JP3786588B2 - 深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回収した二酸化炭素を液化して深層海水中へ放出する際に用いられる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、地球温暖化が大きな社会問題となっている。これに伴い、地球規模での気候変動を引き起こす可能性があると指摘される温室効果をもった二酸化炭素（ＣＯ2 ）の大気中における濃度の上昇を抑えることが特に重要になってきている。このような背景から、二酸化炭素濃度の上昇を抑制する対策のひとつとして、火力発電所等で排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を回収し、これを液化して液体二酸化炭素とした後、たとえば水深１０００ｍ程度あるいはそれ以上の深層海水中へ送り込むことによって、長期にわたって二酸化炭素を大気から隔離するという構想が提案されている。
しかしながら、このような構想を成立させるためには、液体二酸化炭素を送り込む深層海水中において新たな環境影響が引き起こされないようにすることが必要となってくる。
【０００３】
液体二酸化炭素を深層海水中へ送り込むことによる海洋環境への影響を小さくするシステムとしては、以下に述べる二種類が提案されている。
第一のシステムは、「貯蓄型」と称されるものであり、液体二酸化炭素を深海底のくぼみのような場所に集中して溜めることにより、影響範囲を特定の場所に限定して局所化しようとする方法である。
第二のシステムは、「溶解拡散型」と称されるものであり、液体二酸化炭素を海水中に溶かし込んで薄く希釈し、広く拡散させて海水中の二酸化炭素濃度の上昇を抑制しようとする方法である。この方法は、本来海水中に溶解している二酸化炭素の濃度が、液体二酸化炭素を希釈拡散させてもある程度上昇するにとどまるという考え方に基づくものである。
【０００４】
液体二酸化炭素を高い水圧（水深１０００ｍで１００気圧程度）が作用している深層海水中へ送り込むためには、液体二酸化炭素をポンプで圧送し、同ポンプの吐出圧力と液体二酸化炭素自体の重さによるヘッド圧力との加算値が水圧より高くなければならない。
また、上述した二酸化炭素を深層海水中へ送り込んで放出する際には、放出した液体二酸化炭素がすぐに海面まで上昇して大気中に戻るのを防止し、長期間安定して深層海中に溜めておくのに適した流速や粒径がある。
そして、このような液体二酸化炭素の流速や粒径を提供するのに適した液体二酸化炭素の多孔ノズルは、たとえば特願２０００−０００６２６号において本願出願人からすでに提案されている。このように液体二酸化炭素を深層海水中へ放射するノズルの性能を所望通り維持するためには、同ノズルに供給する液体二酸化炭素の流量を一定に保つように制御する必要がある。
【０００５】
このため、液体二酸化炭素送り込み装置を構成するためには、液体二酸化炭素を収容しておく貯留タンクと、同貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、圧送された液体二酸化炭素を貯留タンクから深層海水中へ導く管路等の流路系統と、液体二酸化炭素を深層海水中へ放出するノズルとが必要になることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、液体二酸化炭素を多孔ノズルから深層海水中に良好な状態で放出するためには、ノズルに供給される液体二酸化炭素の流量を一定に保つことが極めて重要である。しかしながら、深層海水中へ液体二酸化炭素を送り込む装置については実用化されたものがなく、特に、送り込み時に液体二酸化炭素の流量を一定に保つよう流量制御までを考えた装置の提案はない。
【０００７】
さらに、上述した液体二酸化炭素は、図７に示した二酸化炭素の相状態線図からも分かるように、（１）温度上昇によって気化して気体（二酸化炭素ガス）となる、（２）急激な圧力低下によって気化する際に気化熱を奪われることで固体（ドライアイス）になる、（３）海水等と接触することでクラスレートを生成する、というような状態変化をする特性が知られている。
このため、その取扱い（温度管理や圧力管理など）については、困難になることが予想される。特に、上述した流量制御の実施を考慮すると、圧縮性流体の二酸化炭素ガス（気体）よりも非圧縮性流体である液化二酸化炭素（液体）として取り扱う方が容易に制御できるため好ましく、従って、温度の高い海面付近で液相を維持するためには液化二酸化炭素を高圧に加圧しておく必要がある。ちなみに、海面付近の水温を１０℃〜２０℃程度と仮定すれば、液化二酸化炭素を４０〜６０気圧程度の高圧まで加圧して液相に保つ必要がある。
【０００８】
従って、たとえば液体二酸化炭素の送り込みを開始する時には、上述した高圧の液体二酸化酸素が大気圧程度の低圧管路中に送り込まれることで固体化し、管路を塞いでしまうことが懸念される。
また、液体二酸化炭素の送り込みを停止する時には、ポンプ停止後も液体二酸化炭素の自重が加算されるため、ノズルの吐出圧力は外圧（深層海水の水圧）よりも高い状態がある程度維持される。このため、ポンプ停止後であっても液化二酸化炭素はノズルより深層海水中へ放出されるので、管路内の液化二酸化炭素量が減少し、海面に近い管路内では圧力低下や温度上昇によりガス化してしまうという懸念がある。
さらに、液体二酸化炭素の送り込みを停止して外圧（深層海水の圧力）がノズルの吐出圧力より高くなった場合には、深層海水がノズルから逆流して管路内に入り込むことになる。こうして海水と液体二酸化炭素とが接触すると、管路内にクラスレートが生成され、このクラスレートにより管路が塞がれるという懸念がある。
【０００９】
上述したように、いったん液体二酸化炭素が固体化したり、あるいはクラスレートを生成して管路内が塞がれてしまうと、これらを解かして正常な運転を再開することは極めて困難になる。また、送り込み開始時に液化二酸化炭素がガス化してしまうと、一定流量を保つように流量制御を行う上で大きな障害となる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、液体二酸化炭素の送り込みを開始してから停止するまでの運転において、液体二酸化炭素のガス化、固体化及びクラスレート生成といった正常運転の妨げとなるような状態変化を起こすことなく、液体二酸化炭素を安定した流量でノズルへ送り込むことができるようにした、深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ポンプの後流側となる流路系統に、前記液体二酸化炭素の流量制御手段を設け、前記流量制御手段が、前記ノズルへ圧送する液体二酸化炭素の圧力を設定圧力に保つ減圧弁と、前記ポンプと前記減圧弁との間の流路系統から分岐させた戻し流路に設けられ、液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以上になると開いて前記貯留タンクへ戻す液体二酸化炭素の圧力を一定に保つ背圧弁と、を具備してなることを特徴とするものである。
【００１１】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置によれば、ポンプ後流側の流路系統に液体二酸化炭素の流量制御手段を設けたので、ノズルへ供給する液体二酸化炭素の流量（供給圧力）を一定に保ち、長期間安定して深層海水中に溜めておくのに適した流速や粒径で放出することが可能になる。
【００１４】
請求項２に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ノズルの上流側近傍となる流路系統に、同流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置によれば、ノズルの上流側近傍となる流路系統に内圧が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段を設けたので、ポンプの運転を停止して液体二酸化炭素の送り込みを停止した時、流路系統内の圧力が一定圧力に保たれるので、内部の液体二酸化炭素が内圧の低下によりガス化することを防止できる。
【００１６】
請求項３に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ポンプの後流側となる流路系統に、流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段を設けると共に、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置によれば、ポンプ後流側の流路系統に、内部を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段とを設けたので、液体二酸化炭素の送り込みを開始する前に、充填ガスで所定圧力まで加圧された状態の流路系統内に、気液分離送出手段を用いて充填ガスと置換しながら液体二酸化炭素を送り込むことができる。このため、高圧の液体二酸化炭素が低圧の流路系統内に送り込まれることがなくなり、液体二酸化炭素が固体化することを防止できる。
【００１８】
請求項４に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記流路系統のポンプ後流側に設けた液体二酸化炭素の流量制御手段と、前記流路系統のノズル上流側近傍に設けた海水の逆流防止手段と、前記流路系統のノズル上流側近傍に設けられ流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段と、前記流路系統のポンプ後流側に設けられ流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００１９】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置によれば、流路系統のポンプ後流側に設けた液体二酸化炭素の流量制御手段と、流路系統のノズル上流側近傍に設けた海水の逆流防止手段と、流路系統のノズル上流側近傍に設けられ流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段と、流路系統のポンプ後流側に設けられ流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、充填ガスと液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段とを備えているので、液体二酸化炭素の送り込み開始時から送り込み停止時まで、液体二酸化炭素のガス化や固体化、そしてクラスレート生成といった状態変化を生じることなく、かつ、ノズルへ供給する液体二酸化炭素の流量を一定に保ち、長期間安定して深層海水中に溜めておくのに適した流速や粒径で放出することが可能になる。
【００２０】
請求項４に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置においては、前記流量制御手段が、前記ノズルへ圧送する液体二酸化炭素の圧力を設定圧力に保つ減圧弁と、前記ポンプと前記減圧弁との間の流路系統から分岐させた戻し流路に設けられ、液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以上になると開いて前記貯留タンクへ戻す液体二酸化炭素の圧力を一定に保つ背圧弁と、を具備してなるものが好ましく、これにより、ポンプで圧送される液体二酸化炭素の流量は、減圧弁及び背圧弁の作用によって、〔ノズルへの送り込み流量＝ポンプ送り込み流量−背圧弁から貯留タンクに戻る流量〕という関係になるので、一定の流量バランスが保たれる。
この場合の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、前記流量制御手段がアキュムレータを備えていることが好ましく、これにより、ポンプの脈動を吸収することができる。
【００２１】
請求項３から６のいずれかに記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置においては、前記気液分離送出手段が、気液分離プラグと、気液分離プラグ発射部と、気液分離プラグ回収部とを具備してなることが好ましく、これにより、充填ガスと液体二酸化炭素との間を気液分離プラグで分離し、液体二酸化炭素の圧力で気液分離プラグを押しながら充填ガスを押し出して、確実にかつ効率よく置換することができる。
この場合の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、前記気液分離プラグ回収部が、気液分離プラグ径より大きな断面形状を有し複数の気液分離プラグを収納可能な空間部と、該空間部の出口に設けられた気液分離プラグ径より小さな開口面積の気液分離プラグストッパ部とを具備してなることが好ましく、これにより、保圧手段やノズルのような小径部が存在しても気液分離プラグの使用が可能になる。
【００２２】
請求項９に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法は、貯留タンク内に収納された液体二酸化炭素をポンプで流路系統へ圧送し、前記液体二酸化炭素を深層海水中の流路系統出口側に設けられたノズルへ導いて該ノズルから深層海水中へ放出するようにした深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法において、
前記流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧する充填ガス加圧工程と、
前記流路系統内に気液分離送出手段を挿入し、前記充填ガスと液体二酸化炭素との間を分離した状態で前記ポンプを運転して液体二酸化炭素を圧送することで前記充填ガスをノズルから流出させる充填ガス−液体二酸化炭素置換工程と、
前記貯留タンク内の液体二酸化炭素をポンプで圧送して前記ノズルから深層海水中へ放出する液体二酸化炭素放出工程と、を設けたことを特徴とするものである。
【００２３】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法によれば、充填ガス加圧工程と、充填ガス−液体二酸化炭素置換工程と、液体二酸化炭素放出工程とを設けたので、流路系統内を充填ガスで加圧した後、気液分離手段を挿入して液体二酸化炭素を圧送すると、液体二酸化炭素が気液分離手段を押して流路系統内を進み、充填ガスを押し出す。こうして流路系統内の充填ガスを液体二酸化炭素に置換してから液体二酸化炭素放出工程に入ると、送り込み開始時における流路系統内での急激な圧力変化を防止できるので、液体二酸化炭素が固体化して流路系統内を塞ぐようなことはない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る深層海水中の液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１に示す液体二酸化炭素送り込み装置の系統図において、符号の１０は海上ユニット、５０は流路系統の一部となる管路、６０は深海ユニット、ＳＬは海面である。
【００２５】
海上ユニット１０は、たとえば船舶や海上構造物上などに設置されて液体二酸化炭素を深層海水中へ送り出す側のユニットである。この海上ユニット１０において、図中の符号１１は貯留タンク（液体ＣＯ2 タンク）、１２はポンプ、１３はアキュムレータ、１４は減圧弁、１５は安全弁、１６は気液分離プラグ発射部、１７ａ，１７ｂは仕切弁、１７ｃはベント開閉弁、１８は充填ガスシリンダ、１９は気液分離プラグ送出用窒素（Ｎ2 ）ガスシリンダ、２０は背圧弁であり、これらの各機器間は流路系統の一部となる配管等の管路３０により接続されている。
【００２６】
深海ユニット６０は、たとえば１０００ｍ程度の深海に設置されて深層海水中へ液体二酸化炭素を放出する側のユニットである。この深海ユニット６０は管路５０等の流路系統により海上ユニット１０と接続され、海上ユニット１０側から順に、気液分離プラグ回収部６１、保圧弁６２、逆止弁６３及びノズル６４が設置されている。
【００２７】
貯留タンク１１は、深層海水中へ送り込む液体二酸化炭素を収容しておく圧力容器であり、通常の外気温において液体二酸化炭素の液層を維持するため、内部は気液２相状態で所定の圧力・温度に維持されている。貯留タンク１１の底部には、タンク内の液体二酸化炭素をポンプ１２の吸入側に導くよう管路３１が接続されている。
ここで使用する液体二酸化炭素圧送用のポンプは、液体二酸化炭素を高圧（たとえば４０〜６０気圧）に加圧して送出するものであり、具体的には、プランジャポンプ等が好適である。ポンプ１２の吐出側に接続された管路３２は、分岐点Ａにおいて、深海ユニット６０に接続される放出管路３３と、貯留タンク１１に戻るリターン管路３４とに分岐される。
【００２８】
一方の放出管路３３には、ポンプ側から順に、アキュムレータ１３、減圧弁１４、安全弁１５、気液分離プラグ発射部１６、仕切弁１７ａ，１７ｂ及びベント開閉弁１７ｃが設けられている。
アキュムレータ１３は、たとえば、圧力容器の内部に二酸化炭素ガスなど不活性ガスを袋状隔膜に入れて封入しておき、液体二酸化炭素の圧力変動を気体層に吸収させる目的で設置したものである。
減圧弁１４は、ポンプ１２で加圧された液体二酸化炭素が所定圧力以上の高圧で深海ユニット６０側へ送り込まれるのを防止する機能を有するものである。すなわち、減圧弁１４は、液体二酸化炭素が設定圧力以上の高圧で通過しようとすれば、これを検出して弁開度を自動的に閉方向に変化させて減圧するので、設定圧力以上の流体を通さないように構成された自動弁である。なお、この減圧弁１４は、後述する背圧弁２０と共に、供給圧力を一定に保つことで、ポンプ１２から圧送されてくる液体二酸化炭素が深海ユニット６０のノズル６４に送り込まれる流量を一定に保つ流量制御手段を構成している。
【００２９】
安全弁１５は、液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以上となった時に開いて装置の破損を防止する目的で設けられたものであり、この場合の設定圧力は装置全体の設計圧力に応じて適宜決められる値である。
気液分離プラグ発射部１６は、図示省略の気液分離プラグや仕切弁１７ａ，１７ｂ、ベント開閉弁１７ｃ、気液分離プラグ送出用窒素ガスシリンダ１９及び後述する気液分離プラグ回収部６１などと共に気液分離送出手段を構成するものであり、流路系統内に気液分離プラグを挿入して液体二酸化炭素の圧力で押し出すための発射管を備えている。ここで使用する気液分離プラグは、従来より配管中の清掃などに使用されているものであり、また、仕切弁１７ａ，１７ｂにはボールバルブを使用する。
なお、気液分離プラグ送出用窒素ガスシリンダ１９は、液体二酸化炭素を送り込む前に、配管内の清掃や水分の除去を行う場合に使用されるものである。この場合にも、気液分離プラグを使用することで、効率よく配管内の異物（ごみや水分等）を除去することができる。
【００３０】
ガス充填手段として設けた充填ガスシリンダ１８は、液体二酸化炭素を流路系統内に送り込む前段階で、流路系内を所定圧力まで加圧する目的で使用する充填ガスが貯蔵されたものである。ここで使用可能な充填ガスとしては、乾燥空気、窒素ガス及び二酸化炭素ガスなどが好適であり、以下の説明では、窒素ガスを使用するものとして説明する。
【００３１】
背圧弁２０は、管路３２側における液体二酸化炭素の圧力が設定値以上になると開き、ポンプ１２側の送り込み圧力を一定に保つ機能を有する自動弁である。すなわち、上述した減圧弁１４の開度が小さくなって管路３２の圧力が上昇した場合、背圧弁２０を開くことでポンプ１２から圧送されてくる液体二酸化炭素の一部が管路３４を通って貯留タンク１１に戻るようにしてある。なお、管路３４を与圧のかかっている貯留タンク１１と接続することで、背圧弁２０出口側の液体二酸化炭素はドライアイス化しない。また、液体二酸化炭素を貯留タンク１１に戻し、再び送り出しに使用できる。
【００３２】
続いて、深海ユニット６０に設けられた気液分離プラグ回収部６１は、気液分離プラグ発射部１６から挿入されて管路５０を通過してきた気液分離プラグを回収するために設けたものである。ここで気液分離プラグを回収する目的は、気液分離プラグ回収部６１よりノズル６４側の管路５０には気液分離プラグが通過できない小径部分を備えた保圧弁６２が設けられているためであり、従って、気液分離プラグ回収部６１は、保圧弁６２を保護するためにも上流側の近傍に設置する必要がある。
【００３３】
ここで、気液分離プラグ回収部６１の構成例を図５に示して説明する。図５において、符号の６１１は空間部、６１２は入口、６１３は出口、６１４は気液分離プラグストッパ部、６１５は接合部である。
気液分離プラグ回収部６１は、気液分離プラグ径より大きな断面形状を有し、かつ、複数の気液分離プラグを収容可能な容積とした空間部６１１を管路５０に設け、同空間部６１１の出口６１３に気液分離プラグストッパ部６１４を設置した構成となっている。気液分離プラグストッパ部６１４は、液体二酸化炭素は通過できるものの気液分離プラグを通さないという機能を有するものであり、たとえば各開口が気液分離プラグ径より小さな格子状部材を使用できる。また、空間部６１１については、回収した気液分離プラグを取り出すため分割構造とするのが好ましく、たとえばフランジや高圧用継手による接合部６１５を設けておくとよい。
【００３４】
保圧手段として管路５０に設けた保圧弁６２は、通常リリーフバルブと呼ばれている自動弁のことである。この保圧弁６２は、管路５０の内圧、すなわち液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以下となった時に閉じて、上流側の圧力が設定圧力より低下するのを防止する機能を有している。また、この保圧弁６２は、ノズル６４から外部へ放出される液体二酸化炭素の流れがある時には、圧力損失となって減圧する減圧弁としても機能する。なお、ノズル６４より外部へ放出される液体二酸化炭素の圧力は、外部と略同圧まで減圧する必要がある。
逆流防止手段として管路５０の保圧弁６２より下流側に設けた逆止弁６３は、管路５０の流れ方向を規制する機能を有するものである。この場合の逆止弁６３は、管路５０内の圧力よりも深層海水側の圧力が高くなった時、海水が逆流して管路５０内に入り込み、液体二酸化炭素と接触するのを防止する目的で設けられている。
【００３５】
ノズル６４は、深層海水中に放出する液体二酸化炭素の液滴のサイズ（粒径）や放出速度を制御するものである。これは、液体二酸化炭素を長期間安定して深層海水中に溜めておくのに適した流速や粒径があるためであり、放出する液体二酸化炭素の粒径はノズル径により、そして、放出速度はノズル面積及びノズル個数により制御する。ノズル６４の放出流量（吐出量）は、ノズル径が一定であれば吐出圧力によって決まり、放出速度、放出流量、ノズル面積及びノズル個数の関係は下記のようになる。
放出速度＝放出流量／（ノズル面積×ノズル個数）
なお、流路系統を構成する管路３０，５０は、配管、パイプラインである。
【００３６】
この他にも、流路系統を構成する管路３０，５０には、運転モードの切り換えやメンテナンスを行う際に使用する開閉弁やドレン弁、そして圧力計などが必要に応じて適宜設けられている。
【００３７】
以下では、上述した構成の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置の作用について、図４に示す運転手順（方法）とともに説明する。
さて、液体二酸化炭素送り込み装置を運転する前には、管路３０，５０内の水分や異物の除去を十分に行っておく。この作業は、深海ユニット６０を海中に設置する前に、陸上や海上で実施しておくのが好ましい。この時、気液分離プラグを使用すると作業が効率化できる。
海上ユニット１０及び深海ユニット６０を所定の位置に設置した後、最初に充填ガス加圧工程Ｓ１０を実施する。この充填ガス加圧工程Ｓ１０では、流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧する。この工程における各弁類の開閉状態は図２に示されており、図中で黒塗りされた手動の弁類が閉じられている。
【００３８】
ここでは、充填ガスとして充填ガスシリンダ１８内に貯蔵されている窒素ガスを使用する。各種の準備が完了したら、充填ガスシリンダ１８の元弁３５を開とし、流路系統内に窒素ガスを供給する。この時、貯留タンク１１やポンプ１２へ接続された管路３２，３４については、途中に設けた開閉弁３６，３７が閉じられているため、窒素ガスが流入してその圧力を受けるようなことはない。
充填ガスシリンダ１８から供給される窒素ガスは、管路３３を通って深海ユニット６０側へ供給される。深海ユニット６０側では、この時点で海水の水圧が高いため逆止弁６３は閉じられ、保圧弁６２も管路５０内が設定圧力以下の状態にあるため閉じている。こうして窒素ガスの供給を続けることにより、流路系統内は所定の圧力まで加圧される。なお、加圧圧力の確認は、適所に設けた圧力計などにより確認することができる。
【００３９】
充填ガス加圧工程Ｓ１０が完了すると、続いて充填ガス−液体二酸化炭素置換工程Ｓ２０を開始する。なお、充填ガス−液体二酸化炭素置換工程Ｓ２０開始時（すなわちステップＳ２１）における各弁類の開閉状態は図３に示されており、図中で黒塗りされた手動の弁類が閉じられている。
この工程では、最初のステップＳ２１において、仕切弁１７ａ，１７ｂを閉とし、かつ、ベント開閉弁１７ｃを開とする。これは、上述した充填ガス加圧工程で充填された窒素ガスにより配管内が高圧になっているため、仕切弁１７ａ，１７ｂ間の圧力をベント開閉弁１７ｃから抜いてから、気液分離プラグのセットを実施するためである。
【００４０】
続くステップＳ２２では、図示省略の挿入口より気液分離プラグ発射部１６内に気液分離プラグをセットする。これにより、流路系統内の管路３３に気液分離プラグが挿入され、仕切弁１７ａ，１７ｂは閉状態が維持され、ベント開閉弁１７ｃは閉じられる。
【００４１】
この後、ステップＳ２３で仕切弁１７ｂを開くと、気液分離プラグは管路５０側から窒素ガスの押圧を受けて仕切弁１７ａ側に押しやられる。
続くステップＳ２４において、ポンプ１２の運転を開始して液体二酸化炭素を圧送すると共に、ステップＳ２５において、液体二酸化炭素の圧力上昇に応じて仕切弁１７ｂを開とする。この結果、各弁類は図１に示す開閉状態、すなわち後述する液体二酸化炭素放出工程と同様になり、気液分離プラグは後端面に液体二酸化炭素の圧力を受けるようになる。なお、仕切弁１７ｂを開とする時には、ポンプ１２側の圧力が管路５０側よりも高い状態にあることを圧力計などで確認する必要がある。
【００４２】
そして、次のステップＳ２６では、液体二酸化炭素の圧力により気液分離プラグを深海ユニット６０側へ押し出し、管路３０，５０内の窒素ガスを液体二酸化炭素に置換する。この時の気液分離プラグは、窒素ガスと液体二酸化炭素との間を分離した状態で管路３０，５０内を進み、管路３０，５０内の圧力を上昇させる。
こうして保圧弁６２の設定圧力以上になると、閉状態の保圧弁６２が開いて窒素ガスの圧力が逆止弁６３に作用する。通常保圧弁６２の設定圧力は深層海水の水圧よりも高い圧力になるので、保圧弁６２のすぐ下流側にある逆止弁６３は、窒素ガスの圧力が作用するのとほぼ同時に開く。このため、窒素ガスは気液分離プラグ及び液体二酸化炭素に押し出されるようにして、ノズル６４から深層海水中へ放出される。すなわち、気液分離プラグは気体の窒素ガスと液体二酸化炭素との間に設けられた気体と液体を分離する栓として機能するので、窒素ガスが液体二酸化炭素側に漏れ出すようなことはなく、確実で効率のよい置換が可能になる。
【００４３】
上述した充填ガス−液体二酸化炭素置換工程Ｓ２０を設けたことにより、液体二酸化炭素の送り込み開始時においては、高圧の液体二酸化炭素は所定圧力まで加圧された流路系統内に送り込まれるので、充填ガスによる加圧を行わない場合に想定される急激な圧力低下（たとえば４０〜６０気圧程度の高圧から大気圧程度の低圧まで）を原因とする固体化、すなわち液体二酸化炭素がドライアイスとなって管路３０，５０内を塞いでしまうことを防止することができる。
充填ガスと液体二酸化炭素とを置換するために使用された気液分離プラグは、気液分離プラグ回収部６１まで進んで気液分離プラグストッパ部６１４にこれ以上の前進を阻止され、空間部６１１内に回収されて保管される。
なお、気液分離プラグ回収部６１内には複数個の気液分離プラグを保管することが可能であり、従って、複数回の運転開始操作を実施して回収された複数個の気液分離プラグは、深海ユニット６０を海中から引き上げた時にまとめて空間部６１１内から取り出すことができる。
【００４４】
このようにして充填ガス−液体二酸化炭素置換工程Ｓ２０が完了すると、ようやく液体二酸化炭素放出工程Ｓ３０に入る。この工程では、ポンプ１２の運転を継続することで、貯留タンク１１内の液体二酸化炭素をノズル６４から深層海水中へ放出する。なお、液体二酸化炭素放出工程Ｓ３０における各弁類の開閉状態は図１に示されており、図中で黒塗りされた手動の弁類が閉じられている。
この工程では、ポンプ１２よりノズル６４へ圧送される液体二酸化炭素の流量を一定に保ち、ノズル６４の吐出圧力及び吐出流量を所望の値に維持することが最も重要である。これは、深層海水中へ放出した液体二酸化炭素を長期間にわたって海水中にとどめておくには、ノズル６４から放出される液体二酸化炭素の流速や粒径を最適値に保つ必要があるためである。
【００４５】
上述したポンプ１２にたとえばプランジャポンプのような脈動を生じるタイプを使用した場合、ノズル６４へ送り込まれる液体二酸化炭素の流れには、図６（ａ）に示すように周期的な圧力変動が生じる。このような圧力変動は、ノズル６４から放出される液体二酸化炭素の放出流量や粒径をも変動させるという影響を及ぼすため、極力なくすことが望ましい。
そこで、ポンプ１２の下流側に位置するように、管路３０にアキュムレータ１３を設置してある。このようなアキュムレータ１３を設置することによって、図６（ａ）に示した圧力変動は気体層において吸収されるため、図６（ｂ）に示すように、ポンプ１２よりノズル６４へ一定圧力での安定した送り込みが可能となる。
【００４６】
このような液体二酸化炭素の流量制御を行うため、減圧弁１４及び背圧弁２０が以下に説明する流量制御手段として機能する。
一方の減圧弁１４は、ポンプ１２で加圧された液体二酸化炭素が所定圧力以上の高圧で深海ユニット６０側へ送り込まれるのを防止する機能を有し、他方の背圧弁２０は、管路３２側における液体二酸化炭素の圧力が設定値以上になると開き、ポンプ１２側の送り込み圧力を一定に保つ機能を有する。
【００４７】
このため、減圧弁１４と背圧弁２０との間においては、減圧弁１４を通過する液体二酸化炭素の流量（ノズルへの送り込み流量）は、ポンプ１２の送り込み流量（ポンプ吐出流量）から背圧弁２０を通過して貯留タンク１１に戻される流量（タンク戻し流量）を差し引いた値になる、という相関関係がある。
すなわち、
ノズルへの送り込み流量＝ポンプ吐出流量−タンク戻し流量
という関係式で示すことができる。
この結果、ポンプ１２の吐出流量（吐出圧力）が増大すると減圧弁１４が開度を狭めてノズル６４へ流れる流量（圧力）を減じ、同時に、減圧弁１４の上流側で生じる圧力上昇により、背圧弁２０の開度が増して貯留タンク１１へ戻す流量を増加させるので、流路系統においては一定の流量バランスが保たれる。
従って、ノズル６４へ送り込まれる液体二酸化炭素の流量は一定になり、出口のノズル６４においても、深層海水中に長期間溜めておくのに適した所望の吐出圧力及び吐出流量で放出することができる。
【００４８】
続いて、ポンプ１２の運転を止めて、液体二酸化炭素の送り込みを停止する場合について説明する。
ポンプ１２の運転を停止すると、ノズル６４の吐出圧力には水深に相当する液体二酸化炭素の自重が作用するため、外圧より圧力の高い状態が継続して液体二酸化炭素が海水中へ放出される。この結果、放出分を補給するポンプ１２が停止しているため、管路５０内の液体二酸化炭素量が減少して圧力低下をするが、この圧力低下を検出すると保圧弁６２が閉じる。
【００４９】
このため、液体二酸化炭素がノズル６４から放出することは保圧弁６２を閉じることによって阻止されるので、管路５０の内圧がこれ以上低下するのを防止できる。従って、特に管路５０の中でも圧力が低くなる海面に近い領域において、液体二酸化炭素がガス化してしまい、ポンプ１２による液体二酸化炭素の再度の送り込み運転時にガス化した二酸化炭素が流量制御の妨げとなるのを防止できるようになる。
【００５０】
最後に、液体二酸化炭素の送り込みが終了した後の操作、すなわち深海ユニット６０を引き上げる場合の操作について説明する。
この場合、長い管路５０内には液体二酸化炭素が残っており、引き上げる前に管路５０内の液体二酸化炭素を全て深層海水中に放出する必要がある。この操作はに高圧の窒素ガスが用いられ、たとえば通常１５〜２０Ｍｐａ程度のガス圧力が得られる液体窒素ボンベをポンプ１２に代えて管路３２と接続し、同窒素ガスの圧力で管路５０内の液体二酸化炭素をノズル６４から深層海水中へ押し出すようにして放出する。
【００５１】
この時、上流側の窒素ガスと液体二酸化炭素との間については、順序は逆になるものの、上述した充填ガス−液体二酸化炭素置換工程のように気液分離プラグを使用することで効率よく放出させることが可能になる。ただし、窒素ガスの自重はほとんどないため、窒素ガスで液体二酸化炭素を押し出すのに必要な圧力は放出終了直前が最大で、深層海水の水圧（ノズル６４の出口に作用する水圧）に保圧弁６２の設定圧力を加えた値となるが、放出の途中は液体二酸化炭素の自重が作用する分だけ低い圧力でよい。
なお、管路５０内の液体二酸化炭素放出を海上ユニット１０や陸上などで実施すると、周囲の環境に悪影響を及ぼすだけでなく、ドライアイスの生成による管路閉塞の恐れがあるため好ましくない。
【００５２】
さて、上述した実施形態の説明では、（１）流量制御手段となる減圧弁１４及び背圧弁２０、（２）ポンプ１２の脈動を吸収して流量制御手段の機能を向上させるアキュムレータ１３、（３）逆流防止手段となる逆止弁６３、（４）保圧手段となる保圧弁６２、（５）液体二酸化炭素の送り込み開始時に使用するガス充填手段となる充填ガスシリンダ１８及び気液分離送出手段を構成する気液分離プラグ、気液分離プラグ発射部１６、気液分離プラグ回収部６１を全て設けた装置を図示して説明したが、貯留タンク１１と、同貯留タンク１１内の液体二酸化炭素を圧送するポンプ１２と、圧送された液体二酸化炭素を貯留タンクから深層海水中へ導く管路３０，５０と、液体二酸化炭素を深層海水中へ放出するノズル６４を具備してなる液体二酸化炭素送り込み装置は、上記（１）〜（５）のいずれか一つを備えることで、それぞれに対応する顕著な作用効果が得られることはいうまでもない。
【００５３】
特に、上述した（１）〜（５）の全てを備えた装置は、液体二酸化炭素の送り込み開始時から送り込み停止時まで、各運転モードにおいて液体二酸化炭素のガス化、固体化及びクラスレート生成といった無用の状態変化を生じることなく、ポンプ１２で圧送される液体二酸化炭素の安定した流量制御を実施して、長期間深層海水中に溜めておくのに適した流速及び粒径でノズル６４から放出させることができる。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明による深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法によれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、ポンプ後流側の流路系統に液体二酸化炭素の流量制御手段を設けたので、ノズルへ供給する液体二酸化炭素の流量（吐出圧力）を一定に保ち、所望の流速や粒径で深層海水中に放出することができるようになり、液体二酸化炭素を所定の液滴サイズ・放出速度に制御して放出することができるという顕著な効果を奏する。
【００５５】
請求項２に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、ノズルの上流側近傍となる流路系統に内圧が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段を設けたので、ポンプの運転を停止して液体二酸化炭素の送り込みを停止しても、流路系統内の圧力を一定圧力に保つことができる。このため、流路系統内部の液体二酸化炭素が内圧の低下によりガス化するようなことはなく、ポンプの運転再開時においても安定した流量制御が可能になるという顕著な効果を奏する。
請求項３に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、ポンプ後流側の流路系統に、内部を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段とを設けたので、液体二酸化炭素の送り込みを開始する前に、充填ガスで所定圧力まで加圧された状態の流路系統内に、気液分離送出手段を用いて充填ガスと置換しながら液体二酸化炭素を送り込むことができる。このため、高圧の液体二酸化炭素が低圧の流路系統内に送り込まれるようなことはなくなり、液体二酸化炭素が固体化して管路を塞ぐのを防止できるという顕著な効果を奏する。
【００５６】
請求項４に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、流路系統のポンプ後流側に設けた液体二酸化炭素の流量制御手段と、流路系統のノズル上流側近傍に設けた海水の逆流防止手段と、流路系統のノズル上流側近傍に設けられ流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段と、流路系統のポンプ後流側に設けられ流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、充填ガスと液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段とを備えているので、液体二酸化炭素の送り込み開始時から送り込み停止時まで、液体二酸化炭素のガス化や固体化、そしてクラスレート生成といった運転を阻害するような状態変化を生じることなく、かつ、ノズルへ供給する液体二酸化炭素の流量を一定に保ち、所望の流速や粒径で深層海水中へ安定した放出をすることができ、液体二酸化炭素を長期間安定して深層海水中に溜めておくことができる実用的な装置を提供できるという顕著な効果を奏する。
【００５７】
請求項９に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法は、充填ガス加圧工程と、充填ガス−液体二酸化炭素置換工程と、液体二酸化炭素放出工程とを設けたので、流路系統内を充填ガスで加圧した後、気液分離手段を挿入して液体二酸化炭素を圧送すると、液体二酸化炭素が気液分離手段を押して流路系統内を進み、充填ガスをノズルから押し出すことができる。こうして流路系統内の充填ガスを液体二酸化炭素に置換してから液体二酸化炭素放出工程に入ると、送り込み開始時における流路系統内での急激な圧力変化を防止できるので、液体二酸化炭素が固体化して流路系統内を塞ぐのを防止することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を示す系統図で、液体二酸化炭素放出工程の状態を示している。
【図２】 本発明に係る深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を示す系統図で、液体二酸化炭素充填ガス加圧工程の状態を示している。
【図３】 本発明に係る深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を示す系統図で、充填ガス−液体二酸化炭素置換工程開始時（ステップＳ２１）の状態を示している。
【図４】 本発明に係る深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を示す図で、装置の運転手順及び方法を説明するフローチャートである。
【図５】 気液分離プラグ回収部の構成例を示す図であり、（ａ）は内部構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図６】 アキュムレータ設置の作用効果を説明するため液体二酸化炭素の圧力Ｐが時間とともに変化する様子を示した図で、（ａ）はアキュムレータがない場合、（ｂ）はアキュムレータを設けた場合である。
【図７】 二酸化炭素の相状態を示す線図である。
【符号の説明】
１０ 海上ユニット
１１ 貯留タンク
１２ ポンプ
１３ アキュムレータ
１４ 減圧弁
１６ 気液分離プラグ発射部
１７ａ，１７ｂ 仕切弁
１７ｃ ベント開閉弁
１８ 充填ガスシリンダ
２０ 背圧弁
３０，５０ 管路（流路系統）
６０ 深海ユニット
６１ 気液分離プラグ回収部
６２ 保圧弁
６３ 逆止弁
６４ ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、回収した二酸化炭素を液化して深層海水中へ放出する際に用いられる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、地球温暖化が大きな社会問題となっている。これに伴い、地球規模での気候変動を引き起こす可能性があると指摘される温室効果をもった二酸化炭素（ＣＯ2 ）の大気中における濃度の上昇を抑えることが特に重要になってきている。このような背景から、二酸化炭素濃度の上昇を抑制する対策のひとつとして、火力発電所等で排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を回収し、これを液化して液体二酸化炭素とした後、たとえば水深１０００ｍ程度あるいはそれ以上の深層海水中へ送り込むことによって、長期にわたって二酸化炭素を大気から隔離するという構想が提案されている。
しかしながら、このような構想を成立させるためには、液体二酸化炭素を送り込む深層海水中において新たな環境影響が引き起こされないようにすることが必要となってくる。
【０００３】
液体二酸化炭素を深層海水中へ送り込むことによる海洋環境への影響を小さくするシステムとしては、以下に述べる二種類が提案されている。
第一のシステムは、「貯蓄型」と称されるものであり、液体二酸化炭素を深海底のくぼみのような場所に集中して溜めることにより、影響範囲を特定の場所に限定して局所化しようとする方法である。
第二のシステムは、「溶解拡散型」と称されるものであり、液体二酸化炭素を海水中に溶かし込んで薄く希釈し、広く拡散させて海水中の二酸化炭素濃度の上昇を抑制しようとする方法である。この方法は、本来海水中に溶解している二酸化炭素の濃度が、液体二酸化炭素を希釈拡散させてもある程度上昇するにとどまるという考え方に基づくものである。
【０００４】
液体二酸化炭素を高い水圧（水深１０００ｍで１００気圧程度）が作用している深層海水中へ送り込むためには、液体二酸化炭素をポンプで圧送し、同ポンプの吐出圧力と液体二酸化炭素自体の重さによるヘッド圧力との加算値が水圧より高くなければならない。
また、上述した二酸化炭素を深層海水中へ送り込んで放出する際には、放出した液体二酸化炭素がすぐに海面まで上昇して大気中に戻るのを防止し、長期間安定して深層海中に溜めておくのに適した流速や粒径がある。
そして、このような液体二酸化炭素の流速や粒径を提供するのに適した液体二酸化炭素の多孔ノズルは、たとえば特願２０００−０００６２６号において本願出願人からすでに提案されている。このように液体二酸化炭素を深層海水中へ放射するノズルの性能を所望通り維持するためには、同ノズルに供給する液体二酸化炭素の流量を一定に保つように制御する必要がある。
【０００５】
このため、液体二酸化炭素送り込み装置を構成するためには、液体二酸化炭素を収容しておく貯留タンクと、同貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、圧送された液体二酸化炭素を貯留タンクから深層海水中へ導く管路等の流路系統と、液体二酸化炭素を深層海水中へ放出するノズルとが必要になることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、液体二酸化炭素を多孔ノズルから深層海水中に良好な状態で放出するためには、ノズルに供給される液体二酸化炭素の流量を一定に保つことが極めて重要である。しかしながら、深層海水中へ液体二酸化炭素を送り込む装置については実用化されたものがなく、特に、送り込み時に液体二酸化炭素の流量を一定に保つよう流量制御までを考えた装置の提案はない。
【０００７】
さらに、上述した液体二酸化炭素は、図７に示した二酸化炭素の相状態線図からも分かるように、（１）温度上昇によって気化して気体（二酸化炭素ガス）となる、（２）急激な圧力低下によって気化する際に気化熱を奪われることで固体（ドライアイス）になる、（３）海水等と接触することでクラスレートを生成する、というような状態変化をする特性が知られている。
このため、その取扱い（温度管理や圧力管理など）については、困難になることが予想される。特に、上述した流量制御の実施を考慮すると、圧縮性流体の二酸化炭素ガス（気体）よりも非圧縮性流体である液化二酸化炭素（液体）として取り扱う方が容易に制御できるため好ましく、従って、温度の高い海面付近で液相を維持するためには液化二酸化炭素を高圧に加圧しておく必要がある。ちなみに、海面付近の水温を１０℃〜２０℃程度と仮定すれば、液化二酸化炭素を４０〜６０気圧程度の高圧まで加圧して液相に保つ必要がある。
【０００８】
従って、たとえば液体二酸化炭素の送り込みを開始する時には、上述した高圧の液体二酸化酸素が大気圧程度の低圧管路中に送り込まれることで固体化し、管路を塞いでしまうことが懸念される。
また、液体二酸化炭素の送り込みを停止する時には、ポンプ停止後も液体二酸化炭素の自重が加算されるため、ノズルの吐出圧力は外圧（深層海水の水圧）よりも高い状態がある程度維持される。このため、ポンプ停止後であっても液化二酸化炭素はノズルより深層海水中へ放出されるので、管路内の液化二酸化炭素量が減少し、海面に近い管路内では圧力低下や温度上昇によりガス化してしまうという懸念がある。
さらに、液体二酸化炭素の送り込みを停止して外圧（深層海水の圧力）がノズルの吐出圧力より高くなった場合には、深層海水がノズルから逆流して管路内に入り込むことになる。こうして海水と液体二酸化炭素とが接触すると、管路内にクラスレートが生成され、このクラスレートにより管路が塞がれるという懸念がある。
【０００９】
上述したように、いったん液体二酸化炭素が固体化したり、あるいはクラスレートを生成して管路内が塞がれてしまうと、これらを解かして正常な運転を再開することは極めて困難になる。また、送り込み開始時に液化二酸化炭素がガス化してしまうと、一定流量を保つように流量制御を行う上で大きな障害となる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、液体二酸化炭素の送り込みを開始してから停止するまでの運転において、液体二酸化炭素のガス化、固体化及びクラスレート生成といった正常運転の妨げとなるような状態変化を起こすことなく、液体二酸化炭素を安定した流量でノズルへ送り込むことができるようにした、深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ポンプの後流側となる流路系統に、前記液体二酸化炭素の流量制御手段を設け、前記流量制御手段が、前記ノズルへ圧送する液体二酸化炭素の圧力を設定圧力に保つ減圧弁と、前記ポンプと前記減圧弁との間の流路系統から分岐させた戻し流路に設けられ、液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以上になると開いて前記貯留タンクへ戻す液体二酸化炭素の圧力を一定に保つ背圧弁と、を具備してなることを特徴とするものである。
【００１１】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置によれば、ポンプ後流側の流路系統に液体二酸化炭素の流量制御手段を設けたので、ノズルへ供給する液体二酸化炭素の流量（供給圧力）を一定に保ち、長期間安定して深層海水中に溜めておくのに適した流速や粒径で放出することが可能になる。
【００１４】
請求項２に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ノズルの上流側近傍となる流路系統に、同流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置によれば、ノズルの上流側近傍となる流路系統に内圧が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段を設けたので、ポンプの運転を停止して液体二酸化炭素の送り込みを停止した時、流路系統内の圧力が一定圧力に保たれるので、内部の液体二酸化炭素が内圧の低下によりガス化することを防止できる。
【００１６】
請求項３に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ポンプの後流側となる流路系統に、流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段を設けると共に、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置によれば、ポンプ後流側の流路系統に、内部を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段とを設けたので、液体二酸化炭素の送り込みを開始する前に、充填ガスで所定圧力まで加圧された状態の流路系統内に、気液分離送出手段を用いて充填ガスと置換しながら液体二酸化炭素を送り込むことができる。このため、高圧の液体二酸化炭素が低圧の流路系統内に送り込まれることがなくなり、液体二酸化炭素が固体化することを防止できる。
【００１８】
請求項４に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記流路系統のポンプ後流側に設けた液体二酸化炭素の流量制御手段と、前記流路系統のノズル上流側近傍に設けた海水の逆流防止手段と、前記流路系統のノズル上流側近傍に設けられ流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段と、前記流路系統のポンプ後流側に設けられ流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００１９】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置によれば、流路系統のポンプ後流側に設けた液体二酸化炭素の流量制御手段と、流路系統のノズル上流側近傍に設けた海水の逆流防止手段と、流路系統のノズル上流側近傍に設けられ流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段と、流路系統のポンプ後流側に設けられ流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、充填ガスと液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段とを備えているので、液体二酸化炭素の送り込み開始時から送り込み停止時まで、液体二酸化炭素のガス化や固体化、そしてクラスレート生成といった状態変化を生じることなく、かつ、ノズルへ供給する液体二酸化炭素の流量を一定に保ち、長期間安定して深層海水中に溜めておくのに適した流速や粒径で放出することが可能になる。
【００２０】
請求項４に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置においては、前記流量制御手段が、前記ノズルへ圧送する液体二酸化炭素の圧力を設定圧力に保つ減圧弁と、前記ポンプと前記減圧弁との間の流路系統から分岐させた戻し流路に設けられ、液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以上になると開いて前記貯留タンクへ戻す液体二酸化炭素の圧力を一定に保つ背圧弁と、を具備してなるものが好ましく、これにより、ポンプで圧送される液体二酸化炭素の流量は、減圧弁及び背圧弁の作用によって、〔ノズルへの送り込み流量＝ポンプ送り込み流量−背圧弁から貯留タンクに戻る流量〕という関係になるので、一定の流量バランスが保たれる。
この場合の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、前記流量制御手段がアキュムレータを備えていることが好ましく、これにより、ポンプの脈動を吸収することができる。
【００２１】
請求項３から６のいずれかに記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置においては、前記気液分離送出手段が、気液分離プラグと、気液分離プラグ発射部と、気液分離プラグ回収部とを具備してなることが好ましく、これにより、充填ガスと液体二酸化炭素との間を気液分離プラグで分離し、液体二酸化炭素の圧力で気液分離プラグを押しながら充填ガスを押し出して、確実にかつ効率よく置換することができる。
この場合の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、前記気液分離プラグ回収部が、気液分離プラグ径より大きな断面形状を有し複数の気液分離プラグを収納可能な空間部と、該空間部の出口に設けられた気液分離プラグ径より小さな開口面積の気液分離プラグストッパ部とを具備してなることが好ましく、これにより、保圧手段やノズルのような小径部が存在しても気液分離プラグの使用が可能になる。
【００２２】
請求項９に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法は、貯留タンク内に収納された液体二酸化炭素をポンプで流路系統へ圧送し、前記液体二酸化炭素を深層海水中の流路系統出口側に設けられたノズルへ導いて該ノズルから深層海水中へ放出するようにした深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法において、
前記流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧する充填ガス加圧工程と、
前記流路系統内に気液分離送出手段を挿入し、前記充填ガスと液体二酸化炭素との間を分離した状態で前記ポンプを運転して液体二酸化炭素を圧送することで前記充填ガスをノズルから流出させる充填ガス−液体二酸化炭素置換工程と、
前記貯留タンク内の液体二酸化炭素をポンプで圧送して前記ノズルから深層海水中へ放出する液体二酸化炭素放出工程と、を設けたことを特徴とするものである。
【００２３】
このような深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法によれば、充填ガス加圧工程と、充填ガス−液体二酸化炭素置換工程と、液体二酸化炭素放出工程とを設けたので、流路系統内を充填ガスで加圧した後、気液分離手段を挿入して液体二酸化炭素を圧送すると、液体二酸化炭素が気液分離手段を押して流路系統内を進み、充填ガスを押し出す。こうして流路系統内の充填ガスを液体二酸化炭素に置換してから液体二酸化炭素放出工程に入ると、送り込み開始時における流路系統内での急激な圧力変化を防止できるので、液体二酸化炭素が固体化して流路系統内を塞ぐようなことはない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る深層海水中の液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１に示す液体二酸化炭素送り込み装置の系統図において、符号の１０は海上ユニット、５０は流路系統の一部となる管路、６０は深海ユニット、ＳＬは海面である。
【００２５】
海上ユニット１０は、たとえば船舶や海上構造物上などに設置されて液体二酸化炭素を深層海水中へ送り出す側のユニットである。この海上ユニット１０において、図中の符号１１は貯留タンク（液体ＣＯ2 タンク）、１２はポンプ、１３はアキュムレータ、１４は減圧弁、１５は安全弁、１６は気液分離プラグ発射部、１７ａ，１７ｂは仕切弁、１７ｃはベント開閉弁、１８は充填ガスシリンダ、１９は気液分離プラグ送出用窒素（Ｎ2 ）ガスシリンダ、２０は背圧弁であり、これらの各機器間は流路系統の一部となる配管等の管路３０により接続されている。
【００２６】
深海ユニット６０は、たとえば１０００ｍ程度の深海に設置されて深層海水中へ液体二酸化炭素を放出する側のユニットである。この深海ユニット６０は管路５０等の流路系統により海上ユニット１０と接続され、海上ユニット１０側から順に、気液分離プラグ回収部６１、保圧弁６２、逆止弁６３及びノズル６４が設置されている。
【００２７】
貯留タンク１１は、深層海水中へ送り込む液体二酸化炭素を収容しておく圧力容器であり、通常の外気温において液体二酸化炭素の液層を維持するため、内部は気液２相状態で所定の圧力・温度に維持されている。貯留タンク１１の底部には、タンク内の液体二酸化炭素をポンプ１２の吸入側に導くよう管路３１が接続されている。
ここで使用する液体二酸化炭素圧送用のポンプは、液体二酸化炭素を高圧（たとえば４０〜６０気圧）に加圧して送出するものであり、具体的には、プランジャポンプ等が好適である。ポンプ１２の吐出側に接続された管路３２は、分岐点Ａにおいて、深海ユニット６０に接続される放出管路３３と、貯留タンク１１に戻るリターン管路３４とに分岐される。
【００２８】
一方の放出管路３３には、ポンプ側から順に、アキュムレータ１３、減圧弁１４、安全弁１５、気液分離プラグ発射部１６、仕切弁１７ａ，１７ｂ及びベント開閉弁１７ｃが設けられている。
アキュムレータ１３は、たとえば、圧力容器の内部に二酸化炭素ガスなど不活性ガスを袋状隔膜に入れて封入しておき、液体二酸化炭素の圧力変動を気体層に吸収させる目的で設置したものである。
減圧弁１４は、ポンプ１２で加圧された液体二酸化炭素が所定圧力以上の高圧で深海ユニット６０側へ送り込まれるのを防止する機能を有するものである。すなわち、減圧弁１４は、液体二酸化炭素が設定圧力以上の高圧で通過しようとすれば、これを検出して弁開度を自動的に閉方向に変化させて減圧するので、設定圧力以上の流体を通さないように構成された自動弁である。なお、この減圧弁１４は、後述する背圧弁２０と共に、供給圧力を一定に保つことで、ポンプ１２から圧送されてくる液体二酸化炭素が深海ユニット６０のノズル６４に送り込まれる流量を一定に保つ流量制御手段を構成している。
【００２９】
安全弁１５は、液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以上となった時に開いて装置の破損を防止する目的で設けられたものであり、この場合の設定圧力は装置全体の設計圧力に応じて適宜決められる値である。
気液分離プラグ発射部１６は、図示省略の気液分離プラグや仕切弁１７ａ，１７ｂ、ベント開閉弁１７ｃ、気液分離プラグ送出用窒素ガスシリンダ１９及び後述する気液分離プラグ回収部６１などと共に気液分離送出手段を構成するものであり、流路系統内に気液分離プラグを挿入して液体二酸化炭素の圧力で押し出すための発射管を備えている。ここで使用する気液分離プラグは、従来より配管中の清掃などに使用されているものであり、また、仕切弁１７ａ，１７ｂにはボールバルブを使用する。
なお、気液分離プラグ送出用窒素ガスシリンダ１９は、液体二酸化炭素を送り込む前に、配管内の清掃や水分の除去を行う場合に使用されるものである。この場合にも、気液分離プラグを使用することで、効率よく配管内の異物（ごみや水分等）を除去することができる。
【００３０】
ガス充填手段として設けた充填ガスシリンダ１８は、液体二酸化炭素を流路系統内に送り込む前段階で、流路系内を所定圧力まで加圧する目的で使用する充填ガスが貯蔵されたものである。ここで使用可能な充填ガスとしては、乾燥空気、窒素ガス及び二酸化炭素ガスなどが好適であり、以下の説明では、窒素ガスを使用するものとして説明する。
【００３１】
背圧弁２０は、管路３２側における液体二酸化炭素の圧力が設定値以上になると開き、ポンプ１２側の送り込み圧力を一定に保つ機能を有する自動弁である。すなわち、上述した減圧弁１４の開度が小さくなって管路３２の圧力が上昇した場合、背圧弁２０を開くことでポンプ１２から圧送されてくる液体二酸化炭素の一部が管路３４を通って貯留タンク１１に戻るようにしてある。なお、管路３４を与圧のかかっている貯留タンク１１と接続することで、背圧弁２０出口側の液体二酸化炭素はドライアイス化しない。また、液体二酸化炭素を貯留タンク１１に戻し、再び送り出しに使用できる。
【００３２】
続いて、深海ユニット６０に設けられた気液分離プラグ回収部６１は、気液分離プラグ発射部１６から挿入されて管路５０を通過してきた気液分離プラグを回収するために設けたものである。ここで気液分離プラグを回収する目的は、気液分離プラグ回収部６１よりノズル６４側の管路５０には気液分離プラグが通過できない小径部分を備えた保圧弁６２が設けられているためであり、従って、気液分離プラグ回収部６１は、保圧弁６２を保護するためにも上流側の近傍に設置する必要がある。
【００３３】
ここで、気液分離プラグ回収部６１の構成例を図５に示して説明する。図５において、符号の６１１は空間部、６１２は入口、６１３は出口、６１４は気液分離プラグストッパ部、６１５は接合部である。
気液分離プラグ回収部６１は、気液分離プラグ径より大きな断面形状を有し、かつ、複数の気液分離プラグを収容可能な容積とした空間部６１１を管路５０に設け、同空間部６１１の出口６１３に気液分離プラグストッパ部６１４を設置した構成となっている。気液分離プラグストッパ部６１４は、液体二酸化炭素は通過できるものの気液分離プラグを通さないという機能を有するものであり、たとえば各開口が気液分離プラグ径より小さな格子状部材を使用できる。また、空間部６１１については、回収した気液分離プラグを取り出すため分割構造とするのが好ましく、たとえばフランジや高圧用継手による接合部６１５を設けておくとよい。
【００３４】
保圧手段として管路５０に設けた保圧弁６２は、通常リリーフバルブと呼ばれている自動弁のことである。この保圧弁６２は、管路５０の内圧、すなわち液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以下となった時に閉じて、上流側の圧力が設定圧力より低下するのを防止する機能を有している。また、この保圧弁６２は、ノズル６４から外部へ放出される液体二酸化炭素の流れがある時には、圧力損失となって減圧する減圧弁としても機能する。なお、ノズル６４より外部へ放出される液体二酸化炭素の圧力は、外部と略同圧まで減圧する必要がある。
逆流防止手段として管路５０の保圧弁６２より下流側に設けた逆止弁６３は、管路５０の流れ方向を規制する機能を有するものである。この場合の逆止弁６３は、管路５０内の圧力よりも深層海水側の圧力が高くなった時、海水が逆流して管路５０内に入り込み、液体二酸化炭素と接触するのを防止する目的で設けられている。
【００３５】
ノズル６４は、深層海水中に放出する液体二酸化炭素の液滴のサイズ（粒径）や放出速度を制御するものである。これは、液体二酸化炭素を長期間安定して深層海水中に溜めておくのに適した流速や粒径があるためであり、放出する液体二酸化炭素の粒径はノズル径により、そして、放出速度はノズル面積及びノズル個数により制御する。ノズル６４の放出流量（吐出量）は、ノズル径が一定であれば吐出圧力によって決まり、放出速度、放出流量、ノズル面積及びノズル個数の関係は下記のようになる。
放出速度＝放出流量／（ノズル面積×ノズル個数）
なお、流路系統を構成する管路３０，５０は、配管、パイプラインである。
【００３６】
この他にも、流路系統を構成する管路３０，５０には、運転モードの切り換えやメンテナンスを行う際に使用する開閉弁やドレン弁、そして圧力計などが必要に応じて適宜設けられている。
【００３７】
以下では、上述した構成の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置の作用について、図４に示す運転手順（方法）とともに説明する。
さて、液体二酸化炭素送り込み装置を運転する前には、管路３０，５０内の水分や異物の除去を十分に行っておく。この作業は、深海ユニット６０を海中に設置する前に、陸上や海上で実施しておくのが好ましい。この時、気液分離プラグを使用すると作業が効率化できる。
海上ユニット１０及び深海ユニット６０を所定の位置に設置した後、最初に充填ガス加圧工程Ｓ１０を実施する。この充填ガス加圧工程Ｓ１０では、流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧する。この工程における各弁類の開閉状態は図２に示されており、図中で黒塗りされた手動の弁類が閉じられている。
【００３８】
ここでは、充填ガスとして充填ガスシリンダ１８内に貯蔵されている窒素ガスを使用する。各種の準備が完了したら、充填ガスシリンダ１８の元弁３５を開とし、流路系統内に窒素ガスを供給する。この時、貯留タンク１１やポンプ１２へ接続された管路３２，３４については、途中に設けた開閉弁３６，３７が閉じられているため、窒素ガスが流入してその圧力を受けるようなことはない。
充填ガスシリンダ１８から供給される窒素ガスは、管路３３を通って深海ユニット６０側へ供給される。深海ユニット６０側では、この時点で海水の水圧が高いため逆止弁６３は閉じられ、保圧弁６２も管路５０内が設定圧力以下の状態にあるため閉じている。こうして窒素ガスの供給を続けることにより、流路系統内は所定の圧力まで加圧される。なお、加圧圧力の確認は、適所に設けた圧力計などにより確認することができる。
【００３９】
充填ガス加圧工程Ｓ１０が完了すると、続いて充填ガス−液体二酸化炭素置換工程Ｓ２０を開始する。なお、充填ガス−液体二酸化炭素置換工程Ｓ２０開始時（すなわちステップＳ２１）における各弁類の開閉状態は図３に示されており、図中で黒塗りされた手動の弁類が閉じられている。
この工程では、最初のステップＳ２１において、仕切弁１７ａ，１７ｂを閉とし、かつ、ベント開閉弁１７ｃを開とする。これは、上述した充填ガス加圧工程で充填された窒素ガスにより配管内が高圧になっているため、仕切弁１７ａ，１７ｂ間の圧力をベント開閉弁１７ｃから抜いてから、気液分離プラグのセットを実施するためである。
【００４０】
続くステップＳ２２では、図示省略の挿入口より気液分離プラグ発射部１６内に気液分離プラグをセットする。これにより、流路系統内の管路３３に気液分離プラグが挿入され、仕切弁１７ａ，１７ｂは閉状態が維持され、ベント開閉弁１７ｃは閉じられる。
【００４１】
この後、ステップＳ２３で仕切弁１７ｂを開くと、気液分離プラグは管路５０側から窒素ガスの押圧を受けて仕切弁１７ａ側に押しやられる。
続くステップＳ２４において、ポンプ１２の運転を開始して液体二酸化炭素を圧送すると共に、ステップＳ２５において、液体二酸化炭素の圧力上昇に応じて仕切弁１７ｂを開とする。この結果、各弁類は図１に示す開閉状態、すなわち後述する液体二酸化炭素放出工程と同様になり、気液分離プラグは後端面に液体二酸化炭素の圧力を受けるようになる。なお、仕切弁１７ｂを開とする時には、ポンプ１２側の圧力が管路５０側よりも高い状態にあることを圧力計などで確認する必要がある。
【００４２】
そして、次のステップＳ２６では、液体二酸化炭素の圧力により気液分離プラグを深海ユニット６０側へ押し出し、管路３０，５０内の窒素ガスを液体二酸化炭素に置換する。この時の気液分離プラグは、窒素ガスと液体二酸化炭素との間を分離した状態で管路３０，５０内を進み、管路３０，５０内の圧力を上昇させる。
こうして保圧弁６２の設定圧力以上になると、閉状態の保圧弁６２が開いて窒素ガスの圧力が逆止弁６３に作用する。通常保圧弁６２の設定圧力は深層海水の水圧よりも高い圧力になるので、保圧弁６２のすぐ下流側にある逆止弁６３は、窒素ガスの圧力が作用するのとほぼ同時に開く。このため、窒素ガスは気液分離プラグ及び液体二酸化炭素に押し出されるようにして、ノズル６４から深層海水中へ放出される。すなわち、気液分離プラグは気体の窒素ガスと液体二酸化炭素との間に設けられた気体と液体を分離する栓として機能するので、窒素ガスが液体二酸化炭素側に漏れ出すようなことはなく、確実で効率のよい置換が可能になる。
【００４３】
上述した充填ガス−液体二酸化炭素置換工程Ｓ２０を設けたことにより、液体二酸化炭素の送り込み開始時においては、高圧の液体二酸化炭素は所定圧力まで加圧された流路系統内に送り込まれるので、充填ガスによる加圧を行わない場合に想定される急激な圧力低下（たとえば４０〜６０気圧程度の高圧から大気圧程度の低圧まで）を原因とする固体化、すなわち液体二酸化炭素がドライアイスとなって管路３０，５０内を塞いでしまうことを防止することができる。
充填ガスと液体二酸化炭素とを置換するために使用された気液分離プラグは、気液分離プラグ回収部６１まで進んで気液分離プラグストッパ部６１４にこれ以上の前進を阻止され、空間部６１１内に回収されて保管される。
なお、気液分離プラグ回収部６１内には複数個の気液分離プラグを保管することが可能であり、従って、複数回の運転開始操作を実施して回収された複数個の気液分離プラグは、深海ユニット６０を海中から引き上げた時にまとめて空間部６１１内から取り出すことができる。
【００４４】
このようにして充填ガス−液体二酸化炭素置換工程Ｓ２０が完了すると、ようやく液体二酸化炭素放出工程Ｓ３０に入る。この工程では、ポンプ１２の運転を継続することで、貯留タンク１１内の液体二酸化炭素をノズル６４から深層海水中へ放出する。なお、液体二酸化炭素放出工程Ｓ３０における各弁類の開閉状態は図１に示されており、図中で黒塗りされた手動の弁類が閉じられている。
この工程では、ポンプ１２よりノズル６４へ圧送される液体二酸化炭素の流量を一定に保ち、ノズル６４の吐出圧力及び吐出流量を所望の値に維持することが最も重要である。これは、深層海水中へ放出した液体二酸化炭素を長期間にわたって海水中にとどめておくには、ノズル６４から放出される液体二酸化炭素の流速や粒径を最適値に保つ必要があるためである。
【００４５】
上述したポンプ１２にたとえばプランジャポンプのような脈動を生じるタイプを使用した場合、ノズル６４へ送り込まれる液体二酸化炭素の流れには、図６（ａ）に示すように周期的な圧力変動が生じる。このような圧力変動は、ノズル６４から放出される液体二酸化炭素の放出流量や粒径をも変動させるという影響を及ぼすため、極力なくすことが望ましい。
そこで、ポンプ１２の下流側に位置するように、管路３０にアキュムレータ１３を設置してある。このようなアキュムレータ１３を設置することによって、図６（ａ）に示した圧力変動は気体層において吸収されるため、図６（ｂ）に示すように、ポンプ１２よりノズル６４へ一定圧力での安定した送り込みが可能となる。
【００４６】
このような液体二酸化炭素の流量制御を行うため、減圧弁１４及び背圧弁２０が以下に説明する流量制御手段として機能する。
一方の減圧弁１４は、ポンプ１２で加圧された液体二酸化炭素が所定圧力以上の高圧で深海ユニット６０側へ送り込まれるのを防止する機能を有し、他方の背圧弁２０は、管路３２側における液体二酸化炭素の圧力が設定値以上になると開き、ポンプ１２側の送り込み圧力を一定に保つ機能を有する。
【００４７】
このため、減圧弁１４と背圧弁２０との間においては、減圧弁１４を通過する液体二酸化炭素の流量（ノズルへの送り込み流量）は、ポンプ１２の送り込み流量（ポンプ吐出流量）から背圧弁２０を通過して貯留タンク１１に戻される流量（タンク戻し流量）を差し引いた値になる、という相関関係がある。
すなわち、
ノズルへの送り込み流量＝ポンプ吐出流量−タンク戻し流量
という関係式で示すことができる。
この結果、ポンプ１２の吐出流量（吐出圧力）が増大すると減圧弁１４が開度を狭めてノズル６４へ流れる流量（圧力）を減じ、同時に、減圧弁１４の上流側で生じる圧力上昇により、背圧弁２０の開度が増して貯留タンク１１へ戻す流量を増加させるので、流路系統においては一定の流量バランスが保たれる。
従って、ノズル６４へ送り込まれる液体二酸化炭素の流量は一定になり、出口のノズル６４においても、深層海水中に長期間溜めておくのに適した所望の吐出圧力及び吐出流量で放出することができる。
【００４８】
続いて、ポンプ１２の運転を止めて、液体二酸化炭素の送り込みを停止する場合について説明する。
ポンプ１２の運転を停止すると、ノズル６４の吐出圧力には水深に相当する液体二酸化炭素の自重が作用するため、外圧より圧力の高い状態が継続して液体二酸化炭素が海水中へ放出される。この結果、放出分を補給するポンプ１２が停止しているため、管路５０内の液体二酸化炭素量が減少して圧力低下をするが、この圧力低下を検出すると保圧弁６２が閉じる。
【００４９】
このため、液体二酸化炭素がノズル６４から放出することは保圧弁６２を閉じることによって阻止されるので、管路５０の内圧がこれ以上低下するのを防止できる。従って、特に管路５０の中でも圧力が低くなる海面に近い領域において、液体二酸化炭素がガス化してしまい、ポンプ１２による液体二酸化炭素の再度の送り込み運転時にガス化した二酸化炭素が流量制御の妨げとなるのを防止できるようになる。
【００５０】
最後に、液体二酸化炭素の送り込みが終了した後の操作、すなわち深海ユニット６０を引き上げる場合の操作について説明する。
この場合、長い管路５０内には液体二酸化炭素が残っており、引き上げる前に管路５０内の液体二酸化炭素を全て深層海水中に放出する必要がある。この操作はに高圧の窒素ガスが用いられ、たとえば通常１５〜２０Ｍｐａ程度のガス圧力が得られる液体窒素ボンベをポンプ１２に代えて管路３２と接続し、同窒素ガスの圧力で管路５０内の液体二酸化炭素をノズル６４から深層海水中へ押し出すようにして放出する。
【００５１】
この時、上流側の窒素ガスと液体二酸化炭素との間については、順序は逆になるものの、上述した充填ガス−液体二酸化炭素置換工程のように気液分離プラグを使用することで効率よく放出させることが可能になる。ただし、窒素ガスの自重はほとんどないため、窒素ガスで液体二酸化炭素を押し出すのに必要な圧力は放出終了直前が最大で、深層海水の水圧（ノズル６４の出口に作用する水圧）に保圧弁６２の設定圧力を加えた値となるが、放出の途中は液体二酸化炭素の自重が作用する分だけ低い圧力でよい。
なお、管路５０内の液体二酸化炭素放出を海上ユニット１０や陸上などで実施すると、周囲の環境に悪影響を及ぼすだけでなく、ドライアイスの生成による管路閉塞の恐れがあるため好ましくない。
【００５２】
さて、上述した実施形態の説明では、（１）流量制御手段となる減圧弁１４及び背圧弁２０、（２）ポンプ１２の脈動を吸収して流量制御手段の機能を向上させるアキュムレータ１３、（３）逆流防止手段となる逆止弁６３、（４）保圧手段となる保圧弁６２、（５）液体二酸化炭素の送り込み開始時に使用するガス充填手段となる充填ガスシリンダ１８及び気液分離送出手段を構成する気液分離プラグ、気液分離プラグ発射部１６、気液分離プラグ回収部６１を全て設けた装置を図示して説明したが、貯留タンク１１と、同貯留タンク１１内の液体二酸化炭素を圧送するポンプ１２と、圧送された液体二酸化炭素を貯留タンクから深層海水中へ導く管路３０，５０と、液体二酸化炭素を深層海水中へ放出するノズル６４を具備してなる液体二酸化炭素送り込み装置は、上記（１）〜（５）のいずれか一つを備えることで、それぞれに対応する顕著な作用効果が得られることはいうまでもない。
【００５３】
特に、上述した（１）〜（５）の全てを備えた装置は、液体二酸化炭素の送り込み開始時から送り込み停止時まで、各運転モードにおいて液体二酸化炭素のガス化、固体化及びクラスレート生成といった無用の状態変化を生じることなく、ポンプ１２で圧送される液体二酸化炭素の安定した流量制御を実施して、長期間深層海水中に溜めておくのに適した流速及び粒径でノズル６４から放出させることができる。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明による深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法によれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、ポンプ後流側の流路系統に液体二酸化炭素の流量制御手段を設けたので、ノズルへ供給する液体二酸化炭素の流量（吐出圧力）を一定に保ち、所望の流速や粒径で深層海水中に放出することができるようになり、液体二酸化炭素を所定の液滴サイズ・放出速度に制御して放出することができるという顕著な効果を奏する。
【００５５】
請求項２に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、ノズルの上流側近傍となる流路系統に内圧が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段を設けたので、ポンプの運転を停止して液体二酸化炭素の送り込みを停止しても、流路系統内の圧力を一定圧力に保つことができる。このため、流路系統内部の液体二酸化炭素が内圧の低下によりガス化するようなことはなく、ポンプの運転再開時においても安定した流量制御が可能になるという顕著な効果を奏する。
請求項３に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、ポンプ後流側の流路系統に、内部を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段とを設けたので、液体二酸化炭素の送り込みを開始する前に、充填ガスで所定圧力まで加圧された状態の流路系統内に、気液分離送出手段を用いて充填ガスと置換しながら液体二酸化炭素を送り込むことができる。このため、高圧の液体二酸化炭素が低圧の流路系統内に送り込まれるようなことはなくなり、液体二酸化炭素が固体化して管路を塞ぐのを防止できるという顕著な効果を奏する。
【００５６】
請求項４に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置は、流路系統のポンプ後流側に設けた液体二酸化炭素の流量制御手段と、流路系統のノズル上流側近傍に設けた海水の逆流防止手段と、流路系統のノズル上流側近傍に設けられ流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段と、流路系統のポンプ後流側に設けられ流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、充填ガスと液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段とを備えているので、液体二酸化炭素の送り込み開始時から送り込み停止時まで、液体二酸化炭素のガス化や固体化、そしてクラスレート生成といった運転を阻害するような状態変化を生じることなく、かつ、ノズルへ供給する液体二酸化炭素の流量を一定に保ち、所望の流速や粒径で深層海水中へ安定した放出をすることができ、液体二酸化炭素を長期間安定して深層海水中に溜めておくことができる実用的な装置を提供できるという顕著な効果を奏する。
【００５７】
請求項９に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法は、充填ガス加圧工程と、充填ガス−液体二酸化炭素置換工程と、液体二酸化炭素放出工程とを設けたので、流路系統内を充填ガスで加圧した後、気液分離手段を挿入して液体二酸化炭素を圧送すると、液体二酸化炭素が気液分離手段を押して流路系統内を進み、充填ガスをノズルから押し出すことができる。こうして流路系統内の充填ガスを液体二酸化炭素に置換してから液体二酸化炭素放出工程に入ると、送り込み開始時における流路系統内での急激な圧力変化を防止できるので、液体二酸化炭素が固体化して流路系統内を塞ぐのを防止することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を示す系統図で、液体二酸化炭素放出工程の状態を示している。
【図２】 本発明に係る深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を示す系統図で、液体二酸化炭素充填ガス加圧工程の状態を示している。
【図３】 本発明に係る深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を示す系統図で、充填ガス−液体二酸化炭素置換工程開始時（ステップＳ２１）の状態を示している。
【図４】 本発明に係る深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置及び液体二酸化炭素送り込み方法の一実施形態を示す図で、装置の運転手順及び方法を説明するフローチャートである。
【図５】 気液分離プラグ回収部の構成例を示す図であり、（ａ）は内部構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図６】 アキュムレータ設置の作用効果を説明するため液体二酸化炭素の圧力Ｐが時間とともに変化する様子を示した図で、（ａ）はアキュムレータがない場合、（ｂ）はアキュムレータを設けた場合である。
【図７】 二酸化炭素の相状態を示す線図である。
【符号の説明】
１０ 海上ユニット
１１ 貯留タンク
１２ ポンプ
１３ アキュムレータ
１４ 減圧弁
１６ 気液分離プラグ発射部
１７ａ，１７ｂ 仕切弁
１７ｃ ベント開閉弁
１８ 充填ガスシリンダ
２０ 背圧弁
３０，５０ 管路（流路系統）
６０ 深海ユニット
６１ 気液分離プラグ回収部
６２ 保圧弁
６３ 逆止弁
６４ ノズル
Claims (9)
- 液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ポンプの後流側となる流路系統に、前記液体二酸化炭素の流量制御手段を設け、
前記流量制御手段が、前記ノズルへ圧送する液体二酸化炭素の圧力を設定圧力に保つ減圧弁と、前記ポンプと前記減圧弁との間の流路系統から分岐させた戻し流路に設けられ、液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以上になると開いて前記貯留タンクへ戻す液体二酸化炭素の圧力を一定に保つ背圧弁と、を具備してなることを特徴とする深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置。 - 液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ノズルの上流側近傍となる流路系統に、同流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段を設けたことを特徴とする深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置。 - 液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記ポンプの後流側となる流路系統に、流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段を設けると共に、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段を設けたことを特徴とする深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置。 - 液体二酸化炭素を収容した貯留タンクと、該貯留タンク内の液体二酸化炭素を圧送するポンプと、前記液体二酸化炭素を前記貯留タンクから深層海水中へ導く流路系統と、該流路系統の出口側に設けられ深層海水中へ液体二酸化炭素を放出するノズルとを具備してなる深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置において、
前記流路系統のポンプ後流側に設けた液体二酸化炭素の流量制御手段と、前記流路系統のノズル上流側近傍に設けた海水の逆流防止手段と、前記流路系統のノズル上流側近傍に設けられ流路系統内が設定圧力まで下がると閉じて一定圧力に保つ保圧手段と、前記流路系統のポンプ後流側に設けられ流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧するガス充填手段と、前記充填ガスと前記液体二酸化炭素とを置換する際に使用する気液分離送出手段と、を具備して構成したことを特徴とする深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置。 - 前記流量制御手段が、前記ノズルへ圧送する液体二酸化炭素の圧力を設定圧力に保つ減圧弁と、前記ポンプと前記減圧弁との間の流路系統から分岐させた戻し流路に設けられ、液体二酸化炭素の圧力が設定圧力以上になると開いて前記貯留タンクへ戻す液体二酸化炭素の圧力を一定に保つ背圧弁と、を具備してなることを特徴とする請求項４に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置。
- 前記流量制御手段が、アキュムレータを備えていることを特徴とする請求項５に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置。
- 前記気液分離送出手段が、気液分離プラグと、気液分離プラグ発射部と、気液分離プラグ回収部とを具備してなることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置。
- 前記気液分離プラグ回収部が、気液分離プラグ径より大きな断面形状を有し複数の気液分離プラグを収納可能な空間部と、該空間部の出口に設けられた気液分離プラグ径より小さな開口面積の気液分離プラグストッパ部とを具備してなることを特徴とする請求項７に記載の深層海水中への液体二酸化炭素送り込み装置。
- 貯留タンク内に収納された液体二酸化炭素をポンプで流路系統へ圧送し、前記液体二酸化炭素を深層海水中の流路系統出口側に設けられたノズルへ導いて該ノズルから深層海水中へ放出するようにした深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法において、
前記流路系統内を充填ガスで所定の圧力まで加圧する充填ガス加圧工程と、
前記流路系統内に気液分離送出手段を挿入し、前記充填ガスと液体二酸化炭素との間を分離した状態で前記ポンプを運転して液体二酸化炭素を圧送することで前記充填ガスをノズルから流出させる充填ガス−液体二酸化炭素置換工程と、
前記貯留タンク内の液体二酸化炭素をポンプで圧送して前記ノズルから深層海水中へ放出する液体二酸化炭素放出工程と、を設けたことを特徴とする深層海水中への液体二酸化炭素送り込み方法。
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