液化炭酸ガスの地中送り込み方法及びその地中送り込み装置
【課題】液化炭酸ガスを深部帯水層に効率よく浸透させ、また拡散させることができる地中送り込み方法及びその地中送り込み装置を提供する。
【解決手段】本発明による液化炭酸ガスの地中送り込み方法は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げて注入水をつくる段階と、注入水に脈動水圧を加える段階と、脈動水圧が加えられた注入水を注入井から深部帯水層に送り込む段階と、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む段階と、注入井内において、液化炭酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し二液混合流体を生成する段階と、を含む。
【解決手段】本発明による液化炭酸ガスの地中送り込み方法は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げて注入水をつくる段階と、注入水に脈動水圧を加える段階と、脈動水圧が加えられた注入水を注入井から深部帯水層に送り込む段階と、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む段階と、注入井内において、液化炭酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し二液混合流体を生成する段階と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化炭酸ガスを注入井内で微細液滴化して注入水に混合し、これを深部帯水層に効率よく注入する地中送り込み方法及び地中送り込み装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の地中貯留は、温室ガス削減の有力な手法として米国やＥＵでの取り組みが進んでいる。温室効果ガスには、二酸化炭素、メタン、代替フロンなどがあるが、一般には９割以上が二酸化炭素である。二酸化炭素を深部帯水層に気体や超臨界流体の状態で大量に注入すると、固まり状態（プリューム）になりやすく、浸透性や拡散性に問題がある。気体や超臨界流体の二酸化炭素は水より軽いから、地上側に漏れ出てくる心配がある。二酸化炭素の発生量は極めて大量なので、二酸化炭素を効率よく処理でき、地中での浸透性や拡散性がよく、一般の地質環境でも地中で安全確実に固定される処理方法が望まれている。
【０００３】
特許文献１の「ガス液化沈降装置」には、高圧をかけて液化した二酸化炭素と海水を交互に圧送し深海に送り込むことが記載されている。特許文献２の「深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法」には、液化炭酸ガスが海水より重いことを利用して、液泡にして浅い海中に放出し、平衡状態を保って深海に送り込むことが記載されている。しかし、いずれも海中であり、地中貯留の場合に生じる浸透性や拡散性についての記載はない。
【特許文献１】特開２０００−２２７０８５号公報
【特許文献２】特開平１１−２２８１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、液化炭酸ガスを深部帯水層に効率よく浸透させ、また拡散させることができる液化炭酸ガスの地中送り込み方法及びその地中送り込み装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明による請求項１に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み方法は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げて注入水をつくる段階と、前記注入水に脈動水圧を加える段階と、脈動水圧が加えられた前記注入水を注入井から深部帯水層に送り込む段階と、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って前記注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む段階と、前記注入井内において、前記液化炭酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し二液混合流体を生成する段階と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
請求項２は、請求項１記載の発明であって、前記注入井に送り込む前記液化炭酸ガスに、低周波の脈動液圧を加える段階がさらに設けられることを特徴とする。
【０００７】
請求項３は、請求項１記載の発明であって、前記注入水の水温を調整する段階が、さらに設けられることを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項４に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げる汲み上げ装置と、前記注入水を注入井から前記深部帯水層に送り込む注入水圧入装置と、前記注入水圧入装置と前記注入井の間に設けられ、前記注入水に脈動水圧を加える注入水用の低周波脈動発生装置と、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って前記注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む液化炭酸ガス圧入装置と、前記注入井内に設けられ、前記注入井に送り込まれた液化炭酸ガスが微細液滴化され、前記注入水に混合されて二液混合流体を生成する微細液滴化装置と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項５は、請求項４記載の発明であって、前記微細液滴化装置は、前記注入水が送り込まれるケーシング管と、前記ケーシング管に挿入され前記液化炭酸ガスが送り込まれる挿入管と、前記挿入管の下端に取り付けられ、側面に前記液化炭酸ガスを斜め下方に噴射する複数の噴射管を有する回転可能な筒体と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項６は、請求項５記載の発明であって、前記筒体の内部に、前記液化炭酸ガスの吐出流で回転する回転翼が設けられることを特徴とする。
【００１１】
請求項７は、請求項５記載の発明であって、前記筒体の下部に、前記筒体を回転させる水中モータが設けられることを特徴とする。
【００１２】
請求項８は、請求項４記載の発明であって、前記液化炭酸ガス圧入装置と前記注入井の間に、前記液化炭酸ガスに脈動水圧を加える液化炭酸ガス用の低周波脈動発生装置がさらに設けられることを特徴とする。
【００１３】
請求項９は、請求項４記載の発明であって、前記貯水タンクと前記注入水圧入装置との間に、注入水の水温を調整する温度調整装置が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による請求項１の液化炭酸ガスの地中送り込み方法によれば、（１）深部帯水層から汲み上げた地下水に、液化炭酸ガスを微細液滴化して注入するので深部帯水層に広範囲に拡散できる。深部帯水層での圧力と温度の条件により液滴から気泡への相変化が起きても微細な気泡の浮力は小さく、地層内を上昇して大きな固まり（プリューム）状態にはならない。（２）また、二酸化炭素の微細液滴は、土粒子の隙間に入り込みやすいので容易に地中に固定することができる。（３）注入水に低周波の脈動を与えたので、注入井周辺の地層の隙間を規則的に振動させるとともに、注入水と微細液滴の併進運動が活発化され微細液滴の見かけ上の流動性が改善される。（４）二酸化炭素の液滴密度は気泡密度の数百倍も大きいので、つまり体積が小さいので、地層への微細液滴の注入は、微細気泡の注入に比べて貯留効率が良い。（５）液化炭酸ガスの微細液滴化を注入井の内部で行なうので、施設が大型化せず、注入井内の水深相当の自然の静水圧が利用できる。
【００１５】
本発明の請求項２によれば、注入井に送り込む液化炭酸ガスに、低周波の脈動を加える段階を設けたので、流動性が与えられ液化炭酸ガスの噴射が容易となる。混入率（一定の体積に占める微細液滴の容積率）を大きくでき、微細液滴を効率よく生成できる。
【００１６】
本発明の請求項３によれば、注入水の水温を調整する段階を設けたので、二酸化炭素の液化状態を保つ圧力を低くできる。すなわちポンプの負担を軽減することができる。なお、液化炭酸ガスは、液化炭酸ガス注入装置から液相のままで３０℃以下および７ＭＰａ以上に保ち挿入管に送り込むことが望ましい。注入水は３０℃以下の一定水温に調整した地下水を使用し、微細液滴化装置は７ＭＰａ以上となる水深位置に設置する。そのため挿入管の長さは７００ｍ以上となる。
【００１７】
本発明による請求項４の液化炭酸ガスの地中送り込み装置によれば、請求項１の効果と同じ効果を得ることができる。
【００１８】
本発明の請求項５によれば、挿入管の下端に微細液滴化装置を取り付けたから、圧入井内で、液化炭酸ガスの微細液滴と注入水を混合した二液混合流体を生成することができる。すなわち、液化炭酸ガスを回転する筒体の複数の噴射管から噴射して効率よく微細液滴を作ることができる。
【００１９】
本発明の請求項６によれば、微細液滴化装置の筒体の内部に、液化炭酸ガスの吐出流で回転する回転翼を設けたので、液化炭酸ガスを筒体の内部で自力旋回させることができる。また、筒体は噴射管から液化炭酸ガスを噴出する反力で自力回転される。噴射管は注入水の流速が速い箇所にあるから、流速が速ければ圧力はその分低くなり、注入水の水圧と液化炭酸ガス圧入装置による液化炭酸ガスの液圧との圧力差が大きくなり液化炭酸ガスの噴射が促進される。これらにより、微細液滴を効率よく生成できる。
【００２０】
本発明の請求項７によれば、微細液滴化装置の筒体の直下に水中モータを設けたので、筒体を高速回転させることができる。水中モータへの給電は地上側から行う。筒体を高速回転させて、噴射管から液化炭酸ガスを噴射するので、微細液滴をより多く生成できる。
【００２１】
本発明の請求項８によれば、液化炭酸ガスに低周波脈動発生装置で脈動を加えたので、流動性が与えられ、液化炭酸ガスの噴射が容易となる。これにより微細液滴を効率よく生成できる。
【００２２】
本発明の請求項９によれば、注入水の温度調整装置を設けたので請求項３の効果と同様の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明による液化炭酸ガスの地中貯留方法及びその地中貯留システムを説明する。
【実施例】
【００２４】
図１は本発明による液化炭酸ガスの微細液滴化による地中貯留システムの構成図である。液化炭酸ガスの微細液滴化による地中送り込み装置１００は、深部帯水層５１に達する揚水井２１から地下水５３を汲み上げる汲み上げ装置１と、汲み上げた地下水５３を２０〜２５℃範囲の一定温度に調整する温度調整装置２と、深部帯水層５１に到る注入井２２に、汲み上げた地下水５３を注入水５４として送り込む注入水圧入装置３と、注入水圧入装置３と注入井２２の間に設けられ、注入水５４に脈動を加える注入水用の低周波脈動圧発生装置４と、外部のプラント施設３０の排気ガスや化学反応プロセスにおける成分分離工程のガスなどから分離回収した高純度の二酸化炭素を液化炭酸ガス５５として注入井２２に送り込む液化炭酸ガス圧入装置５と、注入井２２内での注入水の静止水圧が７ＭＰａ以上となる水深位置に設けられ、液化炭酸ガス５５を微細液滴化し、注入水５４に混合して二液混合流体５６を生成する微細液滴化装置６ａあるいは６ｂと、を備える。
【００２５】
深部帯水層５１は、細かい砂層からなり水資源には向かない塩水で飽和された層のことである。液化炭酸ガスは、７００〜１５００ｍの深度を対象に注入する。液化炭酸ガス５５は、密度がほぼ水と同じ液体であり、注入井２２での注入水の深度７００ｍ以深において微細液滴化され一部は注入水５４に溶け、その他の多くは解けずに液滴のまま二液混合流体５６となり、深部帯水層５１に注入される。プラント施設３０としては、火力発電所、ごみ焼却施設、石油精製施設、セメント製造施設、化学プラント施設などがあげられる。なお、地表面５２から深部帯水層５１にいたるまでには多数の地層があるが、図示は省略している。
【００２６】
一般的な深部帯水層５１の圧力と温度のもとでは、水１ｍ３（重さ１０００ｋｇ）に対して二酸化炭素４０〜６０ｋｇを溶解させることができる。二酸化炭素は、液滴化せずに超臨界流体として注入する場合は、浮力の影響で上昇して固まり（プリュ−ム）となりやすいが、液化炭酸ガス５５を微細液滴化して注入水５４に混合すれば、固まりにならずに深部帯水層５１に広く浸透、拡散させることができる。微細液滴３４は、地下水５３との接触面積が格段に大きいので、浸透拡散後に圧力と温度条件により気相に変化した微細気泡の二酸化炭素の溶解速度は、気体や超臨界流体の固まりとして地中に存在している場合より数１００〜数１０００倍も早い。加えて、微細液滴３４が土粒子の隙間に入り込むことで、二酸化炭素が固定されるから、シール層や不透水層が上方に存在しない深部帯水層でも有効である。
【００２７】
ここで二酸化炭素の固定は、つぎのようなプロセスでおきる。微細液滴状の二酸化炭素は、岩石鉱物の表面に吸着される場合や、毛細管効果により岩石中の残留液滴としてトラップされるが、圧力と温度の条件変化により微細気泡になった二酸化炭素は、周囲の地下水に溶解しやすい。溶解した二酸化炭素は地下水中に豊富に含まれる各種イオンや周囲の鉱物と反応し、例えば、２ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ＋ＣａＳｉＯ３→Ｃａ２＋＋２ＨＣＯ３−＋Ｈ４ＳｉＯ４ （１）式のようにイオン化して、地下水中でより安定化する。さらに、Ｃａ２＋＋２ＨＣＯ３− →ＣａＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （２）式という反応が起こり、ＣＯ２の半分は（１）式に戻るが、ＣａＣＯ３は炭酸塩化合物であるから、二酸化炭素はほぼ永久的に固定化される。
【００２８】
汲み上げ装置１は内管７と外管８からなる二重管９の揚水井２１、揚水ポンプ１０、ジェット吸引部１２、貯水タンク１３などからなる。地下水５３を汲み上げるため、揚水ポンプ１０で加圧水６０を内管７に送り込み、ジェット吸引部１２で地下水５３を汲み上げ、注入水５４として貯水タンク１３に蓄える。ジェット吸引部１２は、加圧水６０の流速を早めて負圧を作り出し、地下水５３を吸い込むものである。揚水ポンプ１０に投入する水は、貯水タンク１３に蓄えられた地下水５３を循環して利用するようにしてもよい。
【００２９】
深部帯水層５１から汲み上げた地下水５３は、かん水と呼ばれ注入水として好ましい。かん水は電解質イオンを多く含み、海水の三分の一以上の塩分濃度があり、生活に利用できないので地域の理解を得やすい。かん水のある帯水層は新生代の第三〜四紀の堆積盆の地質構造に広く分布する。液化炭酸ガスの相互溶解度（液体が液体に溶解する場合の溶解度を相互溶解度という）は小さいが、かん水は電解質イオンがその濃度に比例して液化炭酸ガスの相互溶解度をさらに低下させる（Ｓａｌｔｉｎｇ ｏｕｔ現象）から、微細液滴３４の逸散を防止して微細な液滴を高密度に生成できる。
【００３０】
温度調整装置２は、貯水タンク１３と注入水圧入装置３の間に設けられ、汲み上げた３０℃以上の地下水５３の水温を２０〜２５℃範囲の一定水温にする装置である。３０℃以上の注入水５４を注入井２２に送り込むと、微細液滴化装置６ａあるいは６ｂにより生成された微細液滴３４は液相から気相に変化しやすく、注入水５４の水温管理は重要である。温度調整装置２は、汲み上げた３０℃以上の地下水の熱エネルギーを利用したヒートポンプにより地下水を冷却して２０〜２５℃範囲の一定水温の注入水をつくる。また、少なくとも温度調整装置２から注入井２２までの注入水の配管については、夏季や冬季における配管温度の変化を抑えるための地中埋設や保温材付き等の対策を講ずることが好ましい。
【００３１】
注入水圧入装置３は、注入井２２に注入水５４を送り込むための圧入ポンプ１４、圧力流量調整弁１５などからなる。圧力流量調整弁１５は、圧入ポンプ１４の注入水５４の圧入の抵抗が一定値を超えるような場合に、弁を開いて注入水５４を貯水タンク１３に戻すものである。揚水井２１と注入井２２の間の距離は、通常５００〜１ｋｍ程度は離れているので、貯水タンク１３とは別にパイプラインで結んだ貯水タンクを設け、注入水圧入装置２に組み入れてもよい。
【００３２】
注入水用の低周波数脈動圧発生装置４は、駆動部１６、脈動発生器１７からなる。駆動部１６は、脈動の周波数、圧力振幅を指定することができる。脈動は低周波を用い、具体的には０．５Ｈｚ〜３０Ｈａである。脈動は低周波なので注入井２２の底部まで伝わる。脈動は、地層内における二液混合流体５６の流動性を高める。静的な圧力だけで圧入する場合よりも注入効率がよい。
【００３３】
プラント施設３０は、一例として燃焼炉１８の排気ガスに含まれる二酸化炭素の分離回収装置１９を含む。化学吸収法によれば、二酸化炭素の濃度を９９％以上に濃縮することができる。分離回収した二酸化炭素を液化炭酸ガスとして一時的に蓄えるタンクを設けてもよい。
【００３４】
液化炭酸ガス圧入装置５は、液化炭酸ガス貯蔵タンク２４及びコンプレッサ２３などで構成される。なお、図示しないが、圧力調整弁、流量計、圧力計が取り付けられる。プラント施設３０と注入井２２が近い場合は、二酸化炭素をパイプラインで貯蔵タンク２４に送ることが出来る。遠い場合は、タンクローリ２０で輸送してもよい。タンクローリ２０で二酸化炭素を運ぶ場合、高圧低温状態での液化炭酸ガスとして運搬される。
【００３５】
液化炭酸ガス５５の注入作業を開始する場合、液化炭酸ガス５５が相変化を起こさないように、コンプレッサ２３を介して７ＭＰａを連続的に維持しながら、挿入管２７に液化炭酸ガス５５を送り出す作業を続ける必要がある。したがって、液化炭酸ガス５５の注入作業の準備として、注入井２２の挿入管２７に液化炭酸ガス５５を送る配管経路をバルブで遮断状態にし、別経路の注水配管により挿入管を注入水５４で満たした後、注水配管を閉じ、挿入管２７へのバルブを開き、所定の高圧で液化炭酸ガス５５を送り込み、液化炭酸ガスの一時的な圧力低下を避ける対応をとる。挿入管２７中の注入水５４は、挿入管２７の内径にもよるが、液化炭酸ガス５５の液圧により数１０分程度で注入水はすべて微細液滴化装置６ａあるいは６ｂを通じて押し出された後に、所定の微細液滴化作業が開始できる。逆に、微細液滴化作業を長期間中断する際には、液化炭酸ガス５５を送り込む配管経路のバブルを閉めた後、挿入管２７中の液圧を大気圧まで下げながら別の配管経路で挿入管２７の液化炭酸ガス５５を気化させて二酸化炭素を回収する。
【００３６】
液化炭酸ガス用の低周波脈動圧発生装置４ａは、液化炭酸ガス５５に脈動圧を与えるものであり、液化炭酸ガス圧入装置５と注入井２２の間に設けられる。液化炭酸ガス５５の脈動化により、微細液滴化装置６ａ（あるいは６ｂ）からの液滴化が促進される。低周波脈動圧発生装置４ａは、駆動部１６、脈動発生器１７からなる。駆動部１６は、脈動の周期、圧力振幅を制御する。脈動は０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの低周波である。ここでの脈動は、液化炭酸ガス５５の流動性を高め、微細液滴化装置６ａあるいは６ｂからの噴射を促進する。
【００３７】
微細液滴化装置６ａ、６ｂは、挿入管２７の下端に取り付けられ、注入井２２内での注入水の静水圧が７ＭＰａ以上となる水深位置に設けられる。ケーシング管２６と挿入管２７の間に注入水５４が圧入され、挿入管２７には液化炭酸ガス５５が圧入される。微細液滴化装置６ａにより液滴が生成され、二液混合流体となって、ケーシング管２６の底部側面のスリット３５から、深部帯水層５１に送り込まれる。挿入管２７には振れ止め材４７が、ケーシング管には固定金具４が設けられる。
【００３８】
構成例１の微細液滴化装置６ａは、液化炭酸ガス５５の吐出流が筒体４０内壁に取り付けた回転翼４３を回し、噴射管４１から液化炭酸ガス５５が噴射される噴射反力で筒体４０を回転させる構造をもつ。微細液滴化装置６ａの回転速度は、筒体４０の側面に設ける噴射管数、噴射管口径、あるいは液化炭酸ガス５５の液圧により異なるが、１００〜１０００ｒｐｍ程度である。この回転速度のもとで生成される液滴の径分布は１ｍｍ〜０．０１ｍｍであり、若干大きめのミリ液滴が含まれる。しかしながら、７００〜１５００ｍの深部帯水層に液滴を注入する場合、ミリ液滴が圧力と温度の変化により気泡に変化しても、大きな気体の固まり状態となる挙動には至らず、深部帯水層５１内で安全に二酸化炭素を固定化することができる。
【００３９】
構成例２の微細液滴化装置６ｂは、水中モータ３１により微細液滴化装置６ｂが高速回転させる構造をもつ。微細液滴化装置６ｂの回転速度は、１０００〜３０００ｒｐｍ程度であり、高速回転により生成される液滴の径分布は０．０５ｍｍ〜０．０１ｍｍになる。均一で微細な液滴が生成されるので、例えば深部帯水層５１の水深が数十ｍしかない層でも有効である。
【００４０】
図１に示すように、微細液滴３４は、注入井２２底部のスリット３５に向かって移動する間に水圧が高くなり液滴内部の圧力も上昇する。深部帯水層５１の注入深度付近の高い地熱の影響を受け、温度と圧力が、例えば注入井２２内底部のスリット３５付近において、温度３１．１℃以上および７．３８２ＭＰａ以上になるとする。この場合、微細液滴３４は微細な超臨界流体粒へと相変化する。本発明は、このような微細な超臨界流体粒への相変化を含むものである。注入井２２の位置や注入深度は、深部帯水層５１のサイト条件（地質構造、圧力、温度）を踏まえて、液滴３４の相変化も考慮して決めることができる。
【００４１】
図２は、揚水井の二重管の断面図である。ジェット吸引部１２は、内管７からの加圧水６０の流速を早めるため逆漏斗型としている。逆漏斗型の内部は負圧となるので地下水５３が吸い込まれる。吸い込まれた地下水５３は、内管７と外管８の間を上昇する。
【００４２】
図３は、微細液滴化装置の断面図（構成例１）である。微細液滴化装置６ａは、筒体４０と、筒体４０上部の内壁に設けられた回転翼４３と、筒体４０の側部に、斜め下方に向けて突出する複数の噴射管４１を有する。筒体４０は例えば角筒にすることができる。角筒の場合、円筒に比較してより強力な旋回流を注入水５４に与えるので、液滴の一層の微細化を促すことができる。挿入管２７からの液化炭酸ガス５５は、三角錐４２で筒体４０の周囲に流し込まれ、流速により回転翼４３が回転し液化炭酸ガス５５を旋回させる。さらに、液化炭酸ガス５５が噴射管４１からケーシング管２６の内壁の下方に向かって噴射されるので、噴射反力によって筒体４０が回転する。噴射管４１を出た液化炭酸ガス５５は、液滴となって流速が速められた注入水５４に混合され、二液混合流体５６となる。なお、微細液滴化装置６ａが回転する際に挿入管２７の振れ変形を抑えるため、２か所において、振れ止め材４７を挿入管２７に取り付け、ケーシング管２６の内壁に溶接で取り付けた固定金具４８の穴に振れ止め材４７を差し込み固定する。
【００４３】
図４は、微細液滴化装置の断面図（構成例２）である。微細液滴化装置６ｂは、筒体４０と、筒体４０の側部に斜め下方に向けて突出する複数の噴射管４１を有する。筒体４０を角筒とすれば、注入水５４に円筒に比較してより強力な旋回流を与え、液滴の一層の微細化を促すことができる。微細液滴化装置６ｂは、筒体４０が直下に設置された水中モータ３１により高速回転する。水中モータ３１は地上側からの給電により駆動される。噴射管４１を出た液化炭酸ガス５５は、液滴となって流速が速められた注入水５５に混合され、二液混合流体５６となる。なお、挿入管２７下端に取り付けられた微細液滴化装置６ａが回転する際に挿入管２７の振れ変形を抑えるために、最下端の挿入管ロッドに１断面に２本の振れ止め材４７を取り付け、ケーシング管２６の内壁に溶接で取り付けた固定金具４８の穴に振れ止め材４７のフックを差し込み固定する。
【００４４】
二液混合流体５６では、気液混合流体のような気泡による閉塞は発生しない。二液混合流体５６の注入に用いる脈動化の目的は、送り込んだ地層の隙間空間を脈動させ、静的な注入の場合より広範囲に微細液滴３４を送り込めるようにして注入の効率化を図るためである。
【００４５】
図５は、低周波脈動発生装置３の構成図である。駆動部１６は、例としてモータ５７と油圧シリンダ５８で構成される。モータ５７が回転すると油圧シリンダ５８のピストンが動き、グラフＧ１に示すような一定周期の油圧がかかる。この油圧で脈動発生器１７のゴム管５９の径を伸縮させる。油圧の大きさは油圧シリンダ５８の出口に電磁弁を設けて圧力を逃がすことで制御できる。モータ５７の回転を１２００ｒｐｍとすれば、周期は１秒間に２０回（２０Ｈｚ）となる。グラフＧ２に示すように、圧入ポンプ１２を出た注入水５４の圧力は、脈動が加えられて、注入水５４はグラフＧ３に示すような圧力となる。なお、低周波脈動発生装置３の上流側に、高負荷状態で圧力が伝達されないように逆止弁が設けられてもよい。脈動の振幅は、例として、注入水５４の水圧をＰαとすると、脈動後の水圧Ｐαｄは、振幅の係数を０．５とし、（Ｐα−０．５Ｐα）＜Ｐαｄ＜（Ｐα＋０．５Ｐα）とすることができる。Ｐαは、１０ｋｇ／ｃｍ２〜３０ｋｇ／ｃｍ２が望ましい。また、通常の脈動の周波数は０．５〜３０Ｈｚとされる。できるかぎり広範囲にまで脈動波の透過力を強くするために、本システムでの脈動の周波数は、脈動波の透過力が強い１０Ｈｚ以下とした。
【００４６】
図６は、注入井での注入水と液化炭酸ガスの圧力関係図である。微細気泡化装置６ａ、６ｂの深度Ｌ１は、注入井２２に送られてきた液化炭酸ガス５５が相変化せずに液滴化するために、注入水５４の水圧が７ＭＰａ以上の深度に設ける。深度Ｌ１での注入水５４の水圧をＰ１とする。また、注入井２２の底部のスリット３５までの深度をＬ０とする。さらに、深度をＬ０での水圧をＰ０とする。二液混合流体５６の場合、気液混合流体のように微細気泡の影響による水圧減少分の加圧を考慮する必要がないので、注入水５４の注入圧力はＰαｄである。この圧力から圧入ポンプ１２の吐出圧が決められる。次に液化炭酸ガス５５は、Ｌ１での注入水５４の圧力がＰ１＋Ｐαｄとなるので、これより大きな値となるようＰ１＋Ｐαｄ＋Ｃとする。Ｃは約１０〜３０ｋｇ／ｃｍ２とした。
【００４７】
液化炭酸ガス５５を高圧状態で圧力変動がある注入水５４に微細液滴化装置６ａ、６ｂの噴射管４１から効率よく液化炭酸ガス５５を噴射させるために、液化炭酸ガス５５を脈動化させ、噴射管４１から噴射する液化炭酸ガス５５の流動性を高める効果を狙う。
【００４８】
液化炭酸ガス５５の脈動化は、コンプレッサ２３と注入井２２の間に設けた液化炭酸ガス用の低周波脈動発生装置４ａにて脈動の周期、大きさを制御する。液化炭酸ガス５５の脈動化の圧力をＣｄとすれば、Ｐ１＋Ｐαｄｍａｘ＋Ｃｄであり、７ＭＰａ＜Ｐ１＋Ｐαｄｍａｘ＜Ｐ１＋Ｐαｄｍａｘ＋Ｃｄの関係式が成り立つようにする。Ｐαｄｍａｘは注入水の脈動の最大圧であり、Ｐαｄｍａｘ＜Ｐα＋０．５Ｐαになる。液化炭酸ガス５５を噴射しやすくするために脈動の周波数を０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚとし、脈動の大きさ（振幅）の上限値を０．５Ｐαと設定すれば、（Ｃｄ−０．５Ｃｄ）＜Ｃｄ＜（Ｃｄ＋０．５Ｃｄ）になる。深度Ｌ１にもよるが、ここでＣｄは１０〜３０ｋｇ／ｃｍ２とする。
【００４９】
図７は、液化炭酸ガスの地中送り込み方法の処理手順を示すフローチャートである。Ｓ７０は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上の貯水タンクに汲み上げて注入水をつくる段階である。Ｓ７１は、注入水に脈動水圧を加える段階である。Ｓ７２は、脈動水圧が加えられた注入水を注入井から深部帯水層に送り込む段階である。Ｓ７３は、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液体状態を保てる圧力で注入井に送り込む段階である。Ｓ７４は、注入井内において、液化炭酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し二液混合流体を生成する段階である。Ｓ７５は、注入水の水温を調整する段階である。水温が高い場合水温が調整される。Ｓ７６は、液化炭酸ガスに脈動を加える段階である。注入状況をセンサで観測し必要な場合は液化炭酸ガスに脈動が加えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明による液化炭酸ガスの地中送り込み方法及びその地中送り込み装置は、液化炭酸ガスを微細液滴化して注入水に混合するので、二酸化炭素の地中貯留に好適である。また、二酸化炭素を圧入して原油を取り出すＥＯＲ（原油増進回収法）や天然ガスを取り出すＥＧＲ（天然ガス増進回収法）にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】液化炭酸ガスの地中送り込み装置の構成図である。（実施例１）
【図２】揚水井の二重管の断面図である。（実施例１）
【図３】微細液滴化装置の断面図である。（実施例１の構成例１）
【図４】微細液滴化装置の断面図である。（実施例１の構成例２）
【図５】低周波脈動発生装置の構成図である（実施例１）
【図６】圧力井での圧力の関係図である。（実施例１）
【図７】液化炭酸ガスの地中送り込み方法の処理手順を示すフローチャートである。（実施例１）
【符号の説明】
【００５２】
１ 汲み上げ装置
２ 温度調整装置
３ 注入水圧入装置
４ 注入水用の低周波脈動圧発生装置
４ａ 液化炭酸ガス用の低周波脈動圧発生装置
５ 液化炭酸ガス圧入装置
６ａ 微細液滴化装置
６ｂ 微細液滴化装置
７ 内管
８ 外管
９ 二重管
１０ 揚水ポンプ
１２ ジェット吸引部
１３ 貯水タンク
１４ 圧入ポンプ
１５ 圧力流量調整弁
１６ 駆動部
１７ 脈動発生器
１８ 燃焼炉
１９ 分離回収装置
２０ タンクローリ
２１ 揚水井
２２ 注入井
２３ コンプレッサ
２４ 液化炭酸ガス貯蔵タンク
２６ ケーシング管
２７ 挿入管
３０ プラント施設
３１ 水中モータ
３４ 微細液滴
３５ スリット
４０ 筒体
４１ 噴射管
４２ 三角錐
４３ 回転翼
４７ 振れ止め材
４８ 固定金具
５１ 深部帯水層
５２ 地表面
５３ 地下水
５４ 注入水
５５ 液化炭酸ガス
５６ 二液混合流体
５７ モータ
５８ 油圧シリンダ
５９ ゴム管
６０ 加圧水
１００ 液化炭酸ガスの地中送り込み装置
Ｓ７０〜Ｓ７８ 液化炭酸ガスの各処理段階
Ｌ０、Ｌ１ 深度
Ｐ０ 深度Ｌ０での水圧
Ｐ１ 深度Ｌ１での水圧
Ｐα 注入水の水圧
Ｐαｄ 注入水の脈動後の水圧
Ｐαｄｍａｘ 注入水の脈動の最大圧
Ｃ、Ｃｄ 定数（圧力）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化炭酸ガスを注入井内で微細液滴化して注入水に混合し、これを深部帯水層に効率よく注入する地中送り込み方法及び地中送り込み装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の地中貯留は、温室ガス削減の有力な手法として米国やＥＵでの取り組みが進んでいる。温室効果ガスには、二酸化炭素、メタン、代替フロンなどがあるが、一般には９割以上が二酸化炭素である。二酸化炭素を深部帯水層に気体や超臨界流体の状態で大量に注入すると、固まり状態（プリューム）になりやすく、浸透性や拡散性に問題がある。気体や超臨界流体の二酸化炭素は水より軽いから、地上側に漏れ出てくる心配がある。二酸化炭素の発生量は極めて大量なので、二酸化炭素を効率よく処理でき、地中での浸透性や拡散性がよく、一般の地質環境でも地中で安全確実に固定される処理方法が望まれている。
【０００３】
特許文献１の「ガス液化沈降装置」には、高圧をかけて液化した二酸化炭素と海水を交互に圧送し深海に送り込むことが記載されている。特許文献２の「深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法」には、液化炭酸ガスが海水より重いことを利用して、液泡にして浅い海中に放出し、平衡状態を保って深海に送り込むことが記載されている。しかし、いずれも海中であり、地中貯留の場合に生じる浸透性や拡散性についての記載はない。
【特許文献１】特開２０００−２２７０８５号公報
【特許文献２】特開平１１−２２８１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、液化炭酸ガスを深部帯水層に効率よく浸透させ、また拡散させることができる液化炭酸ガスの地中送り込み方法及びその地中送り込み装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明による請求項１に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み方法は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げて注入水をつくる段階と、前記注入水に脈動水圧を加える段階と、脈動水圧が加えられた前記注入水を注入井から深部帯水層に送り込む段階と、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って前記注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む段階と、前記注入井内において、前記液化炭酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し二液混合流体を生成する段階と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
請求項２は、請求項１記載の発明であって、前記注入井に送り込む前記液化炭酸ガスに、低周波の脈動液圧を加える段階がさらに設けられることを特徴とする。
【０００７】
請求項３は、請求項１記載の発明であって、前記注入水の水温を調整する段階が、さらに設けられることを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項４に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げる汲み上げ装置と、前記注入水を注入井から前記深部帯水層に送り込む注入水圧入装置と、前記注入水圧入装置と前記注入井の間に設けられ、前記注入水に脈動水圧を加える注入水用の低周波脈動発生装置と、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って前記注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む液化炭酸ガス圧入装置と、前記注入井内に設けられ、前記注入井に送り込まれた液化炭酸ガスが微細液滴化され、前記注入水に混合されて二液混合流体を生成する微細液滴化装置と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項５は、請求項４記載の発明であって、前記微細液滴化装置は、前記注入水が送り込まれるケーシング管と、前記ケーシング管に挿入され前記液化炭酸ガスが送り込まれる挿入管と、前記挿入管の下端に取り付けられ、側面に前記液化炭酸ガスを斜め下方に噴射する複数の噴射管を有する回転可能な筒体と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項６は、請求項５記載の発明であって、前記筒体の内部に、前記液化炭酸ガスの吐出流で回転する回転翼が設けられることを特徴とする。
【００１１】
請求項７は、請求項５記載の発明であって、前記筒体の下部に、前記筒体を回転させる水中モータが設けられることを特徴とする。
【００１２】
請求項８は、請求項４記載の発明であって、前記液化炭酸ガス圧入装置と前記注入井の間に、前記液化炭酸ガスに脈動水圧を加える液化炭酸ガス用の低周波脈動発生装置がさらに設けられることを特徴とする。
【００１３】
請求項９は、請求項４記載の発明であって、前記貯水タンクと前記注入水圧入装置との間に、注入水の水温を調整する温度調整装置が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による請求項１の液化炭酸ガスの地中送り込み方法によれば、（１）深部帯水層から汲み上げた地下水に、液化炭酸ガスを微細液滴化して注入するので深部帯水層に広範囲に拡散できる。深部帯水層での圧力と温度の条件により液滴から気泡への相変化が起きても微細な気泡の浮力は小さく、地層内を上昇して大きな固まり（プリューム）状態にはならない。（２）また、二酸化炭素の微細液滴は、土粒子の隙間に入り込みやすいので容易に地中に固定することができる。（３）注入水に低周波の脈動を与えたので、注入井周辺の地層の隙間を規則的に振動させるとともに、注入水と微細液滴の併進運動が活発化され微細液滴の見かけ上の流動性が改善される。（４）二酸化炭素の液滴密度は気泡密度の数百倍も大きいので、つまり体積が小さいので、地層への微細液滴の注入は、微細気泡の注入に比べて貯留効率が良い。（５）液化炭酸ガスの微細液滴化を注入井の内部で行なうので、施設が大型化せず、注入井内の水深相当の自然の静水圧が利用できる。
【００１５】
本発明の請求項２によれば、注入井に送り込む液化炭酸ガスに、低周波の脈動を加える段階を設けたので、流動性が与えられ液化炭酸ガスの噴射が容易となる。混入率（一定の体積に占める微細液滴の容積率）を大きくでき、微細液滴を効率よく生成できる。
【００１６】
本発明の請求項３によれば、注入水の水温を調整する段階を設けたので、二酸化炭素の液化状態を保つ圧力を低くできる。すなわちポンプの負担を軽減することができる。なお、液化炭酸ガスは、液化炭酸ガス注入装置から液相のままで３０℃以下および７ＭＰａ以上に保ち挿入管に送り込むことが望ましい。注入水は３０℃以下の一定水温に調整した地下水を使用し、微細液滴化装置は７ＭＰａ以上となる水深位置に設置する。そのため挿入管の長さは７００ｍ以上となる。
【００１７】
本発明による請求項４の液化炭酸ガスの地中送り込み装置によれば、請求項１の効果と同じ効果を得ることができる。
【００１８】
本発明の請求項５によれば、挿入管の下端に微細液滴化装置を取り付けたから、圧入井内で、液化炭酸ガスの微細液滴と注入水を混合した二液混合流体を生成することができる。すなわち、液化炭酸ガスを回転する筒体の複数の噴射管から噴射して効率よく微細液滴を作ることができる。
【００１９】
本発明の請求項６によれば、微細液滴化装置の筒体の内部に、液化炭酸ガスの吐出流で回転する回転翼を設けたので、液化炭酸ガスを筒体の内部で自力旋回させることができる。また、筒体は噴射管から液化炭酸ガスを噴出する反力で自力回転される。噴射管は注入水の流速が速い箇所にあるから、流速が速ければ圧力はその分低くなり、注入水の水圧と液化炭酸ガス圧入装置による液化炭酸ガスの液圧との圧力差が大きくなり液化炭酸ガスの噴射が促進される。これらにより、微細液滴を効率よく生成できる。
【００２０】
本発明の請求項７によれば、微細液滴化装置の筒体の直下に水中モータを設けたので、筒体を高速回転させることができる。水中モータへの給電は地上側から行う。筒体を高速回転させて、噴射管から液化炭酸ガスを噴射するので、微細液滴をより多く生成できる。
【００２１】
本発明の請求項８によれば、液化炭酸ガスに低周波脈動発生装置で脈動を加えたので、流動性が与えられ、液化炭酸ガスの噴射が容易となる。これにより微細液滴を効率よく生成できる。
【００２２】
本発明の請求項９によれば、注入水の温度調整装置を設けたので請求項３の効果と同様の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明による液化炭酸ガスの地中貯留方法及びその地中貯留システムを説明する。
【実施例】
【００２４】
図１は本発明による液化炭酸ガスの微細液滴化による地中貯留システムの構成図である。液化炭酸ガスの微細液滴化による地中送り込み装置１００は、深部帯水層５１に達する揚水井２１から地下水５３を汲み上げる汲み上げ装置１と、汲み上げた地下水５３を２０〜２５℃範囲の一定温度に調整する温度調整装置２と、深部帯水層５１に到る注入井２２に、汲み上げた地下水５３を注入水５４として送り込む注入水圧入装置３と、注入水圧入装置３と注入井２２の間に設けられ、注入水５４に脈動を加える注入水用の低周波脈動圧発生装置４と、外部のプラント施設３０の排気ガスや化学反応プロセスにおける成分分離工程のガスなどから分離回収した高純度の二酸化炭素を液化炭酸ガス５５として注入井２２に送り込む液化炭酸ガス圧入装置５と、注入井２２内での注入水の静止水圧が７ＭＰａ以上となる水深位置に設けられ、液化炭酸ガス５５を微細液滴化し、注入水５４に混合して二液混合流体５６を生成する微細液滴化装置６ａあるいは６ｂと、を備える。
【００２５】
深部帯水層５１は、細かい砂層からなり水資源には向かない塩水で飽和された層のことである。液化炭酸ガスは、７００〜１５００ｍの深度を対象に注入する。液化炭酸ガス５５は、密度がほぼ水と同じ液体であり、注入井２２での注入水の深度７００ｍ以深において微細液滴化され一部は注入水５４に溶け、その他の多くは解けずに液滴のまま二液混合流体５６となり、深部帯水層５１に注入される。プラント施設３０としては、火力発電所、ごみ焼却施設、石油精製施設、セメント製造施設、化学プラント施設などがあげられる。なお、地表面５２から深部帯水層５１にいたるまでには多数の地層があるが、図示は省略している。
【００２６】
一般的な深部帯水層５１の圧力と温度のもとでは、水１ｍ３（重さ１０００ｋｇ）に対して二酸化炭素４０〜６０ｋｇを溶解させることができる。二酸化炭素は、液滴化せずに超臨界流体として注入する場合は、浮力の影響で上昇して固まり（プリュ−ム）となりやすいが、液化炭酸ガス５５を微細液滴化して注入水５４に混合すれば、固まりにならずに深部帯水層５１に広く浸透、拡散させることができる。微細液滴３４は、地下水５３との接触面積が格段に大きいので、浸透拡散後に圧力と温度条件により気相に変化した微細気泡の二酸化炭素の溶解速度は、気体や超臨界流体の固まりとして地中に存在している場合より数１００〜数１０００倍も早い。加えて、微細液滴３４が土粒子の隙間に入り込むことで、二酸化炭素が固定されるから、シール層や不透水層が上方に存在しない深部帯水層でも有効である。
【００２７】
ここで二酸化炭素の固定は、つぎのようなプロセスでおきる。微細液滴状の二酸化炭素は、岩石鉱物の表面に吸着される場合や、毛細管効果により岩石中の残留液滴としてトラップされるが、圧力と温度の条件変化により微細気泡になった二酸化炭素は、周囲の地下水に溶解しやすい。溶解した二酸化炭素は地下水中に豊富に含まれる各種イオンや周囲の鉱物と反応し、例えば、２ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ＋ＣａＳｉＯ３→Ｃａ２＋＋２ＨＣＯ３−＋Ｈ４ＳｉＯ４ （１）式のようにイオン化して、地下水中でより安定化する。さらに、Ｃａ２＋＋２ＨＣＯ３− →ＣａＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ （２）式という反応が起こり、ＣＯ２の半分は（１）式に戻るが、ＣａＣＯ３は炭酸塩化合物であるから、二酸化炭素はほぼ永久的に固定化される。
【００２８】
汲み上げ装置１は内管７と外管８からなる二重管９の揚水井２１、揚水ポンプ１０、ジェット吸引部１２、貯水タンク１３などからなる。地下水５３を汲み上げるため、揚水ポンプ１０で加圧水６０を内管７に送り込み、ジェット吸引部１２で地下水５３を汲み上げ、注入水５４として貯水タンク１３に蓄える。ジェット吸引部１２は、加圧水６０の流速を早めて負圧を作り出し、地下水５３を吸い込むものである。揚水ポンプ１０に投入する水は、貯水タンク１３に蓄えられた地下水５３を循環して利用するようにしてもよい。
【００２９】
深部帯水層５１から汲み上げた地下水５３は、かん水と呼ばれ注入水として好ましい。かん水は電解質イオンを多く含み、海水の三分の一以上の塩分濃度があり、生活に利用できないので地域の理解を得やすい。かん水のある帯水層は新生代の第三〜四紀の堆積盆の地質構造に広く分布する。液化炭酸ガスの相互溶解度（液体が液体に溶解する場合の溶解度を相互溶解度という）は小さいが、かん水は電解質イオンがその濃度に比例して液化炭酸ガスの相互溶解度をさらに低下させる（Ｓａｌｔｉｎｇ ｏｕｔ現象）から、微細液滴３４の逸散を防止して微細な液滴を高密度に生成できる。
【００３０】
温度調整装置２は、貯水タンク１３と注入水圧入装置３の間に設けられ、汲み上げた３０℃以上の地下水５３の水温を２０〜２５℃範囲の一定水温にする装置である。３０℃以上の注入水５４を注入井２２に送り込むと、微細液滴化装置６ａあるいは６ｂにより生成された微細液滴３４は液相から気相に変化しやすく、注入水５４の水温管理は重要である。温度調整装置２は、汲み上げた３０℃以上の地下水の熱エネルギーを利用したヒートポンプにより地下水を冷却して２０〜２５℃範囲の一定水温の注入水をつくる。また、少なくとも温度調整装置２から注入井２２までの注入水の配管については、夏季や冬季における配管温度の変化を抑えるための地中埋設や保温材付き等の対策を講ずることが好ましい。
【００３１】
注入水圧入装置３は、注入井２２に注入水５４を送り込むための圧入ポンプ１４、圧力流量調整弁１５などからなる。圧力流量調整弁１５は、圧入ポンプ１４の注入水５４の圧入の抵抗が一定値を超えるような場合に、弁を開いて注入水５４を貯水タンク１３に戻すものである。揚水井２１と注入井２２の間の距離は、通常５００〜１ｋｍ程度は離れているので、貯水タンク１３とは別にパイプラインで結んだ貯水タンクを設け、注入水圧入装置２に組み入れてもよい。
【００３２】
注入水用の低周波数脈動圧発生装置４は、駆動部１６、脈動発生器１７からなる。駆動部１６は、脈動の周波数、圧力振幅を指定することができる。脈動は低周波を用い、具体的には０．５Ｈｚ〜３０Ｈａである。脈動は低周波なので注入井２２の底部まで伝わる。脈動は、地層内における二液混合流体５６の流動性を高める。静的な圧力だけで圧入する場合よりも注入効率がよい。
【００３３】
プラント施設３０は、一例として燃焼炉１８の排気ガスに含まれる二酸化炭素の分離回収装置１９を含む。化学吸収法によれば、二酸化炭素の濃度を９９％以上に濃縮することができる。分離回収した二酸化炭素を液化炭酸ガスとして一時的に蓄えるタンクを設けてもよい。
【００３４】
液化炭酸ガス圧入装置５は、液化炭酸ガス貯蔵タンク２４及びコンプレッサ２３などで構成される。なお、図示しないが、圧力調整弁、流量計、圧力計が取り付けられる。プラント施設３０と注入井２２が近い場合は、二酸化炭素をパイプラインで貯蔵タンク２４に送ることが出来る。遠い場合は、タンクローリ２０で輸送してもよい。タンクローリ２０で二酸化炭素を運ぶ場合、高圧低温状態での液化炭酸ガスとして運搬される。
【００３５】
液化炭酸ガス５５の注入作業を開始する場合、液化炭酸ガス５５が相変化を起こさないように、コンプレッサ２３を介して７ＭＰａを連続的に維持しながら、挿入管２７に液化炭酸ガス５５を送り出す作業を続ける必要がある。したがって、液化炭酸ガス５５の注入作業の準備として、注入井２２の挿入管２７に液化炭酸ガス５５を送る配管経路をバルブで遮断状態にし、別経路の注水配管により挿入管を注入水５４で満たした後、注水配管を閉じ、挿入管２７へのバルブを開き、所定の高圧で液化炭酸ガス５５を送り込み、液化炭酸ガスの一時的な圧力低下を避ける対応をとる。挿入管２７中の注入水５４は、挿入管２７の内径にもよるが、液化炭酸ガス５５の液圧により数１０分程度で注入水はすべて微細液滴化装置６ａあるいは６ｂを通じて押し出された後に、所定の微細液滴化作業が開始できる。逆に、微細液滴化作業を長期間中断する際には、液化炭酸ガス５５を送り込む配管経路のバブルを閉めた後、挿入管２７中の液圧を大気圧まで下げながら別の配管経路で挿入管２７の液化炭酸ガス５５を気化させて二酸化炭素を回収する。
【００３６】
液化炭酸ガス用の低周波脈動圧発生装置４ａは、液化炭酸ガス５５に脈動圧を与えるものであり、液化炭酸ガス圧入装置５と注入井２２の間に設けられる。液化炭酸ガス５５の脈動化により、微細液滴化装置６ａ（あるいは６ｂ）からの液滴化が促進される。低周波脈動圧発生装置４ａは、駆動部１６、脈動発生器１７からなる。駆動部１６は、脈動の周期、圧力振幅を制御する。脈動は０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの低周波である。ここでの脈動は、液化炭酸ガス５５の流動性を高め、微細液滴化装置６ａあるいは６ｂからの噴射を促進する。
【００３７】
微細液滴化装置６ａ、６ｂは、挿入管２７の下端に取り付けられ、注入井２２内での注入水の静水圧が７ＭＰａ以上となる水深位置に設けられる。ケーシング管２６と挿入管２７の間に注入水５４が圧入され、挿入管２７には液化炭酸ガス５５が圧入される。微細液滴化装置６ａにより液滴が生成され、二液混合流体となって、ケーシング管２６の底部側面のスリット３５から、深部帯水層５１に送り込まれる。挿入管２７には振れ止め材４７が、ケーシング管には固定金具４が設けられる。
【００３８】
構成例１の微細液滴化装置６ａは、液化炭酸ガス５５の吐出流が筒体４０内壁に取り付けた回転翼４３を回し、噴射管４１から液化炭酸ガス５５が噴射される噴射反力で筒体４０を回転させる構造をもつ。微細液滴化装置６ａの回転速度は、筒体４０の側面に設ける噴射管数、噴射管口径、あるいは液化炭酸ガス５５の液圧により異なるが、１００〜１０００ｒｐｍ程度である。この回転速度のもとで生成される液滴の径分布は１ｍｍ〜０．０１ｍｍであり、若干大きめのミリ液滴が含まれる。しかしながら、７００〜１５００ｍの深部帯水層に液滴を注入する場合、ミリ液滴が圧力と温度の変化により気泡に変化しても、大きな気体の固まり状態となる挙動には至らず、深部帯水層５１内で安全に二酸化炭素を固定化することができる。
【００３９】
構成例２の微細液滴化装置６ｂは、水中モータ３１により微細液滴化装置６ｂが高速回転させる構造をもつ。微細液滴化装置６ｂの回転速度は、１０００〜３０００ｒｐｍ程度であり、高速回転により生成される液滴の径分布は０．０５ｍｍ〜０．０１ｍｍになる。均一で微細な液滴が生成されるので、例えば深部帯水層５１の水深が数十ｍしかない層でも有効である。
【００４０】
図１に示すように、微細液滴３４は、注入井２２底部のスリット３５に向かって移動する間に水圧が高くなり液滴内部の圧力も上昇する。深部帯水層５１の注入深度付近の高い地熱の影響を受け、温度と圧力が、例えば注入井２２内底部のスリット３５付近において、温度３１．１℃以上および７．３８２ＭＰａ以上になるとする。この場合、微細液滴３４は微細な超臨界流体粒へと相変化する。本発明は、このような微細な超臨界流体粒への相変化を含むものである。注入井２２の位置や注入深度は、深部帯水層５１のサイト条件（地質構造、圧力、温度）を踏まえて、液滴３４の相変化も考慮して決めることができる。
【００４１】
図２は、揚水井の二重管の断面図である。ジェット吸引部１２は、内管７からの加圧水６０の流速を早めるため逆漏斗型としている。逆漏斗型の内部は負圧となるので地下水５３が吸い込まれる。吸い込まれた地下水５３は、内管７と外管８の間を上昇する。
【００４２】
図３は、微細液滴化装置の断面図（構成例１）である。微細液滴化装置６ａは、筒体４０と、筒体４０上部の内壁に設けられた回転翼４３と、筒体４０の側部に、斜め下方に向けて突出する複数の噴射管４１を有する。筒体４０は例えば角筒にすることができる。角筒の場合、円筒に比較してより強力な旋回流を注入水５４に与えるので、液滴の一層の微細化を促すことができる。挿入管２７からの液化炭酸ガス５５は、三角錐４２で筒体４０の周囲に流し込まれ、流速により回転翼４３が回転し液化炭酸ガス５５を旋回させる。さらに、液化炭酸ガス５５が噴射管４１からケーシング管２６の内壁の下方に向かって噴射されるので、噴射反力によって筒体４０が回転する。噴射管４１を出た液化炭酸ガス５５は、液滴となって流速が速められた注入水５４に混合され、二液混合流体５６となる。なお、微細液滴化装置６ａが回転する際に挿入管２７の振れ変形を抑えるため、２か所において、振れ止め材４７を挿入管２７に取り付け、ケーシング管２６の内壁に溶接で取り付けた固定金具４８の穴に振れ止め材４７を差し込み固定する。
【００４３】
図４は、微細液滴化装置の断面図（構成例２）である。微細液滴化装置６ｂは、筒体４０と、筒体４０の側部に斜め下方に向けて突出する複数の噴射管４１を有する。筒体４０を角筒とすれば、注入水５４に円筒に比較してより強力な旋回流を与え、液滴の一層の微細化を促すことができる。微細液滴化装置６ｂは、筒体４０が直下に設置された水中モータ３１により高速回転する。水中モータ３１は地上側からの給電により駆動される。噴射管４１を出た液化炭酸ガス５５は、液滴となって流速が速められた注入水５５に混合され、二液混合流体５６となる。なお、挿入管２７下端に取り付けられた微細液滴化装置６ａが回転する際に挿入管２７の振れ変形を抑えるために、最下端の挿入管ロッドに１断面に２本の振れ止め材４７を取り付け、ケーシング管２６の内壁に溶接で取り付けた固定金具４８の穴に振れ止め材４７のフックを差し込み固定する。
【００４４】
二液混合流体５６では、気液混合流体のような気泡による閉塞は発生しない。二液混合流体５６の注入に用いる脈動化の目的は、送り込んだ地層の隙間空間を脈動させ、静的な注入の場合より広範囲に微細液滴３４を送り込めるようにして注入の効率化を図るためである。
【００４５】
図５は、低周波脈動発生装置３の構成図である。駆動部１６は、例としてモータ５７と油圧シリンダ５８で構成される。モータ５７が回転すると油圧シリンダ５８のピストンが動き、グラフＧ１に示すような一定周期の油圧がかかる。この油圧で脈動発生器１７のゴム管５９の径を伸縮させる。油圧の大きさは油圧シリンダ５８の出口に電磁弁を設けて圧力を逃がすことで制御できる。モータ５７の回転を１２００ｒｐｍとすれば、周期は１秒間に２０回（２０Ｈｚ）となる。グラフＧ２に示すように、圧入ポンプ１２を出た注入水５４の圧力は、脈動が加えられて、注入水５４はグラフＧ３に示すような圧力となる。なお、低周波脈動発生装置３の上流側に、高負荷状態で圧力が伝達されないように逆止弁が設けられてもよい。脈動の振幅は、例として、注入水５４の水圧をＰαとすると、脈動後の水圧Ｐαｄは、振幅の係数を０．５とし、（Ｐα−０．５Ｐα）＜Ｐαｄ＜（Ｐα＋０．５Ｐα）とすることができる。Ｐαは、１０ｋｇ／ｃｍ２〜３０ｋｇ／ｃｍ２が望ましい。また、通常の脈動の周波数は０．５〜３０Ｈｚとされる。できるかぎり広範囲にまで脈動波の透過力を強くするために、本システムでの脈動の周波数は、脈動波の透過力が強い１０Ｈｚ以下とした。
【００４６】
図６は、注入井での注入水と液化炭酸ガスの圧力関係図である。微細気泡化装置６ａ、６ｂの深度Ｌ１は、注入井２２に送られてきた液化炭酸ガス５５が相変化せずに液滴化するために、注入水５４の水圧が７ＭＰａ以上の深度に設ける。深度Ｌ１での注入水５４の水圧をＰ１とする。また、注入井２２の底部のスリット３５までの深度をＬ０とする。さらに、深度をＬ０での水圧をＰ０とする。二液混合流体５６の場合、気液混合流体のように微細気泡の影響による水圧減少分の加圧を考慮する必要がないので、注入水５４の注入圧力はＰαｄである。この圧力から圧入ポンプ１２の吐出圧が決められる。次に液化炭酸ガス５５は、Ｌ１での注入水５４の圧力がＰ１＋Ｐαｄとなるので、これより大きな値となるようＰ１＋Ｐαｄ＋Ｃとする。Ｃは約１０〜３０ｋｇ／ｃｍ２とした。
【００４７】
液化炭酸ガス５５を高圧状態で圧力変動がある注入水５４に微細液滴化装置６ａ、６ｂの噴射管４１から効率よく液化炭酸ガス５５を噴射させるために、液化炭酸ガス５５を脈動化させ、噴射管４１から噴射する液化炭酸ガス５５の流動性を高める効果を狙う。
【００４８】
液化炭酸ガス５５の脈動化は、コンプレッサ２３と注入井２２の間に設けた液化炭酸ガス用の低周波脈動発生装置４ａにて脈動の周期、大きさを制御する。液化炭酸ガス５５の脈動化の圧力をＣｄとすれば、Ｐ１＋Ｐαｄｍａｘ＋Ｃｄであり、７ＭＰａ＜Ｐ１＋Ｐαｄｍａｘ＜Ｐ１＋Ｐαｄｍａｘ＋Ｃｄの関係式が成り立つようにする。Ｐαｄｍａｘは注入水の脈動の最大圧であり、Ｐαｄｍａｘ＜Ｐα＋０．５Ｐαになる。液化炭酸ガス５５を噴射しやすくするために脈動の周波数を０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚとし、脈動の大きさ（振幅）の上限値を０．５Ｐαと設定すれば、（Ｃｄ−０．５Ｃｄ）＜Ｃｄ＜（Ｃｄ＋０．５Ｃｄ）になる。深度Ｌ１にもよるが、ここでＣｄは１０〜３０ｋｇ／ｃｍ２とする。
【００４９】
図７は、液化炭酸ガスの地中送り込み方法の処理手順を示すフローチャートである。Ｓ７０は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上の貯水タンクに汲み上げて注入水をつくる段階である。Ｓ７１は、注入水に脈動水圧を加える段階である。Ｓ７２は、脈動水圧が加えられた注入水を注入井から深部帯水層に送り込む段階である。Ｓ７３は、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液体状態を保てる圧力で注入井に送り込む段階である。Ｓ７４は、注入井内において、液化炭酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し二液混合流体を生成する段階である。Ｓ７５は、注入水の水温を調整する段階である。水温が高い場合水温が調整される。Ｓ７６は、液化炭酸ガスに脈動を加える段階である。注入状況をセンサで観測し必要な場合は液化炭酸ガスに脈動が加えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明による液化炭酸ガスの地中送り込み方法及びその地中送り込み装置は、液化炭酸ガスを微細液滴化して注入水に混合するので、二酸化炭素の地中貯留に好適である。また、二酸化炭素を圧入して原油を取り出すＥＯＲ（原油増進回収法）や天然ガスを取り出すＥＧＲ（天然ガス増進回収法）にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】液化炭酸ガスの地中送り込み装置の構成図である。（実施例１）
【図２】揚水井の二重管の断面図である。（実施例１）
【図３】微細液滴化装置の断面図である。（実施例１の構成例１）
【図４】微細液滴化装置の断面図である。（実施例１の構成例２）
【図５】低周波脈動発生装置の構成図である（実施例１）
【図６】圧力井での圧力の関係図である。（実施例１）
【図７】液化炭酸ガスの地中送り込み方法の処理手順を示すフローチャートである。（実施例１）
【符号の説明】
【００５２】
１ 汲み上げ装置
２ 温度調整装置
３ 注入水圧入装置
４ 注入水用の低周波脈動圧発生装置
４ａ 液化炭酸ガス用の低周波脈動圧発生装置
５ 液化炭酸ガス圧入装置
６ａ 微細液滴化装置
６ｂ 微細液滴化装置
７ 内管
８ 外管
９ 二重管
１０ 揚水ポンプ
１２ ジェット吸引部
１３ 貯水タンク
１４ 圧入ポンプ
１５ 圧力流量調整弁
１６ 駆動部
１７ 脈動発生器
１８ 燃焼炉
１９ 分離回収装置
２０ タンクローリ
２１ 揚水井
２２ 注入井
２３ コンプレッサ
２４ 液化炭酸ガス貯蔵タンク
２６ ケーシング管
２７ 挿入管
３０ プラント施設
３１ 水中モータ
３４ 微細液滴
３５ スリット
４０ 筒体
４１ 噴射管
４２ 三角錐
４３ 回転翼
４７ 振れ止め材
４８ 固定金具
５１ 深部帯水層
５２ 地表面
５３ 地下水
５４ 注入水
５５ 液化炭酸ガス
５６ 二液混合流体
５７ モータ
５８ 油圧シリンダ
５９ ゴム管
６０ 加圧水
１００ 液化炭酸ガスの地中送り込み装置
Ｓ７０〜Ｓ７８ 液化炭酸ガスの各処理段階
Ｌ０、Ｌ１ 深度
Ｐ０ 深度Ｌ０での水圧
Ｐ１ 深度Ｌ１での水圧
Ｐα 注入水の水圧
Ｐαｄ 注入水の脈動後の水圧
Ｐαｄｍａｘ 注入水の脈動の最大圧
Ｃ、Ｃｄ 定数（圧力）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げて注入水をつくる段階と、
前記注入水に脈動水圧を加える段階と、
脈動水圧が加えられた前記注入水を注入井から深部帯水層に送り込む段階と、
液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って前記注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む段階と、
前記注入井内において、前記液化炭酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し二液混合流体を生成する段階と、を含むことを特徴とする液化炭酸ガスの地中送り込み方法。
【請求項２】
前記注入井に送り込む前記液化炭酸ガスに、低周波の脈動液圧を加える段階がさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み方法。
【請求項３】
前記注入水の水温を調整する段階が、さらに設けられることを特徴とする請求項１に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み方法。
【請求項４】
深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げる汲み上げ装置と、
前記注入水を注入井から前記深部帯水層に送り込む注入水圧入装置と、
前記注入水圧入装置と前記注入井の間に設けられ、前記注入水に脈動水圧を加える注入水用の低周波脈動発生装置と、
液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って前記注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む液化炭酸ガス圧入装置と、
前記注入井内に設けられ、前記注入井に送り込まれた液化炭酸ガスが微細液滴化され、前記注入水に混合されて二液混合流体を生成する微細液滴化装置と、を含むことを特徴とする液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項５】
前記微細液滴化装置は、前記注入水が送り込まれるケーシング管と、前記ケーシング管に挿入され前記液化炭酸ガスが送り込まれる挿入管と、前記挿入管の下端に取り付けられ、側面に前記液化炭酸ガスを斜め下方に噴射する複数の噴射管を有する回転可能な筒体と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項６】
前記筒体の内部に、前記液化炭酸ガスの吐出流で回転する回転翼が設けられることを特徴とする請求項５に記載の液化炭酸ガスの地中注入送り込み装置。
【請求項７】
前記筒体の下部に、前記筒体を回転させる水中モータが設けられることを特徴とする請求項５に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項８】
前記液化炭酸ガス圧入装置と前記注入井の間に、前記液化炭酸ガスに脈動水圧を加える液化炭酸ガス用の低周波脈動発生装置がさらに設けられることを特徴とする請求項４に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項９】
前記貯水タンクと前記注入水圧入装置との間に、注入水の水温を調整する温度調整装置が設けられることを特徴とする請求項４に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項１】
深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げて注入水をつくる段階と、
前記注入水に脈動水圧を加える段階と、
脈動水圧が加えられた前記注入水を注入井から深部帯水層に送り込む段階と、
液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って前記注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む段階と、
前記注入井内において、前記液化炭酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し二液混合流体を生成する段階と、を含むことを特徴とする液化炭酸ガスの地中送り込み方法。
【請求項２】
前記注入井に送り込む前記液化炭酸ガスに、低周波の脈動液圧を加える段階がさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み方法。
【請求項３】
前記注入水の水温を調整する段階が、さらに設けられることを特徴とする請求項１に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み方法。
【請求項４】
深部帯水層の地下水を揚水井から地上に汲み上げる汲み上げ装置と、
前記注入水を注入井から前記深部帯水層に送り込む注入水圧入装置と、
前記注入水圧入装置と前記注入井の間に設けられ、前記注入水に脈動水圧を加える注入水用の低周波脈動発生装置と、
液化炭酸ガスを貯蔵タンクから液化状態を保って前記注入井の液化状態を保てる深度まで送り込む液化炭酸ガス圧入装置と、
前記注入井内に設けられ、前記注入井に送り込まれた液化炭酸ガスが微細液滴化され、前記注入水に混合されて二液混合流体を生成する微細液滴化装置と、を含むことを特徴とする液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項５】
前記微細液滴化装置は、前記注入水が送り込まれるケーシング管と、前記ケーシング管に挿入され前記液化炭酸ガスが送り込まれる挿入管と、前記挿入管の下端に取り付けられ、側面に前記液化炭酸ガスを斜め下方に噴射する複数の噴射管を有する回転可能な筒体と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項６】
前記筒体の内部に、前記液化炭酸ガスの吐出流で回転する回転翼が設けられることを特徴とする請求項５に記載の液化炭酸ガスの地中注入送り込み装置。
【請求項７】
前記筒体の下部に、前記筒体を回転させる水中モータが設けられることを特徴とする請求項５に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項８】
前記液化炭酸ガス圧入装置と前記注入井の間に、前記液化炭酸ガスに脈動水圧を加える液化炭酸ガス用の低周波脈動発生装置がさらに設けられることを特徴とする請求項４に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【請求項９】
前記貯水タンクと前記注入水圧入装置との間に、注入水の水温を調整する温度調整装置が設けられることを特徴とする請求項４に記載の液化炭酸ガスの地中送り込み装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１１９６４（Ｐ２００９−１１９６４Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７８３３１（Ｐ２００７−１７８３３１）
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【出願人】（５０２１５２４０３）
【出願人】（５９２１３１９０６）みずほ情報総研株式会社 (187)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【出願人】（５０２１５２４０３）
【出願人】（５９２１３１９０６）みずほ情報総研株式会社 (187)
【Ｆターム（参考）】
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