(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＮＧの需要期間に払い出しＬＮＧの冷熱を利用して液化空気を製造し、貯蔵し、ＬＮＧの非需要期間に前記液化空気によってＬＮＧボイルオフガス（ＢＯＧ）を液化するＢＯＧの再液化方法であって、払い出しＬＮＧを圧縮空気冷却用熱交換器で圧縮空気と熱交換し、次に空気冷却用熱交換器で空気と熱交換して天然ガス（ＮＧ）とし、一方、該空気冷却用熱交換器で熱交換し予冷された空気を圧縮し、前記圧縮空気冷却用熱交換器で熱交換して冷却して、又はさらに断熱膨張させて、液化空気を製造し、ＢＯＧを圧縮した後、ＢＯＧ液化用熱交換器で該液化空気と熱交換してＢＯＧを液化することを特徴とするＢＯＧの再液化方法。
【請求項２】
ＨＦＣ−２３、ＨＣＦＣ−２２、ＨＣＦＣ−１２４またはそれらの混合物からなる不燃性冷媒を介して熱交換器で熱交換される請求項１に記載のＢＯＧの再液化方法。
【請求項３】
ＬＮＧ貯槽、圧縮空気冷却用熱交換器、空気冷却用熱交換器、断熱膨張装置、液化空気貯槽、空気圧縮装置、ＢＯＧ圧縮装置、ＢＯＧ液化用熱交換器を有し、前記ＬＮＧ貯槽から払い出したＬＮＧを前記圧縮空気冷却用熱交換器で圧縮空気と熱交換し、次に前記空気冷却用熱交換器で空気と熱交換してＮＧとするよう接続し、一方、前記空気冷却用熱交換器で熱交換し予冷された空気を前記空気圧縮装置により圧縮し、続いて前記圧縮空気冷却用熱交換器でＬＮＧと熱交換して冷却して、又はさらに断熱膨張させて、液化空気を製造し、得られた液化空気を前記液化空気貯槽に貯蔵するよう接続し、さらにＢＯＧを前記ＢＯＧ圧縮装置により圧縮した後、前記ＢＯＧ液化用熱交換器で該液化空気と熱交換してＢＯＧを液化するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法に使用するためのＢＯＧの再液化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液化天然ガス（ＬＮＧと略称）を気化し、天然ガス（ＮＧと略称）として供給する時の冷熱を利用してＮＧの非供給時にボイルオフガス（ＢＯＧと略称）をＬＮＧとして再液化する方法及びそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＮＧは保冷タンクに貯蔵され、ＮＧ供給時にはＬＮＧを気化し更に加圧して火力発電プラントや都市ガス用ＮＧとして払い出される。ＮＧの供給時に保冷タンクより払い出されるＬＮＧは、従来は海水で熱交換してＮＧとしていた。したがって、ＬＮＧが保有している冷熱を有効利用することもなく海水に廃棄していたために、低温海水が発生し環境に影響を与えるという問題があった。
【０００３】
また、ＬＮＧタンクは保冷されているが、ＢＯＧは、外部からの熱により常時ＬＮＧの一部が気化したり、また配管部や機器類においても自己熱容量や外部入熱により、ＬＮＧの払い出し時や輸送船からの受け入れ時に一部が気化したりして発生する。ＢＯＧの発生量は、定常的な貯蔵状態時には貯蔵量に対して約０．００１〜０．１％／Ｈｒである。このように、昼夜を問わず常時発生するＢＯＧの処理方法について有効な方法が求められていた。
【０００４】
ここでは、ＢＯＧを再液化して得られるＬＮＧを、ＬＮＧタンクに戻すという観点からＢＯＧ再液化処理法の従来技術をレビューした結果を以下に示す。
【０００５】
（ａ）圧縮、冷却、膨張の組合せによる液化サイクルを利用したものに関しては、特開昭５０−２２７７１号公報にＢＯＧ自体を作動媒体として使用する方法が、特開昭５７−６５７９２号公報にアンモニアを中間冷媒として使用する方法が、特開平２−１５７５８３号公報に窒素を作動媒体とする閉ループサイクルによる方法が開示されている。
【０００６】
（ｂ）送ガス負荷の高い昼間にＬＮＧ冷熱を蓄冷し、低負荷の夜間に蓄冷を利用してＢＯＧを再液化するものに関して、特開昭６０−９８３００号公報にはイソペンタン、イソブタンなどの炭化水素を冷媒として使用し、その顕熱、潜熱を利用して蓄冷する方法が、特開平２−１５７５８３号公報にはアルコール類及びその水溶液を冷媒として使用し、その顕熱、潜熱を利用して蓄冷する方法が開示されている。
【０００７】
（ｃ）送ガス時のＬＮＧ気化操作と同時にＬＮＧ冷熱を利用しＢＯＧを再液化するものに関しては、特開平４−３７０４９９号公報にＢＯＧを圧縮後冷却、液化し、液化したＢＯＧを、払い出しＬＮＧと混合し送ガスする方法が、特開昭６２−１４７１９７公報にＢＯＧ液化サイクルを構成し、液化ＢＯＧを貯槽に還流する方法が開示されている。
【０００８】
（ｄ）ＢＯＧへの高沸点成分の添加による再液化を容易にする方法に関しては、特開平２−２４０４９９号公報にＢＯＧを加熱後、炭素数２〜４の炭化水素を添加する方法が、特開平３−４１５１８号公報にＢＯＧ中の窒素濃度低減のためにＢＯＧの重質成分を再液化器にリサイクルする方法が開示されている。
【０００９】
上記において、（ａ）の処理方式はＢＯＧに液化サイクルを適用するもので、時間帯によらず稼働可能であるが、ＬＮＧ冷熱を有効に利用するプロセスとはなっていない。
【００１０】
（ｂ）の処理方式は、ＬＮＧ冷熱を蓄冷しておいて利用するので送ガスの途絶または激減する夜間においてもＢＯＧの再液化が可能であり、ＬＮＧ冷熱を利用するのでＢＯＧ液化の動力費の低減を可能にしているが、蓄冷材の蓄冷特性上から蓄冷槽が大きくなるという問題がある。
【００１１】
（ｃ）の処理方式は、ＬＮＧ冷熱を蓄冷しないことから、ＬＮＧ払い出し時のみＢＯＧ再液化が可能であるが、ＢＯＧ処理が最も問題となる夜間にはＢＯＧの再液化ができないという問題がある。
【００１２】
（ｄ）の処理方式は、ＢＯＧ再液化時のＢＯＧの露点を上げるため、重質炭化水素を添加してＢＯＧの再液化を容易にする補助的手段にすぎず、ＬＮＧ冷熱を蓄冷しないことから、ＬＮＧ払い出し時のみＢＯＧ再液化が可能であるが、ＢＯＧ処理が最も問題となる夜間にはＢＯＧ再液化ができないという問題がある。
【００１３】
上述のように、従来から提案されているＢＯＧの処理方法の内、好ましい方法は、払い出し時にＬＮＧの気化の際に発生する冷熱を利用して冷媒又は蓄冷材を冷却しておき、需要量が減少又は停止した時に、冷却した冷媒又は蓄冷材の冷熱を利用してＢＯＧを再液化してＬＮＧタンクに戻す方式（ｂ）（特開昭６０−９８３００号公報）などである。しかしこの方法も現状では蓄冷槽を大きくする必要があるという問題がある。
【００１４】
この他、ＢＯＧ再液化に係わる周辺技術として、ＢＯＧを払い出されるＮＧに混ぜて利用したり、あるいは冷熱を利用して空気を液化し、精留して、液化窒素、液化酸素、液化アルゴンを併産したり、二酸化炭素を冷却して液化二酸化炭素やドライアイスを併産できることは周知である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、火力発電プラントや都市ガス用ＮＧとして払い出されるＬＮＧの量は時間帯や季節により大きく変動する。一方、ＢＯＧは、ＬＮＧタンクへのＬＮＧ受け入れ時や貯蔵時やＮＧの払い出し時において、非定常的に昼夜を含め常時発生している。
【００１６】
ＬＮＧの払い出される量が多い昼間時には、ＢＯＧを圧縮して、払い出しＬＮＧに直接混合して消費するか、間接的に混合して再液化してＬＮＧタンクに戻すことで処理が可能である。
【００１７】
しかし、夜間や早朝にＬＮＧの払い出しが減少ないしは無い場合には、処理量が不定期に変動するＢＯＧを安定して処理できて、ＬＮＧ冷熱を有効利用できるコンパクトで且つ省エネルギータイプのＢＯＧ処理技術のさらなる確立が望まれている。
【００１８】
本発明の課題は、上記の問題を生ずることなく、発生量が変動するＢＯＧをＬＮＧ冷熱を利用して効率的に液化する方法及びそのための装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討した結果、前記課題を解決しうる本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、払い出されるＬＮＧの冷熱を利用してＬＮＧの需要期間に液化空気を製造し、貯蔵し、ＬＮＧの非需要期間に該液化空気を用いてＢＯＧを液化するＢＯＧの再液化方法を提供するものであり、特に、需要期間が昼間であり、非需要期間が夜間又は早朝であるＢＯＧの再液化方法に関するものである。これによってＬＮＧ冷熱を有効に利用して、ＬＮＧの非需要期間もＢＯＧの再液化を行うことができる。
【００２０】
更に詳細には本発明によるＢＯＧの再液化方法では、払い出しＬＮＧを圧縮空気冷却用熱交換器で熱交換し、更に空気冷却用熱交換器で熱交換してＮＧとし、該空気冷却用熱交換器で熱交換した空気を圧縮し、前記圧縮空気冷却用熱交換器で熱交換した後、必要に応じさらに断熱膨張させて、液化空気を製造し、ＢＯＧを圧縮した後ＢＯＧ液化用熱交換器で該液化空気と熱交換してＢＯＧを液化する。
【００２１】
本発明によＢＯＧの再液化方法では特に熱交換器でＨＦＣ−２３、ＨＣＦＣ−２２、ＨＣＦＣ−１２４またはそれらの混合物のような不燃性冷媒を介して熱交換するのが安全で好ましい。
【００２２】
さらに、本発明は、ＬＮＧ貯槽、圧縮空気冷却用熱交換器、空気冷却用熱交換器、断熱膨張装置、液化空気貯槽、空気圧縮装置、ＢＯＧ圧縮装置、ＢＯＧ液化用熱交換器を有し、ＬＮＧ貯槽から払い出したＬＮＧを圧縮空気冷却用熱交換器で熱交換し、更に空気冷却用熱交換器で熱交換してＮＧとするよう接続する。
【００２３】
さらに、空気冷却用熱交換器で熱交換した空気を空気圧縮装置により圧縮し、続いて圧縮空気冷却用熱交換器でＬＮＧと熱交換した後、断熱膨張させて、液化空気を製造し、得られた液化空気を液化空気貯槽に貯蔵するよう接続し、さらに、ＢＯＧをＢＯＧ圧縮装置により圧縮した後、ＢＯＧ液化用熱交換器で該液化空気と熱交換してＢＯＧを液化するよう構成し前記した本発明によるＢＯＧ再液化方法に使用するためのＢＯＧの再液化装置を提供する。この装置によれば、前記した本発明によるＢＯＧ再液化方法を効率的に実施することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
ＬＮＧは、産地によって組成が若干異なるが、通常、メタンを主成分とする炭素数１〜５の飽和炭化水素からなり、常圧ないし加圧下に、−１５０〜−１７０℃に冷却されて液化し貯蔵されており、常圧における気化温度は約−１６１℃である。
【００２５】
したがって、ＬＮＧが気化し外温のＮＧとなるまでの蒸発潜熱及び／又は顕熱を冷熱として利用して、液化空気を製造し、貯蔵し、随時、これを使用してＢＯＧを再液化することができる。常圧下の液化空気は、標準状態の空気を基準にして、単位重量あたりの蓄冷熱量が１０１．３ｋｃａｌ／ｋｇと大きいので、貯蔵するのに小さな設備で済むので好ましい。
【００２６】
ＢＯＧはＬＮＧタンク内の上部にほぼ常圧で溜まり、その温度は−１００〜−１６０℃であり、主たる成分はメタンであり、常圧における液化温度は約−１６１℃で、３０ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに圧縮した状態の液化温度は約−１４５℃である。
【００２７】
本発明で、払い出しＬＮＧとは、ＬＮＧ保冷タンクから火力発電プラントや都市ガス用にＮＧとして払い出されるＬＮＧを言い、需要期間とは、ＬＮＧが上記用途に払い出される期間を言い、非需要期間とは、上記用途に払い出される量が大幅に減少又は０である期間を言う。したがって、例えば、需要期間とは昼間であり、非需要期間とは夜間又は早朝あるいは火力発電プラント等の停止期間である。
【００２８】
ＢＯＧは需要期には火力発電プラントや都市ガス用にＮＧとして払い出されるが、非需要期には外熱によりほぼ一定の速度で発生し、また輸送船等からのＬＮＧ受け入れ時にはタンク壁、配管、機器類の予冷に伴い、比較的短時間内に多量のＢＯＧを発生してＬＮＧタンク内の上部に溜まるので、上記発生速度に合わせてＢＯＧを液化空気の保有冷熱により再液化する必要がある。
【００２９】
液化用の空気は必要により清浄化処理をした上で、空気冷却用熱交換器で中間冷媒を介してＮＧと熱交換して冷却され、さらに圧縮、冷却されて水分、二酸化炭素等を除去した後、圧縮空気冷却用熱交換器で中間冷媒を介してＬＮＧにより深冷される。
【００３０】
水分、二酸化炭素等の除去には、それぞれ温度レベルの異なるＮＧを使用することができる。例えば、−５０℃以上のＮＧは水分の除去に使用され、より低温のＮＧは二酸化炭素の除去に使用される。
【００３１】
深冷された空気は、必要であれば深冷空気熱交換器で更に熱交換した後、断熱膨張により冷却されて液化する。断熱膨張により生じた液化空気は気体と分離され、液化空気タンクに貯蔵され、気体は冷却されているので上記深冷空気熱交換器で熱交換した後、例えば、空気圧縮機の前段等にリサイクルされたり、または空気冷却用熱交換器を経て大気に放出される。
【００３２】
なお、空気圧縮機と液化空気タンクの間に膨張タービンを設置し、圧縮空気の一部を膨張タービンに供給して可逆膨張させて冷却し、タービンにより空気をさらに圧縮し、一方、膨張して冷却した空気を、リサイクルされる深冷空気と共に深冷空気熱交換器等に供給するようにしてもよい。すなわち、液化空気の製造は、圧縮した空気をＬＮＧの冷熱を利用して冷却するが、空気の液化方法自体はリンデ法によっても、クロード法によってもよい。
【００３３】
液化用の空気の圧縮は、２〜４段等の多段の圧縮、冷却を繰り返して行われるようにしてもよい。冷却には圧縮空気冷却用熱交換器を通過後のＮＧが使用されるがＬＮＧを一部使用してもよい。
【００３４】
本発明では、圧縮空気冷却用熱交換器、空気冷却用熱交換器およびＢＯＧ液化用熱交換器及び必要により深冷空気熱交換器が使用される。これらの熱交換器としては、従来のシェルアンドチューブ型が使用でき、また温度差が小さいときにはプレートフィン型等のものが使用できるが、熱交換器の一方に可燃物が流れ、他方に液化空気が流れるので、安全上、中間冷媒を介して熱交換が行われるタイプのものが好ましい。
【００３５】
中間冷媒としては、不燃性で凝固点が低く且つ熱伝導率の高い液体が好ましい。このような冷媒としては、ハイドロフロロカーボン（ＨＦＣ）類、ハイドロクロロフロロカーボン（ＨＣＦＣ）類、特にＨＦＣ−２３、ＨＣＦＣ−２２、ＨＣＦＣ−１２４、ＨＦＣ−１３４ａ、ＨＦＣ−３２またはそれらの混合物が挙げられる。
【００３６】
以下に本発明の実施の一形態として図１により、払い出しＬＮＧの冷熱を利用して液化空気を製造し、貯蔵し、ＢＯＧを再液化する方法及び装置を具体的に説明する。
【００３７】
図１において、１はＬＮＧタンク、２は圧縮空気冷却用熱交換器、３は空気冷却用熱交換器である。４は空気圧縮機を示している。５は断熱膨張装置、６は液化空気タンクである。７はＢＯＧ液化用熱交換器、８はＢＯＧ圧縮機、９は深冷空気熱交換器である。
【００３８】
ＬＮＧタンク１（容量２〜１０万ｋリットル）には、ＬＮＧが常圧、−１５０〜−１７０℃で貯蔵されており、ＬＮＧの上部にはＢＯＧが常圧ないしやや加圧状態で、−１００〜−１５０℃で溜まっている。ＬＮＧの払い出し量は昼間ＮＧ需要時に例えば、１００ｔ／ｈｒで、ポンプにより３０ｋｇ／ｃｍ2 に加圧されて払い出され、夜間ＮＧ非需要時の払い出し量は０〜１０ｔ／ｈｒである。ＢＯＧの発生量は、例えば、常時平均１０ｔ／ｈｒである。
【００３９】
ＮＧの需要時に、ＬＮＧタンク１を出たＬＮＧ１１は、圧縮空気冷却用熱交換器２で中間冷媒を介して圧縮空気１３と熱交換し、更に空気冷却用熱交換器３で中間冷媒を介して空気と熱交換してＮＧ１２となり、火力発電プラントや都市ガス用に３０ｋｇ／ｃｍ2 に加圧されたＮＧとして払い出される。
【００４０】
ところで、ＮＧの需要時において発生するＢＯＧ１５は、ＢＯＧ圧縮機８により３０ｋｇ／ｃｍ2 に昇圧された後、払い出しＬＮＧ１１に混合されて払い出しＮＧとして処理される。
【００４１】
一方、外部から取り入れられた空気１０は上記空気冷却用熱交換器３で中間冷媒を介してＮＧと熱交換し約−４０〜−７０℃に冷却され、空気圧縮機４により２０〜４０ｋｇ／ｃｍ2 の圧縮空気１３になり、圧縮空気冷却用熱交換器２で中間冷媒を介して払い出しＬＮＧ１１と熱交換し、さらに、深冷空気熱交換器９で熱交換した後、断熱膨張装置５により一部は液化空気１４となる。
【００４２】
液化空気１４は液化空気タンク６に貯蔵され、一部は深冷空気１７となり、深冷空気熱交換器９で熱交換した後、空気圧縮機の前段等にリサイクルされたり、または空気冷却用熱交換器を経て大気に放出される。
【００４３】
ＮＧの非需要時に、ＢＯＧ１５はＢＯＧ圧縮機８により５〜２０ｋｇ／ｃｍ2 に圧縮され、ＢＯＧ液化用熱交換器７で中間冷媒を介して液化空気と熱交換し再液化ＢＯＧ（ＬＮＧ）１６に再液化され、ＬＮＧタンク１に戻され、貯蔵される。液化空気はＢＯＧ液化用熱交換器７で気化し、排気空気１９として大気に放出される。
【００４４】
なお、液化空気タンク６内の貯蔵量に、ＢＯＧ再液化に見合う量以上の余剰があれば、余剰液化空気１８として系外に取り出し、多目的利用に当てられる。
【００４５】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００４６】
図１に示す装置において、ＬＮＧタンク１には、ＬＮＧが常圧、−１６１℃で貯蔵されており、ＬＮＧの上部にはＢＯＧが常圧、−１６０℃で溜まっている。ＬＮＧの払い出し量は昼間のＮＧ需要時に１００ｔ／ｈｒで、ポンプにより３０ｋｇ／ｃｍ2 に加圧されて払い出され、夜間のＮＧ非需要時の払い出し量は０ｔ／ｈｒである。ＢＯＧの発生量は平均１０ｔ／ｈｒである。
【００４７】
ＮＧ需要時に、払い出されるＬＮＧは、圧縮空気冷却用熱交換器２で中間冷媒ＨＦＣ−２３を介して圧縮空気１３と熱交換し、更に空気冷却用熱交換器３で同種の中間冷媒を介して空気と熱交換してＮＧとなり、火力発電プラント用にＮＧ１２として払い出された。
【００４８】
一方、外部から流量４０ｔ／ｈｒで取り入れられた空気１０は上記空気冷却用熱交換器３で中間冷媒を介してＮＧと熱交換し約−５３℃に冷却され、３段の空気圧縮機により圧縮冷却を繰り返し、４５℃、３１ｋｇ／ｃｍ2 の圧縮空気１３になり、圧縮空気冷却用熱交換器２で中間冷媒を介して払い出しＬＮＧ１１と熱交換する。
【００４９】
圧縮空気冷却用熱交換器２を出た空気は、さらに深冷空気熱交換器９で熱交換した後、断熱膨張装置５により一部は液化空気２７ｔ／ｈｒとなり、液化空気タンク６に貯蔵された。断熱膨張した残りの深冷空気は、深冷空気熱交換器９で熱交換して冷熱回収後、一部は空気圧縮機４の前段にリサイクルされ、他は空気冷却用熱交換器３を経て大気に１３ｔ／ｈｒで放出された。
【００５０】
本実施例では、空気の圧縮動力を低減させるために３段の圧縮工程を採用した。各段の圧縮圧力及び圧縮動力は１段目：３．５ｋｇ／ｃｍ2 、１１９６ｋｗ、２段目：１０．５ｋｇ／ｃｍ2 、１２２２ｋｗ、３段目３１．０ｋｇ／ｃｍ2 、１４２０ｋｗであり、圧縮動力合計は３８３８ｋｗである。これより液化空気１ｋｇ当たりの所用動力を求めると、０．１４ｋｗ・ｈｒとなる。
【００５１】
これに対して、ＬＮＧ冷熱を利用せず従来の方法による電力のみで液化空気を得る場合には、所用動力は０．５８ｋｗ・ｈｒ程度であることが知られている。この結果、ＬＮＧの冷熱が有効に利用されていることが分かる。
【００５２】
ＮＧの非需要時に、平均１０ｔ／ｈｒで発生するＢＯＧ１５はＢＯＧ圧縮機８により１１ｋｇ／ｃｍ2 に圧縮され、ＢＯＧ液化用熱交換器７で上記と同じ中間冷媒を介して液化空気２１ｔ／ｈｒと熱交換して、ほぼ全量が再液化され、ＬＮＧタンク１に戻され、貯蔵された。
【００５３】
この再液化工程でのＢＯＧの圧縮に必要な動力は、６４８ｋｗであった。この動力を補うために、ＢＯＧの一部を利用してガスエンジンを駆動した。ガスエンジンの効率は４５％であり、ガスエンジン駆動に要したＢＯＧの消費量は０．０９４ｔ／ｈｒであった。
【００５４】
【発明の効果】
ＬＮＧの払い出し量は昼間のＮＧ需要時と、夜間のＮＧ非需要時とで大きな差があるが、本発明により、昼間に払い出しＬＮＧの冷熱を利用して、液化空気を製造し、貯蔵しておき、夜間ＮＧの非需要時にその液化空気を利用して、夜間に発生するＢＯＧをほぼ全量を再液化してＬＮＧタンクに戻すことができる。
【００５５】
これにより、ＬＮＧの冷熱を有効利用して単位重量当たりの蓄冷量が大きい液化空気を製造し、容量の小さな貯槽に貯え、必要に応じて当該冷熱を引き出し、送り出し先のないＢＯＧを再液化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示すプロセスフローシートである。
【符号の説明】
１    ＬＮＧタンク
２    圧縮空気冷却用熱交換器
３    空気冷却用熱交換器
４    空気圧縮機
５    断熱膨張装置
６    液化空気タンク
７    ＢＯＧ液化用熱交換器
８    ＢＯＧ圧縮機
９    深冷空気熱交換器
１０  空気
１１  払い出しＬＮＧ
１２  ＮＧ
１３  圧縮空気
１４  液化空気
１５  ＢＯＧ
１６  再液化ＢＯＧ
１７  深冷空気
１８  余剰液化空気
１９  排気空気
【図１】
0003868033.tif 000002