説明

流動層ガスハイドレート生成装置

【課題】 流動層反応塔に循環させる原料循環ガスに同伴する微細なガスハイドレートを効果的に分離捕集する。
【解決手段】 原料ガスを流動化ガスとするガスハイドレートの流動層を形成してガスハイドレートの濃度を高くする流動層反応塔1と、流動層反応塔の頂部から原料ガスを抜き出し、冷却して流動層反応塔の底部に戻す原料ガス循環装置4,5,6と、原料ガス循環装置によって頂部から抜き出される原料ガスに含まれるガスハイドレートを捕集するサイクロン7とを備えことにより、流動層反応塔に循環させる原料循環ガスに同伴する微細なガスハイドレートをサイクロンで分離捕集する。また、サイクロンで捕集しきれないより微細なガスハイドレートはNGH捕集器により効果的に捕集分離することが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流動層ガスハイドレート生成装置に係り、具体的には、流動層に循環する流動化ガスに同伴するガスハイドレートを分離する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスハイドレートは、水分子の作る籠の中にガスを取り込んだ構造の固形の水和物であり、−10数℃の大気圧下で安定することから、液化天然ガス(LNG)に代わる天然ガスの輸送および貯蔵の手段として利用する研究が進められている。
【0003】
一般に、ガスハイドレートは、例えば、天然ガス、メタンガス、炭酸ガスなどの原料ガスと水とを低温高圧の生成容器内で反応させて生成される。生成容器内で生成されるガスハイドレートは、多量の未反応水を含むことから、水を分離して製品ガスハイドレートを精製する必要がある。
【0004】
特許文献1に記載されたハイドレートの製造法によれば、生成容器内に原料ガスを供給すると共に、生成容器内の原料ガス中に低温の循環水をスプレー(噴霧)してハイドレートを生成する、いわゆるスプレー式のハイドレート生成器が採用されている。このようなハイドレート生成器では、生成容器内の液面近傍に浮遊するハイドレートを水と共にスラリーとして抜き出し、メッシュ加工された内筒を有する2重構造のスクリュープレス型脱水装置に導いて物理的に脱水するようにしている。このスクリュープレス型脱水装置は脱水率に限界があることから、さらに2軸スクリュー型脱水装置に導いて、ガスハイドレートの付着水と原料ガスと反応させる水和反応により脱水して、付着水の少ない製品ガスハイドレートを得るようにしている。また、特許文献2にも、同様のプロセスにより脱水することが記載されている。
【0005】
【特許文献1】特開2003−55675号公報
【特許文献2】特開2003−64385号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1、2に記載されたガスハイドレート製造プラントは、製品となるガスハイドレートの濃度を高めることに配慮されていない。すなわち、2軸スクリュー型脱水装置の水和脱水装置において、ガスハイドレートの付着水と原料ガスを水和反応させて、付着水のガスハイドレート化を図っているが、スクリューの攪拌作用だけでは気液接触効率の向上に限界がある。また、ハイドレートかに必要な効率的な除熱も難しい。つまり、特許文献1では、原料ガスを冷却して強制的に循環するようにしていないから、水和反応効率に改善の余地がある。
【0007】
そこで、製品ガスハイドレートの濃度を十分(例えば、90重量%以上)に高めるために、物理脱水装置などの脱水によりガスハイドレート濃度が例えば45〜55重量%程度以上に脱水されたガスハイドレート層に、原料ガスを冷却して流動化ガスとして吹き込んでハイドレートの流動層を形成し、流動層反応により水和脱水することにより、高濃度の製品ガスハイドレートを得ることが考えられる。
【0008】
しかし、ガスハイドレートは微細(例えば、約100〜200μ以下)な粉粒体であることから、流動層反応塔に流動化ガスの原料ガスを循環させると、循環ガスにガスハイドレートが同伴して循環ガス系統を構成する機器に悪影響を及ぼすおそれがある。
【0009】
本発明は、流動層反応塔に循環させる原料循環ガスに同伴する微細なガスハイドレートを効果的に分離捕集することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の流動層ガスハイドレート生成装置は、上記の課題を解決するため、原料ガスを流動化ガスとするガスハイドレートの流動層を形成してガスハイドレートの濃度を高くする流動層反応塔と、前記流動層反応塔の頂部から前記原料ガスを抜き出し、冷却して前記流動層反応塔の底部に戻す原料ガス循環装置と、該原料ガス循環装置によって前記頂部から抜き出される原料ガスに含まれるガスハイドレートを捕集するサイクロンとを備えてなることを特徴とする。これにより、流動層反応塔に循環させる原料循環ガスに同伴する微細なガスハイドレートをサイクロンで効果的に分離捕集できるから、循環ガス系統を構成する機器に及ぼす悪影響を低減できる。
【0011】
ところで、サイクロンで捕集しきれないより微細なガスハイドレートが存在すると、長い間に例えば循環ガスの冷却器の内部に付着して伝熱量の低下を招き、また循環ガスブロワの羽根に付着すると羽根を損傷させる原因になる。
【0012】
そこで、サイクロンから排出される原料ガスに含まれるより微細なガスハイドレートを捕集する捕集器とを備えることが好ましい。
【0013】
ここで、微細なガスハイドレートを捕集する捕集器は、微細なガスハイドレートをろ過する交互に切替え可能な2系列のフィルタと、このフィルタを加熱する加熱手段とを備えて構成することができる。これにより、フィルタがガスハイドレートによって目詰まりしても、フィルタを切替えることにより原料ガス循環装置を継続して運転することができる。また、ガスハイドレートにより目詰まりしたフィルタは、加熱手段により加熱して、ガスハイドレートの分解温度(例えば、5℃以上)にすることにより、ガスハイドレートを元の原料ガスと水とに分解して目詰まりを解消できる。ここで、通常、分解した水を取り除くために、排水ノズルとパージガスラインンが設置される。
【0014】
また、フィルタ内の圧力を微粉ガスハイドレートが分解する圧力にまで下げることによっても目詰まりを解消できるから、加熱手段に代えて、フィルタ内の原料ガスの圧力を設定圧力に下げる減圧手段を備えてもよい。
【0015】
さらに、捕集器は、微細なガスハイドレートに荷電する放電極と、放電極により荷電されたガスハイドレートの電荷とは逆極性の電圧が印加される捕集電極と、捕集電極に捕集されたガスハイドレートを捕集電極から除去する手段とを有する静電捕集器とすることができる。また、捕集電極に捕集されたガスハイドレートは、機械的な振動により剥離落下させるか、あるいは捕集電極をガスハイドレートの電荷と同極性の電圧を印加して静電斥力により剥離落下させることができる。あるいは、捕集電極を加熱して、捕集したガスハイドレートを分解して水を分離回収することもできる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、流動層反応塔に循環させる原料循環ガスに同伴する微細なガスハイドレートを効果的に分離捕集することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明の実施形態を説明する。
(実施形態1)
図1に、本発明の一実施の形態の流動層ガスハイドレート生成装置の構成図を示す。本実施形態は、天然ガスのハイドレート(以下、NGHと略す。)を製造する例を示しているが、本発明は天然ガスに限らず、他の原料ガス、例えばメタンガス、炭酸ガス等のハイドレート製造に適用できる。
【0018】
図1に示すように、流動層反応塔1は、円筒状の縦型に形成され、塔頂部に原料ガスである天然ガスが供給されるようになっている。また、塔底部から一定の高さ位置に多孔板2が設けられ、この多孔板2の上方にスクリューコンベア3により搬送された低濃度(例えば、45〜55重量%)の天然ガスハイドレート(以下、NGHと称する。)が投入されるようになっている。また、底部と多孔板2との間に、循環ガスブロワ4から冷却器5と流量制御弁6を介して原料ガスである天然ガスが、流動化ガスとして吹き込まれるようになっている。流動層反応塔1の頂部はサイクロン7を介して循環ガスブロワ4の吸引口に連通されている。これによって、流動層反応塔1内に流動化ガスである天然ガスが循環されるようになっている。また、冷却器5の下流側に温度計9が設けられ、図示していないが、温度計9の検出温度を設定温度に保持するように、冷却器5の冷媒の流量が制御されるようになっている。これらの循環ガスブロワ4、冷却器5、サイクロン7等によって、原料ガス循環装置が形成されている。
【0019】
一方、多孔板2の下側に、モータ10によって駆動されるスクリューコンベア11の一端側が挿入されている。スクリューコンベア11が挿入された部位の多孔板2に開口が設けられ、その開口に対向させてスクリューコンベア11のケーシングに開口が設けられている。これによって、流動層反応により高濃度になった多孔板2の近傍のNGHが、スクリューコンベア11により搬出されるようになっている。このスクリューコンベア11の他端側は、製品NGHを貯留するホッパ12の上部に連通されている。また、図示していないが、モータ10の電流などによりスクリューコンベア11の負荷を検出し、その検出値を設定範囲に収めるように、流量制御弁6を制御して循環ガス量を調整することにより、製品NGHの濃度を所望値に保持することもできるようになっている。なお、循環ガス量を調整することに代えてあるいは循環ガス量の調整と共に、スクリューコンベア11の搬出量と、冷却器5の冷媒の流量の少なくとも1つを制御することにより、製品NGHの濃度を所望値に制御するようにしてもよい。なお、本実施形態の流動層反応塔1は、フリーボードと称する上部大径部が形成されているが、これに限らず全体を同一径に形成してもよい。
【0020】
このように構成されることから、本実施形態によれば、流動層反応塔1に投入されて形成されるNGH層に多孔板2を介して天然ガスが噴出されると、多孔板2の上部にNGHの流動層が形成される。この流動層においてNGHの付着水と冷却された天然ガスとが活発に反応してNGHが生成され、NGH濃度を例えば90重量%以上に高めることができる。このようにしてNGH化率が高められた粉粒状のNGHは、スクリューコンベア11によってホッパ12に搬送されて一旦貯留される。ホッパ12に貯留された粉粒状のNGHは、排出弁13を介して適宜切り出され、製品NGHとして、あるいはNGHペレット製造装置等に移送してさらに加工されるようになっている。なお、ホッパ12内は高圧(例えば、3〜10Mpa)であることから、図示していないが、通常は、排出弁13の下流側に脱圧装置が設けられる。
【0021】
一方、流動層反応塔1の流動層を形成した原料ガスのうち、水和反応に寄与しなかった原料ガスは、頭頂部からサイクロン7を介して循環ガスブロワ4により吸引される。循環ガスブロワ4により吸引された原料ガスは、冷却器5によって冷却され流量制御弁6を介して、再び流動層反応塔1の多孔板2の下側に戻される。この冷却器5によって、流動層の水和反応熱により上昇した原料ガスを冷却して、流動層反応塔1の温度をNGH生成に適した低温(例えば、1〜5℃)に保持して、反応を促進させるようにしている。
【0022】
ここで、循環ガスブロワ4により循環される原料ガスには、流動層反応塔1の頭頂部から抜き出される循環ガスの流れに同伴して微細なNGHの粉体が混じる。この循環ガスに混じる微細なNGHの粉体は、頭頂部の流速に依存することから、本実施形態では頂部の径を流動層部よりも大きくしたフリーボード部を設け、頭頂部の流速を下げて同伴するNGH粉体を低減するようにしている。例えば、フリーボード部を設けた場合は、同伴するNGH粉体の限界粒径を約100μmに抑えることができる。因みに、頂部の径を流動層部と同一径にした場合は、同伴するNGH粉体の限界粒径が約200μmに増加する。
【0023】
しかし、いずれにしても頭頂部から抜き出される循環ガスには、微細なNGH粉体が混じることから、サイクロン7に導かれて遠心力によりNGH粉体が分離される。サイクロン7で分離されたNGH粉体は底部から抜き出されて、例えば図示していない圧入手段により流動層反応塔1またはNGHスラリー製造装置などに戻されるようになっている。
【0024】
このようにして、本実施形態によれば、流動層反応塔1に循環させる循環ガスに同伴する微細なNGHをサイクロンによって効果的に分離捕集することができるから、循環ガスブロワ4や冷却器5などに影響を及ぼすことなく、流動層ガスハイドレート生成装置を安定に連続して運転することができる。
(実施形態2)
図2に本発明に係る流動層ガスハイドレート生成装置の他の実施形態の構成図を示す。本実施形態が図1の実施形態と異なる点は、サイクロン7の後流側にNGH捕集器8を設けたことにある。その他は、図1の実施形態と同一の構成であるから、同一の符号を付して説明を省略する。
【0025】
図3に、図2のNGH捕集器8の一実施の形態の詳細構成を示す。図3に示すように、本実施形態のNGH捕集器8は、2系列のNGHフィルタ21A,Bを備えて構成されている。ここで、NGHフィルターとしては、例えば、セラミックフィルター、金属繊維、合成樹脂繊維(例えば、ナイロンやテフロン加工された繊維)等のガスフィルターが用いられる。なお、循環ガス系統は、高圧(例えば、3〜10Mpa)であるから、それぞれのNGHフィルタ21A,Bの全体を圧力容器に収納して形成することにより、NGHフィルタ21A,Bの耐圧構造を考慮する必要がないから好ましい。
【0026】
NGHフィルタ21A,Bの入口は、それぞれ電磁弁などの自動弁22A,Bを介してサイクロン7の循環ガスの出口に連通されている。また、NGHフィルタ21A,Bの出口は、それぞれ自動弁23A,Bを介して循環ガスブロワ4の吸引口に連通されている。各NGHフィルタ21A,Bには、それぞれ加熱手段であるヒータ24A、Bが設けられている。各ヒータ24A、Bとしては、例えば温水などを通流する伝熱管、または電気ヒータを用いることができる。また、NGHフィルタ21A,Bの底部に、自動弁25A,Bを備えた排水ノズル26A,Bが設けられている。さらに、分解してフィルタに付着した水をパージするためのパージガスライン28A,28Bが設置されている。
【0027】
このように構成される図3のNGH捕集器8の動作について説明する。まず、NGHフィルタ21A,21Bのいずれか一方を運転側とし、他方を待機側とする。ここでは説明のため、NGHフィルタ21Aを運転側、NGHフィルタ21Bを待機側とする。運転側の自動弁22Aと23Aを開き、待機側の自動弁22Bと23Bを閉じる。これにより、サイクロン7から排出される循環ガスはNGHフィルタ21Aに流入され、同伴されてくるより微細なNGH分はフィルタにろ過されて循環ガスから分離される。これにより、NGH粉を殆ど含まない循環ガスが循環ガスブロワ4に吸引されることになるから、循環ガスブロワ4や冷却器5などに及ぼす影響を回避することができる。
【0028】
このようにして、フィルタにろ過されたNGH粉がフィルタ面に堆積してくると、フィルタの圧力損失により動力損失が大きくなる。そこで、フィルタの圧力損失が大きくなったことを検知したとき、あるいはタイマーなどにより定期的に、待機側の自動弁22B、23Bを開くと同時に、運転側の自動弁22A、23Aを閉じて、運転するフィルタを、NGHフィルタ21AからNGHフィルタ21Bに切替える。これにより、流動層反応塔1の運転を安定に継続することができる。
【0029】
NGHフィルタ21Aのフィルタ面に堆積したNGH粉は、ヒータ24Aを運転してNGH粉を分解温度(例えば、5℃以上)に加熱すると、NGHが分解して元の原料ガスと水とに戻る。これにより、フィルタ面に堆積したNGH粉による目詰まりを解消することができる。分解した水は、適宜、自動弁25Aを開いて排出ノズル26Aから排出する。排出水は、例えば、NGHスラリー生成装置に戻すことができる。また、フィルターに付着した分解水は、パージガスライン28A,28Bより原料ガス等のガスをパージして除去する。
【0030】
このようにして、本実施形態のNGH捕集器8によれば、流動層反応塔1に循環させる循環ガスに同伴する微細なNGHをサイクロン7により捕集するとともに、サイクロン7で捕集しきれなかったより微細なNGH粉をNGH捕集器8により捕集できる。したがって、循環ガスに同伴する微細なNGHを効果的に分離捕集することができるから、循環ガスブロワ4や冷却器5などに影響を及ぼすことなく、流動層ガスハイドレート生成装置を安定に連続して運転することができる。
【0031】
なお、上記の実施形態では、NGHフィルタ21A、Bのフィルタ面に堆積したNGH粉を、ヒータ24A、Bにより加熱して分解させる例を示したが、本発明はこれに限らず、要はフィルタに堆積したNGH粉を元の原料ガスと水に分解すればよいことから、NGHの生成条件の一つである、圧力を下げることによってもNGH粉を分解することができる。この場合は、ヒータ24A、Bに代えて、減圧手段を設けることになる。
(実施形態3)
図4に、図2の実施形態のNGH捕集器8の他の実施形態の構成図を示す。本実施形態は、図3のNGHフィルタに代えて、静電気によりNGH粉を捕集する静電捕集器を適用したものである。すなわち、サイクロン7と循環ガスブロワ4との間の循環ガス流路の水平配管部に、図4に示す静電捕集器を設置する。また、図3の実施形態と同様、静電捕集器の全体を高圧容器内に収納して形成することが好ましい。
【0032】
静電捕集器は、静電気力を考慮して循環ガスの流速を落すためにケーシング31の胴部を拡幅して形成される。サイクロン7側に接続されるケーシング31の胴部の入口側に絶縁碍子32に支持された放電極33が設けられている。この放電極33は、針状の突起を複数有して形成され、直流の高圧電源34の陰極に接続されている。放電極33の下流側のケーシング31の胴部には、金網などの多孔板からなる複数枚の捕集電極35が流れ方向に配列されている。捕集電極35は、高圧電源34の陽極と共に接地されている。捕集電極35の下方のケーシング31の壁面は、金網などの多孔板36により形成され、その多孔板36を包囲してNGHの回収部37が設けられている。回収部37の内部には、ヒータ38が配設されている。このヒータ38としては、例えば温水などを通流する伝熱管、または電気ヒータを用いることができる。回収部37の底部には電磁弁などの自動弁39を備えた排水ノズル40が設けられている。
【0033】
このように構成される静電捕集器の動作について説明する。高圧電源34をオンすると、放電線33の針状突起から放電が起こり、サイクロンで捕集しきれない微細なNGH粉に負の電荷が荷電される。荷電されたNGH粉は高圧電源34の陽極に接続された捕集電極35、すなわち逆極性の電圧が印加された捕集電極35に静電気力で捕集される。これにより、循環ガス中から微細なNGH粉が分離除去され、NGH粉を殆ど含まない循環ガスが循環ガスブロワ4に吸引されることになるから、循環ガスブロワ4や冷却器5などに及ぼす影響を回避することができる。
【0034】
次に、捕集電極35に捕集されたNGH粉を放置しておくと、捕集電極35の金網などの開口が閉塞されるおそれがあることから、捕集電極35に堆積したNGH粉を除去する必要がある。本実施形態では、図示していないが、高圧電源34の接続を切換えて、捕集電極35にNGH粉の荷電極性と同極性の電圧を印加し、静電斥力により捕集電極35から剥離落下させるようにしている。落下されたNGH粉は回収部37に集積されるが、ヒータ38を運転することによって分解される。分解により生じた水は、排水ノズル40から適宜、NGHスラリー生成装置等に排出される。
【0035】
このようにして、本実施形態によれば、流動層反応塔1に循環させる循環ガスに同伴する微細なNGHを効果的に分離捕集することができるから、循環ガスブロワ4や冷却器5などに影響を及ぼすことなく、流動層ガスハイドレート生成装置を安定に連続して運転することができる。
【0036】
上記実施形態では、放電極33を負極とし、捕集電極35を陽極とする例を説明したが、それらの極性を逆にしても同一の効果を奏することができる。また、捕集電極35に捕集されたNGH粉を剥離落下させるために、捕集電極35に逆極性の電圧を印加する例を説明したが、これに代えて、捕集電極35に機械的な振動を与えてNGH粉を剥離落下させるようにすることができる。また、捕集電極35の近傍にヒータ38を設けて、捕集されたNGH粉を加熱により分解して除去することができる。また、捕集電極35の一端を除いてケーシングから絶縁し、捕集電極35自体を電気ヒータとして、付着したNGH粉を加温分解して、捕集電極35から除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の一実施の形態の流動層ガスハイドレート生成装置の構成図である。
【図2】本発明の他の実施の形態の流動層ガスハイドレート生成装置の構成図である。
【図3】図2の実施形態のNGH捕集器の一実施形態の構成図である。
【図4】図2の実施形態のNGH捕集器の他の実施形態の構成図である。
【符号の説明】
【0038】
1 流動層反応塔
2 多孔板
4 循環ガスブロワ
5 冷却器
6 流量制御弁
7 サイクロン
8 NGH捕集器
21A,B NGHフィルタ
22A,B 自動弁
23A,B 自動弁
24A,B ヒータ
25A,B 自動弁
26A,B 排水ノズル

【特許請求の範囲】
【請求項1】
原料ガスを流動化ガスとするガスハイドレートの流動層を形成してガスハイドレートの濃度を高くする流動層反応塔と、前記流動層反応塔の頂部から前記原料ガスを抜き出し、冷却して前記流動層反応塔の底部に戻す原料ガス循環装置と、該原料ガス循環装置によって前記頂部から抜き出される原料ガスに含まれるガスハイドレートを捕集するサイクロンとを備えてなる流動層ガスハイドレート生成装置。
【請求項2】
前記サイクロンから排出される原料ガスに含まれるより微細なガスハイドレートを捕集する捕集器を備えることを特徴とする請求項1に記載の流動層ガスハイドレート生成装置。
【請求項3】
前記捕集器は、前記微細なガスハイドレートをろ過する交互に切替え可能な2系列のフィルタと、該フィルタを加熱する加熱手段とを備えてなることを特徴とする請求項2に記載の流動層ガスハイドレート生成装置。
【請求項4】
前記捕集器は、前記微細なガスハイドレートをろ過する交互に切替え可能な2系列のフィルタと、前記フィルタ内の前記原料ガスの圧力を設定圧力に下げる減圧手段を備えてなることを特徴とする請求項2に記載の流動層ガスハイドレート生成装置。
【請求項5】
前記捕集器は、前記微細なガスハイドレートに荷電する放電極と、該放電極により荷電されたガスハイドレートの電荷とは逆極性の電圧が印加される捕集電極と、該捕集電極に捕集されたガスハイドレートを該捕集電極から除去する手段とを有する静電捕集器であることを特徴とする請求項2に記載の流動層ガスハイドレート生成装置。
【請求項6】
前記ガスハイドレートを前記捕集電極から除去する除去手段は、前記捕集電極を振動させる手段であることを特徴とする請求項5に記載の流動層ガスハイドレート生成装置。
【請求項7】
前記ガスハイドレートを前記捕集電極から除去する除去手段は、前記捕集電極を前記ガスハイドレートの電荷と同極性の電圧を印加する手段であることを特徴とする請求項5に記載の流動層ガスハイドレート生成装置。
【請求項8】
前記ガスハイドレートを前記捕集電極から除去する除去手段は、前記捕集電極を加熱する手段であることを特徴とする請求項5に記載の流動層ガスハイドレート生成装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2006−111743(P2006−111743A)
【公開日】平成18年4月27日(2006.4.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−301077(P2004−301077)
【出願日】平成16年10月15日(2004.10.15)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.テフロン
【出願人】(000005902)三井造船株式会社 (1,723)
【Fターム(参考)】