油水分離装置、油水分離システム、油水分離方法およびそれを用いた水再利用方法
【課題】多段にわたる煩雑な工程や特殊な設備によらず、しかも取り扱い性及び運転管理性が良く、加温された含油水の高度な油水分離を可能とし熱ロスを低減することを実現しうる油水分離装置、それを用いた油水分離システム、並びに油水分離方法及び水再利用方法を提供する。
【解決手段】オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水に含まれる油分を除去する油水分離装置であって、前記加温含油水２０Ｂを導入する容器１５ｅと、該容器１５ｅ内に組み込まれ前記加温含油水に浸漬させた状態でろ過を行う浸漬ろ過膜６１と、該ろ過膜６１に向け気泡５３を供給する気泡発生手段１６とを有する油水分離装置。
【解決手段】オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水に含まれる油分を除去する油水分離装置であって、前記加温含油水２０Ｂを導入する容器１５ｅと、該容器１５ｅ内に組み込まれ前記加温含油水に浸漬させた状態でろ過を行う浸漬ろ過膜６１と、該ろ過膜６１に向け気泡５３を供給する気泡発生手段１６とを有する油水分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法における含油水の油水分離装置、油水分離システム、油水分離方法およびそれを用いた水再利用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油資源の１つであるオイルサンドから回収されるビチュメンは、これまで予備的ないし次世代の代替資源としてしか見られてこなかった。しかし、ビチュメン自体は質的に劣悪であっても、そこから得られる製品は原油から得られるものと十分競争力があり、コストにおいても原油代替の可能性が高まってきた。またカナダオイルサンドは、サウジアラビアの原油に匹敵するほどの圧倒的な埋蔵量を誇っており、例えばカナダ国アルバータ州およびその周辺地域における炭化水素埋蔵量は世界のトップクラスである。そして何よりカナダは中東やアフリカなどの地政学的に不安定な地域と異なり投資リスクが極めて低い。エネルギーの安定した供給源の確保は資源に乏しい我が国を始め各国において極めて重要な課題であり、この観点からも今日の貴重な石油資源の供給地域として位置付けられるようになってきた。
かかるオイルサンドからのビチュメン生産において、近年、露天掘りでは開発が難しい深度に存在するものにも目が向けられ、この採収を可能にするSAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）法、CSS（Cyclic Steam Stimulation）法といった油層内回収法が注目され、精力的にその技術開発がすすめられている（非特許文献１）。
【０００３】
油層内回収法では、オイルサンド層内にある常温では流動しない高粘度の油に対し高温スチームを圧入することにより、加熱して油の粘度を下げ、このスチームが凝集した高温水と油とを回収する。そのため大量の高温スチームを造りだすための「水」が必要となる。例えば、後述するＳＡＧＤ法ではスチーム生成のため油生産量の約３倍の水を使用する。他方、カナダにおいては州の厳しい環境基準により利用可能な取水量が制限されるほか、十分な容量を持つ廃水圧入層が近傍に存在しないため、水のリサイクルは必須となっている（非特許文献２参照）。
【０００４】
上記ビチュメンの生産に使用する水のリサイクルのため、従来下記のような手法が取られてきた。まず従来法のフローについて説明する（図４，５参照）。油層内回収法で地中（オイルサンド層１）から回収されたビチュメン混合流体２０Ａは、フリー・ウオーター・ノックアウト（Free water Knockout）２に送られる。ここで処理したビチュメンを含む処理液を供給方向ｄ１に送り、さらにトリーター（Treater）３で処理し、冷却機５１で冷却してビチュメンをオイル貯蔵タンク（Oil storage tank）４に貯蔵する。ここから必要に応じてビチュメン（製品）を出荷する。なお、図中、二等辺三角形を２つ組み合わせた蝶々形状の部分はバルブを表している。また、図４及び図５における＊Ａはここで各図の工程が連結されることを表している。
【０００５】
これとは別にフリー・ウオーター・ノックアウト２で分離された含油水（生産水：Produced waterと呼ばれることもある。）２０Ｂを供給方向ｄ２に送り、冷却器４で所定温度に冷却されたのちスキムタンク（Skim Tank）５に移行する。このとき、含油水の一部はトリーター３からも分離され移行する（供給方向ｄ２’参照）。また、フリー・ウオーター・ノックアウト２及びトリーター３では蒸発ガスも発生し、これもそれぞれ外部に排出する。次いで、インデュース・ガス・フローテーション（Induced Gas Flotation）６、ウォルナットシェルなどを用いたオイルリムーバルフィルタ（Oil Removal Filter）７、デオイルドタンク（Deoiled Tank）８という流れで、油分を分離除去し、従来の処理水２０Ｄ’を回収する（後述する本発明の処理水２０Ｄと区別するよう、２０Ｄ’とした。）。この方法における油水分離は、基本的には油と水の比重差を利用した重力分離である。なお図中の囲みの中に記載された温度はその部分での流体の温度であり、濃度は油の含有濃度である。ただし、これらの具体的な温度や濃度等の記載により本発明が限定して解釈されるものではない。
【０００６】
その後段で処理水２０Ｄ’は、ライムソフナー（Lime Softener）９、ウイーク・アシッド・カチオン・ソフナー（Weak Acid Cation Softener）１１という流れで硬度成分を除去し、ボイラー・フィード・ウオーター・タンク（Boiler feed water tank）１３に貯蔵される。ここからボイラ供給水２０Ｃとしてワンススルー式ボイラ（Once Through Type Boiler）（図示せず）に給水し、そこで発生した蒸気は、再度オイルサンド層からのビチュメンの回収に利用される。最近では、上記の工程ｄ１２における軟化処理に代えて、脱塩プロセスのひとつであるメカニカル・ベーパー・コンプレッション・ユニット１４を適用したエバポレータ（Evaporator）１２を利用して純水をつくり、これをボイラ供給水２０Ｃとして汎用のドラム式ボイラ（Drum type Boiler）（図示せず）に給水するケースも増えている（図５の工程ｄ１３参照）。
【０００７】
しかし上記従来のフローでは、油水分離に必要な機器および工程数が多く煩雑であり、設備費が高くつく。運転管理も難しい。また、熱交換器やボイラ内の配管で有機物系のスケールが析出し、その結果、熱応力起源の腐食割れを起こした例が報告されている（非特許文献２参照）。これは、重力分離法では、比較的粒径の大きな油分は除去できるが、粒径の小さな油分やエマルション化した油分は分離できないことが主要な原因と考えられる（非特許文献３参照）。また、工程ｄ１３のように後段の軟化・脱塩工程でエバポレータを適用する場合、エバポレータ内での有機物によるスケールトラブルが起きており、本法適用拡大の障壁となっている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】荻野清「カナダオイルサンドの開発〜さらなる挑戦」石油技術協会誌，第６９巻，第６号（平成１６年１１月）６１２−６２０頁
【非特許文献２】清水信寿・中村常太「オイルサンド開発における水のリサイクル」石油技術協会誌，第７０巻，第６号（平成１７年１１月）５２２−５２５頁
【非特許文献３】M.J.Plebon “TORR(TM)−The Next Generation of Hydrocarbon Extraction From Water”Journal of Canadian Petroleum Technology,Vol.43,No.9(Sep.2004)pp.1−4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来、ＳＡＧＤ法あるいはＣＳＳ法においては、含油水の油水を分離した後、さらに軟化処理してワンススルー式ボイラに給水するのが一般的である。消費水量の一層の削減、排水量の削減、薬品消費量の削減、エネルギー消費量の削減、ＣＯ２排出量の削減、また設備コストの低減や運転管理の容易さなどに鑑みるとき、油水分離の後にエバポレータで脱塩水とし汎用のドラム式ボイラに給水する方法の採用が求められ、しかも上述したようなトラブルの懸念のない実際的な処理方法が強く望まれる。そしてまた、ボイラ手前で加温することを考慮すると、その前の油水分離工程で極力水温を下げずに処理することが望まれる。これが実現されれば、水処理システム全体における熱ロスを大幅に抑えることができる。例えば、１２０℃程度の高温で高度な油水分離が可能となれば、上記熱ロスを抑えてエバポレータとドラム式ボイラを採用することのメリットを大きく引き出すことができ、上述した多岐にわたる課題に対して応えうるプラントの設計が可能となり、処理効率、経済性、環境適合性等が大幅に向上する。
【００１０】
上述のようなビチュメン生産の油層内回収法における加温含油水の油水分離に特有の課題に鑑み、本発明は、従来のような多段にわたる煩雑な工程や特殊な設備によらず、しかも取り扱い性及び運転管理性が良く、加温された含油水の高度な油水分離を可能とし熱ロスを低減することを実現しうる油水分離装置、それを用いた油水分離システム、並びに油水分離方法及び水再利用方法の提供を目的とする。
また、油層内回収法によるビチュメンの生産において加温含油水を再利用する際の工程数及び機器数を低減しシステム全体をコンパクト化することができ、また従来困難であった汎用のドラム式ボイラ設備の実際的な利用を可能とする、環境適合性及び経済性に優れる油水分離装置、それを用いた油水分離システム、並びに油水分離方法及び水再利用方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的は下記の手段により達成された。
（１）オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水に含まれる油分を除去する油水分離装置であって、前記加温含油水を導入する容器と、該容器内に組み込まれ前記加温含油水に浸漬させた状態でろ過を行う浸漬ろ過膜と、該ろ過膜に向け気泡を供給する気泡発生手段とを有することを特徴とする油水分離装置。
（２）前記容器内の加温含油水に溶解しているガスを減圧することによって発泡させる容器内圧力の調節手段を具備し、その発泡により生じた気泡を前記ろ過膜に向け供給する気泡として利用する（１）に記載の油水分離装置。
（３）前記容器が内部に隔壁を具備し、該隔壁を越えた油分濃度の高い過剰液を前記加温ビチュメン混合流体と合流するように戻す返戻手段を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載の油水分離装置。
（４）前記容器が、前記加温含油水の温度を６０〜２００℃に維持し、かつ前記容器内の圧力を0〜10ｋｇ／ｃｍ２Ｇに維持することができることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の油水分離装置。
（５）前記容器内のガスを前記気泡を発生するガスとして再利用するガス循環手段を有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の油水分離装置。
（６）前記浸漬ろ過膜が円筒形状あるいは平膜形状であり、ろ過膜の外表面は前記気泡によって浄化される（１）〜（５）のいずれか１項に記載の油水分離装置。
（７）前記油層内回収法がＳＡＧＤ法又はＣＳＳ法であることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１項に記載の油水分離装置。
（８）（１）〜（７）のいずれか１項に記載の油水分離装置と、該装置の前記容器から取り出したろ過後の処理水を蒸留するエバポレータと、該蒸留水をビチュメンの回収に用いる水蒸気にするドラム式ボイラとを組み合わせた油層内回収法の水再利用システム。
（９）オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水を浸漬式のろ過膜を内部に組み込んだ容器内に導入し、前記加温含油水で前記ろ過膜を浸漬した状態で前記加温含油水がろ過膜を通過するように移行させるとともに、前記ろ過膜に向け気泡を供給することを特徴とする油水分離方法。
（１０）前記容器内の圧力を調節し前記加温含油水に含まれる成分を液中で発泡させ、前記ろ過膜に向けて供給する気泡とすることを特徴とする（９）に記載の油水分離方法。
（１１）前記容器内の加温含油水の温度を６０〜２００℃に維持してろ過することを特徴とする（９）又は（１０）に記載の油水分離方法。
（１２）前記容器内を０〜１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇに維持してろ過することを特徴とする（９）〜（１１）のいずれか１項に記載の油水分離方法。
（１３）前記加温含油水の処理により、該処理後の処理水中の油分濃度を５ｍｇ／Ｌ以下とすることを特徴とする（９）〜（１２）のいずれか１項に記載の油水分離方法。
（１４）前記容器内で該容器内に設置した隔壁を越えた加温含油水を回収して返戻し、処理前のビチュメン混合流体と合流させる（９）〜（１３）のいずれか１項に記載の油水分離方法。
（１５）前記油層内回収法がＳＡＧＤ法又はＣＳＳ法であることを特徴とする（９）〜（１４）のいずれか１項に記載の油水分離方法。
（１６）（９）〜（１５）のいずれか１項に記載の油水分離方法で前記ろ過膜により処理された処理水をエバポレータにより蒸留し、該蒸留水をドラム式ボイラにより水蒸気としてビチュメンの地中からの回収のために再度用いることを特徴とするビチュメン生産の油層内回収法における水再利用方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、油層内回収法によるビチュメンの生産において加温含油水の油水分離を行うに当たり、従来のような多段にわたる煩雑な工程や特殊な設備によらず、しかも取り扱い性及び運転管理性が良く、加温された含油水の高度な油水分離を可能とし熱ロスを低減することができるという優れた作用効果を奏する。
また、本発明によれば、油層内回収法によるビチュメンの生産において、加温含油水を再利用する際の工程数及び機器数を低減しシステム全体をコンパクト化することができ、また従来困難であった汎用のドラム式ボイラ設備の実際的な利用を可能として、環境適合性及び経済性に優れた油水分離及び水再生処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の油水分離装置の一実施形態を利用したビチュメンの生産において加温含油水をろ過する過程を概略的に示したフロー図である。
【図２】図１に示した油水分離装置を拡大して模式的に示す側断面図である。
【図３】図２に示した装置のＡ−Ａ線矢視断面を簡略化して示す平断面図である。
【図４】従来の油水分離方法における含油水のろ過の過程を概略的に示すフロー図である。
【図５】従来の油水分離方法におけるろ過された処理水をボイラに供給するまでの過程を概略的に示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の油水分離装置は、オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水に含まれる油分を除去する油水分離装置であり、前記加温含油水を導入する容器と、該容器内に組み込まれ前記加温含油水で浸漬させた状態でろ過を行う浸漬ろ過膜と、該ろ過膜に向け気泡を供給する気泡発生手段とを有する。
【００１５】
オイルサンドからビチュメンを生産する方法として、大別すると、露天掘りによる方法と油層内回収法とがあるが、本発明の油水分離方法は後者に適用されるものである。油層内回収法として現在実際的に採用されているものは２種類であり、ＳＡＧＤ法とＣＳＳ法である。
【００１６】
ＳＡＧＤ法の具体的実施態様においては、水平井を数メートル間隔に２本掘削し、上位水平井（圧入井）から高温蒸気を圧入する。圧入蒸気は周囲に熱を伝達しながら上昇し、油層頂部や介在泥岩などによって上昇が止まるまで水蒸気チャンバーを形成し、熱を失って凝縮水に変化する。伝達熱によって粘性が低下したビチュメンと凝縮水は、高粘性ビチュメンとの境界面に沿って重力で下位水平井（生産井）に向かい、混合流体として生産される。ビチュメンを生産することで油層内に空隙が形成され、蒸気を連続的に圧入することが可能になり、低粘性化したビチュメン回収が継続される。
【００１７】
ＣＳＳ法の一実施態様では、以下の３段階を繰り返して生産を継続していく。（１）ある期間、井戸に水蒸気を圧入する。水蒸気の圧入を止め井戸を閉める。（２）水蒸気の熱がオイルサンド層に伝わり、ビチュメンが流動化するのを、しばらくのあいだ待つ。（３）井戸を開けて、井戸に流れ込んでくるビチュメンをポンプで汲み上げる。一つの井戸ではこの過程を繰り返すが、それだけではビチュメンを生産する期間が飛び飛びになってしまう。そのため、幾つかの井戸のグループごとに水蒸気圧入とビチュメン生産のタイミングを調整することで、全体として安定した生産量を維持することができる。
【００１８】
図１は、本発明の油水分離装置の一実施形態を利用したビチュメンの生産において加温含油水をろ過する過程を概略的に示したフロー図である。ここでＳＡＧＤ法ないしＣＳＳ法においては、上述のように地中のオイルサンド層に高温高圧の水蒸気を圧入して、オイルサンド層内のビチュメンの流動性を高め、地中のビチュメンを温水とともに回収する。まず回収したビチュメンを含む温水には、砂、重金属等が含まれている。ここからは上記でも概略説明したが、これを減圧した後セパレータ（フリー・ウオーター・ノックアウト２、トリーター３）に入れ、該セパレータによりビチュメン、加温含油水（生産水）、蒸発ガスに分離する。分離された加温含油水は、油を多く含んだ油汚濁水であり、冷却前では約１２０℃に加温されている（本発明において、「加温」とは外界の温度より高められていることをいい、例えば外界温度が約２０℃であればこれより高められていることをいう。）。この加温含油水を本発明に係る油水分離ユニット１５に導入し、その中から油を取り除く。ここからは従来法と同様の過程に移行し、デオイルド・ウオーター・タンク８を介して、図５の工程ｄ１２に示したように、油を取り除いた処理水（De-oiled Produced Water）２０Ｄは、メークアップウオーター（Makeup water）として水井戸（Water Well）から汲み上げた水（Raw Water）を加え、ライムソフナー９、ウイーク・アシッド・カチオン・ソフナー（WAC）１１を経てボイラ供給用水（BFW：Boiler Feed Water）２０Ｃとして再使用される。本実施形態によればエバポレータ１２を活用する工程ｄ１３の利用も実際的なものとして実現可能であるが、この点については後述する。なお、図中の直角に曲がることのある直線は流体を流通させる配管を表し、要所に矢印を付してその流通方向を明示している。
【００１９】
ＳＡＧＤ法の各エリアでの詳細は下記のとおりである。
［坑井元エリア］
高圧スチ−ムはヘッダーから各圧入井ヘフローコントロールバルブを介し分配される。一方、生産井では圧入井からスチームがブレークスルーしないように流量制御して生産が行われている。生産流体はウェルヘッドセパレータからのべ一パー、液はヘッダーに集められ、油水分離エリアに向かう。液ヘッダーにはエマルション生成防止薬品が添加される。
［油水分離エリア］
生産された流体はオイルセパレータ（ＦＷＫＯ）に入り、べ一パー（炭化水素、水分、若干の硫化水素）、ビチュメン、及び、生産水の３相に分離される。ビチュメンはトリーターに移送され０．５％重量程度まで脱水される。その後、オイルクーラーにて冷却され貯油される。
［油分除去エリア］
油分分離エリアからの生産水は、１０００ｐｐｍ以上の油分を含んでいる。当エリアの基本構成は、スキムタンク、インデュース・ガス・フローテーション（ＩＧＦ）、油水分離フィルタ（ウォルナットシェルなど）の３つであり、各々の機器で油分が除去される。
［軟水処理エリア］
このエリアでは、デオイルドウォーターを主とするプラント内の水をＢＦＷとして再利用する為の処理が行われる。主要構成機器は、ホットｏｒウォームライムソフナー、アフターフィルタ、ウイークアッシドカチオンイオン交換器（ＷＡＣ）である。ライムソフナーでは硬質分（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）、シリカ（Ｓｉｌｉｃａ）を減じることになる。ライムソフナー処理水の濁度をアフターフィルタ（アンスラサイトを充填した圧力式フィルタ）で除去し、微量に残ったカルシウムイオン、マグネシウムイオンをＷＡＣで完全に除去する。メークアップ水は井戸より供給される。
［スチーム製造エリア］
ＷＡＣで製造されたＢＦＷはポンプで昇圧され、熱回収をおこなった後スチームジェネレーターへ向かう。スチームジェネレーターは天然ガスを燃料としている。ここで７５−８０％Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｔｅａｍ（重量比で７５−８０％が気相、２０−２５％が液相）が製造され、高圧スチームセパレーターで気液分離される。高圧スチームのほぼ全量が坑井元に運ばれ圧入されるが、一部は低圧スチームに減圧され必要箇所へ分配される。ブローダウン水は一部冷却され、ディスポーザル井に廃棄される。
従来のＳＡＧＤ法ではスチームジェネレーターとして、ＯＴＳＧ（Ｏｎｃｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）が通常使われる。理由として、ボイラ給水中のＴＤＳが高濃度（２０，０００ｐｐｍ程度まで許容、設計は８０００ｐｐｍ）でも処理できる為である。ドラム式ボイラを使用する場合は高品質ボイラ給水が必要であり、エバポレータ等が必要になる。
【００２０】
本実施態様のフローにおいては約１２０℃（範囲としていえば例えば８０〜１２０℃）に加温状態が維持されている加温含油水２０Ｂを油水分離ユニット（デオイリング・ドラム）１５に送る。この油水分離ユニットの好ましい実施形態については、図２，３に基づいて後で詳しく説明する。含油水２０Ｂには一般的に１０００ｐｐｍ（範囲としていえば例えば１０００〜３０００ｐｐｍ）の油分が含まれているが、本実施態様の例ではこれを１ｐｐｍ以下にすることを目標とする。この目標濃度は特に限定されないが、１０ｐｐｍ以下に抑えることが好ましく、５ｐｐｍ以下がより好ましく、１ｐｐｍ以下がさらに好ましく、０．１ｐｐｍ以下が特に好ましい。従来の分離方法によれば、前処理等多段のプロセスを必要とし、かつその処理水の油分濃度は、しばしば１０ｐｐｍを越えているのが実情である（Ｍ．Ｋ．Ｂｒｉｄｅ “Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｅ−ｏｉｌｉｎｇ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ”， ＩＷＣ−０６−１５参照）。
【００２１】
本実施態様では耐熱性に優れるポリテトラフルオロエチレン製のろ過膜やセラミックろ過膜を好適に採用可能であるため、冷却器５１による予備冷却幅を更に狭め、必要によっては冷却せずに油水分離ユニットへ送ってもよい。後段のエバポレータに加熱したまま送ることを考慮し、熱ロスを低減する観点からは、例えば油水分離ユニット１５における分離を６０〜２００℃で行うことが好ましく、８５〜１３５℃で行うことがより好ましく、９０〜１２０℃で行うことが特に好ましい。そして、ろ過後の処理水も冷却せずにエバポレータ１２に送ってもよい。すなわち、図１では処理水供給方向ｄ５で示した流路の冷却機５１が介在されているが、これを省略することができる。このように熱ロスを低減することは、とりわけカナダのような寒冷地で加熱のためのエネルギー消費量が大きくなる地域では重要であり、本実施態様の大きな利点である。
【００２２】
本実施態様によれば、上記油水分離ユニット１５から取り出された処理水２０Ｄがデオイルドタンク８を介して直接エバポレータ１２に送る工程ｄ１３を好適に採用可能である（図５参照）。そして、本実施態様においてエバポレータに送られた処理水２０Ｄは、従来法の場合に比べて粒径のかなり小さな油分まで除去でき、エバポレータ内でスケーリングを起こす有機物が好適に除去される。そのため、連続的に処理するときにも、エバポレータの頻繁なクリーニングを行う必要がなく、処理のための運転効率を大幅に高めることができる。したがって、図１に示した＊Ａを図５の＊Ｂに連結して、ろ過後の処理水２０Ｄをそのまま直接エバポレータに送ってもよい。このとき、エバポレータ直前の冷却機５１を省略してもよいことは上記と同様である。なお、本発明において、スケーリングとは、有機物に由来する炭化物、カルシウムなどの硬度成分に拠るものをいう。
【００２３】
さらに本実施態様による大きな利点の１つに一般的なドラム式のボイラを使用できることが挙げられる。これは、従来、再生された水（ボイラ供給水２０Ｃ）をビチュメンの生産のために圧入井に導入する高圧高温の水蒸気とするために、極めて特殊性の高いワンススルー式のボイラを用いてきたが、これに頼らなくてよいことを意味しビチュメン生産に係るコスト競争力を大幅に高めるものである。換言すれば、本実施態様において上述の特有の油水分離手段を採用したことによりエバポレータの実際的な利用が可能となる。その結果、加温含油水が前記両者（油水分離×蒸留）により相乗的に浄化され、極めてクリーンな蒸留水がボイラ供給水２０Ｃとして利用可能となる。
【００２４】
本発明において水再生処理フローは上記に限定されるものではなく、例えば処理水２０Ｄとした後に、工程ｄ１２（図５参照）と同様の設備を介した処理を行ってもよい。なお、本発明に適用される各設備ないし機器は通常この種の処理に用いるものを採用すればよく、例えば非特許文献１〜３の記載などを参考に構成することができる。具体的に、セパレータとしてはＮＡＴＣＯ社製やＫＶＡＥＲＮＥＲ社製などが挙げられ、エバポレータとしてはＧＥ社製やＡＱＵＡＴＥＣＨ社製などが挙げられ、ワンススルー式のボイラとしてはＴＩＷ社製やＡＴＳ社製などが挙げられ、ドラム式ボイラとしてはＢ＆Ｗ社製やＣ．Ｂ．ＮＥＢＲＡＳＫＡ ＢＯＩＬＥＲ社製などが挙げられる。
【００２５】
図２は図１に示した油水分離装置を拡大して模式的に示す側断面図であり、図３は図２に示した装置のＡ−Ａ線矢視断面を簡略化して示す平断面図である。図２の円内はろ過モジュール６０の内部を大きく拡大して示す部分断面模式図である。本実施態様の油水分離装置には浸漬ろ過膜が採用されている。浸漬ろ過とは、ろ過すべき液体中にろ過膜を浸し、この液体が前記ろ過膜を通過するようにしてろ過を行うことを言う。典型的には、円筒状のろ過膜を利用した吸引ろ過が挙げられ、円筒状のろ過膜を液体中に浸漬し、この円筒状膜の内部空間に負圧を発生させ、膜の外部の液体を内部空間に移行させ、そのときろ過膜を通過することでろ過を行う。さらに円筒状ろ過膜の内部空間から液体を吸い上げ、処理水を回収することができる。本実施態様においては吸引路１７に処理液２０Ｄを移行させるために、円筒状ろ過膜６１の内部空間を吸引路１７を介して吸引ポンプ（図示せず）により吸引（吸引方向ｄ９）する方法のほか、油水分離ユニット（デオイリング・ドラム）１５の加圧容器１５ｅ内を加圧し吸引路１７側の圧力が相対的に低くなる状況とすることで行ってもよい。
このろ過膜については、必ずしも円筒状である必要はなく、平膜状であってもよい。ここで、平膜状というのは、２枚のシート状平膜をスペーサーをはさんで平行位置に固定した膜エレメントを等間隔で配置したモジュール、あるいは、セラミック製の平板の内部に集水用の通路を設け、これを等間隔で配置したモジュールであり、平膜エレメント間の隙間が原液の流路となり、平膜エレメントの内部の集水部を通してろ過水が集められる。
本実施態様において上記浸漬ろ過膜及びその具体的な操作手順等は従来知られている物や手法を適用することができ、例えば、（社）日本水環境学会・膜を利用した処理技術研究委員会編「未循環の時代 膜を利用した水再生」３９−４９頁、有限責任中間法人 膜分離技術振興会・膜浄水委員会 監修、浄水膜（第２版）編集委員会 編集「浄水膜（第２版）」２１６頁以下、特開昭６１−１２９０９４等を参照することができる。
【００２６】
本実施形態の油水分離ユニット１５には、先端出口１５ｄがＴ字になって上方に突出する導入配管１５ａを介して加温含油水２０Ｂが供給される（供給方向ｄ２参照）。すると、加温含油水が油水分離ユニット１５の外殻を構成する加圧容器１５ｅ内に充満し、上述したろ過膜モジュール６０を含油水２０Ｂで浸漬する。このろ過膜モジュールは吸引路１７に接続されており、ここからろ過された処理水２０Ｄを回収する。この吸引は上述のように吸引ポンプを吸引路に接続して行ってよいが、本実施形態においては、加圧容器内の圧力Ｐ１と吸引路側の圧力Ｐ２とに差を設け、処理水２０Ｄの移行が行われるようにしている。加圧容器内の圧力Ｐ１は特に限定されないが、０〜１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇとなるように設定することが好ましく、２〜５ｋｇ／ｃｍ２Ｇとなるように設定することがより好ましい。上記吸引路側との差圧（Ｐ１−Ｐ２）は０〜５ｋｇ／ｃｍ２となるように設定することが好ましく、０．５〜２ｋｇ／ｃｍ２となるように設定することがより好ましい。
【００２７】
本実施形態の油水分離ユニット１５においては、さらに内部に気泡発生手段としての細孔配設管１６が導入されている。この細孔配設管１６は、加温含油水に浸漬し、ろ過膜モジュール６０の鉛直方向直下に位置するように配置している。そして、この細孔配設管にガスボンベ等のガス供給手段から所定のガスを供給し（供給方向ｄ３参照）ろ過膜モジュールに向け気泡５３を発生させる。このとき図１では図示していなかったが、図２に示したように加圧容器内のガス５５を回収して循環ブロア５６を介して循環させ（ガス循環手段：循環ブロア５６，循環流路１９）、再度細孔配設管１６に送り込み、気泡５３として加温含油水内に発生させてもよい。
【００２８】
この気泡のろ過膜に作用する状態について、さらに図２の円内に示した拡大図により説明する。本実施形態のろ過膜モジュール６０においては、その内部に円筒状のろ過膜がその長手方向が鉛直方向に配向するように多数配設されている。液中に発生した気泡５３は重力に逆らって方向ｄ６に向かって加温含油水２０Ｂ中を上昇する。このとき、含油水中に含まれる油５４も水より比重が低いため上昇する傾向にある。しかし、油分の中にはやや比重が重いものや、微細液滴となってエマルション化しているものなどがあり、液中を分散して浮遊する成分もある。上記の気泡５３はこの浮遊した油分５４に吸着し、一気に液表面ｓ側に向けて上昇させる作用がある。さらに本実施形態においては、気泡５３をろ過膜６１に向け発生させているので、ろ過が進行するなかでろ過膜の表面に付着した油分５４を膜表面から引き剥がし、前記と同様に液表面ｓに向け上昇させる作用を発揮する。これらの作用が相まって、ろ過膜６１により含油水のろ過を連続して行っても膜表面が清浄化され良好なろ過性能が持続し、かつ後述するろ過排水の効率的な回収を実現することができる。
【００２９】
気泡をなすガス成分は特に限定されないが、窒素や天然ガスであることが好ましい。このとき、本発明においては、加圧容器内に供給する前の加温含油水の流通圧Ｐ３より容器内の圧力Ｐ１より低く設定しておき、その差圧（Ｐ１−Ｐ３）により加温含油水２０Ｂ中の溶解成分を発泡させて、前記の気泡５３として利用してもよい。このような発泡成分としては加温含油水に含まれる天然ガスが挙げられる。上記の差圧（Ｐ１−Ｐ３）は特に限定されないが、０〜５ｋｇ／ｃｍ２となるように設定することが好ましく、１〜３ｋｇ／ｃｍ２となるように設定することがより好ましい。気泡をなすガスの供給量は特に限定されず、処理する含油水の量と膜面積により大きく異なるが、典型的な設定において、上記膜の浄化作用と油分の上昇作用とを考慮して、０〜１０Ｎｌit／ｍｉｎ／ｍ２とすることが好ましく、２〜５Nｌit／ｍｉｎ／ｍ２とすることがより好ましい。なお、気泡をなすガス成分としては、容器内の有機成分と接触して発火したり、あるいは金属部分が腐食したりしないよう、酸素は用いないことが好ましい。
【００３０】
円筒状のろ過膜６１をなす材料は特に限定されないが、耐熱性を考慮して例えば上述のようなPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）製の膜が挙げられる。また、平膜状のろ過膜としては、PTFE製のものの他、セラミック製の膜が挙げられる。本発明においては、中でも、ろ過膜としてポリテトラフルオロエチレン製のものを用いることが取り扱い性が高く、また重量が軽減されメンテナンスが容易である等の点で好ましい。この点、多孔質素材からなる中空管を用い、その親・疎水性を利用して油水分離することを提案するものがあるが（特開２００４−１４１７５３号公報、特開２００７−１８５５９９号公報参照）、重質油をも含むビチュメンを取り出した後の加温された含油水の分離に適用できるかは実証されていない。むしろ合成高分子製のろ過膜を含油水に用いることは、従来敬遠されてきた（「膜の劣化とファウリング対策」ＮＴＳ（２００８年）８８頁，特許文献２参照）。ろ過膜の開孔径は特に限定されないが、ろ過効率とろ過性能を考慮して、０．０１〜１μｍであることが好ましく、０．１〜０．５μｍであることがより好ましい。ろ過膜の円筒形状において内部空間の直径（外径）は特に限定されないが、吸引性能を考慮して、１〜４ｍｍに設定することが好ましく、１〜２ｍｍに設定することがより好ましい。ろ過膜の厚さも特に限定されないが、上記と同様にろ過効率やろ過性能を考慮して、０．５〜１．５ｍｍに設定することが好ましく、０．５〜１ｍｍに設定することがより好ましい。
【００３１】
本実施形態の油水分離ユニット１５においては、さらに隔壁１５ｃがその内部に設けられている、この隔壁の内側に上記の加温含油水が充填されており、膜ろ過が行われる。さらに本実施形態によれば、上記のように油分の自然な上昇とともに、気泡に随伴して油分が液表面ｓに向かって上昇してくる。これにより、隔壁１５ｃ内の加温含油水２０Ｂは液表面側、すなわち鉛直方向の上方ほど高い油分濃度となっている。これに対し容器内には前記供給配管１５ａから連続的に加温含油水が供給されており、過剰量となった加温含油水２０Ｂは隔壁１５ｃを越えて隔壁外方へ流れ出す（方向ｄ１１参照）。このようにして油分濃度の高いろ過排水２０Ｅは隔壁１５ｃを介して容器中央から側円方向に移行して分離され、排液配管１５ｂから回収され（方向ｄ４参照）、たとえばフリー・ウオーター・ノックアウト２に返戻される（返戻手段：返戻ポンプ５２，排液配管１５ｂ）。隔壁１５ｃの高さは特に限定されないが、ろ過膜モジュール６０が加温含油水に十分に浸漬する高さであることが好ましい。加温含油水の容器内への供給速度は特に限定されず、容器の大き等にも大きく依存するが、典型的な設定としていえば１０〜２００ｍ３／ｈｒであることが好ましく、５０〜１００ｍ３／ｈｒであることがより好ましい。加圧容器の大きさも同様に、油層内回収法に適用することを考慮し、５〜２００ｍ３程度のものを用いることが好ましい。
【００３２】
以上、上記図面に基づき本発明の好ましい実施形態及びそれにより奏する作用効果及び利点について詳細に説明した。さらに従来の油水分離法における課題を述べると、これまでに提案され実施されてきた方法では、機器数が多く複雑であり、設備費が高く、運転管理も難しい。特に、含油水（Produced water）は通常１２０〜１３０℃の高温であるため、従来の油水分離法では一度８５〜８０℃に熱交換器で減温する必要があるが、この熱交換器はファウリングトラブルのため頻繁に洗浄する必要があり、稼働率低下の一因であった。本発明の好ましい実施形態に係る装置及び方法によればかかる課題を解決することができる。
また、最近、油水分離のためセラミック膜を内圧式のクロスフローで適用することが検討されているが、この場合、ファウリング防止のため膜表面の線速度を高く維持する必要があり、処理水量の５倍程度の高流量での循環が求められる。これを克服しようとすれば極めて大きな循環ポンプと大口径のヘッダー配管が必要となり、設備コストだけでなく、電力消費量等の運転コストも大幅に上昇するという問題があり、場合により実用化の障害となる。さらに、クロスフローろ過の場合、循環水中で濃縮が起こる。例えば、ブローダウン量を５％とすれば循環流路内の油濃度は２０倍となり、具体的に供給液の油分が１，０００ｐｐｍなら、循環液中の油分は２０，０００ｐｐｍとなる。透過液中の油分濃度を目標値である１０ｐｐｍ以下にすることが難しくなることも想定される。本発明の好ましい実施形態によれば、上記のようなろ過装置系内の過剰濃縮も起こらず、油濃度を極めて低く抑えた処理水の供給にも、過剰な設備や運転コストの増大を招かず好適に対応することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１ オイルサンド層（Oil sand layer）
２ フリー・ウオーター・ノックアウト（Free water Knockout）
３ トリーター（Treater）
４ オイル貯蔵タンク（Oil storage tank）
５ スキムタンク（Skim tank）
６ インデュース・ガス・フローテーション（Induced gas floatation）
７ オイルリムーバルフィルタ（Oil removal filter）
８ デオイルド・ウオーター・タンク（De-oiled water tank）
９ ライムソフナー（Lime softener）
１１ ウイーク・アシッド・カチオン・ソフナー（Weak acid cation softener）
１２ エバポレータ（Evaporator）
１３ ボイラー・フィード・ウオーター・タンク（Boiler feed water tank）
１４ メカニカル・ベーパー・コンプレッション・ユニット
（Mechanical vapor compression unit）
１５ 油水分離ユニット−デオイリング・ドラム（De-oiling drum）
１５ａ 導入配管
１５ｂ 排液配管
１５ｃ 隔壁
１５ｄ 先端出口
１５ｅ 容器
１６ 気泡発生手段（細孔配設管）
１７ ろ過膜吸引管
１８ ガス供給手段
１９ ガス循環路
２０Ａ ビチュメン混合流体
２０Ｂ 含油水
２０Ｃ ボイラ供給水
２０Ｄ 処理水
２０Ｅ ろ過排水
５１ 冷却器
５２ ポンプ
５３ 気泡
５４ 油分
５５ 容器内のガス
５６ 循環ブロア
６０ ろ過膜モジュール
６１ 円筒状ろ過膜
【技術分野】
【０００１】
オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法における含油水の油水分離装置、油水分離システム、油水分離方法およびそれを用いた水再利用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油資源の１つであるオイルサンドから回収されるビチュメンは、これまで予備的ないし次世代の代替資源としてしか見られてこなかった。しかし、ビチュメン自体は質的に劣悪であっても、そこから得られる製品は原油から得られるものと十分競争力があり、コストにおいても原油代替の可能性が高まってきた。またカナダオイルサンドは、サウジアラビアの原油に匹敵するほどの圧倒的な埋蔵量を誇っており、例えばカナダ国アルバータ州およびその周辺地域における炭化水素埋蔵量は世界のトップクラスである。そして何よりカナダは中東やアフリカなどの地政学的に不安定な地域と異なり投資リスクが極めて低い。エネルギーの安定した供給源の確保は資源に乏しい我が国を始め各国において極めて重要な課題であり、この観点からも今日の貴重な石油資源の供給地域として位置付けられるようになってきた。
かかるオイルサンドからのビチュメン生産において、近年、露天掘りでは開発が難しい深度に存在するものにも目が向けられ、この採収を可能にするSAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）法、CSS（Cyclic Steam Stimulation）法といった油層内回収法が注目され、精力的にその技術開発がすすめられている（非特許文献１）。
【０００３】
油層内回収法では、オイルサンド層内にある常温では流動しない高粘度の油に対し高温スチームを圧入することにより、加熱して油の粘度を下げ、このスチームが凝集した高温水と油とを回収する。そのため大量の高温スチームを造りだすための「水」が必要となる。例えば、後述するＳＡＧＤ法ではスチーム生成のため油生産量の約３倍の水を使用する。他方、カナダにおいては州の厳しい環境基準により利用可能な取水量が制限されるほか、十分な容量を持つ廃水圧入層が近傍に存在しないため、水のリサイクルは必須となっている（非特許文献２参照）。
【０００４】
上記ビチュメンの生産に使用する水のリサイクルのため、従来下記のような手法が取られてきた。まず従来法のフローについて説明する（図４，５参照）。油層内回収法で地中（オイルサンド層１）から回収されたビチュメン混合流体２０Ａは、フリー・ウオーター・ノックアウト（Free water Knockout）２に送られる。ここで処理したビチュメンを含む処理液を供給方向ｄ１に送り、さらにトリーター（Treater）３で処理し、冷却機５１で冷却してビチュメンをオイル貯蔵タンク（Oil storage tank）４に貯蔵する。ここから必要に応じてビチュメン（製品）を出荷する。なお、図中、二等辺三角形を２つ組み合わせた蝶々形状の部分はバルブを表している。また、図４及び図５における＊Ａはここで各図の工程が連結されることを表している。
【０００５】
これとは別にフリー・ウオーター・ノックアウト２で分離された含油水（生産水：Produced waterと呼ばれることもある。）２０Ｂを供給方向ｄ２に送り、冷却器４で所定温度に冷却されたのちスキムタンク（Skim Tank）５に移行する。このとき、含油水の一部はトリーター３からも分離され移行する（供給方向ｄ２’参照）。また、フリー・ウオーター・ノックアウト２及びトリーター３では蒸発ガスも発生し、これもそれぞれ外部に排出する。次いで、インデュース・ガス・フローテーション（Induced Gas Flotation）６、ウォルナットシェルなどを用いたオイルリムーバルフィルタ（Oil Removal Filter）７、デオイルドタンク（Deoiled Tank）８という流れで、油分を分離除去し、従来の処理水２０Ｄ’を回収する（後述する本発明の処理水２０Ｄと区別するよう、２０Ｄ’とした。）。この方法における油水分離は、基本的には油と水の比重差を利用した重力分離である。なお図中の囲みの中に記載された温度はその部分での流体の温度であり、濃度は油の含有濃度である。ただし、これらの具体的な温度や濃度等の記載により本発明が限定して解釈されるものではない。
【０００６】
その後段で処理水２０Ｄ’は、ライムソフナー（Lime Softener）９、ウイーク・アシッド・カチオン・ソフナー（Weak Acid Cation Softener）１１という流れで硬度成分を除去し、ボイラー・フィード・ウオーター・タンク（Boiler feed water tank）１３に貯蔵される。ここからボイラ供給水２０Ｃとしてワンススルー式ボイラ（Once Through Type Boiler）（図示せず）に給水し、そこで発生した蒸気は、再度オイルサンド層からのビチュメンの回収に利用される。最近では、上記の工程ｄ１２における軟化処理に代えて、脱塩プロセスのひとつであるメカニカル・ベーパー・コンプレッション・ユニット１４を適用したエバポレータ（Evaporator）１２を利用して純水をつくり、これをボイラ供給水２０Ｃとして汎用のドラム式ボイラ（Drum type Boiler）（図示せず）に給水するケースも増えている（図５の工程ｄ１３参照）。
【０００７】
しかし上記従来のフローでは、油水分離に必要な機器および工程数が多く煩雑であり、設備費が高くつく。運転管理も難しい。また、熱交換器やボイラ内の配管で有機物系のスケールが析出し、その結果、熱応力起源の腐食割れを起こした例が報告されている（非特許文献２参照）。これは、重力分離法では、比較的粒径の大きな油分は除去できるが、粒径の小さな油分やエマルション化した油分は分離できないことが主要な原因と考えられる（非特許文献３参照）。また、工程ｄ１３のように後段の軟化・脱塩工程でエバポレータを適用する場合、エバポレータ内での有機物によるスケールトラブルが起きており、本法適用拡大の障壁となっている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】荻野清「カナダオイルサンドの開発〜さらなる挑戦」石油技術協会誌，第６９巻，第６号（平成１６年１１月）６１２−６２０頁
【非特許文献２】清水信寿・中村常太「オイルサンド開発における水のリサイクル」石油技術協会誌，第７０巻，第６号（平成１７年１１月）５２２−５２５頁
【非特許文献３】M.J.Plebon “TORR(TM)−The Next Generation of Hydrocarbon Extraction From Water”Journal of Canadian Petroleum Technology,Vol.43,No.9(Sep.2004)pp.1−4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来、ＳＡＧＤ法あるいはＣＳＳ法においては、含油水の油水を分離した後、さらに軟化処理してワンススルー式ボイラに給水するのが一般的である。消費水量の一層の削減、排水量の削減、薬品消費量の削減、エネルギー消費量の削減、ＣＯ２排出量の削減、また設備コストの低減や運転管理の容易さなどに鑑みるとき、油水分離の後にエバポレータで脱塩水とし汎用のドラム式ボイラに給水する方法の採用が求められ、しかも上述したようなトラブルの懸念のない実際的な処理方法が強く望まれる。そしてまた、ボイラ手前で加温することを考慮すると、その前の油水分離工程で極力水温を下げずに処理することが望まれる。これが実現されれば、水処理システム全体における熱ロスを大幅に抑えることができる。例えば、１２０℃程度の高温で高度な油水分離が可能となれば、上記熱ロスを抑えてエバポレータとドラム式ボイラを採用することのメリットを大きく引き出すことができ、上述した多岐にわたる課題に対して応えうるプラントの設計が可能となり、処理効率、経済性、環境適合性等が大幅に向上する。
【００１０】
上述のようなビチュメン生産の油層内回収法における加温含油水の油水分離に特有の課題に鑑み、本発明は、従来のような多段にわたる煩雑な工程や特殊な設備によらず、しかも取り扱い性及び運転管理性が良く、加温された含油水の高度な油水分離を可能とし熱ロスを低減することを実現しうる油水分離装置、それを用いた油水分離システム、並びに油水分離方法及び水再利用方法の提供を目的とする。
また、油層内回収法によるビチュメンの生産において加温含油水を再利用する際の工程数及び機器数を低減しシステム全体をコンパクト化することができ、また従来困難であった汎用のドラム式ボイラ設備の実際的な利用を可能とする、環境適合性及び経済性に優れる油水分離装置、それを用いた油水分離システム、並びに油水分離方法及び水再利用方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的は下記の手段により達成された。
（１）オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水に含まれる油分を除去する油水分離装置であって、前記加温含油水を導入する容器と、該容器内に組み込まれ前記加温含油水に浸漬させた状態でろ過を行う浸漬ろ過膜と、該ろ過膜に向け気泡を供給する気泡発生手段とを有することを特徴とする油水分離装置。
（２）前記容器内の加温含油水に溶解しているガスを減圧することによって発泡させる容器内圧力の調節手段を具備し、その発泡により生じた気泡を前記ろ過膜に向け供給する気泡として利用する（１）に記載の油水分離装置。
（３）前記容器が内部に隔壁を具備し、該隔壁を越えた油分濃度の高い過剰液を前記加温ビチュメン混合流体と合流するように戻す返戻手段を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載の油水分離装置。
（４）前記容器が、前記加温含油水の温度を６０〜２００℃に維持し、かつ前記容器内の圧力を0〜10ｋｇ／ｃｍ２Ｇに維持することができることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の油水分離装置。
（５）前記容器内のガスを前記気泡を発生するガスとして再利用するガス循環手段を有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の油水分離装置。
（６）前記浸漬ろ過膜が円筒形状あるいは平膜形状であり、ろ過膜の外表面は前記気泡によって浄化される（１）〜（５）のいずれか１項に記載の油水分離装置。
（７）前記油層内回収法がＳＡＧＤ法又はＣＳＳ法であることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１項に記載の油水分離装置。
（８）（１）〜（７）のいずれか１項に記載の油水分離装置と、該装置の前記容器から取り出したろ過後の処理水を蒸留するエバポレータと、該蒸留水をビチュメンの回収に用いる水蒸気にするドラム式ボイラとを組み合わせた油層内回収法の水再利用システム。
（９）オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水を浸漬式のろ過膜を内部に組み込んだ容器内に導入し、前記加温含油水で前記ろ過膜を浸漬した状態で前記加温含油水がろ過膜を通過するように移行させるとともに、前記ろ過膜に向け気泡を供給することを特徴とする油水分離方法。
（１０）前記容器内の圧力を調節し前記加温含油水に含まれる成分を液中で発泡させ、前記ろ過膜に向けて供給する気泡とすることを特徴とする（９）に記載の油水分離方法。
（１１）前記容器内の加温含油水の温度を６０〜２００℃に維持してろ過することを特徴とする（９）又は（１０）に記載の油水分離方法。
（１２）前記容器内を０〜１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇに維持してろ過することを特徴とする（９）〜（１１）のいずれか１項に記載の油水分離方法。
（１３）前記加温含油水の処理により、該処理後の処理水中の油分濃度を５ｍｇ／Ｌ以下とすることを特徴とする（９）〜（１２）のいずれか１項に記載の油水分離方法。
（１４）前記容器内で該容器内に設置した隔壁を越えた加温含油水を回収して返戻し、処理前のビチュメン混合流体と合流させる（９）〜（１３）のいずれか１項に記載の油水分離方法。
（１５）前記油層内回収法がＳＡＧＤ法又はＣＳＳ法であることを特徴とする（９）〜（１４）のいずれか１項に記載の油水分離方法。
（１６）（９）〜（１５）のいずれか１項に記載の油水分離方法で前記ろ過膜により処理された処理水をエバポレータにより蒸留し、該蒸留水をドラム式ボイラにより水蒸気としてビチュメンの地中からの回収のために再度用いることを特徴とするビチュメン生産の油層内回収法における水再利用方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、油層内回収法によるビチュメンの生産において加温含油水の油水分離を行うに当たり、従来のような多段にわたる煩雑な工程や特殊な設備によらず、しかも取り扱い性及び運転管理性が良く、加温された含油水の高度な油水分離を可能とし熱ロスを低減することができるという優れた作用効果を奏する。
また、本発明によれば、油層内回収法によるビチュメンの生産において、加温含油水を再利用する際の工程数及び機器数を低減しシステム全体をコンパクト化することができ、また従来困難であった汎用のドラム式ボイラ設備の実際的な利用を可能として、環境適合性及び経済性に優れた油水分離及び水再生処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の油水分離装置の一実施形態を利用したビチュメンの生産において加温含油水をろ過する過程を概略的に示したフロー図である。
【図２】図１に示した油水分離装置を拡大して模式的に示す側断面図である。
【図３】図２に示した装置のＡ−Ａ線矢視断面を簡略化して示す平断面図である。
【図４】従来の油水分離方法における含油水のろ過の過程を概略的に示すフロー図である。
【図５】従来の油水分離方法におけるろ過された処理水をボイラに供給するまでの過程を概略的に示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の油水分離装置は、オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水に含まれる油分を除去する油水分離装置であり、前記加温含油水を導入する容器と、該容器内に組み込まれ前記加温含油水で浸漬させた状態でろ過を行う浸漬ろ過膜と、該ろ過膜に向け気泡を供給する気泡発生手段とを有する。
【００１５】
オイルサンドからビチュメンを生産する方法として、大別すると、露天掘りによる方法と油層内回収法とがあるが、本発明の油水分離方法は後者に適用されるものである。油層内回収法として現在実際的に採用されているものは２種類であり、ＳＡＧＤ法とＣＳＳ法である。
【００１６】
ＳＡＧＤ法の具体的実施態様においては、水平井を数メートル間隔に２本掘削し、上位水平井（圧入井）から高温蒸気を圧入する。圧入蒸気は周囲に熱を伝達しながら上昇し、油層頂部や介在泥岩などによって上昇が止まるまで水蒸気チャンバーを形成し、熱を失って凝縮水に変化する。伝達熱によって粘性が低下したビチュメンと凝縮水は、高粘性ビチュメンとの境界面に沿って重力で下位水平井（生産井）に向かい、混合流体として生産される。ビチュメンを生産することで油層内に空隙が形成され、蒸気を連続的に圧入することが可能になり、低粘性化したビチュメン回収が継続される。
【００１７】
ＣＳＳ法の一実施態様では、以下の３段階を繰り返して生産を継続していく。（１）ある期間、井戸に水蒸気を圧入する。水蒸気の圧入を止め井戸を閉める。（２）水蒸気の熱がオイルサンド層に伝わり、ビチュメンが流動化するのを、しばらくのあいだ待つ。（３）井戸を開けて、井戸に流れ込んでくるビチュメンをポンプで汲み上げる。一つの井戸ではこの過程を繰り返すが、それだけではビチュメンを生産する期間が飛び飛びになってしまう。そのため、幾つかの井戸のグループごとに水蒸気圧入とビチュメン生産のタイミングを調整することで、全体として安定した生産量を維持することができる。
【００１８】
図１は、本発明の油水分離装置の一実施形態を利用したビチュメンの生産において加温含油水をろ過する過程を概略的に示したフロー図である。ここでＳＡＧＤ法ないしＣＳＳ法においては、上述のように地中のオイルサンド層に高温高圧の水蒸気を圧入して、オイルサンド層内のビチュメンの流動性を高め、地中のビチュメンを温水とともに回収する。まず回収したビチュメンを含む温水には、砂、重金属等が含まれている。ここからは上記でも概略説明したが、これを減圧した後セパレータ（フリー・ウオーター・ノックアウト２、トリーター３）に入れ、該セパレータによりビチュメン、加温含油水（生産水）、蒸発ガスに分離する。分離された加温含油水は、油を多く含んだ油汚濁水であり、冷却前では約１２０℃に加温されている（本発明において、「加温」とは外界の温度より高められていることをいい、例えば外界温度が約２０℃であればこれより高められていることをいう。）。この加温含油水を本発明に係る油水分離ユニット１５に導入し、その中から油を取り除く。ここからは従来法と同様の過程に移行し、デオイルド・ウオーター・タンク８を介して、図５の工程ｄ１２に示したように、油を取り除いた処理水（De-oiled Produced Water）２０Ｄは、メークアップウオーター（Makeup water）として水井戸（Water Well）から汲み上げた水（Raw Water）を加え、ライムソフナー９、ウイーク・アシッド・カチオン・ソフナー（WAC）１１を経てボイラ供給用水（BFW：Boiler Feed Water）２０Ｃとして再使用される。本実施形態によればエバポレータ１２を活用する工程ｄ１３の利用も実際的なものとして実現可能であるが、この点については後述する。なお、図中の直角に曲がることのある直線は流体を流通させる配管を表し、要所に矢印を付してその流通方向を明示している。
【００１９】
ＳＡＧＤ法の各エリアでの詳細は下記のとおりである。
［坑井元エリア］
高圧スチ−ムはヘッダーから各圧入井ヘフローコントロールバルブを介し分配される。一方、生産井では圧入井からスチームがブレークスルーしないように流量制御して生産が行われている。生産流体はウェルヘッドセパレータからのべ一パー、液はヘッダーに集められ、油水分離エリアに向かう。液ヘッダーにはエマルション生成防止薬品が添加される。
［油水分離エリア］
生産された流体はオイルセパレータ（ＦＷＫＯ）に入り、べ一パー（炭化水素、水分、若干の硫化水素）、ビチュメン、及び、生産水の３相に分離される。ビチュメンはトリーターに移送され０．５％重量程度まで脱水される。その後、オイルクーラーにて冷却され貯油される。
［油分除去エリア］
油分分離エリアからの生産水は、１０００ｐｐｍ以上の油分を含んでいる。当エリアの基本構成は、スキムタンク、インデュース・ガス・フローテーション（ＩＧＦ）、油水分離フィルタ（ウォルナットシェルなど）の３つであり、各々の機器で油分が除去される。
［軟水処理エリア］
このエリアでは、デオイルドウォーターを主とするプラント内の水をＢＦＷとして再利用する為の処理が行われる。主要構成機器は、ホットｏｒウォームライムソフナー、アフターフィルタ、ウイークアッシドカチオンイオン交換器（ＷＡＣ）である。ライムソフナーでは硬質分（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）、シリカ（Ｓｉｌｉｃａ）を減じることになる。ライムソフナー処理水の濁度をアフターフィルタ（アンスラサイトを充填した圧力式フィルタ）で除去し、微量に残ったカルシウムイオン、マグネシウムイオンをＷＡＣで完全に除去する。メークアップ水は井戸より供給される。
［スチーム製造エリア］
ＷＡＣで製造されたＢＦＷはポンプで昇圧され、熱回収をおこなった後スチームジェネレーターへ向かう。スチームジェネレーターは天然ガスを燃料としている。ここで７５−８０％Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｔｅａｍ（重量比で７５−８０％が気相、２０−２５％が液相）が製造され、高圧スチームセパレーターで気液分離される。高圧スチームのほぼ全量が坑井元に運ばれ圧入されるが、一部は低圧スチームに減圧され必要箇所へ分配される。ブローダウン水は一部冷却され、ディスポーザル井に廃棄される。
従来のＳＡＧＤ法ではスチームジェネレーターとして、ＯＴＳＧ（Ｏｎｃｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）が通常使われる。理由として、ボイラ給水中のＴＤＳが高濃度（２０，０００ｐｐｍ程度まで許容、設計は８０００ｐｐｍ）でも処理できる為である。ドラム式ボイラを使用する場合は高品質ボイラ給水が必要であり、エバポレータ等が必要になる。
【００２０】
本実施態様のフローにおいては約１２０℃（範囲としていえば例えば８０〜１２０℃）に加温状態が維持されている加温含油水２０Ｂを油水分離ユニット（デオイリング・ドラム）１５に送る。この油水分離ユニットの好ましい実施形態については、図２，３に基づいて後で詳しく説明する。含油水２０Ｂには一般的に１０００ｐｐｍ（範囲としていえば例えば１０００〜３０００ｐｐｍ）の油分が含まれているが、本実施態様の例ではこれを１ｐｐｍ以下にすることを目標とする。この目標濃度は特に限定されないが、１０ｐｐｍ以下に抑えることが好ましく、５ｐｐｍ以下がより好ましく、１ｐｐｍ以下がさらに好ましく、０．１ｐｐｍ以下が特に好ましい。従来の分離方法によれば、前処理等多段のプロセスを必要とし、かつその処理水の油分濃度は、しばしば１０ｐｐｍを越えているのが実情である（Ｍ．Ｋ．Ｂｒｉｄｅ “Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｅ−ｏｉｌｉｎｇ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ”， ＩＷＣ−０６−１５参照）。
【００２１】
本実施態様では耐熱性に優れるポリテトラフルオロエチレン製のろ過膜やセラミックろ過膜を好適に採用可能であるため、冷却器５１による予備冷却幅を更に狭め、必要によっては冷却せずに油水分離ユニットへ送ってもよい。後段のエバポレータに加熱したまま送ることを考慮し、熱ロスを低減する観点からは、例えば油水分離ユニット１５における分離を６０〜２００℃で行うことが好ましく、８５〜１３５℃で行うことがより好ましく、９０〜１２０℃で行うことが特に好ましい。そして、ろ過後の処理水も冷却せずにエバポレータ１２に送ってもよい。すなわち、図１では処理水供給方向ｄ５で示した流路の冷却機５１が介在されているが、これを省略することができる。このように熱ロスを低減することは、とりわけカナダのような寒冷地で加熱のためのエネルギー消費量が大きくなる地域では重要であり、本実施態様の大きな利点である。
【００２２】
本実施態様によれば、上記油水分離ユニット１５から取り出された処理水２０Ｄがデオイルドタンク８を介して直接エバポレータ１２に送る工程ｄ１３を好適に採用可能である（図５参照）。そして、本実施態様においてエバポレータに送られた処理水２０Ｄは、従来法の場合に比べて粒径のかなり小さな油分まで除去でき、エバポレータ内でスケーリングを起こす有機物が好適に除去される。そのため、連続的に処理するときにも、エバポレータの頻繁なクリーニングを行う必要がなく、処理のための運転効率を大幅に高めることができる。したがって、図１に示した＊Ａを図５の＊Ｂに連結して、ろ過後の処理水２０Ｄをそのまま直接エバポレータに送ってもよい。このとき、エバポレータ直前の冷却機５１を省略してもよいことは上記と同様である。なお、本発明において、スケーリングとは、有機物に由来する炭化物、カルシウムなどの硬度成分に拠るものをいう。
【００２３】
さらに本実施態様による大きな利点の１つに一般的なドラム式のボイラを使用できることが挙げられる。これは、従来、再生された水（ボイラ供給水２０Ｃ）をビチュメンの生産のために圧入井に導入する高圧高温の水蒸気とするために、極めて特殊性の高いワンススルー式のボイラを用いてきたが、これに頼らなくてよいことを意味しビチュメン生産に係るコスト競争力を大幅に高めるものである。換言すれば、本実施態様において上述の特有の油水分離手段を採用したことによりエバポレータの実際的な利用が可能となる。その結果、加温含油水が前記両者（油水分離×蒸留）により相乗的に浄化され、極めてクリーンな蒸留水がボイラ供給水２０Ｃとして利用可能となる。
【００２４】
本発明において水再生処理フローは上記に限定されるものではなく、例えば処理水２０Ｄとした後に、工程ｄ１２（図５参照）と同様の設備を介した処理を行ってもよい。なお、本発明に適用される各設備ないし機器は通常この種の処理に用いるものを採用すればよく、例えば非特許文献１〜３の記載などを参考に構成することができる。具体的に、セパレータとしてはＮＡＴＣＯ社製やＫＶＡＥＲＮＥＲ社製などが挙げられ、エバポレータとしてはＧＥ社製やＡＱＵＡＴＥＣＨ社製などが挙げられ、ワンススルー式のボイラとしてはＴＩＷ社製やＡＴＳ社製などが挙げられ、ドラム式ボイラとしてはＢ＆Ｗ社製やＣ．Ｂ．ＮＥＢＲＡＳＫＡ ＢＯＩＬＥＲ社製などが挙げられる。
【００２５】
図２は図１に示した油水分離装置を拡大して模式的に示す側断面図であり、図３は図２に示した装置のＡ−Ａ線矢視断面を簡略化して示す平断面図である。図２の円内はろ過モジュール６０の内部を大きく拡大して示す部分断面模式図である。本実施態様の油水分離装置には浸漬ろ過膜が採用されている。浸漬ろ過とは、ろ過すべき液体中にろ過膜を浸し、この液体が前記ろ過膜を通過するようにしてろ過を行うことを言う。典型的には、円筒状のろ過膜を利用した吸引ろ過が挙げられ、円筒状のろ過膜を液体中に浸漬し、この円筒状膜の内部空間に負圧を発生させ、膜の外部の液体を内部空間に移行させ、そのときろ過膜を通過することでろ過を行う。さらに円筒状ろ過膜の内部空間から液体を吸い上げ、処理水を回収することができる。本実施態様においては吸引路１７に処理液２０Ｄを移行させるために、円筒状ろ過膜６１の内部空間を吸引路１７を介して吸引ポンプ（図示せず）により吸引（吸引方向ｄ９）する方法のほか、油水分離ユニット（デオイリング・ドラム）１５の加圧容器１５ｅ内を加圧し吸引路１７側の圧力が相対的に低くなる状況とすることで行ってもよい。
このろ過膜については、必ずしも円筒状である必要はなく、平膜状であってもよい。ここで、平膜状というのは、２枚のシート状平膜をスペーサーをはさんで平行位置に固定した膜エレメントを等間隔で配置したモジュール、あるいは、セラミック製の平板の内部に集水用の通路を設け、これを等間隔で配置したモジュールであり、平膜エレメント間の隙間が原液の流路となり、平膜エレメントの内部の集水部を通してろ過水が集められる。
本実施態様において上記浸漬ろ過膜及びその具体的な操作手順等は従来知られている物や手法を適用することができ、例えば、（社）日本水環境学会・膜を利用した処理技術研究委員会編「未循環の時代 膜を利用した水再生」３９−４９頁、有限責任中間法人 膜分離技術振興会・膜浄水委員会 監修、浄水膜（第２版）編集委員会 編集「浄水膜（第２版）」２１６頁以下、特開昭６１−１２９０９４等を参照することができる。
【００２６】
本実施形態の油水分離ユニット１５には、先端出口１５ｄがＴ字になって上方に突出する導入配管１５ａを介して加温含油水２０Ｂが供給される（供給方向ｄ２参照）。すると、加温含油水が油水分離ユニット１５の外殻を構成する加圧容器１５ｅ内に充満し、上述したろ過膜モジュール６０を含油水２０Ｂで浸漬する。このろ過膜モジュールは吸引路１７に接続されており、ここからろ過された処理水２０Ｄを回収する。この吸引は上述のように吸引ポンプを吸引路に接続して行ってよいが、本実施形態においては、加圧容器内の圧力Ｐ１と吸引路側の圧力Ｐ２とに差を設け、処理水２０Ｄの移行が行われるようにしている。加圧容器内の圧力Ｐ１は特に限定されないが、０〜１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇとなるように設定することが好ましく、２〜５ｋｇ／ｃｍ２Ｇとなるように設定することがより好ましい。上記吸引路側との差圧（Ｐ１−Ｐ２）は０〜５ｋｇ／ｃｍ２となるように設定することが好ましく、０．５〜２ｋｇ／ｃｍ２となるように設定することがより好ましい。
【００２７】
本実施形態の油水分離ユニット１５においては、さらに内部に気泡発生手段としての細孔配設管１６が導入されている。この細孔配設管１６は、加温含油水に浸漬し、ろ過膜モジュール６０の鉛直方向直下に位置するように配置している。そして、この細孔配設管にガスボンベ等のガス供給手段から所定のガスを供給し（供給方向ｄ３参照）ろ過膜モジュールに向け気泡５３を発生させる。このとき図１では図示していなかったが、図２に示したように加圧容器内のガス５５を回収して循環ブロア５６を介して循環させ（ガス循環手段：循環ブロア５６，循環流路１９）、再度細孔配設管１６に送り込み、気泡５３として加温含油水内に発生させてもよい。
【００２８】
この気泡のろ過膜に作用する状態について、さらに図２の円内に示した拡大図により説明する。本実施形態のろ過膜モジュール６０においては、その内部に円筒状のろ過膜がその長手方向が鉛直方向に配向するように多数配設されている。液中に発生した気泡５３は重力に逆らって方向ｄ６に向かって加温含油水２０Ｂ中を上昇する。このとき、含油水中に含まれる油５４も水より比重が低いため上昇する傾向にある。しかし、油分の中にはやや比重が重いものや、微細液滴となってエマルション化しているものなどがあり、液中を分散して浮遊する成分もある。上記の気泡５３はこの浮遊した油分５４に吸着し、一気に液表面ｓ側に向けて上昇させる作用がある。さらに本実施形態においては、気泡５３をろ過膜６１に向け発生させているので、ろ過が進行するなかでろ過膜の表面に付着した油分５４を膜表面から引き剥がし、前記と同様に液表面ｓに向け上昇させる作用を発揮する。これらの作用が相まって、ろ過膜６１により含油水のろ過を連続して行っても膜表面が清浄化され良好なろ過性能が持続し、かつ後述するろ過排水の効率的な回収を実現することができる。
【００２９】
気泡をなすガス成分は特に限定されないが、窒素や天然ガスであることが好ましい。このとき、本発明においては、加圧容器内に供給する前の加温含油水の流通圧Ｐ３より容器内の圧力Ｐ１より低く設定しておき、その差圧（Ｐ１−Ｐ３）により加温含油水２０Ｂ中の溶解成分を発泡させて、前記の気泡５３として利用してもよい。このような発泡成分としては加温含油水に含まれる天然ガスが挙げられる。上記の差圧（Ｐ１−Ｐ３）は特に限定されないが、０〜５ｋｇ／ｃｍ２となるように設定することが好ましく、１〜３ｋｇ／ｃｍ２となるように設定することがより好ましい。気泡をなすガスの供給量は特に限定されず、処理する含油水の量と膜面積により大きく異なるが、典型的な設定において、上記膜の浄化作用と油分の上昇作用とを考慮して、０〜１０Ｎｌit／ｍｉｎ／ｍ２とすることが好ましく、２〜５Nｌit／ｍｉｎ／ｍ２とすることがより好ましい。なお、気泡をなすガス成分としては、容器内の有機成分と接触して発火したり、あるいは金属部分が腐食したりしないよう、酸素は用いないことが好ましい。
【００３０】
円筒状のろ過膜６１をなす材料は特に限定されないが、耐熱性を考慮して例えば上述のようなPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）製の膜が挙げられる。また、平膜状のろ過膜としては、PTFE製のものの他、セラミック製の膜が挙げられる。本発明においては、中でも、ろ過膜としてポリテトラフルオロエチレン製のものを用いることが取り扱い性が高く、また重量が軽減されメンテナンスが容易である等の点で好ましい。この点、多孔質素材からなる中空管を用い、その親・疎水性を利用して油水分離することを提案するものがあるが（特開２００４−１４１７５３号公報、特開２００７−１８５５９９号公報参照）、重質油をも含むビチュメンを取り出した後の加温された含油水の分離に適用できるかは実証されていない。むしろ合成高分子製のろ過膜を含油水に用いることは、従来敬遠されてきた（「膜の劣化とファウリング対策」ＮＴＳ（２００８年）８８頁，特許文献２参照）。ろ過膜の開孔径は特に限定されないが、ろ過効率とろ過性能を考慮して、０．０１〜１μｍであることが好ましく、０．１〜０．５μｍであることがより好ましい。ろ過膜の円筒形状において内部空間の直径（外径）は特に限定されないが、吸引性能を考慮して、１〜４ｍｍに設定することが好ましく、１〜２ｍｍに設定することがより好ましい。ろ過膜の厚さも特に限定されないが、上記と同様にろ過効率やろ過性能を考慮して、０．５〜１．５ｍｍに設定することが好ましく、０．５〜１ｍｍに設定することがより好ましい。
【００３１】
本実施形態の油水分離ユニット１５においては、さらに隔壁１５ｃがその内部に設けられている、この隔壁の内側に上記の加温含油水が充填されており、膜ろ過が行われる。さらに本実施形態によれば、上記のように油分の自然な上昇とともに、気泡に随伴して油分が液表面ｓに向かって上昇してくる。これにより、隔壁１５ｃ内の加温含油水２０Ｂは液表面側、すなわち鉛直方向の上方ほど高い油分濃度となっている。これに対し容器内には前記供給配管１５ａから連続的に加温含油水が供給されており、過剰量となった加温含油水２０Ｂは隔壁１５ｃを越えて隔壁外方へ流れ出す（方向ｄ１１参照）。このようにして油分濃度の高いろ過排水２０Ｅは隔壁１５ｃを介して容器中央から側円方向に移行して分離され、排液配管１５ｂから回収され（方向ｄ４参照）、たとえばフリー・ウオーター・ノックアウト２に返戻される（返戻手段：返戻ポンプ５２，排液配管１５ｂ）。隔壁１５ｃの高さは特に限定されないが、ろ過膜モジュール６０が加温含油水に十分に浸漬する高さであることが好ましい。加温含油水の容器内への供給速度は特に限定されず、容器の大き等にも大きく依存するが、典型的な設定としていえば１０〜２００ｍ３／ｈｒであることが好ましく、５０〜１００ｍ３／ｈｒであることがより好ましい。加圧容器の大きさも同様に、油層内回収法に適用することを考慮し、５〜２００ｍ３程度のものを用いることが好ましい。
【００３２】
以上、上記図面に基づき本発明の好ましい実施形態及びそれにより奏する作用効果及び利点について詳細に説明した。さらに従来の油水分離法における課題を述べると、これまでに提案され実施されてきた方法では、機器数が多く複雑であり、設備費が高く、運転管理も難しい。特に、含油水（Produced water）は通常１２０〜１３０℃の高温であるため、従来の油水分離法では一度８５〜８０℃に熱交換器で減温する必要があるが、この熱交換器はファウリングトラブルのため頻繁に洗浄する必要があり、稼働率低下の一因であった。本発明の好ましい実施形態に係る装置及び方法によればかかる課題を解決することができる。
また、最近、油水分離のためセラミック膜を内圧式のクロスフローで適用することが検討されているが、この場合、ファウリング防止のため膜表面の線速度を高く維持する必要があり、処理水量の５倍程度の高流量での循環が求められる。これを克服しようとすれば極めて大きな循環ポンプと大口径のヘッダー配管が必要となり、設備コストだけでなく、電力消費量等の運転コストも大幅に上昇するという問題があり、場合により実用化の障害となる。さらに、クロスフローろ過の場合、循環水中で濃縮が起こる。例えば、ブローダウン量を５％とすれば循環流路内の油濃度は２０倍となり、具体的に供給液の油分が１，０００ｐｐｍなら、循環液中の油分は２０，０００ｐｐｍとなる。透過液中の油分濃度を目標値である１０ｐｐｍ以下にすることが難しくなることも想定される。本発明の好ましい実施形態によれば、上記のようなろ過装置系内の過剰濃縮も起こらず、油濃度を極めて低く抑えた処理水の供給にも、過剰な設備や運転コストの増大を招かず好適に対応することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１ オイルサンド層（Oil sand layer）
２ フリー・ウオーター・ノックアウト（Free water Knockout）
３ トリーター（Treater）
４ オイル貯蔵タンク（Oil storage tank）
５ スキムタンク（Skim tank）
６ インデュース・ガス・フローテーション（Induced gas floatation）
７ オイルリムーバルフィルタ（Oil removal filter）
８ デオイルド・ウオーター・タンク（De-oiled water tank）
９ ライムソフナー（Lime softener）
１１ ウイーク・アシッド・カチオン・ソフナー（Weak acid cation softener）
１２ エバポレータ（Evaporator）
１３ ボイラー・フィード・ウオーター・タンク（Boiler feed water tank）
１４ メカニカル・ベーパー・コンプレッション・ユニット
（Mechanical vapor compression unit）
１５ 油水分離ユニット−デオイリング・ドラム（De-oiling drum）
１５ａ 導入配管
１５ｂ 排液配管
１５ｃ 隔壁
１５ｄ 先端出口
１５ｅ 容器
１６ 気泡発生手段（細孔配設管）
１７ ろ過膜吸引管
１８ ガス供給手段
１９ ガス循環路
２０Ａ ビチュメン混合流体
２０Ｂ 含油水
２０Ｃ ボイラ供給水
２０Ｄ 処理水
２０Ｅ ろ過排水
５１ 冷却器
５２ ポンプ
５３ 気泡
５４ 油分
５５ 容器内のガス
５６ 循環ブロア
６０ ろ過膜モジュール
６１ 円筒状ろ過膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水に含まれる油分を除去する油水分離装置であって、前記加温含油水を導入する容器と、該容器内に組み込まれ前記加温含油水に浸漬させた状態でろ過を行う浸漬ろ過膜と、該ろ過膜に向け気泡を供給する気泡発生手段とを有することを特徴とする油水分離装置。
【請求項２】
前記容器内の加温含油水に含まれる溶解しているガスを減圧することで発泡させる容器内圧力の調節手段を具備し、その発泡により生じた気泡を前記ろ過膜に向け供給する気泡として利用する請求項１に記載の油水分離装置。
【請求項３】
前記容器が内部に隔壁を具備し、該隔壁を越えた油分濃度の高い過剰液を前記加温ビチュメン混合流体と合流するように戻す返戻手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の油水分離装置。
【請求項４】
前記容器が、前記加温含油水の温度を６０〜２００℃に維持し、かつ前記容器内の圧力を0〜10ｋｇ／ｃｍ２Ｇに維持することができることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の油水分離装置。
【請求項５】
前記容器内のガスを前記気泡を発生するガスとして再利用するガス循環手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の油水分離装置。
【請求項６】
前記浸漬ろ過膜が円筒形状あるいは平膜形状であり、ろ過膜の外表面は前記気泡によって浄化される請求項１〜５のいずれか１項に記載の油水分離装置。
【請求項７】
前記油層内回収法がＳＡＧＤ法又はＣＳＳ法であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の油水分離装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の油水分離装置と、該装置の前記容器から取り出したろ過後の処理水を蒸留するエバポレータと、該蒸留水をビチュメンの回収に用いる水蒸気にするドラム式ボイラとを組み合わせた油層内回収法の水再利用システム。
【請求項９】
オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水を浸漬式のろ過膜を内部に組み込んだ容器内に導入し、前記加温含油水で前記ろ過膜を浸漬した状態で前記加温含油水がろ過膜を通過するように移行させるとともに、前記ろ過膜に向け気泡を供給することを特徴とする油水分離方法。
【請求項１０】
前記容器内の圧力を調節し前記加温含油水に含まれる成分を液中で発泡させ、前記ろ過膜に向けて供給する気泡とすることを特徴とする請求項９に記載の油水分離方法。
【請求項１１】
前記容器内の加温含油水の温度を６０〜２００℃に維持してろ過することを特徴とする請求項９又は１０に記載の油水分離方法。
【請求項１２】
前記容器内を０〜１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇに維持してろ過することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の油水分離方法。
【請求項１３】
前記加温含油水の処理により、該処理後の処理水中の油分濃度を５ｍｇ／Ｌ以下とすることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の油水分離方法。
【請求項１４】
前記容器内で該容器内に設置した隔壁を越えた加温含油水を回収して返戻し、処理前のビチュメン混合流体と合流させる請求項９〜１３のいずれか１項に記載の油水分離方法。
【請求項１５】
前記油層内回収法がＳＡＧＤ法又はＣＳＳ法であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の油水分離方法。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれか１項に記載の油水分離方法で前記ろ過膜により処理された処理水をエバポレータにより蒸留し、該蒸留水をドラム式ボイラにより水蒸気としてビチュメンの地中からの回収のために再度用いることを特徴とするビチュメン生産の油層内回収法における水再利用方法。
【請求項１】
オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水に含まれる油分を除去する油水分離装置であって、前記加温含油水を導入する容器と、該容器内に組み込まれ前記加温含油水に浸漬させた状態でろ過を行う浸漬ろ過膜と、該ろ過膜に向け気泡を供給する気泡発生手段とを有することを特徴とする油水分離装置。
【請求項２】
前記容器内の加温含油水に含まれる溶解しているガスを減圧することで発泡させる容器内圧力の調節手段を具備し、その発泡により生じた気泡を前記ろ過膜に向け供給する気泡として利用する請求項１に記載の油水分離装置。
【請求項３】
前記容器が内部に隔壁を具備し、該隔壁を越えた油分濃度の高い過剰液を前記加温ビチュメン混合流体と合流するように戻す返戻手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の油水分離装置。
【請求項４】
前記容器が、前記加温含油水の温度を６０〜２００℃に維持し、かつ前記容器内の圧力を0〜10ｋｇ／ｃｍ２Ｇに維持することができることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の油水分離装置。
【請求項５】
前記容器内のガスを前記気泡を発生するガスとして再利用するガス循環手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の油水分離装置。
【請求項６】
前記浸漬ろ過膜が円筒形状あるいは平膜形状であり、ろ過膜の外表面は前記気泡によって浄化される請求項１〜５のいずれか１項に記載の油水分離装置。
【請求項７】
前記油層内回収法がＳＡＧＤ法又はＣＳＳ法であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の油水分離装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の油水分離装置と、該装置の前記容器から取り出したろ過後の処理水を蒸留するエバポレータと、該蒸留水をビチュメンの回収に用いる水蒸気にするドラム式ボイラとを組み合わせた油層内回収法の水再利用システム。
【請求項９】
オイルサンドからビチュメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチュメン混合流体からビチュメンを取り出し、前記混合流体から分離された加温含油水を浸漬式のろ過膜を内部に組み込んだ容器内に導入し、前記加温含油水で前記ろ過膜を浸漬した状態で前記加温含油水がろ過膜を通過するように移行させるとともに、前記ろ過膜に向け気泡を供給することを特徴とする油水分離方法。
【請求項１０】
前記容器内の圧力を調節し前記加温含油水に含まれる成分を液中で発泡させ、前記ろ過膜に向けて供給する気泡とすることを特徴とする請求項９に記載の油水分離方法。
【請求項１１】
前記容器内の加温含油水の温度を６０〜２００℃に維持してろ過することを特徴とする請求項９又は１０に記載の油水分離方法。
【請求項１２】
前記容器内を０〜１０ｋｇ／ｃｍ２Ｇに維持してろ過することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の油水分離方法。
【請求項１３】
前記加温含油水の処理により、該処理後の処理水中の油分濃度を５ｍｇ／Ｌ以下とすることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の油水分離方法。
【請求項１４】
前記容器内で該容器内に設置した隔壁を越えた加温含油水を回収して返戻し、処理前のビチュメン混合流体と合流させる請求項９〜１３のいずれか１項に記載の油水分離方法。
【請求項１５】
前記油層内回収法がＳＡＧＤ法又はＣＳＳ法であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の油水分離方法。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれか１項に記載の油水分離方法で前記ろ過膜により処理された処理水をエバポレータにより蒸留し、該蒸留水をドラム式ボイラにより水蒸気としてビチュメンの地中からの回収のために再度用いることを特徴とするビチュメン生産の油層内回収法における水再利用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−８４６７６（Ｐ２０１１−８４６７６Ａ）
【公開日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３９８５７（Ｐ２００９−２３９８５７）
【出願日】平成２１年１０月１６日（２００９．１０．１６）
【出願人】（０００２２２１７４）東洋エンジニアリング株式会社 (69)
【出願人】（５９９１０９９０６）住友電工ファインポリマー株式会社 (203)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月１６日（２００９．１０．１６）
【出願人】（０００２２２１７４）東洋エンジニアリング株式会社 (69)
【出願人】（５９９１０９９０６）住友電工ファインポリマー株式会社 (203)
【Ｆターム（参考）】
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