JPS5986864A - 地熱水の処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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シ得られる蒸気を
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
て自然蒸発させたシ、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シ多くの地熱発電所において還元井
よシ地下へ還元される傾向にある。

（υ　地熱の開発が促進されるにつれて熱水量が多くな
シ、自然蒸発や放流だけでは処理できなくなった。

（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った。

（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シ、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扛てい
る。しかし、井戸の掘削には、長い期間と多くの費用が
か＼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って大きな
問題となっている。

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シロ、各国で関連する試験が行われ
つ＼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ｎ、
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活性な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シた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なるとスケール
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
る方法であシ、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った
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シ重合し
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シ、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シ、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７０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、鉄粉の多量の添加が必要にな
り、またスラッジの量が多くなるので、スラッジの処理
が問題である。

更に、ＵＳＦ　４．０１６．０７５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、熱水中にざまれ
ているＡｔ、Ｆｅをゼラチン状のスラッジとして析出さ
せ、これにシリカを吸着させて除去する方法がある。し
かし、この方法はＡ７．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、取シ扱い上危険
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仁とによ）、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っ
たものである。重合シリカの分離法には、遠心分離法と
加圧浮上分離法がある。遠心分離法では、熱水に数ｐｐ
ｍのアルミニウムイオンを添加し、ｐｌＨを５に調整し
た後、アルミニウムフロックに吸着したシリカを遠心分
離するものであるが、遠心分離機はユニット当りの処理
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ｐ
Ｈ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
ておシ、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ｎ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多、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
よシ、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）　　滞留検出の熱水を凝集沈
殿槽に導ひき、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、必要ならば酸またはアルカリを添加して熱水
のｐＥ　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υ飽和
溶解度以下まで除去し、 （３）凝集沈殿検出の熱水（上浸水）を還元井よシ地下
へ還元し、 （４）　　一方、凝集沈殿槽で生成したスラッジは、ス
ラッ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処理シの
熱水に添加して凝集主剤とじ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、ここで述べるクリ力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、Ｊ工Ｓに準拠したモリブデン青法によって吸
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るいる。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し引いたものを意味する。

従って溶解シリカと重合シリカの和は、水中に含有さｎ
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−ｉ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■−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
−５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７−４よシ一定濃度の無機凝集主剤溶
液（硫酸）（ンド、ポリ塩化アルミニウム溶液などアル
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）凝集沈殿槽Ｖ−５へ添加さ牡
る。また、酸又はアルカリ貯槽Ｖ−５よシ一定濃度の酸
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よシ凝集沈殿槽Ｖ−３へ添加さｎる。ま
た凝集助剤貯槽Ｖ−６よシ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によシ配管Ｔ
−１１よシ凝集沈殿槽へ１〜５　ｐｐｍ添加される。凝
集沈殿処理され水熱水は、凝集沈殿槽Ｖ−３の上部よシ
上澄水として配管Ｔ−１２を経てポンプｐ−ｓにより配
管Ｔ−１６を経て還元井Ｗよシ地下へ還元される。一方
、凝集沈殿槽Ｖ−Ｓの底部にたまったスラッジは、配管
Ｔ−１４を経てポンプＰ−６によシ配管Ｔ−１５を経て
スラッジ溶解槽Ｖ−７へ導入される。スラッジ溶解槽Ｖ
−７では、酸貯槽Ｖ−８よシ配管Ｔ−１６を経てポンプ
Ｐ−７によシ配管Ｔ−１７より導入される酸と混合され
る。スラッジ溶解槽Ｖ−７は、たとえば内部に攪拌翼を
備えた攪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によシ配管Ｔ−
１９を経て固液分離機Ｖ−９に導びかｎる。固液分離機
は、たとえば加圧濾過型のフィ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によシ配管Ｔ−２２によシ
、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よシ系外へ除去される。

噴出直後またに気液セパレータｖ−ｉ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に導ひき滞留させると、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
純物の濃度等によって影響を受ける。

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
溶解度曲線に従ってその温度での飽和損度に達するまで
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シわか
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に入シ、
ここで７リカは主として凝集沈殿法によシ容易に飽和溶
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１０〜２００　ｐｐｍ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添加してフロッ
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７リカの除去率を示した。

試験条件は、温度８０℃、ｐＨ’８で、曲線Ａは全シリ
カ８１６ｐｐｍ、溶解シリカ７９１ｐｐｍ。

重合シリカ２５　ｐｐｍ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
４０１　ｐｐｍ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か大きいほど、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猶の電荷を有し、正に荷電し
た水酸化アルミニウムのフロックに容易にかつすみやか
に吸着さｎ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はど速
くはないが正に荷電したアルミニウムと化合結合して５
ｉ−Ａｔ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８１０ｐｐｍ１溶解シリカ４
０９　ｐｐｍ　、重合シリカ４０１ｐｐｍの熱水で、凝
集主剤はそれぞれ１００　ｐｐ口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υ、曲線Ｃは全シリカの除去
率、曲ｍＤは理解シリカの除去率を示す。全７リカの除
去率は、Ｍｇ系がわずかに高く、次にＡｔ）Ｆｅ）Ｏａ
　　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。従って、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で生成したスラッジは、その底部よシ
抜き出してスラッジ溶解槽Ｖ−７で硫酸または塩酸など
の強酸を貯槽Ｖ−ａから添加し７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
■−３へ循環し、再使用することによシ凝集主剤の使用
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ｎている。

また、回収したシリカは９８チ以上の純度を有し、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って、実際に試験した。条件
と結果を以下に記す。

５００ｆｒＬ３／′Ｈ１溶解シリカ８００　ｐｐｍ　（
重合シリカ濃度Ｏｐｐｍ　）、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係が重合して重合シリ
カになっていた。

凝集沈殿槽Ｖ−３では硫酸バンドを１１００ｐｐ　（Ａ
Ｌ　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
高分子凝集助剤玉３ｐｐｍ添加し、凝集沈殿槽Ｖ−３の
上澄水を還元井Ｗよシ地下へ還元した。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
あった。この熱水は全シリカを２４４　ｐｐｍ（溶解シ
リカ１７４ｐｐｍ、重合シリカ７０　ｐｐｍ）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ッジ（Ｓ
ｉ０２７５％、Ａｚ２ｏ３２５　％　）は、スラッジ溶
解槽Ｖ−７で硫酸を添加して攪拌混合することによシス
ラック中のアルミニウム成分を溶解させた後、固液分離
機Ｖ−９として加圧濾過式のフィ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によシ凝集沈殿槽Ｖ−５人口の配管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チであった。

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シでなく、スラッジ溶解槽で生成し
た凝集主剤を回収し、凝集沈殿槽に再添加することにょ
シ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１（なる等の効果を奏することができる
。

また本発明方法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、グリーンノ・ウス用の熱源や、用
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。 徨代理人　　内　１）　　明 １代理人　　萩　原　亮　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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
   シ地下へ還元することを特徴とする地熱水の処理方法。