地熱水のシリカ除去方法、シリカ粉末の製造方法及びシリカ除去装置
【課題】シリカを含有した熱水とシードとを簡単な構造の設備内にて反応させ、高温高圧地熱水から継続的に容易かつ低コストにてシリカを除去、低減可能なシリカ除去装置及びシリカ除去方法及びシリカ粉末の製造方法を提供すること。
【解決手段】熱水中のシリカを除去する方法であって、ケイ酸カルシウムからなるシード１８を充填したカラム１２に地熱水２０を供給し、シード１８と地熱水２０を反応させて殿物２５を下方に沈殿させるとともに、シリカが除去された処理水２１をカラム１２の上方から排出させることを特徴とする。また、シード１８は、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、ケイ酸カルシウムを粒度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の粒子が１０％以下、且つ粒径が１０００μｍより大きい粒子が１０％以下であることを特徴とする。
【解決手段】熱水中のシリカを除去する方法であって、ケイ酸カルシウムからなるシード１８を充填したカラム１２に地熱水２０を供給し、シード１８と地熱水２０を反応させて殿物２５を下方に沈殿させるとともに、シリカが除去された処理水２１をカラム１２の上方から排出させることを特徴とする。また、シード１８は、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、ケイ酸カルシウムを粒度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の粒子が１０％以下、且つ粒径が１０００μｍより大きい粒子が１０％以下であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、地熱水からシリカを除去し、処理後地熱水のシリカ含有量を削減するシリカ除去方法と、この方法により除去したシリカを原料としたシリカ粉末の製造方法、及びシリカ除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、地熱水には大量のシリカ成分が溶存しており、例えば、地熱水を地熱発電に利用する場合、地熱水中のシリカが地熱発電プラントの配管内表面にシリカスケールとして析出し、配管断面積の減少や熱伝達率低下にともなう熱交換効率の低下を生じるため、配管内部等にシリカが付着するのを防止する必要がある。
【０００３】
そこで、地熱水中のシリカの析出を抑制する第１の方法として、薬剤添加槽、反応槽、沈殿槽等を備えた装置に、例えばケイ酸カルシウム等の薬剤を添加して、地熱水からシリカ成分を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
かかる方法によれば、地熱水中のシリカを除去し、シリカ含有量を低減した後の地熱水を使用するため、大気にフラッシュさせる場合であってもシリカの析出が少なく、タービンや熱交換器の管路へのシリカ析出が抑制可能である。
一方、地熱水を利用する第２の方法として、地下から汲み上げた地熱水からシリカ成分が析出するのを抑制するために地熱水を高温高圧状態で利用し、利用後の還元熱水をそのまま地下に還元する高温還元法によって、配管内へのシリカ析出を抑制する方法がある。
【特許文献１】特開２００３−１１７５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記第１の方法によれば、構成が複雑でかつ高価な装置への設備投資が必要となり、シリカの除去量に応じた薬剤の継続的添加や、大量に発生する殿物を別途処理する必要があり、装置の運転やメンテナンスに伴うコストが大きいという問題があった。
また、かかるシリカ除去方法及び除去装置によれば、シリカ除去に際して地熱水を大気圧下でフラッシュして約１００℃以下の低温地熱水とする必要があり、高温高圧地熱水から直接シリカを除去し、高温高圧のままで地熱水を使用することは困難であった。
また、第２の方法によれば、一旦地上に汲み上げた地熱水を大量のシリカが溶存したまま再び地下に戻すことになるため、地下の地熱水還流経路でシリカが析出して還流経路が縮小又は閉塞される可能性があった。
【０００５】
この発明は、かかる事情を考慮してなされたもので、シリカを含有した地熱水を簡単な構造の装置内にてシードと反応させ、大気中にフラッシュさせた後の地熱水のみならず、高温高圧地熱水から容易かつ低コストにてシリカを継続的に除去、低減可能なシリカ除去方法、その方法で除去したシリカを原料としたシリカ粉末の製造方法、及びシリカ除去装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載された発明は、地熱水中のシリカを除去するシリカ除去方法であって、ケイ酸カルシウムからなるシードを充填したカラムに下方から地熱水を供給し、前記シードと地熱水を反応させて殿物を下方に沈殿させるとともに、シリカが除去された処理水を該カラムの上方から排出させることを特徴とする。
【０００７】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、シリカを多く含有した地熱水をシードが充填されたカラム内で上昇させて、シードと地熱水が接触しやすい方向に相対的に移動させることで地熱水とシードとの化学反応を促進するとともにシリカを殿物として析出させることで、地熱水中のシリカを除去、低減させる。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載のシリカ除去方法であって、前記シードは、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であり、且つ粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下であることを特徴とする。
【０００９】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、シードを構成するケイ酸カルシウムは、化学組成におけるＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であるため、シリカが吸着されやすく、大量のシリカを吸着することができる。
また、ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であるため、カラム上方の排出口からシードが排出されるのが抑制され、シード量低下によるシリカの析出効率の低下が抑制される。
また、粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下とされ、シードの９０％以上が粒径１０００μｍ以下の粒子であるため、表面積／体積が大きくシリカを析出させ易い。また、シードや殿物やカラム内で緩やかに沈降するため、長期間に亘ってカラム内に保持され、地熱水中のシリカを効率よく吸着、低減する。
【００１０】
請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２に記載のシリカ除去方法であって、前記カラム内を通過する地熱水の通過時間が、９０分以上１２０分以下であることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、カラム内を通過する地熱水の通過時間、すなわち滞留時間が９０分以上とされるため、シードと地熱水が充分に接触してシリカが析出するとともに、停滞時間が１２０分以下とされることで、シリカが充分に除去され、シリカの溶解度に近づいたためにシリカが析出し難くなった地熱水をカラム内に保持しないので装置が小型化される。
【００１２】
請求項４に記載された発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリカ除去方法であって、前記カラム内を流通する地熱水の通過速度が、殿物の沈降速度より小さいことを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、カラムに供給される地熱水量を流路断面積で除して得られる通過速度が、殿物の沈降速度より小さいので殿物が処理水に混在したままカラム上方から外部に排出されることなく、カラム下方に沈降して、回収される。
【００１４】
請求項５に記載された発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のシリカ除去方法であって、前記カラム内を流通する地熱水の通過速度が、５ｃｍ／分より小さいことを特徴とする。
【００１５】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、カラム内を流通する地熱水の通過速度が、５ｃｍ／分より小さくされているので、カラム内にて析出した殿物のうち約２００μｍ以上のものは、通過地熱水によって排出口に移送されることなく、カラム下方に安定して沈殿してゆく。
【００１６】
請求項６に記載された発明は、シリカ粉末の製造方法であって、請求項１から請求項５のいずれかに記載のシリカ除去方法により沈殿させられた、前記シリカからなる殿物を含む液を乾燥させるとともに造粒して、シリカ粉末を製造することを特徴とする。
【００１７】
この発明に係るシリカ粉末の製造方法によれば、地熱水から除去されたシリカからなる殿物を含む液を乾燥させるとともに造粒してシリカ粉末を製造するので、簡単な工程で効率的にシリカ粉末を製造することができるとともに、製造に係るコストを大幅に削減することができる。
また、地熱水から除去されたシリカをシリカ粉末としてリサイクルさせることで、産業廃棄物の発生を抑制することができる。
【００１８】
請求項７に記載された発明は、地熱水中のシリカを除去するシリカ除去装置であって、ケイ酸カルシウムからなるシードを充填したカラムと、該カラムの下方から地熱水を供給する供給口と、シリカが除去された処理水を該カラムの上方から排出させるための排出口とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、地熱水を供給する供給口がカラムの下方に設けられているので、供給された高温の地熱水がカラムの下方から上方に移動し、シード及び沈降中の殿物と活発に接触し、ケイ酸カルシウムに吸着し、析出が生じ易い。また、シリカが除去された処理水がカラム上方の排出口から排出されるので、析出した殿物のうち、約１０μｍ〜約１００μｍまでのもののみが、排出口より排出され、約２００μｍ以上に成長した殿物の排出口からの排出が抑制される。その結果、排出される処理水に含まれるシリカ成分の絶対量を削減できるとともに、殿物をカラム下方に集積し易い。
【００２０】
請求項８に記載された発明は、請求項７に記載のシリカ除去装置であって、前記シードは、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であり、且つ粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下であることを特徴とする。
【００２１】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、シードの排出によるシード量低下が抑制されるとともに、殿物が緩やかに沈降して長期間に亘ってカラム内に保持されるとともに、シリカが吸着されやすいため大量のシリカを効率よく吸着、低減することができる。
【００２２】
請求項９に記載された発明は、請求項７又は請求項８に記載のシリカ除去装置であって、該カラムは鉛直方向の長さが４ｍ以上５ｍ以下であることを特徴とする。
【００２３】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、カラムの鉛直方向の長さが４ｍ以上５ｍ以下とされているため、シードの沈降時間が９０分以上の滞留時間を確保して、殿物を充分に析出させるとともに、析出が充分されて析出効率が低下した地熱水を保持するためのカラムを備える必要がない。
【００２４】
請求項１０に記載された発明は、請求項７から請求項９のいずれかに記載のシリカ除去装置であって、該カラムは鉛直方向の温度勾配が１．２５℃／ｍ以上２．５℃／ｍ以下となる保温手段を備えていることを特徴とする。
【００２５】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、カラムの鉛直方向の温度勾配が１．２５℃／ｍ以上とされ地熱水の供給口がある下方側の温度が高いため、地熱水はカラム内を上昇し、カラム内での滞留の発生が抑制される。また、温度勾配が２．５℃／ｍ以下とされ、地熱水がカラム内を速い流速で上昇するのが抑制されるので、シードのオーバフローを抑制するとともに析出反応と殿物の沈降が安定して行なわれる。
【００２６】
請求項１１に記載された発明は、請求項７から請求項１０のいずれかに記載のシリカ除去装置であって、前記地熱水及びシードを攪拌するための攪拌機を備えることを特徴とする。
【００２７】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、前記地熱水及び前記シードを攪拌するための攪拌機を備えているので、カラム内の地熱水及びシードが緩やかに攪拌され、析出反応を促進する。さらに、カラム内の温度勾配を所定の範囲内として反応を安定させることができる。
【００２８】
請求項１２に記載された発明は、地熱発電設備であって、請求項７から請求項１１のいずれかに記載のシリカ除去装置を備えたことを特徴とする地熱発電設備。
【００２９】
この発明に係る地熱発電設備によれば、シリカ除去装置を備えているので、地熱水に含まれるシリカを除去してから発電用配管に供給するので、配管内におけるシリカの析出を抑制し、地熱発電設備のタービンや配管等のメンテナンスを容易にするとともに、配管の寿命を延長することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、シリカを含有した地熱水とシードとを反応させて、大気中にフラッシュさせた後の地熱水のみならず、高温高圧地熱水から継続的に、容易かつ低コストにてシリカを除去、低減することができる。また、地熱水から除去されたシリカを原料としてシリカ粉末を製造することができるので、産業廃棄物の量を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るシリカ除去装置を示した図であり、符号１０はシリカ除去装置を、符号１２はカラムを、符号１８はシードを、符号２０は地熱水を示している。
カラム１２は、第１のカラム１２ａと、第２のカラム１２ｂとを備えており、第１のカラム１２ａは第２のカラム１２ｂの上流側に設けられ、第１のカラム１２ａの上方に配管１５を介して第２のカラム１２ｂが直列に接続されている。
また、第１のカラム１２ａの下方には、地熱水２０をカラム１２内に導入するための地熱水供給口１３が設けられ、第２のカラム１２ｂの上方にはシリカが低減された処理水２１を排出するための排出口１４が設けられている。
また、第１のカラム１２ａと第２のカラム１２ｂの間の配管１５には、オーバフローしたシード１８を回収するための配管１６が設けられている。
【００３２】
カラム１２は、内径１０ｃｍ、高さ約４ｍの円筒体であって、下側の第１のカラム１２ａは高さ３ｍ、上側の第２のカラム１２ｂは高さ１ｍとされ、第１のカラム１２ａには、水に溶解させたケイ酸カルシウムからなるシード１８が充填されている。
また、第１のカラム１２ａの下方端には、図示しないカラム底板がボルト等により取り付けられ、第１のカラム１２ａに沈殿した殿物２５を第１のカラム１２ａの外部に取出すことができるようになっており、必要に応じて、第２のカラム１２ｂにも同様の構造を設けることができる。
供給口１３から導入されたシリカ成分を含有する地熱水２０が、シードと接触してシリカが殿物２５として物理的に析出し、カラム１２の下方に沈殿するようになっている。
また、カラム１２は、必要に応じて外周、端面等を図示しない断熱材により覆い、断熱材に代えて、または、併用してヒータを用いて保温性を向上させることによりカラムの鉛直方向の温度勾配を１．２５℃／ｍ以上２．５℃／ｍ以下としている。
【００３３】
シード１５は、シリカ／カルシウムが０．８１以上４．４８以下、種晶平均粒径が約６００μｍのケイ酸カルシウムから構成され、以下に示すような方法で生成する。
まず、地熱水１Ｌに対して、液状ＣａＯ（予め水に溶かしたＣａＯ）１ｇを添加し、ケイ酸カルシウムを生成させる。次に、生成した殿物を残して上澄み水を捨て、生成殿物に地熱水をさらに添加する。この作業を、５〜６回程度繰返して、殿物を濃縮する。
【００３４】
シード１５の生成工程は、
ｍＣａＯ＋ｎＳｉＯ2＋ＸＨ2Ｏ→ ｍＣａＯ・ｎＳｉＯ2・ＸＨ2Ｏ
（ｍ、ｎ、Ｘは、正の整数）
という化学反応式から構成され、
例えば、生石灰と地熱水からは、以下のような反応が進む。
２ＣａＯ＋ＳｉＯ2 → ２ＣａＯ・ＳｉＯ2または
３ＣａＯ＋ＳｉＯ2 → ３ＣａＯ・ＳｉＯ2
また、ＣａＯが水と反応した後は、Ｃａ（ＯＨ）2とシリカにより、以下の反応も進行する。
２Ｃａ（ＯＨ）2＋ＳｉＯ2 → ２ＣａＯ・ＳｉＯ2＋２Ｈ2Ｏまたは
３Ｃａ（ＯＨ）2＋ＳｉＯ2 → ３ＣａＯ・ＳｉＯ2＋３Ｈ2Ｏ
【００３５】
いずれの場合も、シード生成工程において、ＣａＯ・ＳｉＯ2が沈殿物として生成される。
また、シード１５に用いるケイ酸カルシウムの粒子は、粒径が概ね１８０μｍから１０２０μｍの範囲で分布（２００μｍ未満が約３％、１０００μｍより大が約１％）しており、好ましくは、２００μｍから１０００μｍの範囲が適しており、さらに好ましくは、３００μｍから９００μｍのものが適している。ここでいう粒径、粒度分布とは、「レーザ回折／散乱式測定法」（計測機器、堀場製作所 ＬＡ−９１０Ｗにより計測、粒径ごとの頻度分布として出力した結果）による粒径ごとの頻度分布である。
上記の方法にて生成したケイ酸カルシウム粒子は、正規分布の場合、粒径における最多頻度が約６００μｍにある場合、粒径が１８０μｍから１０２０μｍのシードは、粒径約６００μｍの両側に各４２０μｍ（標準偏差σのほぼ３倍に相当）の巾があるため、粒径の標準偏差σが約１４０μｍである。
【００３６】
同様に、２００μｍから１０００μｍまでの場合、平均粒径６００μｍ、粒径の標準偏差σは約１３３μｍ、また、粒径が３００μｍから９００μｍまでの場合は、平均粒径６００μｍ、標準偏差σは約１００μｍの構成とされる。
平均粒径約６００μｍ、粒径の標準偏差σが約１４０μｍのシードにおいて、排出口１４から排出され難く、表面積／体積が大きく確保されて析出効率がよい２００μｍから１０００μｍのものは、平均粒径６００μｍの両側４００μｍ（２σ）であり、粒径のバラツキによる標準偏差の変動及び平均値の移動を考慮すると、２００μｍから１０００μｍの範囲をねらいの粒径として、０μｍから２００μｍの範囲と、１０００μｍから１２００μｍの範囲をそれぞれ約１０％未満とすることが実用的である。
【００３７】
次に、シリカ除去装置１０の作用について説明する。
例えば、シリカを多く含有した１４８℃、０．４６ＭＰａの地熱水２０を、カラム１２下方の地熱水供給口１３から供給し、カラム１２の下方に設けられた地熱水供給口１３から第１のカラム１２ａ内に導入される。供給された地熱水２０は、第１のカラム１２ａを上昇し、充填されたシード１５と相互に接触する方向に相対移動する。その結果、地熱水２０に含有されたシリカがシード１５と化学的、物理的に反応し、地熱水２０中のシリカが殿物２５として析出する。その結果、地熱水２０中のシリカが除去され、地熱水中のシリカ濃度が低下する。
シリカが除去されてシリカ濃度が低下した処理水２１は、第２のカラム１２ｂ上方の排出口１４から排出される。
また、第１のカラム１２ａからオーバフローしたシード１８は、配管１６を介して回収、第１のカラム１２ａに還流される。
【００３８】
上記第１の実施の形態のシリカ除去装置１０及びシリカ除去方法によれば、地熱水２０を供給する供給口１３がカラム１２の下方に設けられているので、供給された高温の地熱水２０がカラム１２内を下方から上方に移動し、カラム１２内を下降するシード１８及び殿物２５と活発に接触し、反応が起こり易い。
また、シリカが除去された処理水２１は、カラム１２上方の排出口１４から排出されるので、２００μｍ以上の大きさに成長した殿物２５は排出口１４からの排出が抑制される。その結果、処理水２１に含まれるシリカ成分の総量を削減することができるとともに、析出後、成長した殿物をカラム１２ａの下方に集積し易い。
また、第１のカラム１２ａからオーバフローするシード１８は、配管１６を介して回収されるのでシード１８の流出が抑制される。
【００３９】
また、地熱水２０の供給口１３がカラム１２の下方に設けられ、供給された地熱水２０がカラム１２の下方から上方に移動するとともに、ケイ酸カルシウムからなるシード１８及び殿物はカラム１２内を下方に下降し相互に接触する方向に移動するため、効率的に接触し地熱水２０中のシリカを殿物２５として析出し易い。
【００４０】
また、シード１８に用いられるケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であるため、シリカを効率的に析出させることができる。
ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であるため、カラム１２の上方の排出口１４から排出されるシード１８の排出が抑制され、シード量低下によるシリカの析出効率の低下が抑制される。
【００４１】
また、シード１８は、粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下とされ、９０％以上が表面積／体積が大きくシリカを析出させやすい粒径１０００μｍ以下の粒子であるとともに、カラム１２内で浮沈の均衡が保たれて緩やかに沈降するため、長期間に亘ってカラム内に保持され、地熱水中のシリカを効率よく析出させることができる。
また、カラム１２の鉛直方向の温度勾配が１．２５℃／ｍ以上とされ地熱水２０の供給口１３がある下方側の温度が高いため、地熱水２０はカラム１２内を上昇し、カラム１２内での滞留の発生が抑制される。また、温度勾配が２．５℃／ｍ以下とされ、地熱水２０がカラム１２内を速い流速で上昇するのが抑制されるので、シード１８のオーバフローを抑制するとともに析出反応と殿物の沈降が安定して行なわれる。
また、シード１８を継続的に使用することができるので、シード１５のコストを削減することができる。
【００４２】
その結果、カラム１２に導入される際に１３２℃ ７００ｍｇ／Ｌ（１３２℃における非晶質シリカの溶解度は５７０ｍｇ／Ｌ）だった地熱水に含有されるシリカを、カラム１２から排出されるまでの間に３４０ｍｇ／Ｌを析出させ、１００℃における溶解度４００ｍｇ／Ｌよりも低い、１００℃、３６０ｍｇ／Ｌにまで低減させることができる。
また、熱水温度が１００℃以下の場合において地熱水中のシリカは、カラム１２に導入される際に７００ｍｇ／Ｌ（１３２℃における非晶質シリカの溶解度は、４００ｍｇ／Ｌ）のシリカが含有された熱水から、カラムから排出されるまでの間に４５０ｍｇ／Ｌのシリカが析出し、溶解度４００ｍｇ／Ｌ（１００℃）よりも低い、２５０ｍｇ／Ｌまで低減させることができる。
以上のことから、かかる装置及び方法によれば、地熱水２０中からシリカを生成させることで、地熱水２０中のシリカを溶解度以下まで、容易、且つ低コストにて低減することができる。
【００４３】
以下、この発明の第２の実施形態について説明する。
図２は、第２の実施形態に係るシリカ除去装置を示した図であり、符号４０はシリカ除去装置を、符号４１はカラムを示したものである。
シリカ除去装置４０は、直径７ｍ、高さ５ｍ、円筒の上下面に端版が設けられたタンク状のカラム４１と、カラム４１の下方に設けられた熱水供給口４６と、カラム４１の上方に配設された処理水排出口４８とを備えており、カラム４１の下側面は、カラム４１の内側が径方向内方に向かうにつれて下方に傾斜する所謂すり鉢状になっており、沈殿した殿物２５がカラム４１の中央に集積、熱水供給口４６から落下排出されるようになっている。
【００４４】
また、カラム４１には第１の実施形態と同様のシード１８が充填されるとともに、３枚の翼からなる攪拌機４２が設けられており、熱水供給口４６から供給された地熱水（以下、熱水という）３４及びシード１８を緩やかに攪拌するようになっている。
また、カラム４１は、必要に応じて外周等が断熱材で覆われ、又は断熱材と併用してヒータで加温することにより、保温可能とされている。
他の部分については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４５】
また、カラム４１は鉛直方向の長さが４ｍ以上５ｍ以下とされ、熱水３４がシード内に９０分以上停滞するため、シリカの析出が効率的に行なわれるとともに、停滞時間が１２０分以下とされているため、シリカが溶解度未満に除去されて析出効率が低下した処理水３６をカラム４１内に長時間に亘って保持しないため、カラム４１が小型化され設備コストを低減することができる。
シリカ除去装置４０によれば、熱水３４及びシード１８を攪拌するための攪拌機４２を備えているので、カラム４１内の熱水３４及びシード１８が緩やかに攪拌され、析出反応が促進される。また、カラム４１内の温度勾配を所定の範囲内として反応を安定させることができる。
その結果、熱水３４中からシリカを効率的に生成させるとともに、熱水３４中のシリカを溶解度以下まで、効率的に低減することができる。
【００４６】
次に、熱水により加熱された２次媒体によりタービンを駆動させるいわゆるバイナリ方式の地熱発電設備にシリカ除去装置４０を適用する場合について説明する。また、この例においては、シリカ除去装置４０で除去されたシリカからなる殿物を含有した液を原料としたシリカ粉末の製造にも適用されるようになっている。
図３は、バイナリ発電設備の主要部を示したものである。
バイナリ発電設備１００は、セパレータ６０と、シリカ除去装置４０と、熱交換器６５と、タービン７０と、シリカ粉末製造装置８０とを備えている。
セパレータ６０は、地下から採取して地熱水配管５０を介して供給された高温高圧地熱水３２を蒸気と熱水３４に分離し、蒸気は蒸気配管５１を介して熱交換装置６５に供給するようになっている。
シリカ粉末製造装置８０は、移送配管８６と、噴霧乾燥造粒装置８８とを備えており、噴霧乾燥造粒装置８８は、シリカ含有水３７を噴霧するスプレーノズル８８ａと、乾燥室８８ｂとを備えている。
【００４７】
シリカ除去装置４０を構成するカラム４１は、熱水供給口４６と、処理水排出口４８とを備えており、熱水供給口４６には熱水供給配管５３が接続され、処理水排出口４８には処理水配管５４が接続されている。
また、熱水供給口４６は、カラム４１内に沈殿した殿物２５を回収する機能を有しており、熱水供給配管５３の下方には、殿物回収配管５７が接続されている。
殿物回収配管５７はその配管内部において、又は殿物回収配管５７に備えられた図示しない沈殿槽において、シリカ除去装置４０で除去されたシリカからなる殿物２５を含有した液の固形分を、放置沈殿により濃縮するようになっており、固形分濃度が高められたシリカ含有水３７は移送配管８６に移送されるとともに、上澄み水３８は還元水配管８４に排出されるようになっている。
【００４８】
また、殿物２５の一部（１０００μｍ以下のもの）は、シード１８として、配管５７、配管５８及び配管５９を介してカラム４１の上方付近の図示しないシード１８の供給口からカラム４１に還流可能となっており、配管５９は、ストップバルブを開放してシード１８をカラム４１に投入する場合にも使用される。
また、セパレータ６０の下方には熱水供給配管５２が接続され、セパレータ６０で分離された熱水３４が熱水配管５２を介してカラム４１に供給され、処理水３６は、処理水配管５４及び還元水用配管５６を介して下流側の図示しない還元井に導かれ、還流されるようになっている。
【００４９】
このバイナリ発電設備１００においては、地熱水配管５０を介してセパレータ６０に導入された、例えば１４８℃、０．４６ＭＰａ程度の高温高圧地熱水３０が、蒸気と熱水３２に分離され、蒸気は配管５１を介して熱交換器６５に導入された後、熱交換によりペンタン、アンモニア、水等の２次媒体を高温高圧の蒸気に変換する。
高温高圧の熱媒体蒸気は、タービン７０に導かれてタービン翼を回転させるとともに、発電機を介して発電に用いられる。
一方、セパレータ６０で分離されたシリカ分の多い熱水３４は、カラム４１に供給されて、シード１８と反応することによりシリカが析出、低減されて、シリカ分が非晶質シリカの溶解度以下に低減させた後に還元水用配管５６を介して、還元水として還元井に還流させる。
【００５０】
次に、本発明に係るシリカ粉末の製造方法について説明する。
まず、上記の例のように、ケイ酸カルシウムからなるシード１８を充填したカラム１２、４１に下方から地熱水２０、３４を供給し、シード１８と地熱水２０、３４を反応させて、シリカからなる殿物２５を下方に沈殿させる。
殿物２５として沈殿したシリカは、殿物回収配管５７を経由して、噴霧乾燥造粒装置８８へと移送される。殿物回収配管５７に排出された殿物２５を含んだ液は、殿物回収配管５７内にて、又はその後の図示しない沈殿槽にてシリカを放置沈殿させるとともに、上澄み水３８を還元水配管８４に排出させることで、固形分が約９０％以上のシリカ含有水３７とされ、移送配管８６を通じて噴霧乾燥造粒装置８８に移送される。
【００５１】
噴霧乾燥造粒装置８８のスプレーノズル８８ａから噴霧乾燥造粒装置８８内に噴霧されたシリカ含有水３７は、シリカ含有水噴霧体Ｓ１となって乾燥され、シリカ粉末Ｓ２（シリカヒューム）に造粒される。造粒されたシリカ粉末Ｓ２は、乾燥室内の傾斜面に沿って貯留箱内に貯留される。
【００５２】
この実施の形態において、噴霧乾燥造粒装置８８は約３ｍの直径と高さ約６ｍ（うち、上部の円筒部分の高さ約３ｍ、下部の傾斜面を有する部分の高さ約３ｍ）とされ、噴霧乾燥造粒装置８８内には、下方から上方に向かう旋回気流が形成されたサイクロン方式によって、シリカ粉末Ｓ２が回収されるようになっており、乾燥気流は、入口温度１２０℃、出口温度７０℃、水分蒸発量５０ｋｇ／時、シリカ含有液の送液流量２．５Ｌ／分とされている。
このように、シリカ粉末Ｓ２の製造方法は、シリカを含有した液内の殿物２５を沈殿させて固形分の濃度を高くして、固形分濃度が高いシリカ含有水３７とし、シリカ含有水３７を乾燥させることによってシリカ粉末Ｓ２を生成させるものである。
【００５３】
以上のように生成されたシリカ粉末Ｓ２は、直径２０μｍ程度のものも含まれるが、概ね直径０．１〜１０μｍ程度の球状超微粒粉末とされ、ほぼ全ての粒子径にわたって球状を呈したものとされる。
なお、このシリカ粉末は、シードのＣａ成分を含有していても構わない。
このシリカ粉末の製造方法によれば、地熱水２０、３４から除去したシリカからなる殿物２５を乾燥させるので、簡単な製造工程にて効率良くシリカ粉末を製造することが可能であり、製造コストの削減と、産業廃棄物の発生を大巾に削減することができる。
【００５４】
このバイナリ発電設備１００によれば、シリカが溶解度未満にまで低減されているため、タービン７０や配管等の発電設備１００内にてシリカが析出すのが抑制され、タービンや配管等のメンテナンスを容易にするとともに、配管の寿命を長くして効率のよい発電をすることができ、処理水３６を還元水として還元井に容易に還流させることができる。
【００５５】
上記実施の形態においては、１４８℃、０．４６ＭＰａの地熱水２０に適用する場合について説明したが、これ以外の温度、圧力であっても、蒸気表（１９８０ＳＩ日本機械学界等）において液体とされる領域について、使用可能である。
また、本実施形態においては、発明の趣旨を逸脱しない範囲で構成要素を選択することができる。例えば、カラム１２、カラム４１の保温に関しては、カラム１２、４１の形状やカラム１２、４１の直径をはじめとする長さ、攪拌機４２や発電設備１００の構成についても適宜選択可能である。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、第１の実施形態、第２の実施形態を例として、熱水２０、３４からシリカを除去する場合について説明したが、これ以外の形態であっても、実質的に同一の範囲内で種々の変更を加えることができる。
また、シリカ粉末の製造方法においても、シリカ除去方法、シリカの乾燥方法について、上記実施の形態に限定されないことは当然である。
【００５７】
例えば、上記実施の形態においては、シリカ除去装置４０およびシリカ粉末製造装置８０が、バイナリ発電設備１００とともに設けられたプラントについて説明したが、バイナリ発電設備１００を備えずにシリカ除去装置４０とシリカ粉末製造装置８０とからなる構成としてもよい。
また、シリカ粉末Ｓ２の製造方法において、固形分の濃度を９０％以上とした場合について説明したが、これ以下の固形分濃度であってもよいし、噴霧乾燥造粒以外の乾燥方法を用いることもできる。
また、実施の形態では、バイナリ発電設備１００を例に説明したが、バイナリ発電設備に限らず、通常の発電設備にも適用可能なことはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
この発明に係るシリカ除去方法及びシリカ除去装置によれば、容易かつ低コストにて地熱水中のシリカを除去、低減し、処理水を河川や地中に安全に戻すことともに、処理した地熱水を使用して地熱発電を行なうことによって地熱発電設備等の配管表面におけるシリカの析出を抑制し、かかる設備を容易かつ低コストにて運転することができるため、産業上の利用可能性が認められる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係るシリカ除去装置の第１の実施形態を示す概念図である。
【図２】本発明に係るシリカ除去装置の第２の実施形態を示す概念図である。
【図３】本発明に係るシリカ除去装置をバイナリ発電設備に適用した場合の要部を示す概念図である。
【符号の説明】
【００６０】
Ｓ２ シリカ粉末
１０、４０ シリカ除去装置
１２、４１ カラム
１８ シード
２０、３４ 地熱水（熱水）
２１、３６ 処理水
２５ 殿物
８０ シリカ粉末製造装置
１００ バイナリ発電設備
【技術分野】
【０００１】
この発明は、地熱水からシリカを除去し、処理後地熱水のシリカ含有量を削減するシリカ除去方法と、この方法により除去したシリカを原料としたシリカ粉末の製造方法、及びシリカ除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、地熱水には大量のシリカ成分が溶存しており、例えば、地熱水を地熱発電に利用する場合、地熱水中のシリカが地熱発電プラントの配管内表面にシリカスケールとして析出し、配管断面積の減少や熱伝達率低下にともなう熱交換効率の低下を生じるため、配管内部等にシリカが付着するのを防止する必要がある。
【０００３】
そこで、地熱水中のシリカの析出を抑制する第１の方法として、薬剤添加槽、反応槽、沈殿槽等を備えた装置に、例えばケイ酸カルシウム等の薬剤を添加して、地熱水からシリカ成分を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
かかる方法によれば、地熱水中のシリカを除去し、シリカ含有量を低減した後の地熱水を使用するため、大気にフラッシュさせる場合であってもシリカの析出が少なく、タービンや熱交換器の管路へのシリカ析出が抑制可能である。
一方、地熱水を利用する第２の方法として、地下から汲み上げた地熱水からシリカ成分が析出するのを抑制するために地熱水を高温高圧状態で利用し、利用後の還元熱水をそのまま地下に還元する高温還元法によって、配管内へのシリカ析出を抑制する方法がある。
【特許文献１】特開２００３−１１７５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記第１の方法によれば、構成が複雑でかつ高価な装置への設備投資が必要となり、シリカの除去量に応じた薬剤の継続的添加や、大量に発生する殿物を別途処理する必要があり、装置の運転やメンテナンスに伴うコストが大きいという問題があった。
また、かかるシリカ除去方法及び除去装置によれば、シリカ除去に際して地熱水を大気圧下でフラッシュして約１００℃以下の低温地熱水とする必要があり、高温高圧地熱水から直接シリカを除去し、高温高圧のままで地熱水を使用することは困難であった。
また、第２の方法によれば、一旦地上に汲み上げた地熱水を大量のシリカが溶存したまま再び地下に戻すことになるため、地下の地熱水還流経路でシリカが析出して還流経路が縮小又は閉塞される可能性があった。
【０００５】
この発明は、かかる事情を考慮してなされたもので、シリカを含有した地熱水を簡単な構造の装置内にてシードと反応させ、大気中にフラッシュさせた後の地熱水のみならず、高温高圧地熱水から容易かつ低コストにてシリカを継続的に除去、低減可能なシリカ除去方法、その方法で除去したシリカを原料としたシリカ粉末の製造方法、及びシリカ除去装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載された発明は、地熱水中のシリカを除去するシリカ除去方法であって、ケイ酸カルシウムからなるシードを充填したカラムに下方から地熱水を供給し、前記シードと地熱水を反応させて殿物を下方に沈殿させるとともに、シリカが除去された処理水を該カラムの上方から排出させることを特徴とする。
【０００７】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、シリカを多く含有した地熱水をシードが充填されたカラム内で上昇させて、シードと地熱水が接触しやすい方向に相対的に移動させることで地熱水とシードとの化学反応を促進するとともにシリカを殿物として析出させることで、地熱水中のシリカを除去、低減させる。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載のシリカ除去方法であって、前記シードは、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であり、且つ粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下であることを特徴とする。
【０００９】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、シードを構成するケイ酸カルシウムは、化学組成におけるＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であるため、シリカが吸着されやすく、大量のシリカを吸着することができる。
また、ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であるため、カラム上方の排出口からシードが排出されるのが抑制され、シード量低下によるシリカの析出効率の低下が抑制される。
また、粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下とされ、シードの９０％以上が粒径１０００μｍ以下の粒子であるため、表面積／体積が大きくシリカを析出させ易い。また、シードや殿物やカラム内で緩やかに沈降するため、長期間に亘ってカラム内に保持され、地熱水中のシリカを効率よく吸着、低減する。
【００１０】
請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２に記載のシリカ除去方法であって、前記カラム内を通過する地熱水の通過時間が、９０分以上１２０分以下であることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、カラム内を通過する地熱水の通過時間、すなわち滞留時間が９０分以上とされるため、シードと地熱水が充分に接触してシリカが析出するとともに、停滞時間が１２０分以下とされることで、シリカが充分に除去され、シリカの溶解度に近づいたためにシリカが析出し難くなった地熱水をカラム内に保持しないので装置が小型化される。
【００１２】
請求項４に記載された発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリカ除去方法であって、前記カラム内を流通する地熱水の通過速度が、殿物の沈降速度より小さいことを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、カラムに供給される地熱水量を流路断面積で除して得られる通過速度が、殿物の沈降速度より小さいので殿物が処理水に混在したままカラム上方から外部に排出されることなく、カラム下方に沈降して、回収される。
【００１４】
請求項５に記載された発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のシリカ除去方法であって、前記カラム内を流通する地熱水の通過速度が、５ｃｍ／分より小さいことを特徴とする。
【００１５】
この発明に係るシリカ除去方法によれば、カラム内を流通する地熱水の通過速度が、５ｃｍ／分より小さくされているので、カラム内にて析出した殿物のうち約２００μｍ以上のものは、通過地熱水によって排出口に移送されることなく、カラム下方に安定して沈殿してゆく。
【００１６】
請求項６に記載された発明は、シリカ粉末の製造方法であって、請求項１から請求項５のいずれかに記載のシリカ除去方法により沈殿させられた、前記シリカからなる殿物を含む液を乾燥させるとともに造粒して、シリカ粉末を製造することを特徴とする。
【００１７】
この発明に係るシリカ粉末の製造方法によれば、地熱水から除去されたシリカからなる殿物を含む液を乾燥させるとともに造粒してシリカ粉末を製造するので、簡単な工程で効率的にシリカ粉末を製造することができるとともに、製造に係るコストを大幅に削減することができる。
また、地熱水から除去されたシリカをシリカ粉末としてリサイクルさせることで、産業廃棄物の発生を抑制することができる。
【００１８】
請求項７に記載された発明は、地熱水中のシリカを除去するシリカ除去装置であって、ケイ酸カルシウムからなるシードを充填したカラムと、該カラムの下方から地熱水を供給する供給口と、シリカが除去された処理水を該カラムの上方から排出させるための排出口とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、地熱水を供給する供給口がカラムの下方に設けられているので、供給された高温の地熱水がカラムの下方から上方に移動し、シード及び沈降中の殿物と活発に接触し、ケイ酸カルシウムに吸着し、析出が生じ易い。また、シリカが除去された処理水がカラム上方の排出口から排出されるので、析出した殿物のうち、約１０μｍ〜約１００μｍまでのもののみが、排出口より排出され、約２００μｍ以上に成長した殿物の排出口からの排出が抑制される。その結果、排出される処理水に含まれるシリカ成分の絶対量を削減できるとともに、殿物をカラム下方に集積し易い。
【００２０】
請求項８に記載された発明は、請求項７に記載のシリカ除去装置であって、前記シードは、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であり、且つ粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下であることを特徴とする。
【００２１】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、シードの排出によるシード量低下が抑制されるとともに、殿物が緩やかに沈降して長期間に亘ってカラム内に保持されるとともに、シリカが吸着されやすいため大量のシリカを効率よく吸着、低減することができる。
【００２２】
請求項９に記載された発明は、請求項７又は請求項８に記載のシリカ除去装置であって、該カラムは鉛直方向の長さが４ｍ以上５ｍ以下であることを特徴とする。
【００２３】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、カラムの鉛直方向の長さが４ｍ以上５ｍ以下とされているため、シードの沈降時間が９０分以上の滞留時間を確保して、殿物を充分に析出させるとともに、析出が充分されて析出効率が低下した地熱水を保持するためのカラムを備える必要がない。
【００２４】
請求項１０に記載された発明は、請求項７から請求項９のいずれかに記載のシリカ除去装置であって、該カラムは鉛直方向の温度勾配が１．２５℃／ｍ以上２．５℃／ｍ以下となる保温手段を備えていることを特徴とする。
【００２５】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、カラムの鉛直方向の温度勾配が１．２５℃／ｍ以上とされ地熱水の供給口がある下方側の温度が高いため、地熱水はカラム内を上昇し、カラム内での滞留の発生が抑制される。また、温度勾配が２．５℃／ｍ以下とされ、地熱水がカラム内を速い流速で上昇するのが抑制されるので、シードのオーバフローを抑制するとともに析出反応と殿物の沈降が安定して行なわれる。
【００２６】
請求項１１に記載された発明は、請求項７から請求項１０のいずれかに記載のシリカ除去装置であって、前記地熱水及びシードを攪拌するための攪拌機を備えることを特徴とする。
【００２７】
この発明に係るシリカ除去装置によれば、前記地熱水及び前記シードを攪拌するための攪拌機を備えているので、カラム内の地熱水及びシードが緩やかに攪拌され、析出反応を促進する。さらに、カラム内の温度勾配を所定の範囲内として反応を安定させることができる。
【００２８】
請求項１２に記載された発明は、地熱発電設備であって、請求項７から請求項１１のいずれかに記載のシリカ除去装置を備えたことを特徴とする地熱発電設備。
【００２９】
この発明に係る地熱発電設備によれば、シリカ除去装置を備えているので、地熱水に含まれるシリカを除去してから発電用配管に供給するので、配管内におけるシリカの析出を抑制し、地熱発電設備のタービンや配管等のメンテナンスを容易にするとともに、配管の寿命を延長することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、シリカを含有した地熱水とシードとを反応させて、大気中にフラッシュさせた後の地熱水のみならず、高温高圧地熱水から継続的に、容易かつ低コストにてシリカを除去、低減することができる。また、地熱水から除去されたシリカを原料としてシリカ粉末を製造することができるので、産業廃棄物の量を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るシリカ除去装置を示した図であり、符号１０はシリカ除去装置を、符号１２はカラムを、符号１８はシードを、符号２０は地熱水を示している。
カラム１２は、第１のカラム１２ａと、第２のカラム１２ｂとを備えており、第１のカラム１２ａは第２のカラム１２ｂの上流側に設けられ、第１のカラム１２ａの上方に配管１５を介して第２のカラム１２ｂが直列に接続されている。
また、第１のカラム１２ａの下方には、地熱水２０をカラム１２内に導入するための地熱水供給口１３が設けられ、第２のカラム１２ｂの上方にはシリカが低減された処理水２１を排出するための排出口１４が設けられている。
また、第１のカラム１２ａと第２のカラム１２ｂの間の配管１５には、オーバフローしたシード１８を回収するための配管１６が設けられている。
【００３２】
カラム１２は、内径１０ｃｍ、高さ約４ｍの円筒体であって、下側の第１のカラム１２ａは高さ３ｍ、上側の第２のカラム１２ｂは高さ１ｍとされ、第１のカラム１２ａには、水に溶解させたケイ酸カルシウムからなるシード１８が充填されている。
また、第１のカラム１２ａの下方端には、図示しないカラム底板がボルト等により取り付けられ、第１のカラム１２ａに沈殿した殿物２５を第１のカラム１２ａの外部に取出すことができるようになっており、必要に応じて、第２のカラム１２ｂにも同様の構造を設けることができる。
供給口１３から導入されたシリカ成分を含有する地熱水２０が、シードと接触してシリカが殿物２５として物理的に析出し、カラム１２の下方に沈殿するようになっている。
また、カラム１２は、必要に応じて外周、端面等を図示しない断熱材により覆い、断熱材に代えて、または、併用してヒータを用いて保温性を向上させることによりカラムの鉛直方向の温度勾配を１．２５℃／ｍ以上２．５℃／ｍ以下としている。
【００３３】
シード１５は、シリカ／カルシウムが０．８１以上４．４８以下、種晶平均粒径が約６００μｍのケイ酸カルシウムから構成され、以下に示すような方法で生成する。
まず、地熱水１Ｌに対して、液状ＣａＯ（予め水に溶かしたＣａＯ）１ｇを添加し、ケイ酸カルシウムを生成させる。次に、生成した殿物を残して上澄み水を捨て、生成殿物に地熱水をさらに添加する。この作業を、５〜６回程度繰返して、殿物を濃縮する。
【００３４】
シード１５の生成工程は、
ｍＣａＯ＋ｎＳｉＯ2＋ＸＨ2Ｏ→ ｍＣａＯ・ｎＳｉＯ2・ＸＨ2Ｏ
（ｍ、ｎ、Ｘは、正の整数）
という化学反応式から構成され、
例えば、生石灰と地熱水からは、以下のような反応が進む。
２ＣａＯ＋ＳｉＯ2 → ２ＣａＯ・ＳｉＯ2または
３ＣａＯ＋ＳｉＯ2 → ３ＣａＯ・ＳｉＯ2
また、ＣａＯが水と反応した後は、Ｃａ（ＯＨ）2とシリカにより、以下の反応も進行する。
２Ｃａ（ＯＨ）2＋ＳｉＯ2 → ２ＣａＯ・ＳｉＯ2＋２Ｈ2Ｏまたは
３Ｃａ（ＯＨ）2＋ＳｉＯ2 → ３ＣａＯ・ＳｉＯ2＋３Ｈ2Ｏ
【００３５】
いずれの場合も、シード生成工程において、ＣａＯ・ＳｉＯ2が沈殿物として生成される。
また、シード１５に用いるケイ酸カルシウムの粒子は、粒径が概ね１８０μｍから１０２０μｍの範囲で分布（２００μｍ未満が約３％、１０００μｍより大が約１％）しており、好ましくは、２００μｍから１０００μｍの範囲が適しており、さらに好ましくは、３００μｍから９００μｍのものが適している。ここでいう粒径、粒度分布とは、「レーザ回折／散乱式測定法」（計測機器、堀場製作所 ＬＡ−９１０Ｗにより計測、粒径ごとの頻度分布として出力した結果）による粒径ごとの頻度分布である。
上記の方法にて生成したケイ酸カルシウム粒子は、正規分布の場合、粒径における最多頻度が約６００μｍにある場合、粒径が１８０μｍから１０２０μｍのシードは、粒径約６００μｍの両側に各４２０μｍ（標準偏差σのほぼ３倍に相当）の巾があるため、粒径の標準偏差σが約１４０μｍである。
【００３６】
同様に、２００μｍから１０００μｍまでの場合、平均粒径６００μｍ、粒径の標準偏差σは約１３３μｍ、また、粒径が３００μｍから９００μｍまでの場合は、平均粒径６００μｍ、標準偏差σは約１００μｍの構成とされる。
平均粒径約６００μｍ、粒径の標準偏差σが約１４０μｍのシードにおいて、排出口１４から排出され難く、表面積／体積が大きく確保されて析出効率がよい２００μｍから１０００μｍのものは、平均粒径６００μｍの両側４００μｍ（２σ）であり、粒径のバラツキによる標準偏差の変動及び平均値の移動を考慮すると、２００μｍから１０００μｍの範囲をねらいの粒径として、０μｍから２００μｍの範囲と、１０００μｍから１２００μｍの範囲をそれぞれ約１０％未満とすることが実用的である。
【００３７】
次に、シリカ除去装置１０の作用について説明する。
例えば、シリカを多く含有した１４８℃、０．４６ＭＰａの地熱水２０を、カラム１２下方の地熱水供給口１３から供給し、カラム１２の下方に設けられた地熱水供給口１３から第１のカラム１２ａ内に導入される。供給された地熱水２０は、第１のカラム１２ａを上昇し、充填されたシード１５と相互に接触する方向に相対移動する。その結果、地熱水２０に含有されたシリカがシード１５と化学的、物理的に反応し、地熱水２０中のシリカが殿物２５として析出する。その結果、地熱水２０中のシリカが除去され、地熱水中のシリカ濃度が低下する。
シリカが除去されてシリカ濃度が低下した処理水２１は、第２のカラム１２ｂ上方の排出口１４から排出される。
また、第１のカラム１２ａからオーバフローしたシード１８は、配管１６を介して回収、第１のカラム１２ａに還流される。
【００３８】
上記第１の実施の形態のシリカ除去装置１０及びシリカ除去方法によれば、地熱水２０を供給する供給口１３がカラム１２の下方に設けられているので、供給された高温の地熱水２０がカラム１２内を下方から上方に移動し、カラム１２内を下降するシード１８及び殿物２５と活発に接触し、反応が起こり易い。
また、シリカが除去された処理水２１は、カラム１２上方の排出口１４から排出されるので、２００μｍ以上の大きさに成長した殿物２５は排出口１４からの排出が抑制される。その結果、処理水２１に含まれるシリカ成分の総量を削減することができるとともに、析出後、成長した殿物をカラム１２ａの下方に集積し易い。
また、第１のカラム１２ａからオーバフローするシード１８は、配管１６を介して回収されるのでシード１８の流出が抑制される。
【００３９】
また、地熱水２０の供給口１３がカラム１２の下方に設けられ、供給された地熱水２０がカラム１２の下方から上方に移動するとともに、ケイ酸カルシウムからなるシード１８及び殿物はカラム１２内を下方に下降し相互に接触する方向に移動するため、効率的に接触し地熱水２０中のシリカを殿物２５として析出し易い。
【００４０】
また、シード１８に用いられるケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であるため、シリカを効率的に析出させることができる。
ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であるため、カラム１２の上方の排出口１４から排出されるシード１８の排出が抑制され、シード量低下によるシリカの析出効率の低下が抑制される。
【００４１】
また、シード１８は、粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下とされ、９０％以上が表面積／体積が大きくシリカを析出させやすい粒径１０００μｍ以下の粒子であるとともに、カラム１２内で浮沈の均衡が保たれて緩やかに沈降するため、長期間に亘ってカラム内に保持され、地熱水中のシリカを効率よく析出させることができる。
また、カラム１２の鉛直方向の温度勾配が１．２５℃／ｍ以上とされ地熱水２０の供給口１３がある下方側の温度が高いため、地熱水２０はカラム１２内を上昇し、カラム１２内での滞留の発生が抑制される。また、温度勾配が２．５℃／ｍ以下とされ、地熱水２０がカラム１２内を速い流速で上昇するのが抑制されるので、シード１８のオーバフローを抑制するとともに析出反応と殿物の沈降が安定して行なわれる。
また、シード１８を継続的に使用することができるので、シード１５のコストを削減することができる。
【００４２】
その結果、カラム１２に導入される際に１３２℃ ７００ｍｇ／Ｌ（１３２℃における非晶質シリカの溶解度は５７０ｍｇ／Ｌ）だった地熱水に含有されるシリカを、カラム１２から排出されるまでの間に３４０ｍｇ／Ｌを析出させ、１００℃における溶解度４００ｍｇ／Ｌよりも低い、１００℃、３６０ｍｇ／Ｌにまで低減させることができる。
また、熱水温度が１００℃以下の場合において地熱水中のシリカは、カラム１２に導入される際に７００ｍｇ／Ｌ（１３２℃における非晶質シリカの溶解度は、４００ｍｇ／Ｌ）のシリカが含有された熱水から、カラムから排出されるまでの間に４５０ｍｇ／Ｌのシリカが析出し、溶解度４００ｍｇ／Ｌ（１００℃）よりも低い、２５０ｍｇ／Ｌまで低減させることができる。
以上のことから、かかる装置及び方法によれば、地熱水２０中からシリカを生成させることで、地熱水２０中のシリカを溶解度以下まで、容易、且つ低コストにて低減することができる。
【００４３】
以下、この発明の第２の実施形態について説明する。
図２は、第２の実施形態に係るシリカ除去装置を示した図であり、符号４０はシリカ除去装置を、符号４１はカラムを示したものである。
シリカ除去装置４０は、直径７ｍ、高さ５ｍ、円筒の上下面に端版が設けられたタンク状のカラム４１と、カラム４１の下方に設けられた熱水供給口４６と、カラム４１の上方に配設された処理水排出口４８とを備えており、カラム４１の下側面は、カラム４１の内側が径方向内方に向かうにつれて下方に傾斜する所謂すり鉢状になっており、沈殿した殿物２５がカラム４１の中央に集積、熱水供給口４６から落下排出されるようになっている。
【００４４】
また、カラム４１には第１の実施形態と同様のシード１８が充填されるとともに、３枚の翼からなる攪拌機４２が設けられており、熱水供給口４６から供給された地熱水（以下、熱水という）３４及びシード１８を緩やかに攪拌するようになっている。
また、カラム４１は、必要に応じて外周等が断熱材で覆われ、又は断熱材と併用してヒータで加温することにより、保温可能とされている。
他の部分については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４５】
また、カラム４１は鉛直方向の長さが４ｍ以上５ｍ以下とされ、熱水３４がシード内に９０分以上停滞するため、シリカの析出が効率的に行なわれるとともに、停滞時間が１２０分以下とされているため、シリカが溶解度未満に除去されて析出効率が低下した処理水３６をカラム４１内に長時間に亘って保持しないため、カラム４１が小型化され設備コストを低減することができる。
シリカ除去装置４０によれば、熱水３４及びシード１８を攪拌するための攪拌機４２を備えているので、カラム４１内の熱水３４及びシード１８が緩やかに攪拌され、析出反応が促進される。また、カラム４１内の温度勾配を所定の範囲内として反応を安定させることができる。
その結果、熱水３４中からシリカを効率的に生成させるとともに、熱水３４中のシリカを溶解度以下まで、効率的に低減することができる。
【００４６】
次に、熱水により加熱された２次媒体によりタービンを駆動させるいわゆるバイナリ方式の地熱発電設備にシリカ除去装置４０を適用する場合について説明する。また、この例においては、シリカ除去装置４０で除去されたシリカからなる殿物を含有した液を原料としたシリカ粉末の製造にも適用されるようになっている。
図３は、バイナリ発電設備の主要部を示したものである。
バイナリ発電設備１００は、セパレータ６０と、シリカ除去装置４０と、熱交換器６５と、タービン７０と、シリカ粉末製造装置８０とを備えている。
セパレータ６０は、地下から採取して地熱水配管５０を介して供給された高温高圧地熱水３２を蒸気と熱水３４に分離し、蒸気は蒸気配管５１を介して熱交換装置６５に供給するようになっている。
シリカ粉末製造装置８０は、移送配管８６と、噴霧乾燥造粒装置８８とを備えており、噴霧乾燥造粒装置８８は、シリカ含有水３７を噴霧するスプレーノズル８８ａと、乾燥室８８ｂとを備えている。
【００４７】
シリカ除去装置４０を構成するカラム４１は、熱水供給口４６と、処理水排出口４８とを備えており、熱水供給口４６には熱水供給配管５３が接続され、処理水排出口４８には処理水配管５４が接続されている。
また、熱水供給口４６は、カラム４１内に沈殿した殿物２５を回収する機能を有しており、熱水供給配管５３の下方には、殿物回収配管５７が接続されている。
殿物回収配管５７はその配管内部において、又は殿物回収配管５７に備えられた図示しない沈殿槽において、シリカ除去装置４０で除去されたシリカからなる殿物２５を含有した液の固形分を、放置沈殿により濃縮するようになっており、固形分濃度が高められたシリカ含有水３７は移送配管８６に移送されるとともに、上澄み水３８は還元水配管８４に排出されるようになっている。
【００４８】
また、殿物２５の一部（１０００μｍ以下のもの）は、シード１８として、配管５７、配管５８及び配管５９を介してカラム４１の上方付近の図示しないシード１８の供給口からカラム４１に還流可能となっており、配管５９は、ストップバルブを開放してシード１８をカラム４１に投入する場合にも使用される。
また、セパレータ６０の下方には熱水供給配管５２が接続され、セパレータ６０で分離された熱水３４が熱水配管５２を介してカラム４１に供給され、処理水３６は、処理水配管５４及び還元水用配管５６を介して下流側の図示しない還元井に導かれ、還流されるようになっている。
【００４９】
このバイナリ発電設備１００においては、地熱水配管５０を介してセパレータ６０に導入された、例えば１４８℃、０．４６ＭＰａ程度の高温高圧地熱水３０が、蒸気と熱水３２に分離され、蒸気は配管５１を介して熱交換器６５に導入された後、熱交換によりペンタン、アンモニア、水等の２次媒体を高温高圧の蒸気に変換する。
高温高圧の熱媒体蒸気は、タービン７０に導かれてタービン翼を回転させるとともに、発電機を介して発電に用いられる。
一方、セパレータ６０で分離されたシリカ分の多い熱水３４は、カラム４１に供給されて、シード１８と反応することによりシリカが析出、低減されて、シリカ分が非晶質シリカの溶解度以下に低減させた後に還元水用配管５６を介して、還元水として還元井に還流させる。
【００５０】
次に、本発明に係るシリカ粉末の製造方法について説明する。
まず、上記の例のように、ケイ酸カルシウムからなるシード１８を充填したカラム１２、４１に下方から地熱水２０、３４を供給し、シード１８と地熱水２０、３４を反応させて、シリカからなる殿物２５を下方に沈殿させる。
殿物２５として沈殿したシリカは、殿物回収配管５７を経由して、噴霧乾燥造粒装置８８へと移送される。殿物回収配管５７に排出された殿物２５を含んだ液は、殿物回収配管５７内にて、又はその後の図示しない沈殿槽にてシリカを放置沈殿させるとともに、上澄み水３８を還元水配管８４に排出させることで、固形分が約９０％以上のシリカ含有水３７とされ、移送配管８６を通じて噴霧乾燥造粒装置８８に移送される。
【００５１】
噴霧乾燥造粒装置８８のスプレーノズル８８ａから噴霧乾燥造粒装置８８内に噴霧されたシリカ含有水３７は、シリカ含有水噴霧体Ｓ１となって乾燥され、シリカ粉末Ｓ２（シリカヒューム）に造粒される。造粒されたシリカ粉末Ｓ２は、乾燥室内の傾斜面に沿って貯留箱内に貯留される。
【００５２】
この実施の形態において、噴霧乾燥造粒装置８８は約３ｍの直径と高さ約６ｍ（うち、上部の円筒部分の高さ約３ｍ、下部の傾斜面を有する部分の高さ約３ｍ）とされ、噴霧乾燥造粒装置８８内には、下方から上方に向かう旋回気流が形成されたサイクロン方式によって、シリカ粉末Ｓ２が回収されるようになっており、乾燥気流は、入口温度１２０℃、出口温度７０℃、水分蒸発量５０ｋｇ／時、シリカ含有液の送液流量２．５Ｌ／分とされている。
このように、シリカ粉末Ｓ２の製造方法は、シリカを含有した液内の殿物２５を沈殿させて固形分の濃度を高くして、固形分濃度が高いシリカ含有水３７とし、シリカ含有水３７を乾燥させることによってシリカ粉末Ｓ２を生成させるものである。
【００５３】
以上のように生成されたシリカ粉末Ｓ２は、直径２０μｍ程度のものも含まれるが、概ね直径０．１〜１０μｍ程度の球状超微粒粉末とされ、ほぼ全ての粒子径にわたって球状を呈したものとされる。
なお、このシリカ粉末は、シードのＣａ成分を含有していても構わない。
このシリカ粉末の製造方法によれば、地熱水２０、３４から除去したシリカからなる殿物２５を乾燥させるので、簡単な製造工程にて効率良くシリカ粉末を製造することが可能であり、製造コストの削減と、産業廃棄物の発生を大巾に削減することができる。
【００５４】
このバイナリ発電設備１００によれば、シリカが溶解度未満にまで低減されているため、タービン７０や配管等の発電設備１００内にてシリカが析出すのが抑制され、タービンや配管等のメンテナンスを容易にするとともに、配管の寿命を長くして効率のよい発電をすることができ、処理水３６を還元水として還元井に容易に還流させることができる。
【００５５】
上記実施の形態においては、１４８℃、０．４６ＭＰａの地熱水２０に適用する場合について説明したが、これ以外の温度、圧力であっても、蒸気表（１９８０ＳＩ日本機械学界等）において液体とされる領域について、使用可能である。
また、本実施形態においては、発明の趣旨を逸脱しない範囲で構成要素を選択することができる。例えば、カラム１２、カラム４１の保温に関しては、カラム１２、４１の形状やカラム１２、４１の直径をはじめとする長さ、攪拌機４２や発電設備１００の構成についても適宜選択可能である。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、第１の実施形態、第２の実施形態を例として、熱水２０、３４からシリカを除去する場合について説明したが、これ以外の形態であっても、実質的に同一の範囲内で種々の変更を加えることができる。
また、シリカ粉末の製造方法においても、シリカ除去方法、シリカの乾燥方法について、上記実施の形態に限定されないことは当然である。
【００５７】
例えば、上記実施の形態においては、シリカ除去装置４０およびシリカ粉末製造装置８０が、バイナリ発電設備１００とともに設けられたプラントについて説明したが、バイナリ発電設備１００を備えずにシリカ除去装置４０とシリカ粉末製造装置８０とからなる構成としてもよい。
また、シリカ粉末Ｓ２の製造方法において、固形分の濃度を９０％以上とした場合について説明したが、これ以下の固形分濃度であってもよいし、噴霧乾燥造粒以外の乾燥方法を用いることもできる。
また、実施の形態では、バイナリ発電設備１００を例に説明したが、バイナリ発電設備に限らず、通常の発電設備にも適用可能なことはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
この発明に係るシリカ除去方法及びシリカ除去装置によれば、容易かつ低コストにて地熱水中のシリカを除去、低減し、処理水を河川や地中に安全に戻すことともに、処理した地熱水を使用して地熱発電を行なうことによって地熱発電設備等の配管表面におけるシリカの析出を抑制し、かかる設備を容易かつ低コストにて運転することができるため、産業上の利用可能性が認められる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係るシリカ除去装置の第１の実施形態を示す概念図である。
【図２】本発明に係るシリカ除去装置の第２の実施形態を示す概念図である。
【図３】本発明に係るシリカ除去装置をバイナリ発電設備に適用した場合の要部を示す概念図である。
【符号の説明】
【００６０】
Ｓ２ シリカ粉末
１０、４０ シリカ除去装置
１２、４１ カラム
１８ シード
２０、３４ 地熱水（熱水）
２１、３６ 処理水
２５ 殿物
８０ シリカ粉末製造装置
１００ バイナリ発電設備
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地熱水中のシリカを除去するシリカ除去方法であって、
ケイ酸カルシウムからなるシードを充填したカラムに下方から地熱水を供給し、
前記シードと地熱水を反応させて殿物を下方に沈殿させるとともに、
シリカが除去された処理水を該カラムの上方から排出させることを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシリカ除去方法であって、
前記シードは、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、
ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であり、且つ粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下であることを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のシリカ除去方法であって、
前記カラム内を通過する地熱水の通過時間が、９０分以上１２０分以下であることを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリカ除去方法であって、
前記カラム内を流通する地熱水の通過速度が、殿物の沈降速度より小さいことを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のシリカ除去方法であって、
前記カラム内を流通する地熱水の通過速度が、５ｃｍ／分より小さいことを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項６】
シリカ粉末の製造方法であって、
請求項１から請求項５のいずれかに記載のシリカ除去方法により沈殿させられた、前記シリカからなる殿物を含む液を乾燥させるとともに造粒して、シリカ粉末を製造することを特徴とするシリカ粉末の製造方法。
【請求項７】
地熱水中のシリカを除去するシリカ除去装置であって、
ケイ酸カルシウムからなるシードを充填したカラムと、該カラムの下方から地熱水を供給する供給口と、シリカが除去された処理水を該カラムの上方から排出させるための排出口とを備えたことを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項８】
請求項７に記載のシリカ除去装置であって、
前記シードは、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、
ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であり、且つ粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下であることを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載のシリカ除去装置であって、
該カラムは鉛直方向の長さが４ｍ以上５ｍ以下であることを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれかに記載のシリカ除去装置であって、
該カラムは鉛直方向の温度勾配が１．２５℃／ｍ以上２．５℃／ｍ以下となる保温手段を備えていることを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載のシリカ除去装置であって、
前記地熱水及びシードを攪拌するための攪拌機を備えることを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１のいずれかに記載のシリカ除去装置を備えたことを特徴とする地熱発電設備。
【請求項１】
地熱水中のシリカを除去するシリカ除去方法であって、
ケイ酸カルシウムからなるシードを充填したカラムに下方から地熱水を供給し、
前記シードと地熱水を反応させて殿物を下方に沈殿させるとともに、
シリカが除去された処理水を該カラムの上方から排出させることを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシリカ除去方法であって、
前記シードは、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、
ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であり、且つ粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下であることを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のシリカ除去方法であって、
前記カラム内を通過する地熱水の通過時間が、９０分以上１２０分以下であることを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリカ除去方法であって、
前記カラム内を流通する地熱水の通過速度が、殿物の沈降速度より小さいことを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のシリカ除去方法であって、
前記カラム内を流通する地熱水の通過速度が、５ｃｍ／分より小さいことを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項６】
シリカ粉末の製造方法であって、
請求項１から請求項５のいずれかに記載のシリカ除去方法により沈殿させられた、前記シリカからなる殿物を含む液を乾燥させるとともに造粒して、シリカ粉末を製造することを特徴とするシリカ粉末の製造方法。
【請求項７】
地熱水中のシリカを除去するシリカ除去装置であって、
ケイ酸カルシウムからなるシードを充填したカラムと、該カラムの下方から地熱水を供給する供給口と、シリカが除去された処理水を該カラムの上方から排出させるための排出口とを備えたことを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項８】
請求項７に記載のシリカ除去装置であって、
前記シードは、ケイ酸カルシウムを構成するＳｉとＣａのモル比Ｓｉ／Ｃａが０．８１以上４．４８以下であり、
ケイ酸カルシウム粒子を粒径により頻度分布させた場合に、粒径が２００μｍ未満の範囲の粒子が１０％以下であり、且つ粒径が１０００μｍより大きい範囲の粒子が１０％以下であることを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載のシリカ除去装置であって、
該カラムは鉛直方向の長さが４ｍ以上５ｍ以下であることを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれかに記載のシリカ除去装置であって、
該カラムは鉛直方向の温度勾配が１．２５℃／ｍ以上２．５℃／ｍ以下となる保温手段を備えていることを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載のシリカ除去装置であって、
前記地熱水及びシードを攪拌するための攪拌機を備えることを特徴とするシリカ除去装置。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１のいずれかに記載のシリカ除去装置を備えたことを特徴とする地熱発電設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−１８７７６５（Ｐ２００６−１８７７６５Ａ）
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５３２８１（Ｐ２００５−３５３２８１）
【出願日】平成１７年１２月７日（２００５．１２．７）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月７日（２００５．１２．７）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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