JP2012207605A

JP2012207605A - 非凝縮ガス処理装置

Info

Publication number: JP2012207605A
Application number: JP2011074455A
Authority: JP
Inventors: Kanetoshi Hayashi; 謙年林; Naoyuki Furumoto; 直行古本; Seiji Fukuda; 聖二福田; Tadahiko Matsumura; 忠彦松村; Takaomi Yube; 貴臣夕部
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP5578125B2

Abstract

【課題】任意の地熱生産井において、新たに水を追加することなく、少ない動力で非凝縮ガスを還元井深部まで還元できるようにする。
【解決手段】地熱生産井から熱水１０と共に生産される蒸気２０から分離された非凝縮ガスＧを、該熱水及び／又は該蒸気を凝縮して得られる凝縮水を含む還元水Ｈに供給管２の開口部２Ａから供給・混合した後、該還元水と共に還元井４内を下降させて地下に還元する非凝縮ガス処理装置において、前記供給管の開口部を、該開口部から排出される非凝縮ガスが、還元水と混合された気液混相状態の下で、所定の気液体積比率以下となる水圧が加わる水深位置に設置する。
【選択図】図４

Description

本発明は、非凝縮ガス処理装置に係り、特に地熱発電において蒸気と共に噴出される非凝縮ガスを、還元井を通して地中に還元する際に適用して好適な非凝縮ガス処理装置に関する。

従来、地熱発電では、地下深部にある高温の地熱流体層に対して地上から生産井を掘削し、蓄積されている地熱流体をこの生産井を通じて地上に自噴させ、該地熱流体が保有している熱エネルギーでタービンを回転させることによって発電している。

その際、地熱流体を気水分離器により蒸気と熱水とに分離し、該蒸気で蒸気タービンを直接回転させる場合もあれば、該蒸気と該熱水を他の作動媒体と熱交換させることによりその保有エネルギーを該作動媒体に受け渡し、該作動媒体でタービンを回転させる場合もある。また、熱水や蒸気が凝縮した復水は、還元井を介して地下に還元される場合が多い。

このような地熱発電設備においては、気水分離された一方の蒸気に含まれる非凝縮ガスは発電の妨げになるため分離抽出されて大気放散されるのが一般的であるが、近年の環境意識の高まりから、他方の熱水と共に所定の圧力を保持したまま地下還元する方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、図１に示すように、垂直下降管からなる還元井１０１に対して、地下から排出された排水Ｑｅをポンプ１０２により上部から供給すると共に、地表面１０３より上方の地上部分に非凝縮ガスＱｇを送風機１０４により供給し、排水（液相）に同伴させることにより、地下深部へ還元する技術が開示されている。この場合、非凝縮ガスの供給圧力は概略還元井の頂上圧となる。

このように非凝縮ガスを排水に同伴させる場合には、非凝縮ガス（気相）が還元井内を上方に逆流してこないようにすることが肝要であり、そのために特許文献１では液相と気相の見掛けの流速を、それぞれ規定の関係に維持することにより、気液混合点以降の流動態様を図２に示すように、気相の体積が大きいフロス流からスラグ流、更には気相が細い気泡流となるようにして、下降する液相に気相を同伴させることができるようになるとしている。

また、特許文献２には、還元井の地下深部まで非凝縮ガスを圧縮した状態で供給するために、図３に示すように、還元井２０１内を地下深部まで降下させたエジェクター２０２を介して還元層にできるだけ近い深い位置に注入する技術が開示されている。

特開平２−１０１３５１号公報特開平９−１７７５０７号公報

"Two-Phase Flow Patterns and Void Fractions in Downward Flow", Int. J. Multiphase Flow Vol.11, No.6, 1985

しかしながら、前記特許文献１に開示されている技術には以下の問題がある。

一般に、地熱生産井における蒸気、熱水、非凝縮ガスの各流量及びその比率は、発電所毎、更には各井戸毎にそれぞれ異なる値となるが、各井戸における時間的な変動は比較的少ないために、各井戸毎には概略決まった値となっている。

従って、地下に還元する液相（還元水）の液量が決まっている場合、液相の還元流速は還元井の管径を適正に選ぶことにより規定流速以上に保つことは可能であるが、その際に同伴させる気相の流速は、前記特許文献１に開示されている技術の構成では、それぞれの井戸での地熱流体の比率（蒸気量、熱水量、非凝縮ガス量）で一義的に決まってしまうために、特許文献１に示されているような規定の関係を維持するように制御することは不可能である。

特許文献１では排水の見かけの流速Ｖeoを１ｍ／ｓ以上とし、さらにガスの見かけの流速ＶgoをＶgo＜１．３３Ｖeo−０．４１の範囲に抑えるとしている。還元水の量に応じてガスの見かけの流速Ｖgo、即ち還元処理可能な非凝縮ガス量の上限が決まってしまうため、例えば非凝縮ガス量の比率が高い地熱発電所の場合には、前記規定の流速条件を満足することができないことになる。

これを回避するためには、足りない分の水を追加して液相の流量を増やすことが考えられるが、地熱発電所の立地の制約上、井戸等から追加の水を確保することは容易ではないという別の問題が生じる。

また、前記特許文献２の技術には、還元層にできるだけ近い深い位置に注入するとしているが、その位置が深ければ深いほど高い水圧がかかることになるため、非凝縮ガスを圧縮するために大きな動力を要することになるという問題がある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、任意の地熱生産井において、新たに水を追加することなく、できるだけ少ない動力で非凝縮ガスを還元井深部まで還元することができる非凝縮ガス処理装置を提供することを課題とする。

本発明は、地熱生産井から熱水と共に生産される蒸気から分離された非凝縮ガスを、還元水に供給管の開口部から供給・混合した後、該還元水と共に還元井内を下降させて地下に還元する非凝縮ガス処理装置において、前記供給管の開口部を、該開口部から排出される非凝縮ガスが、還元水と混合された気液混相状態の下で、所定の気液体積比率以下となる水圧が加わる水深位置に設置したことにより、前記課題を解決したものである。

本発明においては、非凝縮ガスを気相、還元水を液相とすると、前記所定の気液体積比率が、気相容積／(気相容積＋液相容積)≦２０％であるようにしてもよい。又、前記還元井の上流位置に、前記非凝縮ガスを通過させ、該非凝縮ガスに含まれている被吸収成分を除去する吸収塔が配設されているようにしてもよく、その際には前記吸収塔が、物理吸収及び化学吸収の少なくとも一方の吸収能を有しているようにしてもよい。更に、前記還元水が、前記熱水及び／又は前記蒸気を凝縮して得られる凝縮水を含むようにしてもよい。

本発明によれば、非凝縮ガスを還元井内の還元水に供給する供給管の開口部を、該開口部から排出・供給された非凝縮ガスを流下する還元水に確実に同伴させることが可能な気液の体積比率となる水深位置に設置するようにしたので、任意の気液比率の地熱流体、即ち任意の生産井から生産される地熱流体について、蒸気から分離される非凝縮ガスを、水を追加することなく、できるだけ少ない動力で確実に地下深部まで還元することが可能となる。

特許文献１に開示されている還元井の概要を示す説明図特許文献１による作用・効果を示す説明図特許文献２に開示されている還元井の概要を示す説明図本発明に係る一実施形態の非凝縮ガス処理装置を含む地熱発電設備の要部を示す概略構成図水深を決める手順の一例を示すフローチャート

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図４は、本発明に係る一実施形態の非凝縮ガス処理装置の概要を、その周辺設備と共に示す概略構成図である。

本実施形態の非凝縮ガス処理装置は、図示しない地熱生産井から熱水と共に生産される蒸気から分離された非凝縮ガスＧを、該熱水を含む還元水Ｈに供給管２の開口部２Ａから排出・供給した後、該還元水Ｈと共に還元井４内を下降させて地下に還元する機能を有している。

本実施形態においては、前記生産井から生産される熱水１０が、アルカリ溶液１４が注加される混合槽１６に供給されてアルカリ性混合水Ｈ’に調製された後、前記還元井４の上流に位置する、物理及び化学の両吸収能を有する吸収塔１８に導入される。なお、ここでは、熱水１０に加えて、二点鎖線で示すように追加水１２を還元水の一部として追加してもよい。

また、前記生産井から生産される蒸気２０は、地熱発電設備２２に設置されている、例えば２段式の熱交換機２４Ａ、２４Ｂに順次供給され、発電用タービン（図示せず）を回転させるための、例えばペンタン等の有機溶媒からなる作動媒体を液体から気体にする熱源として使用された後、凝縮水Ｈ”となって熱交換器２４Ｂから排出されるとともに、蒸気２０に含まれていた非凝縮ガスＧ’は熱交換器２４Ａ内から抽気される。ここで、非凝縮ガスＧ’は被吸収成分を含有している。

抽気された前記非凝縮ガスＧ’は、例えば０．６ＭＰａのゲージ圧、１６０℃の下で前記吸収塔１８に供給されている前記アルカリ性混合水Ｈ’中を通過され、物理吸収と化学吸収により二酸化硫黄や炭酸ガス、硫化水素等の被吸収成分が除去された非凝縮ガスＧとして、圧縮機２６により、例えば３．０ＭＰａのゲージ圧の下で前記供給管２に上部から圧入して供給される。

一方、前記凝縮水Ｈ”は復水として前記吸収塔１８から排出される混合水Ｈ’と混合され、前記還元水Ｈとしてポンプ２８により前記還元井４内に導入される。

本実施形態においては、前記供給管２が、前記還元井４に導入されている還元水Ｈの水面下で水深Ｌの位置に、該還元水Ｈに非凝縮ガスＧを排出・供給するための開口部２Ａが一致するように該還元井４内に配設されている。

従って、この供給管２の開口部２Ａには、ヘッド圧として水深Ｌに相当する水圧が加わっているので、非凝縮ガスＧはそのヘッド圧に抗して該開口部２Ａから排出されることになるため、該ヘッド圧と同等以上に圧縮された状態で還元井４内に供給されることになる。

本実施形態では、供給管２の開口部２Ａの水深Ｌを、還元すべき非凝縮ガスＧの標準状態における体積と還元水Ｈの体積の比率に応じて決定する。具体的には、非凝縮ガスＧを気相、還元水Ｈを液相とした場合に、次式で表される気液の体積比率（ボイド率）で設定する。

ボイド率＝気相容積／(気相容積＋液相容積) …（１）

いま、ボイド率＝αであったとしたときの水深Ｌの計算方法について説明する。

水深が変化、即ち水圧が変化したとしても、気液混相状態を構成する液相の体積は変化しない。そこで、液相の体積を基準の１とし、この体積１の還元水（熱水＋凝縮水）から分離された気相の水深Ｌにおける体積がＶ_Pであったとすると、前記（１）式は次式となる。

Ｖ_P／(Ｖ_P＋１)＝α …（２）

この（２）式からＶ_P＝α／(１−α)となることから、ボイド率をα以下とするためには、水深Ｌでは気相の体積を液相のα／(１−α)以下にする必要がある。

従って、仮に体積１の還元水から分離された気相の標準状態（１気圧＝０．１０１３ＭＰａ）における体積がＶ_Sであったとすると、これを液相のα／(１−α)（＝Ｖ_P）に圧縮するための圧縮率ｎ＝(Ｖ_S／Ｖ_P)は、Ｖ_P＝Ｖ_S／ｎ＝α／(１−α)から、ｎ＝Ｖ_S(１−α)／αとなる。

また、水圧は１０ｍ毎に１気圧増大することから、水深Ｌは次式で設定される。

Ｌ＝[Ｖ_S(１−α)／α]×１０[ｍ] …（３）

仮に１ｍ³の還元水から標準状態で１ｍ³の非凝縮ガスが分離されたとすると、前記開口部２Ａは[(１−α)／α]×１０ｍの水深以下に設置することになる。

従って、任意の地熱発電所で生産された地熱流体から分離された非凝縮ガス（気相）については、図５のフローチャートにしたがって、ボイド率＝αに対応する水深Ｌを決定することができる。

先ず、生産された地熱流体を気相と液相（熱水＋凝縮水）に分離し（ステップＳ１）、分離された単位体積当たりの液相に対する気相の標準状態下における体積Ｖ_Sを算出する（ステップＳ２）。

次いで、ボイド率がαのときの気相の体積Ｖ_Pを前記（２）式から算出し（ステップＳ３）、求めたＶ_Pから圧縮率ｎを算出し（ステップＳ４）、その圧縮率から前記（３）式により水深Ｌを算出する（ステップＳ５）。

次いで、具体例を挙げて説明する。

ボイド率＝２０％以下に設定する場合には、前記（３）式は次の（３’）式となる。

Ｌ＝４Ｖ_S×１０[ｍ] …（３’）

これより、仮に１ｍ³の還元水から標準状態で１ｍ³の非凝縮ガスが分離されたとすると、前記開口部２Ａは４×１０ｍの水深以下に設置することになる。

次に、本実施形態の作用を説明する。

供給管２の開口部２Ａから還元水Ｈに排出される非凝縮ガスＧの容積（体積）は、ヘッド圧（水圧）に応じて小さくなる。従って、このヘッド圧により、液相中に排出された気相の液相に対する体積比率（ボイド率）を制御することができる。

これは即ち、前記特許文献１に開示されている技術における気相の見掛け流速を制御することに相当する。従って、供給管２の開口部２Ａの水深Ｌを適切に設定することにより、還元井４において非凝縮ガスＧの逆流を生じさせることなく、気相（非凝縮ガスＧ）を気液混相状態で液相に同伴させつつ地下深部に還元することが可能となる。

水深Ｌを適切に設定するとは、開口部２Ａに気液の体積比率が、例えば２０％以下になるようなヘッド圧（水圧）がかかる水深にすることであり、このように設定することにより前記特許文献１でいう気相の見掛け流速を十分に小さくすることが可能となり、流動状態として前記図２に示した（ｃ）気泡流状態を維持できることになると考えられる。なお、気液体積比率が２０％以下にすることが、気泡流状態の維持に有効であることは、例えば非特許文献１に記載されている。

なお、気液体積比率を２０％より小さくすればするほど非凝縮ガスＧの逆流抑制には有効であり、例えば前記特許文献２に開示されている技術のように、還元井４の井戸底にかかる圧力まで非凝縮ガスＧを圧縮すれば、ガス圧入によりそのまま地下還元することは当然可能であるが、この場合はガスを圧縮するために多大な動力を要することになる。そこで、気液体積比率は５％程度までを下限とすることが動力の過大な消費を回避する上で有効である。

本実施形態では、各発電所、各井戸毎の地熱流体の流量と気液比率に応じて、非凝縮ガスＧを気液混相状態で同伴下降搬送可能な水深の水圧程度に圧縮して還元水（液相）中に供給することにより、最小限の圧縮に留めることが可能となることから、ガス圧縮動力を削減しつつ、非凝縮ガス全量を地下還元することが可能となる。

また、本実施形態においては、圧縮機２６の前段で非凝縮ガスの一部を物理吸収及び化学吸収するようにしているので、これにより炭酸ガス等の被吸収成分ガスを除去できることから、圧縮機２６により処理するガス量を更に削減することができ、また前記（３）式におけるＶ_Sを削減することに相当することから圧縮率の低減にもつながり、圧縮動力を大幅に削減することが可能となっている。その上、腐食性の強いガス、例えば二酸化硫黄や硫化水素を前記物理／化学吸収工程で選択的に吸収するようにできることから、圧縮機２６の腐食を抑制できるメリットも得られる。

なお、前記実施形態では、熱水と凝縮水を還元水として用いる例を示したが、熱水のみもしくは凝縮水のみを還元水としてもよい。また、前記図４に二点鎖線で併記した追加水として井水などを加えてももちろんよい。また、還元井の上流、即ち圧縮機の前段に吸収塔を設ける例を示したが、これに限定されない。更には、生産される蒸気が、発電タービンを回転させる作動媒体の加熱に使用される例を示したが、該蒸気を直接発電タービンの回転に供する設備であってもよいことは言うまでもない。

２…供給管
２Ａ…開口部
４…還元井
１０…熱水
１２…追加水
１４…アルカリ溶液
１６…混合槽
１８…吸収塔
２０…蒸気
２２…地熱発電設備
２４Ａ、２４Ｂ…熱交換機
２６…圧縮機
２８…ポンプ
Ｇ…非凝縮ガス
Ｈ…還元水
Ｈ’…アルカリ性混合水
Ｈ”…凝縮水

Claims

地熱生産井から熱水と共に生産される蒸気から分離された非凝縮ガスを、還元水に供給管の開口部から供給・混合した後、該還元水と共に還元井内を下降させて地下に還元する非凝縮ガス処理装置において、
前記供給管の開口部を、該開口部から排出される非凝縮ガスが、還元水と混合された気液混相状態の下で、所定の気液体積比率以下となる水圧が加わる水深位置に設置したことを特徴とする非凝縮ガス処理装置。
非凝縮ガスを気相、還元水を液相とすると、前記所定の気液体積比率が、気相容積／(気相容積＋液相容積)≦２０％であることを特徴とする請求項１に記載の非凝縮ガス処理装置。
前記還元井の上流位置に、前記非凝縮ガスを通過させ、該非凝縮ガスに含まれている被吸収成分を除去する吸収塔が配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の非凝縮ガス処理装置。
前記吸収塔が、物理吸収及び化学吸収の少なくとも一方の吸収能を有していることを特徴とする請求項３に記載の非凝縮ガス処理装置。
前記還元水が、前記熱水及び／又は前記蒸気を凝縮して得られる凝縮水を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の非凝縮ガス処理装置。