JPWO2012132980A1 - ガスハイドレートペレットの成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 輸送時や貯蔵時の取り扱いの際の利便性を向上させて、天然ガスハイドレートの実用性を向上させるガスハイドレートペレットの成形方法を提供する。【解決手段】 圧搾室21内に供給されたガスハイドレートスラリーを圧搾プランジャ21eの前進により加圧して圧搾する際に、該圧搾プランジャ21eの移動速度を極力小さくし、好ましくは圧搾プランジャ21eの圧搾時の移動距離×10−2［m／min］未満とする。低速で移動させることによりガスハイドレートの粒子間の結合力を向上させて破壊強度の大きなガスハイドレートペレットを成形することができる。【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば、海底下等に存在している天然ガスハイドレートを輸送や貯蔵等に適した状態に生成するガスハイドレート生成プラントでガスハイドレートペレットを成形するに際して、高い強度のガスハイドレートペレットの成形方法に関する。

シベリアやカナダ、アラスカ等の凍土地帯や大陸周辺部における水深500m以下の海底下には、主成分がメタンである天然ガスハイドレート(NGH)が存在している。このNGHは、メタン等のガス分子と水分子とから構成される低温高圧下で安定した水状固体物質あるいは包接水和物であり、二酸化炭素や大気汚染物質の排出量が少ないクリーンエネルギとして着目されている。

天然ガスは液化された後、貯蔵されてエネルギとして利用されているが、その製造や貯蔵は−162℃の極低温において行われている。これに対して天然ガスハイドレートは、−20℃で分解せずに安定した性質を示し、固体として扱うことができる等の利点を備えている。このような性質から、世界中に存在している採算面等の理由から未開発の中小ガス田におけるガス資源を有効に利用することができる手段として、あるいは大ガス田からの近距離、小口輸送の場合等に天然ガスをハイドレート化して輸送、貯蔵し、さらに再ガス化して利用する天然ガスハイドレート方式(NGH方式)が期待されている。

NGH方式では、中小ガス田等のNGH出荷基地において、輸送や貯蔵に適したNGHを生成し、輸送船や車両等によって所望のNGH受入基地まで輸送され、NGH受入基地では輸送されたNGHを貯蔵し、必要に応じてNGHガス化装置によってエネルギ源として利用することになる。図５は、前記NGH出荷基地に利用されるガスハイドレートの生成プラントの構成の一例を説明する概略のブロック図である。採掘された原料ガスＧは高圧反応容器である生成器１において水Ｗと十分に混合されてハイドレート化され、低濃度のガスハイドレート（GH）スラリーが生成される。生成されたGHスラリーは供給ポンプ２によって脱水器３に供給され、脱水されて高濃度のGHスラリーが生成される。このとき、脱水器３へは該脱水器３の最下部に供給される。供給されたGHスラリーは脱水器３を上昇する際に、脱水器３の途中に設けた水切り部（微細孔やスリット等によりハイドレート粒子と水を分離する部分）で脱水されて、脱水器３の上端部から取り出される。取り出されたガスハイドレートは、パウダー状となったGHパウダーとして取り出される。このGHパウダーがペレット成形器４に供給されて造粒され、輸送や貯蔵等にとって適宜な大きさのGHペレットが形成される。次いで、常圧下においても分解しない温度まで冷却器５により冷却された後、脱圧装置６に供給される。すなわち、前記生成器１から冷却器５に至るまでは、ガスハイドレートの生成条件である常温高圧下において処理がなされ、冷却器５と脱圧装置６とにより、常圧下でも分解しない温度に処理される。その後、形成されたGHペレットは貯蔵槽に給送されて貯蔵される。

ところで、本願出願人は、貯蔵性に優れたペレットを低コストで製造できるガスハイドレートペレットの製造方法及び製造装置を提案している（特許文献１参照）。このガスハイドレートペレットの製造方法は、ガスハイドレートをその生成条件下において圧縮成形手段により脱水するとともに、前記ガスハイドレートの粒子間におけるガスハイドレート原料ガスと水とをガスハイドレートに形成させ、ペレットに成形するようにしたものである。また、前記圧縮成形手段に、外周面に複数のペレットの成形型を有し、互いに逆方向に回転する一対のロールからなるブリケッティングロールが用いられている。

また、本願出願人は、ガスハイドレート生成プラントにおける脱水工程とGHペレットの成形工程とを単一の装置で行うことにより、GHペレットの形成の効率化を図るガスハイドレートペレット成形装置を提案した（特許文献２参照）。この特許文献２に係るガスハイドレートペレット成形装置は、圧搾室の内筒に圧搾プランジャを配し、該圧搾プランジャの前進により内筒に供給されたGHスラリーから搾水し、排水は内筒の一部に設けたスクリーン部から行う。搾水後にゲート弁を開放し、さらに圧搾プランジャを前進させて、ゲート弁を通過させてGHペレットＰを冷却室に押し出して移動させる。ゲート弁を閉鎖して冷却室を冷却すると共に、圧搾プランジャを後退させて次のGHスラリーを供給するようにしたものである。

特開２００７−２７００２９号 特開２０１０−２３５８６８号

本願発明の発明者は、生成されたGHから成形されたGHペレットについて、該GHペレットの成形機の企画・設計に資するためのデータを取得すべく、破壊試験を繰り返して行った。このとき、GH生成プラントの運転の効率を考慮すると、前記圧搾プランジャの動作速度を大きくして、GHペレットの成形速度を大きくすることによって処理量を増加させることができるため、破壊試験用の供試体の成形も前記圧搾プランジャの動作速度を大きくして行った。

しかしながら、上述の成形方法により得られたGHペレットの供試体を破壊試験のための三軸圧縮試験機に供して、破壊試験のため、軸方向応力を僅かに負荷しただけで破壊されてしまい、正確な測定を行えない状態となった。そのため、種々の検討を行って試行錯誤しながら成形したところ、強度が大きいGHペレットを成形でき、ほぼ正確な破壊応力を取得することができるようになった。このことは、GH生成プラントで生成され成形されたGHペレットの強度を大きくすることにもなる。

そこで、この発明は、GHペレットを成形する際に。破壊強度を増加させて、GHペレットの輸送時や貯蔵時の取り扱いをより簡便に行えるようにしたガスハイドレートペレットの成形方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するための技術的手段として、この発明に係るガスハイドレートペレットの破壊強度の試験方法は、原料ガスと水とを生成器に供給して高圧下で反応させてガスハイドレートスラリーを生成し、ガスハイドレートスラリーから水分を除去した後、所望の大きさのペレットに成形するガスハイドレート生成プラントにおけるガスハイドレートペレットの成形方法において、ガスハイドレートスラリーを供給した筒状の圧搾室の軸方向に進退可能な圧搾プランジャを設け、前記圧搾プランジャの前進時に圧搾動作を行わせて、ガスハイドレートスラリー中から搾水してガスハイドレートペレットを成形するに際して、前記圧搾プランジャの前進速度を極力小さくしたことを特徴としている。

圧搾プランジャの圧搾速度を極力小さくするものである。なお、圧搾プランジャの後退時の速度は大きくてもよい。

高速で圧搾動作を行う場合には、GH粒子間の結合が強固となる前に圧搾処理が完了してしまったため、破壊強度の小さいGHペレットが成形されたものと考えられる。

一方、低速で圧搾処理を行う場合には、粒子間の結合が強固となるまで加圧されることにより、破壊強度の大きなGHペレットが成形されると考えられる。

また、請求項２の発明に係るガスハイドレートペレットの成形方法は、前記圧搾プランジャの前進速度を、
圧搾前のペレットの長さ×10^−２［m／min］
未満とすることを特徴としている。

圧搾時の圧搾プランジャの移動距離は、前記圧搾室に供給されたGHスラリーからGHペレットを成形するものとなり、成形されるGHペレットの寸法は圧搾室の仕様に応じたものとなるが、成形されたGHペレットの濃度は圧搾室の寸法に拘わりなく高濃度とすることが望ましい。また、供給されるGHスラリーの濃度もほぼ等しいものであるため、圧搾処理時における搾水量は、圧搾室の寸法に拘わりなくほぼ等しいものとなる。このため、低速で圧搾プランジャを前進させながら搾水することにより、圧搾室の寸法等に拘わらず、GH粒子間の結合強度が大きくなる。そして、このときの圧搾プランジャの速度を
圧搾前のペレットの長さ×10⁻²［m／min］
未満としたものである。

この発明に係るGHペレットの成形方法によれば、GH粒子間を強固に結合させることにより、破壊強度の大きなGHペレットを成形することができる。このため、輸送時や貯蔵時の取り扱いにとって利便性の高いGHを供給することができる。

この発明に係るGHペレットの成形方法を説明するための、圧搾室と圧搾プランジャとの概略構造を示す図である。 この発明に係るGHペレットの成形方法によって成形したGHペレットについて行った強度試験の結果を示す図であり、側方向応力sh'を1.0、1.5、3.0［MPa］とし、圧搾プランジャの速度をGHペレットの初期長さL₀×10^-4［m/min］とした場合について示している。 この発明に係るGHペレットの成形方法によって成型したGHペレットについて行った強度試験の結果を示す図であり、側方向応力sh'を1.0、2.0、3.0［MPa］とし、圧搾プランジャの速度をGHペレットの初期長さL₀×10^-３［m/min］とした場合について示している。 GH生成プラントの一例を示す説明図で、この発明に係るGHペレットの成形方法を実施するのに適した生成プラントを例示している。 天然GHの出荷基地に利用される、従来のGHの生成プラントの構成の一例を説明する概略のブロック図である。

以下、図示した好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係るガスハイドレートペレットの成形方法を具体的に説明する。

図４に、この発明を実施するのに適した圧搾室と圧搾プランジャとを備えたGHペレット成形装置を示してある。

GH生成プラントにおける前記生成器１には、原料ガスＧと水Ｗとが、それぞれ原料供給管11と冷媒供給管12とから供給されている。生成器１でこれら原料ガスＧと水Ｗとが反応して生成されたGHスラリーは、スラリー供給管13によりペレット成形装置20の圧搾室21に給送されている。また、生成器１からは冷媒再循環ポンプ1aを介して返戻管1bから未反応冷媒が回収されている。この冷媒再循環ポンプ1aの吐出側は前記冷媒供給管12に接続されている。また、冷媒供給管12には調整弁12aが設けられており、生成器１の内圧を測定している圧力計11cの測定値に基づいて該調整弁12aの開度が調整されている。

前記圧搾室21は筒状の内筒21aとこの内筒21aを収容した外筒21bとにより構成されており、内筒21aには該内筒21aの軸Ｏの方向に摺動して進退可能な圧搾プランジャ21eが収容されている。なお、この圧搾プランジャ21eは、図示しない駆動源の作動により進退動作を行うようにしてあり、駆動源としては油圧によるものや電動機の出力をラック・ピニオン機構により直線運動に変換して行うもの等を用いることができる。内筒21aの一部には適宜な大きさの透孔が形成されたスクリーン部21cが設けられている。

前記圧搾室21の前記圧搾プランジャ21eの前進端側には、ゲート弁22を介して冷却室23が連通させてある。このゲート弁22を開放することにより、圧搾室21と冷却室23とが連通した状態となる。この冷却室23は圧搾室21の内筒21aの内径以上の大きさの内径を備えた筒状に形成されている。

前記冷却室23の前記圧搾室21とは反対側には、ペレット移送弁24が配設されている。このペレット移送弁24は、いわゆるボール弁のように、球形の弁体24aを内部に収容した弁箱24bにより構成されており、弁体24aには保持室24cが形成されている。この保持室24cは、前記冷却室23の内径以上の大きさの内径で、GHペレットを収容するのに十分な奥行きを備えた寸法に形成されており、この保持室24cの一部が開口されて開口部24dが形成されている。そして、弁体24aを弁箱24bに対して回動させることにより、この開口部24dが、冷却室23に臨む受入位置と脱水工程へGHペレットを供給する供給路25を臨む排出位置とに位置するようにしてある。また、前記供給路25が後続する脱圧工程に連通している場合には、内圧が常圧の状態にあり、このため、弁体24aが回動動作中に冷却室23と供給路25とが連通することがないようにしてある。例えば、弁体24aは、図４に示す受入位置から時計回り方向に回動して排出位置に位置させ、排出位置からは反時計回り方向に回動して受入位置に位置するようにしてある。

前記圧搾室21の下部には、スラリー循環ポンプ11aの吸込側に接続されたスラリー回収管21dが接続されており、このスラリー循環ポンプ11aの吐出側に前記原料供給管11が接続さている。また、スラリー循環ポンプ11aの吸込側には原料供給ポンプ11bの吐出側が接続されている。すなわち、圧搾室21でGHスラリーが生成される際に発生する搾水は、原料供給ポンプ11bから供給される原料と合流して、スラリー循環ポンプ11aにより生成器１に返戻されている。また、前記スラリー供給管13の途中と前記スラリー回収管21dとが戻し管13aにより接続されており、この戻し管13aの途中に戻し弁13bが設けられている。前記圧搾プランジャ21eを挟んで圧搾室21と反対側の背圧室21gにはガス・水バッファ21hが背圧管21iを介して接続されている。このガス・水バッファ21hは、前記スラリー回収管21dに調整弁21jを介して接続されている。

前記冷却室23には冷媒供給管23aを介して高圧の冷却媒体が供給されており、供給された冷却媒体は回収ポンプ23bにより冷媒回収管23cを介して回収されている。なお、冷媒回収管23bには冷媒バッファ23dが設けられており、回収される冷媒を一時的に滞留させて、回収ポンプ23cの動作を安定させている。回収ポンプ23cの吐出側に接続された吐出管23eが、前記冷媒供給管23aが接続されている図示しない冷却器等の冷媒源に接続されて、該冷媒源から冷却室23に供給された一時冷却媒体が回収されている。

GHペレットの成形に際しては、前記圧搾プランジャ21eは最後部まで後退した位置にあり、すなわち前記冷却室23から最も離隔した位置にあり、前記ゲート弁22は閉鎖、ペレット移送弁24は弁体24aが受入位置にある。なお、このとき時点では、圧搾室21の内筒21aにはGHスラリーが供給され所定量が充填されている。

例えば、内筒21aに供給されるGHスラリーが10重量％であるとすると、プランジャ21eが前進し、圧搾室21内のGHスラリーが圧潰されて搾水され、GHスラリーが90重量％まで搾水されてGHペレットＰが成形されるものとする。また、このときの搾水は、スクリーン部21cを通過して外筒21bに流出し、前記スラリー循環ポンプ11aによりスラリー回収管21dから回収されて生成器１に戻される。

図１(ａ)は、GHスラリーが供給された状態で圧搾プランジャ21eが後部にある状態を示している。この状態から圧搾プランジャ21eを前進させて、圧搾室21内に供給されたGHスラリーから搾水することになる。このとき、圧搾プランジャ21eの前進速度、すなわち、圧搾速度を極力小さくする。また、好ましくは、圧搾室21の長さを、図１(ａ)に示すように、Ｄ［m］とすると、圧搾速度Ｖpは、
Ｖp ＜ Ｄ×10^−２ ［m／min］ （式１）
となるようにすることが好ましい。

GHペレットが成形されたならば、前記ゲート弁22を開放させて、圧搾室21と冷却室23とが連通した状態とする。なお、前記供給路25は前記ペレット移送弁24が受入位置にあるため、圧搾室21と冷却室23、保持室24cとは等しい内圧となる。前記圧搾プランジャ21eはゲート弁22の位置まで前進を続けており、このため、搾水されて90重量％となったGHペレットが圧搾室21から冷却室23へ押し出されて給送されることになる。なお、このとき、冷却室23が先に成形されたGHペレットで満たされている場合には、圧搾プランジャ21eが前進端となるまでに冷却室23に給送されるGHペレットＰと等しい量のGHペレットＰが、該冷却室23から保持室24cに押し出される。圧搾プランジャ21eが前進して圧搾室21内のGHペレットが押し出されたならば、前記ゲート弁22が閉鎖される。

ゲート弁22の閉鎖により前記圧搾プランジャ21eは後退を開始すると共に、内筒21aにGHスラリーが供給される。ゲート弁22が閉鎖されると、前記冷却室23は気密状態となるから、前記冷媒供給管23aから冷媒を供給して、該冷却室23内にあるGHペレットを、常圧下でも安定した状態を維持する温度まで冷却する。

また、圧搾プランジャ21eを最後部まで後退させる際には、前記弁体24aを受入位置から排出位置まで回動させる。このとき、弁体24aを時計回り方向に回動させることによって、冷却室23の端部が弁体24aにより閉塞された状態に維持される。弁体24aが排出位置に位置した状態で、GHペレットＰは脱圧された状態となり、保持室24cに受け入れられたGHペレットＰが供給路25に落下することになる。次いで、弁体24aを排出位置から図４上反時計回り方向回動させて、受入位置に位置させる。この状態で、図４に示す状態となり、このペレット成形装置20による１工程が完了する。

上述した動作を繰り返すことにより、連続したGHペレットの形成を行うことでき、しかも、強度の大きなGHペレットが成形される。

図２と図３には、本願発明に係る成形方法を実施する場合のGHペレットの強度について三軸圧縮試験機により行った試験結果で、軸方向応力sv'［MPa］と軸歪Epa［％］との関係を示している。この試験は、図４に示すGHペレット成形装置によって得られたGHペレットを三軸圧縮試験機に供して行ったものであるが、三軸圧縮試験機にGHペレットを供する場合には固体の状態でなければ提供することができないからである。なお、図４に示す圧搾室21において圧搾を継続するものと等価である。三軸圧縮試験機は、一定の側方向応力(水平方向応力)sh'に対して軸方向応力(垂直方向応力)を付与しながら破壊試験を行うもので、図２に示す試験では、側方向応力sh'を1.0、1.5、3.0［MPa］とし、前記圧搾プランジャの移動距離ＤはGHペレットの初期長さL₀とした。軸方向応力sv'を増加させながら、式２で示す軸歪Epaを測定した。また、このときの軸方向応力sv'を付与するためのプランジャの速度は、前述した式１に応じたもので、GHペレットの初期長さＬ₀×10^−４［m／min］とした。
軸歪Epa［％］ ＝ （（L₀−L）／L₀）×100 （式２）
なお、Lは当該時におけるペレット長である。
また、図３に示す結果は、側方向応力sh'を1.0、2.0、3.0［MPa］とし、前記圧搾プランジャの速度をGHペレットの初期長さL₀×10^−３［m／min］とした。
図２と図３に示されるように、軸歪Epaが大きくなるにつれ、軸方向応力sv'が大きくなっており、いずれの条件でも圧搾することにより強度が増加していると判断できる。すなわち、圧搾プランジャを低速で移動させてGHの圧搾を行って成形されたGHペレットの強度は大きくなると判断できる。なお、強度試験を行うためには三軸圧縮試験機に供することができる状態のGHペレットを成形し、それを供試体として強度試験に供したが、GH生成プラントにおいては、GHスラリーを圧搾してGHペレットを成形する際に圧搾プランジャの速度を極力小さくするものである。

この発明に係るGHペレットの成形方法によれば、強度の大きいGHペレットを成形することができるため、輸送時や貯蔵時のGHペレットの取り扱いの簡便性が向上し、GHのエネルギとしての利用価値の向上に寄与する。

１ 生成器
20 ペレット成形装置
21 圧搾室
21a 内筒
21b 外筒
21e 圧搾プランジャ
22 ゲート弁
23 冷却室
25 供給路

Claims (2)

1. 原料ガスと水とを生成器に供給して高圧下で反応させてガスハイドレートスラリーを生成し、ガスハイドレートスラリーから水分を除去した後、所望の大きさのペレットに成形するガスハイドレート生成プラントにおけるガスハイドレートペレットの成形方法において、
   ガスハイドレートスラリーを供給した筒状の圧搾室の軸方向に進退可能な圧搾プランジャを設け、
   前記圧搾プランジャの前進時に圧搾動作を行わせて、ガスハイドレートスラリー中から搾水してガスハイドレートペレットを成形するに際して、
   前記圧搾プランジャの前進速度を極力小さくしたことを特徴とするガスハイドレートペレットの成形方法。
2. 前記圧搾プランジャの前進速度は、
   圧搾前のペレットの長さ×10^−２［m／min］
   未満とすることを特徴とする請求項１に記載のガスハイドレートペレットの成形方法。

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