(57)【要約】【課題】溶解度の高い気体と溶解度の低い気体とを含む混合ガスを分離し、溶解度の低い気体を確実に回収する技術を提供する。【解決手段】地表から、ポンプ６およびコンプレッサ７により高圧の水と消化ガス(混合ガス）をボーリング孔２下部に供給し、マイクロバブル水発生部１５によりマイクロバブル化した混合ガスをマイクロバブル水として帯水層に注入する。マイクロバブル化することにより、二酸化炭素とメタンとの溶解度の差はより大きくなり、分離効果が向上するものと推測される。二酸化炭素は水に溶解され、水平方向に広がっている帯水層に沿って拡散する。一方、メタンガスは、ほとんど溶解せず気体に戻る。メタンガスは、排気ライン１６を上昇して排気回収タンク１７に回収される。排気回収タンク１７内のメタンガスは、燃料として再利用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解度の高い第１気体と溶解度の低い第２気体とを含む混合ガスをマイクロバブル水とし、
不透水層より下層の帯水層にマイクロバブル水を注入するとともに、
帯水層に注入されなかった気体を地中より回収する
ことを特徴とする気体回収システム。
【請求項２】
不透水層より下層の帯水層まで削孔されたボーリング孔内を遮蔽する遮蔽栓と、
前記遮蔽栓により下方に形成される空間に、水を供給する水供給ラインと、
前記遮蔽栓により下方に形成される空間に、溶解度の高い第１気体と溶解度の低い第２気体とを含む混合ガスを供給する気体供給ラインと、
前記水および混合ガスを混合撹拌し、マイクロバブル水を発生させるマイクロバブル水発生部と、
前記空間から帯水層に注入されるマイクロバブル水に含まれる気体のうち注入されなかった気体を地中より回収する排気ラインと
を備えることを特徴とする気体回収システム。
【請求項３】
前記帯水層に注入されず回収される気体の圧力を制御する制御手段
を備えることを特徴とする請求項１または２記載の気体回収システム。
【請求項４】
前記帯水層に注入されず回収される気体の圧力が、前記帯水層に注入される圧力より低く、前記帯水層の間隙水圧より高くなるように制御する制御手段
を備えることを特徴とする請求項３記載の気体回収システム。
【請求項５】
溶解度の高い第１気体と溶解度の低い第２気体とを含む混合ガスをマイクロバブル水とし、
前記マイクロバブル水を不透水層より下層の帯水層に注入するとともに、
帯水層に注入されなかった気体を地中より回収する
ことを特徴とする気体回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合ガスから特定の気体を分離し回収する技術等に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水処理場からはバイオガスの一つである消化ガスが発生する。消化ガスは約６０％のメタンガス（ＣＨ４）と約４０％の二酸化炭素（ＣＯ２）とその他微量な成分とから構成される。
【０００３】
メタンガスを燃料として再利用しようとする場合、二酸化炭素は不活性な物質のため、消化ガスの発熱量が低くなる。そのため、二酸化炭素を分離し、メタンガスを高純度で回収することが重要となる。
【０００４】
メタンと二酸化炭素との水への溶解度の差を利用して、二酸化炭素を除去し、メタンを回収する技術が提案されている（たとえば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０６３３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の技術は、二酸化炭素の処理については考慮されていなかった。分離した二酸化炭素を大気中に放出すると地球温暖化の原因になる。地球温暖化抑止に向けて、二酸化炭素（ＣＯ２）排出量の削減が強く求められている。
【０００７】
また、上記技術では、メタンと二酸化炭素とを充分に分離できず、回収したメタンガスに二酸化炭素が混じっている。その結果、回収したメタンガスの発熱量が低くなるおそれがある。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、溶解度の高い気体と溶解度の低い気体とを含む混合ガスを分離し、溶解度の低い気体を確実に回収する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明は、溶解度の高い第１気体と溶解度の低い第２気体とを含む混合ガスをマイクロバブル水とし、不透水層より下層の帯水層にマイクロバブル水を注入するとともに、帯水層に注入されなかった気体を地中より回収する気体回収システムである。
【００１０】
上記課題を解決する本発明は、不透水層より下層の帯水層まで削孔されたボーリング孔内を遮蔽する遮蔽栓と、前記遮蔽栓により下方に形成される空間に、水を供給する水供給ラインと、前記遮蔽栓により下方に形成される空間に、溶解度の高い第１気体と溶解度の低い第２気体とを含む混合ガスを供給する気体供給ラインと、前記水および混合ガスを混合撹拌し、マイクロバブル水を発生させるマイクロバブル水発生部と、前記空間から帯水層に注入されるマイクロバブル水に含まれる気体のうち注入されなかった気体を地中より回収する排気ラインとを備える気体回収システムである。
【００１１】
混合ガスが溶解度の高い第１気体と溶解度の低い第２気体とを含む場合、マイクロバブル水とすることで溶解度の差は拡大するものと推測される。その結果、分離効果は向上し、溶解度の低い第２気体を確実に回収できる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、前記帯水層に注入されず回収される気体の圧力を制御する制御手段を備える。
【００１３】
本発明において、好ましくは、前記帯水層に注入されず回収される気体の圧力が、前記帯水層に注入される圧力より低く、前記帯水層の間隙水圧より高くなるように制御する制御手段を備える。
【００１４】
これにより、地下水の上昇を防止し、確実に気体を回収できる。
【００１５】
上記課題を解決する本発明は、溶解度の高い第１気体と溶解度の低い第２気体とを含む混合ガスをマイクロバブル水とし、前記マイクロバブル水を不透水層より下層の帯水層に注入するとともに、帯水層に注入されなかった気体を地中より回収する気体回収方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、溶解度の高い気体と溶解度の低い気体とを含む混合ガスを分離し、溶解度の低い気体を確実に回収できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の全体構成図である。
【図２】ボーリング孔下端における詳細構成図である。
【図３】制御装置の機能ブロック図である。
【図４】マイクロバブル化による効果についての説明図である。
【図５】気体の溶解度一覧である。
【図６】溶解度の相違についての説明図である。
【図７】気体の自己収縮作用の相違についての説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
〜概要〜
まず、本実施形態にかかる気体回収システムの構成の一例について説明する。次いで、本実施形態にかかる気体回収システムを、メタンガス回収に適用した場合の動作および制御について説明する。また、備考として本願発明に至った経緯について説明する。
【００１９】
なお、マイクロバブル水には、気体が水に溶解した状態と微細気泡(マイクロバブル)状態とが混在する。また、微細気泡は自己圧潰により更に微細になり、溶解する。
【００２０】
〜システム構成〜
図１は、本実施形態に係る気体回収システムの全体構成図である。図２は、ボーリング孔下端における詳細構成図である。
【００２１】
気体回収システム１はボーリング孔２に設けられる。ボーリング孔２は、地表より不透水層３を貫通し、不透水層３より下層にある帯水層４まで削孔されている。
【００２２】
不透水層とは、地下水が浸透しない、あるいは浸透しにくい地層であり、シルトや粘土などからなる。帯水層とは、地下水によって飽和している地層である。
【００２３】
ボーリング孔２の帯水層４に接する側面はストレーナとなっており、ボーリング孔２と帯水層４は連通している。
【００２４】
気体回収システム１は、ポンプ６と、コンプレッサ７と、コンプレッサ８と、遮蔽栓１１と、水供給ライン１２と、気体供給ライン１３と、マイクロバブル水発生部１５と、排気ライン１６と、排気回収タンク１７と、弁１８とを備えている。
【００２５】
遮蔽栓１１は、ボーリング孔２下部に設けられる。遮蔽栓１１は、例えばゴムパッカーであり、パッカー拡張ライン３１を介して地表から供給される空気により膨らみ、空気圧によりボーリング孔内を遮蔽する。ボーリング孔２が深い場合は、ＳＵＳワイヤ３２により所定の深度まで降ろし、液圧で膨らませた遮蔽栓１１を吊支持する。
【００２６】
遮蔽栓１１により、ボーリング孔２下部では帯水層４に連続する空間が形成される。
【００２７】
水供給ライン１２および気体供給ライン１３は、地表より遮蔽栓１１を貫通して、ボーリング孔２下部に至る。水供給ライン１２は、ポンプ６を介して地表から水をボーリング孔２下部に供給する。気体供給ライン１３は、コンプレッサ７を介して地表から気体をボーリング孔２下部に供給する。
【００２８】
水供給ライン１２および気体供給ライン１３は末端においてマイクロバブル水発生部１５と接続している。ポンプ６は水を圧縮して高圧とする。コンプレッサ７は気体を圧縮して高圧とする。
【００２９】
マイクロバブル水発生部１５は、水供給ライン１２を介して供給される水と気体供給ライン１３を介して供給される気体とを撹拌混合し、気体をマイクロバブルとし、マイクロバブル水をノズルより噴射する。
【００３０】
なお、本実施形態では、地中深部の高圧を利用したほうがマイクロバブル水を発生させるのに有利なため、水供給ライン１２および気体供給ライン１３とを用いて、地中深部にマイクロバブル水を発生させているが、地表にマイクロバブル水発生プラントを設置し、マイクロバブル水を地表から供給してもよい。地表にてマイクロバブル水を発生させる場合は、耐圧タンクが必要になる。
【００３１】
排気ライン１６は、ボーリング孔２下部より遮蔽栓１１を貫通して、地表に設置された排気回収タンク１７に至る。
【００３２】
なお、排気ライン１６下端は、遮蔽栓１１の直近下部かつ、水供給ライン１２および気体供給ライン１３下端（またはマイクロバブル水発生部１５）より、上方になくてはならない。
【００３３】
排気ライン１６には、弁１８が設けられている。また、排気ライン１６の弁１８より排気上流側（排気ライン１６下側）にはコンプレッサ８が設けられている。弁１８を閉じコンプレッサ８により排気ライン１６を高圧とすることができる。
【００３４】
気体回収システム１は、センサ２１〜２８を有する。
【００３５】
圧力センサ２１はポンプ６の出力側に設けられ、水供給圧Ｐ１を検知する。圧力センサ２２はコンプレッサ７の出力側に設けられ、気体供給圧Ｐ１を検知する。
【００３６】
圧力センサ２３は排気ライン１６の弁１８より排気上流側に設けられ、排気圧Ｐ２を検知する。
【００３７】
圧力センサ２４は、遮蔽栓１１から吊支持され、ボーリング孔２下部での間隙水圧Ｐｗを検知する。
【００３８】
流量センサ２５はポンプ６の出力側に設けられ、水供給量を検知する。流量センサ２６はコンプレッサ７の出力側に設けられ、気体供給量を検知する。流量センサ２７は排気ライン１６に設けられ、排気量を検知する。
【００３９】
気体・水感知センサ２８は、排気ライン１６下端相当位置に設けられ、当該位置が気体状態か液体状態かを感知する。なお、センサ２８は、後述する圧力制御に不具合がないかの確認に用いる。
【００４０】
センサ２１〜２８の検出信号は、制御装置３０に入力される。制御装置３０は、これらの入力信号に基づき、ポンプ６、コンプレッサ７、コンプレッサ８、弁１８を制御する（制御詳細後述）。
【００４１】
〜メタン回収〜
気体回収システムをメタン回収に適用した場合の動作および制御について説明する。
【００４２】
下水処理場からはバイオガスの一つである消化ガスが発生する。消化ガスは約６０％のメタンガス（ＣＨ４）と約４０％の二酸化炭素（ＣＯ２）とその他微量な成分とから構成される。
【００４３】
ポンプ６により供給水を地下水圧Ｐｗより若干高い圧力に調整する。コンプレッサ７により供給気体を地下水圧より若干高い圧力に調整する。供給水圧と供給気圧はほぼ同じＰ１となる。したがって、マイクロバブル水の供給圧はポンプ圧とほぼ同じになる。なお、供給気圧を若干大きくして、バブルサイズをやや大きくしてもよい（後述）。
【００４４】
地表から、高圧の水と高圧の混合ガス(消化ガス）をボーリング孔２下部に供給し、マイクロバブル水発生部１５によりマイクロバブル水を発生させ、マイクロバブル水を帯水層に注入する。
【００４５】
二酸化炭素の水への溶解度は高く、メタンガスの水への溶解度は低い。マイクロバブル化することにより、二酸化炭素の溶解度が更に向上するのに対し、メタンの溶解度はあまり変わらないものと推測される(詳細後述）。その結果、二酸化炭素とメタンとの溶解度の差はより大きくなり、分離効果が向上する。
【００４６】
帯水層は水平方向に広がっており、これに沿って注入水は拡散する。二酸化炭素は安定的に効率よく地中貯留される。
【００４７】
なお、帯水層４が炭酸塩を含む岩石であれば、弱酸性の注入水は自然に中和される。
【００４８】
一方、メタンガスは、ほとんど溶解せず気体に戻る。メタンガスは、排気ライン１６を上昇して排気回収タンク１７に回収される。排気回収タンク１７内のメタンガスは、燃料として再利用される。
【００４９】
これにより、消化ガスから高濃度のメタンガスを回収できる。
【００５０】
〜圧力制御〜
メタンガスを回収する際に、地下水の圧力Ｐｗが高いと、地下水が排気ライン１６を上昇して、メタンガスを回収することが困難となる。
【００５１】
そこで、本実施形態では、帯水層に注入されず回収されるメタンガスの圧力Ｐ２が、帯水層に注入される圧力Ｐ１より低く、帯水層の間隙水圧Ｐｗより高くなるように制御する。
【００５２】
図３は、制御装置３０の機能ブロック図である。以下、圧力制御について説明する。
【００５３】
まず、Ｐ１の制御について説明する。Ｐ１の圧力をＰｗより高くする（Ｐ１＞Ｐｗ）ことにより、マイクロバブル水（二酸化炭素）が帯水層に注入される。ポンプ６およびコンプレッサ７の出力を増加すると注入圧力Ｐ１が増圧される。
【００５４】
なお、Ｐ１の圧力をＰｗより高くする程、後述するＰ２制御の調整幅が広くなり、Ｐ２制御が容易になる。
【００５５】
次に、Ｐ２の制御について説明する。排気（メタンガス）の圧力Ｐ２が間隙水圧Ｐｗより低い場合（Ｐ２＜Ｐｗ）は、Ｐ２の制御をおこなう。
【００５６】
弁１８を閉じると、排気ライン１６内にメタンガスが蓄積され、これに伴い排気ライン１６の圧力Ｐ２も増加する。その結果、排気の圧力Ｐ２は間隙水圧Ｐｗより高くなる。
【００５７】
弁１８を閉じただけでは充分なＰ２増加が期待できない場合は、さらに、コンプレッサ８により増圧する。これに伴い排気の圧力Ｐ２も増加する。その結果、排気の圧力Ｐ２は間隙水圧Ｐｗより高くなる。これにより、地下水の上昇を防止できる。
【００５８】
このとき、コンプレッサ８の圧力を調整し、排気の圧力Ｐ２が、注入圧力Ｐ１より低い状態（Ｐ１＞Ｐ２）を維持する。
【００５９】
マイクロバブル水発生装置１５位置と排気管１６下端の水頭差を確保すると、Ｐ１＞Ｐ２を維持しやすい。
【００６０】
さらに、気体回収時の制御について説明する。気体回収時には弁１８を開く。このとき、排気の圧力Ｐ２が間隙水圧Ｐｗより高い状態（Ｐ２＞Ｐｗ）を維持する様にモニタリングをおこなう。排気の圧力Ｐ２が間隙水圧Ｐｗより低くなる場合（Ｐ２＜Ｐｗ）は、再び弁１８を閉じ必要に応じてコンプレッサ８を介してＰ２を制御する。
【００６１】
気体・水感知センサ２８からの信号は圧力制御に不具合がないかの確認に用いる。制御装置３０は、気体・水感知センサ２８からの水感知信号に基づいて圧力制御に不具合があると判断し、警報を出力する。
【００６２】
〜マイクロバブルサイズ〜
【００６３】
ポンプ６およびコンプレッサ７の出力を制御することで、マイクロバブルのサイズを制御できる。たとえば、供給気圧を若干大きくすることで、バブルサイズをやや大きくできる。
【００６４】
ところで、二酸化炭素とメタンとの溶解度に差があることにより、二酸化炭素のバブルは自己収縮作用があるのに対し、メタンのバブルでは自己収縮作用はないものと思われる。バブルサイズが小さくなると、バブル上昇速度は低下する。つまり、二酸化炭素のバブルは小さくなるに伴い、上昇速度も緩やかになる。上昇しているうちに溶解されやすくなる。これに対し、メタンのバブルはサイズを維持するため、溶解されずに上昇し、さらに、バブル同士の合体により状速度が増すものと思われる。
【００６５】
たとえば、二酸化炭素の発生バブルサイズをやや大きめとし、上昇にともなってマイクロバブルサイズとなるように調整することで、溶解度の差は顕著になる。その結果、分離効果が向上する。
【００６６】
〜他の混合ガスへの適用例〜
以上、気体回収システムを用いて、消化ガスにおけるメタンガスを分離して回収する場合について述べたが、適用場面はこれに限定されない。
【００６７】
例えば、石炭火力発電所では、N2約８２％、CO2約１３％、酸素約５％、SOｘやNOｘが微量含まれる混合ガスが発生する。
【００６８】
ここで、一般に、N2やO2は溶解度が低く、CO2の溶解度は高い。本システムを用いることにより、溶解度の差は拡大するものと推測される。
【００６９】
混合ガスから予めSOｘやNOｘを除去して、気体回収システムに供給する。気体回収システムの分離効果により、CO2は地中に貯留されるとともに、N2やO2は回収され、大気に放出される。
【００７０】
同様に、N2とCO2とを含む混合ガスを排出する鉄鋼炉やセメント製造工場においても、気体回収システムの適用が可能である。
【００７１】
〜備考１〜
本願発明者は、二酸化炭素のマイクロバブル化効果の確認試験をおこなった。図４は、確認試験の結果についての説明図である。
【００７２】
図示上側は、マイクロバブル化していない二酸化炭素の溶解状況を示す。図示下側は、マイクロバブル化された二酸化炭素の溶解状況を示す。
【００７３】
気体回収システム１の試験機を作成し、常温（約20℃）、深度2.5mの水圧の状況で、二酸化炭素を所定速度・所定時間、水に注入し、注気量と排気量を観測した。
【００７４】
図示上側では、約２／３の二酸化炭素が排気されており、溶解された二酸化炭素は約１／３であった。これに対し、図示下側では、ほぼすべての二酸化炭素が溶解されており、マイクロバブル化により溶解度が飛躍的に向上することを確認した。
【００７５】
〜備考２〜
従来から、下水処理場で発生するバイオガス（消化ガス）において、気体毎の溶解度の差を利用して二酸化炭素を分離してメタンガスを回収する方法が行われている。
【００７６】
発明者は、消化ガスをマイクロバブル化することにより、分離効果が飛躍的に向上するのではと考えて、実証実験をおこなった。
【００７７】
ただし、メタンガスは取り扱いが難しいため、比較的溶解度が近似する窒素ガス（Ｎ２）を用いた。
【００７８】
図５は、理科年表記載のヘンリー定数一覧である。ヘンリ―定数は、溶解度の指標であり、値が小さい程、溶解度が高い。例えば、常温（約20℃）では、ＣＯ２が０．１４２×１０−４に対し、ＣＨ４は３．７６×１０−４であり、Ｎ２は８．０４×１０−４である。
【００７９】
図６は、実証試験の結果についての説明図である。気体回収システム１の試験機を用いて、常温（約20℃）、深度2.5mの水圧の状況で、気体を所定速度・所定時間、水に注入し、注気量と排気量を観測した。
【００８０】
図示上側は、マイクロバブル化された二酸化炭素の溶解状況であり、図示下側は、マイクロバブル化された窒素の溶解状況を示す。
【００８１】
図示上側では、ほぼすべての二酸化炭素が溶解されており、マイクロバブル化により溶解度が飛躍的に向上する。これに対し、ほぼ全ての窒素が排気されており、窒素はマイクロバブル化しても溶解度が向上しないことを確認した。
【００８２】
発明者は、上記溶解度の顕著な相違について、自己収縮作用の相違に着目し、実証実験をおこなった。図７は、実証試験の結果についての説明図である。
【００８３】
バブル発生位置と６５ｃｍ上昇位置において、バブル径の分布を比較し、バブルの挙動を確認した。さらに、二酸化炭素バブルの挙動と窒素バブルとの挙動を比較した。横軸はバブル径であり、縦軸は発生頻度である。発生頻度は、拡大写真におけるバブルの個数を数えた。
【００８４】
二酸化炭素バブル発生位置において、バブル径は約１ｍｍを中心に０．５〜３ｍｍ程度で分布していた。発生位置より６５ｃｍ上昇位置では、バブル径０．６ｍｍと０．８ｍｍに集中していた。これは、二酸化炭素バブルの自己収縮作用である、すなわち、大きなバブルが上昇するうちに、自己収縮作用により小さくなったとものと思われる。
【００８５】
窒素バブル発生位置において、バブル径は約１ｍｍを中心に０．５〜３ｍｍ程度で分布していた。発生位置より６５ｃｍ上昇位置においても同様な頻度分布をしていた。これは、窒素バブルに自己収縮作用がなく、上昇に伴うバブルサイズ変化がないものと思われる。
【００８６】
二酸化炭素バブルの挙動と窒素バブルとの挙動を比較すると、二酸化炭素バブルには自己収縮作用があるのに対し、窒素バブルには自己収縮作用がないものと推測できる。
【００８７】
バブルサイズが小さくなると、バブル上昇速度は低下し、溶解されやすくなる。二酸化炭素バブルには自己収縮作用あり、上昇に伴い溶解されやすくなる。窒素バブルには自己収縮作用がなく、サイズと上昇速度を維持しながら上昇する。その結果、溶解度の相違は顕著になる。
【００８８】
発明者は、二酸化炭素バブルと窒素バブルの顕著の溶解度の相違に関して、上記のように考察した。
【００８９】
ところで、マイクロバブルのサイズについて、厳格な定義はないが、一般に径サイズ５０μｍ以下になると、マイクロバブルに係る顕著な効果が得られるとされている。
【００９０】
本願では、上記のようにバブル径が約１ｍｍから約０．６ｍｍに収縮する作用が観察されているため、上昇によりバブル径１ｍｍ未満となるようなものも広義のマイクロバブルと考える。
【００９１】
〜備考３〜
発明者は、本願とは別に、二酸化炭素をマイクロバブル化して地中貯留する技術について実証実験を行った。その際、地中貯留されない余剰ガスの存在に着目し、その原因について検討した。
【００９２】
マイクロバブル化する際に、気泡のサイズを均一に制御するのは困難であり、一定の割合で、比較的サイズの大きい気泡が発生する。サイズの大きな気泡は水中を上昇し気体に戻る。これにより余剰ガスが発生するのではないかと発明者は推測した。
【００９３】
更に、バブルサイズとバブル上昇に注目し、この現象を他に利用できないか検討した。
【００９４】
発明者は、上記備考１〜３および対応する実証実験結果に基づいて、本願発明を着想した。
【符号の説明】
【００９５】
１  気体回収システム
２  ボーリング孔に
３  不透水層
４  帯水層
１１  遮蔽栓
１２  水供給ライン
１３  気体供給ライン
１４  コンプレッサ
１５  マイクロバブル発生部
１６  排気ライン
１７  排気回収タンクと
１８  弁
２１〜２４  圧力センサ
２５〜２７  流量センサ
２８  気体・水感知センサ
３０制御装置
３１  パッカー拡張ライン
３２  ＳＵＳワイヤ
【図１】
2018043195.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018043195.tif 000007
【図６】
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【図７】
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