JP5051991B2 - ガスハイドレートの生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、天然ガスから精製された原料ガスからガスハイドレートを生成する方法に関するものである。

近年、天然ガスの安全かつ経済的な輸送・貯蔵手段として、この天然ガスの成分を水和させて固体状態とした水和物（以下、ガスハイドレートという。）を用いる方法が注目されており、そのためガスハイドレートの生成方法が種々提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００４−１０６８６号公報

しかし、上記の特許文献１をはじめとして、これまでに提案されたガスハイドレートの生成方法においては、ガスハイドレート生成工程に供給されるガス（以下、「原料ガス」という。）の全てをガスハイドレート化することが前提となっていた。

そのため、天然ガスからガスハイドレートを生成しない又は生成するのが非常に困難である成分（以下、「重質成分」という。）やブタンをほぼ完全に除去して、ガスハイドレートを生成するメタンやエタンなどの成分（以下、「軽質成分」という。）が主成分となる原料ガスを精製してから、ガスハイドレート生成工程に供給する必要があった。

なお、この重質成分の代表的なものとしては、ペンタンやペンタン以上の炭素数を有する成分、例えばヘキサンなどがある。

従来のガスハイドレートの生成方法に関する工程を図５に示す。
この工程は、天然ガス７１から酸性ガス除去工程７２において H₂S やCO₂ などの酸性ガス７３を除去し、その際に含有した水分を脱水工程７４で脱水７５した後に、重質成分分離工程７６において大部分の重質成分７７を除去することにより精製した原料ガス７８からガスハイドレート８１を生成するものである。

精製された原料ガス７８のうち、ガスハイドレート８１の生成に必要とされる量以上のものは、ガスハイドレート生成工程８０に送られる前に燃料ガス７９として取り出されてボイラーなどの燃料として使用される。

しかし、この生成工程では、重質成分分離工程７６などの原料ガス７１の精製に係る工程において重質成分やブタンをほぼ完全に除去しなければならないため、ガスハイドレート８１の生成コスト及びプラント機器類の設備費が増加するという問題があった。

この点について以下に詳しく説明する。
上記のガスハイドレートの生成工程において、原料ガスの精製に係る工程を実施するためのプラントの系統図を図６に示す。なお、図５と同じ部分については、同一の符号を付している。

本プラントは、天然ガス７１から酸性ガス７３を除去する吸収塔９０と、脱水を行う脱水塔９１と、重質成分７７を除去する蒸留塔９３から主に構成されている。

天然ガス７１は、吸収塔９０においてアミンなどの溶液により洗われて酸性ガス７３が除去され、同伴した水分を吸収塔９１内のモレキュラシーブ等の吸収剤９２に吸着させることにより脱水され、蒸留塔９３において重質成分７７を分離され、凝縮器９４で液化された後にコンプレッサー９６で所定の圧力まで昇圧されることにより原料ガス７８が精製される。

このようなプラントを用いて、天然ガス７１から重質成分やブタンをほぼ完全に分離・除去して原料ガス７８を精製するためには、例えば蒸留塔９３の操作圧力が3.6 MPaG の場合には、凝縮器９４の出口において−６０〜−７０℃の温度が必要となるため、凝縮器９４に流れる外部冷媒は少なくとも−７０℃以下に保つ必要がある。

しかし現状では、そのような低温は１種類の冷媒のみにより達成することは不可能であり、例えばエタンとプロパンの２種類の冷媒からなる複雑で巨大な冷却システムを別途設ける必要があるため、ガスハイドレート８１の生成コストが増加するという問題を生じていた。

また、蒸留塔９３や凝縮器９４などのプラント機器についても、そのような低温に耐えるように高価な材料、例えば高ニッケル系ステンレス鋼などにより製造する必要があるため、設備費が増加するという問題も生じていた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ガスハイドレートを低コストで生成することができるガスハイドレートの生成方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、請求項１に係る本発明は、天然ガス（１）を複数の冷却器（２３、２５、２７）で冷却して、複数の気液分離器（２４、２６、２８、３０）内で重質成分（７）の一部を液化分離した後の気体成分（３４）を回収し、前記気体成分（３４）をコンプレッサー（３５）で昇圧して原料ガス（８）を精製し、前記原料ガス（８）中の軽質成分からガスハイドレートの生成プラントにおいてガスハイドレートを生成するとともに、余剰の軽質成分と残存する重質成分（７）とを取り出して燃料ガス（１１）とし、前記燃料ガス（１１）を燃料とするボイラ（６１）から発生したスチーム（６２ａ）を利用して吸収冷凍機（６３）により冷水（６４）を冷却し、前記冷水（６４）を冷媒とする冷却器（６０）により、コンプレッサー（５１）で昇圧された後に凝縮器（５２）で液化されたプロパンガス（５８）を過冷却し、前記プロパンガス（５８）をバルブ（５３）を利用したジュール・トムソン膨張により低温化し、前記低温化されたプロパンガス（５８）で熱交換器（５４）を通じて前記ガスハイドレートの生成プラントの冷却系（５５）の冷媒（５６）を除熱することを特徴とするガスハイドレートの生成方法である。

ここで、重質成分とは、ガスハイドレートを生成しない若しくは生成するのが非常に困難である成分をいう。また、軽質成分とは、ガスハイドレートを生成することができる成分をいう。

請求項２に係る発明は、前記ボイラ（６１）から発生したスチーム（６２ｂ）を前記コンプレッサー（５１）の回転動力の一部として使用することを特徴とする請求項１に記載のガスハイドレートの生成方法である。

請求項３に係る発明は、天然ガス（１）を複数の冷却器（２３、２５、２７）で段階的に冷却して、前記複数の冷却器（２３、２５、２７）ごとに付属する複数の気液分離器（２４、２６、２８、３０）内で前記重質成分（７）の一部を沸点の低い順に液化分離した後の気体成分（３４）を回収し、前記複数の気液分離器（２４、２６、２８、３０）内の液体成分から蒸留塔（３３）において蒸気圧の違いを利用して軽質成分を分離回収し、前記気体成分（３４）と前記分離回収された軽質成分とを、前記コンプレッサー（３５）で昇圧して前記原料ガス（８）を精製することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスハイドレートの生成方法である。

本発明においては、ガスハイドレートの生成工程において、ガスハイドレートを生成しない重質成分の一部を、ガスハイドレートを生成する軽質成分とともに原料ガスから取り出すようにして、原料ガスの精製を比較的高温下で実施することができるようにしたため、ガスハイドレートの生成に係るコストを低減することができる。

また、ガスハイドレートの生成工程において取り出された軽質成分を、当該ガスハイドレート生成工程の冷却手段における冷却源や動力源として使用することにより、その冷却手段に係るコンプレッサーの動力エネルギーを低減することができるため、ガスハイドレートの生成コストの更なる低減を図ることができる。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下の図面においては、共通する機器等には同一の符号を付している。

本発明に係るガスハイドレートの生成方法に関する工程を図１に示す。
このガスハイドレートの生成方法は、重質成分７の除去を原料ガス１の精製に係る工程においてだけでなく、ガスハイドレート生成工程９においても行う点が特徴となっている。

つまり、ガスハイドレート生成工程９において重質成分を軽質成分とともに燃料ガス１１として除去するようにしたことにより、ガスハイドレート生成工程９に供給する原料ガス８に従来よりも高い割合の重質成分を同伴させることができ、その結果として重質成分分離工程６などの原料ガス８の精製に係る工程の運転条件を緩和することができる、というものである。

但し、原料ガス８に同伴する重質成分の濃度は、ガスハイドレート生成工程９において凝縮しない濃度となるように制御する必要がある。

上記のガスハイドレートの生成工程において、原料ガスの精製に係る工程を実施するためのプラントの系統図を図２に示す。

本プラントは、天然ガス１から酸性ガス３を除去する吸収塔２０と、酸性ガス３を除去されたガスを脱水する脱水塔２１と、脱水されたガスから重質成分７を分離するための３台の冷却器（２３、２５、２７）と４台の気液分離器（２４、２６、２８、３０）、及び前記気液分離器の液相部分が接続する蒸留塔３３から主に構成されている。

次に、本プラントシステムを用いて、ガスハイドレートの原料ガスを精製する方法について以下に説明する。

ここでは、本プラントが処理する天然ガス１の圧力を 9.4 MPaG、温度を３０℃とした場合を例にとる。

まず、天然ガス１から吸収塔２０において酸性ガス３を除去し、同伴した水分を脱水塔２１においてモレキュラシーブ２２などの吸着剤２２で吸着することにより脱水する。

その後、前記供給されたガスを第１冷却器２３、第２冷却器２５、及び第３冷却器２７により３段階に冷却し、沸点の低い重質成分から順次、第１気液分離器２４、第２気液分離器２６、及び第３気液分離器２８により液化分離する。

更に、第３気液分離器２８の気体成分をガスエキスパンダー２９により3.6 MPaGまで膨張させ、その際に発生する冷熱により一層冷却し、第４気液分離器３０により重質成分を液化分離する。

これら一連の重質成分分離工程における操作温度は、例えば第１冷却器２３が０℃、第２冷却器２５が−８℃、第３冷却器２７が−２０℃、第４気液分離器３０内が−４６℃である。

また、液化する成分としては、ペンタン、ブタン、プロパンなどが挙げられる。
従って、第４気液分離器３０の気体成分は、メタンを主成分として重質成分をわずかに含むガスとなり、ガスハイドレート生成工程９の原料ガス８の一部として供される。

以上より、従来の原料ガスの精製に係る工程では外部の冷媒により−６０℃〜−７０℃まで冷却する必要があったが、本発明においては約−２０℃程度まで冷却するだけでよく、従来よりも高温でのプラントの運転が可能となることが分かる。

なお、外部の冷媒としては、プロパン、プロピレン又はプロパンとエタンの混合物を用いることができる。

このことは、同一量の原料ガス８を精製するために必要とされる熱量が、図６に示す従来の精製工程における熱量の約半分で済むことを意味するものである。

そのため、重質成分の分離に係る冷却系を簡素化できるとともに、冷却器や気液分離器などのプラント機器を低価格な材料、例えばカーボン鋼などにより製造することができるため、ガスハイドレート１０に係る製造コストと設備費を低減することが可能となる。

ここで、各気液分離器（２４、２６、２８、３０）において分離された液体には、メタン等の軽質成分が含まれているため、液相用配管３１と加熱器３２を介して蒸留塔３３へ送り、各ガス成分の蒸気圧の違いを利用して軽質成分を分離回収することとしている。

このようにして、天然ガス１からの軽質成分の分離効率を更に高めることができる。
なお、蒸留塔３３において分離された重質成分７は、天然ガソリン（ＮＧＬ）として使用することができる。

蒸留塔３３において分離された軽質成分は圧縮機３８を介して、第４気液分離器３４の頂部から取り出された気体成分３４とともにコンプレッサー３５に送られて、ガスハイドレート１０の生成条件である 5.6 MPaG の圧力まで昇圧されて原料ガス８として精製される。

なお、コンプレッサー３５は電動機３６により駆動されるが、前出のガスエキスパンダー２９によりタービンの回転力として生じた動力３７を伝達して電動機３６の動力エネルギーを低減させることにより、ガスハイドレート１０の生成に係るコストを更に低減することができる。

また、ガスハイドレート生成工程９においては、ガスハイドレート１０の生成に寄与しない重質成分を原料ガス８の軽質成分とともに燃料ガス１１として取り出すが、この燃料ガス１１をガスハイドレート生成工程９における冷却手段の冷却源及び動力源として有効に利用することにより、ガスハイドレート１０の生成に係るコストの更なる低減を図ることができる。

ガスハイドレートの生成工程における従来の冷却系の系統図を図３に示す。
本冷却系はプロパンを冷媒とし、コンプレッサー５１で昇圧されたプロパンは、凝縮器５２において海水との熱交換により液化され、バルブ５３を利用したジュール・トムソン膨張により温度を下げられた後に、熱交換器５４においてガスハイドレート生成プラントの冷却系５５の冷媒５６を徐熱するものである。

熱交換器５４における冷媒５６との熱交換により加熱されたプロパンは、気液分離器５７においてガス成分５８が回収され、当該回収されたガス成分５８はコンプレッサー５１へ戻されて再び昇圧される。

このような冷却系の運転コストにおいては、コンプレッサー５１の動力が最も大きな要因となる。このコンプレッサー５１の動力は、ガス成分５８の吸入量と当該ガス成分の昇圧度により大きく変化するが、昇圧度は凝縮器５２における海水の温度で液化する圧力により決定されるため、コンプレッサー動力を低減するためにはガス成分５８の吸入量を減少させる必要がある。

本発明に係るガスハイドレート生成方法を利用した冷却系の系統図を図４に示す。
この冷却系は、凝縮器５２の後段に冷却器６０を設けてプロパンを過冷却することによりフラッシュ率を低下させて、コンプレッサー５１が吸入するガス成分５８の量を減少させるものである。

冷却器６０において冷媒として使用される冷水６４は、ガスハイドレート生成工程において取り出された燃料ガス１１を燃料とするボイラ６１から発生したスチーム６２ａを利用して吸収冷凍機６３により冷却される。

なお、ボイラ６１で発生したスチームの一部６２ｂを、コンプレッサー５１の回転動力の一部として使用することにより、コンプレッサー動力の更なる低減を図ることができる。

例えば、図２のプラントにおいて精製された原料ガスの約 1.8 %を燃料ガス１１として本冷却システムで使用した場合には、コンプレッサー５１の電動機５０の動力を約１８ % 低減することができる。

本発明に係るガスハイドレートの生成方法に関する工程のブロック図である。 本発明に係るガスハイドレートの生成方法における原料ガスの精製に係る工程を実施するためのプラントの系統図である。 ガスハイドレートの生成工程における従来の冷却系の系統図である。 ガスハイドレートの生成工程における本発明を利用した冷却系の系統図である。 従来のガスハイドレートの生成方法に関する工程のブロック図である。 従来のガスハイドレートの生成方法における原料ガスの精製に係る工程を実施するためのプラントの系統図である。

符号の説明

１、７１ 天然ガス
２、７２ 酸性ガス除去工程
３、７３ 酸性ガス
４、７４ 脱水工程
５、７５ 水
６、７６ 重質成分分離工程
７、７７ 重質成分
８、７８ 原料ガス
９、８０ ガスハイドレート精製工程
１０、８１ ガスハイドレート
１１、７９ 燃料ガス
１２ ガスハイドレート精製工程で除去された重質成分
２０ 吸収塔
２１ 脱水塔
２２ 吸着剤
２３ 第１冷却器
２４ 第１気液分離器
２５ 第２冷却器
２６ 第２気液分離器
２７ 第３冷却器
２８ 第３気液分離器
２９ ガスエキスパンダー
３０ 第４気液分離器
３１ 液相用配管
３２ 加熱器
３３ 蒸留塔
３４ 軽質成分用配管
３５ コンプレッサー
３６ 電動機
３７ 回転動力
３８ コンデンサー
５０ 電動機
５１ コンプレッサー
５２ 凝縮器
５３ バルブ
５４ 熱交換器
５５ プラント冷却系
５６ 冷媒
５７ 気液分離器
５８ プロパンガス
６０ 冷却器
６１ ボイラ
６２ａ 冷凍機用スチーム
６２ｂ 動力源用スチーム
６３ 吸収冷凍機
６４ 冷水
９０ 吸収塔
９１ 脱水塔
９２ 吸着剤
９３ 蒸留塔
９４ 凝縮器
９５ 電動機
９６ コンプレッサー

Claims (3)

1. 天然ガス（１）を複数の冷却器（２３、２５、２７）で冷却して、複数の気液分離器（２４、２６、２８、３０）内で重質成分（７）の一部を液化分離した後の気体成分（３４）を回収し、
   前記気体成分（３４）をコンプレッサー（３５）で昇圧して原料ガス（８）を精製し、
   前記原料ガス（８）中の軽質成分からガスハイドレートの生成プラントにおいてガスハイドレートを生成するとともに、余剰の軽質成分と残存する重質成分（７）とを取り出して燃料ガス（１１）とし、
   前記燃料ガス（１１）を燃料とするボイラ（６１）から発生したスチーム（６２ａ）を利用して吸収冷凍機（６３）により冷水（６４）を冷却し、
   前記冷水（６４）を冷媒とする冷却器（６０）により、コンプレッサー（５１）で昇圧された後に凝縮器（５２）で液化されたプロパンガス（５８）を過冷却し、
   前記プロパンガス（５８）をバルブ（５３）を利用したジュール・トムソン膨張により低温化し、
   前記低温化されたプロパンガス（５８）で熱交換器（５４）を通じて前記ガスハイドレートの生成プラントの冷却系（５５）の冷媒（５６）を除熱するガスハイドレートの生成方法。
2. 前記ボイラ（６１）から発生したスチーム（６２ｂ）を前記コンプレッサー（５１）の回転動力の一部として使用する請求項１に記載のガスハイドレートの生成方法。
3. 天然ガス（１）を複数の冷却器（２３、２５、２７）で段階的に冷却して、前記複数の冷却器（２３、２５、２７）ごとに付属する複数の気液分離器（２４、２６、２８、３０）内で前記重質成分（７）の一部を沸点の低い順に液化分離した後の気体成分（３４）を回収し、
   前記複数の気液分離器（２４、２６、２８、３０）内の液体成分から蒸留塔（３３）において蒸気圧の違いを利用して軽質成分を分離回収し、
   前記気体成分（３４）と前記分離回収された軽質成分とを、前記コンプレッサー（３５）で昇圧して前記原料ガス（８）を精製する請求項１又は２に記載のガスハイドレートの生成方法。

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