JPH0324278B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱水支配型の地熱生産井より得られ
る蒸気を地熱発電プラント等に使用した後、該蒸
気と共に噴出する熱水を地下へ還元する際の熱水
の処理方法に関する。

熱水支配型の地熱生産井においては、通常蒸気
の数倍以上の熱水が噴出する。この熱水は従来は
大きな池にためて自然蒸発させたり、近くに大き
な河川や海がある場合は放流するなどして処理し
ていた。しかし、最近は、以下に述べる理由によ
り多くの地熱発電所において還元井より地下へ還
元される傾向にある。

(1) 地熱の開発が促進されるにつれて熱水量が多
くなり、自然蒸発や放流だけでは処理できなく
なつた。

(2) 熱水中には多量の食塩のほか微量の砒素や重
金属類など動植物や自然の生態系に悪い影響を
与える物質を含んでいるので、環境規制上放流
できなくなつた。

(3) 地下の水収支や熱収支の上から地下へ還元し
た方が、熱水の寿命を長く維持できると考えら
れる。

(4) 熱水を地下へ還元することにより、地層の間
隙の増大を防止し、地震などの発生する可能性
のある要因を減少できる。

ところが最近、還元井の容量の減衰が生じ、１
年程度で閉塞する場合もある。井戸の減衰の原因
は、熱水中に含まれるシリカが地下の透水層で岩
石に付着、析出して、還元熱水の流過をさまたげ
るためであると考えられている。しかし、井戸の
掘削には、長い期間と多くの費用がかゝるので、
すぐには対応できず、結果的に地熱の発電原価が
上ることになり、地熱発電の開発にとつて大きな
問題となつている。

このような事情から、現在、地熱開発の進展と
共に、熱水の還元が重要になり、各国で関連する
試験が行われつゝある。次に現在実際に行われて
いる還元方法および試験的に行われた方法につい
て概略を説明する。

(1) 滞留槽法 この方法はもともと発電所の熱水輸送管の閉
塞防止用に開発された方法であるが、熱水の還
元法にも適用され、実施されていた。この方法
は、坑井口で蒸気と分離した熱水を、滞留槽に
約１時間滞留させて過飽和の溶解シリカを不活
性な重合シリカ（粒径0.3μ以上）に成長させた
後、地下へ80〜90℃の熱水を還元する方法であ
る。

しかし、この方法でも相当の還元井の容量減
衰が認められた。これは滞留槽内でのシリカ粒
子の粒径のコントロールが困難であるためにシ
リカがなお還元熱水に混入していること、およ
び重合シリカが地下で再溶解して付着性に富ん
だ活性シリカを生成することによるものと考え
られている。

(2) 高温直接還元法 この方法は生産井口のセパレータで分離した
150℃以上の高温熱水を、セパレータの圧力を
利用して直接還元する方法である。現在のとこ
ろ、還元井へのスケール付着、容量の減衰は認
められていない。

しかし、この方法では150℃以上の高温で還
元するので、熱水の保有するエネルギーを低温
まで利用できないこと、およびシリカの過飽和
度が大きくるとスケール付着の可能性があるこ
と、等の問題がある。

(3) 大気密閉による還元法 この方法は、系を大気密閉型にして空気との
接触を遮断し、150℃の熱水を105℃まで冷却し
た後、還元する方法であり、該方法による試験
を21か月間続けたが、シリカの付着による還元
井の容量低下は起らなかつたと報告されてい
る。これは、熱水を空気と遮断すると、熱水中
の溶解シリカが空気中の酸素の作用により重合
しないために、シリカの付着が起らないと報告
されているが、通常よく使用される100℃以下
でのデータがないので、100℃以下でも容量低
下が起らないかどうかは不明である。

(4) 凝集沈殿法 この方法は、熱水に生石灰を添加してシリカ
を珪酸カルシウムとして除去する方法であり、
該方法による試験も行われているが、凝集沈殿
した多量の珪酸カルシウムの用途がみつからな
いかぎり、経済的に実用の可能性はない。

また熱水に直接鉄粉を注入し、水酸化第二鉄
のフロツクでシリカを凝集沈殿させる方法もあ
る。この方法では、鉄粉を使用するので、有効
な水酸化鉄の生成量が少なく、吸着容量も小さ
いので、鉄の多量の添加が必要になり、またス
ラツジの量が多くなるので、スラツジの処理が
問題である。

更に、USP4016075号明細書によれば、熱水
に水酸化アンモニウムを添加して、熱水中に含
まれているAl、Feをゼラチン状のスラツジと
して析出させ、これにシリカを吸着させて除去
する方法法がある。しかし、この方法はAl、
Feの含有量の多い熱水にしか適用できず、こ
のような熱水の例は稀であることおよび高温熱
水ではアンモニアガスが発生し、取り扱い上危
険であること等が問題で、他の多くの熱水に適
用できない。

(5) 微量の重合シリカの分離法 この方法は、噴出直後の熱水中に１〜10ppm
含まれる微量の重合シリカを分離除去すること
により、以後の溶解シリカの重合、スケール生
成を防止することを狙つたものである。重合シ
リカの分離法には、遠心分離法と加圧浮上分離
がある。遠心分離法では、熱水に数ppmのアル
ミニウムイオンを添加し、PHを５に調整した
後、アルミニウムフロツクに吸着したシリカを
遠心分離するものであるが、遠心分離機はユニ
ツト当りの処理量が小さいので、通常の地熱発
電プラントで噴出する多量の熱水を処理するた
めには多数の遠心分離機が必要になり、装置費
が高くつく欠点がある。一方、加圧浮上分離法
では、熱水に数ppmのアルミニウムイオン（熱
水のPHは５〜5.5に調整）または鉄イオン（熱
水のPHは７に調整）を添加してシリカを重合さ
せた後、捕集剤と起泡剤を添加して泡と共にシ
リカを浮上分離させる方法であるが、熱水中に
残留する多量の泡の処理が問題である。いずれ
にしても熱水はまだ過飽和のシリカを含んだ状
態なので、地下透水層でのスケール生成の可能
性が残されており、還元井への連続還元の実績
はないので、今後の研究開発に待たねばならな
い。

以上、従来の方法および新しく試験された方法
について概略を説明したが、いずれの方法も試験
段階であり、還元井の容量減衰を防止できる確実
な方法は見出されていない。

そこで、本発明者等は、上記の方法を確実なも
のとすべく鋭意研究の結果、地熱水中に過飽和に
含まれる溶解シリカは、一定時間滞留させると、
過飽和分に相当する溶解シリカが重合シリカにな
ること、重合シリカの方が凝集沈殿処理により除
去されやすいこと、およびこの重合シリカおよび
溶解シリカの一部は無機凝集主剤、特にアルミニ
ウム化合物を使用した凝集沈殿処理により容易に
除去可能であることを知り、地熱水中の過飽和な
溶解シリカを滞留槽で重合シリカにした後、凝集
沈殿槽で無機凝集主剤と有機助剤を使用してシリ
カを凝集沈殿させて還元温度でのシリカの飽和溶
解度以下までシリカを除去した後、熱水を地下へ
還元すれば、地下透水層でのシリカの付着、析出
を防止して、還元井の容量減衰、閉塞を防止する
ことができるとの知見を得て、本発明に到達した
ものである。

すなわち本発明は、 (1) 噴出直後または蒸気生産後の熱水（通常80℃
以上）を滞留槽に導き約１時間以上滞留させる
ことにより、熱水中に過飽和に溶解している溶
解シリカを重合シリカに変えた後、 (2) 滞留槽出の熱水を凝集沈殿槽に導びき、無機
凝集主剤、好ましくはアルミニウム化合物を、
凝集助剤として市販の有機高分子系助剤を添加
した後、必要ならばアルカリを添加して熱水の
PHを上記凝集剤の最適PH域であるPH６〜９に調
整し、熱水中のシリカを主として凝集沈殿によ
り飽和和溶解度以下まで除去し、 (3) 凝集沈殿槽出の熱水（上澄水）を還元井より
地下へ還元し、 (4) 一方、凝集沈殿槽で生成したスラツジは、ス
ラツジ溶解槽で酸により無機凝集主剤の水酸化
物を溶解し、 (5) 次に、固液分離機で固体と液体を分離し、液
体は無機凝集主剤を溶解しているので凝集沈殿
槽入りの熱水に添加して凝集主剤として循環再
使用すること からなる地熱水の処理方法に関するものである。

なお、通常地熱水中から析出するシリカは殆ん
ど無定形シリカなので、ここで述べるシリカも全
て無定形シリカであり、シリカの溶解度も無定形
シリカの溶解度を示す。また、ここで述べる溶解
シリカとは、水に溶けているシリカで、JISに準
拠したモリブデン青法によつて吸光光度法で定量
できるシリカを意味し、通常モノケイ酸イオンの
形で存在すると言われている。更に、ここで述べ
る重合シリカとは、微粒子状のシリカ等のように
上記のモリブデン青法で直接定量できないシリカ
を、アルカリを添加して加熱溶解し全てイオン性
のシリカにした後、モリブデン青法で定量し、上
記のモリブデン青法で直接定量できる溶解シリカ
を差き引いたものを意味する。従つて溶解シリカ
と重合シリカの和は、水中に含有される全シリカ
になる。

以下、本発明方法を添付図面を参照して詳細に
説明する。

第１図は本発明方法の一実施態様例のフローを
示す図である。

第１図において、地上へ噴出した熱水は、配管
Ｔ−１を経て気液セパレータＶ−１で蒸気と熱水
に分離され、蒸気は配管Ｔ−２を経て発電用その
他の用途へ利用される。熱水は配管Ｔ−３を経て
滞留槽Ｖ−２へ導入される。滞留槽Ｖ−２で１時
間以上滞留した熱水は、配管Ｔ−４を経てポンプ
Ｐ−１により配管Ｔ−５から凝集沈殿槽Ｖ−３へ
流入する。凝集沈殿槽Ｖ−３は、槽内で凝集、沈
殿処理を行う通常のスラリー循環型（アクセレー
ター）で、凝集主剤貯槽Ｖ−４より一定濃度の無
機凝集主剤溶液（硫酸バンド、ポリ塩化アルミニ
ウ溶液などアルミニウム系の無機凝集剤）が配管
Ｔ−６を経てポンプＰ−２により配管Ｔ−７より
凝集沈殿槽Ｖ−３へ添加される。また、酸又はア
ルカリ貯槽Ｖ−５より一定濃度の酸またはアルカ
リ溶液が配管Ｔ−８を経てポンプＰ−３により配
管Ｔ−９より凝集沈殿槽Ｖ−３へ添加される。ま
た凝集助剤貯槽Ｖ−６より一定濃度の高分子有機
凝集助剤溶液が配管Ｔ−１０を経てポンプＰ−４
により配管Ｔ−１１より凝集沈殿槽へ１〜5ppm
添加される。凝集沈殿処理された熱水は、凝集沈
殿槽Ｖ−３の上部より上澄水として配管Ｔ−１２
を経てポンプＰ−５により配管Ｔ−１３を経て還
元井Ｗより地下へ還元される。一方、凝集沈殿槽
Ｖ−３の底部にまたつたスラツジは、配管Ｔ−１
４を経てポンプＰ−６により配管Ｔ−１５を経て
スラツジ溶解槽Ｖ−７へ導入される。スラツジ溶
解槽Ｖ−７では、酸貯槽Ｖ−８より配管Ｔ−１６
を経てポンプＰ−７により配管Ｔ−１７より導入
される酸と混合される。スラツジ溶解槽Ｖ−７
は、たとえば内部に撹拌翼を備えた撹拌混合型の
もの等が使用される。この固液混合物は、配管Ｔ
−１８を経てポンプＰ−８により配管Ｔ−１９を
経て固液分離機Ｖ−９に導びかれる。固液分離機
は、たとえば加圧過型のフイルタープレス等が
使用される。固液分離機Ｖ−９で固液分離された
液体は、配管Ｔ−２１を経てポンプＰ−９により
配管Ｔ−２２により、凝集沈殿槽Ｖ−３手前の配
管Ｔ−５へ導入される。一方、固液分離機Ｖ−９
で固液分離された固形分は、配管Ｔ−２０より系
外へ除去される。

噴出直後または気液セパレータＶ−１で蒸気を
発生した後の熱水は、通常80℃以上で、熱水中の
全シリカは殆んどが溶解シリカの状態である。こ
の熱水を滞留槽Ｖ−２に導びき滞留させると、過
飽和の溶解シリカは時間の経過と共に重合して重
合シリカへ変わる。この重合速度は、シリカの過
飽和度、温度、PH、滞留時間および不純物の濃度
等によつて影響を受ける。すなわち、もともと熱
水中に溶解しているシリカの過飽和度が大きいほ
ど、重合速度は速い。また熱水の温度が低下する
ほどシリカの重合速度は速くなる。熱水中の過飽
和な溶解シリカは、第２図に示した溶解度曲線に
従つてその温度での飽和温度に達するまで重合反
応が進行して重合シリカへ変化する。この重合シ
リカの生成は、第３図の溶解シリカの減少曲線よ
りわかるように、１〜２時間の滞留時間で終了す
る。

滞留槽Ｖ−２を出た熱水は、凝集沈殿槽Ｖ−３
に入り、ここでシリカは主として凝集沈殿法によ
り容易に飽和溶解度以下まで除去される。すなわ
ち、凝集主剤として貯槽Ｖ−４からアルミニウム
の無機化合物（たとえば、市販の硫酸バンド、ポ
リ塩化アルミニウム等）を10〜200ppm添加し、
必要ならば貯槽Ｖ−５から酸またはアルカリを添
加し熱水のPHを使用する凝集剤の最適PH域である
PH６〜９に調整して凝集させる。

また、沈降速度を増大させるために、市販の有
機高分子系の助剤を貯槽Ｖ−６から１〜3ppm添
加してフロツクを形成させる。

第４図に、硫酸バンドを凝集主剤として凝集沈
殿処理したときの全シリカの除去率を示した。試
験条件は、温度80℃、PH８で、曲線Ａは全シリカ
816ppm、溶解シリカ791ppm、重合シリカ25ppm
の地熱水の場合曲線Ｂは全シリカ810ppm、溶解
シリカ409ppm、重合シリカ401ppmの地熱水の場
合である。第４図から明らかなように重合シリカ
の濃度が大きいほど、硫酸バンドを少量添加した
だけで高い除去率が得られる。これは、熱水中の
重合シリカは通常負の電荷を有し、正に荷電した
水酸化アルミニウムのフロツクに容易にかつすみ
やかに吸着されること、および通常負のイオンと
して熱水中に存在する溶解シリカは、重合シリカ
の吸着速度ほど速くはないが正に荷電したアルミ
ニウムと化合結合してSi−Al結合を有する化合
物を生成し凝集沈殿することによるものと考えら
れる。

第５図に各凝集剤のシリカの除去性能を示し
た。試験条件は温度80℃、全シリカ810ppm、溶
解シリカ409ppm、重合シリカ401ppmの熱水で、
凝集主剤はそれぞれ100ppm添加したときの値で
ある。第５図中、（ ）内のPH値は各凝集主剤が
最高の除去率を示したときの値であり、曲線Ｃは
全シリカの除去率、曲線Ｄは溶解シリカの除去率
を示す。全シリカの除去率は、Mg系がわずかに
高く、次にAl＞Fe＞Caの順である。通常熱水の
PHは６〜９の範囲にあるので、この範囲で凝集沈
殿処理できる凝集剤が経済的に最も有利である。
従つて、アルミニウム系の凝集主剤を添加するの
が最も経済的に有利であることが理解できる。

凝集沈殿槽Ｖ−３で生成したスラツジは、その
底部より抜き出してスラツジ溶解槽Ｖ−７で硫酸
または塩酸などの強酸を貯槽Ｖ−８から添加して
凝集主剤であるアルミニウム成分を液相中に回収
する。その後、固液分離機Ｖ−９で分離された液
体は、凝集主剤として凝集沈殿槽Ｖ−３へ循環
し、再使用することにより凝集主剤の使用量が減
少し、経済的に有利になる。このような凝集主剤
の循環再使用が経済的に有利に実施できるのは、
上記の四種の凝集主剤の中では、アルミニウム系
と鉄系のみであるが、アルミニウム系と鉄系を比
較すると、シリカの除去率においてアルミニウム
系の方が優れている。

また、回収したシリカは98％以上の純度を有
し、将来無機材料としての利用が期待できる。

実施例 第１図に示したフローに沿つて、実際に試験し
た。条件と結果を以下に記す。

500m³／Ｈ、溶解シリカ800ppm（重合シリカ濃
度0ppm）、PH８、80℃の熱水を滞留槽Ｖ−２に約
１時間滞留させたところ、滞留槽Ｖ−２出口で
は、溶解シリカの約50％が重合して重合シリカに
なつていた。

凝集沈殿槽Ｖ−３では硫酸バンドを100ppm
（Al元素として）添加し、苛性ソーダでPHを約８
に調整した後、沈降速度を増大させるためにアニ
オン性有機高分子凝集助剤を3ppm添加し、凝集
沈殿槽Ｖ−３の上澄水を還元井Ｗより地下へ還元
した。このときの熱水の凝集沈殿槽Ｖ−３内での
平均滞留時間は、約１時間であつた。この熱水は
全シリカを244ppm（溶解シリカ174ppm、重合シ
リカ70ppm）しか含まず、還元井Ｗの容量減衰な
しに、熱水を長期間連続的に還元できた。

一方、凝集沈殿槽Ｖ−３の底部に沈殿したスラ
ツジ（SiO₂75％、Al₂O₃25％）は、スラツジ溶解
槽Ｖ−７で硫酸を添加して撹拌混合することによ
りスラツジ中のアルミニウム成分を溶解させた
後、固液分離機Ｖ−９として加圧過式のフイル
タープレスを使用して固液分離し、硫酸アルミニ
ウムを含んだ溶液はポンプＰ−９により凝集沈殿
槽Ｖ−３入口の配管Ｔ−５へ添加し、凝集主剤と
して再利用した。硫酸アルミニウムの回収率はア
ルミニウム分で95％であつた。

以上詳述したように、本発明方法によれば、還
元井の容量減衰を生じることなく、熱水を連続し
て安定に還元することができるばかりでなく、ス
ラツジ溶解槽で生成した凝集主剤を回収し、凝集
沈殿槽に再添加することにより凝集主剤の使用量
を減少させることができ、ランニングコストも安
価になる等の効果を奏することができる。

また本発明で処理した後の熱水は、シリカのス
ケールを生成しないので、グリーンハウス用の熱
源や、川水等と熱交換して温水の製造等多目的利
用が可能である等の効果をも奏し得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施態様例のフローを
示す図、第２図は無定形シリカの溶解度を示す図
表、第３図は溶解シリカの重合速度を示す図表、
第４図は硫酸バンドの添加量と全シリカの除去率
を示す図表、第５図は無機凝集剤のシリカ除去性
能の比較を示す図表である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 噴出直後または蒸気生産後の熱水を滞留槽に
   滞留させて該熱水中の過飽和シリカを重合シリカ
   へ変えた後、凝集沈殿槽にて無機凝集剤で凝集沈
   殿処理し熱水中のシリカを飽和溶解度以下まで除
   去し、次いで該熱水を還元井より地下へ還元する
   ことを特徴とする地熱水の処理方法。