JP3868033B2 - Lngボイルオフガスの再液化方法及びその装置 - Google Patents

Lngボイルオフガスの再液化方法及びその装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は液化天然ガス(LNGと略称)を気化し、天然ガス(NGと略称)として供給する時の冷熱を利用してNGの非供給時にボイルオフガス(BOGと略称)をLNGとして再液化する方法及びそのための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
LNGは保冷タンクに貯蔵され、NG供給時にはLNGを気化し更に加圧して火力発電プラントや都市ガス用NGとして払い出される。NGの供給時に保冷タンクより払い出されるLNGは、従来は海水で熱交換してNGとしていた。したがって、LNGが保有している冷熱を有効利用することもなく海水に廃棄していたために、低温海水が発生し環境に影響を与えるという問題があった。
【0003】
また、LNGタンクは保冷されているが、BOGは、外部からの熱により常時LNGの一部が気化したり、また配管部や機器類においても自己熱容量や外部入熱により、LNGの払い出し時や輸送船からの受け入れ時に一部が気化したりして発生する。BOGの発生量は、定常的な貯蔵状態時には貯蔵量に対して約0.001〜0.1%/Hrである。このように、昼夜を問わず常時発生するBOGの処理方法について有効な方法が求められていた。
【0004】
ここでは、BOGを再液化して得られるLNGを、LNGタンクに戻すという観点からBOG再液化処理法の従来技術をレビューした結果を以下に示す。
【0005】
(a)圧縮、冷却、膨張の組合せによる液化サイクルを利用したものに関しては、特開昭50−22771号公報にBOG自体を作動媒体として使用する方法が、特開昭57−65792号公報にアンモニアを中間冷媒として使用する方法が、特開平2−157583号公報に窒素を作動媒体とする閉ループサイクルによる方法が開示されている。
【0006】
(b)送ガス負荷の高い昼間にLNG冷熱を蓄冷し、低負荷の夜間に蓄冷を利用してBOGを再液化するものに関して、特開昭60−98300号公報にはイソペンタン、イソブタンなどの炭化水素を冷媒として使用し、その顕熱、潜熱を利用して蓄冷する方法が、特開平2−157583号公報にはアルコール類及びその水溶液を冷媒として使用し、その顕熱、潜熱を利用して蓄冷する方法が開示されている。
【0007】
(c)送ガス時のLNG気化操作と同時にLNG冷熱を利用しBOGを再液化するものに関しては、特開平4−370499号公報にBOGを圧縮後冷却、液化し、液化したBOGを、払い出しLNGと混合し送ガスする方法が、特開昭62−147197公報にBOG液化サイクルを構成し、液化BOGを貯槽に還流する方法が開示されている。
【0008】
(d)BOGへの高沸点成分の添加による再液化を容易にする方法に関しては、特開平2−240499号公報にBOGを加熱後、炭素数2〜4の炭化水素を添加する方法が、特開平3−41518号公報にBOG中の窒素濃度低減のためにBOGの重質成分を再液化器にリサイクルする方法が開示されている。
【0009】
上記において、(a)の処理方式はBOGに液化サイクルを適用するもので、時間帯によらず稼働可能であるが、LNG冷熱を有効に利用するプロセスとはなっていない。
【0010】
(b)の処理方式は、LNG冷熱を蓄冷しておいて利用するので送ガスの途絶または激減する夜間においてもBOGの再液化が可能であり、LNG冷熱を利用するのでBOG液化の動力費の低減を可能にしているが、蓄冷材の蓄冷特性上から蓄冷槽が大きくなるという問題がある。
【0011】
(c)の処理方式は、LNG冷熱を蓄冷しないことから、LNG払い出し時のみBOG再液化が可能であるが、BOG処理が最も問題となる夜間にはBOGの再液化ができないという問題がある。
【0012】
(d)の処理方式は、BOG再液化時のBOGの露点を上げるため、重質炭化水素を添加してBOGの再液化を容易にする補助的手段にすぎず、LNG冷熱を蓄冷しないことから、LNG払い出し時のみBOG再液化が可能であるが、BOG処理が最も問題となる夜間にはBOG再液化ができないという問題がある。
【0013】
上述のように、従来から提案されているBOGの処理方法の内、好ましい方法は、払い出し時にLNGの気化の際に発生する冷熱を利用して冷媒又は蓄冷材を冷却しておき、需要量が減少又は停止した時に、冷却した冷媒又は蓄冷材の冷熱を利用してBOGを再液化してLNGタンクに戻す方式(b)(特開昭60−98300号公報)などである。しかしこの方法も現状では蓄冷槽を大きくする必要があるという問題がある。
【0014】
この他、BOG再液化に係わる周辺技術として、BOGを払い出されるNGに混ぜて利用したり、あるいは冷熱を利用して空気を液化し、精留して、液化窒素、液化酸素、液化アルゴンを併産したり、二酸化炭素を冷却して液化二酸化炭素やドライアイスを併産できることは周知である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、火力発電プラントや都市ガス用NGとして払い出されるLNGの量は時間帯や季節により大きく変動する。一方、BOGは、LNGタンクへのLNG受け入れ時や貯蔵時やNGの払い出し時において、非定常的に昼夜を含め常時発生している。
【0016】
LNGの払い出される量が多い昼間時には、BOGを圧縮して、払い出しLNGに直接混合して消費するか、間接的に混合して再液化してLNGタンクに戻すことで処理が可能である。
【0017】
しかし、夜間や早朝にLNGの払い出しが減少ないしは無い場合には、処理量が不定期に変動するBOGを安定して処理できて、LNG冷熱を有効利用できるコンパクトで且つ省エネルギータイプのBOG処理技術のさらなる確立が望まれている。
【0018】
本発明の課題は、上記の問題を生ずることなく、発生量が変動するBOGをLNG冷熱を利用して効率的に液化する方法及びそのための装置を提供することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討した結果、前記課題を解決しうる本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、払い出されるLNGの冷熱を利用してLNGの需要期間に液化空気を製造し、貯蔵し、LNGの非需要期間に該液化空気を用いてBOGを液化するBOGの再液化方法を提供するものであり、特に、需要期間が昼間であり、非需要期間が夜間又は早朝であるBOGの再液化方法に関するものである。これによってLNG冷熱を有効に利用して、LNGの非需要期間もBOGの再液化を行うことができる。
【0020】
更に詳細には本発明によるBOGの再液化方法は、払い出しLNGを圧縮空気冷却用熱交換器で熱交換し、更に空気冷却用熱交換器で熱交換してNGとし、該空気冷却用熱交換器で熱交換した空気を圧縮し、前記圧縮空気冷却用熱交換器で熱交換した後、必要に応じさらに断熱膨張させて、液化空気を製造し、BOGを圧縮した後BOG液化用熱交換器で該液化空気と熱交換してBOGを液化す
【0021】
本発明によBOGの再液化方法では特に熱交換器でHFC−23、HCFC−22、HCFC−124またはそれらの混合物のような不燃性冷媒を介して熱交換するのが安全で好ましい。
【0022】
さらに、本発明は、LNG貯槽、圧縮空気冷却用熱交換器、空気冷却用熱交換器、断熱膨張装置、液化空気貯槽、空気圧縮装置、BOG圧縮装置、BOG液化用熱交換器を有し、LNG貯槽から払い出したLNGを圧縮空気冷却用熱交換器で熱交換し、更に空気冷却用熱交換器で熱交換してNGとするよう接続する。
【0023】
さらに、空気冷却用熱交換器で熱交換した空気を空気圧縮装置により圧縮し、続いて圧縮空気冷却用熱交換器でLNGと熱交換した後、断熱膨張させて、液化空気を製造し、得られた液化空気を液化空気貯槽に貯蔵するよう接続し、さらに、BOGをBOG圧縮装置により圧縮した後、BOG液化用熱交換器で該液化空気と熱交換してBOGを液化するよう構成し前記した本発明によるBOG再液化方法に使用するためのBOGの再液化装置を提供する。この装置によれば、前記した本発明によるBOG再液化方法を効率的に実施することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
LNGは、産地によって組成が若干異なるが、通常、メタンを主成分とする炭素数1〜5の飽和炭化水素からなり、常圧ないし加圧下に、−150〜−170℃に冷却されて液化し貯蔵されており、常圧における気化温度は約−161℃である。
【0025】
したがって、LNGが気化し外温のNGとなるまでの蒸発潜熱及び/又は顕熱を冷熱として利用して、液化空気を製造し、貯蔵し、随時、これを使用してBOGを再液化することができる。常圧下の液化空気は、標準状態の空気を基準にして、単位重量あたりの蓄冷熱量が101.3kcal/kgと大きいので、貯蔵するのに小さな設備で済むので好ましい。
【0026】
BOGはLNGタンク内の上部にほぼ常圧で溜まり、その温度は−100〜−160℃であり、主たる成分はメタンであり、常圧における液化温度は約−161℃で、30kg/cm2 Gに圧縮した状態の液化温度は約−145℃である。
【0027】
本発明で、払い出しLNGとは、LNG保冷タンクから火力発電プラントや都市ガス用にNGとして払い出されるLNGを言い、需要期間とは、LNGが上記用途に払い出される期間を言い、非需要期間とは、上記用途に払い出される量が大幅に減少又は0である期間を言う。したがって、例えば、需要期間とは昼間であり、非需要期間とは夜間又は早朝あるいは火力発電プラント等の停止期間である。
【0028】
BOGは需要期には火力発電プラントや都市ガス用にNGとして払い出されるが、非需要期には外熱によりほぼ一定の速度で発生し、また輸送船等からのLNG受け入れ時にはタンク壁、配管、機器類の予冷に伴い、比較的短時間内に多量のBOGを発生してLNGタンク内の上部に溜まるので、上記発生速度に合わせてBOGを液化空気の保有冷熱により再液化する必要がある。
【0029】
液化用の空気は必要により清浄化処理をした上で、空気冷却用熱交換器で中間冷媒を介してNGと熱交換して冷却され、さらに圧縮、冷却されて水分、二酸化炭素等を除去した後、圧縮空気冷却用熱交換器で中間冷媒を介してLNGにより深冷される。
【0030】
水分、二酸化炭素等の除去には、それぞれ温度レベルの異なるNGを使用することができる。例えば、−50℃以上のNGは水分の除去に使用され、より低温のNGは二酸化炭素の除去に使用される。
【0031】
深冷された空気は、必要であれば深冷空気熱交換器で更に熱交換した後、断熱膨張により冷却されて液化する。断熱膨張により生じた液化空気は気体と分離され、液化空気タンクに貯蔵され、気体は冷却されているので上記深冷空気熱交換器で熱交換した後、例えば、空気圧縮機の前段等にリサイクルされたり、または空気冷却用熱交換器を経て大気に放出される。
【0032】
なお、空気圧縮機と液化空気タンクの間に膨張タービンを設置し、圧縮空気の一部を膨張タービンに供給して可逆膨張させて冷却し、タービンにより空気をさらに圧縮し、一方、膨張して冷却した空気を、リサイクルされる深冷空気と共に深冷空気熱交換器等に供給するようにしてもよい。すなわち、液化空気の製造は、圧縮した空気をLNGの冷熱を利用して冷却するが、空気の液化方法自体はリンデ法によっても、クロード法によってもよい。
【0033】
液化用の空気の圧縮は、2〜4段等の多段の圧縮、冷却を繰り返して行われるようにしてもよい。冷却には圧縮空気冷却用熱交換器を通過後のNGが使用されるがLNGを一部使用してもよい。
【0034】
本発明では、圧縮空気冷却用熱交換器、空気冷却用熱交換器およびBOG液化用熱交換器及び必要により深冷空気熱交換器が使用される。これらの熱交換器としては、従来のシェルアンドチューブ型が使用でき、また温度差が小さいときにはプレートフィン型等のものが使用できるが、熱交換器の一方に可燃物が流れ、他方に液化空気が流れるので、安全上、中間冷媒を介して熱交換が行われるタイプのものが好ましい。
【0035】
中間冷媒としては、不燃性で凝固点が低く且つ熱伝導率の高い液体が好ましい。このような冷媒としては、ハイドロフロロカーボン(HFC)類、ハイドロクロロフロロカーボン(HCFC)類、特にHFC−23、HCFC−22、HCFC−124、HFC−134a、HFC−32またはそれらの混合物が挙げられる。
【0036】
以下に本発明の実施の一形態として図1により、払い出しLNGの冷熱を利用して液化空気を製造し、貯蔵し、BOGを再液化する方法及び装置を具体的に説明する。
【0037】
図1において、1はLNGタンク、2は圧縮空気冷却用熱交換器、3は空気冷却用熱交換器である。4は空気圧縮機を示している。5は断熱膨張装置、6は液化空気タンクである。7はBOG液化用熱交換器、8はBOG圧縮機、9は深冷空気熱交換器である。
【0038】
LNGタンク1(容量2〜10万kリットル)には、LNGが常圧、−150〜−170℃で貯蔵されており、LNGの上部にはBOGが常圧ないしやや加圧状態で、−100〜−150℃で溜まっている。LNGの払い出し量は昼間NG需要時に例えば、100t/hrで、ポンプにより30kg/cm2 に加圧されて払い出され、夜間NG非需要時の払い出し量は0〜10t/hrである。BOGの発生量は、例えば、常時平均10t/hrである。
【0039】
NGの需要時に、LNGタンク1を出たLNG11は、圧縮空気冷却用熱交換器2で中間冷媒を介して圧縮空気13と熱交換し、更に空気冷却用熱交換器3で中間冷媒を介して空気と熱交換してNG12となり、火力発電プラントや都市ガス用に30kg/cm2 に加圧されたNGとして払い出される。
【0040】
ところで、NGの需要時において発生するBOG15は、BOG圧縮機8により30kg/cm2 に昇圧された後、払い出しLNG11に混合されて払い出しNGとして処理される。
【0041】
一方、外部から取り入れられた空気10は上記空気冷却用熱交換器3で中間冷媒を介してNGと熱交換し約−40〜−70℃に冷却され、空気圧縮機4により20〜40kg/cm2 の圧縮空気13になり、圧縮空気冷却用熱交換器2で中間冷媒を介して払い出しLNG11と熱交換し、さらに、深冷空気熱交換器9で熱交換した後、断熱膨張装置5により一部は液化空気14となる。
【0042】
液化空気14は液化空気タンク6に貯蔵され、一部は深冷空気17となり、深冷空気熱交換器9で熱交換した後、空気圧縮機の前段等にリサイクルされたり、または空気冷却用熱交換器を経て大気に放出される。
【0043】
NGの非需要時に、BOG15はBOG圧縮機8により5〜20kg/cm2 に圧縮され、BOG液化用熱交換器7で中間冷媒を介して液化空気と熱交換し再液化BOG(LNG)16に再液化され、LNGタンク1に戻され、貯蔵される。液化空気はBOG液化用熱交換器7で気化し、排気空気19として大気に放出される。
【0044】
なお、液化空気タンク6内の貯蔵量に、BOG再液化に見合う量以上の余剰があれば、余剰液化空気18として系外に取り出し、多目的利用に当てられる。
【0045】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【0046】
図1に示す装置において、LNGタンク1には、LNGが常圧、−161℃で貯蔵されており、LNGの上部にはBOGが常圧、−160℃で溜まっている。LNGの払い出し量は昼間のNG需要時に100t/hrで、ポンプにより30kg/cm2 に加圧されて払い出され、夜間のNG非需要時の払い出し量は0t/hrである。BOGの発生量は平均10t/hrである。
【0047】
NG需要時に、払い出されるLNGは、圧縮空気冷却用熱交換器2で中間冷媒HFC−23を介して圧縮空気13と熱交換し、更に空気冷却用熱交換器3で同種の中間冷媒を介して空気と熱交換してNGとなり、火力発電プラント用にNG12として払い出された。
【0048】
一方、外部から流量40t/hrで取り入れられた空気10は上記空気冷却用熱交換器3で中間冷媒を介してNGと熱交換し約−53℃に冷却され、3段の空気圧縮機により圧縮冷却を繰り返し、45℃、31kg/cm2 の圧縮空気13になり、圧縮空気冷却用熱交換器2で中間冷媒を介して払い出しLNG11と熱交換する。
【0049】
圧縮空気冷却用熱交換器2を出た空気は、さらに深冷空気熱交換器9で熱交換した後、断熱膨張装置5により一部は液化空気27t/hrとなり、液化空気タンク6に貯蔵された。断熱膨張した残りの深冷空気は、深冷空気熱交換器9で熱交換して冷熱回収後、一部は空気圧縮機4の前段にリサイクルされ、他は空気冷却用熱交換器3を経て大気に13t/hrで放出された。
【0050】
本実施例では、空気の圧縮動力を低減させるために3段の圧縮工程を採用した。各段の圧縮圧力及び圧縮動力は1段目:3.5kg/cm2 、1196kw、2段目:10.5kg/cm2 、1222kw、3段目31.0kg/cm2 、1420kwであり、圧縮動力合計は3838kwである。これより液化空気1kg当たりの所用動力を求めると、0.14kw・hrとなる。
【0051】
これに対して、LNG冷熱を利用せず従来の方法による電力のみで液化空気を得る場合には、所用動力は0.58kw・hr程度であることが知られている。この結果、LNGの冷熱が有効に利用されていることが分かる。
【0052】
NGの非需要時に、平均10t/hrで発生するBOG15はBOG圧縮機8により11kg/cm2 に圧縮され、BOG液化用熱交換器7で上記と同じ中間冷媒を介して液化空気21t/hrと熱交換して、ほぼ全量が再液化され、LNGタンク1に戻され、貯蔵された。
【0053】
この再液化工程でのBOGの圧縮に必要な動力は、648kwであった。この動力を補うために、BOGの一部を利用してガスエンジンを駆動した。ガスエンジンの効率は45%であり、ガスエンジン駆動に要したBOGの消費量は0.094t/hrであった。
【0054】
【発明の効果】
LNGの払い出し量は昼間のNG需要時と、夜間のNG非需要時とで大きな差があるが、本発明により、昼間に払い出しLNGの冷熱を利用して、液化空気を製造し、貯蔵しておき、夜間NGの非需要時にその液化空気を利用して、夜間に発生するBOGをほぼ全量を再液化してLNGタンクに戻すことができる。
【0055】
これにより、LNGの冷熱を有効利用して単位重量当たりの蓄冷量が大きい液化空気を製造し、容量の小さな貯槽に貯え、必要に応じて当該冷熱を引き出し、送り出し先のないBOGを再液化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態を示すプロセスフローシートである。
【符号の説明】
1 LNGタンク
2 圧縮空気冷却用熱交換器
3 空気冷却用熱交換器
4 空気圧縮機
5 断熱膨張装置
6 液化空気タンク
7 BOG液化用熱交換器
8 BOG圧縮機
9 深冷空気熱交換器
10 空気
11 払い出しLNG
12 NG
13 圧縮空気
14 液化空気
15 BOG
16 再液化BOG
17 深冷空気
18 余剰液化空気
19 排気空気

Claims (3)

  1. LNGの需要期間に払い出しLNGの冷熱を利用して液化空気を製造し、貯蔵し、LNGの非需要期間に前記液化空気によってLNGボイルオフガス(BOG)を液化するBOGの再液化方法であって、払い出しLNGを圧縮空気冷却用熱交換器で圧縮空気と熱交換し、次に空気冷却用熱交換器で空気と熱交換して天然ガス(NG)とし、一方、該空気冷却用熱交換器で熱交換し予冷された空気を圧縮し、前記圧縮空気冷却用熱交換器で熱交換して冷却して、又はさらに断熱膨張させて、液化空気を製造し、BOGを圧縮した後、BOG液化用熱交換器で該液化空気と熱交換してBOGを液化することを特徴とするBOGの再液化方法。
  2. FC−23、HCFC−22、HCFC−124またはそれらの混合物からなる不燃性冷媒を介して熱交換器で熱交換される請求項1に記載のBOGの再液化方法。
  3. LNG貯槽、圧縮空気冷却用熱交換器、空気冷却用熱交換器、断熱膨張装置、液化空気貯槽、空気圧縮装置、BOG圧縮装置、BOG液化用熱交換器を有し、前記LNG貯槽から払い出したLNGを前記圧縮空気冷却用熱交換器で圧縮空気と熱交換し、次に前記空気冷却用熱交換器で空気と熱交換してNGとするよう接続し、一方、前記空気冷却用熱交換器で熱交換し予冷された空気を前記空気圧縮装置により圧縮し、続いて前記圧縮空気冷却用熱交換器でLNGと熱交換して冷却して、又はさらに断熱膨張させて、液化空気を製造し、得られた液化空気を前記液化空気貯槽に貯蔵するよう接続し、さらにBOGを前記BOG圧縮装置により圧縮した後、前記BOG液化用熱交換器で該液化空気と熱交換してBOGを液化するように構成したことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法に使用するためのBOGの再液化装置。
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