JP6681815B2 - Methane recovery device - Google Patents

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Description

本発明は、地中に存在するメタンハイドレート中のメタンを回収するメタン回収装置に関する。   The present invention relates to a methane recovery device that recovers methane in methane hydrate existing in the ground.

昨今、日本近海に膨大な量が埋設されていると考えられているメタンハイドレートに関し、当該メタンハイドレート又はメタンハイドレートに含まれるメタンの回収技術の検討が進められている。
メタンハイドレートは、主には、比較的低温で高圧の海底で海底面から数百m下方に形成されるメタンハイドレート層に存在するため、当該メタンハイドレートを分解してメタンを回収する主要な方法としては、メタンハイドレート層を減圧してメタンハイドレートからメタンを分離して回収する減圧法と、メタンハイドレート層を加熱してメタンハイドレートからメタンを分離して回収する加熱法とが知られている。
減圧法は、加熱法に比べてエネルギ効率は良いと考えられているが、メタンハイドレートがメタンと水とに分解する反応は吸熱反応であるため、メタンハイドレート層を減圧してメタンを回収する際に、周囲温度が低下し、メタンが回収できない場合がある。また、メタンハイドレート層は、砂や砂泥等から成る未固結堆積物から構成されるため、採取管を介して減圧ポンプにて減圧する際に、メタンガスと共に砂や砂泥が吸引され、減圧ポンプを停止・故障等させる等の問題がある。
一方、加熱法にあっては、特許文献1に開示されているように、メタンハイドレート層に温熱を保有する熱媒を供給してメタンハイドレートを加熱し、ガス化したメタンを採取管を介して回収する。そして、回収したメタンを液化用コンプレッサ等を有する冷却設備により冷却して、液化して貯留及び運搬する。当該加熱法にあっては、回収時に、メタンハイドレート層を加熱することから、メタンハイドレート層の温度が低下してメタンが回収できなくなるという問題は回避でき、メタンハイドレート層を減圧する必要もないことから、減圧ポンプが砂や砂泥を吸引して発生する故障も回避できるが、投入エネルギに対して、エネルギ回収量が少ない。
減圧法におけるメタンの回収率を向上を目的として、減圧後の地熱回復のために少量の温水圧入、坑井加熱を行う減圧・坑井加熱併用(Huff&Puff)法等の生産回収増進法がある。
Recently, with respect to methane hydrate, which is considered to be buried in a huge amount in the sea near Japan, studies are being made on the methane hydrate or a technology for recovering methane contained in the methane hydrate.
Methane hydrate is mainly present in the methane hydrate layer, which is formed several hundred meters below the sea floor on the seafloor at a relatively low temperature and high pressure. Therefore, methane hydrate is decomposed to recover methane. As a different method, a decompression method of decompressing the methane hydrate layer to separate and recover methane from methane hydrate, and a heating method of heating the methane hydrate layer to separate and recover methane from methane hydrate. It has been known.
The decompression method is considered to have better energy efficiency than the heating method, but the reaction of decomposing methane hydrate into methane and water is an endothermic reaction, so the methane hydrate layer is decompressed to recover methane. At that time, the ambient temperature may drop and methane may not be recovered. In addition, since the methane hydrate layer is composed of unconsolidated deposits such as sand and sand / mud, when decompressing with a decompression pump via a sampling pipe, sand and sand / mud are sucked together with methane gas, There are problems such as stopping and breaking down the decompression pump.
On the other hand, in the heating method, as disclosed in Patent Document 1, a heating medium that retains heat is supplied to the methane hydrate layer to heat the methane hydrate and to collect gasified methane in a pipe. Collect through. Then, the recovered methane is cooled by a cooling facility having a liquefying compressor or the like, liquefied and stored and transported. In the heating method, since the methane hydrate layer is heated during recovery, the problem that the temperature of the methane hydrate layer decreases and methane cannot be recovered can be avoided, and it is necessary to decompress the methane hydrate layer. Therefore, it is possible to avoid a failure caused by the decompression pump sucking sand or sand and mud, but the energy recovery amount is small with respect to the input energy.
For the purpose of improving the recovery rate of methane in the depressurization method, there is a production recovery enhancement method such as a depressurization / well heating combined use (Huff & Puff) method in which a small amount of hot water is injected for geothermal recovery after depressurization and well heating.

特開2000−61293号公報JP-A-2000-61293

上述の如く、特許文献1に示される加熱法にあっては、減圧法の問題を回避できる。しかしながら、当該加熱法にあっては、種々の研究により、投入エネルギに対するメタンの回収量が小さいことが知られており、更に、回収したメタンを、貯留及び運搬の観点から、冷却して液化するのにも多くのエネルギを必要とし、トータルとしてのエネルギ効率の改善が望まれていた。   As described above, the heating method disclosed in Patent Document 1 can avoid the problem of the decompression method. However, in the heating method, it is known from various studies that the amount of methane recovered with respect to the input energy is small, and further, the recovered methane is cooled and liquefied from the viewpoint of storage and transportation. However, much energy is required, and improvement in total energy efficiency has been desired.

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡易な構成でありながらも、地中のメタンハイドレートを加熱法、Huff&Puff法にて適切にガス化し、ガス化したメタンガスを貯留及び運搬の目的で良好に液化する工程を、高いエネルギ効率で実行できるメタン回収装置を提供する点にある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to appropriately gasify methane hydrate in the ground by a heating method and a Huff & Puff method, while having a relatively simple structure, It is an object of the present invention to provide a methane recovery device that can perform a process of liquefying the liquefied methane gas favorably for the purpose of storage and transportation with high energy efficiency.

上記目的を達成するためのメタン回収装置は、地中のメタンハイドレート層に存在するメタンハイドレート中のメタンを回収するメタン回収装置であって、その特徴構成は、
作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒に、前記作動媒体を外部から加熱する加熱器と前記作動媒体を外部から冷却する冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間で音波の音響エネルギを増幅する第1再生器とから成る原動機を少なくとも1つ以上設けると共に、前記作動媒体が外部から吸熱する吸熱器と前記作動媒体が外部へ放熱する放熱器と前記吸熱器と前記放熱器との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する第2再生器とから成る音響ヒートポンプ部を少なくとも1つ以上設ける熱音響機関を備え、
温熱源から発生する温熱を保有する第1熱媒を前記加熱器へ導く第1熱媒通流路と、
前記冷却器及び前記放熱器の少なくとも一方を通過した第2熱媒を前記メタンハイドレート層へ導く第2熱媒通流路と、
前記メタンハイドレート層の前記メタンハイドレートから分離してガス化した前記メタンの一部を燃料として前記温熱源へ導くと共に、ガス化した前記メタンの残部を前記吸熱器へ導いて液化するメタン通流路とを備える点にある。
A methane recovery device for achieving the above object is a methane recovery device for recovering methane in methane hydrate existing in a methane hydrate layer in the ground, and its characteristic configuration is:
An acoustic tube filled with a working medium and in which sound waves propagate, a heater that heats the working medium from the outside, a cooler that cools the working medium from the outside, and acoustic energy of sound waves between the heater and the cooler. At least one or more prime mover including a first regenerator for amplifying the heat is provided, and a heat absorber for absorbing the heat from the working medium from the outside, a radiator for radiating the working medium to the outside, the heat absorber, and the radiator A thermoacoustic engine provided with at least one or more acoustic heat pump sections consisting of a second regenerator that compresses and expands in the form that sound waves consume acoustic energy between them;
A first heat medium passage that guides a first heat medium having a heat generated from a heat source to the heater;
A second heat medium passage that guides the second heat medium that has passed through at least one of the cooler and the radiator to the methane hydrate layer;
A part of the methane separated and gasified from the methane hydrate in the methane hydrate layer is guided to the warm heat source as a fuel, and the remaining part of the gasified methane is guided to the heat absorber to be liquefied. And a flow path.

以下、まずもって、第2熱媒通流路が、冷却器及び放熱器の双方からメタンハイドレート層へ第2熱媒を導く構成について、作用効果を説明する。
当該構成によれば、熱音響機関の原動機において、例えば海水等の比較的低温の第2熱媒が冷却器に導かれる共に、温熱源から発生する温熱を保有する第1熱媒が加熱器に導かれるから、加熱器と冷却器との間で十分な温度差を発生させ、音響筒に当該温度差から生じる大きい音響エネルギを有する音波を発生させることができる。
一方、熱音響機関の音響ヒートポンプ部において、例えば海水等の比較的低温の第2熱媒がヒートシンクとして放熱器へ供給されると共に、メタンハイドレート層にてメタンハイドレートから分離して回収されたメタンガスが、吸熱器を通流することで、メタンガスを冷却し液化できる。即ち、当該構成にあっては、メタンガスの液化に必要な冷却を、コンプレッサを設けない簡易な構成で、電力を供給することなく実現できる。
更に、第2熱媒通流路は、原動機の冷却器と音響ヒートポンプ部の放熱器とにおいて温熱を回収した第2熱媒をメタンハイドレート層へ導いて、メタンハイドレート層にてメタンハイドレートを良好に加熱し、メタンをガス化して回収できる。
以上より、比較的簡易な構成でありながらも、地中のメタンハイドレートを加熱法にて適切に加熱しつつメタンをガス化し、ガス化したメタンガスを貯留及び運搬の目的で良好に液化する工程を、高いエネルギ効率で実行できるメタン回収装置を実現できる。
Hereinafter, first, the function and effect of the configuration in which the second heat medium flow passage guides the second heat medium from both the cooler and the radiator to the methane hydrate layer will be described.
According to the configuration, in the prime mover of the thermoacoustic engine, for example, the second heat medium having a relatively low temperature such as seawater is guided to the cooler, and the first heat medium having the heat generated from the heat source is supplied to the heater. Since it is guided, a sufficient temperature difference can be generated between the heater and the cooler, and a sound wave having large acoustic energy generated from the temperature difference can be generated in the acoustic tube.
On the other hand, in the acoustic heat pump section of the thermoacoustic engine, for example, a relatively low temperature second heat medium such as seawater is supplied to the radiator as a heat sink and separated from methane hydrate in the methane hydrate layer and recovered. The methane gas can be cooled and liquefied by flowing through the heat absorber. That is, in this configuration, the cooling required for liquefying the methane gas can be realized with a simple configuration without a compressor and without supplying electric power.
In addition, the second heat medium flow passage guides the second heat medium, which has recovered the heat in the cooler of the prime mover and the radiator of the acoustic heat pump unit, to the methane hydrate layer, and the methane hydrate layer in the methane hydrate layer. Can be satisfactorily heated and methane can be gasified and recovered.
From the above, a process of gasifying methane while appropriately heating underground methane hydrate by a heating method with a relatively simple structure, and liquefying the gasified methane gas favorably for the purpose of storage and transportation It is possible to realize a methane recovery device that can perform the above with high energy efficiency.

因みに、本発明にあっては、温熱源としてはバーナ等の燃焼装置やエンジン等の熱電併給装置を想定しており、メタン通流路を介してメタンハイドレート層からガス化したメタンが燃料として供給される構成を採用している。このような構成においては、メタンハイドレート層からガス化したメタンが温熱源へ供給されるまでの間は、例えば、補助燃料源から温熱源へ燃料を供給する構成を採用する。   Incidentally, in the present invention, a combustion device such as a burner or a combined heat and power device such as an engine is assumed as the heat source, and methane gasified from the methane hydrate layer through the methane passage is used as fuel. It uses the configuration supplied. In such a configuration, for example, a configuration in which fuel is supplied from the auxiliary fuel source to the heat source until the methane gasified from the methane hydrate layer is supplied to the heat source.

尚、これまで説明した作用効果にあっては、第2熱媒通流路において、原動機の冷却器と音響ヒートポンプ部の放熱器との双方からメタンハイドレート層へ第2熱媒を導く構成について説明した。しかしながら、第2熱媒通流路は、第2熱媒を、冷却器と放熱器との少なくとも何れかを通過した第2熱媒をメタンハイドレート層へ導くものであっても構わない。ただし、比較的高温で多くの熱量を有する第2熱媒を、メタンハイドレート層へ導いて、多くのメタンをガス化する観点からは、第2熱媒通流路は、冷却器及び放熱器のうち、少なくとも比較的多くの温熱を回収できる冷却器を通過した後の第2熱媒をメタンハイドレート層へ導く構成を採用することが好ましい。   In addition, in the operation and effect described so far, regarding the configuration in which the second heat medium is introduced into the methane hydrate layer from both the cooler of the prime mover and the radiator of the acoustic heat pump unit in the second heat medium passage. explained. However, the second heat medium passage may guide the second heat medium to the methane hydrate layer, the second heat medium having passed through at least one of the cooler and the radiator. However, from the viewpoint of guiding the second heat medium having a large amount of heat at a relatively high temperature to the methane hydrate layer to gasify a large amount of methane, the second heat medium passage has a cooler and a radiator. Among these, it is preferable to adopt a configuration in which at least the second heat medium that has passed through the cooler capable of recovering a relatively large amount of heat is guided to the methane hydrate layer.

メタン回収装置の更なる特徴構成は、
前記メタンハイドレート層から流体を吸引する形態で前記メタンハイドレート層を減圧する減圧ポンプを備える点にある。
A further characteristic configuration of the methane recovery device is
The point is that a decompression pump for decompressing the methane hydrate layer in a form of sucking fluid from the methane hydrate layer is provided.

上記特徴構成によれば、メタンハイドレート層を、第2熱媒を導くことにより加熱できるのに加え、減圧ポンプの吸引作用により減圧することができるから、加熱・減圧の双方の作用により、メタンハイドレート層にてメタンをガス化して、より一層良好に回収することができる。   According to the above characteristic structure, the methane hydrate layer can be heated by introducing the second heat medium and can be decompressed by the suction action of the decompression pump. Methane can be gasified in the hydrate layer and can be recovered even better.

メタン回収装置の更なる特徴構成は、
前記第2熱媒通流路は、前記冷却器及び前記放熱器の少なくとも一方と前記メタンハイドレート層との間で第2熱媒を循環させる第2熱媒循環路として構成され、
前記第2熱媒循環路は、前記第2熱媒を前記メタンハイドレート層へ導く地中側第2熱媒通流路を通流した後の前記第2熱媒を前記冷却器へ導く冷却器側第2熱媒通流路と、前記地中側第2熱媒通流路を通流した後の前記第2熱媒を前記放熱器へ導く放熱器側第2熱媒通流路とを、並列に備え、
前記メタン通流路にて前記吸熱器を通流する前の前記メタンを圧縮する圧縮機を備え、
前記メタン通流路の前記吸熱器と前記圧縮機との間を通流する前記メタンと、前記放熱器側第2熱媒通流路で前記放熱器を通流した後の前記第2熱媒とを熱交換する第1熱交換器を備える点にある。
A further characteristic configuration of the methane recovery device is
The second heat medium passage is configured as a second heat medium circulation passage that circulates a second heat medium between at least one of the cooler and the radiator and the methane hydrate layer.
The second heat medium circulation passage cools the second heat medium after flowing through the underground second heat medium passage that guides the second heat medium to the methane hydrate layer to the cooler. A device-side second heat medium passage, and a radiator-side second heat medium passage that guides the second heat medium to the radiator after passing through the underground second heat medium passage In parallel,
A compressor for compressing the methane before flowing through the heat absorber in the methane passage,
The methane flowing between the heat absorber and the compressor in the methane passage, and the second heat medium after passing through the radiator in the radiator-side second heat medium passage The point is that a first heat exchanger for exchanging heat with and is provided.

上記特徴構成によれば、第2熱媒は、冷却器側第2熱媒通流路と放熱器側第2熱媒通流路との双方に、並列に導かれることとなるから、例えば、直列に導く場合と比較して、冷却器と放熱器との双方へ、メタンハイドレート層から冷熱を回収して比較的低温となった第2熱媒を供給することができる。これにより、原動機にあっては、冷却器と加熱器との温度差を十分に大きくして、大きい音響エネルギの音波を発生でき、音響ヒートポンプ部にあっては、ヒートシンクとして放熱器へ比較的低温の第2熱媒を導くことで、吸熱器に導かれるメタンの温度をより低い温度へ冷却できる。
ここで、メタンを液化するには、大気圧近傍では−162℃程度まで冷却する必要があるため、昇圧しつつ冷却することが好ましい。上記特徴構成によれば、メタンハイドレート層にてメタンハイドレートをガス化して得られたメタンは、圧縮機にて圧縮し比較的高圧(例えば、3MPa以上8MPa以下)へ昇圧した後、第1熱交換器にて第2熱媒と熱交換する形態で粗熱をとる形態で冷却し、音響ヒートポンプ部の吸熱器にて冷却することで、良好に液化できる。
一方で、第2熱媒放熱器側通流路を通流する第2熱媒は、放熱器にてヒートシンクとして働いて温熱を回収した後、第1熱交換器にて、圧縮機にて昇圧後のメタンの粗熱を回収し、それらの温熱をメタンハイドレート層へ良好に供給できる。
According to the above characteristic configuration, the second heat medium is guided in parallel to both the cooler-side second heat medium passage and the radiator-side second heat medium passage, so that, for example, Compared with the case of introducing in series, it is possible to supply the second heat medium which has a relatively low temperature by recovering the cold heat from the methane hydrate layer to both the cooler and the radiator. As a result, in the prime mover, the temperature difference between the cooler and the heater can be made sufficiently large to generate a sound wave of large acoustic energy. By introducing the second heat medium of, the temperature of methane introduced to the heat absorber can be cooled to a lower temperature.
Here, in order to liquefy methane, it is necessary to cool to about −162 ° C. in the vicinity of atmospheric pressure, so it is preferable to cool while increasing the pressure. According to the above-mentioned characteristic configuration, methane obtained by gasifying methane hydrate in the methane hydrate layer is compressed by the compressor to a relatively high pressure (for example, 3 MPa or more and 8 MPa or less), and then the first The liquefaction can be satisfactorily performed by cooling the heat exchanger in such a manner that it exchanges heat with the second heat medium so as to take rough heat, and by cooling the heat absorber in the acoustic heat pump section.
On the other hand, the second heat medium flowing through the second heat medium radiator side flow path acts as a heat sink in the radiator to recover heat, and then the first heat exchanger boosts the pressure in the compressor. It is possible to recover the crude heat of the subsequent methane and supply those heats well to the methane hydrate layer.

メタン回収装置の更なる特徴構成は、
前記第2熱媒通流路は、前記冷却器及び前記放熱器の少なくとも一方と前記メタンハイドレート層との間で第2熱媒を循環させる第2熱媒循環路として構成され、且つ少なくとも前記冷却器と前記メタンハイドレート層との間で前記第2熱媒を循環するものであり、
前記第1熱媒通流路で前記加熱器を通流した後の前記第1熱媒と、前記第2熱媒循環路において前記冷却器を通流した後で前記メタンハイドレート層へ導かれる前の前記第2熱媒とを熱交換する第2熱交換器を備える点にある。
A further characteristic configuration of the methane recovery device is
The second heat medium passage is configured as a second heat medium circulation passage for circulating the second heat medium between at least one of the cooler and the radiator and the methane hydrate layer, and at least the above. Circulating the second heat medium between a cooler and the methane hydrate layer,
The first heat medium after passing through the heater in the first heat medium passage and the first heat medium after passing through the cooler in the second heat medium circulation passage are guided to the methane hydrate layer. A second heat exchanger for exchanging heat with the previous second heat medium is provided.

本発明にあっては、温熱源としてはバーナ等の燃焼装置や、エンジン等の熱電併給装置を想定しており、第1熱媒としては、燃焼装置や熱電併給装置の燃焼排ガスを用いることを想定している。この場合、加熱器を通流した後の第1熱媒は、比較的高温で回収可能な熱を保有している場合が想定される。
そこで、上記特徴構成にあっては、第2熱交換器により、第1熱媒通流路で加熱器を通流した後の第1熱媒と、第2熱媒循環路において冷却器を通流した後でメタンハイドレート層を通流する前の第2熱媒とを熱交換することで、第1熱媒に残存する排熱を第2熱媒にて適切に回収し、メタンハイドレート層にてメタンハイドレートの加熱の用に供することができる。
In the present invention, a combustion device such as a burner or a combined heat and power supply device such as an engine is assumed as the heat source, and combustion exhaust gas from the combined combustion device or the combined heat and power supply device is used as the first heat medium. I am assuming. In this case, it is assumed that the first heat medium that has passed through the heater has heat that can be recovered at a relatively high temperature.
Therefore, in the above-mentioned characteristic configuration, the second heat exchanger causes the first heat medium after passing through the heater in the first heat medium passage and the cooler in the second heat medium circulation passage to pass therethrough. By exchanging heat with the second heat medium before flowing through the methane hydrate layer after flowing, the waste heat remaining in the first heat medium is appropriately recovered by the second heat medium, and methane hydrate It can serve for heating methane hydrate in layers.

メタン回収装置の更なる特徴構成は、
前記温熱源が、前記メタンを燃焼して燃焼排ガスを排出する燃焼装置であり、
前記第1熱媒通流路は、前記燃焼排ガスを前記第1熱媒として前記加熱器に通流自在に構成されている点にある。
A further characteristic configuration of the methane recovery device is
The heat source is a combustion device that burns the methane to discharge combustion exhaust gas,
The first heat medium flow passage is configured so that the combustion exhaust gas can flow through the heater as the first heat medium.

上記特徴構成によれば、供給する燃焼用空気の酸素濃度等にもよるが、加熱器へ1500℃以上の高い燃焼排ガスを第1熱媒として供給することができ、原動機の冷却器と加熱器との間にて大きな温度差をとり、大きい音響エネルギを発生できる。   According to the above characteristic configuration, although it depends on the oxygen concentration of the combustion air to be supplied, the combustion exhaust gas having a high temperature of 1500 ° C. or more can be supplied to the heater as the first heat medium, and the cooler and the heater of the prime mover can be supplied. It is possible to generate a large temperature energy and generate a large acoustic energy.

メタン回収装置の更なる特徴構成は、
前記温熱源が、前記メタンを燃料として熱と電力を発生する熱電併給装置であり、
前記第1熱媒通流路は、前記熱電併給装置が発生する熱を保有する前記第1熱媒を前記放熱器に通流自在に構成されている点にある。
A further characteristic configuration of the methane recovery device is
The warm heat source is a combined heat and power device that generates heat and electric power using the methane as a fuel,
The first heat medium passage is configured such that the first heat medium that retains heat generated by the combined heat and power supply device can freely flow through the radiator.

上記特徴構成によれば、温熱源として熱電併給装置を備えることで、メタンを燃料として熱のみならず電力を発生することもできるから、当該電力を装置の補機(例えば、メタンを圧縮する圧縮機)に供給することで、装置のトータルでのエネルギ効率をより高めることができる。   According to the above characteristic configuration, by providing the combined heat and power supply device as the heat source, it is possible to generate not only heat but also electric power by using methane as a fuel. Therefore, the electric power is used as an auxiliary device of the device (for example, compression for compressing methane). The energy efficiency of the device as a whole can be further increased.

本発明の実施形態に係るメタン回収装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a methane recovery apparatus according to an embodiment of the present invention 本発明の別実施形態に係るメタン回収装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a methane recovery apparatus according to another embodiment of the present invention 本発明の別実施形態に係るメタン回収装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a methane recovery apparatus according to another embodiment of the present invention

本発明の実施形態に係るメタン回収装置100は、比較的簡易な構成でありながらも、地中のメタンハイドレートを加熱法、Huff&Puff法にて適切にガス化し、ガス化したメタンガスを貯留及び運搬の目的で良好に液化する工程を、高いエネルギ効率で実行できるものである。   The methane recovery apparatus 100 according to the embodiment of the present invention has a relatively simple configuration, but appropriately gasifies underground methane hydrate by a heating method and a Huff & Puff method, and stores and transports the gasified methane gas. The step of favorably liquefying for the purpose of can be executed with high energy efficiency.

当該実施形態に係るメタン回収装置100は、図1に示すように、通常、比較的高圧で低温の状態にて形成されるメタンハイドレートからメタンを回収する装置である。メタンハイドレートは、比較的高圧で低温の状態にて形成されるため、シベリア等の特異な環境を除き、通常、水深500m以上の海底で、海底面LA1から数百m以上下方に形成されるメタンハイドレート層LA2に存在する。
当該実施形態に係るメタン回収装置100は、作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒Tに、作動媒体を外部から加熱する加熱器11と作動媒体を外部から冷却する冷却器12と加熱器11と冷却器12との間で音波の音響エネルギを増幅する第1再生器13とから成る原動機10を少なくとも1つ以上設けると共に、作動媒体が外部から吸熱する吸熱器21と作動媒体が外部へ放熱する放熱器22と吸熱器21と放熱器22との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する第2再生器23とから成る音響ヒートポンプ部20を少なくとも1つ以上設ける熱音響機関60を備える。
更に、当該実施形態に係るメタン回収装置100にあっては、燃料及び燃焼用空気を混合して燃焼するバーナ30(温熱源及び燃焼装置の一例)から発生する温熱を保有する燃焼排ガス(第1熱媒の一例)を加熱器11へ導く第1熱媒通流路L4と、冷却器12及び放熱器22の少なくとも何れか一方(当該実施形態にあっては、双方)とメタンハイドレート層LA2との間で第2熱媒(例えば、海水)を循環させる第2熱媒循環路C(第2熱媒通流路の一例)と、メタンハイドレート層LA2のメタンハイドレートから分離してガス化したメタンの一部を燃料としてバーナ30へ導くと共に、ガス化したメタンの残部を吸熱器21へ導いて液化するメタン通流路Lとを備えている。
As shown in FIG. 1, the methane recovery device 100 according to the embodiment is a device that normally recovers methane from methane hydrate formed at a relatively high pressure and a low temperature. Since methane hydrate is formed at a relatively high pressure and low temperature, it is normally formed below the sea floor LA1 by several hundred meters above the sea floor with a depth of 500 m or more, except for special environments such as Siberia. It exists in the methane hydrate layer LA2.
In the methane recovery apparatus 100 according to the embodiment, a heater 11 that heats the working medium from the outside and a cooler 12 and the heater 11 that cools the working medium from the outside are placed in an acoustic cylinder T in which the working medium is filled and the sound waves propagate. At least one prime mover 10 including a first regenerator 13 that amplifies acoustic energy of sound waves is provided between the cooling medium and the cooler 12, and a heat absorber 21 that absorbs heat from the outside and a working medium that radiates heat to the outside. A thermoacoustic engine having at least one acoustic heat pump unit 20 including a radiator 22, a heat absorber 21, and a second regenerator 23 that compresses and expands between the radiator 22 and the radiator 22 in a manner that acoustic waves consume acoustic energy. 60 is provided.
Further, in the methane recovery device 100 according to the embodiment, the combustion exhaust gas (first example) that retains the heat generated from the burner 30 (an example of the heat source and the combustion device) that mixes and burns the fuel and the combustion air. A first heat medium passage L4 that guides an example of a heat medium to the heater 11, at least one of the cooler 12 and the radiator 22 (both in this embodiment), and the methane hydrate layer LA2. A second heat medium circulation path C (an example of a second heat medium passage) for circulating a second heat medium (for example, seawater) between the gas and the methane hydrate in the methane hydrate layer LA2. A part of the liquefied methane is guided to the burner 30 as a fuel, and the remaining part of the gasified methane is guided to the heat absorber 21 to be liquefied.

以下、まず、熱音響機関60につき、説明を追加する。
熱音響機関60は、図1に示すように、作動媒体が充填され音波が伝播する第1ループ管T1と第2ループ管T2とが連結管にて連結されて構成された音響筒Tを備え、当該実施形態においては、第1ループ管T1に単一の原動機10が設けられると共に第2ループ管T2に単一の音響ヒートポンプ部20が設けられている。
Hereinafter, first, a description will be added for the thermoacoustic engine 60.
As shown in FIG. 1, the thermoacoustic engine 60 includes an acoustic tube T configured by connecting a first loop tube T1 and a second loop tube T2, which are filled with a working medium and propagate sound waves, with a connecting tube. In this embodiment, the single prime mover 10 is provided in the first loop pipe T1, and the single acoustic heat pump unit 20 is provided in the second loop pipe T2.

以下、作動媒体を外部から加熱する加熱器11と作動媒体を外部から冷却する冷却器12と加熱器11と冷却器12との間で音波の音響エネルギを増幅する第1再生器13とから成る原動機10について説明を加える。   Hereinafter, it comprises a heater 11 for heating the working medium from the outside, a cooler 12 for cooling the working medium from the outside, and a first regenerator 13 for amplifying acoustic energy of sound waves between the heater 11 and the cooler 12. The description of the prime mover 10 will be added.

加熱器11は、詳細な図示は省略するが、第1熱媒としての燃焼排ガスを通流するジャケット部(図示せず)と、当該ジャケット部から音響筒Tの内部に延びるフィン(図示せず)とから成る。加熱器11は、フィンがジャケット部を通流する燃焼排ガスにて加熱され、当該フィンから音響筒Tの内部の作動流体へ温熱を伝導する形態で、作動流体を加熱する。   Although not shown in detail, the heater 11 includes a jacket portion (not shown) that allows the combustion exhaust gas as the first heat medium to flow therethrough, and fins (not shown) extending from the jacket portion into the acoustic tube T. ) And. The heater 11 heats the working fluid in a form in which the fins are heated by the combustion exhaust gas flowing through the jacket portion and the heat is conducted from the fins to the working fluid inside the acoustic tube T.

冷却器12は、第2熱媒循環路Cを循環する第2熱媒を通流するジャケット部(図示せず)と、当該ジャケット部から音響筒Tの内部に延びるフィン(図示せず)とから成る。冷却器12は、フィンがジャケット部を通流する冷却水にて冷却され、当該フィンから音響筒Tの内部の作動流体へ冷熱を伝導する形態で、作動流体を冷却する。   The cooler 12 includes a jacket portion (not shown) that allows the second heat medium that circulates in the second heat medium circulation path C to flow therethrough, and a fin (not shown) that extends from the jacket portion into the acoustic tube T. Consists of. The cooler 12 cools the working fluid in such a form that the fins are cooled by cooling water flowing through the jacket portion, and the heat is conducted from the fins to the working fluid inside the acoustic tube T.

加熱器11と冷却器12との間に設けられる第1再生器13は、例えば、音響筒Tの筒軸心方向に直交する方向に板面を沿わせた状態で、当該筒軸心方向に沿って複数並べられる薄板状部材(図示せず)から構成されている。
当該薄板状部材は、例えば、厚さが50μm以上100μm以下で、300枚〜600枚程度設けられる。当該薄板状部材には、筒軸心方向に沿う方向に貫通する多数の貫通孔(図示せず)が、その直径が200μm〜300μm程度で、設けられる。
The first regenerator 13 provided between the heater 11 and the cooler 12 is, for example, in the cylinder axis direction with the plate surface along the direction orthogonal to the cylinder axis direction of the acoustic tube T. It is composed of a plurality of thin plate-like members (not shown) arranged along the line.
The thin plate member has a thickness of, for example, 50 μm or more and 100 μm or less, and is provided about 300 to 600 sheets. The thin plate member is provided with a large number of through holes (not shown) penetrating in the direction along the axis of the cylinder and having a diameter of about 200 μm to 300 μm.

作動流体は、音響筒Tの内部において、その筒軸心方向で、微小な揺らぎを生じる状態で、存在している。換言すると、作動流体を伝搬する音波は、加熱器11と冷却器12との両者間において、一方側から他方側への進行波と、他方側から一方側への進行波とを形成する。
作動流体を伝搬する音波は、冷却器12から加熱器11の側への進行波を形成する場合、加熱器11近傍での第1再生器13としての薄板状部材の複数の貫通孔を通過するときに当該貫通孔の内壁に接触して加熱されると共に、加熱器11のフィンにて直接加熱されることで、膨張する。一方、作動流体を伝搬する音波は、加熱器11から冷却器12の側への進行波を形成する場合、冷却器12の近傍での第1再生器13としての薄板状部材の複数の貫通孔を通過するときに当該貫通孔の内壁に接触して冷却されると共に、冷却器12のフィンにて直接冷却されることで、収縮する。
これにより、進行波としての音波が自己励起振動を起こし、その音響エネルギが増幅される形態で、熱エネルギが音波の音響エネルギに変換される。
The working fluid exists inside the acoustic cylinder T in a state in which a minute fluctuation is generated in the cylinder axis direction. In other words, the sound wave propagating through the working fluid forms a traveling wave from one side to the other side and a traveling wave from the other side to the one side between both the heater 11 and the cooler 12.
When forming a traveling wave from the cooler 12 to the heater 11 side, the sound wave propagating through the working fluid passes through a plurality of through holes of the thin plate member as the first regenerator 13 near the heater 11. At the same time, the inner wall of the through hole is heated while being heated, and the fins of the heater 11 are directly heated to expand. On the other hand, when the sound wave propagating through the working fluid forms a traveling wave from the heater 11 to the cooler 12, the plurality of through holes in the thin plate member as the first regenerator 13 near the cooler 12 are formed. When it passes through, the inner wall of the through hole is contacted and cooled, and the fins of the cooler 12 are directly cooled to contract.
As a result, the sound wave as the traveling wave causes self-excited vibration, and the heat energy is converted into the sound energy of the sound wave in a form in which the sound energy is amplified.

作動媒体は、音波を伝播する気体から構成されている。ここで、第1再生器13での熱交換が迅速になされることが望ましいため、作動媒体としては、熱拡散係数の高いヘリウム、水素が望ましい。また、発電を目的とする場合には、分子量の高い気体が望ましいため、アルゴン等の気体を混合しても良い。尚、熱的に安定していることから、当該実施形態では、作動媒体としてヘリウムを用いている。   The working medium is composed of a gas that propagates sound waves. Here, since it is desirable that the heat exchange in the first regenerator 13 be performed quickly, helium or hydrogen having a high thermal diffusion coefficient is desirable as the working medium. Further, for the purpose of power generation, a gas having a high molecular weight is desirable, so a gas such as argon may be mixed. Since it is thermally stable, helium is used as the working medium in this embodiment.

原動機10にて増幅された音波の音響エネルギは、音響筒Tの第1ループ管T1から第2ループ管T2の音響ヒートポンプ部20へ伝搬する。
音響ヒートポンプ部20は、作動媒体が外部から吸熱する吸熱器21と作動媒体が外部へ放熱する放熱器22と吸熱器21と放熱器22との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する第2再生器23とから成る。
The acoustic energy of the sound wave amplified by the prime mover 10 propagates from the first loop tube T1 of the acoustic tube T to the acoustic heat pump unit 20 of the second loop tube T2.
The acoustic heat pump unit 20 compresses and compresses sound waves between the heat absorber 21 in which the working medium absorbs heat from the outside, the radiator 22 in which the working medium radiates heat to the outside, and the acoustic wave consuming acoustic energy between the heat absorber 21 and the radiator 22. And an expanding second regenerator 23.

詳細な図示は省略するが、吸熱器21は、メタン通流路Lにて導かれるメタンを通流するジャケット部(図示せず)と、当該ジャケット部から音響筒Tの内部に延びるフィン(図示せず)とから成る。吸熱器21では、フィンがジャケット部を通流するメタンから吸熱し、音響筒Tの内部の作動媒体がフィンから吸熱する。   Although detailed illustration is omitted, the heat absorber 21 includes a jacket portion (not shown) that allows methane to flow through the methane passage L, and fins that extend from the jacket portion to the inside of the acoustic tube T (see FIG. (Not shown). In the heat absorber 21, the fins absorb heat from the methane flowing through the jacket portion, and the working medium inside the acoustic tube T absorbs heat from the fins.

放熱器22は、第2熱媒循環路Cを循環する第2熱媒を通流するジャケット部(図示せず)と、当該ジャケット部から音響筒Tの内部に延びるフィン(図示せず)とから成る。放熱器22では、音響筒Tの内部の作動媒体がフィンに放熱し、当該放熱された熱がジャケット部を通流する第2熱媒へ放熱される形態で、第2熱媒が加熱される。   The radiator 22 includes a jacket portion (not shown) that allows the second heat medium that circulates in the second heat medium circulation path C to flow therethrough, and a fin (not shown) that extends from the jacket portion into the acoustic tube T. Consists of. In the radiator 22, the working medium inside the acoustic tube T radiates heat to the fins, and the radiated heat is radiated to the second heat medium flowing through the jacket portion, so that the second heat medium is heated. .

音響ヒートポンプ部20では、作動流体を伝搬する音波が、吸熱器21から放熱器22の側への進行波を形成する場合に圧縮し、放熱器22から吸熱器21の側へ進行波を形成する場合に膨張するように、その吸熱器21と第2再生器23と放熱器22とが音響筒Tにおける適切な位置に配置されている。
これにより、作動流体を伝搬する音波が吸熱器21から放熱器22の側への進行波を形成する場合、第2再生器23にて圧縮しながら吸熱して昇温し、放熱器22にて昇温して高温となった状態で放熱する。これにより、放熱器22ではジャケット部を通流する第2熱媒が、吸熱器21のジャケット部を通流するメタンよりも高温の作動媒体と熱交換する形態で加熱される。
一方、作動流体を伝搬する音波が放熱器22から吸熱器21の側への進行波を形成する場合、第2再生器23にて膨張しながら放熱して降温し、吸熱器21にて降温して低温となった状態で吸熱する。これにより、吸熱器21ではジャケット部を通流するメタンから、十分に低温となった作動媒体が良好に吸熱することになる。
因みに、上述の如く、第2再生器23にて圧縮しながら吸熱する工程、及び膨張しながら放熱する工程において、音波の音響エネルギが消費され、音波は減衰するが、音響エネルギは、原動機10から逐次補充されるので、音響ヒートポンプ部20のヒートポンプ機能が維持されることとなる。
In the acoustic heat pump unit 20, the acoustic wave propagating through the working fluid is compressed when forming a traveling wave from the heat absorber 21 to the radiator 22 side, and forms a traveling wave from the radiator 22 to the heat absorber 21 side. The heat absorber 21, the second regenerator 23, and the radiator 22 are arranged at appropriate positions in the acoustic tube T so as to expand in some cases.
Thereby, when the sound wave propagating through the working fluid forms a traveling wave from the heat absorber 21 to the radiator 22, the second regenerator 23 absorbs heat and heats up, and the radiator 22 It radiates heat when the temperature rises and becomes high. Thereby, in the radiator 22, the second heat medium flowing through the jacket portion is heated in a form of heat exchange with the working medium having a temperature higher than that of methane flowing through the jacket portion of the heat absorber 21.
On the other hand, when the sound wave propagating through the working fluid forms a traveling wave from the radiator 22 to the heat absorber 21, the second regenerator 23 radiates heat while cooling to lower the temperature of the heat absorber 21. Absorbs heat when the temperature is low. As a result, in the heat absorber 21, the working medium having a sufficiently low temperature satisfactorily absorbs heat from the methane flowing through the jacket portion.
Incidentally, as described above, in the step of absorbing heat while compressing in the second regenerator 23 and the step of radiating heat while expanding, the acoustic energy of the sound wave is consumed and the sound wave is attenuated, but the acoustic energy is transmitted from the prime mover 10. Since they are sequentially replenished, the heat pump function of the acoustic heat pump unit 20 is maintained.

吸熱器21と放熱器22との間に設けられる第2再生器23は、その形状や材質については、第1再生器13と変わるところがない。
尚、音響筒Tの筒径、筒長さ、形状等は、特に、第1再生器13及び第2再生器23の貫通孔の孔径に基づいて、原動機10の熱エネルギから音響エネルギへの変換効率、音響ヒートポンプ部20の音響エネルギから熱エネルギへの変換効率が高くなるように、適宜設定される。
The second regenerator 23 provided between the heat absorber 21 and the radiator 22 is the same in shape and material as the first regenerator 13.
In addition, the cylinder diameter, the cylinder length, the shape, and the like of the acoustic cylinder T are converted from the thermal energy of the prime mover 10 into the acoustic energy based on the hole diameters of the through holes of the first regenerator 13 and the second regenerator 23, in particular. The efficiency and the conversion efficiency from the acoustic energy of the acoustic heat pump unit 20 to the heat energy are appropriately set.

メタンハイドレート層LA2は、海底面LA1の数百m下方に形成されており、当該メタンハイドレート層LA2からメタンを回収するには、海底にメタンハイドレート層LA2まで届くボーリング穴を穿ち、生産井Wを形成する。
メタン回収装置100では、比較的高温の第2熱媒を循環する第2熱媒循環路Cが、生産井Wを介して、メタンハイドレート層LA2に敷設され、メタンハイドレート層LA2に第2熱媒を介して温熱を供給する形態で、メタンハイドレート層LA2を加熱している。
The methane hydrate layer LA2 is formed several hundred meters below the sea floor LA1, and in order to recover methane from the methane hydrate layer LA2, a boring hole that reaches the methane hydrate layer LA2 on the sea bottom is drilled and produced. Well W is formed.
In the methane recovery device 100, the second heat medium circulation path C that circulates the second heat medium having a relatively high temperature is laid in the methane hydrate layer LA2 via the production well W and the second heat medium circulation path C is provided in the methane hydrate layer LA2. The methane hydrate layer LA2 is heated in a form in which warm heat is supplied via a heat medium.

説明を追加すると、第2熱媒循環路Cは、第2熱媒をメタンハイドレート層LA2へ導く地中側第2熱媒通流路C1と、当該地中側第2熱媒通流路C1を通流した後の第2熱媒を冷却器12へ導く冷却器側第2熱媒通流路C3と、地中側第2熱媒通流路C1を通流した後の第2熱媒を放熱器22へ導く放熱器側第2熱媒通流路C2とから構成されており、地中側第2熱媒通流路C1からの戻り第2熱媒は、冷却器側第2熱媒通流路C3と放熱器側第2熱媒通流路C2とに、並列に導かれるように構成されている。具体的には、地中側第2熱媒通流路C1の戻り路は、第2三方流量調整弁V2を介して、冷却器側第2熱媒通流路C3の往き路及び放熱器側第2熱媒通流路C2の往き路に接続されている。また、地中側第2熱媒通流路C1の往き路は、冷却器側第2熱媒通流路C3の戻り路及び放熱器側第2熱媒通流路C2の戻り路に接続されている。図示は省略するが、制御装置は、冷却器12及び放熱器22にて第2熱媒が回収する熱量バランスを調整すべく、例えば、冷却器側第2熱媒通流路C3の戻り路を通流する第2熱媒の温度及び流量と、放熱器側第2熱媒通流路C2の戻り路を通流する第2熱媒の温度及び流量とに基づいて、第2三方流量調整弁V2の開度を制御する。
因みに、地中側第2熱媒通流路C1には、第2熱媒を圧送する第2ポンプP2が設けられている。
When the description is added, the second heat medium circulation path C includes an underground second heat medium passage C1 that guides the second heat medium to the methane hydrate layer LA2, and an underground second heat medium passage. The cooler side second heat medium passage C3 for guiding the second heat medium after passing through C1 to the cooler 12 and the second heat after passing through the underground second heat medium passing passage C1. It is composed of a radiator side second heat medium passage C2 for guiding the medium to the radiator 22, and the return second heat medium from the underground second heat medium passage C1 is the cooler side second. The heat medium passage C3 and the radiator-side second heat medium passage C2 are configured to be guided in parallel. Specifically, the return path of the underground second heat transfer passage C1 is located on the forward side of the cooler side second heat transfer passage C3 and on the radiator side via the second three-way flow rate adjusting valve V2. It is connected to the forward path of the second heat medium flow passage C2. The forward path of the underground second heat medium passage C1 is connected to the return path of the cooler side second heat medium passage C3 and the return path of the radiator side second heat medium passage C2. ing. Although illustration is omitted, in order to adjust the balance of the amount of heat recovered by the second heat medium in the cooler 12 and the radiator 22, the control device, for example, sets the return path of the cooler-side second heat medium passage C3. A second three-way flow rate control valve based on the temperature and flow rate of the second heat medium flowing through and the temperature and flow rate of the second heat medium flowing through the return path of the radiator-side second heat medium communication channel C2. The opening degree of V2 is controlled.
Incidentally, a second pump P2 for pumping the second heat medium is provided in the underground second heat medium passage C1.

更に、当該メタン回収装置100では、メタンハイドレート層LA2を減圧するべく、生産井Wを介して、減圧流路L5が敷設されており、当該減圧流路L5にてメタンハイドレート層LA2から海水(流体の一例)等を吸引する形態でメタンハイドレート層LA2を減圧する減圧ポンプP4を備えている。   Further, in the methane recovery apparatus 100, a decompression flow path L5 is laid via the production well W in order to decompress the methane hydrate layer LA2, and the decompression flow path L5 is used to remove seawater from the methane hydrate layer LA2. A decompression pump P4 for decompressing the methane hydrate layer LA2 in a form of sucking (an example of fluid) is provided.

メタン通流路Lは、生産井Wを介して、メタンハイドレート層LA2に敷設され、メタンハイドレート層LA2から地上へ導く地中側メタン通流路L1と、地中側メタン通流路L1に第1三方流量調整弁V1を介して接続されると共に地中側メタン通流路L1からのメタンガスをバーナ30へ導くバーナ側メタン通流路L2と、地中側メタン通流路L1に第1三方流量調整弁V1を介して接続されると共に地中側メタン通流路L1からのメタンガスを吸熱器21へ導く吸熱器側メタン通流路L3とから構成されている。制御装置(図示せず)は、加熱器11にて必要な熱量に基づいて算出されるメタンをバーナ側メタン通流路L2に導き、残りを吸熱器側メタン通流路L3へ導いて液化するべく、第1三方流量調整弁V1の開度を制御する。
因みに、図示は省略するが、メタン通流路Lは、減圧流路L5にてメタンハイドレート層LA2から吸入して回収された海水に含まれるメタンをも回収可能に構成されている。
The methane flow passage L is laid in the methane hydrate layer LA2 via the production well W, and the underground methane flow passage L1 that leads from the methane hydrate layer LA2 to the ground and the underground methane flow passage L1. Is connected to the burner 30 through the first three-way flow rate adjusting valve V1 and guides the methane gas from the underground methane passage L1 to the burner 30, and the underground methane passage L1 is connected to the burner side methane passage L1. 1) A three-way flow rate control valve V1 is connected and a heat absorber side methane passage L3 that guides the methane gas from the underground methane passage L1 to the heat absorber 21. A controller (not shown) guides methane calculated based on the amount of heat required by the heater 11 to the burner-side methane passage L2, and the rest to the heat absorber-side methane passage L3 for liquefaction. Therefore, the opening degree of the first three-way flow rate adjusting valve V1 is controlled.
Incidentally, although not shown, the methane passage L is also configured to be able to recover methane contained in seawater that is sucked and recovered from the methane hydrate layer LA2 in the depressurization flow path L5.

尚、メタンハイドレート層LA2からメタンが回収されるまでの間は、天然ガス等の補助燃料がバーナ30に供給される形態で、バーナ30の燃焼が維持され、燃焼排ガスが加熱器11へ導かれる。   While the methane hydrate layer LA2 collects methane, the auxiliary fuel such as natural gas is supplied to the burner 30 so that the combustion of the burner 30 is maintained and the combustion exhaust gas is guided to the heater 11. Get burned.

更に、メタンの液化を適切に実行すると共に、メタンハイドレート層LA2へ導かれる第2熱媒をより昇温させるべく、吸熱器側メタン通流路L3には、吸熱器21を通流する前のメタンを圧縮して3MPa以上8MPa以下程度に昇圧する圧縮機P3を備えられ、更に、吸熱器側メタン通流路L3の吸熱器21と圧縮機P3との間を通流するメタンと、放熱器側第2熱媒通流路C2で放熱器22を通流した後の第2熱媒とを熱交換する第1熱交換器EX1が設けられている。   Furthermore, before the heat absorber 21 is passed through the heat absorber side methane flow passage L3, in order to appropriately perform the liquefaction of methane and to further raise the temperature of the second heat medium guided to the methane hydrate layer LA2. Is provided with a compressor P3 that compresses the methane to increase the pressure to 3 MPa or more and 8 MPa or less. Further, the methane flowing between the heat absorber 21 and the compressor P3 in the heat absorber side methane passage L3, and the heat radiation A first heat exchanger EX1 that exchanges heat with the second heat medium that has flowed through the radiator 22 in the device-side second heat medium passage C2 is provided.

更に、メタンハイドレート層LA2へ導かれる第2熱媒をより昇温させるべく、第1熱媒通流路L4で加熱器11を通流した後の燃焼排ガスと、冷却器側第2熱媒通流路C3において冷却器12を通流した後で地中側第2熱媒通流路C1を通流する前(メタンハイドレート層LA2へ導かれる前)の第2熱媒とを熱交換する第2熱交換器EX2を備えている。
以上の構成を採用することにより、冷却器12及び第2熱交換器EX2で加熱された第2熱媒と、放熱器22で加熱され第1熱交換器EX1で加熱された第2熱媒とが、メタンハイドレート層LA2へ導かれて放熱する形態で、メタンハイドレートからメタンを分解している。更に、分解しガス化したメタンは、圧縮機P3で昇圧され、昇圧に伴って発生する粗熱を第1熱交換器EX1で放熱し、吸熱器21で更に放熱する形態で、例えば、3MPa以上8MPa以下で−162℃程度まで冷却され、液化される。当該液化されたメタンは、船舶等により運搬される形態で、種々の目的に利用される。
Further, in order to further raise the temperature of the second heat medium introduced to the methane hydrate layer LA2, the combustion exhaust gas after flowing through the heater 11 in the first heat medium passage L4 and the second heat medium on the cooler side. After passing through the cooler 12 in the flow passage C3, heat is exchanged with the second heat medium before flowing through the underground second heat medium passage C1 (before being guided to the methane hydrate layer LA2). The second heat exchanger EX2 is provided.
By adopting the above configuration, the second heat medium heated by the cooler 12 and the second heat exchanger EX2, and the second heat medium heated by the radiator 22 and heated by the first heat exchanger EX1 However, the methane is decomposed from the methane hydrate in the form of being guided to the methane hydrate layer LA2 and radiating heat. Further, the decomposed and gasified methane is boosted by the compressor P3, and the crude heat generated by the boosting is radiated by the first heat exchanger EX1 and further radiated by the heat absorber 21, for example, 3 MPa or more. It is cooled to about -162 ° C at 8 MPa or less and liquefied. The liquefied methane is used for various purposes in the form of being transported by a ship or the like.

〔別実施形態〕
(1)上記実施形態にあっては、単一の音響筒Tを有する熱音響機関60を示した。しかしながら、熱音響機関60は、複数の音響筒Tを有する構成を採用しても構わない。また、原動機10及び音響ヒートポンプ部20も、複数設ける構成を採用しても構わない。
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, the thermoacoustic engine 60 having the single acoustic tube T is shown. However, the thermoacoustic engine 60 may employ a configuration having a plurality of acoustic tubes T. The prime mover 10 and the acoustic heat pump unit 20 may also be configured to be provided in plurality.

(2)上記実施形態において、第1熱交換器EX1及び第2熱交換器EX2を備える構成を例示したが、メタンハイドレート層LA2へ供給する必要熱量、及び回収したメタンガスの流量によっては、第1熱交換器EX1及び第2熱交換器EX2を備えない構成を採用しても構わない。当該構成を採用する場合、圧縮機P3も省略されることとなる。
また、第1熱交換器EX1と第2熱交換器EX2との何れか一方を備えない構成も、本願の権利範囲に含むものである。
(2) In the above embodiment, the configuration including the first heat exchanger EX1 and the second heat exchanger EX2 has been illustrated, but depending on the required heat amount to be supplied to the methane hydrate layer LA2 and the flow rate of the recovered methane gas, A configuration not including the first heat exchanger EX1 and the second heat exchanger EX2 may be adopted. When the said structure is employ | adopted, the compressor P3 will also be abbreviate | omitted.
In addition, a configuration that does not include either the first heat exchanger EX1 or the second heat exchanger EX2 is also included in the scope of right of the present application.

(3)放熱器側第2熱媒通流路C2は、図2に示すように、放熱器22に第2熱媒を通流しない構成も採用することができる。即ち、放熱器側第2熱媒通流路C2は、第2熱媒を第1熱交換器EX1に通流した後に、地中側第2熱媒通流路C1へ導くものとなる。
当該構成にあっては、冷却塔55と放熱器22との間で第3熱媒を循環する第3熱媒循環路C5を備え、当該第3熱媒が放熱器22でヒートシンクとして機能する構成を採用することが好ましい。
(3) As shown in FIG. 2, the radiator-side second heat medium passage C <b> 2 may have a configuration in which the second heat medium does not flow into the radiator 22. That is, the radiator-side second heat medium flow passage C2 is configured to guide the second heat medium to the underground second heat medium flow passage C1 after flowing the second heat medium to the first heat exchanger EX1.
In the said structure, the 3rd heat medium circulation path C5 which circulates a 3rd heat medium between the cooling tower 55 and the radiator 22 is provided, and the said 3rd heat medium functions as a heat sink in the radiator 22. Is preferably adopted.

(4)また、図示は省略するが、第2熱媒循環路Cは、第2熱媒を冷却器12へ通流させない構成も、本願の権利範囲に含むものとする。
当該構成にあっては、熱媒を冷却する冷却塔(図示せず)と冷却器12との間で熱媒を循環する構成を採用し、冷却器12へ冷熱を供給して、冷却器12と加熱器11との温度差を十分に確保することが好ましい。
(4) Further, although not shown in the drawings, a configuration in which the second heat medium circulation path C does not allow the second heat medium to flow to the cooler 12 is also included in the scope of right of the present application.
In this configuration, a configuration is adopted in which the heat medium is circulated between a cooling tower (not shown) that cools the heat medium and the cooler 12, and cold heat is supplied to the cooler 12 to cool the cooler 12. It is preferable to sufficiently secure the temperature difference between the heater 11 and the heater 11.

(5)温熱源としては、メタンを燃料として熱と電力を発生する熱電併給装置を備える構成を採用しても構わない。
具体的には、図2に示すように、エンジン40と、当該エンジン40の回転軸41に接続される同期発電機42とが熱電併給装置として設けられ、同期発電機42の発電電力の周波数を、商用電力系統44から供給される電力の周波数と同じ周波数に調整可能に構成する。また、当該同期発電機42には、電圧を調整する自動電圧調整器が備えられており、当該自動電圧調整器により、発電電力の電圧が商用電力系統44から供給される電力の電圧と同じ電圧に調整される。同期発電機42と商用電力系統44との間には、分電盤43が設けられ、当該分電盤43からは、メタン回収装置100の補機(例えば、圧縮機)へ電力が供給されるように構成されている。
また、熱電併給装置として、燃料電池を備える構成も好適に採用可能である。
(5) As the heat source, a configuration including a combined heat and power device that generates heat and electric power using methane as a fuel may be adopted.
Specifically, as shown in FIG. 2, an engine 40 and a synchronous generator 42 connected to a rotating shaft 41 of the engine 40 are provided as a combined heat and power generator, and the frequency of the generated power of the synchronous generator 42 is changed. The frequency of the electric power supplied from the commercial power system 44 is adjustable. Further, the synchronous generator 42 is provided with an automatic voltage regulator that adjusts the voltage, and the automatic voltage regulator causes the generated power voltage to be the same voltage as the power voltage supplied from the commercial power grid 44. Adjusted to. A distribution board 43 is provided between the synchronous generator 42 and the commercial power system 44, and power is supplied from the distribution board 43 to an auxiliary machine (for example, a compressor) of the methane recovery device 100. Is configured.
Further, as the combined heat and power supply device, a configuration including a fuel cell can also be suitably adopted.

(6)これまで説明してきた実施形態にあっては、第2熱媒循環路Cにて第2熱媒を循環する構成を示したが、別に第2熱媒は循環しない構成を採用しても構わない。
以下、図3に基づいて、別実施形態(6)に係るメタン回収装置100について説明する。尚、当該別実施形態(6)に係るメタン回収装置100は、図1で示した実施形態に係るメタン回収装置100に対して、第2熱媒循環路Cに関連する構成が異なるので、以下では、その構成について重点的に説明し、他の構成については、上述の実施形態と同一の符号を付し、その説明を割愛することがある。
当該別実施形態(6)に係るメタン回収装置100では、図1で示した実施形態に係るメタン回収装置100の第2熱媒循環路Cに替えて、冷却器12及び放熱器21の少なくとも一方を通過した海水(流体の一例、第2熱媒の一例)をメタンハイドレート層LA2へ導く第2熱媒通流路Cを備えている。因みに、図3に示す例では、第2熱媒通流路Cは、冷却器12及び放熱器21の双方を並列に通過した第2熱媒をメタンハイドレート層LA2へ導くように構成されている。
説明を追加すると、第2熱媒通流路Cは、メタンハイドレート層LA2から海水等を吸引する形態でメタンハイドレート層LA2を減圧する減圧ポンプP4が設けられ、生産井Wに敷設される減圧流路L5と、減圧流路L5を通流する海水を放熱器22へ導く放熱器側第2熱媒通流路C2と、減圧流路L5を通流する海水を冷却器12へ導く冷却器側第2熱媒通流路C3と、放熱器側第2熱媒通流路C2及び冷却器側第2熱媒通流路C3を通流した海水をメタンハイドレート層LA2へ導く地中側第2熱媒通流路C1とから構成されており、減圧流路L5からの海水は、冷却器側第2熱媒通流路C3と放熱器側第2熱媒通流路C2とに、並列に導かれるように構成されている。具体的には、減圧流路L5の出口は、第2三方流量調整弁V2を介して、冷却器側第2熱媒通流路C3の往き路及び放熱器側第2熱媒通流路C2の往き路に接続されている。
制御装置(図示せず)は、第2三方流量調整弁V2の開度を、図1に示す実施形態と同様に制御する。
尚、当該別実施形態(6)にあっては、地中側第2熱媒通流路C1にてメタンハイドレート層LA2へ導かれた海水がメタンハイドレート層LA2へ圧入される形態で、メタンハイドレート層LA2が加熱される。
また、当該別実施形態(6)にあっても、減圧流路L5を通流する海水に含まれるメタンは、メタン通流路L1から回収する構成が採用されている。
(6) In the embodiments described so far, the configuration in which the second heat medium is circulated in the second heat medium circulation path C is shown, but a configuration in which the second heat medium is not circulated is adopted separately. I don't mind.
Hereinafter, a methane recovery device 100 according to another embodiment (6) will be described with reference to FIG. The methane recovery device 100 according to the other embodiment (6) is different from the methane recovery device 100 according to the embodiment shown in FIG. 1 in the configuration related to the second heat medium circulation path C. Then, the configuration will be mainly described, and other configurations will be denoted by the same reference numerals as those in the above-described embodiment, and the description thereof may be omitted.
In the methane recovery device 100 according to the another embodiment (6), at least one of the cooler 12 and the radiator 21 is replaced with the second heat medium circulation path C of the methane recovery device 100 according to the embodiment shown in FIG. The second heat medium passage C is provided for guiding the seawater (one example of a fluid, one example of a second heat medium) that has passed through to the methane hydrate layer LA2. Incidentally, in the example shown in FIG. 3, the second heat medium passage C is configured to guide the second heat medium that has passed through both the cooler 12 and the radiator 21 in parallel to the methane hydrate layer LA2. There is.
If the description is added, the second heat medium passage C is provided with a decompression pump P4 for decompressing the methane hydrate layer LA2 in a form of sucking seawater or the like from the methane hydrate layer LA2, and is laid in the production well W. Cooling that guides the depressurization flow path L5, seawater flowing through the depressurization flow path L5 to the radiator 22 and a second radiator-side heat medium communication flow path C2, and seawater flowing through the depressurization flow path L5 to the cooler 12 Underground for guiding the seawater flowing through the device-side second heat medium passage C3, the radiator-side second heat medium passage C2, and the cooler-side second heat medium passage C3 to the methane hydrate layer LA2 Side second heat medium passage C1 and seawater from the decompression passage L5 flows into the cooler side second heat medium passage C3 and the radiator side second heat medium passage C2. , Are configured to be guided in parallel. Specifically, the outlet of the decompression flow path L5 passes through the second three-way flow rate adjusting valve V2 and the forward path of the cooler-side second heat medium communication path C3 and the radiator-side second heat medium communication path C2. It is connected to the way out.
A control device (not shown) controls the opening degree of the second three-way flow rate adjusting valve V2, as in the embodiment shown in FIG.
In the another embodiment (6), seawater guided to the methane hydrate layer LA2 in the underground second heat medium passage C1 is pressed into the methane hydrate layer LA2. The methane hydrate layer LA2 is heated.
Further, also in the other embodiment (6), a configuration is adopted in which methane contained in seawater flowing through the decompression flow path L5 is recovered from the methane communication flow path L1.

(7)上記実施形態に示すメタン回収装置100においては、メタンハイドレート層LA2から液体を吸引する形態でメタンハイドレート層LA2を減圧する減圧ポンプP3を備える構成を示した。
しかしながら、当該減圧ポンプP3を備えない構成を採用しても構わない。
即ち、第2熱媒による加熱作用のみにより、メタンハイドレート層LA2からメタンを液化して回収するものも、本願の権利範囲に含むものとする。
(7) In the methane recovery apparatus 100 shown in the above embodiment, the configuration is shown in which the decompression pump P3 that decompresses the methane hydrate layer LA2 in a form of sucking the liquid from the methane hydrate layer LA2 is provided.
However, a configuration that does not include the decompression pump P3 may be adopted.
That is, the scope of the scope of the present application also includes a case where methane is liquefied and recovered from the methane hydrate layer LA2 only by the heating action of the second heat medium.

尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。   The configurations disclosed in the above-described embodiments (including other embodiments, the same applies below) can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as no contradiction occurs. The embodiments disclosed in the present specification are exemplifications, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be appropriately modified within a range not departing from the object of the present invention.

本発明のメタン回収装置は、比較的簡易な構成でありながらも、地中のメタンハイドレートを加熱法、Huff&Puff法にて適切にガス化し、ガス化したメタンガスを貯留及び運搬の目的で良好に液化する工程を、高いエネルギ効率で実行できるメタン回収装置として、有効に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The methane recovery device of the present invention has a relatively simple structure, but properly gasifies underground methane hydrate by a heating method and a Huff & Puff method, and satisfactorily stores and transports gasified methane gas. The liquefaction process can be effectively used as a methane recovery device that can be executed with high energy efficiency.

10 :原動機
11 :加熱器
12 :冷却器
13 :第1再生器
20 :音響ヒートポンプ部
21 :吸熱器
22 :放熱器
23 :第2再生器
30 :バーナ
40 :エンジン
42 :同期発電機
60 :熱音響機関
100 :メタン回収装置
C :第2熱媒通流路、第2熱媒循環路
C1 :地中側第2熱媒通流路
C2 :放熱器側第2熱媒通流路
C3 :冷却器側第2熱媒通流路
C5 :第3熱媒循環路
EX1 :第1熱交換器
EX2 :第2熱交換器
L :メタン通流路
L4 :第1熱媒通流路
LA2 :メタンハイドレート層
P3 :圧縮機
P4 :減圧ポンプ
T :音響筒
T1 :第1ループ管
T2 :第2ループ管
10: prime mover 11: heater 12: cooler 13: first regenerator 20: acoustic heat pump section 21: heat absorber 22: radiator 23: second regenerator 30: burner 40: engine 42: synchronous generator 60: heat Acoustic engine 100: Methane recovery device C: Second heat medium passage, second heat medium circulation passage C1: Underground second heat medium passage C2: Radiator side second heat medium passage C3: Cooling Device-side second heat medium passage C5: Third heat medium circulation passage EX1: First heat exchanger EX2: Second heat exchanger L: Methane passage L4: First heat medium passage LA2: Methane hydrate Rate layer P3: Compressor P4: Decompression pump T: Acoustic tube T1: First loop tube T2: Second loop tube

Claims (6)

地中のメタンハイドレート層に存在するメタンハイドレート中のメタンを回収するメタン回収装置であって、
作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒に、前記作動媒体を外部から加熱する加熱器と前記作動媒体を外部から冷却する冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間で音波の音響エネルギを増幅する第1再生器とから成る原動機を少なくとも1つ以上設けると共に、前記作動媒体が外部から吸熱する吸熱器と前記作動媒体が外部へ放熱する放熱器と前記吸熱器と前記放熱器との間で音波が音響エネルギを消費する形態で圧縮及び膨張する第2再生器とから成る音響ヒートポンプ部を少なくとも1つ以上設ける熱音響機関を備え、
温熱源から発生する温熱を保有する第1熱媒を前記加熱器へ導く第1熱媒通流路と、
前記冷却器及び前記放熱器の少なくとも一方を通過した第2熱媒を前記メタンハイドレート層へ導く第2熱媒通流路と、
前記メタンハイドレート層の前記メタンハイドレートから分離してガス化した前記メタンの一部を燃料として前記温熱源へ導くと共に、ガス化した前記メタンの残部を前記吸熱器へ導いて液化するメタン通流路とを備えるメタン回収装置。
A methane recovery device for recovering methane in methane hydrate existing in an underground methane hydrate layer,
An acoustic tube filled with a working medium and in which sound waves propagate, a heater that heats the working medium from the outside, a cooler that cools the working medium from the outside, and acoustic energy of sound waves between the heater and the cooler. At least one or more prime mover including a first regenerator for amplifying the heat is provided, and a heat absorber for absorbing the heat from the working medium from the outside, a radiator for radiating the working medium to the outside, the heat absorber, and the radiator. A thermoacoustic engine provided with at least one or more acoustic heat pump sections consisting of a second regenerator that compresses and expands in the form that sound waves consume acoustic energy between them;
A first heat medium passage that guides a first heat medium having a heat generated from a heat source to the heater;
A second heat medium passage that guides the second heat medium that has passed through at least one of the cooler and the radiator to the methane hydrate layer;
A part of the methane separated and gasified from the methane hydrate in the methane hydrate layer is guided to the warm heat source as a fuel, and the remaining part of the gasified methane is guided to the heat absorber to be liquefied. A methane recovery device having a flow path.
前記メタンハイドレート層から流体を吸引する形態で前記メタンハイドレート層を減圧する減圧ポンプを備える請求項1に記載のメタン回収装置。   The methane recovery apparatus according to claim 1, further comprising a decompression pump that decompresses the methane hydrate layer in a form of sucking fluid from the methane hydrate layer. 前記第2熱媒通流路は、前記冷却器及び前記放熱器の少なくとも一方と前記メタンハイドレート層との間で第2熱媒を循環させる第2熱媒循環路として構成され、
前記第2熱媒循環路は、前記第2熱媒を前記メタンハイドレート層へ導く地中側第2熱媒通流路を通流した後の前記第2熱媒を前記冷却器へ導く冷却器側第2熱媒通流路と、前記地中側第2熱媒通流路を通流した後の前記第2熱媒を前記放熱器へ導く放熱器側第2熱媒通流路とを、並列に備え、
前記メタン通流路にて前記吸熱器を通流する前の前記メタンを圧縮する圧縮機を備え、
前記メタン通流路の前記吸熱器と前記圧縮機との間を通流する前記メタンと、前記放熱器側第2熱媒通流路で前記放熱器を通流した後の前記第2熱媒とを熱交換する第1熱交換器を備える請求項1又は2に記載のメタン回収装置。
The second heat medium passage is configured as a second heat medium circulation passage that circulates a second heat medium between at least one of the cooler and the radiator and the methane hydrate layer.
The second heat medium circulation passage cools the second heat medium after flowing through the underground second heat medium passage that guides the second heat medium to the methane hydrate layer to the cooler. A device-side second heat medium passage, and a radiator-side second heat medium passage that guides the second heat medium to the radiator after passing through the underground second heat medium passage In parallel,
A compressor for compressing the methane before flowing through the heat absorber in the methane passage,
The methane flowing between the heat absorber and the compressor in the methane passage, and the second heat medium after passing through the radiator in the radiator-side second heat medium passage The methane recovery device according to claim 1 or 2, further comprising a first heat exchanger for exchanging heat with and.
前記第2熱媒通流路は、前記冷却器及び前記放熱器の少なくとも一方と前記メタンハイドレート層との間で第2熱媒を循環させる第2熱媒循環路として構成され、且つ少なくとも前記冷却器と前記メタンハイドレート層との間で前記第2熱媒を循環するものであり、
前記第1熱媒通流路で前記加熱器を通流した後の前記第1熱媒と、前記第2熱媒循環路において前記冷却器を通流した後で前記メタンハイドレート層へ導かれる前の前記第2熱媒とを熱交換する第2熱交換器を備える請求項1〜3の何れか一項に記載のメタン回収装置。
The second heat medium passage is configured as a second heat medium circulation passage for circulating the second heat medium between at least one of the cooler and the radiator and the methane hydrate layer, and at least the above. Circulating the second heat medium between a cooler and the methane hydrate layer,
The first heat medium after passing through the heater in the first heat medium passage and the first heat medium after passing through the cooler in the second heat medium circulation passage are guided to the methane hydrate layer. The methane recovery device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a second heat exchanger that exchanges heat with the previous second heat medium.
前記温熱源が、前記メタンを燃焼して燃焼排ガスを排出する燃焼装置であり、
前記第1熱媒通流路は、前記燃焼排ガスを前記第1熱媒として前記加熱器に通流自在に構成されている請求項1〜4の何れか一項に記載のメタン回収装置。
The heat source is a combustion device that burns the methane to discharge combustion exhaust gas,
The methane recovery device according to any one of claims 1 to 4, wherein the first heat medium flow passage is configured so that the combustion exhaust gas can flow through the heater as the first heat medium.
前記温熱源が、前記メタンを燃料として熱と電力を発生する熱電併給装置であり、
前記第1熱媒通流路は、前記熱電併給装置が発生する熱を保有する前記第1熱媒を前記放熱器に通流自在に構成されている請求項1〜4の何れか一項に記載のメタン回収装置。
The warm heat source is a combined heat and power device that generates heat and electric power using the methane as a fuel,
The said 1st heat medium flow path is comprised so that the said 1st heat medium which hold | maintains the heat | fever which the said heat and power supply device generate | occur | produces can flow freely to the said radiator. Methane recovery device described.
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