JP6694632B2

JP6694632B2 - 地熱利用システム

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Publication number: JP6694632B2
Application number: JP2016126858A
Authority: JP
Inventors: 田元彰盛
Original assignee: Tokyo University of Marine Science and Technology NUC
Current assignee: Tokyo University of Marine Science and Technology NUC
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: JP2018003275A

Description

本発明は、地熱利用システム、より詳しくは、源泉から取り出された地熱流体を利用するシステムに関する。

従来、地中の源泉（生産井）から、地熱蒸気および地熱水を含む地熱流体を取り出し、地熱蒸気を発電等に利用する地熱利用システムが知られている（特許文献１参照）。また、地熱水を用いて低沸点媒体を加熱・蒸発させ、その蒸気でタービンを回すバイナリー発電を行う地熱利用システムも知られている。

特開２０１３−１８０９１２号公報

地熱利用システムでは、源泉から地熱流体を取り出す配管、地熱水を熱交換器等の外部設備に輸送する配管、および外部設備（以下、まとめて「配管等」ともいう。）の内壁にスケールが付着する。スケールとは、流体中に含まれる無機塩類が内壁に析出したもので、非常に硬く、水に溶けにくい性質を持つ。従来、地熱水のスケールとして、炭酸カルシウムやシリカが知られていたが、本発明者の研究により、ケイ酸マグネシウムもスケール成分に含まれることが明らかとなった。

スケールが成長するに伴って配管や外部設備内の流路が狭くなるため、メンテナンスを行ってスケールを除去する必要がある。スケールの除去は、スケールを薬剤で溶かしたり、削り取ったり、叩き割る等の方法により行われる。いずれの方法を採るにせよ、メンテナンス中は配管等に流体を流すことができない。このため、例えば地熱流体を利用して発電を行う場合、メンテナンス期間中は運転を停止しなければならない。したがって、スケールの析出をできるだけ抑制することが求められている。

そこで、本発明は、地熱流体が流れる配管や外部設備内にスケールが析出することを抑制し、配管等のメンテナンス周期を延ばすことが可能な地熱利用システムを提供することを目的とする。

本発明に係る地熱利用システムは、
地熱流体取出管の流出口から流出した地熱流体を地熱水と地熱蒸気に分離するとともに、前記地熱蒸気の二酸化炭素分圧を脱気抑制分圧値以上に維持する気水分離槽と、
前記気水分離槽から逆流防止弁を通って流れ込んだ地熱水を曝気して、前記地熱水中の二酸化炭素を脱気する曝気槽と、
を備えることを特徴とする。

また、前記地熱利用システムにおいて、
前記曝気槽に貯留された地熱水を外部設備に輸送する熱水輸送管をさらに備え、前記熱水輸送管内を流動する前記地熱水の温度は、シリコン酸化物が析出しない温度以上に維持されるようにしてもよい。

また、前記地熱利用システムにおいて、
前記気水分離槽から排気される地熱蒸気の逆流を阻止し、前記気水分離槽の地熱蒸気の二酸化炭素分圧を一定値に保つ逆流防止弁をさらに備えてもよい。

また、前記地熱利用システムにおいて、
前記逆流防止弁が設けられ、前記気水分離槽の地熱蒸気を排気する蒸気排気管をさらに備えてもよい。

また、前記地熱利用システムにおいて、
前記地熱流体取出管の前記流出口は、前記気水分離槽の気相中に配置されていてもよい。

また、前記地熱利用システムにおいて、
前記地熱流体取出管の前記流出口には、前記地熱流体の圧力が急減することを防止する急減圧防止手段が設けられてもよい。

また、前記地熱利用システムにおいて、
前記地熱流体取出管の前記流出口は、前記気水分離槽の液相中に配置されていてもよい。

また、前記地熱利用システムにおいて、
前記気水分離槽と前記曝気槽は、前記逆流防止弁が設けられた接続管を介して互いの液相を繋ぐように接続されていてもよい。

また、前記地熱利用システムにおいて、
前記曝気槽では、前記地熱水中に溶解しているカルシウムイオンを不溶性の炭酸カルシウムとして析出させるとともに、前記地熱水中に溶解しているマグネシウムイオンを不溶性のケイ酸マグネシウムとして析出させてもよい。

本発明では、気水分離槽では、地熱蒸気の二酸化炭素分圧を脱気抑制分圧値以上に維持することで、地熱水を酸性とし、炭酸カルシウムやケイ酸マグネシウムの析出を抑制する。これにより、地熱流体取出管にスケールが付着することを抑制できる。一方、曝気槽では、地熱水を曝気して二酸化炭素を脱気することで、地熱水をアルカリ性とし、炭酸カルシウムおよびケイ酸マグネシウムを強制的に析出させる。そして、熱水輸送管を介して地熱水を熱交換器等の外部設備に供給する。これにより、熱水輸送管や熱交換器等の外部設備内で炭酸カルシウムおよびケイ酸マグネシウムのスケールが析出することを抑制できる。

よって、本発明によれば、地熱流体が流れる配管や熱交換器等の外部設備内にスケールが析出することを抑制し、配管等のメンテナンス周期を大幅に延ばすことができる。

本発明の実施形態に係る地熱利用システム１の概略的構成図である。ＣＯ_２溶解度と二酸化炭素分圧（p_ＣＯ２）の関係を示すグラフである。（ａ）は炭酸カルシウムの温度−ｐＨ相関図であり、（ｂ）はシリカ（ＳｉＯ_２）の温度−ｐＨ相関図である。（ａ）および（ｂ）はいずれも、ケイ酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ_３・Ｈ_２Ｏ）の温度−ｐＨ相関図である。

以下、本発明の実施形態に係る地熱利用システムについて図面を参照しながら説明する。

まず、地熱利用システムについて説明する前に、各種スケール（炭酸カルシウム、シリカおよびケイ酸マグネシウム）の析出条件について、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して説明する。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）および図４（ｂ）は、長崎県雲仙市の小浜温泉の温泉水の成分を用いて導出した結果であるが、以下に説明する傾向ないし特性は他の温泉水でも同様である。

炭酸カルシウムの析出反応は、化学式（１）に示す通りである。
ＣａＣＯ_３ ⇔ Ｃａ^２＋＋ＣＯ_３ ^２− ・・・（１）

図３（ａ）は、炭酸カルシウムの温度とｐＨの関係を、飽和指数（ＳＩ：ＳａｔｕｒａｔｉｏｎＩｎｄｅｘ）をパラメータとして示したグラフの一例である。図３（ａ）から分かるように、ｐＨが低下するにつれて炭酸カルシウムの析出は抑制される。

シリカの析出反応は、化学式（２），（３）に示す通りである。
ＳｉＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｈ_２ＳｉＯ_４（ａｑ）・・・（２）
ＳｉＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｈ_３ＳｉＯ_４ ^―＋Ｈ^＋（ａｑ）・・・（３）

図３（ｂ）は、シリカ（ＳｉＯ_２）の温度とｐＨの関係を、飽和指数をパラメータとして示したグラフの一例である。図３（ｂ）から分かるように、地熱水の温度がある程度高い領域（例えば６４℃以上）では、ｐＨの値に関わらず、シリカの析出が抑制される。

ケイ酸マグネシウムの析出反応は、化学式（４），（５）に示す通りである。
ＭｇＳｉＯ_３・Ｈ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｍｇ^２＋＋Ｈ_３ＳｉＯ_４ ⁻＋ＯＨ⁻
・・・（４）
Ｍｇ_３Ｓｉ_２Ｏ_５（ＯＨ）_４＋６Ｈ^＋ ⇔ ３Ｍｇ^２＋＋２Ｈ_４ＳｉＯ_４ ^０＋Ｈ_２Ｏ
・・・（５）

図４（ａ）は、ケイ酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ_３・Ｈ_２Ｏ）の温度とｐＨの関係を、飽和指数をパラメータとして示したグラフの一例である。図４（ｂ）は、ケイ酸マグネシウム（Ｍｇ_３Ｓｉ_２Ｏ_５（ＯＨ_４））の温度とｐＨの関係を、飽和指数をパラメータとして示したグラフの一例である。図４（ａ）および図４（ｂ）から分かるように、ｐＨが低下するにつれてケイ酸マグネシウムの析出が抑制される。特に、Ｍｇ_３Ｓｉ_２Ｏ_５（ＯＨ_４）は、図４（ｂ）に示すように、ｐＨに対して敏感である。

次に、本実施形態に係る地熱利用システム１について説明する。

図１に示すように、地熱利用システム１は、気水分離槽２と、曝気槽３と、地熱流体取出管１１と、熱水輸送管１２と、接続管１３と、蒸気排気管１４とを備えている。

地熱流体取出管１１は、源泉（生産井）から地熱流体を取り出し、流出口１１ａから流出させる。この地熱流体は、地熱水および地熱蒸気から構成される。地熱水は、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）を含み、地熱蒸気は二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む。

本実施形態では、地熱流体取出管１１は、図１に示すように、流出口１１ａが気水分離槽２の気相中に配置されている。これにより、蒸気排気管１４を介して地熱蒸気を効率的に外部に取り出すことができる。取り出された地熱蒸気は蒸気タービン等に送られる。

熱水輸送管１２は、曝気槽３に貯留された地熱水を外部設備に輸送する。外部設備には、バイナリー発電の熱交換器や、調理器具、温泉などがある。

接続管１３は、図１に示すように、気水分離槽２と曝気槽３を接続する配管である。より詳しくは、気水分離槽２と曝気槽３は、接続管１３を介して互いの液相を繋ぐように接続されている。また、接続管１３には逆流防止弁２１が設けられている。この逆流防止弁２１は、曝気槽３から気水分離槽２への地熱水の逆流を阻止するための逆止弁である。逆流防止弁２１により、気水分離槽２の地熱水中の二酸化炭素濃度が減少することを防ぐことができる。

次に、気水分離槽２について詳しく説明する。

気水分離槽２は、地熱流体取出管１１の流出口１１ａから流出した地熱流体を地熱水と地熱蒸気に分離する。地熱水は気水分離槽２内に貯留され、地熱蒸気は蒸気排気管１４を通って蒸気タービン等の外部装置に導かれる。

気水分離槽２は、地熱蒸気の二酸化炭素分圧（p_ＣＯ２）を脱気抑制分圧値以上に維持する。地熱蒸気の二酸化炭素分圧が脱気抑制分圧値以上に維持されることで、気水分離槽２の地熱水から二酸化炭素が脱気することを抑制できる。二酸化炭素の脱気を抑制することで、気水分離槽２内の地熱水のｐＨが低下する。

なお、脱気抑制分圧値は、ＣＯ_２溶解度とＣＯ_２分圧の関係を示すグラフ（図２参照）を用いて、地熱水中の炭酸水素イオン濃度（ＨＣＯ_３ ⁻濃度）の実測値から求めることが可能である。例えば、地熱水中の炭酸水素イオン濃度が２．７×１０^−３ｍｏｌ／Ｌの場合、脱気抑制分圧値は、図２のグラフを用いて、約０．２〜０．２５ａｔｍと求まる。

上記のように気水分離槽２内の地熱蒸気の二酸化炭素分圧を脱気抑制分圧値以上に維持して、気水分離槽２において二酸化炭素の脱気を抑制することで、地熱水のｐＨが酸性になる（例えば、ｐＨ＝４．５〜６．５）。これにより、図３（ａ）、図４（ａ）および図４（ｂ）から分かるように、炭酸カルシウムおよびケイ酸マグネシウムの析出が抑制される。その結果、これらの物質からなるスケールが地熱流体取出管１１の内部や流出口１１ａに付着することを抑制できる。なお、地熱流体取出管１１および気水分離槽２では地熱水が高温であるため、シリカの析出は抑制される。

図１に示すように、本実施形態では、二酸化炭素分圧を一定に保つため、逆流防止弁２２が設けられている。この逆流防止弁２２は、気水分離槽２から排気される地熱蒸気の逆流を阻止し、気水分離槽２の地熱蒸気の二酸化炭素分圧を一定値に保つように構成されている。本実施形態では、逆流防止弁２２は、気水分離槽２の地熱蒸気を排気する蒸気排気管１４に設けられている。なお、逆流防止弁２２は、蒸気排気管１４に限らず、気水分離槽２の気相部分（天面、側面上部等）に設けられてもよい。

次に、曝気槽３について詳しく説明する。

曝気槽３は、気水分離槽２から逆流防止弁２１を通って流れ込んだ地熱水を曝気して、地熱水中の二酸化炭素を脱気する。これにより、地熱水中に溶解しているカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンをスケールとして強制的に析出させる。すなわち、曝気槽３は、地熱水中に溶解しているカルシウムイオンを不溶性の炭酸カルシウムとして析出させるとともに、地熱水中に溶解しているマグネシウムイオンを不溶性のケイ酸マグネシウムとして析出させる。その結果、地熱水中のスケール成分が低減する。

より詳しくは、曝気槽３において、気水分離槽２から流れ込んだ地熱水中の二酸化炭素の脱気を行うことで、曝気槽３の地熱水はアルカリ性（例えば、ｐＨ＝８〜９）となる。これにより、図３（ａ）、図４（ａ）および図４（ｂ）から分かるように、炭酸カルシウムおよびケイ酸マグネシウムの析出反応が促進される。なお、シリカについては、地熱水がアルカリ性のため、図３（ｂ）から分かるように、析出反応が抑制される。

曝気槽３の地熱水は、熱水輸送管１２を通ってバイナリー発電の熱交換器等の外部設備に輸送される。曝気槽３において炭酸カルシウムやケイ酸マグネシウムが既に析出しているため、炭酸カルシウムやケイ酸マグネシウムのスケールが熱水輸送管１２や外部設備に析出することが抑制される。

なお、熱水輸送管１２内におけるシリカの析出も抑制するために、熱水輸送管１２内を流動する地熱水の温度を所定の温度とすることが好ましい。すなわち、熱水輸送管１２内を流動する地熱水の温度は、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）が析出しない温度以上（例えば６４℃以上）に維持されることが好ましい。例えば、熱水輸送管１２の外周を断熱材で被覆することで、熱水輸送管１２内の地熱水の温度をシリコン酸化物が析出しない程度の温度に保つ。温度は、例えば、７０℃〜１００℃に保つ。これにより、シリカについても熱水輸送管１２内に析出することを抑制できる。

上記のように、本実施形態に係る地熱利用システム１では、気水分離槽２では、地熱蒸気の二酸化炭素分圧を脱気抑制分圧値以上に維持することで、地熱水を酸性とし、炭酸カルシウムやケイ酸マグネシウムの析出を抑制する。地熱水が高温であるため、シリカの析出も抑制される。これにより、地熱流体取出管１１にスケールが付着することを抑制できる。曝気槽３では、地熱水を曝気して二酸化炭素を脱気することで、地熱水をアルカリ性とし、炭酸カルシウムおよびケイ酸マグネシウムを強制的に析出させる。地熱水がアルカリ性であるため、シリカの析出も抑制される。そして、熱水輸送管１２を介して地熱水を熱交換器等の外部設備に供給する。これにより、熱水輸送管１２内及び外部設備で炭酸カルシウムおよびケイ酸マグネシウムのスケールが析出することを抑制できる。さらに、熱水輸送管１２内の地熱水の温度をシリコン酸化物が析出しない程度の温度に保つことで、熱水輸送管１２内にシリカが析出することも抑制できる。

以上説明したように、本実施形態の地熱利用システムによれば、地熱流体が流れる配管や熱交換器等の外部設備にスケールが析出することを抑制し、配管等のメンテナンス周期を大幅に延ばすことができる。例えば、従来２ヶ月周期で行っていた配管メンテナンスを１年周期にすることができる。

なお、本発明に係る地熱利用システムは上記の実施形態に限られない。例えば、地熱流体取出管１１の流出口１１ａは、気水分離槽２の液相中に配置されてもよい。これにより、気水分離槽２に貯留された地熱水中の二酸化炭素濃度が高くなるため、炭酸カルシウムの析出をさらに抑制できる。

また、地熱流体取出管１１の流出口１１ａには、地熱流体の圧力が急減することを防止する急減圧防止手段２５が設けられていてもよい。これにより、地熱流体が地熱流体取出管１１から流出する際の急な減圧が防止され、流出口１１ａに炭酸カルシウム等のスケールが析出することを抑制できる。急減圧防止手段２５として、例えば、流出口１１ａを覆うように設けられた網状部材や、流出口１１ａの口径を絞るための絞り部材などが挙げられる。

また、上記の実施形態では気水分離槽２と曝気槽３とが接続管１３で接続されていたが、接続管１３を用いずに、気水分離槽２と曝気槽３とが直接隣接配置されてもよい。この場合、逆流防止弁２１は、気水分離槽２と曝気槽３とが共有する壁面に設けられることになる。これにより、接続管１３のメンテナンス作業を不要とすることができる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１地熱利用システム
２気水分離槽
３曝気槽
１１地熱流体取出管
１１ａ流出口
１２熱水輸送管
１３接続管
１４蒸気排気管
２１，２２逆流防止弁
２５急減圧防止手段

Claims

地熱流体取出管の流出口から流出した地熱流体を地熱水と地熱蒸気に分離するとともに、前記地熱蒸気の二酸化炭素分圧を脱気抑制分圧値以上に維持する気水分離槽と、
前記気水分離槽から逆流防止弁を通って流れ込んだ地熱水を曝気して、前記地熱水中の二酸化炭素を脱気する曝気槽と、
を備えることを特徴とする地熱利用システム。
前記曝気槽に貯留された地熱水を外部設備に輸送する熱水輸送管をさらに備え、前記熱水輸送管内を流動する前記地熱水の温度は、シリコン酸化物が析出しない温度以上に維持されることを特徴とする請求項１に記載の地熱利用システム。
前記気水分離槽から排気される地熱蒸気の逆流を阻止し、前記気水分離槽の地熱蒸気の二酸化炭素分圧を一定値に保つ逆流防止弁をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の地熱利用システム。
前記逆流防止弁が設けられ、前記気水分離槽の地熱蒸気を排気する蒸気排気管をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の地熱利用システム。
前記地熱流体取出管の前記流出口は、前記気水分離槽の気相中に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の地熱利用システム。
前記地熱流体取出管の前記流出口には、前記地熱流体の圧力が急減することを防止する急減圧防止手段が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の地熱利用システム。
前記地熱流体取出管の前記流出口は、前記気水分離槽の液相中に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の地熱利用システム。
前記気水分離槽と前記曝気槽は、前記逆流防止弁が設けられた接続管を介して互いの液相を繋ぐように接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の地熱利用システム。
前記曝気槽では、前記地熱水中に溶解しているカルシウムイオンを不溶性の炭酸カルシウムとして析出させるとともに、前記地熱水中に溶解しているマグネシウムイオンを不溶性のケイ酸マグネシウムとして析出させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の地熱利用システム。