JP7026490B2 - Ｂｏｇ再凝縮装置およびそれを備えるｌｎｇ貯蔵システム。 - Google Patents

Ｂｏｇ再凝縮装置およびそれを備えるｌｎｇ貯蔵システム。 Download PDF

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Description

本発明は、ＬＮＧのＢＯＧを再凝縮するためのＢＯＧ再凝縮装置およびそれを備えるＬＮＧ貯蔵システムに関する。
液化天然ガス（ＬＮＧ）や液化石油ガス（ＬＰＧ）のような低温液体を貯蔵する場合に、外部からの自然入熱などにより気化したボイルオフガス（ＢＯＧ）を再び液化・凝縮する、再凝縮装置（リコンデンサーともいう）が用いられることが一般的である。
ＬＮＧを貯蔵する貯槽から発生したＢＯＧを圧縮器により圧縮し、ＬＮＧの貯槽から供給されるサブクール状態のＬＮＧと熱交換させることにより、ＢＯＧを再凝縮する方法が知られている（例えば特許文献１）。該方法によれば、再凝縮したＬＮＧは、ＬＮＧの貯槽へ返送される。
ＬＮＧの貯蔵に際して用いられる再凝縮装置内の熱交換器の冷媒としては、ＬＮＧではなく液体窒素を使用する方法も考案されている（例えば特許文献２）。
ところで、貯槽に貯蔵されるＬＮＧには、窒素が含まれることが一般に知られている。ＬＮＧ中の窒素は、ガス田から発生する天然ガス中に含まれるほか、天然ガス貯蔵設備におけるパージ用窒素や、計装用窒素が混入することがあるためである。ＬＮＧ中に窒素が混入するとＬＮＧの液密度が低下する。すると液密度の異なるＬＮＧが同一のＬＮＧ貯槽に存在することになり、ＬＮＧ貯槽内で液体密度の異なる複数の液体層が形成され、ＬＮＧ貯槽内でいわゆるロールオーバーと呼ばれるＬＮＧの急激なガス化が起きる要因となる。ガス化により貯槽内の圧力が急激に上昇すれば、貯槽にダメージを与える危険がある。このため、ＬＮＧ中の窒素を除去する技術の開発が進められている（例えば特許文献３）。
実開平５－６２９９ 特開２００２―２９５７９９号公報 国際公開第２０１１／０６４６０５号
圧縮器を使用する再凝縮装置（例えば特許文献１）は、圧縮器が高価であり、回転部分を含む複雑な構成であることからメンテナンスも煩雑であるという問題がある。
圧縮後のＢＯＧを、ＬＮＧの貯槽から供給されるサブクール状態のＬＮＧと熱交換させることにより再凝縮させるシステムは、ＬＮＧの継続的な消費を前提に設計されている（例えば特許文献１）。しかしながらＬＮＧの継続的消費がない場合や、ＬＮＧの消費量の変動が大きい場合には、熱交換の変動も大きくなることからＢＯＧを再凝縮するには適していない。
一方、液体窒素をＢＯＧの再凝縮装置の冷媒として用いる場合には、液体窒素の潜熱を利用することが一般的である（例えば特許文献２）。しかしながら、潜熱のみを利用する場合には、液体窒素とＢＯＧとの温度差が大きく、熱効率が悪い。さらに、ＢＯＧとの熱交換によって気化した低温の窒素ガスの顕熱は利用されないため、この点においても熱効率が悪い。従って、熱交換に用いる液体窒素の消費量が増加するという問題がある。
また、単一の熱交換器において液体窒素の潜熱と、気化後の窒素ガスの顕熱の両方を利用することは、異なる状態の冷媒を扱うことを意味し、ＢＯＧ再凝縮のような負荷変動が大きい系に適用した場合に、冷媒の温度制御が困難になり得、結果的にＢＯＧ側の急激な圧力上昇または圧力低下を招き得る。このような圧力上昇または圧力低下に対応させることは、ＬＮＧバッファおよび熱交換器の設計に影響を与えうるが、部材の選定、構造の複雑さの点からその設計は容易ではない。
さらに、ＢＯＧの全量を再凝縮するこれらの方法では、ＢＯＧ中に含まれる窒素も再凝縮されることから、貯槽内のＬＮＧ中には窒素が継続して存在することとなる。したがって、ＬＮＧ貯槽内でいわゆるロールオーバーと呼ばれるＬＮＧの急激なガス化が起きるおそれがある。
特許文献３には、ＬＮＧ中の窒素を精留等により除去する方法が提案されているが、大規模設備である精留設備を設置し、多くの電力を消費しながら精留設備を運転しなければならないという問題がある。具体的には、原料ＬＮＧを一度膨張タービンで減圧した後に精留するため、塔底部から回収されるガスまたは液は再度昇圧される必要があり、このプロセスに電力が必要となる。また、窒素を塔頂部で濃縮して除去する場合には、塔頂部のガスを圧縮し、再凝縮して還留液として精留塔に返送するため、さらに電力が必要となる。
上記実情に鑑みて、本発明では、ＬＮＧのＢＯＧ中の窒素を除去しながら、圧縮器を用いずに、ＬＮＧのＢＯＧを高い熱交換効率で再凝縮するＢＯＧ再凝縮装置およびそれを備えるＬＮＧ貯蔵システムを提供することを目的とする。
（発明１）
本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置は、
ＬＮＧバッファ内のＬＮＧから気化したボイルオフガス（ＢＯＧ）を再凝縮するＢＯＧ再凝縮装置であって、
ＬＮＧバッファからＢＯＧを導出するＢＯＧ導出配管と、
前記ＢＯＧ導出配管から送られるＢＯＧの少なくとも一部を凝縮させる、第一の凝縮器と、
前記第一の凝縮器から、前記第一の凝縮器内のガスの少なくとも一部を第二の凝縮器へ供給するする第一のガス供給部と、
前記第一の凝縮器から、前記第一の凝縮器内の再凝縮ＢＯＧの少なくとも一部を前記ＬＮＧバッファに返送する第一の返送配管と、
前記第二の凝縮器から、前記第二の凝縮器内の再凝縮ＢＯＧを前記ＬＮＧバッファに返送する第二の返送配管 と、
前記第二の凝縮器から、前記第二の凝縮器内のガスの少なくとも一部を排出する第二の排気配管と、を備え、
前記第一の凝縮器は、第一の熱交換部を備え、
前記第二の凝縮器は、第二の熱交換部を備え、
前記第二の熱交換部において前記第二の凝縮器内のＢＯＧと熱交換させた冷媒の少なくとも一部を、前記第一の熱交換部において前記第一の凝縮器内のＢＯＧとさらに熱交換させることを特徴とする。
本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置では、高価な回転機器である圧縮器を使用する必要がなく、圧縮器のメンテナンスの煩雑さがない。本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置ではまた、第二の熱交換部で使用した冷熱を、さらに第一の熱交換部で使用するため、冷媒の冷熱を効率的に利用することができ、高い熱交換効率を得ることができる。
さらに本発明によれば、第一の熱交換部において、ＬＮＧバッファから発生した比較的温度が高いＢＯＧは、第二の熱交換部において熱交換を行って冷媒自身の温度が上昇した状態の冷媒と、熱交換を行うことにより冷却される。第二の熱交換部においては、第一の熱交換部において冷却されたＢＯＧは、第一の熱交換部内の冷媒よりも温度が低い状態の冷媒によってさらに冷却される。従って、第一の熱交換部および第二の熱交換部のいずれにおいても、熱交換がされる流体間の温度差は、ＬＮＧバッファから発生したＢＯＧを単一の熱交換器内において液体状態の冷媒と熱交換させる場合と比較して小さい。
さらに、本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置では、第二の凝縮器内の窒素リッチなガスの少なくとも一部を第二の排気配管から排出することができるため、ＢＯＧ中から窒素を除去することができる。
本発明においては、第一の凝縮器と、第二の凝縮器とが、ＬＮＧバッファの上部に並列して設置されてもよい。この場合、第一のガス供給部は、例えば第一の凝縮器から導出されるガスを第二の凝縮器へと導入するガス供給配管であってもよい。
本発明においてはまた、第一の凝縮器、第二の凝縮器とが、ＬＮＧバッファの上部に直列に配置されてもよい。この場合、第一のガス供給部は、第一の凝縮器と第二の凝縮器の中間部に位置する。
本発明において、ＬＮＧバッファはＬＮＧを供給、貯蔵する貯槽であれば特に限定されず、ＬＮＧの一次貯蔵をする貯槽であってもよく、ＬＮＧの一次貯蔵をする貯槽に、第一の凝縮器および／または第二の凝縮器において凝縮されたＢＯＧを返送するために一時的に貯蔵するバッファであってもよい。
本発明において用いられる冷媒は、ＢＯＧの凝縮点以下の温度となる冷媒であれば特に限定されず、例えば液体窒素、液体空気等を用いることができる。
（発明２）
本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置において、前記第二の熱交換部は、前記第二の凝縮器内のＢＯＧの熱量と前記冷媒の潜熱との熱交換を行う潜熱交換部であり、前記第一の熱交換部は、前記第一の凝縮器内のＢＯＧの熱量と前記冷媒の顕熱との熱交換を行う顕熱交換部である。
本発明によれば、液体状態の冷媒はまず、第二の熱交換部に導入され、熱交換がされる。熱交換により温度が上昇し、液体状態の冷媒は気化して気体状態となる。気体状態の冷媒はさらに第一の熱交換部に導入され、熱交換を行う。第二の熱交換部では冷媒の潜熱部の冷熱を利用して熱交換を行い、さらに第一の熱交換部では冷媒の顕熱を利用して熱交換を行うため、冷媒の有する熱量を有効に利用し、効果的に熱交換できる。このため、ＢＯＧの冷却のために使用する冷媒の消費量を低減させることが可能となる。
本発明によれば、第一の熱交換部において、ＬＮＧバッファから発生した比較的温度が高いＢＯＧは、液体状態の冷媒よりも温度が高い、気体状態の冷媒との熱交換により冷却される。第二の熱交換部において、気体状態の冷媒との熱交換により冷却された該ＢＯＧは、気体状態の冷媒よりも温度が低い液体状態の冷媒によってさらに冷却される。従って、第一の熱交換部および第二の熱交換部では、いずれも単一相の冷媒が使用されることとなる。このため熱交換器の構造設計が容易になる。
潜熱と顕熱をそれぞれ分離して利用する本発明は、ＢＯＧの温度変動が大きい場合に特に好適である。
ＬＮＧ採掘時の混入や、ＬＮＧ設備のパージに窒素ガスが用いられることから、ＢＯＧ中には窒素が含まれることが知られている。ＢＯＧ中の窒素含有量は、パージを行う設備の構成や、設備内におけるＬＮＧ貯蔵期間などにより大きく変動する。ＢＯＧ中の窒素含有量の変動に伴い、ＢＯＧの凝縮点も変動する。
また、ＬＮＧ設備の特性や、ＬＮＧバッファへＬＮＧを移送するための移送ラインの温度によりＢＯＧの温度が変化する。ＬＮＧ船等からＬＮＧバッファへの移送（ＬＮＧ船からのＬＮＧバッファへの受け入れ、バンカリング、ＬＮＧ船へのＬＮＧ出荷等）がある場合には、ＢＯＧ温度は高温側に変化する傾向にある。
このような場合に、第一の熱交換部において予冷したＢＯＧを、さらに第二の熱交換器において冷却して凝縮する本発明は特に好適である。ＢＯＧの凝縮点が高温側に変動した場合や、ＢＯＧの温度が高温となった場合に、第一の熱交換部において気体状態の冷媒により予冷されれば、第二の熱交換部における熱負荷が緩和され、液体冷媒の消費量が抑制される。これにより、第一の熱交換部および第二の熱交換部を含む熱交換部全体の熱効率が向上するためである。
単一の熱交換器を用いる従来法によれば、例えば、－１７０℃の液体窒素により熱交換される場合において、熱交換器に導入されるＢＯＧ温度が－１５０℃であるときは、ＢＯＧ温度が－１６２℃であるときと比較して、必要な液体窒素量は約５％増加する。なお、この場合、熱交換器では－１７０℃のガス窒素が発生する。
一方、第一の熱交換部でガス窒素を用いて予冷する本発明によれば、第一の熱交換部において、ガス窒素により－１５０℃のＢＯＧを－１６２℃程度に冷却することが可能となり、第二熱交換部に導入されるＢＯＧ温度を低下させることができるため、第二熱交換部においてＢＯＧ再凝縮に必要な熱量が減少する。結果として消費する液体窒素の消費量を抑制することができるのである。
（発明３）
本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置は、前記BOG導出配管の、前記第一の凝縮器の側端部は、前記第一の熱交換部よりも下方に設けられ、
前記第一の返送配管の、前記第一の凝縮器の側端部は、前記BOG導出配管の前記第一の凝縮器の側端部よりも下方に設けられ、
前記第一のガス供給部の前記第一の凝縮器の側端部は、前記第一の熱交換部よりも上方に設けられ、
前記第一のガス供給部の、前記第二の凝縮器の側端部は、前記第二の熱交換部よりも下方に設けられ、
前記第二の返送配管の、前記第二の凝縮器の側端部は、前記第一のガス供給部の前記第二の凝縮器の側端部よりも下方に設けられていることができる。
本発明によれば、ＢＯＧは第一の凝縮器および第二の凝縮器の下方から供給され、再凝縮されたＢＯＧは底部から凝縮器外へ排出される。一方で凝縮されなかった成分は凝縮器の上部から凝縮器外へと排出される。このため、第一の凝縮器および第二の凝縮器の内部においては、ＢＯＧと再凝縮されたＢＯＧが接触することにより精留効果が発生する。この精留効果により、凝縮器上部には窒素等のＢＯＧよりも凝縮点の低い成分を濃縮させ、再凝縮ＢＯＧ中の低凝縮点成分（例えば窒素）を低減させることができる。
（発明４）
本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置において、前記第二の凝縮器は、前記第二の凝縮器内のガスを導出する第二の排気配管と、前記第二の排気配管内の圧力が所定値以下となるように制御する排気圧力調整弁と、をさらに備え、
前記第二の排気配管が、第二の熱交換部よりも上方に設けられることができる。
第二の排気配管は、第二の凝縮器の気相部から廃棄窒素ガスを除去する配管である。
第二の凝縮器内の気相部は、窒素ガスを多く含有するＢＯＧで構成される。該窒素ガスの濃度は、第二の凝縮器内の温度と圧力により定まる。従って、排気圧力調整弁により第二の凝縮器内の圧力を所定の値以下（例えば、１．０１３ｂａｒから１．５ｂａｒの範囲よりも低い値）に維持することにより、所定の濃度の窒素ガスを第二の排気配管から排出させることができる。これによりＢＯＧに含有される窒素を除去することが可能となり、窒素が除去された再凝縮ＢＯＧをＬＮＧバッファに返送し、その結果ＬＮＧバッファ内のＬＮＧの熱量品質を向上させることが可能となる。
（発明５）
本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置において、前記第二の熱交換部は、前記冷媒を、前記第二の熱交換部から導出する第二の冷媒送出流路と、前記第二の冷媒送出路を経由した冷媒を貯留する冷媒バッファと、前記冷媒バッファ内の前記冷媒の液相部の少なくとも一部を、前記第二の熱交換部へ返送する、第二の冷媒返送流路と、前記冷媒の循環量を制御する第二の冷媒流量調整弁と、を備えることができる。
（発明６）
本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置において、前記冷媒バッファは、前記冷媒バッファ内の前記冷媒の気相部の少なくとも一部を、前記第一の熱交換部に導出させる第一の冷媒返送流路をさらに備えることができる。
（発明７）
本発明に係るＢＯＧ再凝縮装置において、前記冷媒は、液体窒素および／または液体空気であることができる。
第二の熱交換部内の冷媒は、第二の冷媒送出流路と、冷媒バッファと、第二の冷媒返送流路とを経由して、再び第二の熱交換部内へ循環する。ＢＯＧと冷媒との熱交換が行われることにより生じる冷媒の温度差に起因する、冷媒の密度の変動（サーモサイフォン）を利用して冷媒を循環させることができるためである。 冷媒バッファでは、気相部の冷媒を第一の熱交換部へ、液相部の冷媒を第二の熱交換部へ送ることにより、潜熱を利用した熱交換機能と、顕熱を利用した熱交換機能を分離可能としている。
冷媒バッファにおいて、冷媒を気体と液体とに分離することから、熱交換器における冷媒は気液混合相ではなく、単一相となる（第一の熱交換部で使用される冷媒は気相のみ、第二の熱交換部で使用される冷媒は液相のみとなる）。このため、第一の熱交換部および第二の熱交換部における温度調整を容易にすることが可能となる。
すなわち、冷媒バッファから第一の熱交換部へ気相の冷媒を導入する第一の冷媒返送流路において、冷媒の流量を調製することにより、第一の熱交換部の温度を制御しうる。
第二の熱交換部の温度は、第二の熱交換部内の冷媒液面を制御することにより、冷媒とＢＯＧとの伝熱面積を制御することで実現される。第二の熱交換部内の温度が所望の温度よりも低くなった場合には、第二の冷媒流量調整弁を閉じるか、または開度を減少させて、該第二の冷媒流量調整弁前段に気相の冷媒を貯留する。これにより冷媒バッファから第二の冷媒返送流路を経由して第二の熱交換部へ流入する液相の冷媒量を減少させて、第二の熱交換部の温度を上昇させる。逆に、第二の熱交換部の温度を低下させる必要がある場合には、第二の冷媒流量調整弁を開けて、該第二の冷媒流量調整弁前段の気相の冷媒の圧力を低下させる。これにより、第二の冷媒返送流路から第二の熱交換部に流入する液相の冷媒の量が増加し、第二の熱交換部の温度は低下する。
いずれの熱交換部においても、気液混合相ではなく、単一相の冷媒を利用することが、温度調整を容易にしていると言える。
また、第二の熱交換部に供給される冷媒は、サブクール状態の液体窒素（例えば－196℃）のようにBOGの凝固点より低い温度で供給され得るが、冷媒バッファを設けることによる緩衝作用によって該熱交換部の運転温度がBOGの凝縮点に達することを防止することが可能となる。これは熱効率の観点では、より冷熱量が多い状態の冷媒の使用を可能にすることを意味し、BOGの凝縮を避けるように温度調整された冷媒を使用する場合に比べて、冷媒の消費量を低減することができる。
冷媒は、ＢＯＧをその凝縮点以下に冷却して凝縮させることができるものであればよく、例えば液体窒素や液体空気であればよい。液体窒素と液体空気の混合物であってもよい。冷媒は液体状態であってもよく、気体状態であってもよい。
液体窒素は不活性であり不燃性であるため、可燃性であるＬＮＧを扱う設備に使用する上では安全上特に好適である。液体窒素は、空気から窒素を分離する必要があるのに対し、液体空気は分離操作が不要であるためエネルギー的に有利である。このため、液体窒素ではなく液体空気をＢＯＧ再凝縮の冷媒として使用してもよく、窒素を中間媒体として液体空気と熱交換させ、液化された液体窒素をＢＯＧとを熱交換させてもよい。
（発明８）
本発明に係るＬＮＧ貯蔵システムは、発明１ないし発明７のいずれかに記載のＢＯＧ再凝縮装置と、ＬＮＧを貯蔵するＬＮＧタンクと、前記ＬＮＧタンク内のＢＯＧを前記ＬＮＧバッファに導入するＬＮＧタンクＢＯＧ排出配管と、前記ＬＮＧバッファ内のＬＮＧの液相の少なくとも一部を前記ＬＮＧタンク内に返送するＬＮＧバッファＬＮＧ排出配管と、を備える。
ＬＮＧ船等から、ＬＮＧを受け入れたＬＮＧタンクに直接ＬＮＧを再凝縮させるための凝縮器を取り付け、再凝縮ＢＯＧを直接ＬＮＧタンクに返送することも可能である。一方、再凝縮ＢＯＧを一度ＬＮＧバッファに受け入れ、その後にＬＮＧバッファからポンプ等を使用してＬＮＧタンクに返送することもできる。ＬＮＧバッファはポンプのＮＰＳＨ（Ｎｅｔ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｓｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｄ、正味吸込ヘッド）を確保する機能を有する。また、該ＬＮＧバッファから再凝縮ＢＯＧがＬＮＧタンクへ返送されるときに、ＬＮＧタンク内の気相部分をＬＮＧバッファに受け入れることにより、ＬＮＧタンクの圧力上昇を低減させる機能を有する。
実施形態１のＢＯＧ再凝縮装置の構成例を示す図である。 実施形態２のＬＮＧ貯蔵システムの構成例を示す図である。 実施形態１のＢＯＧ再凝縮装置の構成例を示す図である。
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお、以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
（実施形態１）
実施形態１のＢＯＧ再凝縮装置について、図１を参照し説明する。
ＢＯＧ再凝縮装置１は、ＬＮＧバッファ１２と、第一の凝縮器１１１と、第二の凝縮器２１１とを有する。第一の凝縮器１１１は、第一の熱交換部１１２を有する。第二の凝縮器２１１は、第二の熱交換部２１２を有する。
ＬＮＧバッファ１２は、ＬＮＧを貯蔵することができる構造を有するものであればよく、ＬＮＧ船等から直接ＬＮＧを受け入れてもよいが、ＬＮＧ船からＬＮＧを受け入れたＬＮＧタンク（図示せず）から発生したＢＯＧを再凝縮させた再凝縮ＢＯＧを一時的に保持するバッファであってもよい。
ＬＮＧバッファ１２内で発生したＢＯＧは、ＢＯＧ導出配管１１から第一の凝縮器１１１へ導入さる。第一の凝縮器１１１へ導入されたＢＯＧの少なくとも一部は第一の熱交換部１１２内で冷媒との熱交換により再凝縮する。再凝縮したＢＯＧは第一の返送配管１１３を経由してＬＮＧバッファ１２へと返送される。第一の凝縮器１１１に導入されたＢＯＧのうち、第一の凝縮器１１１内で凝縮されなかった部分は第一のガス供給部１１４から第二の凝縮器２１１へ導入される。第二の凝縮器２１１へ導入されたＢＯＧの少なくとも一部は第二の熱交換部２１２で冷媒と熱交換することにより、再凝縮する。再凝縮したＢＯＧは第二の返送配管２１３を経由してＬＮＧバッファ１２へと返送される。
第一のガス供給部１１４は、ＢＯＧを流通させる配管である。
ＬＮＧバッファ１２はＬＮＧを供給、貯蔵する貯槽であれば特に限定されず、ＬＮＧの一次貯蔵をする貯槽であってもよく、ＬＮＧの一次貯蔵をする貯槽に、第一の凝縮器１１１および第二の凝縮器２１１において凝縮されたＢＯＧを返送するために一時的に貯蔵するバッファであってもよい。
第二の熱交換部２１２において使用される冷媒は、該第二の熱交換部２１２に導入され、第二の凝縮器２１１内のＢＯＧと熱交換を行った後に第二の冷媒送出流路２１６を経由して第一の熱交換部１１２へ導入される。第一の熱交換部１１２へ導入された冷媒はさらに第一の凝縮器１１１内のＢＯＧと熱交換を行う。
本実施形態において冷媒は、ＢＯＧをその凝縮点以下に冷却して凝縮させることができるものであればよく、例えば液体窒素や液体空気であればよい。冷媒（例えば窒素）は液体状態で第二の熱交換部２１２へ導入される。この時の冷媒（液体窒素）の温度は、ＢＯＧの液化温度以下であればよく、例えば－１７０℃以下である。液体窒素は第二の熱交換部２１２においてＢＯＧと熱交換を行った後に第一の冷媒返送流路１１５から第一の熱交換部１１２へ導入される。冷媒は、液体状態で第一の熱交換部１１２へ導入されてもよいが、冷媒の一部または全部が気化した状態で第一の熱交換部１１２へ導入されてもよい。第一の熱交換部１１２では、第二の熱交換部２１２よりも高い温度（例えば－１６２℃）で熱交換が行われ、第一の凝縮器１１１内のＢＯＧの一部が凝縮される。第一の熱交換器１１１において熱交換した後は、冷媒の一部または全部が気化した状態となる。この冷媒は廃棄されてもよいが、再度冷却して液化し、再利用してもよい。
（凝縮器と配管との位置関係）
ＢＯＧ導出配管１１の、第一の凝縮器１１１側端部は、第一の熱交換部１１２の下端よりも下方に設けられる。第一の熱交換部１１２の下端から上方へとＢＯＧを流通させながら熱交換を行うことにより、下方から上方へ流通するＢＯＧと、上方から下方へ流通する再凝縮ＢＯＧが接触し精留効果が得られるためである。精留効果により、低沸点化合物(例えば窒素)を多く含むガスが、第一の凝縮器１１１の上方に貯留され、このガスは第一の凝縮器１１１の上方から第一のガス供給部１１４を経由して第二の凝縮器２１１へと送られる。
同様の理由により、第一のガス供給部１１４の第二の凝縮器２１１側端部は、第二の熱交換部２１２の下端よりも下方に設けられる。第二の凝縮器２１１内においても、ＢＯＧは第二の熱交換部２１２の下方から上方へ流通し、上方から下方へと流通する再凝縮ＢＯＧと接触する。精留効果により、第二の凝縮器２１１の上部には低沸点化合物(例えば窒素)をさらに多く含むガスが貯留され、廃棄窒素として第二の排気配管２１４から排出される。
第一の凝縮器１１１の下方にたまった再凝縮ＢＯＧは、第一の返送配管１１３からＬＮＧバッファ１２へ返送される。第二の凝縮器２１１の下方にたまった再凝縮ＢＯＧは、第二の返送配管２１３からＬＮＧバッファ１２へ返送される。第一の凝縮器１１１および第二の凝縮器２１１の底部には一定量の再凝縮ＢＯＧが貯留されるため、貯留した再凝縮ＢＯＧ液面よりも上方に、ＢＯＧ導出配管１１の第一の凝縮器１１１側端部が位置することが好ましい。
（冷媒バッファ）
第二の熱交換部２１２から第一の熱交換部１１２へ冷媒を直接導入してもよいが、冷媒バッファ１３を介して導入することもできる。第二の熱交換部２１２から導出された冷媒は、第二の冷媒送出流路２１６から冷媒バッファ１３に導入される。冷媒バッファ１３に導入された冷媒のうち、液相部分は冷媒バッファ１３の下方に貯留され、第二の冷媒返送流路２１５から再度第二の熱交換部２１２へ送られる。冷媒バッファ１３に導入された冷媒のうち、気相部分は冷媒バッファ１３の上方に貯留され、第一の冷媒返送流路１１５から第一の熱交換部１１２へ送られる。
冷媒は、冷媒バッファ１３内で冷却され、一部が液化されてもよい。冷媒の冷却には、例えば液体空気や液体窒素を使用してもよい。冷媒として液体窒素を使用し、液体窒素の冷却にも液体窒素を使用することもできるが、液体空気を使用してもよい。
冷媒は冷媒バッファ１３に一度導入され、循環する冷媒と混合されて第二の熱交換部２１２に供給される。系内の冷媒量はレベル指示計３０１によって指示され、冷媒量が減少すると第二の冷媒流調整弁２２を開いて冷媒を追加する。
熱交換部２１２内でＢＯＧと熱交換することにより、冷媒の一部が気化すると、冷媒の気相部分は第二の冷媒送出流路２１６から冷媒バッファ１３中の気相部の圧力が上昇し、冷媒バッファ１３の下方から冷媒の液相部分が押し出される。押し出された冷媒は第二の冷媒返送流路２１５から第二の熱交換部２１２へ導入される。よって、冷媒バッファ１３と第二の熱交換部２１２との間の冷媒の移動はポンプ等の動力を使用することなく実施することができる。
第二の冷媒送出流路２１６には第一の冷媒流量調整弁２１が配置されている。第一の冷媒流量調整弁２１は通常時は全開状態で運用される。
第二の熱交換部２１２でＢＯＧが凝縮され過ぎること等によって第二の熱交換部２１２内のＢＯＧ圧力が低下すると、第二の熱交換部２１２内の圧力が大気圧に対して負圧になる。これにより起こりうる第二の熱交換部２１２内のＢＯＧへの大気混入による汚染、または第二の熱交換部２１２の損壊が起こりうる。
この問題を解決するために、第一の圧力指示調整計３０４で第二の熱交換部２１２内のＢＯＧ圧力を検知し、演算部３０３で検知されたＢＯＧ側圧力が閾値を下回ったと判断される場合に第一の冷媒流量調整弁２１を閉じる制御を行う。
ここで、第一の圧力指示調整計３０４は第二の排気配管２１４上に配置されているが、第二の排気配管２１４の圧力は第二の熱交換部２１２内部の圧力と同等の圧力となっているため、第一の圧力指示調整計３０４により第二の熱交換部２１２内の圧力を検出することが可能となる。
第一の冷媒流量調整弁２１を閉じる制御により、第二の熱交換部２１２内では熱交換によって発生した蒸発ガスが第二の熱交換部２１２の上部に蓄積して、その圧力で液冷媒を冷媒バッファ１３に押し戻す。すると第二の熱交換部２１２における熱交換を停止することができ、結果的にＢＯＧの更なる凝縮を止めて第二の熱交換部２１２内のＢＯＧ圧力が負圧になることを防止できる。第二の熱交換部２１２内の冷媒の液相部分は、第二の冷媒返送流路から冷媒バッファ１３へ逆流すると、第二の熱交換部２１２内の冷媒の液面が低下する。その結果、第二の熱交換部２１２内におけるＢＯＧと液相の冷媒との伝熱面積が減少し、ＢＯＧが過度に冷却される現象を抑制することができるのである。第二の熱交換部２１２内の温度が上昇した場合に第一の冷媒流量調整弁２１の開度を上昇させて、第二の熱交換部２１２内の冷媒の液面を上昇させ、ＢＯＧ温度を低下させることができる。
第二の熱交換部２１２の温度は、第二の熱交換部２１２の壁面の温度や、内部の冷媒温度を検出することにより測定してもよく、第二の熱交換部２１２から排出される廃棄窒素ガスの温度を検出することにより取得してもよい。
冷媒は、第二の熱交換部２１２でＢＯＧが固化しないような温度で運用する必要があり、その温度制御には冷媒の気液平衡を考慮した圧力制御が好適である。そのために第二の熱交換部２１２の運転圧力を制御するように、第一の冷媒供給流路１１５の圧力を測定し調整する第一の圧力指示調整計３０２によって、冷媒圧力調整弁２５は開閉される。
第二の熱交換部２１２内のＢＯＧ圧力を制御するように、第三の圧力指示調整計３０５によって排気圧力調整弁２３は開閉される。
（別実施形態）
第一の凝縮器１１１と第二の凝縮器２１１は、図１に示すように並列で配置されてもよいが、別実施形態として第一の凝縮器１１１の下部に第二の凝縮器２１１が配置されてもよい。この場合には、第一のガス供給部１１４は第一の凝縮器１１１と第二の凝縮器２１１との間に位置するガス流通部である。
また、別実施形態として、第一の冷媒流量調整弁２１は、第二の冷媒返送流路２１５に配置されることもできる。この場合には、第二の熱交換部２１２内の温度が所望の温度よりも低くなったときに第二の冷媒流量調整弁２１を閉じ、高くなった時には開けるように制御する。 以上の通り、第一の冷媒流量調整弁２１を制御することにより、ＢＯＧの熱量変動が大きい場合においても迅速に温度調節を行い、効果的にＢＯＧを再凝縮させることができる。
（実施形態２）
実施形態２のＬＮＧ貯蔵システム２について、図２を参照し説明する。実施形態１のＢＯＧ再凝縮装置１と同じ符号の要素は同じ機能を有するので、その説明を省略する。
実施形態２のＬＮＧ貯蔵システム２は、移送されたＬＮＧを受け入れるＬＮＧタンク３３と、ＬＮＧタンク内のＢＯＧを受け入れるＬＮＧバッファ１２とを有する。ＬＮＧタンク３３内のＢＯＧは、一次的にＬＮＧバッファ１２に貯留され、その後実施形態１のＬＮＧ凝縮装置１により再凝縮される。再凝縮されてＬＮＧバッファ１２内の貯留した再凝縮ＢＯＧは、ポンプによりＬＮＧタンク３３へ返送される。ＬＮＧバッファ１２から再凝縮ＢＯＧを受け入れると、ＬＮＧタンク３３内の液相（ＬＮＧ）の容積が増加し、気相（ＢＯＧ）部分の圧力は上昇する。所定の閾値（例えば１．１ｂａｒ）よりもＬＮＧタンク３３内の圧力が高くなった場合には、ＬＮＧタンク３３内のＢＯＧをＬＮＧバッファ１２内に受け入れる制御としてもよい。
（実施例１）
実施形態１にかかるＬＮＧ貯蔵システムを用いて、原料としてメタン８０重量％と窒素２０重量％を含有するＬＮＧを貯蔵した場合の、各部における圧力（ｂａｒＡ）、温度（℃）、流量（ｋｇ／ｈ）、メタン濃度(重量％)および窒素濃度(重量％)をシミュレーションにより実証した。冷媒には液体窒素を使用した。
（結果）
ＬＮＧタンクからＬＮＧバッファ１２に、ＬＮＧのＢＯＧ（－１５０℃、１．２ｂａｒＡ）が１１，７４０ｋｇ／ｈの流量で供給されると、図３中の各部Ａ～Ｆ、ａ～ｅの圧力（ｂａｒＡ）、温度（℃）、流量（ｋｇ／ｈ）、メタン濃度(重量％)および窒素濃度(重量％)は表１に示される結果が得られた。
図３中の各部Ａ～ＦはＢＯＧの温度等を測定する箇所であり、図３中の各部ａ～ｅは冷媒である窒素の温度等を測定する箇所である。図３中の各部Ａ～Ｆ、ａ～ｅの位置は次のとおりである。
Ａの位置は、ＬＮＧタンク（不図示）からのＢＯＧがＬＮＧバッファ１２に導入される直前である。Ａの位置における測定結果は、ＢＯＧ導出配管１１における箇所（図３中の（Ａ）で示す）の測定結果と同等となる。
Ｂの位置は、第一のガス供給部１１４にあり、第一の凝縮器１１１と第二の凝縮器２１１との間である。
Ｃの位置は、第一の返送配管１１３にあり、第一の凝縮器１１１とＬＮＧバッファ１２の間である。
Ｄの位置は、第二の排気配管２１４にあり、第二の凝縮器２１１の上部出口部分である。
Ｅの位置は、第二の返送配管２１３にあり、第二の凝縮器２１１とＬＮＧバッファ１２の間である。
Ｆの位置は、ＬＮＧバッファ１２の底部出口部分であり、ＬＮＧバッファ１２とＬＮＧタンク（不図示）の間である。
ａの位置は、冷媒である液体窒素を冷媒バッファ１３に導入する直前であり、冷媒バッファ１３の前段に配置された圧力調整器２２と、冷媒バッファ１３の間である。
ｂの位置は、第二の冷媒返送流路２１５にあり、冷媒バッファ１３と第二の熱交換部２１２の間である。
ｃの位置は、第二の冷媒送出流路２１６にあり、第二の熱交換部２１２と第一の冷媒流量調整弁２１の間である。
ｄの位置は、第一の冷媒返送流路１１５にあり、冷媒バッファ１３と第一の熱交換部１１２の間である。
ｅの位置は、第一の熱交換部１１２の出口部分である。
Figure 0007026490000001
実施例１の結果により、圧縮器を用いずに、冷媒である液体窒素の潜熱および顕熱の両方を利用することにより高い熱交換効率でＬＮＧのＢＯＧを再凝縮することができた。ＬＮＧ中の窒素濃度は、ＬＮＧタンクからＬＮＧバッファ１２に導入されたときに２０．０重量％であったのに対し、第一の凝縮器１１１からＬＮＧバッファ１２に返送されたときには１．１重量％にまで低下していた(図３中のＣ)。第二の凝縮器２１１からＬＮＧバッファ１２に返送されたときには、窒素濃度が２０．６重量％とわずかに上昇するものの（図３中のＥ）、結果的にＬＮＧバッファ１２からＬＮＧタンクへ返送されるときには１８．６重量％にまで低下していた（図３中のＦ）。したがって、本実施例においてＬＮＧのＢＯＧ中の窒素を低減することができた。
１ ＢＯＧ再凝縮装置
１１ ＢＯＧ導出配管
１２ ＬＮＧバッファ
１３ 冷媒バッファ
２１ 第一の冷媒流量調整弁
２２ 第二の冷媒流量調整弁
２３ 排気圧力調整弁
２５ 冷媒圧力調整弁
３３ ＬＮＧタンク
１１１ 第一の凝縮器
１１２ 第一の熱交換部
１１３ 第一の返送配管
１１４ 第一のガス供給部
１１５ 第一の冷媒返送流路
１１６ 第一の冷媒送出流路
２１１ 第二の凝縮器
２１２ 第二の熱交換部
２１３ 第二の返送配管
２１４ 第二の排気配管
２１５ 第二の冷媒返送流路
２１６ 第二の冷媒送出流路
３０１ レベル指示調整計
３０２ 第一の圧力指示調整計
３０３ 演算部
３０４ 第二の圧力指示調整計
３０５ 第三の圧力指示調整計

Claims (7)

  1. ＬＮＧバッファ内のＬＮＧから気化したボイルオフガス（ＢＯＧ）を圧縮器を介さずに再凝縮するＢＯＧ再凝縮装置であって、
    ＬＮＧバッファからＢＯＧを導出するＢＯＧ導出配管と、
    前記ＢＯＧ導出配管から送られるＢＯＧの少なくとも一部を凝縮させる、第一の凝縮器と、
    前記第一の凝縮器から、前記第一の凝縮器内のガスの少なくとも一部を第二の凝縮器へ供給する第一のガス供給部と、
    前記第一の凝縮器から、前記第一の凝縮器内の再凝縮ＢＯＧの少なくとも一部を前記ＬＮＧバッファに返送する第一の返送配管と、
    前記第二の凝縮器から、前記第二の凝縮器内の再凝縮ＢＯＧを前記ＬＮＧバッファに返送する第二の返送配管と、
    前記第二の凝縮器から、前記第二の凝縮器内のガスの少なくとも一部を排出する第二の排気配管と、
    を備え、
    前記第一の凝縮器は、第一の熱交換部を備え、
    前記第二の凝縮器は、第二の熱交換部を備え、
    前記第二の熱交換部において前記第二の凝縮器内のＢＯＧと熱交換させた冷媒の少なくとも一部を、前記第一の熱交換部において前記第一の凝縮器内のＢＯＧとさらに熱交換させ、
    前記第二の熱交換部は、前記第二の凝縮器内のＢＯＧの熱量と前記冷媒の潜熱との熱交換を行う潜熱交換部であり、
    前記第一の熱交換部は、前記第一の凝縮器内のＢＯＧの熱量と前記冷媒の顕熱との熱交換を行う顕熱交換部である、
    ＢＯＧ再凝縮装置。
  2. 前記ＢＯＧ導出配管の、前記第一の凝縮器側端部は、前記第一の熱交換部よりも下方に設けられ、
    前記第一の返送配管の、前記第一の凝縮器側端部は、前記ＢＯＧ導出配管の前記第一の凝縮器側端部よりも下方に設けられ、
    前記第一のガス供給部の前記第一の凝縮器側端部は、前記第一の熱交換部よりも上方に設けられ、
    前記第一のガス供給部の、前記第二の凝縮器側端部は、前記第二の熱交換部よりも下方に設けられ、
    前記第二の返送配管の、前記第二の凝縮器側端部は、前記第一のガス供給部の前記第二の凝縮器側端部よりも下方に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のＢＯＧ再凝縮装置。
  3. 前記第二の凝縮器は、前記第二の凝縮器内のガスを導出する第二の排気配管と、前記第二の排気配管内の圧力が所定値以下となるように制御する排気圧力調整弁と、をさらに備え、
    前記第二の排気配管が、第二の熱交換部よりも上方に設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載のＢＯＧ再凝縮装置。
  4. 前記第二の熱交換部は、
    前記冷媒を、前記第二の熱交換部から導出する第二の冷媒送出流路と、
    前記第二の冷媒送出路を経由した冷媒を貯留する冷媒バッファと、
    前記冷媒バッファ内の前記冷媒の液相部の少なくとも一部を、前記第二の熱交換部へ返送する、第二の冷媒返送流路と、
    前記冷媒の循環量を制御する第二の冷媒流量調整弁と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載のＢＯＧ再凝縮装置。
  5. 前記冷媒バッファは、前記冷媒バッファ内の前記冷媒の気相部の少なくとも一部を、前記第一の熱交換部に導出させる第一の冷媒返送流路をさらに備えることを特徴とする、請求項４に記載のＢＯＧ再凝縮装置
  6. 前記冷媒は、液体窒素および／または液体空気であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のＢＯＧ再凝縮装置。
  7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＢＯＧ再凝縮装置と、
    ＬＮＧを貯蔵するＬＮＧタンクと、
    前記ＬＮＧタンク内のＢＯＧを前記ＬＮＧバッファに導入するＬＮＧタンクＢＯＧ排出配管と、
    前記ＬＮＧバッファ内のＬＮＧの液相の少なくとも一部を前記ＬＮＧタンク内に返送するＬＮＧバッファＬＮＧ排出配管と、を備えるＬＮＧ貯蔵システム。
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