JPH10196895A - 天然ガスのハイドレートによるガス貯蔵設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 設置面積が少なく、しかも天然ガスを安全に
貯蔵できる天然ガスのハイドレートによるガス貯蔵設備
を提供する。 【解決手段】 冷水を貯留した容器３１内の冷水を抜き
取ると共にこれを冷却して容器３１内の水面上に氷粒と
して循環し、氷粒が供給された冷水の水面下に天然ガス
を供給してハイドレートｈを生成すると共に生成したハ
イドレートｈを容器３１の底部に貯留するハイドレート
タンク３０と、貯留したハイドレートｈを導入して天然
ガスと水に分離する分離器６１とからなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガスをハイド
レートとして貯蔵する天然ガスのハイドレートによるガ
ス貯蔵設備に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】遠距離輸送用都市ガス導管、或いは、地
域の消費者に都市ガスを供給する主配管に沿って、都市
ガスを安価に安定して供給するために、天然ガスの貯蔵
基地を設置するのが一般的である。

【０００３】この例として、前者では米国に多く建設さ
れているピークシェービング用ＬＮＧ基地がその代表例
である。これは季節の差でガス需要が非常に異なり、需
要の多い季節（冬期）には導管で多量に需要地迄送らな
ければならなく、一方需要の少ない季節（夏期）には導
管は低負荷で使用されることになる。

【０００４】このように、変動するガス需要の最高に合
致した長距離配管を設置することは、非常にコスト高の
原因になる。

【０００５】このため、図３に示すように、需要の少な
い季節に遊びの多い高圧都市ガス導管（幹線）１０を利
用して、需要地域に近い場所に一時体積の小さいＬＮＧ
タンク１１を設置し、需要の少ない季節に液化装置１２
で導管１０からの天然ガスを液化してＬＮＧとしてＬＮ
Ｇタンク１１に貯蔵し、需要が多くなる季節にＬＮＧタ
ンク１１内のＬＮＧをポンプ１３にて気化器１４を通し
てガス化して、これを都市ガス分配配管網１５に供給し
て、需要のピークに対処している。このように、長距離
配管の有効利用を図ることにより、配管の建設投資を節
約して、ガスコストの低減を行っている。

【０００６】一方、地域に都市ガスを安定供給を図ると
共に、ピークシェービング用基地と同じように、ガス需
要の少ない夜間に供給幹線を有効に利用するために、需
要地域の近傍に図２に示すようにガスホルダー１６を設
置しているのが一般的である。

【０００７】図２において、１６は、需要地に設置され
た球形，円筒形に形成されたガスホルダで、高圧都市ガ
ス導管１０に開閉バルブ１７と圧力制御弁１８を介して
接続され、そのガスホルダー１６にバルブ１９を介して
都市ガス供給管２０が接続され、その供給管２０からの
都市ガスを圧力制御弁２１，２１を介して１〜２ＫＧの
中間圧力ガス供給管２２に供給したり、その中間ガス供
給管２２より減圧弁２３を介して一般家庭用等の低圧ガ
ス供給管２４に供給したりしている。またこの中間ガス
供給管２４にバルブ２５を介して有水槽ガスホルダー２
６が接続され、そのガスホルダー２６に貯蔵された都市
ガスが減圧弁２３を介して低圧ガス供給管２４に供給す
るようにされる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示したＬＮＧのピークシェービング基地では、天然ガス
の液化のために単位重量当り消費されるエネルギー（電
気、ｅｔｃ）が非常に大きくなる。（液化装置：大型＝
約４００Ｗ／ｋｇ，小型＝９０ＯＷ／ｋｇ）又、貯蔵液
体が非常に低温（約−１６０℃）のため、貯蔵容器に使
用する金属材料もステンレスｏｒＡｌｏｒ９％Ｎｉ鋼等
と高価なものとなる。容器も高い断熱性能を有する構造
となり、コストアップの原因となっている。貯蔵容器は
漏れた場合に液の拡散を防止し、気化ガスの量を抑制し
て、危険範囲を狭くするために、法規で容器を防液提で
囲むことが義務づけられている。このため、設備の建設
敷地も比較的広く必要とする。

【０００９】図２に示した消費地近傍に設置されるガス
ホルダー１６は、通常約１０ｋｇ／ｃｍ² Ｇでガス状で
の貯蔵のため、単位容積当りの貯蔵密度が低いので、単
位エネルギー当りの容積が大きくなり、比較的広い建設
敷地を必要とする。又、期待される機能の点からガスホ
ルダーは市街地或は近傍に設置されるため、危険性から
設置場所の選定が非常に難しい状況にある。

【００１０】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、これらピークシェービング用ＬＮＧ貯蔵設備或いは
消費地域近傍に設置されるガスホルダー等の問題点につ
いて、解決するもので、設置面積が少なく、しかも天然
ガスを安全に貯蔵できる天然ガスのハイドレートによる
ガス貯蔵設備を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、冷水を貯留した容器内の冷水を
抜き取ると共にこれを冷却して容器内の水面上に氷粒と
して循環し、氷粒が供給された冷水の水面下に天然ガス
を供給し、水と結合させてハイドレートを生成すると共
に生成したハイドレートを容器の底部に貯留するハイド
レートタンクと、貯留したハイドレートを導入して天然
ガスと水に分離する分離器とを備えた天然ガスのハイド
レートによるガス貯蔵設備である。

【００１２】請求項２の発明は、ハイドレートタンク
は、冷水を貯留した容器内の水面上に冷凍機に組み込ま
れた熱交換器が設けられ、その熱交換器の上部に冷水の
噴射管が設けられ、冷水の水面下に天然ガスのガス導管
と接続されたガス分散管が設けられて構成され、そのハ
イドレートタンクに、容器内の冷水を抜き取ると共に噴
射管から噴射する冷水循環ラインが接続された請求項１
記載の天然ガスのハイドレートによるガス貯蔵設備であ
る。

【００１３】請求項３の発明は、ハイドレートタンクと
分離器間に抜き取られたハイドレートを加熱分解する加
熱手段が接続された請求項１又は２記載の天然ガスのハ
イドレートによるガス貯蔵設備である。

【００１４】以上において、メタンを主成分とし、エタ
ン、プロパン成分が混合している天然ガスが、圧力と温
度条件が整えば水と結合してハイドレート（水和物）を
作ることが知られている。その時のハイドレート中の炭
化水素分子と水の結合割合はモル数及び重量比で次の通
りである。

【００１５】 モル比 重量比 メタン ＣＨ₄ ・５３／４Ｈ₂ Ｏ ＣＨ₄ ：Ｈ₂ Ｏ＝１：６．４５ エタン Ｃ₂ Ｈ₆ ・７２／３Ｈ₂ Ｏ Ｃ₂ Ｈ₆ ：Ｈ₂ Ｏ＝１：４．６ プロパン Ｃ₃ Ｈ₈ ・１７Ｈ₂ Ｏ Ｃ₃ Ｈ₈ ：Ｈ₂ Ｏ＝１：６．９５ これらの成分から構成されるハイドレートは、温度が低
ければ低いほどその平衡圧力は低くなる。例えば、メタ
ン成分が９０モル％の場合、２７３Ｋでの平衡圧力は約
１ＭＰａ以下となり、その時ハイドレート中の天然ガス
含有量は約１３．６重量％である。この時のハイドレー
トの比重は１．０３〜１．０４である。従つて、単位体
積当りの天然ガス貯蔵量は１４０ｋｇ／ｍ³ となる。

【００１６】これらの特性をべースにＬＮＧ貯蔵量１０
００トン、液化量１００トン／Ｄの条件で各基地の特性
を概略比較すると次のようになる。

【００１７】ＬＮＧ液化貯蔵（ピークシェービング）基
地、蓄冷型ＬＮＧ液化貯蔵（ピークシェービング）基
地、ガスホルダー基地、ＬＮＧサテライト基地、ハイド
レート貯蔵基地について比較する。

【００１８】ＬＮＧ液化基地を１００として割合で示
す。

【００１９】 LNG 液化 蓄冷型LNG カ゛スホルタ゛ LNGサテライト ハイト゛レート 液化基地（高圧） 単位貯蔵容量 100 85 17 100 38 当りのエネルキ゛ 密度 製造電力 100 10 10 0 10 単位貯蔵容量 当たりの建設用地 100 100 1100 35 90 防液提 要 要 不要 要 （不要） 漏洩時ガス蒸発量 大 大 大 大 小 プール火災 大 大 なし 大 小 漏洩ガスの爆発 ＆燃焼 激 激 激 激 弱 設 備 費 100 30 90 13 15 ハイドレートは多量の水分を保持し、分解燃焼時には水
が遊離し、燃焼熱を水の蒸発熱で奪うためとハイドレー
トの分解熱も比較的高い（１８０Ｋｃａｌ／ｋｇＮＧ）
ことにより激しい燃焼にはならない。

【００２０】このように、天然ガスをハイドレートとし
て貯蔵することで、危険性が少なくしかも低コストな貯
蔵が行える。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適一実施の形態
を添付図面に基づいて詳述する。

【００２２】図１において、３０はハイドレートタンク
で、内部に冷水ｗが貯留された容器３１からなり、その
冷水ｗの水面上に冷凍機３２に組み込まれた熱交換器３
３が設けられ、その熱交換器３３の上部に冷水ｗの噴射
管３４が設けられ、冷水の水面下に天然ガスのガス導管
１０と接続されたガス分散管３５が設けられて構成され
る。

【００２３】ハイドレートタンク３０には、容器３１内
の冷水ｗを、ポンプ３９にて抜き取ると共に噴射管３４
から噴射する冷水循環ライン３６が接続される。この冷
水循環ライン３６は、容器３１の略中央と下部に接続さ
れた冷水抜き取りライン３７，３８と、そのライン３
７，３８に接続されたポンプ３９と、そのポンプ３９の
吐出側と噴射管３４を結ぶ戻しライン４０とからなる。

【００２４】ガス分散管３５は、ガス導管１０と導入ラ
イン４５を介して接続されその導入ライン４５に減圧弁
４６が接続される。またガス導管１０が低圧力の場合、
図示の点線で示すように昇圧用の圧縮機４７を介して導
入ライン４５に導入する。

【００２５】このガス分散管３５には、容器３１内の冷
水を抜き取ると共にガス分散管３５に導入される天然ガ
スとを混合して噴射する冷水噴射ライン８０が接続され
る。この冷水噴射ライン８０は、その冷水抜き取り側
が、容器３１内のガス分散管３５の上方の冷水ｗを抜き
取るべく容器３１に接続され、吐出側がガス分散管３５
に接続され、そのライン８１には、ポンプ８２が接続さ
れると共にそのポンプ８２の吸込側と吐出側にバルブ８
３，８４が接続される。

【００２６】冷凍機３２は、熱交換器３３から戻り側接
続配管４９を介して接続された圧縮機５０と、その圧縮
機５０の吐出側に接続された熱交換器（コンデンサ）５
１と、熱交換器５１からの凝縮液を貯留するリキッドタ
ンク５２と、そのリキッドタンク５２に接続された減圧
弁５３とからなり、その減圧弁５３が、バルブ５４，冷
媒送り側接続配管５５を介して熱交換器３３に接続され
る。この冷凍機の冷媒は、プロパン等が用いられ、圧縮
機５０で圧縮された高温高圧の冷媒が熱交換器５１に流
れ、熱交換器５１の冷却水管５６を流れる冷却水で冷却
されて凝縮（約３０℃）し、減圧弁５３で減圧されて、
熱交換器３３で０℃以下（−５〜−１０℃）で蒸発して
圧縮機５０に戻るようになっている。

【００２７】熱交換器３３の冷媒送り側接続配管５５よ
り分岐し、容器３１内の底部を冷却すると共に熱交換器
３３に戻す冷却ライン５８が接続される。

【００２８】ハイドレートタンク３０の容器３１の頂部
には、未反応の天然ガスを圧縮機５９で昇圧して導入ラ
イン４５に戻すオフガスライン５７が接続される。

【００２９】容器３１の底部には生成したハイドレート
ｈを抜き取る抜き取りライン６０が接続され、その抜き
取りライン６０に、バルブ６２，スラリーポンプ６３，
ハイドレートｈを加熱分解する第１熱交換器６４と第２
熱交換器６５からなる加熱手段４８が接続されると共に
分解したハイドレートを天然ガスと水に分離する分離器
６１が接続される。

【００３０】また、冷水噴射ライン８０と抜き取りライ
ン６０との吐出側はバルブ８６を介して接続される。

【００３１】分離器６１内で分離された天然ガスは、ガ
スライン７０より、消費系に供給され、水は、ライン７
１よりバルブ７２、第１熱交換器６４を通り、戻しライ
ン４０を通し、噴射管３４より容器３１に戻される。

【００３２】熱交換器３３の冷媒戻り側接続配管４９と
送り側接続配管５５には、ハイドレートの冷熱を回収す
るヒートポンプ７３が接続される。このヒートポンプ７
３は、圧縮機７４と、第２熱交換器６５と、リキッドタ
ンク７５と、減圧弁７６からなり、また圧縮機７４に
は、その吸込側と吐出側を結ぶバイパス弁７７が接続さ
れる。リキッドタンク７５には、冷凍機３２の減圧弁５
３からの冷媒を回収するライン７８が接続され、そのラ
イン７８に開閉弁７９が接続される。

【００３３】次に、天然ガスをハイドレートとして貯蔵
する操作を説明する。

【００３４】先ず、最初の起動は次のように行う。

【００３５】ハイドレートタンク３０の容器３１に水
を、容器３１内の熱交換器３３より低いレベル迄充填す
る。次に、ポンプ３９を起動し、冷水循環ライン３６に
て容器３１内の水を熱交換器３３の上部から散水する。
散水開始後、冷凍機３２の圧縮機５０を起動させ、冷媒
（例：プロパン）を接続配管５５を通じて熱交換器３３
に導入する。熱交換器３３はパネル状の熱交換器で、パ
ネル内に配列されているチューブ側に冷媒が入り、直立
しているパネル表面上を散水された水が流下する。チュ
ーブ内では０℃以下（−５〜−１０℃）の温度で冷媒が
蒸発し、パネル表面の水は冷媒の蒸発熱により冷却され
氷結する。

【００３６】熱交換器３３のパネル表面には、氷が付着
しないように氷の剥離剤がコーディング（或いは剥離性
のある材質を使用）してあるので、氷かパネル表面から
容器３１内の水面上に自重で落下し推積する（ハーベス
ト型製氷機）。但し、氷が容器３１の水面上に蓄積でき
る構造であれば、本構造の熱交換器３３でなくても良
い。又、ハイドレートタンク３０とは別個にして氷を容
器３１に呼び込んでも良い。

【００３７】或る程度、容器３１内の水面上に氷が推積
し、容器３１の下部の水温が約０℃になった時点で、高
圧都市ガス導管１０から都市ガスを導入ライン４５より
容器３１内のガス分散管３５を通して導入する。

【００３８】水中に分散されたガスは、約０℃に冷却さ
れた水と反応してハイドレートを作る。この反応は発熱
反応で、天然ガスの場合約１８０Ｋｃａｌ／ｋｇである
ため、水温を上昇させようとするが、水中に浮遊混在し
ている氷によって冷却（氷の融解熱：約８０Ｋｃａｌ／
ｋｇ）されるので、約０℃に平衡した圧力（０．９ＭＰ
ａ）でハイドレートが生成される。生成されたハイドレ
ートｈは前述したように、水よりも比重が重いため、水
中を沈下し容器３１の下部に推積する。

【００３９】従って、冷凍機３２で、前もって製造した
い量のハイドレートの生成熱に相当した熱量以上の氷を
容器３１内に製造しておけば、ハイドレート（圧力：
０．９ＭＰａ）を製造することができる。

【００４０】冷凍機３２での氷の製造は、電力料金の安
い夜間に行い蓄冷するのが経済的に有利である。

【００４１】このハイドレートの生成タンクの利点は次
の点にある。

【００４２】氷、水、ハイドレートの比重差を利用し
て、ハイドレートの生成熱（発熱反応）の冷却、及び生
成物の分離を有効に行うことを図っている。即ち、これ
ら三者の比重は、ハイドレート＞水＞氷の関係にあるの
で、三者が混在している場合には、氷が一番上層に浮
き、中間層に水が存在し、下層にハイドレートが沈下推
積する。

【００４３】従って、氷層の下面に天然ガスを送入する
と、ハイドレートが氷間で生成され、生成熱は混在して
いる氷の融解熱で冷却される。生成されたハイドレート
は自重で容器３１の下部に沈下し、水層から分離する。
このように、ハイドレートの生成と分離が円滑に行うこ
とを目的とした構造である。

【００４４】ハイドレートが生成されるに従い、蓄積さ
れていた氷は減少する。

【００４５】仮りに下部に入熱がある場合はハイドレー
トが分解し、温度上昇を防止する。分解したハイドレー
トは、平衡圧力が氷点温度以上の場合には、天然ガスと
水になる。ガスは中間層の水中を浮上し、上層の氷の層
に接触し、生成熱を氷に奪われて再びハイドレートにな
る。

【００４６】未反応の天然ガスは、容器３１頂部のオフ
ガスライン５７より圧縮機５９で昇圧されて導入ライン
４５に戻されて再度吹き込まれる。

【００４７】容器３１内のハイドレートｈの堆積に応じ
て、冷水抜き取りライン３７，３８を切り替える。

【００４８】またハイドレートの生成熱を効果的に除去
するために、冷水噴射ライン８０のポンプ８２で、氷の
混合した水を導入、天然ガス導入ライン４５よりガス分
散管３５に注入することにより達成される。

【００４９】このように、容器３１内に天然ガスと水と
からなるハイドレートｈを貯蔵することで、ＬＮＧとし
て貯蔵する貯蔵温度より十分高く保冷が容易であり、か
つ危険性が少なくしかも低コストな貯蔵が行える。

【００５０】次に、ハイドレートｈを分解して、都市ガ
スを得る場合には、スラリーポンプ６３により冷水噴射
ライン８０からバルブ８６を介して一部水を混合させな
がら容器３１から取り出し、都市ガス供給圧力以上に加
圧する。水を混合（２０％位）するのは、スラリーによ
り流動性を与えるために行う。

【００５１】加圧されたハイドレートは第１及び第２熱
交換器６４，６５で加熱されて分解される（例えば、分
解圧を２．１ＭＰａ（ａｔａ）にした場合の温度は約７
℃である）。

【００５２】この場合に図に示すように、圧縮機７４に
て構成されるヒートボンプ７３によりハイドレートを加
熱する。すなわち、第２熱交換器６５で、ハイドレート
を、加圧された媒体ガス（例えば、プロパンガス）と熱
交換させて媒体ガスを凝縮させることにより、その潜熱
によりハイドレートを加熱する。潜熱を奪われたガス
は、熱交換器６５内で凝縮液体になり、ハイドレート
は、分解してガスと水になり、分離器６１に送られ天然
ガスと水に分離される。

【００５３】分離した水は再使用のため、第１熱交換器
６４で、分離して出荷すべきハイドレートと熱交換して
プレクールされた後、噴射管３４より容器３１に返送さ
れる。

【００５４】一方、第２熱交換器６５内で得られた凝縮
液体は、ハイドレートタンク３０の熱交換器３３に送ら
れ、噴射管３４から噴射される返送水と熱交換して蒸発
（−５〜−１０℃）し、冷媒戻り側接続配管４９を介し
て圧縮機７４に戻される。

【００５５】熱交換器３３で、冷却された返送水は氷を
生成して、容器３１内の水面に落下して蓄積される。蓄
積された氷は、前述したように天然ガスを導入して、ハ
イドレートの製造に使用される。この場合、第２熱交換
器６５でのハイドレート分解温度は７℃のため、第２熱
交換器６５で加熱に使用される媒体ガスの凝縮温度を１
３℃位に設定して、第２熱交換器６５の伝熱面積を決め
ると、圧縮機７４の所要動力はそれ程大きくならない。
（例えば、ハイドレート１００トン／ｈの場合の圧縮機
７４の所要動力はプロパンを媒体ガスとしたときで、約
４５０ＫＷとなる）。

【００５６】ハイドレートの製造は、導管１０が遊んで
いる都市ガス需要の少ない夜間に主に行われ、ガスの製
造（ハイドレートの分解）はガス需要が多い昼間に行わ
れるので、日中にハイドレートタンク３０で作られた氷
は夜間に使用される迄、蓄冷剤として役割を担うことに
なる。

【００５７】このシステム蓄冷される冷熱は、ハイドレ
ート生成熱の６５％位なので、ハイドレート生成時に
は、生成熱の３５％位を除去するための冷凍機３２が必
要になる。

【００５８】この冷凍機３２は、前述した立上げ（初期
起動）時には、大きな動力を必要とするが、上述のよう
に容器３１内に氷を蓄冷できるので、ハイドレートの生
成熱の３５％位を除去する能力であれば十分使用でき
る。また、容器３１内での製氷時に、水面に蓄積する氷
が表面で融合して一面に結氷しないように、容器３１内
ガスをオフガスライン５７から圧縮機５９を介して吸い
込み、これをガス分散管３５から吹き込んで水及び水面
を動揺させることにより、氷が一面に形成されることが
防止され、細粒化された氷を製造できる。

【００５９】ハイドレートの製造は夜間に行われるの
で、冷凍機３２に必要な電力は夜間料金が使用できるの
で、ランニングコストの節減ができる。

【００６０】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、天然ガス
をハイドレートとして貯蔵することで、危険性が少なく
しかも低コストな貯蔵が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。

【図２】従来のＬＮＧのピークシェービング基地を示す
図である。

【図３】従来のガスホルダ基地を示す図である。

【符号の説明】

３０ ハイドレートタンク ３１ 容器 ３２ 冷凍機 ３３ 熱交換器 ３５ ガス分散管 ４８ 加熱手段 ６１ 分離器 ｈ ハイドレート ｗ 冷水

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷水を貯留した容器内の冷水を抜き取る
   と共にこれを冷却して容器内の水面上に氷粒として供給
   し、氷粒が供給された冷水の水面下に天然ガスを供給
   し、水と結合させてハイドレートを生成すると共に生成
   したハイドレートを容器の底部に貯留するハイドレート
   タンクと、貯留されたハイドレートを導入して天然ガス
   と水に分離する分離器とを備えたことを特徴とする天然
   ガスのハイドレートによるガス貯蔵設備。
2. 【請求項２】 ハイドレートタンクは、冷水を貯留した
   容器内の水面上に冷凍機に組み込まれた熱交換器が設け
   られ、その熱交換器の上部に冷水の噴射管が設けられ、
   冷水の水面下に天然ガスのガス導管と接続されたガス分
   散管が設けられて構成され、そのハイドレートタンク
   に、容器内の冷水を抜き取ると共に噴射管から噴射する
   冷水循環ラインが接続された請求項１記載の天然ガスの
   ハイドレートによるガス貯蔵設備。
3. 【請求項３】 ハイドレートタンクと分離器間に抜き取
   られたハイドレートを加熱分解する加熱手段が接続され
   た請求項１又は２記載の天然ガスのハイドレートによる
   ガス貯蔵設備。