JP4141378B2

JP4141378B2 - ハイドレート再ガス化方法及びハイドレート再ガス化装置

Info

Publication number: JP4141378B2
Application number: JP2003411654A
Authority: JP
Inventors: 清司堀口; 裕一加藤; 政隆平出; 有祐江藤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP2005171050A

Description

本発明は、ガス状のハイドレート形成物質がハイドレート化して形成されたハイドレートを効率的に再ガス化するハイドレート再ガス化方法及びハイドレート再ガス化装置に関する。

ハイドレートは、水分子で構成されるクラスター内にガス状のハイドレート形成物質（例えば天然ガス、メタン、エタン、二酸化炭素など。以下、天然ガスを例に挙げて説明する。）が包接された構造の水和物である。このハイドレートは、１ｍ^３中に約１６５Ｎｍ^３もの天然ガスを包蔵することができるなど高いガス包蔵性を有するとともに、大きな生成熱・解離熱、生成・解離差圧、高い反応選択性等の性質を有するため、例えば天然ガスの輸送・貯蔵システムや蓄熱システム、アクチュエータ、混合ガスの分離・精製システムなどの多様な用途での利用が注目されており、現在盛んに研究されている。

ハイドレートに含まれる天然ガスを使用するには、ハイドレートを分解して再ガス化する必要がある。再ガス化した天然ガスは高圧状態である方がガス供給などの観点から好ましく、例えばハイドレートを再ガス化して得られる天然ガスを都市ガスとして利用する場合には、およそ３．５ＭＰａに調整する必要がある。

ハイドレートは通常大気圧程度の圧力下で保存されており、この状態のハイドレートを分解して得られる天然ガスを高圧状態とする手段としては、大気圧下でハイドレートを分解してガス化し、得られた天然ガスを圧縮して高圧状態とすることが考えられる。しかし、この方法ではガス圧縮に要するエネルギーが大き過ぎ、実用的ではない。また、特許文献１には、水和物化した天然ガスを分解してガス化する天然ガス水和物の分解装置について記載されているが、ガス化した後の天然ガスの圧力等については、記載も示唆もなされていない。

そのため、ハイドレートを高圧下で分解して再ガス化する手段が採用されている。従来の高圧下での再ガス化は、図３に示すハイドレート再ガス化装置２００により実施されていた。このハイドレート再ガス化装置２００は、大気圧下にあるハイドレートを高圧下とする充填槽８２と、高圧下でハイドレートを分解して再ガス化する再ガス化槽８３を備えている。

このハイドレート再ガス化装置２００でハイドレートを再ガス化する際には、まずバルブ９１を開き、バルブ９２で再ガス化槽８３と区切られた大気圧相当の充填槽８２にハイドレートを導入した後、バルブ９１を閉め、バルブ９３を開いて充填槽８２の圧力を再ガス化槽８３内の天然ガスを利用して再ガス化槽８３と同等の圧力となるまで昇圧させる。充填槽８２の昇圧後、バルブ９２を開いて充填槽８２と再ガス化槽８３とを連通させ、充填槽８２内のハイドレートを再ガス化槽８３に移送させて、ハイドレートを再ガス化するように構成されている。

次のハイドレートを充填槽８２に導入するためには、当該充填層８２が高圧下であることから、バルブ９２、９３を閉じて充填槽８２と再ガス化槽８３とを区切り、ガス排出経路８４を介して充填槽８２の圧力が大気圧相当となるまで天然ガスを放出させる必要がある。すなわち、１回のハイドレートの再ガス化にあたり、充填槽８２の圧力を再ガス化槽８３と同等まで昇圧するのに要する量と同程度の量の天然ガスが大気圧相当まで脱圧されてしまっていた。脱圧された天然ガスは大気圧相当の圧力であるため、そのままでは利用価値が低く、昇圧ポンプ８９などによって昇圧する必要があり、多くのエネルギーを消費するという問題があった。

また、再ガス化槽８３にはハイドレートの分解に伴い水が蓄積されるため、これを適宜抜き出す必要があった。なお、１ｍ^３の天然ガスハイドレートが分解すると、約０．８ｍ^３の水が生成される。

また、充填槽８２を昇圧させる際に、槽内温度が上昇してハイドレートの一部が分解し、それが分解時の吸熱反応によって再び凍結することにより、充填槽８２が閉塞する問題があった。

さらに、ハイドレートは比重が水より小さいために再ガス化槽８３内で水面に浮いてしまい、充分に熱を伝達することが困難である問題がある。また、分解時の吸熱反応によって水面に浮くハイドレートが氷塊となり、分解が抑制されてしまう問題があった。

特開２００１−２７９２８１号公報

本発明はこのような実情に鑑みなされたものであり、その課題は、ハイドレートを効率的に分解、ガス化してガスを回収可能なハイドレート再ガス化方法及びハイドレート再ガス化装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係るハイドレート再ガス化方法の発明は、水貯留部にハイドレートを導入し、前記ハイドレートを前記水貯留部を浮上させながら分解させてガス化させることを特徴とする。

この特徴によれば、水貯留部を浮上させながらハイドレートを分解させてガス化させるため、簡易かつ確実にハイドレートを再ガス化させることができる。また、ハイドレートは周囲を水で覆われた状態で浮上するため、熱効率が高く、ハイドレートを効率的に分解させることが可能である。

また、本発明の第２の態様に係るハイドレート再ガス化装置の発明は、ハイドレートを浮上させながら分解する水貯留部と、前記水貯留部にハイドレートを供給するハイドレート供給手段と、ハイドレートの分解により生成したガスを回収するガス回収手段と、を備えていることを特徴とする。

この特徴によれば、ハイドレートを浮上させながら分解する水貯留部を備えているため、簡易かつ確実にハイドレートを再ガス化させることができる。ハイドレートの分解によって生成したガスはガス回収手段によって回収することができる。

また、本発明の第３の態様に係るハイドレート再ガス化装置の発明は、前記第２の態様において、前記ハイドレート供給手段が前記水貯留部の下方に配設されていることを特徴とする。

ハイドレート供給手段が水貯留部の下方に配設されていることにより、ハイドレートを水貯留部の水中に確実に供給することができる。これにより、ハイドレートを、水貯留部を浮上させつつ効率的に分解させることができる。

また、本発明の第４の態様に係るハイドレート再ガス化装置の発明は、前記第２の態様または前記第３の態様において、前記水貯留部が鉛直線に沿って配置された管路から構成されていることを特徴とする。

水貯留部が鉛直線に沿って配置された管路から構成されていることにより、水とハイドレートとの比重の違いにより、ハイドレートを確実に浮上させることができる。

本発明によれば、ハイドレートを効率的に分解、再ガス化することができ、当該ガスを確実に回収することができる。また、装置構成を簡易にすることができる。

本発明に係るハイドレート再ガス化方法は、水貯留部にハイドレートを導入し、このハイドレートを前記水貯留部を浮上させながら分解させてガス化させることを特徴とするものである。

ハイドレートは水分子で構成されるクラスター内にガス状のハイドレート形成物質（例えば、天然ガス、メタン、エタン、二酸化炭素など）が包接された構造の水和物である。ここでは、ハイドレート形成物質として、都市ガスに利用可能な天然ガスを例に挙げて説明する。

天然ガスハイドレートは、所定温度、所定圧力の条件下において天然ガスと水とを接触させることにより得ることができる。このハイドレートは保存性、ハンドリング性などの観点から粉末状、ペレット状、顆粒状、圧密ブロック状などに形成される。

ハイドレートを分解、再ガス化して得られる天然ガスを都市ガスとして利用する場合には、通例の都市ガスの設定圧である３．５ＭＰａ程度の高圧系下でハイドレートを分解し、高圧状態の天然ガス（製品ガス）として得る構成が好ましい。

以下ではハイドレートを前記都市ガスの設定圧である３．５ＭＰａ相当の高圧系下で分解し、高圧状態の天然ガスを得るのに好適な実施形態を例に挙げて説明するが、本発明は高圧系での実施に限定されるものではなく、大気圧相当の圧力下においても実施可能である。なお、本発明において「高圧系」とは、大気圧相当の圧力より高い圧力に調整された領域を示すものである。

図１は本発明の第１実施形態に係るハイドレート再ガス化装置１０１の説明に供する概略構成図である。

このハイドレート再ガス化装置１０１は、主要な構成として、ハイドレート４１を貯蔵したハイドレートタンク１１と、水貯留部１２と、水貯留部１２にハイドレート４１を供給するハイドレート供給手段２０と、ガス回収手段としてのラインＬ３を備えている。本実施形態に係るハイドレート再ガス化装置１０１は、図１に示す如く水貯留部１２の下方にハイドレート供給手段２０が配置された構成となっている。

ハイドレート４１はハイドレートタンク１１において大気圧程度の圧力下、天然ガス雰囲気、所定温度で貯蔵される。ハイドレートタンク１１とハイドレート供給手段２０とは、ラインＬ１を介して繋がっており、ハイドレート４１を自重または図示しない駆動源を利用してハイドレート供給手段２０に導入することができるようになっている。

ハイドレート供給手段２０はハイドレートを充填する充填部２１と、この充填部２１にハイドレート４１を導入する導入手段としてのラインＬ１と、水を排出する水排出手段としてのラインＬ２を備えている。充填部２１はチューブ形状またはパイプ形状の管路から構成することができ、所定の耐圧性を有するものが好ましい。

充填部２１の上部にはバルブ３３、下部にはバルブ３４が設けられており、バルブ３３は充填部２１と水貯留部１２との間に設けられ、開閉によって充填部２１と水貯留部１２とを連通／遮断できるように構成されている。バルブ３４は充填部２１内の水をラインＬ２を介して系外に排出させる場合に開けられる。

本実施形態の水貯留部１２は鉛直線に沿って配置されたチューブ形状またはパイプ形状の管路から構成することができ、所定の耐圧性を有するものが好ましい。水貯留部１２には所定量の水が注入されており、液相領域と気相領域が形成されている。また、水貯留部１２は水中をハイドレート４１が浮上しながら分解するハイドレート分解部として機能する。

また、水貯留部１２にはハイドレート４１を分解させるのに要する熱を供給する熱供給手段１３を設けることが好ましい。熱供給手段１３はハイドレート４１を分解させることができる熱量を水貯留部１２に供給することができる構成であれば特に限定されるものではなく、例えば管路の外側に熱源が設けられた形態の熱供給装置や管路の内側に熱源が設けられた形態の熱供給装置などを利用可能であり、具体的には管路の外側に加熱用媒体を充満させた熱供給装置が好ましい。

水貯留部１２の長さ、太さ（断面積）は、液面に到達するまでの間にハイドレート４１を分解させることができる範囲で設定することができ、具体的には熱供給手段１３からの熱供給量、水温、圧力、ハイドレートの粒径などによって適宜調整することができる。水貯留部１２の断面形状は伝熱性、耐圧性の観点から円形状であることが好ましい。

また、水貯留部１２には仕切りをつくる図示しない邪魔板（バッフルプレート）を設けることができる。邪魔板を設けることにより、水貯留部１２を浮上するハイドレート４１の水との接触時間を長くすることができ、それに伴ってより多くの熱量をハイドレート４１に供給して効率的に分解させることができる。また、水貯留部１２の長さを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。邪魔板の構成は特に限定されないが、例えば水貯留部１２の長手方向に対して所定の間隔で垂直方向に突出した板や、らせん板により構成することができる。

ハイドレート４１は水貯留部１２の水相中に供給されるため、その周囲を水で覆われた状態で水貯留部１２を上昇する。そのため、水との接触面積が大きくハイドレート４１に対して効率的に熱を供給することができ、もって分解を促進させることができる。

ハイドレート４１の分解により生成した天然ガスは水中を浮上し、水貯留部１２の上部に達する。水貯留部１２の上部にはラインＬ３が設けられており、このラインＬ３を介して天然ガスが回収される。ラインＬ３には天然ガスの温度を調整する熱交換器１８、天然ガスの圧力を調整する調圧バルブ３７及び天然ガスを乾燥する脱湿機１９が設けられている。脱湿機１９を通過した天然ガスは高圧力状態の製品ガスとして利用、貯蔵される。なお、熱供給手段１３を水貯留部１２における気相領域（水面より上側の領域）まで設ける構成とすることにより、熱交換器１８での温度調整に先立って天然ガスを予熱することが可能である。

また、水貯留部１２には水補充手段としてのラインＬ４が設けられており、水貯留部１２の水が少なくなった場合にバルブ３５を開くことで補水できるように構成されている。

また、充填部２１に残留した水はラインＬ２を介して系外に排出される。この際、充填部２１は大気圧程度まで脱圧されるとともに、天然ガスによって満たされる。このような構成により充填部２１などに空気が混入する虞がなく、製品ガスの汚染を回避することができる。そして、次のハイドレート４１を導入させることができる状態となる。このように、ハイドレート４１は充填部２１が気体である天然ガスによって満たされている状態で導入される。

次に、ハイドレート再ガス化装置１０１を使用してハイドレートを再ガス化する際の動作について図１に沿って説明する。

バルブ３２、３３、３４を閉じた状態でバルブ３１を開いて、ハイドレートタンク１１と充填部２１とを同程度の圧力に調整する。このとき充填部２１は天然ガスで満たされている。

バルブ３２を開き、ラインＬ１を介して所定量のハイドレート４１を充填部２１に導入する。ハイドレート４１を充填した後、バルブ３１、３２を閉じ、バルブ３３を開いて充填部２１と水貯留部１２とを連通させ、水貯留部１２から充填部２１に水を導入する。これにより水貯留部１２と充填部２１によって、水で満たされた一体のハイドレート浮上経路が構成される。そして、ハイドレート４１の分解が開始されるとともに、ハイドレート４１が浮力によって水中を上昇し始め、浮上しつつ完全に分解して天然ガスと水とを生成する。

天然ガスは水中を浮上して水貯留部１２の上部に達し、ラインＬ３を介して回収される。そして、熱交換器１８において所定の温度に調整され、調圧バルブ３７において所定の圧力に調整され、さらに脱湿機１９において乾燥させられ、高圧状態の製品ガスとして回収される。

充填部２１中のハイドレート４１が浮上して水貯留部１２に移行した後にバルブ３３を閉め、バルブ３４を開いて水を系外に放出させて充填部２１を大気圧程度まで脱圧させる。さらに、バルブ３１を開いて充填部２１をハイドレートタンク１１内のガス（ボイルオフガス。ハイドレート４１の分解により生成したガスであり、ここでは天然ガスである。）で置換する。

ラインＬ２を介して充填部２１から排出される水は、当該充填部２１に導入されたハイドレート４１の分解により生成される水量とほぼ同量である。従って、ハイドレート４１の分解ガス化の度に水が水貯留部１２に蓄積されることがほとんど無く、水貯留部１２の水量（水位）をほぼ一定に保つことができる。

次に、図２に基づいて本発明の第２実施形態に係るハイドレート再ガス化装置１０２について説明する。図２はハイドレート再ガス化装置１０２の説明に供する概略構成図である。なお、第１実施形態に係るハイドレート再ガス化装置１０１と同じ構成については同一の符合を付して説明を省略する。

このハイドレート再ガス化装置１０２は、ハイドレート４１を水貯留部１２０に供給するハイドレート供給手段２０ａ、２０ｂ及びこれらのハイドレート供給手段２０ａ、２０ｂにハイドレート４１を導入するラインＬ１ａ、Ｌ１ｂが、図２に示す如く２連式に構成されたものである。このような構成により、それぞれのハイドレート供給手段２０ａ、２０ｂを交互に駆動させてハイドレート４１を水貯留部１２０に供給することにより、準連続的にハイドレート４１の分解、再ガス化を実施することができる。なお、これらの構成については、前記した第１実施形態に係るハイドレート再ガス化装置１０１と同様であるので説明を省略する。

本実施形態における水貯留部１２０は、ハイドレート供給手段２０ａ、２０ｂの上方に配置されており、複数の管路２４より構成されるシェルアンドチューブ型の構造となっている。各管路２４はチューブ形状またはパイプ形状のものから構成することができ、所定の耐圧性を有するものが好ましい。管路２４の本数は処理するハイドレートの量などにより適宜設定することが可能である。なお、水貯留部１２０には所定量の水が注入されており、液相領域と気相領域が形成される。

管路群の周囲には熱供給手段１３としての加熱用媒体が充満しており、ハイドレート４１の分解に要する熱を供給する。水貯留部１２０は水中をハイドレート４１が浮上しながら分解するハイドレート分解部として機能する。

管路２４の長さ、太さ（断面積）は、液面に到達するまでの間にハイドレート４１を分解させることができる範囲で設定することができ、具体的には熱供給手段１３からの熱供給量、水温、圧力、ハイドレートの粒径などによって適宜調整することができる。管路２４の断面形状は伝熱性、耐圧性の観点から円形状であることが好ましい。

また、管路２４には仕切りをつくる図示しない邪魔板（バッフルプレート）を設けることができる。邪魔板を設けることにより、管路２４を浮上するハイドレート４１と水との接触時間を長くすることができ、それに伴ってより多くの熱量をハイドレート４１に供給して効率的に分解させることができる。また、水貯留部１２０の長さを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。邪魔板の構成は特に限定されないが、例えば管路２４の長手方向に対して所定の間隔で垂直方向に突出した板や、らせん板により構成することができる。

水貯留部１２０の下部には各管路２４に連通した下部空間部１２１が構成されており、水で充満した下部空間部１２１にハイドレート供給手段２０ａ、２０ｂからハイドレート４１が導入される。下部空間部１２１に導入されたハイドレート４１は複数の管路２４の全部または一部の中を浮上しつつ分解され、ガス化される。下部空間部１２１には導入されたハイドレート４１が局在しないように各管路２４に分散させる分散手段（図示せず）を設けることができる。

ハイドレート４１は水貯留部１２０の水相中に供給されるため、その周囲を水で覆われた状態で水貯留部１２０を上昇する。そのため、水との接触面積が大きくハイドレート４１に対して効率的に熱を供給することができ、もって分解を促進させることができる。

ハイドレート４１の分解により生成した天然ガスは水中を浮上し、水貯留部１２０の上部空間部１２２に達する。上部空間部１２２にはラインＬ３が設けられており、このラインＬ３を介して天然ガスが回収される。

また、ハイドレート再ガス化装置１０２は、下部空間部１２１にある低温水を上部空間部１２２に循環させる水循環ラインＬ５を備えており、水貯留部１２０の温度勾配を緩和させている。なお、水循環ラインＬ５には循環ポンプＰ１が配置されており、水を送出させて循環させる。

また、水循環ラインＬ５からはラインＬ６が分枝しており、このラインＬ６には水位制御バルブ３８が配設されている。水位制御バルブ３８は水位検知手段３９に連動して水貯留部１２０の水位を一定に保つように機能する。

次に、ハイドレート再ガス化装置１０２を使用してハイドレートを再ガス化する際の動作について図２に沿って説明する。なお、ここでは２連式のハイドレート供給手段２０ａ、２０ｂのうち、一方のハイドレート供給手段２０ａの動作についてのみ説明する。他方のハイドレート供給手段２０ｂは、一方のハイドレート供給手段２０ａに対して所定時間遅らせて駆動させることができる。

バルブ３２ａ、３３ａ、３４ａを閉じた状態でバルブ３１ａを開いて、ハイドレートタンク１１と充填部２１ａとを同程度の圧力に調整する。このとき充填部２１ａは天然ガスで満たされている。

三方バルブ３０を介してハイドレートタンク１１とラインＬ１ａを繋ぎ、バルブ３２ａを開いて所定量のハイドレート４１を充填部２１ａに導入する。ハイドレート４１を充填した後、バルブ３１ａ、３２ａを閉じ、バルブ３３ａを開いて充填部２１ａと水貯留部１２０とを連通させ、水貯留部１２０から充填部２１ａに水を導入する。これにより水貯留部１２０と充填部２１ａによって、水で満たされた一体のハイドレート浮上経路が構成される。そして、ハイドレート４１の分解が開始されるとともに、ハイドレート４１が浮力によって水中を上昇し始め、浮上しつつ完全に分解して天然ガスと水とを生成する。

天然ガスは水中を浮上して水貯留部１２０の上部空間部１２２に達し、ラインＬ３を介して回収される。そして、熱交換器１８において所定の温度に調整され、調圧バルブ３７において所定の圧力に調整され、さらに脱湿機１９において乾燥させられ、高圧状態の製品ガスとして回収される。

充填部２１ａ中のハイドレート４１が水貯留部１２０に移行した後にバルブ３３ａを閉め、バルブ３４ａを開いて水を系外に放出させて充填部２１ａを大気圧程度まで脱圧させる。さらに、バルブ３１ａを開いて充填部２１ａをハイドレートタンク１１内の天然ガスで置換する。

ラインＬ２を介して充填部２１ａから排出される水は、当該充填部２１ａに導入されたハイドレート４１の分解により生成される水量とほぼ同量である。従って、ハイドレート４１の分解ガス化の度に水が水貯留部１２０に蓄積されることがほとんど無く、水貯留部１２０の水量（水位）をほぼ一定に保つことができる。

本発明は天然ガスなどのハイドレート形成物質を包接したハイドレートを分解してガス化し、当該ガスを回収するハイドレート再ガス化装置に利用可能である。

本発明の第１実施形態に係るハイドレート再ガス化装置を示す概略構成図である。

本発明の第２実施形態に係るハイドレート再ガス化装置を示す概略構成図である。

従来技術に係るハイドレート再ガス化装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１１ハイドレートタンク
１２、１２０水貯留部
１３熱供給手段
１８熱交換器
１９脱湿機
２０、２０ａ、２０ｂハイドレート供給手段
２１、２１ａ、２１ｂ充填部
２４管路
４１ハイドレート
１０１、１０２ハイドレート再ガス化装置
１２１下部空間部
１２２上部空間部

Claims

水貯留部にハイドレートを導入し、前記ハイドレートを前記水貯留部を浮上させながら分解させてガス化させることを特徴とする、ハイドレート再ガス化方法。
ハイドレートを浮上させながら分解する水貯留部と、
前記水貯留部にハイドレートを供給するハイドレート供給手段と、
ハイドレートの分解により生成したガスを回収するガス回収手段と、を備えていることを特徴とする、ハイドレート再ガス化装置。
請求項２において、前記ハイドレート供給手段が前記水貯留部の下方に配設されていることを特徴とする、ハイドレート再ガス化装置。
請求項２または請求項３において、前記水貯留部が鉛直線に沿って配置された管路から構成されていることを特徴とする、ハイドレート再ガス化装置。