JP4564327B2

JP4564327B2 - ガスハイドレート脱水装置

Info

Publication number: JP4564327B2
Application number: JP2004302540A
Authority: JP
Inventors: 清司堀口; 茂永森; 徹岩崎
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: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-10-18
Also published as: JP2006110507A

Description

本発明は、ガスハイドレートの脱水装置に関する。

ガスハイドレートは、水分子の作る籠の中にガスを取り込んだ構造の固形の水和物であり、例えば、−１０数℃の大気圧で安定することから、液化天然ガス（ＬＮＧ）に代わる天然ガスの輸送・貯蔵手段として利用する研究が進められている。

一般に、ガスハイドレートは、例えば、天然ガス、メタンガス、炭酸ガスなどの原料ガスと水とを低温高圧の容器内で反応させて生成される。生成容器内で生成されるガスハイドレートは、多量の未反応水を含むことから、水を分離して製品ハイドレートを精製する必要がある。

特許文献１に記載されたガスハイドレートの脱水方法によれば、まず、生成容器から抜き出したガスハイドレートスラリをスクリュープレスなどの加圧脱水装置に導いて物理脱水を行うようにする。そして、物理脱水されたガスハイドレートスラリをスクリューコンベアなどに導いて移送させると共に、原料ガスを取り込んでガスハイドレートに付着する水分と原料ガスとを反応させ、水和脱水を行うことにより、付着水の少ないガスハイドレートを得るようにしている。

特開２００１−３４２４７３号公報

しかしながら、特許文献１に示すように、物理脱水されたガスハイドレートをスクリューで撹拌し、ガスハイドレートに付着する水分と原料ガスとを反応させて脱水させる水和脱水方法によれば、水分と原料ガスとの接触効率に限界があるため、高い脱水率を得ることはできない。

これに対し、例えば、物理脱水されたガスハイドレートに原料ガスを吹き込んで流動層を形成し、流動化されたガスハイドレートに付着する水分と原料ガスとを反応させて水和脱水を行う流動層脱水方法が考えられる。この方法によれば、水分と原料ガスとの接触効率が高いため、高い脱水率を得ることができる。

ところで、特許文献１のように、物理脱水されたガスハイドレートスラリを機械的に撹拌して水和脱水を行う場合は殆ど問題にならないが、例えば、流動層脱水を行う場合は、所定の流動状態を確保するため、物理脱水後の脱水率を上げておく必要がある。しかし、従来の物理脱水によれば、十分な脱水率が得られないことから、後工程における水和脱水の選択自由度が制限されるという問題がある。

本発明は、スクリュープレス式の物理脱水によるガスハイドレートスラリの脱水率を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスハイドレート脱水装置は、ガスハイドレートに付着する水分と該ガスハイドレートの原料ガスとを反応させてガスハイドレートを脱水する水和脱水装置の前段側に接続され、ガスハイドレートスラリを加圧して水分を分離する物理式のガスハイドレート脱水装置であって、外筒と、この外筒の内部に設けられた筒状の脱水スクリーンと、この脱水スクリーンの一端に延在させて設けられた筒状容器と、脱水スクリーンと筒状容器の内部に挿通された回転軸と、脱水スクリーン内の回転軸の外周に設けられたスクリュー羽根と、筒状容器内の回転軸の外周に設けられた羽根と、脱水スクリーンの他端の内部に挿通されたガスハイドレートスラリの供給口と、外筒に設けられた水の排出口と、筒状容器内にガスハイドレートの原料ガスを供給するガス供給口と、筒状容器の他端に設けられたガスハイドレートの排出口と、筒状容器内のガスハイドレートと原料ガスとを冷却する冷却媒体が通流される流路とを備え、筒状容器の軸長は、脱水スクリーンの軸長よりも短く形成されていることを特徴とする。

これによれば、供給口から導入されたガスハイドレートスラリは、まず、回転軸の回転によりスクリュー羽根の溝隙間に形成される空間を通って軸方向に搬送され、これと共に、ガスハイドレートスラリが圧縮され、その圧搾により水分が効果的に脱水スクリーンを通って分離される。この分離された水分は、脱水スクリーンから外筒側に流出し、排出口から排出される。続いて、筒状容器内に導かれたガスハイドレートは、羽根の回転により容器内で撹拌されると共に、ガス供給口から導入される原料ガスとガスハイドレートに付着する水分が接触して水和反応が進行し、脱水が行われる。ここで、水和反応は発熱を伴うが、流路を流れる冷却媒体により熱回収が行われるから、筒状容器内は水和反応に適した温度範囲に保たれる。

すなわち、本発明によれば、物理脱水後のガスハイドレートスラリを連続的に水和脱水しているから、従来の物理脱水と比べて脱水率を高くできる。これにより、水和脱水の選択幅が拡がるため、例えば、後工程の流動層脱水を支障なく行うことができ、高い脱水率を得ることができる。

この場合において、脱水スクリーンの内周面と回転軸との隙間は、ガスハイドレートの移送方向に沿って小さく形成されていることが好ましい。これによれば、ガスハイドレートスラリを軸方向に搬送しながら一層強く圧縮できるため、物理脱水の効率を向上できる。

また、水和反応の筒状容器内の羽根は、門型に形成し、脚部を回転軸の軸方向に取り付けることにより、撹拌羽根などの機能を発揮することができる。

本発明によれば、スクリュプレス式の物理脱水によるガスハイドレートスラリの脱水率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の物理脱水装置の一実施形態の断面図を示し、図２は、本発明を適用した一実施形態のハイドレート製造プラントの構成図を示し、図４は、本発明を適用したハイドレート製造プラントの流動層式水和脱水装置の一実施形態の構成図を示す。

図２に示す実施形態は、天然ガスのハイドレート（以下、ＮＧＨと略す。）を製造するプラントを示しているが、本発明は天然ガスに限らず、他の原料ガス、例えば、メタンガス、炭酸ガスなどのハイドレート製造に適用できる。同図に示すように、本実施形態のハイドレート製造プラントは、ＮＧＨスラリを生成する生成器１を含むハイドレートスラリ製造装置と、生成器１で生成されたＮＧＨスラリの水分を物理的な手段などにより脱水する物理脱水装置２と、物理脱水装置２で脱水されたＮＧＨの付着水と天然ガスとを反応させてＮＧＨの濃度を製品レベルに高める水和脱水装置３とを備えて構成されている。これらの生成器１、物理脱水装置２、水和脱水装置３は、いずれも所定の高圧（例えば、３〜１０ＭＰａ）および低温（例えば、１〜５℃）に保持されている。

生成器１は、円筒状の容器で形成され、容器の上部にＮＧ（天然ガス）タンク１１から圧縮機１２と冷却器１３を介して冷却された原料ガスである天然ガスが連続して供給されるようになっている。また、生成器１の底部には、水タンク１４からポンプ１５と冷却器１６を介して冷却された水が連続して供給されるようになっている。冷却器１３、１６には図示していない冷凍装置から冷媒が循環され、これによって生成器１に供給する天然ガスと水を所定の温度に冷却するようになっている。生成器１の頂部には、水のスプレーノズル１７が設けられ、このスプレーノズル１７には生成器１の底部に連通された水循環ポンプ１８によって抜き出された水が、冷却器１９によって冷却されて循環供給されるようになっている。冷却器１９には、図示していない冷凍装置から冷媒が循環され、これによってスプレーノズル１７に供給する水を所定の温度（例えば、１℃）に冷却するようになっている。

生成器１で生成されたＮＧＨスラリは、生成器１の中腹部からスラリ移送ポンプ２０によって連続的に抜き出され、必要に応じて図示しない濃縮器により水分の一部を分離して濃縮された後、本発明の特徴に係る物理脱水装置２に供給されて脱水される。物理脱水装置２によりＮＧＨから分離された水は、ポンプ２１により生成器１に戻されるようになっている。

一方、物理脱水装置２により脱水されたＮＧＨは水和脱水装置３に供給され、ＮＧＨに付着している付着水と別途供給される原料ガスとを反応させてＮＧＨを生成し、これによってＮＧＨの濃度が十分に高められる。水和脱水装置３としては、例えば、特許文献１に記載の２軸スクリュー型脱水装置を適用できるが、本実施形態では、後述する流動層式の水和脱水装置３の構成を用いるようにする。

次に、ガスハイドレート製造プラントの動作を説明する。前述したように、生成器１内は天然ガスおよび水の供給圧により高圧（例えば、３〜１０ＭＰａ）保持されると共に、冷却器１３，１６により低温（例えば、１〜５℃）に保持されている。そして、頂部のスプレーノズル１７から十分に冷却された水が生成器１内に噴霧されると、生成器１内の気相部の天然ガスと反応して、水和生成物であるＮＧＨの粉粒体２２が生成されて液相部に落下する。液相部のＮＧＨを含む水は底部から水循環ポンプ１８によって抜き出され、冷却器１９を介してスプレーノズル１７から再び生成器１内に噴霧される。なお、水循環ポンプ１８によって抜き出される水にＮＧＨが混入するのを抑制するために、生成器１の底部に多孔板などからなるフィルタ２３が設けられている。また、生成器１内におけるＮＧＨ生成反応は発熱を伴うことから、生成器１内の温度を設定温度に保持するために、冷却器１９によって循環水を凍結する限界の温度近くまで冷却してスプレーノズル１７に循環するようにしている。

このようにして、水を循環してスプレーすることにより連続的にＮＧＨが生成され、生成されたＮＧＨの比重は水よりも小さいことから、液相部の水面近傍のＮＧＨ濃度が最も高くなる。この抜き出されるＮＧＨスラリは、一般に低濃度（例えば、０．５〜５重量％）であるため、濃縮器などで濃縮された後、本発明の特徴に係る物理脱水装置２により脱水される。

一方、物理脱水装置２により脱水されたＮＧＨは水和脱水装置３に供給され、ＮＧＨに付着している付着水と別途供給される原料ガスとを反応させてＮＧＨを生成し、これによってＮＧＨの濃度が十分に高められる。

ここで、本実施形態の流動層式の水和脱水装置３の詳細構成ついて説明する。図４に示すように、流動層反応塔９１は、円筒状の縦型に形成され、塔頂部に原料ガスである天然ガスが供給されるようになっている。また、塔底部から一定の高さ位置に散気装置、例えば、散気ノズル、分散板、ここでは多孔板９２が設けられ、この多孔板９２の上方にスクリューコンベア９３により搬送された低濃度（例えば、４５〜５５重量％）のＮＧＨが投入されるようになっている。また、底部と多孔板９２との間に、循環ガスブロワ９４から冷却器９５と流量制御弁９６を介して原料ガスである天然ガスが、流動化ガスとして吹き込まれるようになっている。流動層反応塔９１の頂部はサイクロン９７を介して循環ガスブロワ９４の吸引口に連通されている。これによって、流動層反応塔９１内に流動化ガスである天然ガスが循環されるようになっている。また、冷却器９５の下流側に温度計９９が設けられ、図示していないが、温度計９９の検出温度を設定温度に保持するように、冷却器９５の冷媒の流量が制御されるようになっている。これらの循環ガスブロワ９４、冷却器９５、サイクロン９７等によって、原料ガス循環装置が形成されている。

一方、多孔板９２の下側に、モータ１００によって駆動されるスクリューコンベア１０１の一端側が挿入されている。スクリューコンベア１０１が挿入された部位の多孔板９２に開口が設けられ、その開口に対向させてスクリューコンベア１０１のケーシングに開口が設けられている。これによって、流動層反応により高濃度になった多孔板９２の近傍の高濃度ＮＧＨが、スクリューコンベア１０１により搬出されるようになっている。このスクリュコンベア１０１の他端側は、製品ＮＧＨを貯留するホッパ１０２の上部に連通されている。また、図示していないが、モータ１００の電流などによりスクリューコンベア１０１の負荷を検出し、その検出値を設定範囲に収めるように、流量制御弁９６を制御して循環ガス量を調整することにより、製品ＮＧＨの濃度を所望値に保持することもできるようになっている。

なお、循環ガス量を調整することに代えてあるいは循環ガス量の調整と共に、スクリューコンベア１０１の搬出量と、冷却器９５の冷媒の流量の少なくとも１つを制御することにより、製品ＮＧＨの濃度を所定値に制御するようにしてもよい。さらに、図の流動層反応塔９１は、フリーボードと称する上部大径部が形成されているが、これに限らず全体を同一径に形成してもよい。

このように構成されることから、流動層反応塔９１に投入されて形成されるＮＧＨ層に多孔板９２を介して天然ガスが噴出されると、多孔板９２の上部にＮＧＨの流動層が形成される。この流動層においてＮＧＨの付着水と冷却された天然ガスとが活発に反応してＮＧＨが生成され、ＮＧＨ濃度を例えば９０重量％以上に高めることができる。このようにしてＮＧＨ化率が高められた粉粒状のＮＧＨは、スクリューコンベア１０１によってホッパ１０２に搬送されて一旦貯留される。ホッパ１０２に貯留された粉粒状のＮＧＨは、排出弁１０３を介して適宜切り出され、製品ＮＧＨとして、あるいはＮＧＨペレット製造装置等に移送してさらに加工されるようになっている。なお、ホッパ１０２内は高圧（例えば、３〜１０Ｍｐａ）であることから、図示していないが、通常は、排出弁１０３の下流側に脱圧装置が設けられている。

一方、流動層反応塔９１の流動層を形成した原料ガスのうち、水和反応に寄与しなかった原料ガスは、塔頂部からサイクロン９７を介して循環ガスブロワ９４により吸引されるようになっている。循環ガスブロワ９４により吸引された原料ガスは、冷却器９５によって冷却され流量制御弁９６を介して、再び流動層反応塔９１の多孔板９２の下側に戻される。この冷却器９５によって、流動層の水和反応熱により上昇した原料ガスを冷却し、流動層反応塔９１の温度をＮＧＨ生成に適した低温（例えば、１〜５℃）に保持して反応を促進させる。

次に、本発明の特徴に係る物理脱水装置２の一実施の形態の詳細構成について、図１を参照して説明する。

本実施形態の物理脱水装置２は、図に示すように、物理脱水エリア３１と、水和脱水エリア３３とから構成される。物理脱水エリア３１には、円筒状の高圧用シェル３５と、高圧用シェル３５内に設けられた円筒状の脱水スクリーン３７と、脱水スクリーン３７内の空間に配置され、スクリュー羽根３９を有する回転軸４１が備えられている。

高圧用シェル３５の一端の上部にはＮＧＨスラリ４３を取り入れる供給口４５が設けられる一方、他端の下部にはＮＧＨスラリ４３から分離された水分４７を排出する排出口４９が設けられている。また、高圧用シェル３５の内周の下部は、排出口４９に向かって傾斜して形成され、分離された水分４７が排出口４９に流れるようになっている。脱水スクリーン３７は、ＮＧＨスラリ４３から分離された水分４７を通す孔５１が全周に渡って形成されている。ここで、孔５１は、必ずしも全周に形成されている必要はなく、少なくとも脱水スクリーン３７の下方に形成されていればよい。また、孔５１の大きさは、基本的にガスハイドレートが通らず水分のみが通過するように設定されるが、ガスハイドレートの一部が流れ出ても構わない。なお、孔５１は、例えばスリット状に形成されていてもよい。

回転軸４１は、直状に延在する直状部５３と、軸方向に拡径するテーパ部５５が搬送方向に連結して形成され、図示しない駆動装置と回転可能に接続されている。スクリュー羽根３９は、回転軸４１に沿って螺旋状で形成され、脱水スクリーン３７の内周面と近接するように設けられている。

一方、水和脱水エリア３３は、円筒状の容器５４と、容器５４の外周に取り付けられた冷却ジャケット５６と、容器５４内の空間に配置され、門型の撹拌羽根５７を有する回転軸４２とを備えている。

容器５４の一端には、脱水スクリーン３７の端部が連結され、その連結部を高圧用シェル３５が覆って形成されている。つまり容器５４は、高圧用シェル３５を軸方向に延在させて一体的に形成されるものである。容器５４の他端の下方には、脱水されたＮＧＨ６７を排出する排出口６９が設けられている。

容器５４の外周には、全周に渡って冷却ジャケット５６が取り付けられ、下方には冷却媒体５８を取り入れる導入口５９、上方には冷却媒体５８を排出する排出口６１がそれぞれ形成されている。また、容器５４の外周には、容器５４内に原料ガスとして天然ガス６３を取り入れるガス供給管６５が複数本配設されている。

回転軸４２は、回転軸４１のテーパ部５５の一端と軸線を一致させて連結され、回転軸４１と共に回転駆動するようになっている。門型の撹拌羽根５７は、２本の脚部を回転軸４２の軸方向に合わせるようにして軸周りに複数取り付けられ、これが軸方向に複数設けられている。水和脱水エリア３３の入側と出側には、平板状の送り羽根７１が回転軸４２の軸方向から傾斜させて軸周りに複数取り付けられている。なお、回転軸４１の一端および回転軸４２の他端は、それぞれ高圧用シェル３５，容器５４の両端面で軸支されている。

次に、このように構成される物理脱水装置２の動作を説明する。まず、生成器１からスラリ移送ポンプ２０により抜き出されたＮＧＨスラリ４３は、供給口４５を介して脱水スクリーン３７内に導かれる。脱水スクリーン３７内に導入されたＮＧＨスラリ４３は、回転軸４１の回転によりスクリュー羽根３９の溝空間を通じて軸方向に搬送され、この過程で徐々に圧縮されて水分が分離される。この分離された水分４７は、脱水スクリーン３７の孔５１から外部に流出し、排出口４９から排出される。このように、ＮＧＨスラリ４３は、物理脱水エリア３１を通過することにより水分をある程度除去できるが、例えば、ＮＧＨ粒子の表面には水分が付着している。

そこで、本実施形態では、物理脱水エリア３１の後段に水和脱水エリア３３を設け、ＮＧＨに付着する水分を水和反応により除去するようにしている。すなわち、物理脱水エリア３１から容器５４内に導かれたＮＧＨは、例えば、撹拌羽根５７の回転により容器５４内で撹拌されながら搬送され、同時にガス供給管６５から容器５４内に導入された天然ガス６３の雰囲気に曝される。これにより、ＮＧＨに付着する水分は天然ガス６３と接触して反応し、水和脱水が行われる。

なお、水和反応には発熱を伴うが、容器５４の外周から冷却ジャケット５６を通じて熱回収が行われるため、容器５４内は水和反応に適した温度範囲に保持されている。加えて、容器５４内に供給された天然ガス６３は、ポンプなどで強制的に循環され、容器５４内には常に未反応の天然ガス６３が供給されている。これにより、容器５４内における水和反応の反応率を高く維持できる。

上述したように、物理脱水装置２では、物理脱水後のＮＧＨスラリを連続的に水和脱水しているから、従来の物理脱水と比べて高い脱水率を得ることができる。そのため、例えば、後流側において流動層の水和脱水を支障なく行うことができ、水和脱水の選択幅を拡げると共に、最終製品となるＮＧＨの濃度を高く維持できる。また、脱水率の高いＮＧＨを水和脱水処理することにより、水和脱水時の負荷、つまり熱回収設備などに係る負荷を低減できるから、経済的である。

また、本実施形態では、撹拌羽根５７による撹拌効果により物理脱水工程で排出された塊状ガスハイドレートが解き崩されるため、次の工程の流動層での水和脱水の効率を高めることができる。

さらに、本実施形態では、物理脱水エリア３１と水和脱水エリア３３を一つの容器内に収容し、連続的に処理しているから、装置構成が簡単になり、設置面積を少なくできるという効果がある。

次に、本発明の特徴に係る物理脱水装置の他の実施の形態について図３を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同一の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態の物理脱水装置８２は、水和脱水エリア３３において、ＮＧＨをスクリューで撹拌、搬送させている点で上記の実施形態と相違する。すなわち、本実施形態の回転軸８３は、回転軸４１の軸線上でテーパ部５５の一端と連結されており、軸方向に縮径するテーパ部８５と、直状に延在する直状部８７が搬送方向に連結して形成されている。スクリュー羽根８９は、テーパ部８５の外周の軸方向に螺旋状で形成され、容器５４の内周面と近接するように設けられている。また、撹拌羽根５７は、直状部８７の外周に形成されている。

本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができ、従来の物理脱水と比べて高い脱水率を得ることができる。

なお、本実施形態では、水和脱水エリア３３における異なる撹拌手段について説明したが、原料ガスが供給される環境下でＮＧＨが連続的に撹拌される構成であれば、これに限定されるものではない。

本発明の物理脱水装置の一実施形態を示す断面図である。本発明を適用した一実施形態のハイドレート製造プラントの構成図を示す。本発明の物理脱水装置の他の実施の形態を示す断面図である。本発明を適用したハイドレート製造プラントの流動層式水和脱水装置の一実施形態の構成図を示す。

符号の説明

１生成器
２，８２物理脱水装置
３水和脱水装置
３１物理脱水エリア
３３水和脱水エリア
３５高圧用シェル
３７脱水スクリーン
３９スクリュー羽根
４１，４２，８３回転軸
４３ＮＧＨスラリ
４５供給口
４７水分
４９排出口
５１孔
５４容器
５５テーパ部
５６冷却ジャケット
５７撹拌羽根
６３天然ガス
６５ガス供給管
６７ＮＧＨ
６９排出口

Claims

ガスハイドレートに付着する水分と該ガスハイドレートの原料ガスとを反応させてガスハイドレートを脱水する水和脱水装置の前段側に接続され、ガスハイドレートスラリを加圧して水分を分離する物理式のガスハイドレート脱水装置であって、
外筒と、該外筒の内部に設けられた筒状の脱水スクリーンと、前記脱水スクリーンの一端に延在させて設けられた筒状容器と、前記脱水スクリーンと前記筒状容器の内部に挿通された回転軸と、前記脱水スクリーン内の前記回転軸の外周に設けられたスクリュー羽根と、前記筒状容器内の前記回転軸の外周に設けられた羽根と、前記脱水スクリーンの他端の内部に挿通されたガスハイドレートスラリの供給口と、前記外筒に設けられた水の排出口と、前記筒状容器内にガスハイドレートの原料ガスを供給するガス供給口と、前記筒状容器の他端に設けられたガスハイドレートの排出口と、前記筒状容器内の前記ガスハイドレートと前記原料ガスとを冷却する冷却媒体が通流される流路とを備え、
前記筒状容器の軸長は、前記脱水スクリーンの軸長よりも短く形成されてなるガスハイドレート脱水装置。
前記脱水スクリーンの内周面と前記回転軸との隙間は、前記ガスハイドレートの移送方向に沿って小さく形成されてなる請求項１に記載のガスハイドレート脱水装置。
前記羽根は、門型に形成され、脚部を前記回転軸の軸方向に取り付けてなる請求項１または２に記載のガスハイドレート脱水装置。