JP4575700B2 - ガス貯蔵方法 - Google Patents

Description

本発明は、メタンを主成分とする天然ガスを、一旦、ガスハイドレート（ＮＧＨ）に変換し、その容積を縮小して貯槽内に貯蔵するガス貯蔵方法に関するものである。

従来、都市ガスは、一般に、球形のガスホルダーを利用して需要調整が行なわれている。この球形のガスホルダーは、ガス需要に即応するため、市街地に建設されたが、近年、過密化が進むに連れて都市機能や美観などの観点から問題となっている。若し、このガスホルダーを省スペースで、且つ、安全な設備に代えることができれば、土地の有効活用が可能となり、都市の機能や美観などの向上が期待できる。

例えば、メタンを主成分とする天然ガスをガスホルダーに８０００ｋｇ貯蔵する（１ｔ／ｈを８時間かけて貯蔵する。）場合には、貯蔵容積が１，７１４ｍ³ となり、球形のガスホルダーの直径は、約１５ｍとなる。このような大型のガスホルダーが一つでも都市の過密な場所を占有しているのは、都市機能や美観などの観点から問題である。尚、この場合、初圧を１０ａｔａ（０．９８ＭＰａ）、終圧を３ａｔａ（０．２７ＭＰａ）と設定している。

ところで、メタンの水和物（メタンハイドレート）が安定に存在し得る条件下、すなわち、５℃で、かつ、高圧（５４ｋｇ／ｃｍ² ）においては、メタンハイドレートの技術（例えば、特許文献１参照。）を利用することによって従来のガスホルダーに代わる全く新しいガスホルダーを実現することが可能である。
特開２００２−１６１２８８公報（第２−３頁、図２）

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、 （ａ）ガスホルダーの省スペース化、都市空間及び景観の改善、
（ｂ）安全なガス貯蔵、
（ｃ）修繕コストの軽減、
を図ることができるガス貯蔵方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するため、次のように構成されている。

請求項１に係るガス貯蔵方法は、メタンを主体とするガスを、水と反応させてガスハイドレートを生成し、このガスハイドレートと未反応水が混合したガスハイドレートスラリーを、濾過部を有する脱水器に供給し、該脱水器の濾過部によってガスハイドレートスラリーを脱水し、脱水後のガスハイドレートを払い出し手段によって送出して耐圧容器内に貯蔵し、しかる後に、前記耐圧容器内に水を注入して貯蔵中のガスハイドレートを再ガス化させるガス貯蔵方法において、前記耐圧容器内に、管壁の一部に濾過部を有する筒状の脱水器を内蔵すると共に、該脱水器の上方に払出し手段を備え、前記脱水器によって脱水されたガスハイドレートを前記払出し手段によって前記耐圧容器内に掻き落とすことを特徴とするものである。

請求項２に係るガス貯蔵方法は、前記耐圧容器内に、ガスタービンへ燃料として供給する天然ガスの一部をガスハイドレートにして貯蔵し、ガス需要量増加時に前記耐圧容器内のガスハイドレートを再ガス化してガス導管の供給圧力低下を防止することを特徴とするものである。

上記のように、請求項１に記載の発明に係るガス貯蔵方法は、メタンを主体とするガスを、水と反応させてガスハイドレートを生成し、このガスハイドレートと未反応水が混合したガスハイドレートスラリーを、濾過部を有する脱水器に供給し、該脱水器の濾過部によってガスハイドレートスラリーを脱水し、脱水後のガスハイドレートを払出し手段によって送出して耐圧容器内に貯蔵するので、メタンを主体とするガスを、そのまま球形のガスホルダーに貯槽する従来の方式に比べてガスホルダーとしての耐圧容器の容積を大幅に縮小することができる。このため、過密状態にある都市空間及び都市景観を根本的に改善することができる。

また、ガスハイドレートは、包接化合物（クラスレート化合物）の一種であって、複数の水分子により形成された立体かご型の包接格子（クラスレート）の中に天然ガスの各成分を構成する分子、即ち、メタン、エタン、プロパンなどが入り込み、包接された結晶構造をなすものであるから、加熱によって再ガス化させない限り、比較的安全である。

また、この発明は、耐圧容器内に水を注入するだけで貯蔵中のガスハイドレートを再ガス化させることができるので、ガス需要に迅速に対応することができる。

また、請求項２に記載の発明に係るガス貯蔵方法は、前記耐圧容器は、管壁の一部にスクリーン等の濾過部を有する筒状の脱水器を内蔵すると共に、その上方にスクレーパ等の払出し手段を備え、前記脱水器によって脱水されたガスハイドレートを前記払出し手段によって耐圧容器内に掻き落とすので、脱水されたガスハイドレートを耐圧容器内に簡単に貯蔵することができる。

また、請求項３に記載の発明に係るガス貯蔵方法は、冬季には、水と氷雪をエダクターによって混合して氷スラリーを生成し、しかる後に、この氷スラリーを反応器に供給して天然ガスと反応させるので、補機動力以外の動力、すなわち、冷凍機の動力が不要となる。

また、請求項４に記載の発明に係るガス貯蔵方法は、ガスタービンへ燃料として供給する天然ガスの一部を、ガスハイドレートにしてガス貯蔵施設の耐圧容器内に貯蔵し、ガス需要量増加時に前記ガスハイドレートを再ガス化してガス導管の供給圧力低下を防止するので、ガス需要量増加によるガス導管の供給圧力低下を未然に防止することができる。

また、請求項５に記載の発明に係るガス貯蔵方法は、ガスハイドレートの再ガス化時に生じた余剰水をガスタービンの吸気冷却器に供給するので、ガスタービン出力低下を未然に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１及び図２は、本発明に係るガス貯蔵方法を実施するためのガス貯蔵設備の概略構成図である。

図１に示すように、このガス貯蔵設備Ａは、反応器１および貯槽兼脱水器兼再ガス化装置２を備えている。

この反応器１は、天然ガスハイドレート（以下、ガスハイドレートという。）を生成するため、中圧のガス導管３よりメタンを主体とする天然ガスａを導入し、氷スラリー供給管４より氷スラリーｂを導入するようになっている。

すなわち、中圧（０．３〜１ＭＰａ）の天然ガスａは、ブースターコンプレッサー５によって所定の圧力（例えば、５４ａｔａ（５．３ＭＰａ））に昇圧後、枝管６を経て反応器１に導入される。他方、氷スラリーｂは、水ｃと氷雪ｄをエダクター７によって混合させたものであり、製造後、氷スラリーポンプ８によって反応器１に導入するようになっている。

上記反応器１は、いわゆるバブリング方式の反応器であり、低温（例えば、０℃）の氷スラリーｂの中に高圧（５４ａｔａ（５．３ＭＰａ））の天然ガスａを微細な気泡にして噴出することにより、水ｃと天然ガスａが反応してガスハイドレートが生成される。このガスハイドレートｅは、未反応の水を伴ってガスハイドレートスラリーｆとなり、ガスハイドレートスラリーポンプ９によって貯槽兼脱水器兼再ガス化装置２に送出される。

この反応器１は、その上部と前記枝管６とを結ぶガス循環パイプ１０を有しており、未反応の天然ガスａをブロワ１１を使って前記枝管６に戻すようになっている。また、この反応器１は、熱交換器１２を備えており、氷雪の入手が困難な時期になると、熱交換器１２を稼働させてガスハイドレートの生成時に生ずる反応熱を除去するようにしている。

貯槽兼脱水器兼再ガス化装置２は、耐圧容器１４と、脱水器１５と、払出し手段としてのスクレーパ１６とを備えている。脱水器１５は、管壁の一部にスクリーンなどの濾過部１７を有する有底の筒体１８と、前記濾過部１７の外側に設けたジャケット状の排水部１９とを有している。この排水部１９には、ガスハイドレートスラリーｆから分離した未反応水ｃを系外に排出する排水管２０が接続されている。

また、この耐圧容器１４は、その上端部に中空状の耐圧製のスクレーパ室２１を設けており、その中にスクレーパ１６を備えている。スクレーパ１６は、半径方向に延びる多数の回転翼２３を持っており、脱水器１５の筒体１８の上端から溢れ出るガスハイドレートｅを掻き取るようになっている。このスクレーパ室２１の底部には、スクレーパ１６の回転翼２３によって掻き取られたガスハイドレートｅを耐圧容器１４内に落下させるための開口部（図示せず）が、多数、設けられている。また、スクレーパ室２１の上部には、スクレーパ１６の回転翼２３を回転させるためのモーター２４が設けられている。

ここで、脱水器１５の筒体１８の上端がスクレーパ室２１の底部に取り付けられていることは言うまでもない。また、上記ガスハイドレートスラリーポンプ９を備えたガスハイドレートスラリー供給管１３は、脱水器１５の筒体１８の底部１８ａに接続されている。また、このガスハイドレートスラリー供給管１３には、注水管２５が接続されている。

上記耐圧容器１４は、その下部側面に余剰水ｈを排出するための余剰水排水管２６を持っており、この余剰水排水管２６から分岐した分岐管２７は、上記氷スラリー供給管４に接続している。また、上記耐圧容器１４は、その上部に再ガス供給管２８を設けている。この再ガス供給管２８は、ブースターコンプレッサー５の上流側でガス導管３から分岐した中圧のガス導管２９に接続している。また、このガス導管２９と上記枝管６間には、バイパス管３０が設けられている。

図中、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０は、それぞれ、バルブを示している。

続いて、このガス貯蔵設備の作用について説明する。

先ず、冬季の運転方法について説明し、その後、夏季（冬季以外の期間）の運転方法について説明する。

（１）冬季の運転方法
冷熱源としての氷雪がある冬季には、図２に示すように、バルブ３１〜３３、３６及び４０を「開」、バルブ３４、３５、３７〜３９を「閉」とし、比較的安価な夜間電力を用いて上記ガス貯蔵設備Ａを８時間運転する。尚、ガスハイドレート生成条件は、圧力を５４ａｔａ（５．３ＭＰａ）、温度を５℃に設定する。

上記のように、エダクター７によって水ｃと氷雪ｄを混合させて造った氷スラリーｂを氷スラリーポンプ８によって反応器１に導入し、その量が所定量に達したところで、ブースターコンプレッサー５によって所定の圧力（例えば、５４ａｔａ（５．３ＭＰａ））に昇圧した天然ガスａを上記反応器１内にバブリングさせると、低温（例えば、０℃）の水ｃと天然ガスａが反応してガスハイドレートｅが生成される。

このガスハイドレートｅは、ガスハイドレートスラリーポンプ９によって未反応の水ｃと共に送出され、ガスハイドレートスラリー（例えば、含水率２５％）ｆとなって脱水器１５の筒体底部１８ａに供給される。

図３に示すように、脱水器１５の筒体底部１８ａ供給されたガスハイドレートスラリーｆは、脱水器１５の筒体１８内を上方に向かって上昇する。そして、スクリーンなどの濾過部１７に達すると、スクリーンなどの濾過部１７によって未反応水ｃが分離され、その外側の排水部１９内に除去される。排水部１９内に流出した未反応水ｃは排水管２０を経て系外に排出される。

未反応水が除去された粉体状のガスハイドレート（例えば、含水率５７％）ｅは、連続的に供給される後続のガスハイドレートスラリーｆによって押し上げられ、脱水器１５の筒体１８の上端部に達する。脱水器１５の筒体１８の上端部に達したガスハイドレートｅは、スクレーパ１６の回転翼２３によって掻き取られ、スクレーパ室２１の底部に設けた開口部（図示せず）を通って耐圧容器１４内に貯蔵される。

他方、昼間になってガス需要が増加した場合には、図４に示すように、バルブ３１、３２、３４、３６、４０を「閉」、バルブ３５、３７、３８、３９を「開」にした後、注水管２５から例えば、１２℃程度の水又は温水ｉを供給する。この水又は温水ｉは、脱水器１５の筒体１８の上端から耐圧容器１４内に供給される。この水又は温水ｉによって加温されたガスハイドレートｅは、融解して天然ガスａと水ｃになり、天然ガス（例えば、０．１〜０．３ＭＰａ）ａは、再ガス供給管２８を経て中圧のガス導管２９に供給される。

他方、ガスハイドレートｅの溶解によって生じた余剰水ｈは、余剰水排水管２６を経て系外に排出される。

（２）夏季（冬季以外）の運転方法
冷熱源としての氷雪のない夏季（冬季以外）の運転方法は、冬季の運転方法と殆ど変わりがないので、詳しい説明を省略する。ただ、この場合には、図示しない冷凍機を運転してガスハイドレートの生成熱（反応熱）を除去するようになっている。

以上の説明では、従来の球形のガスホルダーの代替品としてのガス貯蔵設備について説明したが、この発明は、図５に示すように、大規模コージェネレーションシステムにおけるガス供給系の変動防止にも適用することができる。

この場合には、昼間のガス需要量増加によるガス導管供給圧力低下を防止するため、ガスタービンへ供給するガス量の一部を夜間にガスハイドレートｅにしてガス貯蔵設備Ａの耐圧容器（図示せず）に貯蔵する。

このコージェネレーションシステムは、ガスタービン５０と、発電機５１と、廃熱ボイラ５２と、温水器５３とを備え、ガスタービン５０は、吸気冷却器５４と、圧縮機５５と、燃焼器５６と、膨張タービン５７により構成されている。

そして、再ガス化時に、温水器５３で加温した温水ｉを耐圧容器１４に供給し、ガスハイドレートｅの再ガス化によって生じた冷水（余剰水）ｈを循環ポンプ４８によって冷却塔補給水等として系外に供給する。その際、吸気冷却器５４にて冷水ｈによる吸気冷却を行い、夏場のガスタービン出力低下を防止する。

また、上記脱水器１５は、耐圧容器１４の外に設けても差し支えがないが、その場合には、脱水器１５に耐圧性を持たせることが必要である。

続いて、実施例により本発明を更に詳しく説明する。

（実施例１）
図６を用いて冬季におけるガスハイドレートの生成、貯蔵及び再ガス化について説明する。この場合は、氷雪の冷熱を利用することにより、補機動力以外の動力（冷凍機動力）が不要となり、経済的である。

（１）ガスハイドレートの生成
（ａ）ガスハイドレートの生成条件
・圧力：５４ａｔａ（５．３ＭＰａ）
・温度：５℃
（ｂ）原料ガス：メタンを主成分とする天然ガス
・温度：２０℃
・供給量：１．０ｔ／ｈ
（ｃ）原料水（氷スラリー）
・温度：０℃
（ｄ）生成器における循環ガス量
・流量：２０．０ｔ／ｈ
・温度：５℃

この結果、生成器１によって濃度２５％、５℃の天然ガスハイドレートスラリーを３１．９ｔ／ｈ生成することができた。尚、その内訳は、天然ガスハイドレート８．０ｔ／ｈ（含むメタン１．０ｔ／ｈ）、水２３．９ｔ／ｈである。

続いて、この天然ガスハイドレートスラリーを図示しない脱水器に供給して脱水したところ、濃度５７％の天然ガスハイドレートを１３．９ｔ／ｈ製造することができた。その内訳は、天然ガスハイドレート８．０ｔ／ｈ（含むメタン１．０ｔ／ｈ）、水５．９ｔ／ｈである。

ここで、夜間電力を用いて８時間連続運転すると、天然ガスハイドレートの生成量は、１１１．２ｔとなることから、天然ガスハイドレートの比重を０．８と仮定した場合、天然ガスハイドレートの容積は、１３９ｍ³ となる。これを球形の圧力容器に貯蔵すると仮定すると、球形の圧力容器の直径は、約６ｍとなり、従来の半分以下になる。

既に説明したように、天然ガスを球形のガスホルダーに１ｔ／ｈの割合で８時間貯蔵する場合には、球形のガスホルダーの直径は、約１５ｍである。

（２）ガスハイドレートの再ガス化
ガス需要時に耐圧容器１４内の天然ガスハイドレートを再ガス化したところ、天然ガスが２ｔ／ｈ、５℃の水が２５．８ｔ／ｈ得られた（４時間で再ガス化の場合。）。

（実施例２）
図７を用いて夏季（冬季以外）におけるガスハイドレートの生成、貯蔵及び再ガス化について説明する。この場合は、冷凍機を運転するため、１４０ｋＷｈ／ｔ（ＣＨ４軸基準）の電力が必要となる。

（１）ガスハイドレートの生成
（ａ）ガスハイドレートの生成条件
・圧力：５４ａｔａ（５．３ＭＰａ）
・温度：５℃
（ｂ）原料ガス：メタンを主成分とする天然ガス
・温度：２０℃
・供給量：１．０ｔ／ｈ
（ｃ）原料水（水）
・温度：２０℃
（ｄ）生成器における循環ガス量
・流量：２０．０ｔ／ｈ
・温度：５℃
（ｅ）生成器における循環水の温度
・熱交換器入口：５℃
・熱交換器出口：２℃

この結果、生成器１によって濃度２５％、温度５℃の天然ガスハイドレートスラリーを３１．９ｔ／ｈ生成することができた。尚、その内訳は、天然ガスハイドレート８．０ｔ／ｈ（含むメタン１．０ｔ／ｈ）、水２３．９ｔ／ｈである。

続いて、この天然ガスハイドレートスラリーを脱水器（図示せず）に供給して脱水したところ、濃度５７％の天然ガスハイドレートを１３．９ｔ／ｈ製造することができた。その内訳は、天然ガスハイドレート８．０ｔ／ｈ（含むメタン１．０ｔ／ｈ）、水５．９ｔ／ｈである。

（２）ガスハイドレートの再ガス化
ガス需要時に耐圧容器１４内の天然ガスハイドレートを再ガス化したところ、天然ガスが２ｔ／ｈ、５℃の水が２５．８ｔ／ｈ得られた（４時間で再ガス化の場合。）。

本発明に係るガス貯蔵方法を実施するためのガス貯蔵設備の概略構成図である。 上記ガス貯蔵設備の作用説明図である。 貯槽兼脱水器兼再ガス化装置の作用説明図である。 ガス需要時の作用説明図である。 ガス需要調整の適用例を示す説明図である。 実施例１の適用図である。 実施例２の適用図である。

符号の説明

ａ メタンを主体とするガス
ｃ 水
ｅ ガスハイドレート
ｆ ガスハイドレートスラリー
ｉ 水
１４ 耐圧容器
１５ 脱水器
１６ 払出し手段
１７ 濾過部

Claims (2)

1. メタンを主体とするガスを、水と反応させてガスハイドレートを生成し、このガスハイドレートと未反応水が混合したガスハイドレートスラリーを、濾過部を有する脱水器に供給し、該脱水器の濾過部によってガスハイドレートスラリーを脱水し、脱水後のガスハイドレートを払い出し手段によって送出して耐圧容器内に貯蔵し、しかる後に、前記耐圧容器内に水を注入して貯蔵中のガスハイドレートを再ガス化させるガス貯蔵方法において、前記耐圧容器内に、管壁の一部に濾過部を有する筒状の脱水器を内蔵すると共に、該脱水器の上方に払出し手段を備え、前記脱水器によって脱水されたガスハイドレートを前記払出し手段によって前記耐圧容器内に掻き落とすことを特徴とするガス貯蔵方法。
2. 前記耐圧容器内に、ガスタービンへ燃料として供給する天然ガスの一部をガスハイドレート化して貯蔵し、ガス需要量増加時に前記耐圧容器内のガスハイドレートを再ガス化してガス導管の供給圧力低下を防止することを特徴とする請求項１記載のガス貯蔵方法。

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