図1は本発明による液化炭酸ガスの微細液 滴化による地中貯留システムの構成図である 。液化炭酸ガスの微細液滴化による地中送り 込み装置100は、深部帯水層51に達する揚水井2 1から地下水53を汲み上げる汲み上げ装置1と� �汲み上げた地下水53を20~25℃範囲の一定温度� ��調整する温度調整装置2と、深部帯水層51に� ��る注入井22に、汲み上げた地下水53を注入水 54として送り込む注入水圧入装置3と、注入水 圧入装置3と注入井22の間に設けられ、注入水 54に脈動を加える注入水用の低周波脈動圧発� ��装置4と、外部のプラント施設30の排気ガス� ��化学反応プロセスにおける成分分離工程の� ��スなどから分離回収した高純度の二酸化炭� ��を液化炭酸ガス55として注入井22に送り込む 液化炭酸ガス圧入装置5と、注入井22内での注 入水の静止水圧が7MPa以上となる水深位置に� �けられ、液化炭酸ガス55を微細液滴化し、注 入水54に混合して二液混合流体56を生成する� �細液滴化装置6aあるいは6bと、を備える。 

 深部帯水層51は、細かい砂層からなり水� �源には向かない塩水で飽和された層のこと� �ある。液化炭酸ガスは、700~1500mの深度を対� �に注入する。液化炭酸ガス55は、密度がほぼ 水と同じ液体であり、注入井22での注入水の� ��度700m以深において微細液滴化され一部は注 入水54に溶け、その他の多くは解けずに液滴� ��まま二液混合流体56となり、深部帯水層51に 注入される。プラント施設30としては、火力� ��電所、ごみ焼却施設、石油精製施設、セメ� ��ト製造施設、化学プラント施設などがあげ� ��れる。なお、地表面52から深部帯水層51にい たるまでには多数の地層があるが、図示は省 略している。 

 一般的な深部帯水層51の圧力と温度のもと� �は、水1m ³ (重さ1000kg)に対して二酸化炭素40~60kgを溶解さ せることができる。二酸化炭素は、液滴化せ ずに超臨界流体として注入する場合は、浮力 の影響で上昇して固まり(プリュ-ム)となりや すいが、液化炭酸ガス55を微細液滴化して注� ��水54に混合すれば、固まりにならずに深部� �水層51に広く浸透、拡散させることができる 。微細液滴34は、地下水53との接触面積が格� �に大きいので、浸透拡散後に圧力と温度条� �により気相に変化した微細気泡の二酸化炭� �の溶解速度は、気体や超臨界流体の固まり� �して地中に存在している場合より数100~数1000 倍も早い。加えて、微細液滴34が土粒子の隙� ��に入り込むことで、二酸化炭素が固定され� ��から、シール層や不透水層が上方に存在し� ��い深部帯水層でも有効である。 

 ここで二酸化炭素の固定は、つぎのような� ��ロセスでおきる。微細液滴状の二酸化炭素� ��、岩石鉱物の表面に吸着される場合や、毛� ��管効果により岩石中の残留液滴としてトラ� ��プされるが、圧力と温度の条件変化により� ��細気泡になった二酸化炭素は、周囲の地下� ��に溶解しやすい。溶解した二酸化炭素は地� ��水中に豊富に含まれる各種イオンや周囲の� ��物と反応し、例えば、2CO ₂ +3H ₂ O+CaSiO ₃ →Ca ²⁺ +2HCO ₃ ^- +H ₄ SiO ₄  (1)式のようにイオン化して、地下水中でよ� ��安定化する。さらに、Ca ²⁺ +2HCO ₃ ^-  →CaCO ₃ +CO ₂ +H ₂ O (2)式という反応が起こり、CO ₂ の半分は(1)式に戻るが、CaCO ₃ は炭酸塩化合物であるから、二酸化炭素はほ ぼ永久的に固定化される。 

 汲み上げ装置1は内管7と外管8からなる二� ��管9の揚水井21、揚水ポンプ10、ジェット吸� �部12、貯水タンク13などからなる。地下水53� �汲み上げるため、揚水ポンプ10で加圧水60を� ��管7に送り込み、ジェット吸引部12で地下水5 3を汲み上げ、注入水54として貯水タンク13に� ��える。ジェット吸引部12は、加圧水60の流速 を早めて負圧を作り出し、地下水53を吸い込� ��ものである。揚水ポンプ10に投入する水は� �貯水タンク13に蓄えられた地下水53を循環し� ��利用するようにしてもよい。 

 深部帯水層51から汲み上げた地下水53は、 かん水と呼ばれ注入水として好ましい。かん 水は電解質イオンを多く含み、海水の三分の 一以上の塩分濃度があり、生活に利用できな いので地域の理解を得やすい。かん水のある 帯水層は新生代の第三~四紀の堆積盆の地質� �造に広く分布する。液化炭酸ガスの相互溶� �度(液体が液体に溶解する場合の溶解度を相� ��溶解度という)は小さいが、かん水は電解質 イオンがその濃度に比例して液化炭酸ガスの 相互溶解度をさらに低下させる(Salting out現� �)から、微細液滴34の逸散を防止して微細な� �滴を高密度に生成できる。 

 温度調整装置2は、貯水タンク13と注入水� ��入装置3の間に設けられ、汲み上げた30℃以� ��の地下水53の水温を20~25℃範囲の一定水温に する装置である。30℃以上の注入水54を注入� �22に送り込むと、微細液滴化装置6aあるいは6 bにより生成された微細液滴34は液相から気相 に変化しやすく、注入水54の水温管理は重要� ��ある。温度調整装置2は、汲み上げた30℃以� ��の地下水の熱エネルギーを利用したヒート� ��ンプにより地下水を冷却して20~25℃範囲の� �定水温の注入水をつくる。また、少なくと� �温度調整装置2から注入井22までの注入水の� �管については、夏季や冬季における配管温� �の変化を抑えるための地中埋設や保温材付� �等の対策を講ずることが好ましい。 

 注入水圧入装置3は、注入井22に注入水54� �送り込むための圧入ポンプ14、圧力流量調整 弁15などからなる。圧力流量調整弁15は、圧� �ポンプ14の注入水54の圧入の抵抗が一定値を� ��えるような場合に、弁を開いて注入水54を� �水タンク13に戻すものである。揚水井21と注� ��井22の間の距離は、通常500~1km程度は離れて� ��るので、貯水タンク13とは別にパイプライ� �で結んだ貯水タンクを設け、注入水圧入装� �2に組み入れてもよい。 

 注入水用の低周波数脈動圧発生装置4は、 駆動部16、脈動発生器17からなる。駆動部16は 、脈動の周波数、圧力振幅を指定することが できる。脈動は低周波を用い、具体的には0.5 Hz~30Hzである。脈動は低周波なので注入井22の 底部まで伝わる。脈動は、地層内における二 液混合流体56の流動性を高める。静的な圧力� ��けで圧入する場合よりも注入効率がよい。� �

 プラント施設30は、一例として燃焼炉18の 排気ガスに含まれる二酸化炭素の分離回収装 置19を含む。化学吸収法によれば、二酸化炭� ��の濃度を99%以上に濃縮することができる。� ��離回収した二酸化炭素を液化炭酸ガスとし� ��一時的に蓄えるタンクを設けてもよい。 

 液化炭酸ガス圧入装置5は、液化炭酸ガス 貯蔵タンク24及びコンプレッサ23などで構成� �れる。なお、図示しないが、圧力調整弁、� �量計、圧力計が取り付けられる。プラント� �設30と注入井22が近い場合は、二酸化炭素を� ��イプラインで貯蔵タンク24に送ることが出� �る。遠い場合は、タンクローリ20で輸送して もよい。タンクローリ20で二酸化炭素を運ぶ� ��合、高圧低温状態での液化炭酸ガスとして� ��搬される。 

 液化炭酸ガス55の注入作業を開始する場� �、液化炭酸ガス55が相変化を起こさないよう に、コンプレッサ23を介して7MPaを連続的に維 持しながら、挿入管27に液化炭酸ガス55を送� �出す作業を続ける必要がある。したがって� �液化炭酸ガス55の注入作業の準備として、注 入井22の挿入管27に液化炭酸ガス55を送る配管 経路をバルブで遮断状態にし、別経路の注水 配管により挿入管を注入水54で満たした後、� ��水配管を閉じ、挿入管27へのバルブを開き� �所定の高圧で液化炭酸ガス55を送り込み、液 化炭酸ガスの一時的な圧力低下を避ける対応 をとる。挿入管27中の注入水54は、挿入管27の 内径にもよるが、液化炭酸ガス55の液圧によ� ��数10分程度で注入水はすべて微細液滴化装� �6aあるいは6bを通じて押し出された後に、所� ��の微細液滴化作業が開始できる。逆に、微� ��液滴化作業を長期間中断する際には、液化� ��酸ガス55を送り込む配管経路のバブルを閉� �た後、挿入管27中の液圧を大気圧まで下げな がら別の配管経路で挿入管27の液化炭酸ガス5 5を気化させて二酸化炭素を回収する。 

 液化炭酸ガス用の低周波脈動圧発生装置4 aは、液化炭酸ガス55に脈動圧を与えるもので あり、液化炭酸ガス圧入装置5と注入井22の間 に設けられる。液化炭酸ガス55の脈動化によ� ��、微細液滴化装置6a(あるいは6b)からの液滴� ��が促進される。低周波脈動圧発生装置4aは� �駆動部16、脈動発生器17からなる。駆動部16� �、脈動の周期、圧力振幅を制御する。脈動� �0.5Hz~30Hzの低周波である。ここでの脈動は、� ��化炭酸ガス55の流動性を高め、微細液滴化� �置6aあるいは6bからの噴射を促進する。 

 微細液滴化装置6a、6bは、挿入管27の下端� ��取り付けられ、注入井22内での注入水の静� �圧が7MPa以上となる水深位置に設けられる。� ��ーシング管26と挿入管27の間に注入水54が圧� ��され、挿入管27には液化炭酸ガス55が圧入さ れる。微細液滴化装置6aにより液滴が生成さ� ��、二液混合流体となって、ケーシング管26� �底部側面のスリット35から、深部帯水層51に� ��り込まれる。挿入管27には振れ止め材47が、 ケーシング管には固定金具4が設けられる。 

 構成例1の微細液滴化装置6aは、液化炭酸� ��ス55の吐出流が筒体40内壁に取り付けた回転 翼43を回し、噴射管41から液化炭酸ガス55が噴 射される噴射反力で筒体40を回転させる構造� ��もつ。微細液滴化装置6aの回転速度は、筒� �40の側面に設ける噴射管数、噴射管口径、あ るいは液化炭酸ガス55の液圧により異なるが� ��100~1000rpm程度である。この回転速度のもと� �生成される液滴の径分布は1mm~0.01mmであり、� ��干大きめのミリ液滴が含まれる。しかしな� ��ら、700~1500mの深部帯水層に液滴を注入する� ��合、ミリ液滴が圧力と温度の変化により気� ��に変化しても、大きな気体の固まり状態と� ��る挙動には至らず、深部帯水層51内で安全� �二酸化炭素を固定化することができる。 

 構成例2の微細液滴化装置6bは、水中モー� ��31により微細液滴化装置6bが高速回転させる 構造をもつ。微細液滴化装置6bの回転速度は� ��1000~3000rpm程度であり、高速回転により生成� ��れる液滴の径分布は0.05mm~0.01mmになる。均一 で微細な液滴が生成されるので、例えば深部 帯水層51の水深が数十mしかない層でも有効で ある。 

 図1に示すように、微細液滴34は、注入井2 2底部のスリット35に向かって移動する間に水 圧が高くなり液滴内部の圧力も上昇する。深 部帯水層51の注入深度付近の高い地熱の影響� ��受け、温度と圧力が、例えば注入井22内底� �のスリット35付近において、温度31.1℃以上� �よび7.382MPa以上になるとする。この場合、微 細液滴34は微細な超臨界流体粒へと相変化す� ��。本発明は、このような微細な超臨界流体� ��への相変化を含むものである。注入井22の� �置や注入深度は、深部帯水層51のサイト条件 (地質構造、圧力、温度)を踏まえて、液滴34� �相変化も考慮して決めることができる。 

 図2は、揚水井の二重管の断面図である。 ジェット吸引部12は、内管7からの加圧水60の� ��速を早めるため逆漏斗型としている。逆漏� ��型の内部は負圧となるので地下水53が吸い� �まれる。吸い込まれた地下水53は、内管7と� �管8の間を上昇する。 

 図3は、微細液滴化装置の断面図(構成例1) である。微細液滴化装置6aは、筒体40と、筒� �40上部の内壁に設けられた回転翼43と、筒体4 0の側部に、斜め下方に向けて突出する複数� �噴射管41を有する。筒体40は例えば角筒にす� ��ことができる。角筒の場合、円筒に比較し� ��より強力な旋回流を注入水54に与えるので� �液滴の一層の微細化を促すことができる。� �入管27からの液化炭酸ガス55は、三角錐42で� �体40の周囲に流し込まれ、流速により回転翼 43が回転し液化炭酸ガス55を旋回させる。さ� �に、液化炭酸ガス55が噴射管41からケーシン� ��管26の内壁の下方に向かって噴射されるの� �、噴射反力によって筒体40が回転する。噴射 管41を出た液化炭酸ガス55は、液滴となって� �速が速められた注入水54に混合され、二液混 合流体56となる。なお、微細液滴化装置6aが� �転する際に挿入管27の振れ変形を抑えるため 、2か所において、振れ止め材47を挿入管27に� ��り付け、ケーシング管26の内壁に溶接で取� �付けた固定金具48の穴に振れ止め材47を差し� ��み固定する。 

 図4は、微細液滴化装置の断面図(構成例2) である。微細液滴化装置6bは、筒体40と、筒� �40の側部に斜め下方に向けて突出する複数の 噴射管41を有する。筒体40を角筒とすれば、� �入水54に円筒に比較してより強力な旋回流を 与え、液滴の一層の微細化を促すことができ る。微細液滴化装置6bは、筒体40が直下に設� �された水中モータ31により高速回転する。水 中モータ31は地上側からの給電により駆動さ� ��る。噴射管41を出た液化炭酸ガス55は、液滴 となって流速が速められた注入水55に混合さ� ��、二液混合流体56となる。なお、挿入管27下 端に取り付けられた微細液滴化装置6aが回転� ��る際に挿入管27の振れ変形を抑えるために� �最下端の挿入管ロッドに1断面に2本の振れ止 め材47を取り付け、ケーシング管26の内壁に� �接で取り付けた固定金具48の穴に振れ止め材 47のフックを差し込み固定する。 

 二液混合流体56では、気液混合流体のよ� �な気泡による閉塞は発生しない。二液混合� �体56の注入に用いる脈動化の目的は、送り込 んだ地層の隙間空間を脈動させ、静的な注入 の場合より広範囲に微細液滴34を送り込める� ��うにして注入の効率化を図るためである。� �

 図5は、低周波脈動発生装置3の構成図であ� �。駆動部16は、例としてモータ57と油圧シリ� ��ダ58で構成される。モータ57が回転すると油 圧シリンダ58のピストンが動き、グラフG1に� �すような一定周期の油圧がかかる。この油� �で脈動発生器17のゴム管59の径を伸縮させる� ��油圧の大きさは油圧シリンダ58の出口に電� �弁を設けて圧力を逃がすことで制御できる� �モータ57の回転を1200rpmとすれば、周期は1秒� ��に20回(20Hz)となる。グラフG2に示すように、 圧入ポンプ12を出た注入水54の圧力は、脈動� �加えられて、注入水54はグラフG3に示すよう� ��圧力となる。なお、低周波脈動発生装置3の 上流側に、高負荷状態で圧力が伝達されない ように逆止弁が設けられてもよい。脈動の振 幅は、例として、注入水54の水圧をPαとする� ��、脈動後の水圧Pαdは、振幅の係数を0.5とし 、(Pα-0.5Pα)<Pαd<(Pα+0.5Pα)とすることがで きる。Pαは、10kg/cm ² ~30kg/cm ² が望ましい。また、通常の脈動の周波数は0.5 ~30Hzとされる。できるかぎり広範囲にまで脈� ��波の透過力を強くするために、本システム� ��の脈動の周波数は、脈動波の透過力が強い1 0Hz以下とした。 

 図6は、注入井での注入水と液化炭酸ガスの 圧力関係図である。微細気泡化装置6a、6bの� �度L1は、注入井22に送られてきた液化炭酸ガ� ��55が相変化せずに液滴化するために、注入� �54の水圧が7MPa以上の深度に設ける。深度L1で の注入水54の水圧をP1とする。また、注入井22 の底部のスリット35までの深度をL0とする。� �らに、深度をL0での水圧をP0とする。二液混� ��流体56の場合、気液混合流体のように微細� �泡の影響による水圧減少分の加圧を考慮す� �必要がないので、注入水54の注入圧力はPαd� �ある。この圧力から圧入ポンプ12の吐出圧が 決められる。次に液化炭酸ガス55は、L1での� �入水54の圧力がP1+Pαdとなるので、これより� �きな値となるようP1+Pαd+Cとする。Cは約10~30kg /cm ² とした。 

 液化炭酸ガス55を高圧状態で圧力変動が� �る注入水54に微細液滴化装置6a、6bの噴射管41 から効率よく液化炭酸ガス55を噴射させるた� ��に、液化炭酸ガス55を脈動化させ、噴射管41 から噴射する液化炭酸ガス55の流動性を高め� ��効果を狙う。 

 液化炭酸ガス55の脈動化は、コンプレッサ23 と注入井22の間に設けた液化炭酸ガス用の低� ��波脈動発生装置4aにて脈動の周期、大きさ� �制御する。液化炭酸ガス55の脈動化の圧力を Cdとすれば、P1+Pαdmax+Cdであり、7MPa<P1+Pαdmax <P1+Pαdmax+Cdの関係式が成り立つようにする� ��Pαdmaxは注入水の脈動の最大圧であり、Pαdma x<Pα+0.5Pαになる。液化炭酸ガス55を噴射し� ��すくするために脈動の周波数を0.5Hz~30Hzとし 、脈動の大きさ(振幅)の上限値を0.5Pαと設定� ��れば、(Cd-0.5Cd)<Cd<(Cd+0.5Cd)になる。深度L 1にもよるが、ここでCdは10~30kg/cm ² とする。 

 図7は、液化炭酸ガスの地中送り込み方法 の処理手順を示すフローチャートである。S70 は、深部帯水層の地下水を揚水井から地上の 貯水タンクに汲み上げて注入水をつくる段階 である。S71は、注入水に脈動水圧を加える段 階である。S72は、脈動水圧が加えられた注入 水を注入井から深部帯水層に送り込む段階で ある。S73は、液化炭酸ガスを貯蔵タンクから 液体状態を保てる圧力で注入井に送り込む段 階である。S74は、注入井内において、液化炭 酸ガスを注入水の中に微細液滴化して混合し 二液混合流体を生成する段階である。S75は、 注入水の水温を調整する段階である。水温が 高い場合水温が調整される。S76は、液化炭酸 ガスに脈動を加える段階である。注入状況を センサで観測し必要な場合は液化炭酸ガスに 脈動が加えられる。