JP5589197B2 - 液体二酸化炭素の超微粒化方法および超微粒化システム - Google Patents

Description

本発明は、液体二酸化炭素の超微粒化方法および超微粒化システムに係り、更に詳しくは、二酸化炭素を地中に貯留するため水と超微粒化した液体二酸化炭素混合体を地中に吹き込む際、水と液体二酸化炭素との混合体中の液体二酸化炭素の超微粒状態が長期間維持可能な液体二酸化炭素の超微粒化方法および超微粒化システムに関する。

近年、化石燃料などの大量消費により、温室効果ガスである二酸化炭素（以下ＣＯ_２）が大気中に排出され、地球温暖化の主要因となっているため、地球温暖化の防止技術としてＣＯ_２地中貯留が注目されている。貯留技術は地中貯留と海洋貯留に大別され、特に地中貯留技術は従来の原油増進回収技術が応用できるため、実用化により近い技術として期待されている。

これまでに、発電所などの大規模排出源からＣＯ_２を回収し、これを地下１０００−２０００ｍの帯水層と呼ばれる地層構造に貯留する研究が進められ、一部では実用化が開始されている。
地下の帯水層の温度・圧力条件ではＣＯ_２の密度が水よりも小さくなり、浮力を受けてＣＯ_２は上昇する。そこで地表方向へのＣＯ_２の移動と漏洩を防ぐため、帯水層上にキャップロックと呼ばれる不透過層が存在する地質構造を利用した構造性トラップによる貯留法や、図１の右上に示すような界面張力によって地中の岩石多孔質中にＣＯ_２をトラップする残留ガストラップ法の研究が進められている。

しかしながら、日本周辺の地質構造に着目すると、構造性トラップに適したドーム構造を有する貯留層は限られており、さらにキャップロックに浸透性がある亀裂を有する場合には漏洩のリスクが高い問題点がある。また残留ガストラップ法は、漏洩リスクが低い一方で貯留効率が悪く、ＣＯ_２貯留ポテンシャルの大幅な拡大は困難である。従って、従来のようなＣＯ_２をそのまま地中に圧入する手法では、ＣＯ_２を安定して貯留できないため、地質構造に依存せず、さらにＣＯ_２の漏洩を防ぐ新しい地中貯留技術の開発が必要不可欠である。
特表２００７−５１４５２９号公報

地質構造に依存せず、漏洩リスクが低く安定した貯留法として、これまで気体のＣＯ_２をマイクロバブル化して貯留する手法が提案されているが、図１の下部に示すように気体のＣＯ_２ではなく液体ＣＯ_２を帯水層の孔隙径と同じスケールに超微粒化（エマルション化）すれば、界面張力によって岩石多孔質中に微粒化されたＣＯ_２が、温度、圧力によって液体ＣＯ_２または超臨界ＣＯ_２として大量にトラップされやすくなり、残留ガストラップの利点である漏洩リスクの低さを活かしながら、貯留効率の大幅な向上が期待される。
液体ＣＯ_２超微粒化のレベルとしては、図２に示す通り、多胡砂岩の場合は０．１〜１０μｍ、Ｂｅｒｅａ砂岩の場合は１〜１００μｍが適当である。
本発明は、地質構造に依存せず、地中へのＣＯ_２貯留効率の大幅向上を可能とする液体二酸化炭素の超微粒化方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するための本発明による液体二酸化炭素の超微粒化方法は、帯水層への圧入用液体二酸化炭素の超微粒化方法であって、水に容積百分率で０．１〜５％のシロキサン系界面活性剤を添加する段階と、前記界面活性剤を含む水を撹拌する段階と、前記界面活性剤を含む前記水の圧力を上昇させて、液体二酸化炭素が帯水層への圧入後も液体状態を維持できる所定の圧力レベルの高圧水にする段階と、前記高圧水と前記液体二酸化炭素の体積比率が所定の値になるように前記界面活性剤を含む前記高圧水に液体二酸化炭素を加圧注入する段階と、前記高圧水と前記液体二酸化炭素の混合体を複数の直列に配列された二酸化炭素微粒化ミキサーに通して、前記混合体中の前記液体二酸化炭素を帯水層への圧入用に適した超微粒化する段階と、を含み、前記二酸化炭素微粒化ミキサーは、前記高圧水中の前記液体二酸化炭素の平均粒径が帯水層への圧入に最適な０．１μｍ以上１０μｍ未満の超微粒となるように微粒化することを特徴とする。

本発明による液体二酸化炭素の超微粒化システムは、帯水層への圧入用液体二酸化炭素の超微粒化システムであって、水に容積百分率で０．１〜５％のシロキサン系界面活性剤を添加し、前記界面活性剤の含有率を一定に保持する界面活性剤添加手段と、前記界面活性剤を含む前記水を撹拌する界面活性剤撹拌ミキサーと、前記界面活性剤を含む前記水の圧力を上昇させて、液体二酸化炭素が帯水層への圧入後も液体状態を維持できる所定の圧力レベルの高圧水にする圧力上昇維持手段と、前記高圧水と前記液体二酸化炭素の体積比率が所定の値になるように前記界面活性剤を含む前記高圧水に液体二酸化炭素を加圧注入する液体二酸化炭素噴射手段と、前記高圧水と前記液体二酸化炭素の混合体を複数の直列に配列された二酸化炭素微粒化ミキサーに通して、前記混合体中の前記液体二酸化炭素を帯水層への圧入用に適した超微粒化にする液体二酸化炭素超微粒化手段と、を含み、前記二酸化炭素微粒化ミキサーは、前記高圧水中の前記液体二酸化炭素の平均粒径が帯水層への圧入に最適な０．１μｍ以上１０μｍ未満の超微粒となるように微粒化することを特徴とする。

本発明によれば、微粒化した液体ＣＯ_２は、長期間エマルションとして所要の粒径分布で安定化し，液体ＣＯ_２を地中の多孔質構造に貯留するために十分な時間，エマルション状態を維持できる効果がある。
これにより、液体ＣＯ_２を帯水層の孔隙径と同じスケールに超微粒化（エマルション化）すれば，界面張力によって岩石多孔質中に液体ＣＯ_２あるいは超臨界状態のＣＯ_２としてトラップされ，残留ガストラップの利点である漏洩リスクの低さを活かしながら，貯留効率の大幅な向上が期待できる。
また、超微粒化した液体ＣＯ_２を油井管を通して油田に注入し、油層内にある貯留岩の中の小さな孔に浸透させることによって貯留岩の中に残っている油の流動性を高めて油を回収する石油増進回収方法や天然ガスを回収する天然ガス増進回収方法に適用することも可能となる。

これまでのＣＯ_２地中貯留では、超臨界状態のＣＯ_２を連続圧入するために数十億円以上の高価なＣＯ_２昇圧設備を必要としていたが、本発明によれば、地上で超微粒化した液体ＣＯ_２を圧入するためにコストの安い一般的な加圧ポンプが利用でき圧入コストの大幅削減が可能となる。

水と液体ＣＯ_２は、互いに混じりにくいため、通常、帯水層中での液体ＣＯ_２の微粒化は困難であるが、図３に示すように親水基と疎水基をもつ界面活性剤を添加することによって、界面張力が低下し、濡れにくい２相の液体を容易に混ぜることが出来るようになるため、液体ＣＯ_２の微粒化が可能となる。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図４には、本発明による水と液体ＣＯ_２混合体中の液体ＣＯ_２の超微粒化システムの実施例１を示す。
実施例１のシステムは、超微粒化効果を確認するための実験装置であり、水タンク１、昇圧用シリンダー２、液体ＣＯ_２用タンク３、液体ＣＯ_２昇圧用ポンプ４、液体ＣＯ_２超微粒化装置５、水と液体ＣＯ_２混合体用の循環ポンプ６、から構成されており、その他、流体観察用窓７，圧力計８，バッファタンク９を備えている。

本実施例１で液体ＣＯ_２を超微粒化するには、図４に示す通り系内を高圧に保ちながら試験流体を連続的に循環させ，系内に設けた液体ＣＯ_２超微粒化装置５（スタティックミキサー）に水と液体ＣＯ_２を通過させて攪拌し，液体ＣＯ_２を微粒化する。
ＣＯ_２が液体状態を保つ温度は３０℃以下であるため、本実施例では室温を２２℃で一定とし、高圧状態に保った系内に液体ＣＯ_２を注入して水と液体ＣＯ_２の体積比率を１：１にした。
実験ではまず系内を所定配合率の界面活性剤トリシロキサンを含む水で満たし，系内の圧力をＣＯ_２が充分液化する約７ＭＰａまで昇圧用シリンダー２で昇圧する。その後循環ポンプ６を駆動して系内の流体を循環させる。循環流量は５００ｍｌ／ｍｉｎとし，約180 秒間循環させる。
界面活性剤による液体ＣＯ_２の微粒化状態を確認するために、予め水タンク１に０．１３−２．０％のトリシロキサンを投入する。
高圧下で微粒化の様子を可視化し，また動的光散乱式粒径分布測定装置を用いた粒径の測定を行うため，系内に単結晶サファイアガラス製の窓を設け，観察に十分な光量が確保できるようにした。粒径は粒子のブラウン運動を捉えて測定するため，循環を止めた後に粒径測定を開始した。

実験の結果、界面活性剤を添加しない場合，循環を停止した直後は水と液体ＣＯ_２が混合しているが，循環を停止して10秒後には水と液体ＣＯ_２が分離し，20秒後には完全に二相に分離した。
水と液体ＣＯ_２は容易に混じらないが，微粒化を補助する界面活性剤を添加すると、循環直後に著しく混濁し，１２０分経過後でも液体ＣＯ_２の微粒化状態が維持された。

図５は、界面活性剤を０．１３％添加した場合の粒径分布の時間変化を示す図で、横軸は粒径、縦軸は強度を示す。循環停止直後は単分散性が良く，平均粒径は約３μｍであるが，時間が経過するに従って分散性が悪くなり，平均粒径も約５μｍまで増加している．これは微粒化した液体ＣＯ_２が、時間経過と共に凝集した結果，液体ＣＯ_２同士が結合したため，粒径の平均値が増加したためと考えられる。

図６は、界面活性剤濃度０．１２５％の場合の平均粒経の時間変化を示す図で、横軸は経過時間、縦軸は平均粒径を示す。粒径は約１０分経過後、ほぼ４μｍで安定していることが分かる。
このように，微粒化された液体ＣＯ_２が、１２０分経過しても平均粒径３〜５μｍで安定するのに対し，岩石多孔質（世界的に標準砂岩として実験に用いられているＢｅｒｅａ砂岩）の孔隙半径は０．０１−５０μｍの範囲で分布し、平均粒径がおおよそ５μｍであれば、超微粒化された液体ＣＯ_２は岩石中にトラップできると考えられる。

図７は、本発明による水と液体ＣＯ_２混合体中の液体ＣＯ_２の超微粒化システムの概略図である。
本発明の水と液体ＣＯ_２混合による液体ＣＯ_２あるいは超臨界状態ＣＯ_２の超微粒化生成システム２０は、給水本管２１、超微粒化ＣＯ_２吐出本管２２、界面活性剤用タンク２３と界面活性剤注入ポンプ２４を含む界面活性剤注入装置４０、界面活性剤撹拌ミキサー２５、水温調節装置２６、水圧昇圧用シリンダー２７、液体ＣＯ_２用タンク２８と液体ＣＯ_２注入用ポンプ２９を含む液体ＣＯ_２注入装置５０、ＣＯ_２超微粒化装置３０、ＣＯ_２微粒化ミキサー３１、流体観察用窓３２、動的光散乱式粒径分布測定装置３３、本線配管３４、バイパス配管３５、循環用配管３６、水と超微粒化されたＣＯ_２の混合体の循環用ポンプ３７により構成されている。

次に、本発明の液体ＣＯ_２の超微粒化方法について説明する。
まず、給水本管２１からの水と界面活性剤用タンク２３から供給される界面活性剤を界面活性剤撹拌ミキサー２５に注入して界面活性剤を水と均一に撹拌する。界面活性剤は、界面活性剤注入ポンプ２４を用いて加圧注入し、水の流量変化に対応し界面活性剤を所要の注入率で自動注入できるようになっている。
本発明による液体や超臨界状態のＣＯ_２の超微粒化技術は、ＣＯ_２地中貯留、原油や天然ガスの増進回収の分野等での利用を目指しているが、対象となる地層の地質と圧入圧力の条件に合わせて、圧入後に超微粒化されたＣＯ_２が広く拡散して孔隙にトラップされるようにＣＯ_２の粒径分布を調整する必要がある。媒体である水に対して、シロキサン系界
面活性剤を０．１〜５．０％（容積百分率）の範囲内で添加量を調整することにより、超微粒化されたＣＯ_２の粒径分布をコントロールする。

界面活性剤を均一に混入させた水を、ヒートポンプ等を利用した水温調整装置２６により、所定の水温に調整する。超微粒化されたＣＯ_２が液体あるいは超臨界状態として安定的に長時間維持できるように、超微粒化されたＣＯ_２の利用目的に応じて媒体の水の温度調整を行う。ＣＯ_２が液体であるための温度は３０℃以下であり、３１℃を超えると約７．４ＭＰａ以上の高圧のもとではＣＯ_２は超臨界状態になる。使用目的場所までの流路上での熱ロスや加熱条件を考慮して水温調整を行う。

水の昇圧設備として、例えば昇圧用シリンダー２７を用いるが、７．５ＭＰａ以上の圧力環境が設定できる加圧能力が必要であるため、高圧水の圧力・流量を制御する水圧制御弁を含む。
液体ＣＯ_２注入用ポンプ２９は、液体ＣＯ_２用タンク２８から供給される液体ＣＯ_２の圧力を上昇させ、界面活性剤を含む高圧水に所定の体積比率で液体ＣＯ_２を自動的に加圧注入するが、高圧液体ＣＯ_２の圧力・流量を制御する水圧制御弁を含む。

ＣＯ_２超微粒化装置３０は、複数のＣＯ_２微粒化ミキサー３１より構成されている。高圧水と液体ＣＯ_２の体積比率が変化すれば、均一な超微粒化にするための撹拌時間は異なるので、ＣＯ_２微粒化ミキサー３１の個数が異なる。高圧水に対する液体ＣＯ_２の体積比率を大きくする場合には撹拌時間を長くする必要があるため、容易にＣＯ_２微粒化ミキサー３１の増設が可能な直列系の配列システムとする。使用するＣＯ_２微粒化ミキサー３１は、２箇所の注入口があり、撹拌するために乱流を発生させる仕切りが幾つか設けられた内部構造のスタティックミキサーであり、ＣＯ_２微粒化ミキサー３１の２箇所の注入孔からそれぞれ界面活性剤を含む高圧水とＣＯ_２の混合体を分岐注入し、ＣＯ_２微粒化ミキサー３１内での撹拌効率を高める。

ＣＯ_２超微粒化装置３０で微粒化されたＣＯ_２の粒径分布を正確に把握するため、ＣＯ_２超微粒化装置３０を通過した後の位置に流体観察用窓３２を設置し、動的光散乱式粒径分布測定装置３３を用いて超微粒化されたＣＯ_２の粒径分布の測定を行う。流体観察用窓３２は、単結晶サファイアガラス製の窓であり、観察に十分な光量が確保できる耐圧用窓に仕上げている。動的光散乱式粒径分布測定装置３３の測定は、そのセンサーを流体観察用窓３２に近接設置して行う。粒径は粒子のブラウン運動を捉えて測定するため，本線配管３４に平行に短い配管長のバイパス配管３５を設け、流体観察用窓３２の両側に水圧制御弁を設置し、微粒化されたＣＯ_２を含む高圧水をバイパス配管に一時的に閉じ込めて静止状態での粒径測定を行う。

ＣＯ_２超微粒化装置３０で超微粒化されたＣＯ_２を地中貯留や原油・天然ガスの増進回収等に圧入するが、トラブル等により作業が中断することが予想される。その待ち時間の間に、超微粒化されたＣＯ_２の粒径分布が大幅に変動しないように、循環用配管３６を設けてその流路の途中に設置した循環用ポンプ３７を適宜稼動させ、界面活性剤の注入装置４０による追加的な界面活性剤の注入や水温調整装置２６による水温の再調整を行いながら、超微粒化されたＣＯ_２の粒径分布を一定に保つようにする。

超微粒化ＣＯ_２生成システム２０により生成される超微粒化された液体ＣＯ_２は、平均粒径が１０μｍ以下、最大粒径が５０μｍ以下の粒径分布をもつ。このように、液体ＣＯ_２を地中に圧入する地層の孔隙径と同じスケールに超微粒化（エマルション化）すれば，界面張力によって岩石多孔質中に液体ＣＯ_２がトラップされ，残留ガストラップの利点である漏洩リスクの低さを活かしながら，貯留効率の大幅な向上が期待できる。

超微粒化ＣＯ_２が岩石多孔質中にトラップされる状況を説明する図である。 多胡砂岩とＢｅｒｅａ砂岩の孔隙分布を示す図である。 界面活性剤の親水基と疎水基によって、濡れにくい２相の液体を容易に混ぜることが出来ることを説明する図である。 本発明の実施例１による水と液体ＣＯ_２混合体中の液体ＣＯ_２の超微粒化システムである。 界面活性剤を０．１３％添加した場合の粒経分布の時間変化を示す 界面活性剤を０．１２５％添加した場合の平均粒経の時間変化を示す。 本発明の実施例２による水と液体ＣＯ_２混合体中の液体ＣＯ_２の超微粒化システムである。

符号の説明

１ 水タンク
２ 昇圧用シリンダー
３ 液体ＣＯ_２用タンク
４ 液体ＣＯ_２昇圧用ポンプ
５ 液体ＣＯ_２超微粒化装置
６ 水と液体ＣＯ_２混合体用の循環ポンプ
７ 流体観察用窓
８ 圧力計
９ バッファタンク
２０ 超微粒化ＣＯ_２生成システム
２１ 給水本管
２２ 超微粒化ＣＯ_２吐出本管
２３ 界面活性剤用タンク
２４ 界面活性剤注入ポンプ
２５ 界面活性剤撹拌ミキサー
２６ 水温調整装置
２７ 水圧昇圧用シリンダー
２８ 液体ＣＯ_２用タンク
２９ 液体ＣＯ_２注入用ポンプ
３０ ＣＯ_２超微粒化装置
３１ ＣＯ_２微粒化ミキサー
３２ 流体観察用窓
３３ 動的光散乱式粒径分布測定装置
３４ 本線配管
３５ バイパス配管
３６ 循環用配管
３７ 水と超微粒化されたＣＯ_２の混合体の循環用ポンプ
４０ 界面活性剤注入装置
５０ 液体ＣＯ_２注入装置

Claims (2)

1. 帯水層への圧入用液体二酸化炭素の超微粒化方法であって、
   水に容積百分率で０．１〜５％のシロキサン系界面活性剤を添加する段階と、
   前記界面活性剤を含む水を撹拌する段階と、
   前記界面活性剤を含む前記水の圧力を上昇させて、液体二酸化炭素が帯水層への圧入後も液体状態を維持できる所定の圧力レベルの高圧水にする段階と、
   前記高圧水と前記液体二酸化炭素の体積比率が所定の値になるように前記界面活性剤を含む前記高圧水に液体二酸化炭素を加圧注入する段階と、
   前記高圧水と前記液体二酸化炭素の混合体を複数の直列に配列された二酸化炭素微粒化ミキサーに通して、前記混合体中の前記液体二酸化炭素を帯水層への圧入用に適した超微粒化する段階と、を含み、
   前記二酸化炭素微粒化ミキサーは、前記高圧水中の液体二酸化炭素の平均粒径が帯水層への圧入に最適な０．１μｍ以上１０μｍ未満の超微粒となるように微粒化することを特徴とする液体二酸化炭素の超微粒化方法。
2. 帯水層への圧入用液体二酸化炭素の超微粒化システムであって、
   水に容積百分率で０．１〜５％のシロキサン系界面活性剤を添加し、前記界面活性剤の含有率を一定に保持する界面活性剤添加手段と、
   前記界面活性剤を含む前記水を撹拌する界面活性剤撹拌ミキサーと、
   前記界面活性剤を含む前記水の圧力を上昇させて、液体二酸化炭素が帯水層への圧入後も液体状態を維持できる所定の圧力レベルの高圧水にする圧力上昇維持手段と、
   前記高圧水と前記液体二酸化炭素の体積比率が所定の値になるように前記界面活性剤を含む前記高圧水に液体二酸化炭素を加圧注入する液体二酸化炭素噴射手段と、
   前記高圧水と前記液体二酸化炭素の混合体を複数の直列に配列された二酸化炭素微粒化ミキサーに通して、前記混合体中の前記液体二酸化炭素を帯水層への圧入用に適した超微粒化する液体二酸化炭素超微粒化手段と、を含み、
   前記二酸化炭素微粒化ミキサーは、前記高圧水中の前記液体二酸化炭素の平均粒径が帯水層への圧入に最適な０．１μｍ以上１０μｍ未満の超微粒となるように微粒化することを特徴とする液体二酸化炭素の超微粒化システム。