JP4942398B2 - 高純度メタンガス製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、天然ガスハイドレート（Natural Gas Hydrate）を利用する高純度メタンガス製造装置に関する。

近年、天然ガス等のような原料ガスと水とを接触させて生成したガスハイドレートの研究が進められている。ハイドレートは、水分子が構成するクラスター（かご構造）の中に原料ガスの分子（ゲスト）が取り込まれた包接水和物である。例えば、天然ガスハイドレートは、メタンとエタンとプロパンを主成分として構成された天然ガスをゲストとしてこれを水分子が構成するクラスターの中に取り込んだ構造物である。このようなガスハイドレートは、天然ガスハイドレートの他にも、原料ガスを代えることで種々のガスハイドレートとして構成することができる。例えば、原料ガスとして二酸化炭素を用いれば、二酸化炭素ハイドレートを生成することができる。

天然ガスハイドレートは、例えば特許文献１に記載されているように、そもそも貯蔵や輸送の便宜のために開発された技術である。例えば、天然ガスの場合、現在は液化天然ガス（ＬＮＧ）の形態で貯蔵及び輸送する方法が一般的である。ところが、液化天然ガスの主成分であるメタンは、液化させるのに−１６２℃といった極低温条件が必要であり、貯蔵及び輸送に際してはそのような極低温条件の維持が求められる。このため、液化天然ガスの製造及び維持管理には、多大なコストがかかってしまう。

これに対して、天然ガスハイドレートは、大気圧下−２０℃の環境で約１７０倍のガスを包蔵し、−２０℃程度の環境で大きな自己保存効果を発揮する。このため、貯蔵及び輸送等での取り扱いが比較的容易であるという利点を有している。

特開２００３−０７３６７９公報

前述したように、天然ガスハイドレートは、そもそも貯蔵や輸送の便宜のために開発された技術である。このため、天然ガスハイドレートに対する本来的な期待は、大気圧下−２０℃程度の環境での自己保存効果にある。つまり、貯蔵や輸送のためには、分解しにくいという性能に価値が求められる。

その一方、天然ガスハイドレートは、常温環境下に置くと比較的早期に天然ガスと水とに分解する。このような現象は、天然ガスハイドレートに対する本来的な期待が貯蔵や輸送の便宜であるとするならば、極力避けたい現象であるといえる。これに対して、この出願の発明者等は、むしろ、そのような天然ガスハイドレートの分解という現象に着目し、その利用について鋭意研究を進めた。その結果、高純度メタンガス製造装置を発明するに至った。

本発明の高純度メタンガス製造装置は、天然ガスハイドレートを収納可能な収納部と、前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される水を貯留する貯水部と、前記貯水部に貯水される水の中に消化ガスを導入するための消化ガス取込部と、汚泥を嫌気性処理して得た消化ガスを外部から前記消化ガス取込部に圧送する圧送機構と、前記消化ガス取込部から導入される消化ガスを前記貯水部に貯水される水の中でマイクロバブル化させる多孔部と、前記貯水部の内部で精製される高純度のメタンガスを外部に排出する精製ガス排出部と、前記貯水部に貯水された水を排出する排水部と、を備える。

本発明によれば、収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成されて貯水部に貯水される水の中に、汚泥を嫌気性処理して得た消化ガスをマイクロバブル化させて供給することで、消化ガスに含まれる炭酸ガスの水中へのトラップ効率を向上させて収納部内で高純度のメタンガスを精製することができる。

本発明の原理を図１に基づいて説明する。

図１は、本発明の原理を説明するための概念図である。高純度メタンガス製造装置１０１は、天然ガスハイドレート３０１を収納可能な分解混合精製槽２０１を備えている。分解混合精製槽２０１は、天然ガスハイドレート３０１を貯蔵しているＮＧＨタンク３０２から天然ガスハイドレート３０１が適宜供給される収納部２０２と貯水部２０３とを内部に備えている。収納部２０２に収納保持されている天然ガスハイドレート３０１は、例えば常温下で天然ガスと水とに分解する。分解して生成された水は、貯水部２０３に貯留される。したがって、分解混合精製槽２０１の内部は、天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された天然ガスが充満する気相と、天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された水が貯水される水相とに分離される。

このような分解混合精製槽２０１には、汚泥を嫌気性処理して得られた消化ガス（メタン約６０％、炭酸ガス約４０％程度）が供給される。消化ガスが導入されるのは、貯水部２０３に貯水されている水の中である。これにより、消化ガスに含まれている炭酸ガスは、貯水部２０３に貯水されている水にトラップされ、メタン濃度の高いガスが分解混合精製槽２０１における天然ガスが充満している気相へ供給される。このため、当該分解混合精製槽２０１の気相では、メタンを高濃度に含有する高純度のメタンガスが精製される。こうして、高純度メタンガスを得ることができる。

本発明の実施の一形態を図２ないし図４に基づいて説明する。

図２は、高純度メタンガス製造装置１０１の全体構成を示す模式図である。高純度メタンガス製造装置１０１は、分解混合精製槽２０１を備えている。分解混合精製槽２０１には汚泥槽１５１とＮＧＨタンク３０２とが連結されている。このような高純度メタンガス製造装置１０１は、分解混合精製槽２０１の内部で生ずる天然ガスハイドレート３０１の天然ガスと水との分解という現象を利用して分解混合精製槽２０１の内部で高純度メタンガスを精製製造する。

汚泥槽１５１について説明する。汚泥槽１５１は、汚泥１５２を収納保持し、汚泥１５２を嫌気性処理する。これによって生成された消化ガスは、消化ガス流路１５３を介して分解混合精製槽２０１に供給される。消化ガス流路１５３にはコンプレッサ１５４が設けられ、このコンプレッサ１５４を駆動することによって、汚泥槽１５１で生成された消化ガスを分解混合精製槽２０１に圧送する。ここに、汚泥を嫌気性処理して得た消化ガスを外部から分解混合精製槽２０１に圧送する圧送機構１５５が構成されている。

分解混合精製槽２０１について説明する。分解混合精製槽２０１は、天然ガスハイドレート３０１を収納可能な収納部２０２を有し、収納する天然ガスハイドレート３０１が分解することによって生成された水を貯留する貯水部２０３を形成している。つまり、分解混合精製槽２０１の内部は、多孔質の保持台２０４によって上下に二分割されている。保持台２０４は、天然ガスハイドレート３０１を保持可能な構造となっている。したがって、保持台２０４よりも上方の空間は、天然ガスハイドレート３０１を収納可能な収納部２０２を構成し、保持台２０４よりも下方の空間は、天然ガスハイドレート３０１が分解して生成される水を貯留する貯水部２０３を構成する。そして、分解混合精製槽２０１は、その内部に密閉空間を形成している。

分解混合精製槽２０１に形成された貯水部２０３には、汚泥槽１５１から延出する消化ガス流路１５３を連通させる消化ガス取込部２０５が設けられている。したがって、消化ガス流路１５３を通って分解混合精製槽２０１に供給される消化ガスは、貯水部２０３に潮流されている水の中に導入されることになる。更に、分解混合精製槽２０１は、内部で精製される高純度のメタンガス（後述する）を外部に排出する精製ガス排出部２０６と、貯水部２０３に貯留された水を排出する排水部２０７とを備えている。

天然ガスハイドレート３０１は、例えばＮＧＨタンク３０２に−２０℃で貯蔵され、このＮＧＨタンク３０２から必要に応じて分解混合精製槽２０１の収納部２０２に移される。そこで、ＮＧＨタンク３０２と分解混合精製槽２０１に設けられた収納部２０２との間は、ＮＧＨ供給路３０３を介して結ばれている。ＮＧＨ供給路３０３には、バルブ３０４が介在配置されている。バルブ３０４は、ＮＧＨ供給路３０３を開閉し、これによって、ＮＧＨタンク３０２から分解混合精製槽２０１に対する天然ガスハイドレート３０１の供給制御と、分解混合精製槽２０１の密閉化制御とを実現する。この意味で、バルブ３０４は、ＮＧＨタンク３０２から分解混合精製槽２０１の収納部２０２に選択的に天然ガスハイドレート３０１を供給する供給機構としての役割を果たす。

図３は、多孔部でのマイクロバブルの生成構造を示す模式図である。汚泥槽１５１と分解混合精製槽２０１とを連通させる消化ガス流路１５３には、その端部に位置させて多孔部１５６が設けられている。多孔部１５６は、貯水部２０３に貯留される水の中に供給される消化ガスをマイクロバブル化させる役割を担う。

図４は、多孔部１５６の正面図である。消化ガスをマイクロバブル化させるという多孔部１５６の機能は、消化ガス流路１５３に連通する複数個の連通孔１５７によって果たされる。

このような構成において、高純度メタンガス製造装置１０１を使用するには、まず、ＮＧＨタンク３０２と分解混合精製槽２０１とを連通させるＮＧＨ供給路３０３に介在配置されているバルブ３０４を開き、ＮＧＨタンク３０２から分解混合精製槽２０１に天然ガスハイドレート３０１を供給する。この場合の天然ガスハイドレート３０１の供給は、一例として、天然ガスハイドレート３０１の自重による自由落下により行なわれる。供給された天然ガスハイドレート３０１は、保持台２０４に載置され、収納部２０２の内部に収納保持されている。収納部２０２に収納保持されている天然ガスハイドレート３０１は、常温下に置かれることになるため、天然ガスと水とに分解し始める。別の一例としては、分解混合精製槽２０１の内部に水を導入できるように構成し、収納部２０２に収納保持された天然ガスハイドレート３０１に常温の水をかけて分解を促進するようにしても良い。この状態では、天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された天然ガスが分解混合精製槽２０１の内部に充満し、また、天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された水が貯水部２０３に貯留される。貯留される水は、天然ガスハイドレート３０１の分解によって生成された水であるため、通常は常温よりも低く、例えば０〜５℃程度となる。

次いで、汚泥槽１５１では汚泥１５２が嫌気性処理され、消化ガスが発生している。発生する消化ガスの成分としては、メタン約６０％、炭酸ガス約４０％程度である。その他、例えば硫化水素等の他の成分も混入している。このような消火ガスは、コンプレッサ１５４を駆動することにより消化ガス流路１５３に引き込まれ、分解混合精製槽２０１の内部に圧送される。分解混合精製槽２０１の内部に圧送された消化ガスは、貯水部２０３に貯留されている温度が低い水の中に導入される。これにより、消化ガスに含まれている水溶性成分、代表的には炭酸ガスは、水の中にトラップされる。その他、水への溶解度が高い成分、例えば硫化水素等もトラップされる。しかも、消化ガス流路１５３の終端には図３及び図４に示す多孔部１５６が設けられている。そこで、消化ガス流路１５３を通ってきた消化ガスは、多孔部１５６に設けられた複数個の連通孔１５７から噴出し、貯水部２０３に貯水された水の中でマイクロバブルを発生する。つまり、消化ガスは、マイクロバブルの形態となって水の中に導入されるわけである。このため、マイクロバブルを構成する気泡の表面積の大きさから、炭酸ガス等のトラップ効率が向上する。その結果、分解混合精製槽２０１の内部では、消化ガス流路１５３を介して導入された消化ガスから炭酸ガス等が効率よく水中にトラップされ、炭酸ガス濃度が非常に低くメタン濃度が高いガスが気相内に供給される。この際、前述したように、天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された天然ガスが分解混合精製槽２０１の内部に充満している。その結果、消化ガスに由来するメタン濃度が高いガスと天然ガスハイドレート３０１に由来する天然ガスとが混合され、メタン等の炭化水素の濃度が高い精製ガス、つまり高純度メタンガスが精製される。

ここで、貯水部２０３に貯水されている水の炭酸ガス濃度は、導入された消化ガス中の炭酸ガスをトラップするに従い徐々に高まる。このため、水のトラップ効率は徐々に低下していく。これに対して、貯水部２０３に貯水されている水は、天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された天然ガスハイドレート３０１に由来する水であり、そもそも温度が常温よりも低い。このような温度の低さは、炭酸ガス濃度を薄めることに役立ち、トラップ効率の低下を抑制する方向に働く。しかも、貯水部２０３に貯水されている水の温度の低さは、炭酸ガスを溶けやすくすることにも役立ち、トラップ効率を向上させる方向に働く。その結果、貯水部２０３に貯水されている水は、長時間に渡り高いトラップ効率を維持する。

以上説明したように、高純度メタンガス製造装置１０１は、分解混合精製槽２０１の内部で高純度メタンガスを精製することができる。そこで、生成された高純度メタンガスを精製ガス排出部２０６から取り出すことで、高純度メタンガスの得ることができる。

本発明の原理を説明するための概念図である。 本発明の実施の一形態として、高純度メタンガス製造装置の全体構成を示す模式図である。 多孔部でのマイクロバブルの生成構造を示す模式図である。 多孔部の正面図である。

符号の説明

１５５ 圧送機構
１５６ 多孔部
２０２ 収納部
２０３ 貯水部
２０５ 消化ガス取込部
２０６ 精製ガス排出部
２０７ 排水部
３０１ 天然ガスハイドレート
３０２ ＮＧＨタンク
３０４ バルブ（供給機構）

Claims (2)

1. 天然ガスハイドレートを収納可能な収納部と、
   前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される水を貯留する貯水部と、
   前記貯水部に貯水される水の中に消化ガスを導入するための消化ガス取込部と、
   汚泥を嫌気性処理して得た消化ガスを外部から前記消化ガス取込部に圧送する圧送機構と、
   前記消化ガス取込部から導入される消化ガスを前記貯水部に貯水される水の中でマイクロバブル化させる多孔部と、
   前記貯水部の内部で精製される高純度のメタンガスを外部に排出する精製ガス排出部と、
   前記貯水部に貯水された水を排出する排水部と、
   を備える高純度メタンガス製造装置。
2. 天然ガスハイドレートを貯留するＮＧＨタンクと、
   前記ＮＧＨタンクから選択的に前記混合分解装置の収納部に天然ガスハイドレートを供給する供給機構と、
   を備える請求項１記載の高純度メタンガス製造装置。
   

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