説明

ガスハイドレートの製造方法とその製造装置

【課題】ガスハイドレートの自己保存性を低下させないように、脱水工程で排水された水分を系外へ排出すると共に生成工程に純水を添加して原料水中のイオン濃度を調整しながらガスハイドレートを製造する方法とその装置を提供する。
【解決手段】ガスハイドレート生成装置1、ガスハイドレートに含まれる水分を排出する脱水装置2、およびガスハイドレートを圧縮成形する成形装置3とを備えたガスハイドレートの製造装置において、前記脱水工程の排水を系外に排出すると共にハイドレート生成工程に純水を添加し、この生成工程の原料水w1中のイオン濃度を、ガスハイドレートの分解抑制濃度に調整することを特徴とするハイドレートの製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、メタンガスやプロパンガスなどの天然ガスやそれらの混合ガスなどを原料水と気液接触させてガスハイドレートを生成し、このガスハイドレートを圧縮成型する方法とその装置に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料ガスのなかでも特に、天然ガス(メタンガス、プロパンガスなどを主成分とする混合ガス)は、液化天然ガスのときの体積が気体状態のときの1/600にまで体積が減少することから、液化天然ガス(以下、LNG)の形態として産地から消費地などへ輸送されている。輸送には、周囲が断熱材で覆われたタンクを搭載するLNG船が使用されている。
【0003】
ところが、前記LNGは、その沸点が−162℃という極低温であり、温度の上昇に伴って急激に気化するという性質があるので、輸送時にはLNGを前記極低温状態に保持し続ける必要があり、そのための冷凍機の運転動力がかかっていた。
【0004】
近年、燃料ガスの形態として、前述のLNGよりもマイルドな冷却温度で安定的に輸送することのできるガスハイドレートというものが注目されている。このガスハイドレートは、天然ガスなどの原料ガスと原料水とを0〜5℃程度の温度と3〜5MPa程度の高圧の雰囲気下で気液接触させて水和反応させることで生成されており、このガスハイドレートは、複数の水分子が集合して形成された格子の中に天然ガス等の分子が閉じこめられた状態となっている。
【0005】
このガスハイドレートは、分解する際の解凍潜熱によって格子を構成していた水分が凍り、これがガスハイドレートの表面を氷の被膜で包み込むことにより、分解が抑制されるという所謂「自己保存効果」を有しており、この自己保存効果によって大気圧下でマイナス20℃〜マイナス10℃程度というLNGよりもかなりマイルドな雰囲気下で長期間に亘って貯蔵・輸送することができるという優れた特徴がある。
【0006】
更に、例えば天然ガスハイドレート(以下、NGH)は、NGHのときの体積は気体のときの体積の1/170程度となっており、LNGよりは体積の減少量が少ないものの、前述のようにLNGを−162℃という極低温に保持し続けるための冷凍エネルギーを投入する必要がなく、また、大気圧下で比較的安定的に長期間の貯蔵・輸送ができる。
【0007】
しかしながら、大気圧、マイナス20℃のマイルドな雰囲気下でNGHを貯蔵した場合、従来のNGHは2週間で80%程度が分解してしまうことから、本出願人は、貯蔵性に優れたNGH、即ち分解が抑制されたNGHの製造方法を先に提案している(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開2004−2754号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本出願人が提案したNGHの製造方法は、ガスハイドレートの分解抑制作用を持つ物質の存在下で、原料ガスと原料水とを反応させるものである。前記ガスハイドレートの分解抑制作用を持つ物質として、塩素イオン、フッ素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン等を提案している。また、原料ガスとして、メタンガス、天然ガス(メタンを主成分とする、エタン、プロパン、ブタンなどを含む混合ガス)、炭酸ガスなどが挙げられている。
【0009】
ところが、このようなNGHの製造方法では、分解抑制剤を生成工程の原料水中へ投入する一方であり、また、ガスハイドレートの結晶に前記イオンなどは取り込まれないので、ガスハイドレートの生成に伴って原料水中に各種イオンが蓄積され、その濃度が上昇していた。
【0010】
また、原料水として使用される水は、一般に、イオン交換樹脂により塩素イオンや鉄イオンやマンガンイオンなどを除去された工業用水が用いられているので、これらのイオンについても前記分解抑制剤を添加しなくとも次第に濃度が上昇する。
【0011】
本出願人は、イオン濃度とガスハイドレートの耐分解性について研究した結果、ハイドレートの自己保存性が良好となるイオン濃度は、1ppm〜1000ppm程度であり、これが10000ppm(1重量%)を超える濃度になるとガスハイドレートの自己保存性が著しく低下することを見出している。
【0012】
即ち、従来の製造方法では、ガスハイドレートの生成に伴って原料水中のイオン濃度が必然的に上昇し、耐分解性に劣るガスハイドレートが生産されるようになってしまう。
【0013】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、ガスハイドレートの自己保存性を低下させないように、脱水工程で排水された水分を系外へ排出すると共に生成工程に純水を添加して原料水中のイオン濃度を調整しながらガスハイドレートを製造する方法とその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明に係るガスハイドレートの製造方法は、次のように構成されている。
【0015】
1)原料ガスと原料水とを水和反応させてガスハイドレートを生成する生成工程と、この生成工程で生成されたガスハイドレートに含まれる水分を排出する脱水工程と、この脱水工程で水分が排水されたガスハイドレートを圧縮成形する成形工程とを備えたガスハイドレートの製造方法において、前記脱水工程の排水を系外へ排出すると共に前記生成工程に純水を添加し、この生成工程の原料水中のイオン濃度をガスハイドレートの分解抑制濃度に調整することを特徴としている。
【0016】
2)前記ガスハイドレートの分解抑制濃度は、1ppm〜1000ppmであることを特徴としている。
【0017】
3)前記イオンは、塩素イオン、フッ素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン、鉄イオン、塩化物イオン、硫化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンであることを特徴としている。
【0018】
また、本発明に係るガスハイドレート製造装置は、
4)原料ガスと原料水とを水和反応させてガスハイドレートを生成する生成装置と、この生成装置で生成されたガスハイドレートに含まれる水分を排出する脱水装置と、この脱水装置で水分が排水されたガスハイドレートを圧縮成形する成形装置とを備えたガスハイドレートの製造装置において、前記脱水装置は、ガスハイドレートから排水された水分を生成装置へ戻す還流路と、系外へ排出する排出路と、前記水分に含まれている電解質イオン濃度を計測する測定手段とを備えており、この測定手段により測定された電解質イオン濃度の信号により開閉する調整弁が、前記排出路と、前記生成装置に純水を供給する供給路とにそれぞれ設けられていることを特徴としている。
【0019】
5)前記電解質イオンは、塩素イオン、フッ素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン、鉄イオン、塩化物イオン、硫化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンであることを特徴としている。
【発明の効果】
【0020】
1)脱水工程でガスハイドレートから排水される水分に含まれている陽イオン或いは陰イオンの濃度を測定し、この測定されたイオン濃度に基づいて前記排水の少なくとも一部を系外へ排出すると共に、生成工程に純水を添加し、この生成工程における原料水中の陽イオン或いは陰イオンの濃度を所定の濃度に保持することにより、原料水中のイオン濃度が所定の濃度に保持されるようになるので、ガスハイドレートの生成を阻害しないイオン濃度、自己保存性を低下させないイオン濃度の条件下でガスハイドレートを製造できるようになる。また、生産量が低下することなく高品質(低分解性)のガスハイドレートを製造することができる。
【0021】
2)また、生成工程から原料水の一部を廃棄し、その廃棄分を純水で補充する方法で原料水中のイオン濃度を調整する方法では、原料水中に含まれているガスハイドレートの結晶も廃棄されてしまうので、その結晶を回収したり、再ガス化して原料ガスに戻したりしなければならず、手間がかかっていたが、本発明により、脱水装置で排水された水の一部を廃棄するようにしたので、ハイドレートの結晶が廃棄されることが防止され、その結晶の回収等の手間がかからなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下、本発明に係るガスハイドレートの製造装置について図示し説明する。
【0023】
図1に示すように、本発明に係るガスハイドレートの製造装置は、原料ガスg1と原料水w1とを水和反応させてガスハイドレートhを生成する生成装置1と、この生成装置1で生成されたガスハイドレートhを含有するガスハイドレートスラリh1の水分を排出する脱水装置2と、この脱水装置2で脱水されたガスハイドレートh2を圧縮してペレット体h3とする成形装置3とを備えている。
【0024】
前記生成装置1は、原料ガスg1の供給管L1と原料水w1の供給管L2とが連結された耐圧容器1Aと、この容器1A内の水溶液を攪拌する撹拌翼1Bとから構成されており、耐圧容器1A内の底部には原料ガスg1を水溶液中に噴出させるスページャ1Cが設けられている。また、このスページャ1Cへ原料ガスg1を供給するブロワBが設けられ、原料水w1中に原料ガスg1が吹き込まれている。
【0025】
前記脱水装置2は、前記生成装置1で生成したガスハイドレートhを含有するガスハイドレートスラリh1が導入される竪型の円筒状本体2Aと、この本体2Aの中間部に脱水室2Bと、上部にスクリューフィーダ2Cとが設けられている。脱水室2Bは、円筒状本体2Aの外壁に沿って設けられ円筒形状に形成されており、筒状本体2Aの内側面と外側面とに連通する排水孔が多数形成されている。また、脱水室2Bの下部には、ガスハイドレートより分離されて排出された水分w2を生成装置1へ戻す管路L5が設けられている。
【0026】
また、前記管路L5には、ガスハイドレートより分離された水分w2中のイオン濃度を測定する測定手段7が設けられている。この測定手段7は、本実施例においては、例えば、塩素イオン計、塩化ナトリウム濃度計などの装置を用いることができる。
【0027】
前記成形装置3は、前記脱水装置2で脱水されたガスハイドレートh2を受け入れる漏斗形状の受入室3Aと、この受入室3Aの下部に配設した一対のロール7とを備えている。前記受入室3Aは、この受入室3Aに供給されたガスハイドレートh2をロール7側へ押し込んで供給するスクリューを備えた押込装置3Cが設けられている。
【0028】
前記ロール3Bは、その表面に複数個の成型凹部がロール表面の円周に沿って形成されており、その成型凹部に充填されたガスハイドレートh2を押圧して圧密化してペレット体h3を形成するようになっている。
(ガスハイドレートの製造)
次に、このように構成された本発明に係るガスハイドレートの製造装置によるガスハイドレートの製造について説明する。
【0029】
図1に示すように、生成装置1の反応容器1A内には、原料ガスg1と原料水w1とが供給され、温度が0℃〜10℃、圧力が3〜5MPaに保持されている。原料ガスg1として、本実施例においてはメタンガスを主成分とする天然ガスが使用され、この天然ガスは、二酸化炭素や硫化水素といった不純物が除去されたものである。原料水w1は、工業用水中の塩素イオンなどをイオン交換樹脂等によって除去したものが使用されている。
【0030】
反応容器1Aに供給された天然ガスg1(原料ガス)は、スページャ1C(散気装置)により細かい泡沫状となって原料水w1中へ供給され、その原料水w1は攪拌装置1Bによって攪拌されており、天然ガスg1と原料水w1との気液接触が促進されている。この気液接触によって水和反応して生成したガスハイドレートhが攪拌とバブリングとにより原料水w1中に拡散・分散し、ガスハイドレートスラリh1が形成される。このガスハイドレートスラリh1中のガスハイドレートhの含有率が10〜20%程度となるまで水和反応が続けられている。
【0031】
ガスハイドレートスラリh1は、このスラリh1を脱水装置2へ供給する輸送管L4を介してポンプP1によって圧送され、脱水装置2の筒状本体2Aの下方より供給される。供給されたスラリh1は、筒状本体2A内を上方へ向かって上昇しながら、スラリh1中の水分が排出される。絞り出された水分w2は、本体2Aの中間部に設けた脱水室2B内に排水され、その脱水室2Bに設けられた排水管L5を介して生成装置1に戻されるようになっている。
【0032】
脱水室2Bを経て水分が排水されてガスハイドレートが濃縮され、筒状本体2Aの上部では、ガスハイドレートの含有率は40〜60%程度に高められている。この脱水されたガスハイドレートh2は、筒状本体2Aの上部に設けたスクリューフィーダ2Cを介して成形装置3へ移送される。
【0033】
成形装置3の受入室3A内に移送されたガスハイドレートh2は、スクリュー型押込装置3Cによって、受入室3Aの下側に向かって押込まれ、その受入室3Aの下部に配設したロール3Bにガスハイドレートh2が押し付けられるようにして供給される。ロール3Bに押し付けられたガスハイドレートh2は、そのロール3Bの表面に形成された成形凹部(ディンプル)内に充填され、一対のロール3Bの回転に伴って前記成形凹部内にガスハイドレートh2が閉じこめられると共に押圧されてペレット体h3が形成される。
【0034】
ガスハイドレートh2が押圧されて圧密化する際に、そのガスハイドレートh2が圧搾されて水分が排出されており、ガスハイドレートペレット体h3のガスハイドレート率は98%以上となっている。
【0035】
成形装置3により成型されたペレット体h3は、図示しない冷却器によりマイナス20℃程度にまで冷却され、次いで脱圧装置によって大気圧にまで減圧され、貯留タンクなどに貯留されるようになっている。
(イオン濃度の調整)
次に、本発明に係るガスハイドレートの製造装置における、原料水w1中のイオン濃度の調整について説明する。ガスハイドレートの製造の概略は、上述しているので、ここでは要部のみ説明する。
【0036】
図1に示すように、脱水装置2の脱水室2Bへガスハイドレートh1より排水された水分w2を生成装置1へ戻す排水管L5にイオン濃度測定手段7が設けられ、この測定手段7で検出したイオン濃度の信号S1が、この信号S1の入力端子を備えた制御装置8へ受信されるようになっている。
【0037】
前記制御装置8は、イオン濃度の上限値と下限値とを記憶させた書換可能な記憶装置と、その上限値と下限値とを比較する比較手段と、この比較手段の判定により制御信号を生成する制御手段とを備えている。前記制御手段は、原料水w1の供給管L2に設けたバルブv1の開閉を指示する制御信号S2と、排水管L5に設けた廃棄管L8のバルブv2の開閉を指示する制御信号S3と、排水管L5に設けた生成装置への戻り管L9のバルブv3の開閉を指示する制御信号S4とを生成するようになっている。
【0038】
イオン濃度は、例えば、塩素イオンの場合は、図2に示すように1ppm〜1000ppmの範囲においてガスハイドレートの生成速度が高まっており、また、1000ppmを超えるとガスハイドレートの生成速度が低下し始める。本実施例においては、塩素イオン濃度は1ppm〜1000ppmの範囲となるようにしている。また、塩素イオンは、イオン交換樹脂等により脱イオン処理した工業用水中に僅かに残存したものが蓄積したものとし、塩素イオン濃度が1000ppmを超えないように調整してもよい。
【0039】
塩素イオンを生ずる分解抑制剤を添加する場合は、塩素イオンが1ppm〜1000ppmに保持されるように、分解抑制剤の投入装置を生成装置に設け、この投入装置と各バルブv1〜v3を制御するようにしてもよい。
【0040】
ガスハイドレートの生産に伴って生成装置1内の原料水w1中の塩素イオンなどの濃度が上昇し、脱水装置2で排出された排水w2中のイオン濃度も上昇する。脱水室2Bに排出された排水w2中のイオン濃度が1000ppmを超えたのを測定手段7が検出し、制御装置8へその検出信号S1を送信する。この検出信号S1を受信した制御装置8は、バルブv2を開放させる制御信号S3と、バルブv3を閉止する制御信号S4とを送信し、排水w2が生成装置1に戻されないようにする。また、制御装置8よりバルブv1を開放させる制御信号S2が送信され、生成装置1へ新鮮な原料水w1が供給される。排水w2中のイオン濃度が1000ppm以下となるまで、排水w2は系外へ廃棄され、新鮮な原料水w1が生成装置1に供給される。
【0041】
排水w2中のイオン濃度が1000ppm以下となったことを検出した測定手段7より検出信号S1が制御装置8へ送信され、この検出信号S1を受信した制御装置8より、バルブv2を閉止する制御信号S3と、バルブv3を開放する制御信号S4と、バルブv1を閉止する制御信号S2とが送信され、排水w2が生成装置1へ戻される。
【0042】
本発明により、生成装置内では、原料ガスと原料水とが水和反応してガスハイドレートが生成してガスハイドレートスラリーが形成されており、スラリ中のイオン濃度をイオンセンサ等により正確に測定するのは困難であり、また、水和反応に伴ってイオン濃度が変動しやすいことから、水和反応がほぼ停止した脱水装置で脱水されているガスハイドレートより分離された水分中のイオン濃度を測定するようにしたので、イオン濃度の一時的な変動の影響を受けることなく、また、通常の水分中のイオン濃度を測定するように計測でき、安定して正確にイオン濃度が測定できるようになる。
【0043】
更に、分解抑制剤を添加した場合には、イオン濃度が適正な範囲内に自動的に調整されるので、測定したりバルブの開閉操作をしたりする手間がかからない上に、生産効率が低下することなく耐分解性の高い高品質ガスハイドレートを生産することができる。
【0044】
更にまた、複数のイオン濃度を測定するようにし、また、分解抑制剤の添加装置を生成装置に設置してこの添加装置も制御するようにし、各種イオン濃度が適切な濃度範囲に保持されるようにすることもできる。
【0045】
本実施例においては、イオン濃度の上限と下限とで各バルブの開閉を制御するようにしているが、流量計や調整弁などを設けて原料水や排水の流量を柔軟に制御し、図2のセンター値aの近傍にイオン濃度を調整するようにしてもよい。これにより、生産されるガスハイドレートの品質が安定なものとなる。
【0046】
また、本実施例においては、説明を容易なものとするために、イオンの一例として塩素イオンの制御について説明したが、これに限定されるものではない。
【0047】
代表的なイオンとして、フッ素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン、鉄イオン、硫化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンなどについても、ガスハイドレートの生成速度・分解速度とを良好なものとするように制御することができる。
【0048】
また、各種の分解抑制剤として、アンモニウムイオン、リチウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、ベリリウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオン、フッ素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、炭素イオン、硫黄イオン、窒素イオン、酸素イオン、ホウ素イオン、リンイオン、マンガンイオン、銅イオン、亜鉛イオン、カドミウムイオン、アルミニウムイオン、珪素イオン、スズイオン、鉛イオン、バナジウムイオン、クロムイオン、モリブデンイオン、コバルトイオンおよびニッケルイオンの調整をすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【図1】本発明に係るガスハイドレートの製造装置の概略構成図である。
【図2】原料水中のイオン濃度と、ガスハイドレートの生成速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0050】
B ブロワ
P1 スラリポンプ
P2 ポンプ
1 生成装置
1A 耐圧容器
1B 攪拌機
1C スページャ(散気装置)
2 脱水装置
2A 筒状本体
2B 脱水室
2C スクリューコンベア
3 成形装置
3A 受入室
3B 成形ロール
3C 押込装置
7 測定手段
8 制御装置
g1 原料ガス
w1 原料水
w2 排水
v1,v2,v3 バルブ
L1 原料ガス供給管
L2 原料水供給管
L3 原料ガス循環配管
L4 スラリ供給管
L5 排水管
L6 ガスハイドレート供給管
L8 廃棄管
L9 還流管
h ガスハイドレート結晶
h1 ガスハイドレートスラリー
h2 ガスハイドレート脱水体
h3 ペレット体
S1 検出信号
S2,S3,S4 制御信号

【特許請求の範囲】
【請求項1】
原料ガスと原料水とを水和反応させてガスハイドレートを生成する生成工程と、この生成工程で生成されたガスハイドレートに含まれる水分を排出する脱水工程と、この脱水工程で水分が排水されたガスハイドレートを圧縮成形する成形工程とを備えたガスハイドレートの製造方法において、
前記脱水工程の排水を系外へ排出すると共に前記生成工程に純水を添加し、この生成工程の原料水中のイオン濃度をガスハイドレートの分解抑制濃度に調整することを特徴とするガスハイドレートの製造方法。
【請求項2】
前記ガスハイドレートの分解抑制濃度は、1ppm〜1000ppmであることを特徴とする請求項1記載のガスハイドレートの製造方法。
【請求項3】
前記イオンは、塩素イオン、フッ素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン、鉄イオン、塩化物イオン、硫化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンであることを特徴とする請求項2記載のガスハイドレートの製造方法。
【請求項4】
原料ガスと原料水とを水和反応させてガスハイドレートを生成する生成装置と、この生成装置で生成されたガスハイドレートに含まれる水分を排出する脱水装置と、この脱水装置で水分が排水されたガスハイドレートを圧縮成形する成形装置とを備えたガスハイドレートの製造装置において、
前記脱水装置は、ガスハイドレートから排水された水分を生成装置へ戻す還流路と、系外へ排出する排出路と、前記水分に含まれている電解質イオン濃度を計測する測定手段とを備えており、
この測定手段により測定された電解質イオン濃度の信号により開閉する調整弁が、前記排出路と、前記生成装置に純水を供給する供給路とにそれぞれ設けられていることを特徴とするガスハイドレートの製造装置。
【請求項5】
前記電解質イオンは、塩素イオン、フッ素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン、鉄イオン、塩化物イオン、硫化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンであることを特徴とする請求項4記載のガスハイドレートの製造装置。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2009−242750(P2009−242750A)
【公開日】平成21年10月22日(2009.10.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−94144(P2008−94144)
【出願日】平成20年3月31日(2008.3.31)
【出願人】(000005902)三井造船株式会社 (1,723)
【Fターム(参考)】