(57)【要約】【課題】ガスハイドレートのペレットを効率的に分解してガスと取出す方法と装置を提供すること。【解決手段】分解槽にガスハイドレートペレットを供給し、この分解槽中の下流側においてペレットを堰きとめて密集させ、この密集状態のペレット層に温水を通過させて、水とガスとに分解することを特徴とするガスハイドレートの分解方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分解槽にガスハイドレートペレットを供給し、この分解槽中の下流側においてペレットを密集させ、この密集状態のペレット層に温水を通過させて、水とガスとに分解することを特徴とするガスハイドレートの分解方法。
【請求項２】
分解槽の下流側にハイドレートの塊の流出を阻止し、分解して発生した水とガスとを分離するためのスクリーンを設けた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分解方法。
【請求項３】
ガスハイドレートペレットを充填してこれを加熱分解する分解槽と、分解して発生した水とガスを分離する気液分離タンクと、余剰水を蓄える水タンクと、前記分解槽で発生したガスと水との混合物を気液分離タンクとを連絡する配管と、前記気液分離タンクの水を加熱器によって加熱して前記分解槽の下方より供給する配管とを有することを特徴とするガスハイドレートの分解装置。
【請求項４】
前記分解槽の内部に、ガスハイドレートペレットと発生したガスと水とを分離するためのスクリーンを設けたことを特徴とする請求項３に記載のガスハイドレートの分解装置。
【請求項５】
前記分解槽に供給する水を加熱する手段は、配管に組み込まれた外部加熱器、あるいは分解槽自体を加熱する加熱器であることを特徴とするガスハイドレートの分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスハイドレートのペレットを加熱分解してガスを効率的に取り出す方法とその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パイプラインが敷設されていない地域においては、天然ガスを人工的に一旦液化し、液化天然ガス（LNG）として専用の船やローリーで輸送される手段が広く行われている。LNGは、液化をすることでその体積の約６００倍ものガスを包蔵することができるが、原料ガスを−１６２℃もの極低温まで冷却して液化するので、液化のための冷凍動力が必要であり、さらに貯蔵設備などでは高い断熱性能が要求される。
【０００３】
一方、ガスハイドレートは、ガスと水が反応して、水分子の作る籠の中にガスを取り込んで固体となった水和物である。原料ガスが天然ガスの場合はメタンを主成分とする混合ガスが取り込まれ、これは天然ガスハイドレート（Natural Gas Hydrate : NGH）と呼ばれている。NGHは、低温・高圧のもとで安定状態を保ち、通常は常温・常圧の下では分解領域になるため、陸上では永久凍土地域、海域では高い水圧がかかる水深５００ｍより深い海底下に存在する。
【０００４】
NGHは、構造中にその体積の約１６０倍のガスを包蔵でき、且つ、分解領域となる大気圧下−１０℃〜−２０℃の温度で、比較的、分解速度が遅くなる独自の特性が知られている。そこで、例えば圧力が約５MPa程度、温度が５℃程度でNGHを人工的に製造、その後、冷却・脱圧を行い、分解が抑えられる緩やかな領域を利用してハイドレートを貯蔵・輸送する新たな天然ガスの輸送手段が注目されている。
【０００５】
ハイドレート自体は粉雪状（微粉状）で嵩があり、輸送効率や保存性の面からそのままの状態では使用されることは少なく、これを所定の形状・大きさに圧縮成形して“ペレット状”、例えば、直径が２ｃｍから３ｃｍの成形物として輸送あるいは保管されている。従って、ペレット中のガスを原料や燃料に利用する際は、ペレットを加熱分解して、発生したガスを消費先に送給する。
【０００６】
人工的なNGHの製造・貯蔵形態の一例を紹介する。ハイドレート生成装置で得られた微粉状の原料を、表面に凹部を設けた一対のローラ型プレス装置や成形型で圧縮してペレット状態にして、保存温度まで冷却する。そのペレットは、例えば、直径が３０ｍ、高さが６０ｍの大型の貯蔵タンク内に供給しても破壊・圧壊されることがなく、その形状を維持できるように強度を持たせている。従って、このように強固なペレットを水とガスとに分解してガスを取り出すには、効率的な“再ガス化工程”が別途必要になる。
【０００７】
再ガス化工程としては例えば、特許文献１があるが、この文献によれば、横型回転式のガス化容器内の温水中にペレットを充填し、生成されたガスと水を気液分離器に導いて分離し、この気液分離器からガスを取り出すとともに水はポンプで抜き出して加熱した後に再びガス化容器に戻すように構成している。
【０００８】
また、特許文献２には、縦長のガス化容器内の上部にガスハイドレートを供給するリング状のノズルを配置し、容器内の中央であって下端に回転羽根を、上部に破砕羽根をそれぞれ設けた回転軸を配置し、更に攪拌羽根の周囲に分厚い円筒状の熱交換器を形成すると共に容器の底部に気泡分離板を設けた装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２７９２８１号公報
【特許文献２】特開２００５―２３９７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記特許文献１に記載された再ガス化装置は、横型の処理容器の中に、温水とガスハイドレート破壊用の塊体とガスハイドレートのペレットを供給し、処理容器自体を回転させて塊体でガスハイドレートを破砕しながら温水の熱で気化させてガスを発生させている。従って、この装置は塊体とペレットを回転させるための大きな駆動動力を必要とするという欠点がある。更に、ガスハイドレートペレットを破砕した上で温水と混合させ、これを攪拌しながらガス化する構成を採用しており、この装置の構成では回転および攪拌動力さらにはペレットが浮遊する空間が必要となり、ガス化効率が極めて悪く、大量のガスハイドレートペレットの処理には適していない。
【００１１】
また、前記特許文献２に記載された装置の場合は、この装置を使用する際には、容器内に温水を循環させながら前記ノズルよりガスハイドレートを供給し、破砕羽根で破砕して温水中に混合させ、更にこの混合物を熱交換器の部分で攪拌しながらガス化して容器の下部に移送し、容器の下端より温水を抜き出すと共に、容器の上部のガス化によって発生したガスをガス排出管より排出するように構成している。
【００１２】
前記引用したガスハイドレートの再ガス化装置は、容器内でペレットを破砕したり、その破砕物を温水と混合・攪拌しながら分解したり、また、容器中で温水を作る熱交換器などの各種の装置が必要である。その上、前記破砕や攪拌に使用される動力が大きく、設備費および運転費が高いという問題点があり、工業的には採用が困難である。
【００１３】
そこで本発明者等は、集合体としたペレットの配置とガス化効率に着目し、下記の実験を行った。
【００１４】
熱伝達量とレイノルズ数との関係の確認実験
図４は、内径が９．３ｃｍ、高さが２０ｃｍのガス化容器３０に温度計３１ａ〜３１ｄ、ポンプ３２、水供給槽３３、水温計３４、流量計３５、気液分離槽３６、ガス流量計３７および水流量計測装置３８からなる試験装置４０を準備し、直径が２〜３ｃｍのメタンハイドレートのペレットｑを平均充填率６６％（ペレット体積：６６％、水およびガス体積：３４％）で充填し、水供給槽３３からポンプ３２を用いて水を供給し、ペレットｑで満たされた充填層Ｊを通過させて、発生したメタンガスｇを気液分離槽３６で分離してガス流量計３７を経由して排出しながら供給水のレイノルズ数（Ｒｅ）と熱伝達量を示すヌセルト数（Ｎｕ）を実験結果から算出して、図５に曲線Ａとして表示した。
【００１５】
また、比較対象として、曲線Ｂは固体物を充填した状態の一般熱伝達量を示したランツの式から算出したヌセルト数（Ｎｕ）、曲線Ｃは単一球の一般熱伝達量を示したランツ−マーシャルの式から算出したヌセルト数（Ｎｕ）を、レイノルズ数（Ｒｅ）に対してそれぞれ表示している。
【００１６】
ペレットを充填した曲線Aの実験結果から、ペレットを充填してガス化をした場合、例えばReが２５０の熱伝達量は、曲線Bに示す充填状態の熱伝達量の２．０倍、同様にReが５００では２．３倍となり、Reが大きくなるとその比率はさらに大きくなる。ガス化容器３０内に充填されているペレットｑの間隙を温水が通過してペレットｑが次第に分解してガスが発生するが、このガスは温水の中に混合して混合流となる。この発生ガスが供給水に加わることで流体の体積が増えて、ペレットの空隙から計算される見掛けのReよりもさらに大きくなる。しかも、ペレットをガス化した場合、ペレット表面から気泡が発生し、さらに、発生したガスは下流側に充填されているペレット表面に衝突する様子が実験から観察できた。
【００１７】
充填槽でのハイドレートのガス化は、ペレット表面の流れをかき乱して境界層を活発に刺激する効果（以後、乱流効果）もあり、ガス化を併わない充填状態に比べ大きな熱伝達量が得られると考えられる。
【００１８】
このように、ハイドレートペレットを充填状態として、一方向から通水してガス化をすることにより、発生ガスが加わった供給水が空隙を流れることで増速されること、さらに、ペレット表面付近の気泡発生・下流への衝突での乱流効果によりに一般的な熱伝達量よりも多くの熱伝達量が得られる結果が得られた。
【００１９】
高い熱伝達量が得られることは、固体であるペレットと熱源である流体の接触面積もしくはお互いの温度差を小さくできることから、効率的にガス化が行えることになることになる。
【００２０】
〔２方式の再ガス化特性の比較〕
（第１の攪拌方式の装置）
図６に示す第１の再ガス化装置１０は、ペレットｐを温水ｈ中を浮遊状態で攪拌して分解する装置であって、ペレットｐが自由に温水ｈ中で運動しながら受熱する形式のものである。この形式の固・液接触の状態は、機械攪拌により浮遊しているペレットｐの表面と温水ｈの相対位置が変わりながら受熱して分解する熱伝達を行っている。
【００２１】
図８の（Ａ）にこの状態のモデルを示しており、ペレットｐは回転や移動が出来るように十分な間隔を持っており、温水ｈの流れをｆで表し、また渦をｖで表し、ペレットｐの回転を矢印で表している。ペレットｐと温水ｈとの接触は、ペレットｐが運動する間で発生するものであり、従って、攪拌による温水hと、その流れに同調して回転や移動するペレットｐの表面との相対速度によって受熱量が決まるが、同調することで相対速度は発生し難く、受熱量は余り大きくはないと判断できる。
【００２２】
図６に示した熱分解装置においては、攪拌羽根２ａの回転速度と温水ｈの温度によってペレットｐが分解してガスの発生量が変化する。さらに、この形態では、ペレットが
浮遊している状態で、発生したガスは温水面近傍の浮遊ペレット中を浮上するだけなので、発生ガスによる増速の効果は期待できない。よって、熱伝達量を多くするには、流体との接触面積を増やすためにペレットｐ自体が小型のものであるか、予め破壊するか、もしくはガス化容器自体を大きくしてガス化速度を高める方法がある。従って攪拌速度とペレットｐおよび容器の大きさ、および温水の温度に関係してガスの発生量が決まる。
【００２３】
（第２のペレット密集方式の分解装置）
図７に示す第２の再ガス化装置１０Ａは、分解部１１を構成する分解筒１４にはペレットｐが温水ｈの流れと共に下方一方向から移送されて分解部１４の上部に配置されているスクリーン１６の障害物によって止められて団子状態に密集し、それ自体で自由運動ができずガス化容器に対する相対位置はほぼ固定され、ペレットｐの大きさや形状の変化によって、小範囲でズレ移動を伴って運動するようになっている。
【００２４】
このペレット同士が密集して、それぞれが拘束状態でもペレットｐの間には細い隙間で形成された流路が存在しており、ペレットｐが分解して発生した水と温水とガスｇの混合流は配管１７によってガス分離部１２に供給され、水は循環路１３、ポンプ２０、熱交換器２１、循環管路１３に接続されたペレット供給装置２２よりペレットｐを流れに供給し、供給管１５より分解筒１４に供給するように構成されている。
【００２５】
配管１７を含む循環管路１３を流れる温水ｈは、図８（Ｂ）に示すようにペレットｐの集合体の間隙を矢印のように任意方向に流れるが、その間隙は微細なものであるので、温水ｈとペレット表面との接触は強制的なものとなる。つまり、強制的に供給された温水ｈは、ペレットｐとの界面を強くかき乱しながら流れ、その間に熱量を与えてペレットｐの熱分解を促進する形式のもので、温水強制接触型分解装置であると言える。
【００２６】
ペレットｐ間の狭い間隙を温水ｈが通過する際の流体抵抗は、ペレットｐの大きさ、層の厚さ、分解と共に刻々と変化するペレットの表面状態および流速に関係する。流体抵抗が上がることで、通水に用いるポンプ動力は上がるものの、図６に示した第１の攪拌方式の装置のような機械攪拌や予め解砕する必要がないので、効率的にガス化を行える方式といえる。
【００２７】
（結  論）
以上のように、第１の攪拌方式の再ガス化装置と第２の再ガス化装置、つまりペレット密集方式の温水の強制通過式の再ガス化装置と比較すると、後者の装置の方が、ペレットの熱分解性能が優れていることが理解できる。そして、後者の装置においては、再ガス化性能に優れる分、ガス化容器自体を小型化でき、また、機械的な攪拌および解砕の動力が少なく、設備的にもメンテナンス性に優れたガス化装置が実現可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明に係るガスハイドレートの分解方法は、次のように構成されている。
【００２９】
１．分解槽にガスハイドレートペレットを供給し、この分解槽中の下流側においてペレットを密集させ、この密集状態のペレット層に温水を通過させて、水とガスとに分解することを特徴としている。
２．分解槽の下流側にハイドレートの塊の流出を阻止し、分解して発生した水とガスとを分離するためのスクリーンを設けたことを特徴としている。
【００３０】
本発明に係るガスハイドレートの分解装置は次のように構成されている。
【００３１】
３．ガスハイドレートペレットを充填してこれを加熱分解する分解槽と、分解して発生した水とガスを分離する気液分離タンクと、余剰水を蓄える水タンクと、前記分解槽で発生したガスと水との混合物を気液分離タンクとを連絡する上部配管と、前記気液分離タンクの水を加熱器によって加熱して前記分解槽の下方より供給する下部配管とを有することを特徴としている。
４．前記分解槽の内部に、ガスハイドレートペレットと発生したガスと水とを分離するためのスクリーンを設けたことを特徴としている。
５．前記分解槽に供給する水を加熱する手段は、配管に組み込まれた外部加熱器、あるいは分解槽自体を加熱する加熱器であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、ガスハイドレートのペレットを水とガスとに分解してガスを取出し、そのガスを燃料として、あるいは原料として使用する場合に、従来の装置のように攪拌動力や場合によってはペレットを解砕する必要がなく、ペレットの集合体（密集状態）に温水を供給してペレットの間に形成される僅かな間隙を利用して温水を通過させるのである。
【００３３】
その温水はペレットの表面を流れてガスを発生させるが、そのガスは温水中に混合されて見かけ上温水が増えたようになり、温水の流れが速くなる。さらに、発生したガス気泡は下流側のペレット表面をかき乱し、その結果、温水とペレットの表面での熱伝達特性が向上すると考えられ、従来の攪拌式分解装置に比較すると遥かに効率的にペレットを分解することが出来る。
【００３４】
また、本発明は、ペレットを温水中で攪拌しないので、その攪拌動力を消費せず、運転に要する費用を減少させることができる。また、熱伝達率が著しく改善されること、ペレットをガス化槽内で浮遊させる必要がないので、装置を全体的に小型化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施例の再ガス化装置の概略図である。
【図２】第２の実施例の再ガス化装置の概略図である。
【図３】第３の実施例の再ガス化装置の概略図である。
【図４】ペレットのガス化の実験装置の概略図である。
【図５】レイノルズ数と熱伝達係数の実験データを示すグラフである。
【図６】従来の攪拌型再ガス化装置の概略図である。
【図７】本発明に係るペレット密集式の再ガス化装置の概略図である。
【図８】（Ａ）は、攪拌式再ガス化装置における分解状態の説明図、（Ｂ）は、ペレット密集式再ガス化装置のペレットの隙間に温水を強制的に通過させて熱伝達を行う状態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
次に、図面を参照して本発明に係るガスハイドレートペレットの分解装置について説明する。
【００３７】
図１は、第１の実施例に係る分解装置の概略図であって充填タンク５０（分解槽：直径１５００ｍｍ、高さ４ｍ）の上部に接続した配管５１により気液分離タンク５２を接続し、このタンク５２の下部と前記充填タンク５０の底部を配管５３で連結されている。また、前記充填タンク５０の底部は、水を貯蔵する常圧タンク５４と接続されている。
【００３８】
図示しないペレット製造装置あるいはペレット貯蔵タンク（例えば、常圧）より供給されるペレットｐ（直径2〜3ｃｍ）は、大型の回転バルブ５５（ペレット供給器）付きの大口径の供給管５６より充填タンク５０に、回転バルブ５５の回転により断続的に供給・充填され、その後、この回転バルブ５５は閉止され、バッチ式に分解処理されることになる。
【００３９】
そして高圧に維持されている気液分離タンク５２に貯蔵されている温水ｈをポンプ５７と熱交換器５８、バルブ５９を経由して充填タンク５０の底部より供給され、ペレットｐと接触して分解しながら上部の配管５１中に、発生したガスｇと温水ｈの混合流（ｇ＋ｈ）として流れる。充填タンク５０の頂部にスクリーン６０が設けてあり、分解中のペレットｐはこれに阻止された状態で、温水ｈと接触して最後まで分解することになる。
【００４０】
配管５１には自動流量調整バルブ６１が、また、配管５３には自動流量調整バルブ５９がそれぞれ設けてあり、これらのバルブの協働操作によって充填タンク５０内のペレットｐの残量によって温水ｈの流量を制御しながらペレットｐの分解操作が行なわれる。ペレットｐの分解と共にペレットｐを形成していた水ｗが発生するが、この水ｗは気液分離タンク５２に流入し、このタンク５２内においてガスｇと水ｗとに分離され、このガスｇは配管６２、自動制御バルブ６３を経由して利用先に供給される。なお、記号６４と６５とは、同種の装置の複数系列を示している。
【００４１】
図２は、第２の実施例に係る再ガス化装置７０を示しており、ペレットｐの貯蔵タンク７１の下方にペレット供給用の回転バルブ７２が配置され、この回転バルブ７２に接続された配管７３を経由してペレットｐが分解槽７４に間欠的に供給されて分解処理されるようになっている。この分解槽７４はジャケット７５をそれぞれ配置した分解室７６を有しており、前記回転バルブ７２を介して送給されたペレットｐが前記分解室７６内において加熱分解されて水ｗとガスｇとに分離し、水ｗは配管７７、ポンプ７８、配管７９を経由して再び回転バルブ７２の上流側に供給され、この回転バルブ７２の回転動作と共に送出されるペレットｐを配管７３に送り込むように構成されている。なお、８０はバイパス管、８１はペレットの排出管である。
【００４２】
前記分解槽７４には高熱源である温水の供給管８２が接続され、その高温水がシャケット７５に供給され、分解室７６を周囲より加熱する。この分解室７６の頂部にスクリーン８２が設けあり、未分解のペレットｐが水ｗと共に排出されることを防止し、ジャケット７５からの熱量を受けて効率的にペレットｐを最後まで加熱分解するように構成されている。
【００４３】
分解室７６内の流れは発生ガスｇにより増速され、さらに、内面付近では気泡が通過しその乱流効果で、供給管８２から供給される高温水と活発に熱伝達が行われる。また、この分解槽７４で分離されたガスｇはガス供給ライン８３を経由して使用先に送給されるように構成されている。
【００４４】
図３は、第３の実施例であるが、図２におけるペレット貯蔵タンク７１と同様な装置を“７１ａ”と、英文字ａを付加して記載している。前記図２に示す第２の実施例においては、分解槽７４の内部にジャケット７５を設けた「加熱手段一体型」の分解槽７４を示した。これに対して図３に示す実施例おいては、外部加熱器９３を設けて、スクリーン９１を配置した分解槽９０（充填タンク）より排出される水ｗを配管９２を介して外部熱交換器９３に供給し、これで所定の温度に加熱し、得られた温水をポンプ７８ａを介して循環路７９ａに還流させるように構成している。そして、分解槽９０で発生したガスｇは、ガス供給ライン９４を介して使用先に送給されるように構成されている。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、ガスハイドレートＮＧＨを分解してガスｇを取出し、そのガスｇを燃料として、あるいは原料として使用する場合に、前記のように、従来の攪拌式分解装置に比較すると遥かに効率的に分解させることができるので、ガスｇを省エネルギーで供給することができ、また、装置を小型化することができる。
【符号の説明】
【００４６】
５０  分解槽（充填タンク）
５２  気液分離タンク
５３  常圧タンク
５５  回転バルブ
５７  ポンプ
５８  熱交換器
５９  自動流量制御バルブ
６０  スクリーン
６１  自動流量制御バルブ
７０  第２の再ガス化装置
７２  ペレット供給用回転バルブ
７３  上部配管
７４  分解槽
７５  ジャケット
７６  分解室
７９  下部配管
【図１】
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【図２】
2011021705.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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