天然氣的生產方法及生產系統的制作方法
【專利摘要】本發明所涉及的天然氣的生產方法具備以下工序：對含有氦氣的原料天然氣進行絕熱壓縮的工序；將經絕熱壓縮的所述原料天然氣通入分離膜單元中，將所述氦氣從所述原料天然氣中分離的工序；將分離了所述氦氣的所述原料天然氣通過管線輸送至終端的工序；以及將從所述原料天然氣中分離的所述氦氣壓入至地下的儲存層內的工序。
【專利說明】天然氣的生產方法及生產系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于對原料天然氣進行處理而生產產品天然氣的天然氣的生產方法 及生產系統。
[0002] 本申請基于2012年5月16日提出的PCT/JP2012/062497主張優先權，在此引用 其內容。

【背景技術】
[0003] 對氣田等進行開采而獲得的原料天然氣除了含有油和冷凝物等烴以及水和氮等 雜質之外，有時還會含有氦氣。在生產供至市場的產品天然氣時，不僅從原料天然氣中將上 述烴和雜質除去，有時還進行將氦氣除去的處理。
[0004] 作為從原料天然氣中將氦氣分離的手段，已知大致分為深冷分離法、吸附吸收法、 膜分離法的三個方法。深冷分散法是通過利用氣體的沸點差異的蒸餾進行的分離方法。該 深冷分散法是通過使含有氦氣的原料天然氣發生絕熱膨脹而進行冷卻、主要通過使氦以外 的成分液化來進行分離的方法（例如參照專利文獻1)。
[0005] 吸附吸收法是通過使原料天然氣與規定的吸附劑或吸收劑相接觸，僅使氦氣被吸 附劑或吸收劑吸附或吸收，利用溫度差或壓力差，使氦氣從吸附劑或吸收劑脫離的方法。另 夕卜，是通過使氦氣以外的物質吸附到吸附劑或吸收劑中來提高氦的濃度，從而將氦氣分離 的方法（例如參照專利文獻2)。
[0006] 膜分離法例如是利用以下現象的分離方法，該現象是：使用將分子及原子根據其 大小或性質選擇性分離的膜，并使原料天然氣與膜的單側接觸，使相反側成為與該單側相 比相對較低的壓力，從而主要使氦氣透過膜，也就是說，利用了原料天然氣中的成分相對于 膜的透過速度差（例如參照專利文獻3)。
[0007] 含有氦氣的雜質從原料天然氣中的除去在通過管線與氣田相連接的終端中進行， 但是，氦氣的含量根據天然氣的產地有很大差異，在世界中數個產地開采的原料天然氣中， 與其他產地相比，含有非常多的氦氣。如此，當從氦氣的含量多的原料天然氣中將氦氣分離 時，有時分離獲得的氦氣的處理成為問題。即，根據天然氣的產出國的法規限制，有時不可 以將從原料天然氣中分離的氦氣釋放到大氣中，必須將規定比例以上的氦氣回收。
[0008] 氦也被利用在超傳導等超低溫冷卻或醫療現場的MRI等中，是貴重的天然資源， 但是，由于消耗量不是那么多，因此即便廉價地將氦供給至市場，也有商業上不成立的可能 性。
[0009] 如果無法預料商業上的成立、無法向市場供給，則有必要利用某種手法對回收的 氦氣進行處理，但是，例如，若在終端建設儲藏設備、對剩余的氦氣進行儲藏，則除了設備的 建設費用之外，還需要設備的維持費用，無法作為產品上市的氦氣的保管需要花費很多功 夫和成本。因此，在氦氣的含量多的天然氣的產地中，未活躍地進行天然氣的生產。
[0010] 現有技術文獻
[0011] 專利文獻
[0012] 專利文獻I :日本國特開號公報
[0013] 專利文獻2 :日本國特表平2-503522號公報
[0014] 專利文獻3 :日本國特開號公報


【發明內容】

[0015] 發明要解決的課題
[0016] 但是，近年來由于對原子能發電的顧慮等，作為電力生產的能源，對化石燃料的需 求再次增加，即便是在氦氣含量多的天然氣的產地中，也在積極地推進天然氣的商業生產。
[0017] 作為對剩余的氦氣進行處理的一個對策，考慮到了將氦氣壓入至地下的儲存層內 的方法。通過該方法，即便不建設儲藏設備，也能對氦氣進行處理。但是，由于在終端的地 下并不一定有能夠壓入氦氣的儲存層，因此若采用該方法，則氦氣從原料天然氣中的除去 優選在開采原料天然氣的生產用井的附近實施。這是由于在產出天然氣的氣田的地下，存 在能夠壓入氦氣的儲存層的可能性高。
[0018] 本發明基于上述見解而完成，其目的在于在生產天然氣的過程中獲得的氦氣的處 理中不會花費太多的功夫和成本，即可生產產品天然氣。
[0019] 用于解決上述課題的方法
[0020] 本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法具備以下工序：對含有氦氣的原料天 然氣進行絕熱壓縮的工序；將經絕熱壓縮的所述原料天然氣通入分離膜單元中，將所述氦 氣從所述原料天然氣中分離的工序；將分離了所述氦氣的所述原料天然氣通過管線輸送至 終端的工序；以及將從所述原料天然氣中分離的所述氦氣壓入到地下的儲存層內的工序。
[0021] 一直以來，原料天然氣在開采后在氣田側被加壓，利用氣田側的管線入口與終端 側的管線出口的壓力差，被輸送至遠處的終端。
[0022] 本發明中著眼于上述方面，通過在對原料天然氣進行加壓、即進行絕熱壓縮而提 高溫度之后通入分離膜單元中，將氦氣從原料天然氣中分離。從原料天然氣中分離的氦氣 被壓入到氣田附近的儲存層中，在地下被還原。另一方面，分離了氦氣的原料天然氣在通過 分離膜單元之后，與以往同樣地利用壓力差，被輸送至遠處的終端。
[0023] 根據本發明，著眼于以往以天然氣的遠距離輸送為目的而進行的原料天然氣的加 壓，將通過絕熱壓縮進行了升壓、升溫的原料天然氣暫時通入分離膜單元中，利用分離膜前 后的壓力差，將氦氣從原料天然氣中分離，因此用于對氦氣進行分離的設備負擔與采用深 冷分離法、吸附吸收法時相比，很少即可。而且，由于由無機系的多孔質材料形成的分離膜 對于加熱至某種程度的氦氣具有優異的分離能力，因此通過絕熱壓縮對原料天然氣進行升 溫，在此方面也是有效的。另外，從原料天然氣中分離的氦氣被壓入到氣田附近的儲存層 中，在地下被還原，因此沒有必要重新建設儲藏設施。
[0024] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法中，所述分離膜單元所具有的 分離膜可以由具有多個細孔的無機系多孔質材料形成。
[0025] 通過該方法，利用簡單的構成即可實現效率良好的氦氣的分離。
[0026] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法中，所述分離膜的所述細孔可 以具有0. 26nm以上且小于0. 43nm的直徑。另外，本發明的細孔的直徑是指與多個細孔有 關的直徑的平均值。
[0027] 通過該方法，將分離膜的細孔的直徑設定為作為氦分子的分子動力學直徑、即考 慮了分子運動的直徑的0. 26nm以上的大小。因此，當將原料天然氣供給至分離膜的一面側 時，原料天然氣中含有的氦分子通過分離膜的細孔、向分離膜的另一面側移動。由此，可以 從原料天然氣中將氦氣分離。另外，將分離膜的細孔的直徑設定為小于〇.43nm的大小。由 此，原料天然氣中含有的氦氣以外的物質中，丙烷等側鏈烴或甲苯等芳香族烴不會通過細 孔被分離，因此可以高度地維持分離膜的分離效率。
[0028] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法是使用壓縮機實施對所述原料 天然氣進行絕熱壓縮的工序，所述壓縮機也可以將所述原料天然氣沿著從所述分離膜單元 延伸的管線壓送至下游側。
[0029] 通過該方法，由于在原料天然氣的絕熱壓縮用途和原料天然氣的壓送用途中兼用 1個壓縮機，因此與分別設置發揮各自作用的壓縮機的情況相比，可以實現材料費的降低及 系統的小型化。
[0030] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法中，供至所述分離膜單元的所 述原料天然氣的壓力可以高于〇. IMPa且低于12MPa。
[0031] 通過該方法，由于將原料天然氣的壓力設定為高于0. IMPa的壓力，因此可以防止 氦氣的分壓變得過低、難以透過分離膜。由此，可進行氦氣的可靠的分離。另外，將原料天 然氣的壓力設定為低于12MPa的壓力。這是因為，當原料天然氣的壓力超過12MPa時，為了 可耐受夾持分離膜的兩側的壓差，需要增加分離膜的厚度、增大其機械強度。但是，當增加 分離膜的厚度時，與其相伴，氦氣的透過速度或透過量減少，分離膜的分離能力降低。另外， 在對于天然氣的管線而言通常允許的最大壓力為10?12MPa時，原料天然氣的壓力也不會 超過該范圍。
[0032] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法可以通過調節供至所述分離膜 單元的所述原料天然氣的溫度來控制所述氦氣的分離量。
[0033] 通過該方法，與利用設于管線中的閥門的開關等控制氦氣的分離量的情況相比， 可以精度更為良好、且迅速地對氦氣的分離量進行控制。
[0034] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法中，為了對供給至所述分離膜 單元的所述原料天然氣進行加熱，也可使用附帶設備的廢熱。
[0035] 通過該方法，通過利用附帶設備的廢熱、對原料天然氣進行加熱，可以提高作為系 統全體的能量效率。
[0036] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法中，所述附帶設備可以是對所 述壓縮機進行驅動的氣體渦輪機。
[0037] 通過該方法，可以有效地利用氣體渦輪機的廢熱。
[0038] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法中，供給至所述分離膜的所述 原料天然氣的溫度可以低于450°C。
[0039] 通過該方法，可以高度地維持分離膜的分離能力。其原因在于，原料天然氣的溫度 超過450°C時，作為氦以外的含有成分的甲烷、氮、二氧化碳等發生活性擴散，這些物質的透 過速度或透過量增大，因此氦氣的分離效率降低。另外，通過該方法，可以延長管線等設備 的耐用壽命。這是由于，當原料天然氣的溫度超過500°C時，作為其含有成分的重質烴發生 碳化，有對管線等設備造成腐蝕的危險，因而原料天然氣不會超過該500°C。
[0040] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法還可進一步具備導入氣體、對 所述分離膜單元進行清掃的工序。
[0041] 根據該方法，通過利用導入的氣體對分離膜單元進行清掃，將從原料天然氣中分 離的氦氣從分離膜單元中清掃，不會滯留在分離膜單元的內部，因此利用分離膜單元的氦 的分離作用提高。由此，可以效率良好地將氦氣從原料天然氣中分離、生產產品天然氣。
[0042] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法中，也可以導入所述原料天然 氣的一部分、對所述分離膜單元進行清掃。
[0043] 通過該方法，為了對分離膜單元進行清掃，沒有必要供給與原料天然氣不同的氣 體，因此可以實現成本的削減和系統的簡化。
[0044] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產系統可具備：對含氦氣的原料天然 氣進行絕熱壓縮的壓縮機；從經絕熱壓縮的所述原料天然氣中分離所述氦氣的分離膜單 元；用于將分離了所述氦氣的所述原料天然氣向終端輸送的管線；以及將分離的所述氦氣 壓入到地下的儲存層內的地下還原設備。
[0045] 根據該系統，著眼于以往以天然氣的遠距離輸送為目的進行的原料天然氣的加 壓，將通過絕熱壓縮而升壓、升溫的原料天然氣暫時通入至分離膜單元中，利用分離膜前后 的壓力差將氦氣從原料天然氣中分離，因此用于分離氦氣的設備負擔與采用深冷分離法、 吸附吸收法的情況相比，很少即可。而且，由無機系多孔質材料形成的分離膜由于對加熱至 某種程度的氦氣具有優異的分離能力，因此通過絕熱壓縮將原料天然氣升溫，在此方面也 是有效的。另外，從原料天然氣中分離的氦氣被壓入到氣田附近的儲存層中，在地下被還 原，因此沒有必要建設新的儲藏設施。
[0046] 另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產系統中，所述分離膜單元所具有的 分離膜可以由具有多個細孔的無機系多孔質材料形成。
[0047] 通過該系統，可以通過簡單的構成實現效率良好的氦氣的分離。
[0048]另外，本發明實施方式所涉及的天然氣的生產系統中，所述分離膜的所述細孔可 以具有0· 26nm以上且小于0· 43nm的直徑。
[0049] 通過該系統，將分離膜的細孔的直徑設定為作為氦分子的分子動力學直徑、即考 慮了分子運動的直徑的0. 26nm以上的大小。因此，當將原料天然氣供給至分離膜的一面側 時，原料天然氣中含有的氦分子通過分離膜的細孔、向分離膜的另一面側移動。由此，可以 將氦氣從原料天然氣中分離。另外，將分離膜的細孔的直徑設定為小于〇.43nm的大小。由 此，原料天然氣中含有的氦氣以外的物質中，丙烷等側鏈烴或甲苯等芳香族烴不會通過細 孔被分離，因此可以高度地維持分離膜的分離效率。
[0050] 發明效果
[0051] 通過本發明所涉及的天然氣的生產方法及天然氣的生產系統，在生產產品天然氣 的過程中，對附屬地獲得的氦氣的處理不用花費太多功夫和成本，就可以生產產品天然氣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0052] 圖1是表示本發明第一實施方式所涉及的天然氣的生產系統的概略構成的示意 圖。
[0053] 圖2是對圖1的分離膜單元的周邊進行放大的部分放大圖。
[0054] 圖3是表示本發明第一實施方式所涉及的天然氣的生產方法的工序的流程圖。
[0055] 圖4是對第二實施方式所涉及的天然氣的生產系統中的分離膜單元的周邊進行 放大的部分放大圖。
[0056] 圖5是對第三實施方式所涉及的天然氣的生產系統中的分離膜單元的周邊進行 放大的部分放大圖。
[0057] 圖6是對分離膜的一部分進行放大的部分放大圖。
[0058] 圖7是表示本發明第四實施方式所涉及的天然氣生產系統的概略構成的示意圖。

【具體實施方式】
[0059](第一實施方式）
[0060] 以下參照附圖對本發明實施方式所涉及的天然氣的生產方法及生產系統分別進 行說明。首先，對本發明第一實施方式所涉及的天然氣的生產方法中使用的生產系統進行 說明。圖1是表示第一實施方式所涉及的天然氣的生產系統IOA的概略構成的示意圖。
[0061] 天然氣的生產系統IOA如圖1所示，具備天然氣配管11、雜質除去設備12、氦氣分 離設備13、氦氣配管15和地下還原設備16。
[0062] 天然氣配管11從開采原料天然氣的生產用井SI向氦氣分離設備13延伸。雜質 除去設備12設置在天然氣配管11上。氦氣分離設備13經由天然氣輸送用的管線11a，與 遠處的液化天然氣生產設備（以下、記為LNG生產設備）14 (終端）連接。氦氣配管15從氦 氣分離設備13向還原用井TI延伸。地下還原設備16設置在氦氣配管15上。另外，本申 請說明書中使用的"終端"這一用語是指以各種目的設置在管線Ila的末端部的設備，LNG 生產設備14為其一例。
[0063] 雜質除去設備12發揮從挖掘生產用井SI所獲得的原料天然氣1中將油或冷凝物 等烴以及水等雜質除去的作用。該雜質除去設備12如圖1所示，設置于在天然氣配管11 中朝向氣體的流動方向、比生產用井SI更下游側的位置。
[0064] 氦氣分離設備13具有絕熱壓縮用壓縮機131 (第二壓縮機）、分離膜單元132、旁 通管134和流量調節閥135。
[0065] 絕熱壓縮用壓縮機131發揮通過對原料天然氣1進行絕熱壓縮來進行升溫、升壓 的作用。一般來說，當利用膜將氦等分子尺寸較小的物質從作為天然氣主成分的甲烷等分 子尺寸大的物質中分離時，溫度或壓力較高的情況是有利的。因此，通過使用絕熱壓縮用壓 縮機131對原料天然氣進行絕熱壓縮而進行升溫、升壓，在分離膜單元132中可以提高氦氣 從原料天然氣1中的分離效率。
[0066] 具體地說，絕熱壓縮用壓縮機131按照原料天然氣1的壓力高于0· IMPa且低于 12MPa的方式對原料天然氣1進行絕熱壓縮。如此，由于經絕熱壓縮的原料天然氣1的壓 力高于大氣壓的〇. IMPa，因此可以防止氦氣的分壓變得過低、難以透過分離膜132M。另外， 由于經絕熱壓縮的原料天然氣1的壓力低于12MPa，因此可以高度地維持分離膜132M的分 離能力。即，當原料天然氣1的壓力超過12MPa時，為了可耐受夾持分離膜132M的兩側的 壓差，需要增加分離膜132M的厚度來增大其機械強度。但是，當增加分離膜132M的厚度 時，與其相伴，氦氣的透過速度或透過量減少，分離膜132M的分離能力降低。另外，在對于 管線Ila而言通常允許的最大壓力為10?12MPa時，原料天然氣1的壓力也不會超過該范 圍。另外，為了確保氦氣的分壓、能夠進行更可靠的分離，優選按照原料天然氣1的壓力高 于I. OMPa的方式進行絕熱壓縮，更優選按照原料天然氣1的壓力高于3. 5MPa的方式進行 絕熱壓縮。這是由于，當原料天然氣1的壓力高于I. OMPa時，分離膜132M的氦氣的透過量 增加，另一方面，甲烷氣體的透過量反而減少。另外，當原料天然氣1的壓力高于3. 5MPa時， 在分離膜132M中主要是氦氣透過，甲烷氣體幾乎不會透過。
[0067] 另外，絕熱壓縮用壓縮機131對原料天然氣1進行絕熱壓縮，直至達到不超過 450°C的規定溫度。由此，可以高度地維持分離膜132M的分離能力。其原因在于，當原料天 然氣1的溫度超過450°C時，作為氦以外的含有成分的甲烷、氮、二氧化碳等發生活性擴散， 這些物質的透過速度或透過量增大，由此氦氣的分離效率降低。另外，當原料天然氣1的溫 度超過500°C時，作為其含有成分的重質烴發生碳化，從而在管線Ila等設備上易于發生腐 蝕，由于原料天然氣1不超過500°C，因此可以延長管線Ila等設備的耐用壽命。另外，為了 更可靠地將氦氣進行分離，優選按照原料天然氣1的溫度高于70°C的方式進行絕熱壓縮， 更優選按照原料天然氣1的溫度高于l〇〇°C的方式進行絕熱壓縮。其具有以下的優點：原 料天然氣1的溫度高于70°C時，其中含有的乙烷以上的高級烴對氦氣的分離造成的影響減 小；另外，當原料天然氣1的溫度超過l〇〇°C時，其中含有的水及液狀烴對氦氣的分離造成 的影響減小，從而可以高度地維持氦氣的分離效率。
[0068] 該絕熱壓縮用壓縮機131如圖1所示，設置在比天然氣配管11中的雜質除去設備 12更下游側的位置上。另外，絕熱壓縮用壓縮機131可以發揮作為用于通過管線Ila進行 的、向LNG生產設備14輸送天然氣的動力源的作用。此時，例如以壓縮比3對50°C的天然 氣進行升壓時，絕熱壓縮用壓縮機131的出口處的天然氣溫度達到160°C左右。通過將該壓 縮熱積極地利用在分離膜單元132的膜分離中，可以減少膜分離作用中的能量的消耗量， 結果可削減成本。
[0069] 分離膜單元132發揮從經由雜質除去設備12的原料天然氣1中將氦氣分離的作 用。圖2是將圖1的分離膜單元132的周邊放大的部分放大圖。分離膜單元132含有分離 膜132M。分離膜132M的材質為無機系的多孔質材料、例如硅化合物系材料，特別是具有氦 氣的透過量或透過速度大的特性。當原料天然氣1流過分離膜單元132的內部時，如圖2 所示，原料天然氣1中含有的氦氣透過分離膜132M而流入氦氣配管15中。如此構成的分 離膜單元132如圖1所示，在天然氣配管11中設置在比絕熱壓縮用壓縮機131更下游側的 位置上。
[0070] 圖6是將分離膜132M的一部分放大的部分放大圖。分離膜132M中貫通其厚度 方向地形成有多個細孔132H。該細孔132H的孔徑（直徑）設定為約0. 26nm以上且小于 0. 43nm的大小。如此，細孔132H的孔徑由于設定為作為氦分子Hb的分子動力學直徑、即考 慮了分子運動的直徑的〇.26nm以上，因此氦分子Hb可以透過細孔132H，從分離膜的一面側 向另一面側移動。其中，下述表1表示原料天然氣中含有的主要物質及其分子動力學直徑。
[0071] 表 1
[0072]

【權利要求】
1. 一種天然氣的生產方法，其具備以下工序： 對含有氦氣的原料天然氣進行絕熱壓縮的工序； 將經絕熱壓縮的所述原料天然氣通入分離膜單元中，將所述氦氣從所述原料天然氣中 分離的工序； 將分離了所述氦氣的所述原料天然氣通過管線輸送至終端的工序；以及 將從所述原料天然氣中分離的所述氦氣壓入至地下的儲存層內的工序。
2. 根據權利要求1所述的天然氣的生產方法，其中，所述分離膜單元所具有的分離膜 由具有多個細孔的無機系多孔質材料形成。
3. 根據權利要求1或2所述的天然氣的生產方法，其中，所述分離膜的所述細孔具有 0. 26nm以上且小于0. 43nm的直徑。
4. 根據權利要求1?3中任一項所述的天然氣的生產方法，其中，對所述原料天然氣進 行絕熱壓縮的工序使用壓縮機進行，所述壓縮機將所述原料天然氣沿著從所述分離膜單元 延伸的管線壓送至下游側。
5. 根據權利要求1?4中任一項所述的天然氣的生產方法，其中，供至所述分離膜單元 的所述原料天然氣的壓力高于〇. IMPa且低于12MPa。
6. 根據權利要求1?5中任一項所述的天然氣的生產方法，其中，通過對供至所述分離 膜單元的所述原料天然氣的溫度進行調節，控制所述氦氣的分離量。
7. 根據權利要求1?6中任一項所述的天然氣的生產方法，其中，為了對供至所述分離 膜單元的所述原料天然氣進行加熱，使用附帶設備的廢熱。
8. 根據權利要求1?7中任一項所述的天然氣的生產方法，其中，所述附帶設備是驅動 所述壓縮機的氣體渦輪機。
9. 根據權利要求1?8中任一項所述的天然氣的生產方法，其中，供至所述分離膜的所 述原料天然氣的溫度低于450°C。
10. 根據權利要求1?9中任一項所述的天然氣的生產方法，其進一步具備導入氣體、 對所述分離膜單元進行清掃的工序。
11. 根據權利要求10所述的天然氣的生產方法，其中，導入所述原料天然氣的一部分， 對所述分離膜單元進行清掃。
12. -種天然氣的生產系統，其具備： 對含有氦氣的原料天然氣進行絕熱壓縮的壓縮機； 將所述氦氣從經絕熱壓縮的所述原料天然氣中分離的分離膜單元； 用于將分離了所述氦氣的所述原料天然氣朝向終端輸送的管線；以及 將經分離的所述氦氣壓入至地下的儲存層內的地下還原設備。
13. 根據權利要求12所述的天然氣的生產系統，其中，所述分離膜單元所具有的分離 膜由具有多個細孔的無機系多孔質材料形成。
14. 根據權利要求13所述的天然氣的生產系統，其中，所述分離膜的所述細孔具有 0. 26nm以上且小于0. 43nm的直徑。
【文檔編號】F25J1/00GK104334829SQ201380025021
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月16日 優先權日:2012年5月16日
【發明者】池野友德, 千葉一元, 若月俊也, 竹內裕介, 茶木一壽, 安藤純一郎 申請人:石油資源開發株式會社