JP6397853B2 - 低温液体を気化するシステム - Google Patents

Description

本願に開示される実施形態は、液化天然ガス（ＬＮＧ）などの低温液体の気化に使用される、自然通風または外気式の気化器に関する。さらに詳しくは、本発明にて開示される実施形態は、外気／燃料の混合燃焼によりＬＮＧを気化する混合加熱システムに関する。

液体を“温める”ために、場合によっては熱を外気から比較的冷たい液体に与えることが望ましい。このような状況は、液化天然ガスにおいても発生する。

天然ガスの低温液化は、天然ガスを容易に輸送する形態に変換する方法として、常時行われている。このような液化によって容量を約６００分の１に減少し、最終的には容易に保存及び輸送することが可能とである製品となる。また、天然ガスの需要が増えた際に備えて、余分な液化ガスを保存することにより、簡単かつ効率よく天然ガスを供給することが可能となる。天然ガスを輸送する方法、及び余分な天然ガスを保存する方法として、天然ガスを液体にして保存及び／または輸送し、需要に応じて液体を気化する方法が挙げられる。

天然ガスは、最終的に使用される場所から離れた場所で採取される事が多く、結果として天然ガスの液化はもっとも重要となっている。典型的に、天然ガスは供給源から使用者にまで、パイプラインを通じて直接輸送される。しかし、供給源と使用者との距離が非常に離れており、天然ガスを輸送するためのパイプラインが無い、または実用的ではないケースが通常となってきている。これは、輸送を船舶で行わなければならない、海上輸送について特にあてはまる。気体状態のガスの容量は大きく、またガスの体積を大幅に減らすためには相当な高圧が必要とされるため、気体の天然ガスを船舶で輸送する方法は一般的には好ましくない。従って、天然ガスを保存及び輸送するには、一般的に、ガスを華氏約−２４０度から−２６０度（摂氏約−１５１度から−１６２度）に冷却して容量を減らす方法が利用される。この温度において、天然ガスは、大気圧と同等の圧力を有する、液状天然ガス（ＬＮＧ）に変換される。ＬＮＧの輸送及び／または保存が終了した後、天然ガスをエンドユーザーに提供するために、ＬＮＧをガス状態に戻す必要がある。

一般的に、ＬＮＧの再ガス化または気化は、様々な熱伝導液体、システム、手順によって達成される。例えば、従来の方法においては、熱湯またはスチームを取り入れる気化器によって、ＬＮＧの気化が行われた。この様な加熱方法には障害があり、熱湯やスチームがＬＮＧの著しく低い温度において凍ってしまう場合が多く、結果として気化器に詰まりが発生してしまう。この障害を克服するために、従来技術においては、オープンラック式気化器、中間熱媒体式気化器、サブマージドコンバスチョン式気化器、外気式気化器など、代替の気化器が使用されている。

オープンラック式気化器は、一般的に海水などを熱源として使用し、ＬＮＧと向流熱交換を行う。上記の気化器と同様、オープンラック式気化器も、気化器の表面が“氷結”する傾向があるため、熱伝導に対する耐久性を高める必要性が出てくる。従って、オープンラック式気化器は、熱伝導の面積を増加した気化器として設計する必要があり、そのためには装置の費用とフットプリントの増加が発生する。

上述したようにＬＮＧを水またはスチームで直接気化する代わりに、中間熱媒体式気化器は、プロパン、フッ素化炭化水素などの、氷点が低い中間体液体や冷却材を使用している。冷却材は熱湯やスチームによって熱してもよく、熱した冷却材または冷媒混合物は気化器を通ってＬＮＧの気化に使用される。この種類の気化器においては、前述の気化器では一般的となっている氷結の問題が解消されるが、このような中間媒体式気化器には、冷却材を熱するためのボイラーやヒーターが必要となる。このような種類の気化器は、冷却材を加熱するために必要とされる燃料費が発生するため、運転費用が高くなってしまう。

ボイラー又はヒーターの運転費用を安く抑えるための実施例として、ヒーターやボイラーと併せて給水塔を使用し、ＬＮＧを気化する冷却材を熱する方法が挙げられる。このようなシステムにおいては、水が給水塔に流れることによって水の温度が上昇する。温度が上昇された水は、第１気化器にてグリコールなどの冷却材を熱するために使用され、結果として第２気化器にてＬＮＧを気化させる。このようなシステムでも、給水塔の入り口と出口との浮揚性の差において、課題を有している。熱された給水塔は、外気よりも非常に重たい大量の冷却された湿気のある空気または流出物を排出する。冷却された流水物が給水塔から排出されると、外気よりも非常に重たいため、地上に向けて徐々に下がっていく。その後、冷却された流出物が給水塔に取り込まれることにより、流出物が給水塔の熱交換の特性を妨げ、給水塔の能率を妨げる。前述の浮揚性の問題によって、給水塔に冷却された空気の再循環が発生し、水を熱する能力を低下させ、結果として給水塔の性能を制限してしまう。

さらに代替案として、ＬＮＧは外気によって熱されることにより気化する。強制通風型または自然通風型の外気式気化器においては、外気を熱源として使用し、外気を熱交換素子に通すことによってＬＮＧを気化させる。しかし、天候の変化や気化器の負荷に変化が発生した場合、気化器の出口において天然ガスの温度が変わってしまう場合がある。加えて、ＬＮＧ供給の温度が低い（華氏約−２６０度（摂氏約−１６２度））ため、外気の湿気により、かなりの量の氷が加熱表面に発生する可能性がある。

外気式気化器の作動は、本発明にて開示されている、外気／燃料の混合加熱システムとして使用することにより、著しく改善されることが分かった。外気／燃料の混合加熱システムは、自然対流型または誘導型として提供される外気を熱源としている。本発明における混合加熱システムは、必要に応じて、外気と火室からの燃焼排ガスとが混合されてもよく、燃焼排ガスによる熱が、気化器の恒温状態における影響の低下、縮小または取消しのために使用されてもよい。混合加熱システムは、日中／夜間、及び夏／冬などの気候の変化においても安定して作動し、従来の外気式気化器と比較すると停止率が低下しており、また従来の外気式気化器と比較すると氷結が無いまたは氷結が減る結果となる。

本実施例の一つは、低温液体を気化する方法に関する。この方法は：排ガスを生成するために燃料をバーナーで燃やす工程と；混合ガスを生成するために外気と排ガスとを混合する工程と；低温液体を気化するために混合ガスを間接熱交換によって低温液体に接触させる工程と；を含む。

本実施例の一つは、低温液体を気化するシステムに関する。このシステムは：排ガスを生成するために燃料を燃焼するための１個以上のバーナーと；混合ガスを生成するために外気と排ガスとを混合する１個以上の入口と；混合ガスを液体で間接的に加熱するための１本以上の熱伝導管と；を有する。

本発明のさらなる利点については、実施例及び請求項を考慮することによって、容易に明らかになる。

図１は、本実施例における、外気／加熱用燃料による混合加熱システムの単純化された概略図である。 図２は、本実施例における、外気／燃料の混合加熱システムの単純化された概略図である。

本願に開示される実施形態は、液化天然ガス（ＬＮＧ）などの低温液体の気化に使用される、自然通風または外気式の気化器に関する。さらに詳しくは、本発明にて開示される実施形態は、外気／燃料の混合燃焼によりＬＮＧを気化する混合加熱システムに関する。

図１には、本実施例における外気／燃料の混合加熱システム１０が図示されている。加熱システム１０は、外殻または外枠１２と、外気入口１３と、入口１５から燃料が供給される１個またはそれ以上の火室１４と、熱コイル２０と、排気口２２と、を有する。幾つかの実施例において、加熱システム１０は、１個以上のダンパー１６と、気体通風器１８と、サーモカップル２４と、制御システム２６と、を有する。

稼働時において、外気は、熱コイル２０を通過する低温液体の気化により発生する温度と密度の勾配によって、自然（または誘導的）に入口１３から流入され、または扇風機、ブロワー、ポンプ、及びその他の通風の流動を強制的に起こす方法により発生する強制通風型（図示しない）によって供給される。外気入口１３から流入する外気の流動レートは、例えばブロワーの速さを変えることによって、またはダンパー１６を使用することによって制御可能である。

入口１５から注入される燃料は、火室１４で燃焼し、結果として加熱された燃焼排ガスとなる。火室１４への空気は別の導管より（図示しない）、または入口１３を通る外気から入口２８を通じて火室１４に流入される。加熱された燃焼排ガスは、出口３０により火室１４から排出され、外気と混合する。

次に、外気と燃焼排ガスとの混合物は、コイルに供給されるＬＮＧなどの低温液体を気化するために、熱コイル２０を通過する。熱交換の後、外気／燃焼排ガスの混合物は、排気口２２を通り、加熱システム１０から排出される。

図１の加熱システムは水平で図示されているが、垂直または他の形態でもよい。垂直の形態の場合の流れ方向は、上流方向及び下流方向でもよい。熱コイル２０の数は任意であり、外気／燃焼排ガスの混合物が、直交流、並流、逆流、またはその組み合わせで配置されたコイルを通過する。

熱コイル２０との接触の前に、燃焼排ガス及び外気は適切に混合された方がよい。例えば、入口１３、出口３０への排ガスの流動を方向付けする堰３２、及び／または気体通風器１８は、所望の程度の混合を行うために、熱コイル２０が比較的に一定の温度を有する混合された気体の混合物と接触するように使用されてもよい。

上述の通り、外気が燃焼排ガスと混合されることにより、ＬＮＧなどの低温液体を気化する混合ガスを生成する。気化器の負荷（例：気化器にて要求される天然ガス（ＮＧ）の熱インプットの要件）は、混合ガスにより供給される。一定の条件において、外気のみで十分な熱インプットが供給される場合もあり、この場合、火室１４への燃料の供給レートがシャットオフまたは減少される。条件の問題が無ければ、気化器の負荷に合わせて、火室１４への燃料の供給レートを増やすことも可能である。燃料の消費量の増加による需要を保証するのであれば、火室のスタートアップまたは断続的な使用の際に、パイロットフレームまたは点火装置（図示しない）を使ってもよい。

混合ガスの温度は、サーモカップル２４及び制御システム２６等を利用して、監視または制御することができる。混合ガスの温度の監視及び制御は：氷結その他の要因が熱コイル２０の熱伝導に影響を与えているか否か決定する手法、ＬＮＧを気化する手法または空気／燃焼排ガスとＬＮＧ／ＮＧとの温度の差が所望通りにする手法、熱コイルの表面に形成される氷結が最小限にする手法、そして重要であることは、外枠１２内でリークが発生した場合に、混合ガスの温度を低温液体（ＬＮＧなど）の自動点火温度よりも低い状態に保つ手法のうち、少なくとも１個の手法が使用される。

気化した低温液体の温度は、火室やバーナー１４への燃料の流動レートを変えて混合ガスの温度を調整する手法、１個以上の入口１３への外気の流動レートを変えて混合ガスの温度を調整する手法、１本以上の熱伝導管２０へ流れる低温液体の流動レートを調整する手法、またはこれらの組み合わせによって制御が可能である。このような方法による流動の制御、監視、及び調整は、制御システム２６を使用して達成が可能である。

その他の実施例では、気化量の要件や常温の状態によっては、同じ構成要件には同じ番号が付されている図２に表示されている通り、混合ガスの一部が出口４０を通過して外枠１２から抜けるなどによって、１個以上の気化コイルとの接触を回避する。ＬＮＧの温度、及び加熱システム１０の全体的な性能の調整や除氷を行うために、回避された混合ガスは、分配器４２によって再注入（バイパス）されたり、または外気や燃焼排ガスが、例えば分配器４２によって再注入されたりしてもよい。外枠１２には、システム内に溜まる凝縮された水を排出するための１個またはそれ以上の出口４４が含まれていてもよい。

熱コイル２０のレイアウトとデザインは、熱表面の氷結の発生に影響を及ぼし、渦巻によって熱伝導の効率に影響を与える。従って、コイルの種類（金属、直径、肉厚、など）、デザイン、レイアウト、及びコイルの数は、外気の通風の種類（自然通風型または強制通風型）、熱伝導表面に必要な面積、季節ごとの温度の限度、入手できる燃料の種類と達成可能な排ガスの温度、及び当業者にとって自明であるその他要因による。好ましくは、空気／排ガスの温度差を確保し、ＬＮＧ／ＮＧが最も高い熱伝導効率を達成するために最適化され、そして同時に熱コイルの表面に氷が発生するのを最小限に抑えるコイルを選択するのがよい。

上述の混合加熱システムは、独立した装置として使用されてもよく、または全体的な熱伝導を達成させるために上述の複数の混合加熱システムを隣接して設置するモジュール式でもよい。

上述の通り、本実施例の混合加熱システムにおいては、液体天然ガスのような低温液体を気化させるための熱を提供するために、外気及び排ガスの両方を利用する。このようなシステムは、他にも、外気よりも低い液体を加熱するために利用することが可能である。

さらなる利点として、本実施例の混合加熱システムにおいては、必要な熱の少なくとも一部の供給のために大気環境を利用するため、排ガスのみの利用、または中間液体を加熱するために排ガスを利用する気化器と比較すると、汚染物質の排出が最小限に抑えられる。本実施例における加熱システムはさらに：安定したシステムの稼働（気候の変化の影響の減少）、稼働及び維持費用の縮小、設備投資費用の縮小、氷結の発生の減少、熱による効率の上昇、環境への影響の減少、及びサブマージドコンバスチョン式気化器、オープンラック式気化器、中間熱媒体式気化器、または外気式気化器を利用するヒーターと比較した場合における消火率の改善のうち、少なくとも１個以上が達成される。

本明細書には限られた実施例しか開示されていないが、その技術的範囲または本質的な特徴から逸脱せずに他の特定の形態で実施されることができることが当業者により認識される。ここで開示された本発明の実施形態はそれ故、全て例示であり、限定ではないと考えられる。

Claims (19)

1. 上流の端部及び下流の端部を含み、１個以上の外気入口を通じて外気を取り入れる外枠と；
   前記外枠に排ガスの流れを供給し、前記外枠内で前記排ガスの流れと前記外気の流れとの混合ガスを供給する１個以上のバーナーと；
   低温の液体天然ガスを含み、前記外枠の内部において前記混合ガスの少なくとも一部と前記低温の液体天然ガスとの熱交換を行なう、前記外枠の内部に配置された複数の熱伝導管と；
   上流熱伝導管と第１下流熱伝導管との間に配置され、前記外枠から一部の混合ガスを放出し、前記一部の混合ガスが前記混合ガスのバイパス流れを与える出口と；
   前記第１下流熱伝導管の下流に混合ガスの前記バイパス流れを供給するための気体分配器と；を備える、低温液体を気化するシステム。
2. さらに、前記１個以上の外気入口によって前記外気の流動レートを調整する１個以上のダンパーを有する、請求項１に記載のシステム。
3. さらに、前記混合ガスの温度を測定するサーモカップルを有する、請求項１又は請求項２に記載のシステム。
4. 前記１個以上のバーナーへの燃料の流動レートを変えることにより、前記混合ガスの温度を調整する手法と；
   前記１個以上の外気入口を通して前記外気の流動レートを変えることにより、前記混合ガスの温度を調整する手法；及び
   前記上流熱伝導管及び前記第１下流熱伝導管への前記液体天然ガスの流動レートを調整する手法；
   のうち少なくとも１つの手法で、加熱された液体天然ガスの温度を制御する制御システムを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記外気を強制対流型として前記１個以上の外気入口に案内する装置を有する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記システムは前記排ガス、前記外気、前記バイパス流れ又は前記液体天然ガスの流れのうちの１以上を調整し、熱交換の制御を行う、請求項１に記載のシステム。
7. 前記気体分配器は第２下流熱伝導管の下流における混合ガスの前記バイパス流れを供給する、請求項１に記載のシステム。
8. 上流端部と下流端とを有する外枠に、外気の流入を供給するための１以上の外気入口と；
   前記外枠に排ガスの流れを供給し、前記外枠において前記外気と前記排ガスとが混合されることにより混合ガスを生成する１以上の燃料燃焼バーナーと；
   前記外枠の内部に配置される熱伝導管であって、前記熱伝導管の内部で前記混合ガスの少なくとも一部と低温の液体天然ガスとの熱交換を行う、複数の熱伝導管と；
   前記熱伝導管の上流熱伝導管と下流熱伝導管との間に配置され、前記外枠から一部の混合ガスを放出し、前記一部の混合ガスがバイパス流れを与える出口と；
   前記下流熱伝導管の下流において前記バイパス流れを供給する気体分配器と；を有する、低温液体を気化するシステム。
9. 前記システムは前記排ガス、前記外気、前記バイパス流れ又は前記液体天然ガスの流れのうちの１以上を調整し、熱交換の制御を行う、請求項８に記載のシステム。
10. さらに、前記外気入口によって前記外気の流動レートを調整する１個以上のダンパーを有する、請求項８に記載のシステム。
11. さらに、前記混合ガスの温度を測定するためのサーモカップルを有する、請求項８に記載のシステム。
12. 前記１以上の燃料燃焼バーナーへの前記燃料の流動レートを変えることにより、前記混合ガスの温度を調整する手法；
    前記１個以上の外気入口を通して前記外気の流動レートを変えることにより、前記混合ガスの温度を調整する手法；及び
    前記熱伝導管への前記低温の液体天然ガスの流動レートを調整する手法；
    のうち少なくとも１つの手法で、流入する前記液体天然ガスの温度を制御する制御システムを有する、請求項８に記載のシステム。
13. 前記外枠に供給される外気は強制対流型である、請求項８に記載のシステム。
14. 前記熱伝導管に接触する前記混合ガスは、一定の温度である、請求項８に記載のシステム。
15. 前記複数の熱伝導管は、前記混合ガスに対し直交流、並流、逆流、またはその組み合わせで配置される、請求項８に記載のシステム。
16. 前記気体分配器は第１熱伝導管の下流、第２熱伝導管の下流、またはその両方において前記バイパス流れを供給する、請求項８に記載のシステム。
17. １以上の外気入口から流入する強制対流型の外気を使用し、上流の端部と下流の端部とを有する外枠と；
    前記外枠を通して供給される前記外気の流動レートを調整する１個以上のダンパーと；
    前記外枠に排ガスの流れを供給し、前記外枠において前記外気と前記排ガスとが混合されることにより混合ガスを生成する、１以上の燃料燃焼バーナーと；
    前記外枠の内部に配置され、前記混合ガスの少なくとも一部と低温の液体天然ガスとの熱交換を行なう、前記外枠の内部に配置された複数の熱伝導管であって、前記混合ガスに対し直交流、並流、逆流、またはその組み合わせで配置される、複数の熱伝導管と；
    前記熱伝導管の上流熱伝導管と下流熱伝導管との間に配置され、前記外枠から一部の混合ガスを放出し、前記一部の混合ガスがバイパス流れを与える出口と；
    前記下流熱伝導管の下流において前記バイパス流れを供給する前記気体分配器と；を有するシステムであって、
    前記システムは前記排ガス、前記外気、前記バイパス流れ及び前記低温の液体天然ガスの流れのうちの１以上を調整して熱交換の制御を行う、低温液体を気化するシステム。
18. 前記熱伝導管に接触する前記混合ガスは、一定の温度である、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記燃料燃焼バーナーへの前記燃料の流動レートを変えることにより、前記混合ガスの温度を調整する手法と；
    前記１個以上の外気入口を通して前記外気の流動レートを変えることにより、前記混合ガスの温度を調整する手法；及び
    前記低温液体から接触部への流動レートを調整する手法；
    のうち少なくとも１つの手法で、加熱された液体の温度を制御する制御システムを有する、請求項１７に記載のシステム。