JP2023000414A - 液化炭酸ガス昇温設備および液化炭酸ガス昇温方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＣＳにおいて液化炭酸ガスを好適に昇温する。【解決手段】液化炭酸ガス昇温設備１０は、海水と熱媒体の供給を受け、海水との熱交換により熱媒体を昇温する熱媒体昇温器１８と、熱媒体昇温器１８で昇温された熱媒体との熱交換により、液化炭酸ガスを所定の温度に昇温する昇温用熱交換器１６と、熱媒体昇温器１８に供給される熱媒体の温度が海水の凍結温度以上となるように制御する熱媒体温度制御部３０と、を備える。【選択図】図２
Description
本発明は、ＣＣＳ（Carbon Capture and Strage）における液化炭酸ガス（液化ＣＯ２）の昇温設備および昇温方法に関する。
ＣＣＳ（二酸化炭素回収・貯留）は、ＣＯ２の発生源(例えば石炭火力発電所の燃焼排ガス)からＣＯ２を化学吸収法などで回収し、圧縮して超臨界状態で岩盤などで遮蔽された地下の滞水層（貯留層)に圧入し、貯留するものであり、地球温暖化対策の一つである。（ＣＣＳについては例えば特許文献１、２参照）。
ＣＣＳには様々な方式があるが、その一つに液化炭酸ガス輸送・圧入方式がある。この方式では、分雛・回収されたＣＯ２は圧縮・液化され、一旦、液化炭酸ガスの形で陸上のタンクに貯蔵し、タンクから液化炭酸ガス輸送船に積載し、貯留地点まで船舶輸送される。貯留地点で液化炭酸ガスは、液化炭酸ガス輸送船から海底下の滞水層に圧入される。
液化炭酸ガスを貯留層(滞水層)に圧入する際には、周囲の水の凍結防止とＣＯ２ハイドレート形成による閉塞を防止するために、液化炭酸ガス（例えば－１０℃／２．２８９ＭＰａ～－５０℃／０．６８４ＭＰａ）を所定圧力（１０ＭＰａ以上）に昇圧後、０℃以上に昇温して圧入が行われる。
液化炭酸ガスを昇温するためには何らかの熱源が必要となるが、液化炭酸ガス輸送船上という条件を考慮すると、利用可能な熱源は限られる。一つの方法としては、温水ボイラーにより温水を生じさせ、温水と液化炭酸ガスとを熱交換することにより液化炭酸ガスを昇温させる方法が考えられる。しかしながら、この方法の場合、温水ボイラーに大量の燃料を消費するためコストが増大し、また燃料消費に伴ってＣＯ２が排出されるという課題がある。
本発明は、こうした状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＣＣＳにおいて液化炭酸ガスを好適に昇温することのできる技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の液化炭酸ガス昇温設備は、海水と熱媒体の供給を受け、海水との熱交換により熱媒体を昇温する熱媒体昇温器と、熱媒体昇温器で昇温された熱媒体との熱交換により、液化炭酸ガスを所定の温度に昇温する昇温用熱交換器と、熱媒体昇温器に供給される熱媒体の温度が海水の凍結温度以上となるように制御する熱媒体温度制御部と、を備える。
本発明の別の態様は、液化炭酸ガス昇温方法である。この方法は、熱媒体昇温器に海水と熱媒体を供給するステップと、熱媒体昇温器を用いて、海水との熱交換により熱媒体を昇温するステップと、熱媒体との熱交換により液化炭酸ガスを所定の温度に昇温するステップと、熱媒体昇温器に供給される熱媒体の温度が海水の凍結温度以上となるように制御するステップと、を備える。
本発明によれば、ＣＣＳにおいて液化炭酸ガスを好適に昇温することのできる技術を提供できる。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。以下の構成は本開示を理解するための例示を目的とするものであり、本開示の範囲は、添付の請求の範囲によってのみ定まる。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
図１は、本発明の実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備が用いられるＣＣＳの概略フローを示す図である。図１は、液化炭酸ガス輸送・圧入方式のＣＣＳを示す。ＣＣＳには他に、海底パイプライン方式やＥＲＤ（Extended Reach Drilling）方式などがある。
ＣＣＳにおいては、例えば石炭火力発電所の燃焼排ガスなどのＣＯ２発生源から、例えば化学吸収法などを用いてＣＯ２を分離・回収する。その後、回収したＣＯ２を圧縮して液化し、液化炭酸ガスの形で陸上のタンクに貯蔵する。液化炭酸ガスは、タンクから液化炭酸ガス輸送船１００に積載され、海洋１１０上の貯留地点１０２まで船舶輸送される。
液化炭酸ガス輸送船１００に積載された液化炭酸ガスは、液化炭酸ガス輸送船１００に設置された液化炭酸ガス昇温設備１０により昇圧および昇温された後、貯留地点１０２で液化炭酸ガス輸送船１００から滞水層１１４に圧入される。滞水層１１４は、海底の下に位置する遮断層１１２よりもさらに下の層である。
図１に示すＣＣＳでは、液化炭酸ガスは、海底設備接続用ＦＲＰ（Flexible Riser Pipe）を介して海底に設置されたウェルヘッド（Well Head）１０６に送られる。その後、液化炭酸ガスは、海底に敷設されたフローライン１０７を介してクリスマスツリー（Xmas Tree）１０８に送られる。クリスマスツリーとは、坑井から生産される流体の圧力を制御するバルブの集合体である。クリスマスツリー１０８において、液化炭酸ガスは滞水層１１４に圧入される。
上記では、液化炭酸ガス昇温設備１０を液化炭酸ガス輸送船１００に設置したが、液化炭酸ガス昇温設備１０は、洋上に設置した着底式プラットフォームや、洋上に係留した浮体（ＦＳＯ：Floating Storage and Offloading またはBuoy）に設置されてもよい。
図２は、本発明の実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備１０を説明するための図である。液化炭酸ガス昇温設備１０は、船舶輸送された液化炭酸ガス（例えば－１０℃／２．２８９ＭＰａ～－５０℃／０．６８４ＭＰａ）を海底の貯留層（滞水層）に圧入するための昇圧、および貯留層に液化炭酸ガスが圧入されたとき、周囲の水の凍結とＣＯ２ハイドレート形成による閉塞を防止するための昇温を行う設備である。
ここで、ＣＣＳにおける圧入条件について説明する。
（１）圧入圧力
圧入圧力は、貯留層の深さ、浸透率、遮蔽層の強さで異なるが、一般的には圧入地点の「Ｓｔａｔｉｃ Ｈｅａｄ＋３ＭＰａ～遮蔽層の破壊圧力」で示される。海底の地下貯留層でのＣＣＳの場合、圧入深度を２０００ｍ～３０００ｍ、液化炭酸ガスの密度、坑井での圧力損失を考慮すると、海底のクリスマスツリー１０８（図１参照）で１０ＭＰａ～１３ＭＰａ程度が好適な圧入圧力となる。
（２）圧入温度
液化炭酸ガスが貯留層（滞水層１１４）に圧入されたとき、周囲の水の凍結防止(０℃以上)とＣＯ２ハイドレート形成（５℃以下）による閉塞を防止するために昇温して圧入をする必要がある。過去のＣＣＳの実例において０℃で圧入時にＣＯ２ハイドレート形成による閉塞が起きていないことを考慮すると、液化炭酸ガスの圧入温度は０℃以上が好適である。
（１）圧入圧力
圧入圧力は、貯留層の深さ、浸透率、遮蔽層の強さで異なるが、一般的には圧入地点の「Ｓｔａｔｉｃ Ｈｅａｄ＋３ＭＰａ～遮蔽層の破壊圧力」で示される。海底の地下貯留層でのＣＣＳの場合、圧入深度を２０００ｍ～３０００ｍ、液化炭酸ガスの密度、坑井での圧力損失を考慮すると、海底のクリスマスツリー１０８（図１参照）で１０ＭＰａ～１３ＭＰａ程度が好適な圧入圧力となる。
（２）圧入温度
液化炭酸ガスが貯留層（滞水層１１４）に圧入されたとき、周囲の水の凍結防止(０℃以上)とＣＯ２ハイドレート形成（５℃以下）による閉塞を防止するために昇温して圧入をする必要がある。過去のＣＣＳの実例において０℃で圧入時にＣＯ２ハイドレート形成による閉塞が起きていないことを考慮すると、液化炭酸ガスの圧入温度は０℃以上が好適である。
図２に示すように、液化炭酸ガス昇温設備１０は、貯蔵タンク１２と、昇圧ポンプ１４と、昇温用熱交換器１６と、熱媒体昇温器１８と、海水ポンプ２０と、熱媒体ドラム２２と、熱媒体ポンプ２４と、熱媒体温度制御部３０と、を備える。
貯蔵タンク１２は、液化炭酸ガス（液化ＣＯ２）を貯蔵する。液化炭酸ガスの温度は－１０℃～－５０℃であってよく、液化炭酸ガスの圧力は２．２８９ＭＰａ～０．６８４ＭＰａであってよい。貯蔵タンク１２に貯蔵された液化炭酸ガスは、昇圧ポンプ１４に供給される。
昇圧ポンプ１４は、貯蔵タンク１２から供給された液化炭酸ガスを所定の圧力（例えば１０ＭＰａ以上）に昇圧する。昇圧ポンプ１４により昇圧された液化炭酸ガスは、昇温用熱交換器１６に供給される。
昇温用熱交換器１６は、円筒胴内に複数の伝熱管を収めた円筒胴多管式熱交換器である。本実施形態において、昇温用熱交換器の円筒胴および伝熱管はいずれも一般的な鋼鉄製である。昇圧ポンプ１４からの液化炭酸ガスは、昇温用熱交換器１６の管側に供給される。液化炭酸ガスは、昇温用熱交換器１６の管側入口１６ａに入力され、管側出口１６ｂから出力される。一方、昇温用熱交換器１６の胴側には熱媒体が供給される。熱媒体は、ライン３３を介して昇温用熱交換器１６の胴側入口１６ｃに入力され、胴側出口１６ｄから出力される。昇温用熱交換器１６は、管側に供給される液化炭酸ガスと胴側に供給される熱媒体との間で熱交換を行い、液化炭酸ガスを所定の温度（０℃以上）に昇温する。
熱媒体としては、昇温用熱交換器１６に供給される液化炭酸ガスの温度（－１０℃～－５０℃）でも凍結しないもの（不凍液）が用いられる。このような熱媒体としては、例えば、エチレングリコール水溶液、プロピレングリコール水溶液、エチレングリコール水溶液とプロピレングリコール水溶液の混合溶液、または炭化水素化合物の溶液を用いることができる。各溶液におけるエチレングリコール、プロピレングリコール、炭化水素化合物などの含有量は、供給される液化炭酸ガスの温度で凍結しないことを条件に設定され、例えばエチレングリコール１０ｗｔ％以上や、プロピレングリコールの１０ｗｔ％以上に設定される。これらの溶液は、防錆剤を含むことが好ましい。
昇温用熱交換器１６の胴側出口１６ｄから出力された熱媒体は、ライン３４を介して熱媒体ドラム２２に供給される。熱媒体は、その後、熱媒体ポンプ２４によって熱媒体昇温器１８に供給される。
熱媒体温度制御部３０は、熱媒体昇温器１８に供給される熱媒体の温度が海水の凍結温度（－２℃）以上となるように制御する。熱媒体温度制御部３０は、制御弁２６と、温度センサ２８とを備える。
制御弁２６は、図２に示すように、昇温用熱交換器１６の胴側入口１６ｃと胴側出口１６ｄとをバイパスするバイパスライン３２に設置されている。すなわち、バイパスライン３２は、熱媒体昇温器１８の熱媒体出口１８ｂと昇温用熱交換器１６の胴側入口１６ｃとを接続するライン３３と、昇温用熱交換器１６の胴側出口１６ｄと熱媒体ドラム２２の入口２２ａとを接続するライン３４とをバイパスしている。
温度センサ２８は、昇温用熱交換器１６の胴側出口１６ｄから出力される熱媒体と、バイパスライン３２からの熱媒体とが合流した後の熱媒体の温度を検出するように配置される。制御弁２６は、温度センサ２８での検出値に基づいて、合流後の熱媒体の温度、すなわち熱媒体ドラム２２に供給される熱媒体の温度が、海水の凍結温度（－２℃）以上となるように、バイパスライン３２を流れる熱媒体の流量を制御する。
熱媒体昇温器１８は、海水（例えば５℃以上）と熱媒体（－２℃以上）の供給を受け、海水との熱交換により熱媒体を昇温する。本実施形態において、熱媒体昇温器１８は、耐海水腐食性および摩耗性に優れたチタン製プレートを備えるプレート式熱交換器である。プレート式熱交換器は、伝熱特性が高いことが特徴である。プレート式熱交換器においては、流体はほぼ平行量で伝熱係数が高く、場所による偏差が小さく、流体間の温度差２℃で十分熱交換が可能である。海水は、海水ポンプ２０によって熱媒体昇温器１８の海水入口１８ｃに入力され、熱媒体昇温器１８の海水出口１８ｄから出力される。一方、熱媒体は、熱媒体昇温器１８の熱媒体入口１８ａに入力され、熱媒体昇温器１８の熱媒体出口１８ｂから出力される。
具体的な温度を例示して液化炭酸ガス昇温設備１０の動作を説明する。ここでは、－２０℃、１．９７ＭＰａの液化炭酸ガスを０℃、１０ＭＰａに昇圧・昇温する場合を考える。熱媒体昇温器１８は、例えば７℃の海水と－１℃の熱媒体（エチレングリコール水溶液：凍結温度－２３℃）の供給を受け、熱媒体を５℃に昇温する。熱媒体昇温器１８により昇温された熱媒体は、ライン３３を介して昇温用熱交換器１６の胴側入口１６ｃに供給される。昇圧ポンプ１４は、－２０℃、１．９７ＭＰａの液化炭酸ガスを－２０℃、１０．５ＭＰａに昇圧する。昇温用熱交換器１６は、管側入口１６ａに供給された－２０℃、１０．５ＭＰａの液化炭酸ガスを、５℃の熱媒体との熱交換により０℃（１０．２ＭＰａ）に昇温する。－４６℃、０．８０ＭＰａの液化炭酸ガスを０℃、１０ＭＰａに昇圧・昇温する場合は、昇圧ポンプ１４の出口が－４６℃、１０．５ＭＰａとなり、それ以外の箇所の温度、圧力は同じである。
以上、本実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備１０の構成について説明した。本実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備１０によれば、海水を利用して液化炭酸ガスの昇温を行っているので、燃料を必要とする温水ボイラーを使用する場合と比較してコストを低減することができ、また排出されるＣＯ２も非常に少ない。
海水の最低温度は、日本海側では冬期に６℃～８℃（北海では４℃～６℃）となる。このような低温の海水で直接－１０℃～－５０℃の液化炭酸ガスを熱交換すると、熱交換機内で海水が凍結し、熱交換器が閉塞する虞がある。そこで、本実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備１０のように、凍結温度の低い熱媒体と液化炭酸ガスの熱交換とすることにより、熱交換器の閉塞を防ぐことができる。
熱媒体昇温器１８では、海水と熱媒体の熱交換を行っている。しかしながら、本実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備１０では、熱媒体温度制御部３０によって、熱媒体昇温器１８の熱媒体入口１８ａに入力される熱媒体の温度が海水の凍結温度（約－２℃）以上となるように制御しているので、熱媒体昇温器１８内で海水の凍結は発生しない。
本実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備１０では、昇温用熱交換器１６に供給される流体は腐食性が低いため、高価なチタンではなく、一般的な鋼鉄を材料として用いることができる。その結果、円筒胴多管式の昇温用熱交換器１６のコストを大幅に低減できる。
本実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備１０において、熱媒体昇温器１８は、耐海水腐食性および摩耗性に優れたチタン製プレートを備えるプレート式熱交換器である。チタンを用いるのは耐海水腐食性のためであるが、プレートの厚みは０．４ｍｍ～０．７ｍｍと薄いため、チタン製の伝熱管を用いた円筒胴多管式熱交換器と比較して、熱媒体昇温器１８は安価である。
図３は、本発明の別の実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備４０を説明するための図である。図３に示す液化炭酸ガス昇温設備４０は、液化炭酸ガス気化用熱交換器４２をさらに備える点が図２に示す液化炭酸ガス昇温設備１０と異なる。
液化炭酸ガス気化用熱交換器４２は、円筒胴多管式熱交換器であり、円筒胴および伝熱管はいずれも一般的な鋼鉄製である。熱媒体昇温器１８の熱媒体出口１８ｂからの熱媒体の一部は、液化炭酸ガス気化用熱交換器４２の管側に供給される。熱媒体は、液化炭酸ガス気化用熱交換器４２の管側入口４２ａに入力され、管側出口４２ｂから出力されてライン３４で昇温用熱交換器１６からの熱媒体と合流する。一方、液化炭酸ガス気化用熱交換器４２の胴側には貯蔵タンク１２からの液化炭酸ガスの一部が供給される。液化炭酸ガスは、液化炭酸ガス気化用熱交換器４２の胴側入口４２ｃに入力され、熱媒体と熱交換されて気化され、胴側出口４２ｄから出力される。液化炭酸ガス気化用熱交換器４２の胴側出口４２ｄから出力された炭酸ガスは、リターンガスとして貯蔵タンク１２に供給される。
本実施形態に係る液化炭酸ガス昇温設備４０においては、液化炭酸ガスの一部を気化させ、リターンがとして貯蔵タンク１２に供給することにより、液化炭酸ガスの払い出しによる貯蔵タンク１２の圧力低下を防止することができる。
具体的な温度を例示して液化炭酸ガス昇温設備４０の動作を説明する。ここでは、－２０℃、１．９７ＭＰａの液化炭酸ガスを０℃、１０ＭＰａに昇圧・昇温する場合を考える。熱媒体昇温器１８は、例えば７℃の海水と－１℃の熱媒体（エチレングリコール水溶液：凍結温度－２３℃）の供給を受け、熱媒体を５℃に昇温する。熱媒体昇温器１８により昇温された熱媒体は、ライン３３を介して昇温用熱交換器１６の胴側入口１６ｃに供給される。昇圧ポンプ１４は、－２０℃、１．９７ＭＰａの液化炭酸ガスを－２０℃、１０．５ＭＰａに昇圧する。昇温用熱交換器１６は、管側入口１６ａに供給された－２０℃、１０．５ＭＰａの液化炭酸ガスを、５℃の熱媒体との熱交換により０℃（１０．２ＭＰａ）に昇温する。－２０℃、１．９７ＭＰａの液化炭酸ガスの一部は、液化炭酸ガス気化用熱交換器４２の胴側入口４２ｃに供給される。液化炭酸ガス気化用熱交換器４２は、胴側入口４２ｃに供給された液化炭酸ガスを、管側入口４２ａに供給された５℃の熱媒体との熱交換により気化し、胴側出口４２ｄから出力する（－２０℃、１．９７ＭＰａ）。－４６℃、０．８０ＭＰａの液化炭酸ガスを０℃、１０ＭＰａに昇圧・昇温する場合は、昇圧ポンプ１４の出口が－４６℃、１０．５ＭＰａ、液化炭酸ガス気化用熱交換器４２の胴側出口４２ｄが－４６℃、０．８０ＭＰａとなり、それ以外の箇所の温度、圧力は同じである。
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
１０，４０ 液化炭酸ガス昇温設備、 １２ 貯蔵タンク、 １４ 昇圧ポンプ、 １６ 昇温用熱交換器、 １８ 熱媒体昇温器、 ２０ 海水ポンプ、 ２２ 熱媒体ドラム、 ２６ 制御弁、 ２８ 温度センサ、 ３０ 熱媒体温度制御部、 ３２ バイパスライン、 ４２ 液化炭酸ガス気化用熱交換器、 １００ 液化ＣＯ２輸送船。
Claims (7)
- 海水と熱媒体の供給を受け、前記海水との熱交換により前記熱媒体を昇温する熱媒体昇温器と、
前記熱媒体昇温器で昇温された前記熱媒体との熱交換により、液化炭酸ガスを所定の温度に昇温する昇温用熱交換器と、
前記熱媒体昇温器に供給される前記熱媒体の温度が前記海水の凍結温度以上となるように制御する熱媒体温度制御部と、
を備えることを特徴とする液化炭酸ガス昇温設備。 - 前記昇温用熱交換器は、円筒胴内に複数の伝熱管を収めた円筒胴多管式熱交換器であり、
前記液化炭酸ガスは、前記昇温用熱交換器の前記伝熱管側に供給され、
前記熱媒体昇温器からの前記熱媒体は、前記昇温用熱交換器の前記円筒胴側に供給される、ことを特徴とする請求項１に記載の液化炭酸ガス昇温設備。 - 前記昇温用熱交換器の前記円筒胴および前記伝熱管はいずれも鋼鉄製であることを特徴とする請求項２に記載の液化炭酸ガス昇温設備。
- 前記熱媒体は、エチレングリコール水溶液、プロピレングリコール水溶液、エチレングリコール水溶液とプロピレングリコール水溶液の混合溶液、または炭化水素化合物の溶液であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液化炭酸ガス昇温設備。
- 前記熱媒体昇温器は、チタン製プレートを備えるプレート式熱交換器であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液化炭酸ガス昇温設備。
- 前記昇温用熱交換器に供給するための前記液化炭酸ガスを貯蔵する貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクからの前記液化炭酸ガスの一部と、前記熱媒体昇温器からの前記熱媒体の一部の供給を受け、前記熱媒体との熱交換により前記液化炭酸ガスを気化する液化炭酸ガス気化用熱交換器と、をさらに備え、
前記液化炭酸ガス気化用熱交換器で気化された炭酸ガスは、前記貯蔵タンクに供給されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の液化炭酸ガス昇温設備。 - 熱媒体昇温器に海水と熱媒体を供給するステップと、
前記熱媒体昇温器を用いて、前記海水との熱交換により前記熱媒体を昇温するステップと、
前記熱媒体との熱交換により液化炭酸ガスを所定の温度に昇温するステップと、
前記熱媒体昇温器に供給される前記熱媒体の温度が前記海水の凍結温度以上となるように制御するステップと、
を備えることを特徴とする液化炭酸ガス昇温方法。
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