JP2022543957A - 二酸化炭素と硫化水素を削減する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二酸化炭素(CO2)や硫化水素(H2S)を地中貯留層に注入し、その後貯留することで、これらを削減する方法およびシステムに関するものである。
二酸化炭素(CO2)と硫化水素(H2S)は、化石燃料の燃焼など、さまざまな産業プロセスで大量に放出されるガスである。この2つのガスは、環境にとって重要な課題となっている。
上述したように、従来型の発電所や地熱発電所から排出される二酸化炭素や硫化水素を削減するための効果的で環境に優しい方法を実現することができれば有利である。一般的に、本発明は、上述の欠点の1つ以上を単独または任意の組み合わせで軽減、緩和、解消することを目的としている。
・水源から注入井戸に水をポンプで送る(またはその他の方法で移送する)こと;
・水の水圧が、CO2および/またはH2Sリッチガス流中のCO2および/またはH2Sの分圧よりも低い条件下で、CO2および/またはH2Sリッチガス流を水に合流させることにより、CO2および/またはH2Sガスを水に溶解させること;
・溶解したCO2および/またはH2Sを含む水を、水中のCO2および/またはH2Sガスの気泡の上昇速度よりも速い速度で下向きに移送することにより、水中に溶解したCO2および/またはH2Sを確実に保持すること;
・前記溶解したCO2およびH2Sを含む前記加圧水流の結果として得られるpH値を約2~4、好ましくは約2.5~3.5、より好ましくは約3.2に保つこと;および
・CO2および/またはH2Sを溶解した水を、地質貯留層中に注入すること。
・前記CO2および/またはH2Sに加えて、水中にトレーサー物質を溶解し、溶解したCO2および/またはH2Sと溶解したトレーサー物質の濃度は、CO2および/またはH2Sとトレーサー物質の初期モル比があらかじめ決定されるように、制御可能な方法で行われること;
・前記CO2および/またはH2Sと、溶解したトレーサー物質とを注入したことに応答して、監視井戸で前記CO2および/またはH2Sと前記トレーサー物質とのモル比を監視するステップであって、前記監視井戸は、溶解したCO2および/またはH2Sと前記トレーサー物質とを混合した前記注入水の少なくとも一部が前記流路を介して前記監視井戸に流れるように、流路を介して前記注入井戸と相互に連結されている井戸である。前記監視は、前記監視井戸において、前記CO2および/またはH2Sと前記トレーサー物質の濃度を測定し、それに基づいて前記CO2および/またはH2Sと前記トレーサー物質のモル比を測定することを含む;及び
・水-岩石反応によって達成されたCO2および/またはH2Sの削減量を示す削減指標を決定する。前記決定は、監視井におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質のモル比と、合流点における注入井の対応するモル比を比較することに基づいて行われる。
・水源からの水を注入用井戸に送り込むための手段;
・CO2および/またはH2Sガスを注入井戸に送出する手段;
・水の水圧がCO2および/またはH2Sの圧力よりも低い注入井戸の深さh1≧0において、CO2および/またはH2Sのガスを水に溶解させる手段;
・前記水中のCO2および/またはH2Sガスの気泡にかかる浮力に起因する前記CO2および/またはH2Sガスの気泡の上向きの流速よりも高い下向きの流速で、前記水流を前記深さh1≧0からより大きな深さh1+h2(h1+h2>h1)に移送する手段;
・前記溶解したCO2およびH2Sを含む前記加圧水流の結果として得られるpH値を、約2~4、好ましくは約2.5~3.5、より好ましくは約3.2に保つ手段;及び
・前記溶解したCO2および/またはH2Sを含む水を地中に注入する手段。
・CO2および/またはH2Sガスと水との間の界面積を最大化するように適合された、ガス注入管の前記開放端に取り付けられたスパージャー、または
・前記注入管の前記開放端と前記外管の前記開放端との間の前記外管内に取り付けられ、CO2および/またはH2Sガスを水と混合して、CO2および/またはH2Sガスの水中での均一な混合を得るとともに、水中に残っているCO2および/またはH2Sガスの気泡を溶解するように適合された混合器、または
・CO2および/またはH2Sガスと水との間の界面積を最大にするように適合された、前記噴射管の前記開放端に取り付けられたスパージャーと、CO2および/またはH2Sガスの水中での均一な混合を得るように、CO2および/またはH2Sを水と混合するように適合された、前記スパージャーと前記外管の前記開放端との間の前記外管内に取り付けられたミキサーとを備え、水中に残っているCO2および/またはH2Sの気泡を溶解することができるもの。
以下、本発明のいくつかの実施形態を、例示としてのみ、図面を参照して説明する。
図1は、地中貯留層でCO2および/またはH2Sを減衰させる本発明による方法のフローチャートである。地層貯留層という用語は、上方および下方以外の方向に拡大し、井戸からの注入水のための流路を提供する高温の岩石中の割れ目として理解されてもよい。
・水源からの水を注入井戸(210)の外管(205)に汲み上げまたは移送することにより、前記外管(205)内に加圧された水流を形成すること;
・注入井戸(210)のガス注入管(206)にCO2および/またはH2Sリッチガスを注入することにより、前記注入管(206)内に加圧されたCO2および/または加圧されたH2を含むCO2および/またはH2Sリッチガス流を生成すること;
・前記外管(205)内の前記水の水圧p(W)が前記注入管(206)内の前記CO2および/またはH2Sの圧力p(C)および/またはp(H)よりも低い深さh1≧0で、前記加圧水流と前記CO2および/またはH2Sリッチガス流とを合流させることにより、前記CO2および/またはH2Sリッチガス流の前記加圧水流に前記加圧水流の前記加圧水ガスの実質的にすべてを溶解させること;
・前記水流を前記深さh1≧0から深さh1+h2((h1+h2)>h1)まで、前記深さh1+h2において前記水流中のCO2および/またはH2Sガスの気泡にかかる浮力に起因する前記CO2および/またはH2Sガスの上向きの流速v(C)および/またはv(H)よりも高い下向きの流速v(W)で移送することにより、前記水流中の前記溶解したCO2および/またはH2Sを溶液中に保持すること;
・溶解したCO2および/またはH2Sを含む前記加圧水流を、h1+h2または深さ>(h1+h2)の反応性岩石からなる貯留層に注入すること。
・前記注入井戸(210/612)内の前記外管(205)の前記深さh1≧0の加圧水流中に、前記溶解したCO2および/またはH2Sと比較して所定のモル比のトレーサー物質を溶解させるステップ;
・-流路(614)を介して前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)と相互に連結されている監視井戸(610)を設け、それによって、前記溶解したCO2および/またはH2Sと前記トレーサー物質とが混合された前記加圧水の少なくとも一部が、前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)から前記流路(614)を介して前記監視井戸(610)に流れることを特徴とする;
・前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質 の濃度を測定し、それに基づいて、前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質のモル比を確立すること;および
・前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質とのモル比と、前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)の前記深さh1における前記加圧水流中の前記所定のモル比とを比較することに基づいて、CO2および/またはH2Sの削減の度合いを示す削減指標を決定すること。
・注入井戸(210);
・前記注入井戸(210)の内部で下向きに延びる外管(205);
・前記注入井戸(210)の内部で下向きに延びる注入パイプ(206);
・水源からの水を前記外側のパイプ(205)にポンピングまたは転送し、それによって前記外側のパイプ(205)内に加圧された水流を形成する手段;
・CO2および/またはH2Sリッチガスを前記注入管(206)に送り込み、それによって前記注入管(206)内に加圧されたCO2、および/または加圧されたH2を含むCO2および/またはH2Sリッチガス流を生成する手段;
・前記外管(205)内の前記水の水圧p(W)が、前記注入管(206)内の前記CO2および/またはH2Sの圧力p(C)および/またはp(H)よりも低い深さh1≧0で、前記加圧水流と前記CO2および/またはH2Sリッチガス流を合流させる手段;
・前記水流を前記深さh1≧0から、(h1+h2)>h1である深さh1+h2まで、前記深さh1+h2において前記水流中のCO2および/またはH2Sガスの気泡にかかる浮力に起因する前記CO2および/またはH2Sガスの上向きの流速v(C)および/またはv(H)よりも高い下向きの流速v(W)で移送する手段;
・前記溶解したCO2およびH2Sを含む前記加圧水流の結果としてのpH値を約2~4、好ましくは約2.5~3.5、より好ましくは約3.2に維持する手段;
・溶解したCO2および/またはH2Sを含む前記加圧水流を、h1+h2または深さ>(h1+h2)の反応性岩石からなる貯留層に注入する手段。
・前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)内の前記深さh1≧0の加圧水流に、前記溶解したCO2および/またはH2Sと比較して所定のモル比のトレーサー物質を溶解させる手段;
・監視井戸(610);
・前記溶解したCO2および/またはH2Sと前記トレーサー物質とが混合された前記加圧水の少なくとも一部が、前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)から前記監視井戸(610)に流れる 流路(614)と、を備える;
・前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質の濃度を測定し、それに基づいて、前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質のモル比を確立する手段;
・前記監視井戸(610)におけるCO2及び/又はH2Sとトレーサー物質とのモル比と、前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)の前記深さh1における前記加圧水流中の前記所定のモル比とを比較することに基づいて、CO2及び/又はH2Sの削減の程度を示す削減指標を決定する手段と、を備える。
地熱発電所のガス精製装置またはガス分離ステーションから0.07kg/sのCO2が入ってくる。ガスの初期圧力は30バールである。ガスを圧入井まで輸送するために、外径(OD)40mmのパイプが選択され、その結果、1.45バールの圧力損失が発生する。他の圧力損失を含めて、坑口での圧力は28バールと仮定する。注入には外径32mmのパイプを選択し、圧力損失は0.41barとなるが、重力により合流点の圧力ヘッドは1.1bar増加し、合流点の圧力は28.6barとなる。
この例では、二酸化炭素の分圧はダウンホールで25バールになるように選択されている。これは、25バールの圧力での飽和を意味し、17℃で36gのCO2 pr.kgの水を意味する。この温度と圧力では、二酸化炭素の体積は、大気圧での水の等価質量の約20倍になる。水が気体を下に引っ張るためには、気体の体積が水の体積を超えてはならず、できればはるかに小さくなければならない。水がパイプ内でガスを下方に引き下げることができるためには、ガス放出点(合流点)での水圧が25バールの飽和圧力に近いことが望ましい。しかし、十分な水量が確保されていれば、圧力を低くすることも可能である。ガスの一部は水に溶解し、残りのガスは小さな気泡を形成して水と一緒にパイプを進みます。水深が深くなると、圧力が高くなって気泡が小さくなり、ガスが水に溶解していき、ガスがすべて溶解するまで続くる。
図10に示す本実施形態では、監視井戸610が、例えば地中貯留層の亀裂であってもよい流路614を介して注入井戸612と相互に連結されている。この監視井戸610の実施は、CO2の鉱化能力を推定することである。推定するステップは、CO2ガス、または水、または炭素を追跡するために、1つまたは複数のトレーサー物質を使用することを含む。このように、CO2ガス、または水、または炭素とトレーサー物質(複数可)との間のモル比が予め決定されるように、すなわちモル比が予め固定されるように、これらの1つまたは複数を追跡するための適切なトレーサー源を介して、1つまたは複数の種類のトレーサーを添加してもよい。これは、例えば、CO2のみ、Cのみ、水のみ、またはそれらの組み合わせなど、1つのトレーサーのみを使用してトレースできることを意味する。一例として、注入された流体と貯槽内の周囲の水との間の希釈を追跡するために、また貯槽内のCO2飽和溶液の移流および分散輸送を特徴付けるために、SF5CF3トレーサー、SF6トレーサーまたはローダミントレーサーを実装することができる。一方、CO2と共に注入されたC-14トレーサー濃度は、CO2-水-岩石間の相互作用の結果として変化するため、マスバランス計算を行う際に、注入されたCOの鉱化度を推定2することができる。前記溶解したCO2を注入した結果、この監視井戸610内のCO2ガス、または水、または炭素、およびトレーサー物質(複数可)の間のモル比を監視するための監視装置(ここでは図示せず)が提供されてもよい。既に述べたように、監視井戸610は、前記流路を介して注入井戸612と連結されており、溶解したCO2と前記トレーサー物質とが混合された注入水の少なくとも一部が、前記流路614を介して監視井戸610に流入するようになっている。監視井戸610と注入井戸612でのモル比を比較することで、水-岩石反応によるCO2の貯留量を示す削減指標を求めることができる。従って、使用したトレーサーがSF5CF3トレーサーであり、[SF5CF3]/[CO2]のモル比が注入井612では1であるが、監視井610では2であった場合、CO2の半分が前記水-岩石反応により岩石と化学反応を起こしたことを明確に示すことができる。
図5は、地熱貯留層中の硫化水素を除去する本発明による方法の一実施形態を示しており、ここではH2Sの鉱化能力が推定される。この方法は、図1の前記方法ステップに先立って行われるか、あるいは後の時点で実行される監視方法として実施されるかのいずれかである。
図6は、水409が連続的に注入される注入井戸400を示す図5の方法を模式的に描いたものである。このような井戸の総深さは、数キロメートルにもなる。ここに示すように、井戸は部分的に水で満たされており、水面406は注入井戸のケーシング401の閉鎖キャップに近い。水の連続的な汲み上げにより、坑内には下方に伸びる水流が形成されており、水の一部は矢印404で示すような方向に地熱貯留層403に流れ込むことになる。ここに描かれているように、注入井戸は、井戸を封鎖する(例えば、地熱貯留層の上の新鮮な地下水から封鎖する)鋼管などのケーシング401を含んでいる。このようなケーシング401の高さは、数百メートルから1000メートル以上まで様々である。ここに示すように、注入井の残りの部分は岩石402の中にある。地熱貯留層で起こる水と岩石の反応は、岩石中の溶解したH2Sの流路を示す404の拡大図に示されており、溶解したH2Sは岩石中の金属イオン(Me)407と化学反応し、Me硫化物408を形成する。例えば、MeがFeの場合、Meの硫化物はFe-硫化物となる。
図9は、地熱貯留層501内の硫化水素(H2S)を削減するための本発明によるシステム500の一実施形態を図式的に示している。このシステムは、H2Sガスパイプライン502、坑口509、水入口503、注入管506、スパージャー507、ミキサー508、外管504を含む。H2Sは、高圧で坑口509に導出され、深さh1≧0の位置に開放端を有する注入パイプ506を介して注入井戸510に導出されるが、注入パイプ206は、深さh1+h2に配置された開放端を有するアウターパイプ504によって囲まれている。本実施形態では、注入井戸510への水の体積流量(リットル/秒)は、バルブ511を介して制御され、注入パイプ506とアウターパイプ505との間の空間に水が圧送される。
図10は、地熱貯留層中の硫化水素(H2S)を除去(削減)するための本発明によるシステム600の別の実施形態を図示したものである。この実施形態では、監視井戸610が、例えば地熱貯留層内のフラクチャーであってもよい流路614を介して注入井戸612に相互に連結されている。この監視井戸610の実施は、図5に関連して前述したように、H2Sの鉱化能力を推定するためである。
図11は、地熱貯留層における硫化水素(H2S)を軽減(削減)するための本発明によるシステム700のさらに別の実施形態を図式的に示している。この実施形態では、硫化水素は、水注入パイプ705の外側にある別のパイプ701で注入井戸703に移送される。パイプは井戸元(ここでは図示せず)で固定されているため、水の流れが変わるなどの条件が変わっても、合流点の深さを変えることはできない。したがって、合流点で一定の圧力を維持するために、注入パイプ705の端部に圧力制御弁702を実装することが好ましい。この解決策の利点は、注入パイプ内の圧力損失が低いことであり、したがって、より高い水の流量を維持することができ、パイプ内にガスの泡を引き込みやすくすることができる。
地中に炭素を貯蔵する際のセキュリティリスクの大部分は、ガス状のCO2が地表に戻って大気中や隣接する淡水帯水層に漏出しやすいことに起因している。これは、多孔質の地層に貯留しようとする場合に特に問題となる。
Claims (13)
- 以下のステップを含む、二酸化炭素(CO2)および/または硫化水素(H2S)を削減する方法:
・水源からの水を注入井戸(210)の外管(205)中に汲み上げ(ポンピング)または移送することにより、前記外管(205)内に加圧された水流を形成すること;
・注入井戸(210)の注入管(206)中にCO2および/またはH2Sリッチガスを送り込み、それによって、前記注入管(206)内に加圧されたCO2、および/または加圧されたH2Sを含むCO2および/またはH2Sリッチガス流を生成すること;
・前記外管(205)内の前記水の水圧p(W)が、前記注入管(206)内の前記CO2および/またはH2Sの圧力(p(CO2)および/またはp(H2S))よりも低い深さh1≧0で、前記加圧水流と前記CO2および/またはH2Sリッチガス流とを合流させることにより、前記CO2および/またはH2Sリッチガス流の前記加圧水流に、前記加圧水流の前記加圧CO2および/またはH2Sガスの実質的にすべてを溶解させること;
・前記水流を前記深さh1≧0から深さh1+h2((h1+h2)>h1)まで、前記深さh1+h2において前記水流中のCO2および/またはH2Sガスの気泡にかかる浮力に起因する前記CO2および/またはH2Sガスの上向きの流速v(CO2)および/またはv(H2S)よりも高い下向きの流速v(W)で移送することによって、前記水流中の前記溶解したCO2および/またはH2Sの溶液を維持すること;
・前記溶解したCO2およびH2Sを含む前記加圧水流の結果としてのpH値を約2~4、好ましくは約2.5~3.5、より好ましくは約3.2に維持すること;
・溶解したCO2および/またはH2Sを含む前記加圧水流を、h1+h2でまたは深さ>(h1+h2)で反応性岩石を含む地中貯留層中に注入すること。 - 地中貯留層が地熱貯留層であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 深さh1≧0の合流点において、前記注入管(206)にスパージング手段(207)を取り付けることにより、前記水流中に溶解するCO2および/またはH2Sの間の界面積を増加させることをさらに含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記注入管(206)が、前記加圧水流を含む前記外側パイプ(205)の内側を下方に向かって延び、前記深さh1≧0の位置に開放端を有することを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記加圧水流を含む前記外側パイプ(205)は、前記深さh1+h2に開放端を有することを特徴とする、請求項4に記載の方法。
- 深さh1における合流点でのCO2の圧力p(CO2)が、約20~36バール、好ましくは約22~34バール、より好ましくは約24~32バール、最も好ましくは約24.5バールである、前述の請求項のいずれかに記載の方法。
- 深さh1の合流点におけるH2Sの圧力p(H2S)が、約4~8バール、好ましくは約5~7バール、より好ましくは約5.5~6.5バール、最も好ましくは約6バールであることを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載の方法。
- 以下のステップをさらに含む、前述の請求項のいずれかに記載の方法:
・前記注入井戸(210/612)内の前記外管(205)の前記深さh1≧0の加圧水流中に、前記溶解したCO2および/またはH2Sと比較して所定のモル比のトレーサー物質を溶解させること;
・流路(614)を介して前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)に相互に連結された監視井戸(610)を設け、それによって、前記溶解したCO2および/またはH2Sと前記トレーサー物質とが混合された前記加圧水の少なくとも一部が、前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)から前記流路(614)を介して前記監視井戸(610)に流れること;
・前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質の濃度を測定し、それに基づいて、前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質のモル比を確立すること;
・前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質とのモル比と、前記注入井戸(210/612)中の前記外管(205)の前記深さh1における前記加圧水流中の前記所定のモル比とを比較することに基づいて、CO2および/またはH2Sの削減の度合いを示す削減指標を決定すること。 - 以下を含む、二酸化炭素(CO2)および/または硫化水素(H2S)を削減するためのシステム:
・注入井戸(210);
・前記注入井戸(210)の内部で下向きに延びる外管(205);
・前記注入井戸(210)の内部で下向きに延びる注入管(206);
・水源からの水を前記外管(205)中にポンピングまたは転送し、それによって前記外管(205)内に加圧された水流を形成する手段;
・CO2および/またはH2Sリッチガスを前記注入管(206)中に送り込み、それによって前記注入管(206)内に加圧されたCO2、および/または加圧されたH2を含むCO2および/またはH2Sリッチガス流を生成する手段;
・前記外管(205)内の前記水の水圧p(W)が、前記注入管(206)内の前記CO2および/またはH2Sの圧力(p(CO2)および/またはp(H2S))よりも低い深さh1≧0で、前記加圧水流と前記CO2および/またはH2Sリッチガス流とを合流させる手段;
・前記水流を前記深さh1≧0から深さh1+h2((h1+h2)>h1)まで、下降流速v(W)で移送する手段であって、h1+h2では、前記深さh1+h2での前記水流中のCO2ガスおよび/またはH2Sガスの気泡にかかる浮力に起因する前記CO2ガスおよび/またはH2Sガスの上昇流速v(CO2)および/またはv(H2S)よりも高くなる手段;
・前記溶解したCO2およびH2Sを含む前記加圧水流の結果としてのpH値を約2~4、好ましくは約2.5~3.5、より好ましくは約3.2に維持する手段;
・溶解したCO2および/またはH2Sを含む前記加圧水流を、h1+h2でまたは深さ>(h1+h2)で反応性岩石を含む地中貯留層中に注入する手段。 - 深さh1≧0の合流点で前記注入管(206)に取り付けられたスパージング用の手段(207)をさらに備えることを特徴とする、請求項9に記載のシステム。
- 前記注入パイプ(206)は、前記外側パイプ(205)の中に下向きに延び、前記深さh1≧0の位置に開放端を有することを特徴とする、請求項9または10のいずれかに記載のシステム。
- 前記外側パイプ(205)は、前記深さh1+h2において開放端を有することを特徴とする、請求項9~11のいずれかに記載のシステム。
- さらに以下を含む、請求項9~12のいずれかに記載のシステム:
・前記溶解したCO2および/またはH2Sに比べて所定のモル比のトレーサー物質を、前記注入井戸(210/612)内の前記外側パイプ(205)の前記深さh1にある前記加圧水流に溶解させる手段;
・監視井戸(610);
・前記溶解したCO2および/またはH2Sと前記トレーサー物質とが混合された前記加圧水の少なくとも一部が、前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)から前記監視井戸(610)に流れる流路(614);
・前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質の濃度を測定し、それに基づいて、前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質のモル比を確立する手段;
・前記監視井戸(610)におけるCO2および/またはH2Sとトレーサー物質とのモル比と、前記注入井戸(210/612)の前記外管(205)の前記深さh1における前記加圧水流中の前記所定のモル比とを比較することに基づいて、CO2および/またはH2Sの削減の程度を示す削減指標を決定する手段。
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