(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
海中に伸びる投入管を備え、該投入管の下端に開口する投入管出口から海中に二酸化炭素を放出する二酸化炭素深海送り込み装置において、
二酸化炭素が海水に接触する際に生成されるクラスレートの生成量を抑制する窒素を前記投入管内に送り込む窒素投入ラインが設けられていることを特徴とする二酸化炭素深海送り込み装置。
【請求項２】
請求項１に記載の二酸化炭素深海送り込み装置において、
前記窒素投入ラインを介して窒素ガスが前記投入管の入口側から投入管内に供給されることを特徴とする二酸化炭素深海送り込み装置。
【請求項３】
請求項１に記載の二酸化炭素深海送り込み装置において、
海水と窒素とを混合する海水・窒素混合装置が前記窒素投入ラインに介装され、該海水・窒素混合装置において生成された、窒素を含有する海水が前記投入管の入口側から投入管内に供給されることを特徴とする二酸化炭素深海送り込み装置。
【請求項４】
請求項１に記載の二酸化炭素深海送り込み装置において、
二酸化炭素と窒素とを混合する二酸化炭素・窒素混合装置が前記窒素投入ラインに介装され、該二酸化炭素・窒素混合装置において生成された二酸化炭素と窒素との混合気が、前記投入管の入口側から投入管内に供給されることを特徴とする二酸化炭素深海送り込み装置。
【請求項５】
請求項１に記載の二酸化炭素深海送り込み装置において、
前記窒素投入ラインを介して窒素が投入管の出口側から投入管内に供給されることを特徴とする二酸化炭素深海送り込み装置。
【請求項６】
水と二酸化炭素とを接触させて二酸化炭素のクラスレートを生成するクラスレート生成方法において、
前記水と二酸化炭素との少なくともいずれか一方に窒素を添加することにより、クラスレートの生成量を抑制することを特徴とするクラスレート生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回収した二酸化炭素を海中に放流して海水に溶し込む二酸化炭素深海送り込み装置に関する。また、二酸化炭素と水から生成されるクラスレートの生成を制御するクラスレート生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、地球温暖化が大きな問題となっており、これに伴い地球規模での気候変動を引き起こす可能性があると指摘される温室効果をもった二酸化炭素（ＣＯ2）の大気中における濃度の上昇を抑えることが特に重要となってきている。そして、この対策のひとつとして火力発電所などで排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を回収して海洋へ送り込むことによって、長期に亘って二酸化炭素を大気から隔離する構想が提案されているが、その成立にあたっては二酸化炭素を送り込む海洋において新たな環境影響が引き起こされないようにすることが必要となっている。
【０００３】
二酸化炭素送り込みによる海洋環境への影響を小さくするシステムとして、次に述べる２種類のシステムが提案されている。その一つは貯蓄型と称されるもので、二酸化炭素を深海底のくぼみのような場所に集中して溜めることにより影響範囲を特定の場所に限定して局所化しようとする方法である。
【０００４】
もう一つのシステムは、溶解拡散型と称されるもので、二酸化炭素を海水中に溶し込んで薄く希釈し広く拡散させて海水中の二酸化炭素の濃度の上昇を抑制しようとする方法であり、本来海水中に溶解している二酸化炭素の濃度がある程度上昇するにとどまるという考え方に基くものである。
【０００５】
この溶解拡散型における具体的な方法として船舶により二酸化炭素の放流点を移動させて海中の中層にて二酸化炭素を放流する中層希釈放流方式が挙げられている。この方式について図９および図１０を参照して説明する。図９は中層希釈放流方式放流のシステムを模式的に示す説明図、図１０（ａ）は同方式において投入管から二酸化炭素を海中へ放流拡散する状態を模式的に示す説明図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＺ部を拡大して示す図、である。
【０００６】
この中層希釈放流方式は、陸上プラント１で燃焼排ガスから分離、回収した二酸化炭素を液化し、その液化ガスを貯溜タンク２ａに充填して液化ガス運搬船２にて所定の海域まで海上輸送し、そこで貯溜タンク２ａの内部の液体二酸化炭素を作業船３に搭載した貯溜タンク３ａに移し替える。液体二酸化炭素は例えば圧力が６ａｔｍ、温度が−５５℃とする。図１１は二酸化炭素の相状態を示す線図であるが、この線図で判るように前記圧力６ａｔｍ、温度−５５℃の条件は液体二酸化炭素を経済的に得ることができる条件である。作業船３は深さ２０００ｍないし２５００ｍの海中に吊り下げる大変長い鋼管などからなる投入管４を備えており、液体二酸化炭素を貯溜タンク３ａから投入管４に送り込み、投入管４の下端部に上下方向に並んで形成した複数個の放流孔５から海中に放流する。作業船３は投入管４の孔５から液体二酸化炭素を海中に放流しつつ前進することにより、二酸化炭素の放流点を局所に限定せず移動させて二酸化炭素の希釈を増進させている。なお、運搬船２と作業船３とは別なものであっても、また両者が兼用するものであっても良い。ＳＬは海面である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、二酸化炭素の投入を開始する際には、まず投入管４内に二酸化炭素を送り込んで投入管４内の海水を押し出す必要がある。
しかし、二酸化炭素は、海水と接触する際にクラスレートを生じやすい。このため、図１２に示すように投入管４内の二酸化炭素層９と海水層１０との間に厚いシャーベット状のクラスレート層１１が生じることにより、投入管４が閉塞されることが懸念されている。
このように、クラスレートの生成を抑制する技術の開発が望まれているが、その一方、二酸化炭素クラスレートを蓄熱材として用いる技術の開発も期待されており、そのためクラスレートの生成量を増加させる技術の開発も望まれている。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、投入管の閉塞を防止することができる二酸化炭素深海送り込み装置を提供することを目的とする。
また、クラスレートの生成量を制御することが可能なクラスレート生成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記実状に鑑みてクラスレートの生成を制御することができる物質について鋭意検討したところ、クラスレートの生成時に窒素（Ｎ2）を添加することにより、クラスレート生成量が効果的に抑制されることを知見した。
すなわち、請求項１に記載の発明は、海中に伸びる投入管を備え、該投入管の下端に開口する投入管出口から海中に二酸化炭素を放出する二酸化炭素深海送り込み装置において、二酸化炭素が海水に接触する際に生成されるクラスレートの生成量を抑制する窒素を前記投入管内に送り込む窒素投入ラインが設けられていることを特徴とする。
なお、窒素を含むガスとして空気を用いても同様な効果が得られるのはもちろんである。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の二酸化炭素深海送り込み装置において、前記窒素投入ラインを介して窒素ガスが前記投入管の入口側から投入管内に供給されることを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、クラスレートが生成される投入管内の海水面に窒素を送ることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の二酸化炭素深海送り込み装置において、海水と窒素とを混合する海水・窒素混合装置が前記窒素投入ラインに介装され、該海水・窒素混合装置において生成された、窒素を含有する海水が前記投入管の入口側から投入管内に供給されることを特徴とする。
【００１３】
この発明においては、投入管内の海水を、窒素を含有した海水に置換することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の二酸化炭素深海送り込み装置において、二酸化炭素と窒素とを混合する二酸化炭素・窒素混合装置が前記窒素投入ラインに介装され、該二酸化炭素・窒素混合装置において生成された二酸化炭素と窒素との混合気が、前記投入管の入口側から投入管内に供給されることを特徴とする。
【００１５】
この発明においては、海中への二酸化炭素の投入を開始する際に投入管内の海水を押し出すための気体を、二酸化炭素と窒素との混合気とすることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の二酸化炭素深海送り込み装置において、前記窒素投入ラインを介して窒素が投入管の出口側から投入管内に供給されることを特徴とする。
【００１７】
この発明においては、投入管の出口側から窒素を供給することで、投入管内の海水面に窒素を送ることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、水と二酸化炭素とを接触させて二酸化炭素のクラスレートを生成するクラスレート生成方法において、前記水と二酸化炭素との少なくともいずれか一方に窒素を添加することにより、クラスレートの生成量を抑制することを特徴とする。
【００１９】
このように、窒素によってクラスレートの生成が抑制されるが、本発明者らはまた、クラスレートの生成時にヨウ素を添加することにより、クラスレート生成量が効果的に増加することも知見した。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、上記従来技術と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図１に示したものは本例に係る二酸化炭素深海送り込み装置である。図において、符号４は投入管、２０はＣＯ2配管、２１は窒素投入ラインとしてのＮ2配管である。Ｎ2配管２１には、不図示のポンプ等によってＮ2が流動されるようになっている。ＣＯ2配管２０、Ｎ2配管２１は、それぞれ投入管４の入口４ａ側にＣＯ2とＮ2を供給するようになっており、また、それぞれバルブ２２、２３が介装されている。
【００２２】
次に、このように構成された二酸化炭素深海送り込み装置を用いた二酸化炭素の海中投入手順を示す。
まず、図２(a)に示すように海中に投入管４を伸ばした状態にあっては、投入管内に海水３０が流入している。
投入管内にＣＯ2配管を介してＣＯ2を供給する（図２(b)）。この状態では、管内は海水３０と、気相のＣＯ2３１Ｇにわかれている。ＣＯ2を供給するに従い、海水面３０ａが徐々に下降する。そして、投入管４内の海水面３０ａが投入管周囲温度でのＣＯ2飽和蒸気圧相当深度Ｌより深くなると、ＣＯ2は液化し、液相のＣＯ2３１Ｌとなる（図２(c)）。液化ＣＯ2３１Ｌは海水３０と混合しないため、投入管４内には、上から順に気相のＣＯ2３１Ｇ、液相のＣＯ2３１Ｌ、および海水３０に分離している。
ＣＯ2の供給を続けると、海水３０がすべて投入管４から排出される（図２(e)）。さらにＣＯ2の供給を続けると、投入管４内のＣＯ2３１Ｇ、３１Ｌは徐々に貯溜タンク３ａ内のＣＯ2温度に近づき、投入管４内すべてが液層のＣＯ2３１Ｌとなり、定常投入の開始となる（図２(h)）。
【００２３】
さて、二酸化炭素と海水とが接触するとクラスレートが発生する。クラスレートの発生を抑制するため、本例ではＣＯ2の供給開始前（図２(a)の状態）に、バルブ２３を開放してＮ2を投入管４内に供給する。これにより海水面３０ａ近傍の海水３０にＮ2が溶け込む。その後にバルブ２２を開放してＣＯ2を供給するようにする。クラスレートが発生する海水面３０ａ付近には上記のようにＮ2が溶け込んでいるため、Ｎ2の作用によりクラスレートの形成が抑制され、図３に示したような膜状のクラスレート層３５しか形成されない。このクラスレート層３５は容易に破砕可能であるため、投入管４の閉塞が防止される。
なお、投入管４内を十分にＮ2で加圧し、その後にＣＯ2を投入するようにしてもよい。
【００２４】
次に、ＣＯ2の投入停止時の手順について、図４を参照して説明する。
まず、ＣＯ2供給配管のバルブ２２を閉じる。図４(a)のように投入管４内に満たされていた液相のＣＯ2３１Ｌは、周囲の海水によって加熱されて気化し、徐々に液層ＣＯ2３１Ｌの液面が下降する（図４(b),(c)）。投入管４周囲温度でのＣＯ2飽和蒸気圧相当深度Ｌにまで液面が下降すると平衡状態となる（図４(d)）。そして、投入管４内の気化ＣＯ2３１Ｇを投入管から回収、または大気放出する。これにより海水面３０ａが徐々に上昇し、投入管４全体が海水３０で満たところで停止作業が終了する。
【００２５】
上記投入停止時においても、投入開始と同様に二酸化炭素と海水との接触によりクラスレートが発生する。本例では、ＣＯ2投入停止よりも前に、Ｎ2配管のバルブ２３を開放し、Ｎ2が溶け込んだ液相のＣＯ2（Ｎ2リッチなＣＯ2）を投入管４に満たしておく。
すなわち、投入管４内に海水が流入してきたとき（図４(e)→(h)）、海水と接触するＣＯ2にはＮ2が溶け込んでいる。このため、Ｎ2の作用によりクラスレートの生成が抑えられ、図３に示すように膜状のクラスレート層３５しか形成されない。このクラスレート層３５は容易に粉砕可能であるため、投入管４の閉塞が防止される。
【００２６】
このように、本例の二酸化炭素深海送り込み装置では、投入管４内にＮ2を供給することによりクラスレートの生成を抑制し、投入管４の閉塞を防止することができる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図５において、符号４０は投入管内に海水を供給する海水配管である。４１は、Ｎ2配管と海水配管とを合流させると共に、Ｎ2配管から送られてきたＮ2を海水配管から送られてきた海水に溶解させる海水・窒素混合装置である。また、４２は海水・窒素混合装置４１で混合された窒素を含有する海水を投入管４に供給する配管に介装されたバルブである。
【００２８】
次に、上記本例の二酸化炭素深海送り込み装置を用いた場合の投入開始手順および投入終了手順について説明する。なお、ＣＯ2投入、排出の手順自体は図２、図４に示した場合と同様であるので説明を省略し、Ｎ2の投入についてのみ説明する。
ＣＯ2の投入開始手順においては、ＣＯ2の投入開始前（投入管４が海水で満たされた図２(a)の状態）にバルブ４２を開放し、Ｎ2が溶け込んだ海水を投入管４内に供給しておく。すなわち、投入管４内に満たされていた海水を、Ｎ2リッチな海水で置換する。
その後、図２(b)で示したようにＣＯ2の投入を開始する。海水にはＮ2が溶け込んでいるため、海面に発生するクラスレートの生成量が抑制され、膜状のクラスレート層３５（図３参照）しか形成されない。このクラスレート層は容易に破砕可能であるため、投入管４の閉塞が防止される。
ＣＯ2投入停止手順においては、図４(d)の平衡状態となった後、バルブ４２を開放してＮ2リッチな海水を投入管４内に供給しつつＣＯ2を排出する。これにより、前記と同様に海水面に形成されるクラスレートの生成量を抑えることができ、投入管４の閉塞が防止される。
【００２９】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図６において、符号４５は、Ｎ2配管２１から供給されるＮ2とＣＯ2配管２０から供給されるＣＯ2とを合流させると共に、これらを混合気として投入管４に供給する二酸化炭素・窒素混合装置である。また、４６は二酸化炭素・窒素混合装置４５で混合された混合気を投入管４に供給する配管に介装されたバルブ、４７は二酸化炭素・窒素混合装置に対するＮ2の供給を開閉するバルブである。
【００３０】
次に、上記本例の二酸化炭素深海送り込み装置を用いた場合の投入開始手順および投入終了手順について説明する。なお、ＣＯ2投入、排出の手順自体は図２、図４に示した場合と同様であるので説明を省略し、Ｎ2の投入についてのみ説明する。
ＣＯ2投入開始手順においては、投入管４内にＣＯ2を供給して投入管４内の海水を押し出す際（図２(b)〜(e)）に、Ｎ2配管のバルブ４７を開放してＮ2と混合されたＣＯ2を投入管に供給する。ＣＯ2にはＮ2が混合されているため、海水面に形成されるクラスレートは生成量が抑制され、膜状のクラスレート層３５（図３参照）しか形成されない。このクラスレート層３５は容易に破砕可能であるため、投入管４の閉塞が防止される。
投入管内の海水がすべて排除された後、Ｎ2配管のバルブ４７を閉とし、ＣＯ2のみを投入管に供給してＣＯ2を海中に送り込む。
ＣＯ2投入停止手順においては、ＣＯ2投入停止に先だってＮ2配管のバルブ４７を開放し、Ｎ2とＣＯ2との混合気を投入管４内に満たしておく。
これにより、投入管４内に海水が流入してきたときでも海水と接触するＣＯ2に含まれているＮ2の作用により、クラスレートの生成が抑えられ、膜状のクラスレート層３５（図３参照）しか形成されない。このクラスレート層３５は容易に粉砕可能であるため、投入管４の閉塞が防止される。
【００３１】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図７において、符号４８は窒素投入ラインとしてのＮ2配管であり、その終端は、投入管４の出口４ｂ側に開口し、投入管４内に出口４ｂ側からＮ2が供給されるようになっている。また、４９はＮ2の供給を開閉するバルブである。
【００３２】
次に、上記本例の二酸化炭素深海送り込み装置を用いた場合の投入開始手順および投入終了手順について説明する。なお、ＣＯ2投入、排出の手順自体は図２、図４に示した場合と同様であるので説明を省略し、Ｎ2の投入についてのみ説明する。
ＣＯ2投入開始手順においては、投入管４内にＣＯ2を供給して投入管４内の海水を押し出す際（図２(b)等）に、ＣＯ2を投入管４の入口４ａから供給すると共に、Ｎ2配管のバルブ４９を開放してＮ2を投入管４の出口４ｂ側から供給する。投入管４内ではＮ2の気泡が海面３０ａに上昇することにより、形成されたクラスレートが破砕され、また、Ｎ2の作用によってクラスレートの生成自体が抑制される。
投入管４内の海水３０がすべて排除された後、Ｎ2配管のバルブ４９を閉とし、ＣＯ2のみを投入管４に供給してＣＯ2を海中に送り込む。
ＣＯ2投入停止手順においては、ＣＯ2投入停止に先だってＮ2配管のバルブ４９を開放し、Ｎ2とＣＯ2との混合気を投入管に満たしておく。
これにより、投入管４内のＣＯ2を排出して投入管４内に海水が流入してきたときでも海水と接触するＣＯ2に含まれているＮ2の作用により、クラスレートの生成が抑えられ、膜状のクラスレート層３５（図３参照）しか形成されない。このクラスレート層３５は容易に粉砕可能であるため、投入管４の閉塞が防止される。
なお、Ｎ2配管４８は、図８に示したように投入管４の内部に設けてもよい。
【００３３】
以上のように、海水と二酸化炭素との少なくともいずれか一方にＮ2を添加することにより、クラスレートの生成量を抑制して投入管４の閉塞を防止することができる。
その一方、窒素の代わりにヨウ素を添加することにより、クラスレートの生成量をヨウ素を添加しない場合と比較して増大させることができる。
この場合には、上記各実施形態と同様の装置を用いることが可能である。すなわち、上記の各装置におけるＮ2配管にヨウ素を供給すればよい。なお、この場合にはＣＯ2の海中送り込みは行わない。
生成されたクラスレートは、例えば蓄熱材としての利用が考えられている。
【００３４】
なお、上記第１〜第４実施形態においては、クラスレートの生成を抑制するために窒素を用いたが、空気にも窒素が含まれているから窒素の代わりに空気を投入管に供給してもよい。
また、クラスレートを生成させる装置としては、上記のように二酸化炭素深海送り込み装置である必要はなく、例えば工場等で生成させてもよいのはもちろんである。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては以下の効果を得ることができる。
請求項１乃至５の発明によれば、Ｎ2を添加することにより、クラスレートの生成量を抑制して投入管の閉塞を防止することができる。
請求項６の発明によれば、窒素を添加することにより、二酸化炭素のクラスレートの生成量を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の一実施形態として示した二酸化炭素深海送り込み装置の投入管を示した図である。
【図２】  二酸化炭素の投入開始手順を示した図である。
【図３】  本実施形態における投入管内のクラスレート生成状態を示した図である。
【図４】  二酸化炭素の投入停止手順を示した図である。
【図５】  本発明の第２の一実施形態として示した二酸化炭素深海送り込み装置の投入管を示した図である。
【図６】  本発明の第３の一実施形態として示した二酸化炭素深海送り込み装置の投入管を示した図である。
【図７】  本発明の第４の一実施形態として示した二酸化炭素深海送り込み装置の投入管を示した図である。
【図８】  同実施形態の変形例として示した図である。
【図９】  二酸化炭素の海中への投入システムを模式的に示した図である。
【図１０】  二酸化炭素深海送り込み装置の投入管を示した図である。
【図１１】  二酸化炭素の相状態を示した図である。
【図１２】  従来の二酸化炭素深海送り込み装置における投入管内に生成されたクラスレートを示した図である。
【符号の説明】
４  投入管
４ａ  投入管入口
４ｂ  投入管出口
２１、４８  Ｎ2配管（窒素投入ライン）
４１  海水・窒素混合装置
４５  二酸化炭素・窒素混合装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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