したメタンガスＭを圧縮する。メタンガスＭには、微量の海水が含まれる場合が想定され、圧送部１１２としては、ウェットガスコンプレッサ、もしくは混相流ポンプを用いることができる。

回収管１１３は、圧送部１１２の下流側で分離管１０９に接続されて、圧縮されたメタンガスＭを回収する。言い換えれば、回収管１１３は、圧縮されたメタンガスＭを、ライザー管１０５へ向けて送り出す。圧縮されたメタンガスＭは、ライザー管１０５を介して揚収母船１０６に送り込まれる。

駆動部１０８は、インデューサ１１０と、圧送部１１２とを、回転軸１２２を介してそれぞれ軸線Ｏ回りに回転させる。この第二実施形態では、駆動部１０８として水中電動機を用いる場合を例示していが、内燃機関等を用いても良い。

したがって、上述した第二実施形態の分離回収装置及びガスハイドレート回収システムによれば、インデューサ１１０によって流体Ｆ１の流れに剥離を発生させることで、流体Ｆ１に含まれるメタンハイドレートが減圧される。そのため、メタンハイドレートからメタンガスＭを分離させることができる。

さらに、インデューサ１１０による遠心分離によって相対的に比重の大きい堆積物である土砂や海水がインデューサ１１０の径方向外側に移動する一方で、相対的に比重の小さいメタンガスＭがインデューサ１１０の径方向内側に移動する。そして、遠心分離された堆積物Ｔ２である土砂や海水は、インデューサ１１０の径方向外側の排出管１１１から外部に排出される。
また、メタンハイドレートから分離されたメタンガスＭは、圧送部１１２に送り込まれる。そして、圧送部１１２によって圧送されて、回収管１１３を介して、例えば、海上の揚収母船１０６に送られる。

その結果、メタンハイドレートから主に加熱によってメタンガスＭを分離させる場合と比較して、減圧により効率よくメタンガスＭを分離させることができる。また、インデューサ１１０の回転による流体Ｆ１の剥離を利用してメタンハイドレートの減圧を行うため、深海底などであっても容易且つ確実にメタンハイドレートを減圧することができる。

また、第一実施形態のように酸素を供給する必要が無く電力だけでよいため、構成が複雑化することを抑制できる。

（第二実施形態の変形例）
次に、この発明の第二実施形態の変形例を図面に基づき説明する。なお、この第二実施形態の変形例は、上述した第二実施形態と、加熱部を備える点でのみ相違する。そのため、図８を援用するとともに、上述した第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する。また、第二実施形態と同一部分の重複説明については省略する。

図１１は、この発明の第二実施形態の変形例における分離回収装置の概略構成図である。
図８に示すように、この第二実施形態の変形例におけるガスハイドレート回収システム１００Ｂの分離回収装置１０４Ｂは、移送管１０３を介して移送されてきた堆積物に含まれるメタンハイドレートからメタンガスＭを分離させる。さらに、分離回収装置１０４Ｂは、メタンガスＭが分離された堆積物である土砂と海水をそれぞれ外部に排出する。また、分離回収装置１０４Ｂは、分離されたメタンガスＭを、ライザー管１０５を介して圧送する。
そして、図１１に示すように、分離回収装置１０４Ｂは、分離装置本体部１０７Ｂと、駆動部１０８Ｂと、加熱部１２０と、を備えている。

分離装置本体部１０７Ｂは、分離管１０９と、インデューサ１１０Ｂと、排出管１１１と、圧送部１１２と、回収管１１３と、を備えている。なお、図１１においては、図示都合上、圧送部１１２と回収管１１３とを省略している。

インデューサ１１０Ｂは、軸線Ｏ回りに回転することで、流体Ｆ１の流れに剥離を発生させてメタンハイドレードからメタンガスＭを分離させる。このインデューサ１１０Ｂは、駆動部１０８Ｂによって高速回転される。インデューサ１１０は、そのボス１２１の外周面から径方向外側に向かって突出する翼１１４を備えている。翼１１４は、複数設けられ、インデューサ１１０Ｂの軸線Ｏ方向にそれぞれ間隔を空けて配置されるとともに、インデューサ１１０の周方向に互いに等距離ずらして配置されている。

ボス１２１は、回転軸１２２を介して駆動部１０８Ｂに接続されている。
回転軸１２２は、軸線Ｏ回りに回転することで、駆動部１０８Ｂから出力される回転エネルギーを、ボス１２１に伝達する。

駆動部１０８Ｂは、インデューサ１１０Ｂと、圧送部１１２（図示せず）とをそれぞれ軸線Ｏ回りに回転させる。この第二実施形態の変形例では、駆動部１０８Ｂとして水中電動機を用いている。

加熱部１２０は、分離管１０９に導入された流体Ｆ１を加熱可能となっている。この第二実施形態における加熱部１２０は、第一加熱回路１２３と、第二加熱回路１２４と、断熱材Ｄ１と、をそれぞれ備えている。なお、加熱部１２０は、第一加熱回路１２３と第二加熱回路１２４との何れか一方のみ備えるようにしても良い。

第一加熱回路１２３は、駆動部１０８Ｂのロータ１０８Ｂａの熱を、回転軸１２２を介してボス１２１に伝達する。この伝達された熱によりボス１２１が温度上昇し、このボス１２１の温度上昇により、インデューサ１１０Ｂに接触した流体Ｆ１が加熱される。この第二実施形態では、第一加熱回路１２３が熱媒体を駆動部１０８Ｂとボス１２１との間を循環させている。具体的には、第一加熱回路１２３は、回転軸１２２の外周面に近い側を通る複数の第一流路１２５と、回転軸１２２の径方向中心に近い側を通る第二流路１２６と、によって熱媒体を循環させている。

複数の第一流路１２５には、第二流路１２６が駆動部１０８Ｂのロータ１０８Ｂａの内部で分岐するようにして接続されている。
第二流路１２６には、複数の第一流路１２５がインデューサ１１０Ｂのボス１２１の内部で合流するようにして接続されている。

上記第一加熱回路１２３によれば、まず、ロータ１０８Ｂａ内においてロータ１０８Ｂａの発熱により加熱された第二流路１２６の熱媒体が膨張して、それぞれ第一流路１２５に流入する。その後、第一流路１２５を介して熱媒体がボス１２１の内部に到達する。すると、熱媒体と流体Ｆ１との間で熱交換されて、熱媒体が冷却される。これにより熱媒体が熱収縮して第一流路１２５から第二流路１２６へと流入する。そして、第二流路１２６を介して熱媒体がロータ１０８Ｂａ内に到達し、上述した熱媒体の加熱と冷却が繰り返される。

第二加熱回路１２４は、駆動部１０８Ｂのステータ１０８Ｂｂの熱を、流体Ｆ１に伝達する。第二加熱回路１２４は、循環配管１２７と、第一熱交換器１２８と、第二熱交換器１２９と、ポンプ１３０とを備えている。
循環配管１２７は、内部に熱媒体が流れる流路を形成する。また、循環配管１２７は、熱媒体を、駆動部１０８Ｂとインデューサ１１０Ｂ近傍の分離管１０９との間で循環させる循環流路を形成している。この分離管１０９の途中にはポンプ１３０が設けてあり、このポンプ１３０の出力により熱媒体を循環させている場合を例示している。

第一熱交換器１２８は、ステータ１０８Ｂｂと熱媒体とを熱交換させる。つまり、ステータ１０８Ｂｂにより熱媒体が加熱される。この加熱された熱媒体は、循環配管１２７を介して第二熱交換器１２９へ送り込まれる。

第二熱交換器１２９は、軸線Ｏ方向でインデューサ１１０Ｂが配置される位置の分離管１０９の外壁と熱媒体とを熱交換させる。つまり、この第二熱交換器１２９によって、分離管１０９に熱媒体の熱が伝達される。この熱は、分離管１０９を介して流体Ｆ１に伝達され、インデューサ１１０Ｂ近傍の流体Ｆ１が加熱される。
ここで、上述した第一加熱回路１２３及び第二加熱回路１２４で用いる熱媒体は、駆動部１０８Ｂのロータ１０８Ｂａ及びステータ１０８Ｂｂをそれぞれ冷却する冷却液と呼ぶこともできる。なお、上記熱媒体は、液体に限られず、気体であっても良い。

断熱材Ｄ１は、第二加熱回路１２４から外部に熱エネルギーが逃げないように断熱している。断熱材Ｄ１は、主に駆動部１０８Ｂと、第二加熱回路１２４と、分離管１０９とを覆っている。

したがって、第二実施形態の変形例によれば、駆動部１０８Ｂの排熱を有効利用してインデューサ１１０Ｂでメタンハイドレートの加熱することができる。これにより、インデューサ１１０Ｂによる流体Ｆ１の減圧に加えて、流体Ｆ１の加熱も並行して行うことができるため、メタンハイドレートからメタンガスを、より一層、効率よく分離させることができる。

この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、第一実施形態においては、メタンハイドレートから分離させたメタンガスＭを燃料としてメタンハイドレートを加熱する場合について説明した。しかし、揚収母船１０６等の外部からメタンハイドレートを加熱するための燃料を別途供給しても良い。

また、第一実施形態においては、メタンハイドレートを加熱部９により加熱する場合について説明したが、加熱部９によるメタンハイドレートの加熱は適宜行えばよく省略しても良い。

さらに、第一実施形態では、収容部１０内で往復移動部１１を往復動させる、いわゆるピストン方式の分離装置本体部７を用いる場合について説明した。しかし、分離装置本体部７は、ピストン方式に限られない。内部の容積を容易に増加できればよく、例えば、ダイヤフラムを用いたダイヤフラム方式の分離装置本体部７を用いるようにしても良い。

また、第一実施形態では、ライザー管５にコンプレッサ１８を設ける場合について説明したが、分離したメタンガスＭを揚収できればよく、コンプレッサ１８を用いて揚収する構成に限られるものでは無い。例えば、コンプレッサ１８を用いずに揚収するようにしても良い。
また、分離装置本体部７の設置数は、第一実施形態で説明した３つに限られない。分離装置本体部７を１つだけ設けたり、４つ以上設けたりしても良い。

さらに、第二実施形態において、圧送部１１２がインペラによる遠心段を、三段備える場合を例示したが、遠心段の段数は三段に限られない。例えば、一段であったり、四段以上であったりしてもよい。

さらに、図１２に示す第二実施形態の他の態様のように、インデューサ１１０と圧送部１１２との間の回転軸１２２の途中に増速器１３１を設けるようにしても良い。この増速器１３１によりインデューサ１１０の回転数を圧送部１１２の回転数よりも高めることができる。なお、増速器１３１としては、例えば、遊星ギヤ状のインライン形を用いることができる。

また、第二実施形態の変形例において、第一加熱回路１２３が熱媒体を、何ら動力を用いずに循環させる場合について説明した。しかし、第一加熱回路１２３に熱媒体を循環させるアクチュエータ等の動力源を設けても良い。また、第二実施形態の変形例において、第二加熱回路１２４がポンプ１３０を用いて熱媒体を循環させる場合について説明した。しかし、この構成に限られず、例えば、ポンプ１３０を用いる以外の方法により第二加熱回路１２４の熱媒体を循環させるようにしても良い。

さらに、第二実施形態の変形例において、駆動部１０８Ｂの排熱により流体Ｆ１を加熱する場合について説明した。しかし、流体Ｆ１を加熱するための熱源は、駆動部１０８Ｂに限られない。

また、上述した第二実施形態の変形例においては、軸線Ｏ方向で、インデューサ１１０Ｂ、圧送部１１２、駆動部１０８Ｂの順に並んで配置される場合について説明した。しかし、インデューサ１１０Ｂ、圧送部１１２、駆動部１０８Ｂの配列は、この配列に限られない。例えば、インデューサ１１０Ｂ、駆動部１０８Ｂ、圧送部１１２の順で配置するようにしても良い。このように配列することで、インデューサ１１０Ｂと駆動部１０８Ｂとの距離を短くすることができる。その結果、熱媒体の温度低下を抑制して、駆動部１０８Ｂの排熱を効率よく流体Ｆ１へ伝達させることができる。
さらに、インデューサ１１０Ｂ、駆動部１０８Ｂ、圧送部１１２の順で配置するようにした場合、駆動部１０８Ｂと圧送部１１２との間に減速機を設けても良い。このようにすることで、圧送部１１２の回転数を駆動部１０８Ｂの回転数よりも低くできる。これにより、駆動部１０８Ｂを高速化できるため、例えば、高速モータを使用して駆動部１０８Ｂを小型化することができる。なお、減速機としては、例えば、遊星ギヤ状のインライン形を用いることができる。

１ ガスハイドレート回収システム
２ 採掘機
３ 移送管
４ 分離回収装置
５ ライザー管
６ 揚収母船
７ 分離装置本体部
８ 駆動部
９ 加熱部
１０ 収容部
１０ａ 内周面
１１ 往復移動部
１１ａ 端面
１１ｂ ピストンロッド
１２ 排出管
１３ クランクシャフト
１４ 燃焼気体供給部
１５ 着火部
１６ 燃焼気体供給配管
１７ メタンガス分岐配管
１８ コンプレッサ
１９ 分岐配管
２０ 予熱部
２１ 排気配管
１００，１００Ｂ ガスハイドレート回収システム
１０２ 採掘機
１０３ 移送管
１０４ 分離回収装置
１０５ ライザー管
１０６ 揚収母船
１０７ 分離装置本体部
１０８，１０８Ｂ 駆動部
１０８Ｂａ ロータ
１０８Ｂｂ ステータ
１０９ 分離管
１１０，１１０Ｂ インデューサ
１１１ 排出管
１１２ 圧送部
１１３ 回収管
１１４ 翼
１２０ 加熱部
１２１ ボス
１２２ 回転軸
１２３ 第一加熱回路
１２４ 第二加熱回路
１２５ 第一流路
１２６ 第二流路
１２７ 循環配管
１２８ 第一熱交換器
１２９ 第二熱交換器
１３０ ポンプ
１３１ 増速器
Ｄ 伝達機構
Ｄ１，Ｄ２ 断熱材
Ｍ メタンガス
Ｐ１ 導入ポート
Ｐ２ 回収ポート
Ｐ３ 排出ポート
Ｔ１，Ｔ２ 堆積物

Claims (10)

1. 内部に分離空間を形成する収容部と、
   往復駆動されることで前記分離空間の容積を往復変化させる往復移動部と、
   前記往復移動部を往復駆動させる駆動部と、を備え、
   前記収容部は、
   前記往復移動部が第一位置にある際に、開状態となって前記分離空間内にガスハイドレートを含む堆積物を導入する導入ポートと、
   前記往復移動部が前記第一位置にある状態よりも前記分離空間の容積が大きくなって減圧状態となる第二位置にある際に開状態となって、前記ガスハイドレートから分離したガスを回収する回収ポートと、
   前記往復移動部が前記第二位置から前記第一位置に移動する際に、前記堆積物を排出する排出ポートと、
   を備える分離回収装置。
2. 前記分離空間に導入されたガスハイドレートを加熱可能な加熱部を備える請求項１に記載の分離回収装置。
3. 前記加熱部は、
   前記分離空間に、燃焼可能な気体を供給する燃焼気体供給部と、
   前記燃焼気体供給部によって供給された前記気体に着火する着火部と、を備える請求項２に記載の分離回収装置。
4. 前記燃焼可能な気体は、前記ガスハイドレートから分離したガスの一部を含む請求項３に記載の分離回収装置。
5. 前記駆動部は、前記ガスハイドレートから分離したガスの一部を燃料として駆動する内燃機関である請求項１から４の何れか一項に記載の分離回収装置。
6. 前記駆動部で生じる排熱と、前記分離空間へ導入前の前記ガスハイドレートとの間で熱交換させる熱交換部を備える請求項１から５の何れか一項に記載の分離回収装置。
7. ガスハイドレートを含む堆積物及び海水を含む流体が導入される分離管と、
   前記分離管内に配置され、前記分離管の軸線回りに回転することで、前記流体の流れに剥離を発生させて前記ガスハイドレートからガスを分離させるインデューサと、
   少なくとも前記インデューサを回転させる駆動部と、
   前記インデューサの径方向外側で前記分離管に接続されて、インデューサによる遠心分離によって前記流体を外部に排出する排出管と、
   前記分離管における前記インデューサの下流側に設けられて、軸線回りに回転することで、前記ガスを圧送する圧送部と、
   前記圧送部の下流側で前記分離管に接続されて、前記ガスを回収する回収管と、
   を備える分離回収装置。
8. 前記分離管に導入された前記流体を加熱可能な加熱部を備える請求項７に記載の分離回収装置。
9. 前記加熱部は、
   前記駆動部の排熱によって前記インデューサを加熱する請求項８に記載の分離回収装置。
10. 請求項１から９の何れか一項に記載の分離回収装置と、
    前記ガスハイドレートを採掘する採掘装置と、
    前記採掘装置により採掘した前記ガスハイドレートを前記分離回収装置へ移送する移送管と、
    前記分離回収装置で回収されたガスを揚収する揚収管と、
    を備えるガスハイドレート回収システム。

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