(57)【要約】【課題】天然ガスハイドレートの分解という現象の利用を図る。【解決手段】分解混合槽２０１（分解混合装置）内での天然ガスハイドレート３０１の分解によって生成される水を精製槽２５１（精製装置）の貯水槽２５２に貯水し、同様に分解混合槽２０１内での天然ガスハイドレート３０１の分解によって生成される天然ガスを、分解混合槽２０１に導入される汚泥を嫌気性処理して得た消化ガスと混合させて混合ガスを生成し、生成した混合ガスを貯水槽２５２内の水の中にマイクロバブル化して導入し、混合ガスに含まれる炭酸ガスを水中に効率よくトラップさせて貯水槽２５２の内部で高純度のメタンガスを精製するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガスハイドレートを収納可能な収納部と、当該収納部に汚泥を嫌気性処理して得た消化ガスを導入するための消化ガス取込部と、当該消化ガス取込部から導入される消化ガスと前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される天然ガスとが混合されて生成される混合ガスを外部に排出する混合ガス用排出部と、前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される水を外部に排出する第１の排水部と、を有する密閉された分解混合装置と、
水を貯水する貯水槽と、当該貯水槽と前記第１の排水部とを連通させて当該第１の排水部から排出された水を前記貯水槽に導入する水用流路と、前記貯水槽と前記混合ガス用排出部とを連通させて当該混合ガス用排出部から排出された混合ガスを前記貯水槽に貯水される水の中に導入するガス用流路と、当該ガス用流路の端部に設けられて前記貯水槽に貯水される水の中で混合ガスをマイクロバブル化させる多孔部と、前記貯水槽の内部で精製される高純度のメタンガスを外部に排出する精製ガス排出部と、前記貯水槽に貯水された水を排出する第２の排水部と、を有する精製装置と、
を備える高純度メタンガス製造装置。
【請求項２】
前記ガス用流路は、前記分解混合装置で生成される天然ガスを前記貯水槽に貯水される水の中に圧送するコンプレッサを有するバイパス流路を備える、請求項１記載の高純度メタンガス製造装置。
【請求項３】
天然ガスハイドレートを貯留するＮＧＨタンクと、
前記ＮＧＨタンクから選択的に前記混合分解装置の収納部に天然ガスハイドレートを供給する供給機構と、
を備える請求項１又は２記載の高純度メタンガス製造装置。
【請求項４】
単一の前記精製装置に対して複数個の前記分解混合装置が対応付けられて設けられている、請求項１、２又は３記載の高純度メタンガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガスハイドレート（Natural Gas Hydrate）を利用する高純度メタンガス製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガス等のような原料ガスと水とを接触させて生成したガスハイドレートの研究が進められている。ハイドレートは、水分子が構成するクラスター（かご構造）の中に原料ガスの分子（ゲスト）が取り込まれた包接水和物である。例えば、天然ガスハイドレートは、メタンとエタンとプロパンを主成分として構成された天然ガスをゲストとしてこれを水分子が構成するクラスターの中に取り込んだ構造物である。このようなガスハイドレートは、天然ガスハイドレートの他にも、原料ガスを代えることで種々のガスハイドレートとして構成することができる。例えば、原料ガスとして二酸化炭素を用いれば、二酸化炭素ハイドレートを生成することができる。
【０００３】
天然ガスハイドレートは、例えば特許文献１に記載されているように、そもそも貯蔵や輸送の便宜のために開発された技術である。例えば、天然ガスの場合、現在は液化天然ガス（ＬＮＧ）の形態で貯蔵及び輸送する方法が一般的である。ところが、液化天然ガスの主成分であるメタンは、液化させるのに−１６２℃といった極低温条件が必要であり、貯蔵及び輸送に際してはそのような極低温条件の維持が求められる。このため、液化天然ガスの製造及び維持管理には、多大なコストがかかってしまう。
【０００４】
これに対して、天然ガスハイドレートは、大気圧下−２０℃の環境で約１７０倍のガスを包蔵し、−２０℃程度の環境で大きな自己保存効果を発揮する。このため、貯蔵及び輸送等での取り扱いが比較的容易であるという利点を有している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０７３６７９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、天然ガスハイドレートは、そもそも貯蔵や輸送の便宜のために開発された技術である。このため、天然ガスハイドレートに対する本来的な期待は、大気圧下−２０℃程度の環境での自己保存効果にある。つまり、貯蔵や輸送のためには、分解しにくいという性能に価値が求められる。
【０００７】
その一方、天然ガスハイドレートは、常温環境下に置くと比較的早期に天然ガスと水とに分解する。このような現象は、天然ガスハイドレートに対する本来的な期待が貯蔵や輸送の便宜であるとするならば、極力避けたい現象であるといえる。これに対して、この出願の発明者等は、むしろ、そのような天然ガスハイドレートの分解という現象に着目し、その利用について鋭意研究を進めた。その結果、高純度メタンガス製造装置を発明するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の高純度メタンガス製造装置は、密閉された分解混合装置と精製装置とを備え、前記分解混合は、天然ガスハイドレートを収納可能な収納部と、当該収納部に汚泥を嫌気性処理して得た消化ガスを導入するための消化ガス取込部と、当該消化ガス取込部から導入される消化ガスと前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される天然ガスとが混合されて生成される混合ガスを外部に排出する混合ガス用排出部と、前記収納部内で天然ガスハイドレートが分解されて生成される水を外部に排出する第１の排水部と、を備え、前記精製装置は、水を貯水する貯水槽と、当該貯水槽と前記第１の排水部とを連通させて当該第１の排水部から排出された水を前記貯水槽に導入する水用流路と、前記貯水槽と前記混合ガス用排出部とを連通させて当該混合ガス用排出部から排出された混合ガスを前記貯水槽に貯水される水の中に導入するガス用流路と、当該ガス用流路の端部に設けられて前記貯水槽に貯水される水の中で混合ガスをマイクロバブル化させる多孔部と、前記貯水槽の内部で精製される高純度のメタンガスを外部に排出する精製ガス排出部と、前記貯水槽に貯水された水を排出する第２の排水部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、分解混合装置内で生成したメタンと炭酸ガスとを主に含む混合ガスを精製装置の貯水槽に貯水される水の中にマイクロバブル化して導入することで、混合ガスに含まれる炭酸ガスの水中へのトラップ効率を向上させて精製装置内で高純度のメタンガスを精製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の原理を図１に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の原理を説明するための概念図である。高純度メタンガス製造装置１０１は、例えば下水処理場等の施設から生じた汚泥を嫌気性処理して得られた消化ガス（概ね、メタン約６０％、炭酸ガス約４０％）を分解混合装置としての分解混合槽２０１に供給する。分解混合槽２０１には、天然ガスハイドレート３０１を貯蔵しているＮＧＨタンク３０２から天然ガスハイドレート３０１が適宜供給される。このような天然ガスハイドレート３０１は、例えば常温下で天然ガスと水とに分解する。このため、分解混合槽２０１では、天然ガスハイドレート３０１が分解されて生成された天然ガスは外部から供給された消化ガスと混合し、混合ガスが生成される。この混合ガスは、メタンを高濃度に含有する他、炭酸ガスも含有している。
【００１２】
この際、分解混合槽２０１の内部は、天然ガスハイドレート３０１の分解によって高圧状態となっている。このような高圧が利用され、分解混合槽２０１の内部で生成された混合ガスは精製装置としての精製槽２５１に供給される。同様に、分解混合槽２０１の内部で天然ガスハイドレート３０１が分解されて生成された水も、精製槽２５１に供給されて貯水される。精製槽２５１に供給される混合ガスは、こうして精製槽２５１の内部に貯水されている水の中に導入される。これにより、混合ガスに含まれている炭酸ガスは、精製槽２５１の内部に貯水されている水にトラップされ、精製槽２５１の内部ではメタンを高濃度に含有する高純度のメタンガスが精製される。こうして、高純度メタンガスを得ることができる。
【００１３】
本発明の実施の一形態を図２ないし図４に基づいて説明する。
【００１４】
図２は、高純度メタンガス製造装置１０１の全体構成を示す模式図である。高純度メタンガス製造装置１０１は、二つの分解混合槽２０１と単一の精製槽２５１とを備えている。個々の分解混合槽２０１と精製槽２５１とは連結されている。また、分解混合槽２０１には汚泥槽１５１とＮＧＨタンク３０２とが連結されている。このような高純度メタンガス製造装置１０１は、分解混合槽２０１の内部で生ずる天然ガスハイドレート３０１の天然ガスと水との分解という現象を利用して精製槽２５１の内部で高純度メタンガスを精製製造する。
【００１５】
汚泥槽１５１について説明する。汚泥槽１５１は、汚泥１５２を収納保持し、汚泥１５２を嫌気性処理する。これによって生成された消化ガスは、消化ガス流路１５３を介して二つの分解混合槽２０１のそれぞれに供給される。消化ガス流路１５３にはファン１５４が設けられ、このファン１５４を回転駆動することによって、汚泥槽１５１で生成された消化ガスを分解混合槽２０１に給送する。また、消化ガス流路１５３には、二つの分解混合槽２０１のそれぞれに対応させてバルブ１５５（１５５ａ、１５５ｂ）が介在配置されている。
【００１６】
分解混合槽２０１について説明する。分解混合槽２０１は、天然ガスハイドレート３０１を収納可能な収納部２０２を有し、この収納部２０２に消化ガスを導入するための消化ガス取込部２０３が設けられている。消化ガス取込部２０３は、消化ガス流路１５３を介して汚泥槽１５１に連通している。分解混合槽２０１は、また、消化ガス取込部２０３から導入される消化ガスと収納部２０２内で天然ガスハイドレート３０１が分解されて生成される天然ガスとが混合されて生成される混合ガスを外部に排出する混合ガス用排出部２０４を備え、収納部２０２内で天然ガスハイドレート３０１が分解されて生成される水を外部に排出する第１の排水部２０５を備えている。
【００１７】
分解混合槽２０１の内部は、多孔質の保持台２０６によって上下に二分割されている。保持台２０６は、天然ガスハイドレート３０１を保持可能な構造となっている。したがって、保持台２０６よりも上方の空間は、天然ガスハイドレート３０１を収納可能な収納部２０２を構成し、保持台２０６よりも下方の空間は、天然ガスハイドレート３０１が分解して生成される水を貯留する貯水部２０７を構成する。そして、分解混合槽２０１は、その内部に密閉空間を形成している。
【００１８】
二つの分解混合槽２０１は、同一の構造を有している。説明の便宜上、図２中で上方に位置付けられている分解混合槽２０１を分解混合槽２０１ａ、下方に位置付けられている分解混合槽２０１を分解混合槽２０１ｂと呼ぶことにする。
【００１９】
天然ガスハイドレート３０１は、例えばＮＧＨタンク３０２に−２０℃で貯蔵され、このＮＧＨタンク３０２から必要に応じて分解混合槽２０１の収納部２０２に移される。そこで、単一のＮＧＨタンク３０２と二つの分解混合槽２０１に設けられたそれぞれの収納部２０２との間は、ＮＧＨ供給路３０３を介して結ばれている。ＮＧＨ供給路３０３には、個々の分解混合槽２０１に対応させて、バルブ３０４（３０４ａ、３０４ｂ）が介在配置されている。バルブ３０４は、ＮＧＨ供給路３０３を開閉し、これによって、ＮＧＨタンク３０２から分解混合槽２０１に対する天然ガスハイドレート３０１の供給制御と、分解混合槽２０１の密閉化制御とを実現する。この意味で、バルブ３０４は、ＮＧＨタンク３０２から分解混合槽２０１の収納部２０２に選択的に天然ガスハイドレート３０１を供給する供給機構としての役割を果たす。
【００２０】
次いで、精製槽２５１について説明する。精製槽２５１は、水を貯水する貯水槽２５２を備えている。そして、貯水槽２５２には、二つの分解混合槽２０１にそれぞれ設けられている混合ガス用排出部２０４と第１の排水部２０５とが連通している。つまり、貯水槽２５２と二つの混合ガス用排出部２０４とはガス用流路２５３を介して連通し、貯水槽２５２と二つの第１の排水部２０５とは水用流路２５４を介して連通している。ガス用流路２５３は、個々の混合ガス用排出部２０４から延出し、途中で一本に集約されて貯水槽２５２に至っている。水用流路２５４は、個々の第１の排水部２０５から延出し、途中で一本に集約されて貯水槽２５２に至っている。このような水用流路２５４は、第１の排水部２０５から排出された水を貯水槽２５２に導入する役割を担う。また、ガス用流路２５３は、混合ガス用排出部２０４から排出された混合ガスを貯水槽２５２に貯水される水の中に導入する役割を担う。
【００２１】
ガス用流路２５３には、個々の分解混合槽２０１に対応させて、バルブ２５５（２５５ａ、２５５ｂ）が介在配置されている。また、水用流路２５４には、個々の分解混合槽２０１に対応させて、バルブ２５６（２５６ａ、２５６ｂ）が介在配置されている。
【００２２】
加えて、ガス用流路２５３は、バイパス流路２５７を備えている。バイパス流路２５７には、分解混合槽２０１で生成される天然ガスを貯水槽２５２に貯水される水の中に圧送するコンプレッサ２５８が介在配置されている。そして、コンプレッサ２５８よりも上流側、つまり分解混合槽２０１の側には、ガス用流路２５３とバイパス流路２５７とにそれぞれバルブ２５９（２５９ａ、２５９ｂ）が介在配置されている。
【００２３】
図３は、多孔部でのマイクロバブルの生成構造を示す模式図である。分解混合槽２０１の混合ガス用排出部２０４を精製槽２５１の貯水槽２５２に連通させるガス用流路２５３には、その端部に位置させて多孔部２６０が設けられている。多孔部２６０は、貯水槽２５２に貯水される水の中に供給される混合ガスをマイクロバブル化させる役割を担う。図３には図示しないが、バイパス流路２５７にも同様構造の多孔部（図示せず）が設けられている。
【００２４】
図４は、多孔部２６０の正面図である。混合ガスをマイクロバブル化させるという多孔部２６０の機能は、ガス用流路２５３に連通する複数個の連通孔２６１によって果たされる。
【００２５】
ここで、図２の参照に戻る。精製槽２５１は、貯水槽２５２の内部で精製される高純度のメタンガスを外部に排出する精製ガス排出部２６２を備え、更に、貯水槽２５２に貯水された水を排出する第２の排水部２６３を備えている。
【００２６】
このような構成において、高純度メタンガス製造装置１０１は、二つの分解混合槽２０１を交互に使用する。分解混合槽２０１の交互使用は、それぞれ二つずつ設けられているバルブ１５５（１５５ａ、１５５ｂ）、バルブ２５５（２５５ａ、２５５ｂ）、バルブ２５６（２５６ａ、２５６ｂ）、及びバルブ３０４（３０４ａ、３０４ｂ）を、適宜のタイミングで一つずつ交互に開閉することによってなされる。
【００２７】
一例として、一方の分解混合槽２０１ａを使用する例を説明する。この場合には、汚泥槽１５１と分解混合槽２０１とを連通させる消化ガス流路１５３に介在配置されている一方のバルブ１５５ａのみを開放し、一方の分解混合槽２０１ａに対応するその他のバルブ２５５ａ、２５６ａ、３０４ａを閉じる。もっとも、一方の分解混合槽２０１ａを現実に使用する前の当初の準備段階では、他方の分解混合槽２０１ｂが未だ使用中であるので、他方の分解混合槽２０１ｂに対応する他方のバルブ２５５ｂ及び２５６ｂは開かれている。精製槽２５１の直前に設けられているバルブ２５９（２５９ａ、２５９ｂ）も、どちらか一方が選択的に開かれている。但し、他方の分解混合槽２０１ｂに対応するものではあっても、汚泥槽１５１と分解混合槽２０１とを連通させる消化ガス流路１５３に介在配置されている他方のバルブ１５５ｂと、天然ガスハイドレート３０１を供給するための他方のバルブ３０４ｂとは閉じられている。
【００２８】
この際、汚泥槽１５１では汚泥１５２が嫌気性処理され、消化ガスが発生している。消火ガスは、ファン１５４により一方の分解混合槽２０１ａ内へ供給される。この際、分解混合槽２０１ａの内部は、低圧状態となっている。分解混合槽２０１ａの内部では、天然ガスハイドレート３０１が既に分解し、その内部圧力が精製槽２５１に対する混合ガスと水との給送のために消費され尽くされているからである。これにより、汚泥槽１５１で発生した消化ガスは円滑に分解混合槽２０１ａに導入される。
【００２９】
汚泥槽１５１で生成された消化ガスが分解混合槽２０１ａに供給された後、バルブ１５５ａを閉じ、汚泥槽１５１と分解混合槽２０１との連通を遮断する。そして、一方のバルブ３０４ａを開き、ＮＧＨタンク３０２から分解混合槽２０１ａに天然ガスハイドレート３０１を供給する。この場合の天然ガスハイドレート３０１の供給は、一例として、天然ガスハイドレート３０１の自重による自由落下により行なわれる。供給された天然ガスハイドレート３０１は、保持台２０６に載置され、収納部２０２の内部に収納保持されている。収納部２０２に収納保持されている天然ガスハイドレート３０１は、常温下に置かれることになるため、天然ガスと水とに分解し始める。別の一例としては、分解混合槽２０１の内部に水を導入できるように構成し、収納部２０２に収納保持された天然ガスハイドレート３０１に常温の水をかけて分解を促進するようにしても良い。この状態では、汚泥槽１５１から分解混合槽２０１ａに予め供給されていた消化ガス（概ね、メタン約６０％、炭酸ガス約４０％）と天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された天然ガスとが混合し、比較的高濃度のメタンを含有する混合ガスが生成される。また、天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された水が貯水部２０７に貯留される。これにより、分解混合槽２０１ａを使用する準備が整う。
【００３０】
そこで、他方の分解混合槽２０１ｂの使用が終了する時点を見計らい、一方の分解混合槽２０１ａの使用を開始する。そのためには、他方の分解混合槽２０１ｂに対応する他方のバルブ２５５ｂ及び２５６ｂを閉じる。精製槽２５１の直前に設けられているバルブ２５９については、バイパス流路２５７に介在配置されていない方のバルブ２５９ａを開く。そして、一方の分解混合槽２０１ａに対応する一方のバルブ２５５ａ及び２５６ａを開く。これにより、その分解混合槽２０１ａと精製槽２５１とを連通させるガス用流路２５３及び水用流路２５４が開放される。
【００３１】
その結果、天然ガスハイドレート３０１の分解によって高まっていた分解混合槽２０１ａの内圧が開放される。そこで、分解混合槽２０１ａの貯水部２０７に貯留されていた水は、水用流路２５４を通って精製槽２５１の貯水槽２５２に給水され、貯水槽２５２に補充される。この場合に補充される水は、天然ガスハイドレート３０１の分解によって生成された水であるため、通常は常温よりも低く、例えば０〜５℃程度となる。このため、貯水槽２５２に貯水される水の温度も常温よりも低くなる。また、分解混合槽２０１ａの内部で生成された比較的高濃度のメタンを含有する合成ガスは、ガス用流路２５３を通って精製槽２５１の貯水槽２５２に貯水されている水の中に導かれる。これにより、混合ガスに含まれている炭酸ガスは、水の中にトラップされる。しかも、ガス用流路２５３の終端には図３及び図４に示す多孔部２６０が設けられている。そこで、ガス用流路２５３を通ってきた混合ガスは、多孔部２６０に設けられた複数個の連通孔２６１から噴出し、貯水槽２５２に貯水された水の中でマイクロバブルを発生する。つまり、混合ガスは、マイクロバブルの形態となって水の中に導入されるわけである。このため、マイクロバブルを構成する気泡の表面積の大きさから、炭酸ガスのトラップ効率が向上する。その結果、貯水槽２５２の内部では、ガス用流路２５３を介して導入された混合ガスから炭酸ガスが効率よく水中にトラップされるが故に、炭酸ガス濃度が非常に低く、メタン等の炭化水素の濃度が高い精製ガス、つまり高純度メタンガスが精製される。
【００３２】
ここで、精製槽２５１の貯水槽２５２に貯水されている水の炭酸ガス濃度は、導入された混合ガス中の炭酸ガスをトラップするに従い徐々に高まる。このため、水のトラップ効率は徐々に低下していく。これに対して、貯水槽２５２に貯水されている水は、分解混合槽２０１ａでの天然ガスハイドレート３０１の分解により生成された天然ガスハイドレート３０１に由来する水であり、そもそも温度が常温よりも低い。このような温度の低さは、炭酸ガス濃度を薄めることに役立ち、トラップ効率の低下を抑制する方向に働く。しかも、貯水槽２５２に貯水されている水の温度の低さは、炭酸ガスを溶けやすくすることにも役立ち、トラップ効率を向上させる方向に働く。その結果、貯水槽２５２に貯水されている水は、長時間に渡り高いトラップ効率を維持する。
【００３３】
以上のような精製槽２５１での高純度メタンガスの精製は、分解混合槽２０１ａの内部圧力を利用してなされる。このため、分解混合槽２０１ａの内部圧力が消費されるに従い、精製槽２５１に対する混合ガスの圧送能率が低下する。そこで、この場合には、混合ガスを流通させるガス用流路２５３に介在配置されているバルブ２５９ａを閉じ、バイパス流路２５７に介在配置されているバルブ２５９ｂを開く。そして、同様にバイパス流路２５７に介在配置されているコンプレッサ２５８を駆動制御する。コンプレッサ２５８は、分解混合槽２０１ａの内部に残存する混合ガスを吸引し、精製槽２５１に圧送する。これにより、精製槽２５１での高純度メタンガスの精製が更に促進される。
【００３４】
また、分解混合槽２０１ａの内部圧力が消費され尽くした場合には、必要に応じて、再度、ＮＧＨタンク３０２から天然ガスハイドレート３０１を分解混合槽２０１ａの内部に導き入れ、以上説明したのと同様な工程を経て精製槽２５１に混合ガスを導入させるようにしても良い。
【００３５】
なお、精製槽２５１の貯水槽２５２に貯水されている水の中にトラップされるのは、炭酸ガスに限らず、水への溶解度が高い成分、例えば硫化水素等もトラップされる。
【００３６】
以上説明した一方の分解混合槽２０１ａを使用しての精製槽２５１での高純度メタンガスの精製作業中、他方の分解混合槽２０１ｂの使用準備が進められている。この場合の使用準備は、一方の分解混合槽２０１ａについて前述した使用準備に相当する内容で行なわれる。他方の分解混合槽２０１ｂの使用準備が整えば、分解混合槽２０１ａの内部圧力が消費され尽くされた後、他方の分解混合槽２０１ｂの使用が開始される。この場合、使用も、一方の分解混合槽２０１ａについて前述した使用に相当する内容で行なわれる。こうして、高純度メタンガス製造装置１０１は、二つの分解混合槽２０１を交互に使用し、精製槽２５１において高純度のメタンガを精製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の原理を説明するための概念図である。
【図２】本発明の実施の一形態として、高純度メタンガス製造装置の全体構成を示す模式図である。
【図３】多孔部でのマイクロバブルの生成構造を示す模式図である。
【図４】多孔部の正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
２０１  分解混合槽（分解混合装置）
２０２  収納部
２０３  消化ガス取込部
２０４  混合ガス用排出部
２０５  第１の排水部
２５１  精製槽（精製装置）
２５２  貯水槽
２５３  ガス用流路
２５４  水用流路
２５７  バイパス流路
２５８  コンプレッサ
２６０  多孔部
２６２  精製ガス排出部
２６３  第２の排水部
３０１  天然ガスハイドレート
３０２  ＮＧＨタンク
３０３  ＮＧＨ供給路（供給機構）
【図１】
2007321001.tif 000003
【図２】
2007321001.tif 000004
【図３】
2007321001.tif 000005
【図４】
2007321001.tif 000006