저장물질의 저장장치 및 저장물질의 저장방법

저장물질의 저장장치 및 저장물질의 저장방법{STORING DEVICE FOR STORED SUBSTANCE AND METHOD FOR STORING STORED SUBSTANCE}

본 발명은 지하의 염수성 대수층에 이산화탄소, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중 적어도 1종을 포함하는 저장물질을 주입하고 저장물질을 염수성 대수층에 저장하기 위한 저장물질의 저장장치 및 저장물질의 저장방법에 관한 것이다.

현재 온실효과 가스로서의 이산화탄소에 대해 대기 중으로의 배출량 저감이 급선무이다. 이산화탄소의 배출량을 저감시키기 위해서는 이산화탄소 자체의 발생량을 억제하는 방법 외에, 이산화탄소를 땅 속에 저장하는 방법이 검토되고 있다.

연간 100만 톤 규모의 대량의 이산화탄소를 땅 속에 저장하는 방법으로는 지층 내에 이산화탄소를 주입하는 방법이 있다. 도 13은 이산화탄소 저장장치(80)를 도시한 도면이다. 관체인 주입 웰(87)이 이산화탄소를 저장하는 저장층(91)까지 연장된다. 이산화탄소 탱크(81)에 저장되어 있는 이산화탄소는 압송장치(83)에 의해 주입 웰(87)을 통해 저장층(91)에 주입된다.

이 경우, 저장층(91) 내에 이산화탄소를 주입한 후 이산화탄소가 지상으로 새어 나오지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 저장층(91) 상방에 배사 구조(상방으로 볼록한 형상)를 가지는 시일층(89)의 존재가 필요하다. 시일층(89)은 예를 들어 점토질 등 이산화탄소가 통과하기 어려운 지층이다.

지하에 주입된 이산화탄소는 시일층(89)에 의해 지상으로 새어 나오는 일은 없다. 그러나 이렇게 위로 볼록한 형상의 시일층(89)을 가지는 지층은 한정된 장소에밖에 존재하지 않아, 적용 가능한 장소가 한정된다.

그래서 시일층(89)이 배사 구조가 아니라 단사 구조인 장소에서도 적용 가능한 방법으로, 지하의 염수성 대수층에 존재하는 지층수에 이산화탄소를 용해시켜 지하수 중에 이산화탄소를 효율적으로 저장하는 방법이 검토되고 있다.

예를 들어 이산화탄소를 마이크로 버블화하고 물 또는 해수 중에 분산시켜 마이크로 버블이 분산된 물을 바다 속에 용해시킴으로써 이산화탄소를 하이드레이트의 마이크로 입자로 하여 해양 지저에 투기하는 방법이 있다(특허 문헌 1).

또한 대수층의 지층수를 퍼 올리고 이산화탄소를 미세기포화하여 기액 혼합 유체로서 대수층에 주입하는 방법이 있다(특허 문헌 2, 특허 문헌 3).

그러나 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이 마이크로 버블화한 후에 하이드레이트 입자로 하여 해양에 저장하는 방법에 있어서는, 일반적으로 10℃를 약간 웃도는 이산화탄소를 하이드레이트화하기 위해서는 10MPa를 넘는 높은 압력이 필요한 점에서, 그 이용은 10℃ 이하의 환경에 한정된다고 생각되어 보다 고온에서의 환경하에서는 효율적으로 이산화탄소를 저장하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.

또 종래의 선회류 발생장치 등에 의한 방법에서는 장치가 복잡하여, 지하 환경에서 마이크로 버블을 발생시키기 위해서는 보다 심플한 구조가 요구된다.

또한 특허 문헌 2, 특허 문헌 3에 기재된 수법은 대수층에 있는 지층수를 일단 퍼 올려 기액 혼합 상태로 해서 다시 대수층에 주입하고 있어, 주입 웰 외에 지층수를 퍼 올리기 위한 양수 웰이나 양수를 위한 펌프가 필요해져 시스템 전체가 대규모가 되며, 저장을 위한 동력도 증가한다는 문제가 있다. 그리고, 대수층으로의 주입 압력은 양수 웰에서의 흡입 압력과 균형을 맞출 필요가 있어 양수량과 주입량을 일치시킬 필요가 있는 점에서 이산화탄소를 효과적으로 저장할 수 없다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 이산화탄소나 유전 등에서 발생하는 플레어 가스의 성분인 황화수소나 메탄 등의 저장물질을 직접 지하의 염수성 대수층에 주입하고 염수성 대수층에 효율적으로 이산화탄소 등을 저장시키는 것이 가능한 저장물질의 저장장치 및 저장물질의 저장방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해 제1 발명은, 지하에 저장물질을 저장하는 저장장치로서, 염수성 대수층에 이르는 주입 웰, 상기 주입 웰에 이산화탄소, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중 적어도 1종을 포함하는 저장물질을 압송하는 압송장치 및 상기 주입 웰의 선단 근방에 형성된 다공질 부재를 구비하고, 상기 주입 웰 내에 압송되는 저장물질을 상기 다공질 부재를 통해 상기 염수성 대수층에 주입하는 것이 가능하고, 상기 다공질 부재로부터 상기 염수성 대수층에 저장물질이 주입될 때, 저장물질의 마이크로 버블이 발생하며, 상기 다공질 부재로부터 상기 염수성 대수층에 주입되는 저장물질은 초임계 상태인 것을 특징으로 하는 저장물질의 저장장치이다.

특히, 상기 다공질 부재로부터 상기 염수성 대수층에 저장물질이 주입될 때, 저장물질의 마이크로 버블이 발생하는 것이 바람직하다.

상기 다공질 부재는 세라믹스제의 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 것이며, 구멍 지름 분포의 최빈값이 40㎛ 이하이며, 구멍 지름 분포의 반값 전폭이 10㎛ 이하여도 되고, 상기 다공질 부재는 스테인리스제 소결 필터여도 된다. 또한, 가스전, 유전 또는 오일샌드 중 어느 하나에 이르는 생산 웰을 더 구비하고, 상기 생산 웰로부터는 가스, 석유 또는 중유를 채취 가능해도 되고, 이 경우, 상기 생산 웰에서 분리된 물을 상기 주입 웰에 압송되는 저장물질과 혼합하고, 상기 저장물질과 상기 물의 혼합물을 상기 염수성 대수층에 주입 가능해도 된다.

제1 발명에 의하면, 이산화탄소 등의 저장물질을 주입하는 주입 웰의 선단에 다공질 부재가 형성되기 때문에, 다공질 부재를 통과하는 저장물질을 염수성 대수층에 효율적으로 용해시킬 수 있다.

여기서 다공질 부재란 선형상이나 입자형상 등의 물질을 소결 그 외의 방법으로 결합시킨 부재 또는 발포 등의 방법으로 연통된 공간을 가지는 발포 부재 등과 같이, 표리에 연통하는 다수의 구멍을 가지는 부재이다.

또 주입되는 저장물질이 마이크로 버블화되는 것에 의해, 염수성 대수층에 대한 저장물질의 용해가 촉진된다. 특히 저장물질이 임계 상태이면 저장물질을 효율적으로 마이크로 버블화할 수 있다. 또한 다공질 부재가 스테인리스제 소결 필터이면 다공질 부재를 통과하는 저장물질을 염수성 대수층에 효율적으로 용해시킬 수 있고, 또는 다공질 부재로서 세라믹스제 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합해 소성한 것이며, 구멍 지름 분포의 최빈값이 40㎛ 이하이고, 구멍 지름 분포의 반값 전폭이 10㎛ 이하인 것을 이용하면 저장물질을 염수성 대수층에 보다 효율적으로 용해시킬 수 있다. 이러한 다공질 부재는 예를 들어 입자의 50% 누적 입경이 40㎛ 이하이며, 또한 입자의 50% 누적 입경의 오차가 2.5㎛ 이하인 세라믹스제의 입자와 결합재를 혼합 소성함으로써 얻을 수 있다. 이러한 다공질 부재로는 예를 들어 정밀연마용 미분으로 이루어지는 숫돌을 사용할 수 있다. 또한 구멍 지름 분포의 반값 전폭이란 대상 물질의 구멍 지름의 분포로서 미분세공 용적분포를 세로축, 구멍 지름(구멍 지름의 로그)을 가로축으로 한 경우에 특정되는 구멍 지름 분포곡선에 있어서, 미분세공 용적분포의 최대치에 대한 반값에서의 구멍 지름 분포폭을 말한다.

그리고 마이크로 버블이란 1mm 미만의 기포(초임계 상태를 포함) 또는 액체방울을 가리킨다.

또 가스전 등으로부터의 생산 웰을 이용해 석유 등을 채취함과 함께 석유 등과 동시에 채취된 물을 저장물질과 혼합하여 염수성 대수층에 주입하면, 저장물질을 땅 속에 저장하면서 석유 등의 증진회수가 가능하다.

제2 발명은, 염수성 대수층에 이르는 주입 웰의 선단 근방에 다공질 부재를 형성하고, 상기 다공질 부재를 통해 상기 염수성 대수층에 초임계 상태의 저장물질을 주입하는 것을 특징으로 하는 염수성 대수층으로의 저장물질의 저장방법이다.

상기 다공질 부재에 의해, 상기 염수성 대수층 내로 저장물질의 마이크로 버블을 발생시키는 것이 바람직하다.

제2 발명에 의하면, 이산화탄소 등의 저장물질을 주입하는 주입 웰의 선단에 다공질 부재가 형성되기 때문에, 다공질 부재를 통과하는 저장물질을 염수성 대수층에 효율적으로 용해시킬 수 있다. 또한 저장물질이 마이크로 버블화하면 염수성 대수층으로의 저장물질의 용해가 촉진된다. 특히 저장물질이 임계 상태이면 저장물질을 효율적으로 마이크로 버블화할 수 있고, 이 때문에 염수성 대수층에 효율적으로 저장물질을 용해시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 저장물질을 직접 지하의 염수성 대수층에 주입하고 염수성 대수층에 효율적으로 저장물질을 저장시키는 것이 가능한 저장물질의 저장장치 및 저장물질의 저장방법을 제공할 수 있다.

도 1은 이산화탄소 저장장치(1)를 나타내는 도면.
도 2는 필터(13) 근방의 확대도.
도 3은 이산화탄소 저장장치(20)를 나타내는 도면.
도 4는 이산화탄소 저장장치(30)를 나타내는 도면.
도 5는 이산화탄소 저장 시험 장치(40)를 나타내는 도면.
도 6은 구멍 지름 분포곡선을 나타내는 모식도.
도 7A는 비트리파이드 숫돌 필터 표면의 주사 전자현미경 사진을 나타내는 도면.
도 7B는 스테인리스 필터 표면의 주사 전자현미경 사진을 나타내는 도면.
도 8A는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타내는 도면.
도 8B는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타내는 모식도.
도 9A는 마이크로 버블화하지 않고 기포(79)가 발생한 상태를 나타내는 도면.
도 9B는 마이크로 버블화하지 않고 기포(79)가 발생한 상태를 나타내는 모식도.
도 10A은 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타내는 도면.
도 10B는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타내는 모식도.
도 11A는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타내는 도면.
도 11B는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타내는 모식도.
도 12A는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타내는 도면.
도 12B는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타내는 모식도.
도 13은 이산화탄소 저장장치(80)을 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시의 형태를 상세하게 설명한다. 도 1은 본 실시의 형태에 관련된 이산화탄소 저장장치(1)를 나타내는 도면이다. 이산화탄소 저장장치(1)는 주로 이산화탄소 탱크(3), 압송장치(5), 주입 웰(9), 필터(13) 등으로 구성된다. 또한 이하의 실시형태에서는 저장물질로서 이산화탄소의 예를 나타내지만, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 아세틸렌, 암모니아, 이산화황, 염화수소, 염소, 황화수소 등이나 메탄이어도 마찬가지이다.

공장 등에서 배출된 이산화탄소는 회수되어 이산화탄소 탱크(3)에 저장된다. 또한 이산화탄소 발생원이 인접한 경우에는 이산화탄소 탱크(3)에 직접 배관 등을 접속해 저장해도 된다.

이산화탄소 탱크(3)는 압송장치(5)와 접속된다. 압송장치(5)는 도시하지 않은 펌프, 압력 조정 밸브, 밸브, 온도 조정기 등으로 구성된다. 압송장치(5)에는 관체인 주입 웰(9)이 접합되어 있다. 주입 웰(9)은 지면(7) 밑을 향해 연장되며, 염수성 대수층(11)까지 이르도록 형성된다. 염수성 대수층(11)은 모래나 자갈 등과 함께 지하에 존재하는 지층이다. 또한 염수성 대수층(11)의 상부에는 도시하지 않은 시일층(이른바 캡 로크)이 존재한다.

주입 웰(9)의 선단에는 다공질 부재인 필터(13)가 형성된다. 필터(13)로는 예를 들어 세라믹스제 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합해 소성한 부재나, 스테인리스제 소결 필터를 사용할 수 있다. 또한 필터(13)의 구멍 지름은 미세하면 보다 더 마이크로 버블을 발생시키기 쉽지만 유체의 통과 저항이 커지기 때문에, 이산화탄소의 유량을 크게 하기 위한 압송장치(5)가 대형화된다. 그리고 필터(13)의 구멍 지름을 크게 하면 유체의 통과 저항은 작아지지만, 마이크로 버블화의 효율이 떨어진다. 필터(13)의 구멍 지름으로는 예를 들어 20∼40㎛ 정도인 것을 사용할 수 있다.

여기서 특히 바람직한 필터(13)로는 다공질 부재의 구멍 지름 분포의 최빈값이 40㎛ 이하이며, 그 편차(반값 전폭)는 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이러한 다공질 부재로는 다공질 부재를 구성하는 세라믹스제 입자의 50% 누적 입경이 40㎛ 이하이며, 또한 입자의 50% 누적 입경의 오차가 2.5㎛ 이하인 부재이며, 예를 들어 상기 입자와 결합제를 혼합·소성하여 형성된 비트리파이드 연삭숫돌(이하의 JIS에서 규정된 #320 이상의 숫돌)이다.

또한 입자의 누적 입도 및 입경의 오차는 일본공업규격 JIS R6001:1998의 "4. 입경분포" 및 JIS R6002:1998의 "8. 전기저항 시험 방법" (ISO 8486-1:1996, ISO 8486-2:1996)에 의한 것이다. 또 필터(13)의 구멍 지름의 측정은 JIS R1655:2003에 규정되는 수은 포로시미터에 의한 것이다.

이산화탄소 탱크(3) 내에 저장되는 이산화탄소는 압송장치(5)에 의해 압송된다. 압송장치(5)는 이산화탄소 탱크(3) 내의 이산화탄소를 펌프로 주입 웰(9)에 보낸다. 이때, 압송장치(5)는 압력 조정 밸브, 온도 조정기 등에 의해 소정 압력, 소정 온도 상태로 이산화탄소를 압송할 수 있다. 예를 들어 이산화탄소를 초임계 상태로 압송할 수도 있다. 또한 이산화탄소를 초임계 상태로 하기 위해서는 이산화탄소의 온도를 31℃ 이상, 압력을 7.4MPa 이상으로 하면 된다.

예를 들어 초임계 상태가 된 이산화탄소는 주입 웰(9)에서 화살표 A 방향으로 보내지고, 주입 웰(9)의 단부에 형성된 필터(13)를 통과해 염수성 대수층(11)에 주입된다.

도 2는 주입 웰(9)의 선단 근방을 나타내는 단면도이다. 주입 웰(9)의 하단 근방의 측면에는 링 형상의 필터(13)가 형성된다. 또 주입 웰(9)의 하단(저면)은 닫혀 있으며 내부를 흐르는 이산화탄소는 필터(13)로부터 염수성 대수층(11)에 분사된다. 주입 웰(9) 내를 통과한 이산화탄소는 필터(13)를 통과하여 주위의 염수성 대수층(11)에 분사될 때, 필터(13)에 의해 마이크로 버블화된다. 특히 이산화탄소가 초임계 상태이면 마이크로 버블화가 촉진된다.

염수성 대수층(11) 내에 마이크로 버블로서 주입된 이산화탄소는 분사시(도면 중 화살표 B) 또는 그 후의 부상시(도면 중 화살표 C)에 염수성 대수층(11) 내에 용해된다. 이산화탄소가 마이크로 버블화함으로써 이산화탄소의 염수성 대수층(11) 내에서의 체류 시간이 길어지고(마이크로 버블(15)의 염수성 대수층(11) 내에서의 부상 속도가 매우 느려지기 때문에) 또한 단위량당 염수성 대수층(11)과의 접촉 면적을 크게 할 수 있기 때문에, 이산화탄소의 염수성 대수층(11)으로의 용해를 매우 효율적으로 진행시킬 수 있다.

또 염수성 대수층(11) 내를 천천히 이동하면서 염수성 대수층(11)에 용해하는 이산화탄소는 염수성 대수층(11) 주위에 존재하는 암석 광물 등과의 화학 반응에 의해 탄산염 등의 화합물을 형성한다. 따라서 이산화탄소는 염수성 대수층뿐만 아니라 지하나 해저에 탄산 화합물로서 고정할 수 있다.

다음에, 본 발명에 관련된 이산화탄소의 저장방법의 다른 실시형태에 대해 설명한다. 도 3은 이산화탄소 저장장치(20)를 나타내는 도면이다. 또한 이하의 실시의 형태에 있어서, 도 1에 나타내는 이산화탄소 저장장치(1)과 동일한 기능을 하는 구성요소에는 도 1과 동일 번호를 붙이고 중복된 설명을 생략한다.

이산화탄소 저장장치(20)는 이산화탄소 저장장치(1)에 대해 주입 웰(9a, 9b)이 복수 형성되는 점에서 다르다. 지하에 침투성이 낮은 이암층과 침투성이 높은 사암층이 교대로 존재하는 사니호층이 형성되는 경우에는 염수성 대수층(11a, 11b)이 존재하는 각각의 복수의 사암층에 이르도록 주입 웰(9a, 9b)이 각각 헝성된다. 이산화탄소 저장장치(20)는 각각의 주입 웰(9a, 9b)에 의해 염수성 대수층(11a, 11b)에 이산화탄소를 동시에 또는 개별적으로 주입할 수 있다. 따라서 효율적으로 이산화탄소를 염수성 대수층(11a, 11b)에 주입할 수 있다.

도 4는 이산화탄소 저장장치(30)를 나타내는 도면이다. 이산화탄소 저장장치(30)는 이산화탄소 저장장치(1)에 대해 해면(31) 상에 형성되는 점에서 다르다. 해저(33) 하방에 존재하는 염수성 대수층(11)에 효율적으로 이산화탄소를 저장하기 위해, 이산화탄소 저장장치(30)는 해면(31)에 형성된다. 이산화탄소 저장장치(30)는 해저(33) 하의 염수성 대수층(11)에 효율적으로 이산화탄소를 저장할 수 있다. 또 이산화탄소를 이산화탄소 탱크(3)에 운반하는 수단으로서 선박을 이용해 선박으로부터 직접 이산화탄소를 이산화탄소 탱크(3)에 보충할 수 있다.

실시예

본 발명에 관련된 이산화탄소의 저장방법에 대해, 마이크로 버블의 발생 상황을 확인했다. 도 5는 이산화탄소 저장 시험 장치(40)를 나타내는 도면이다.

이산화탄소 저장 시험 장치(40)는 이산화탄소 탱크(41), 압력 조정 밸브(45, 55), 물 탱크(51), 시린지 펌프(43, 53), 압력 용기(63) 등으로 구성된다.

이산화탄소 탱크(41)에는 이산화탄소가 저장된다. 이산화탄소 탱크(41)에는 시린지 펌프(43), 압력 조정 밸브(45), 밸브(47)가 배관(49)에 의해 접속된다. 시린지 펌프(43)는 이산화탄소를 압력 용기(63)에 압송한다. 또한 이산화탄소는 압력 조정 밸브(45)에 의해 임의의 압력으로 조정이 가능하고, 또 도시하지 않은 온도 조정기에 의해, 압력 용기(63)에 압송되는 이산화탄소를 임의의 온도로 조정할 수 있다.

물 탱크(51) 내에는 물이 충전된다. 물 탱크(51)에는 시린지 펌프(53), 압력 조정 밸브(55), 밸브(57)가 배관(59)에 의해 접속된다. 시린지 펌프(53)는 물을 압력 용기(63)에 압송한다. 또한 이산화탄소와 마찬가지로, 물은 압력 조정 밸브(55)에 의해 임의의 압력으로 조정이 가능하고, 또 도시하지 않은 온도 조정기에 의해, 압력 용기(63)에 압송되는 물을 임의의 온도로 조정할 수 있다.

배관(59)은 배관(49)과 접합된다. 따라서 밸브(47, 57)를 조정함으로써 이산화탄소 개별체 또는 이산화탄소와 물의 혼합물을 압력 용기(63)에 압송할 수 있다(도면 중 화살표 D 방향).

압력 용기(63)와 배관(49)의 접합부에는 필터(61)가 형성된다. 필터(61)는 직경 50mm이고 5mm 두께의 원판 형상이다. 필터(61)는 교환이 가능하고, 예를 들어 구멍 지름을 변경하여 시험할 수 있다.

압력 용기(63)에는 서로 대향하는 측면에 조명창(67) 및 촬영창(71)이 형성된다. 조명창(67) 및 촬영창(71)은 투명한 창이며, 내부의 모습을 확인할 수 있다. 조명창(67)으로부터는 외부에 설치된 조명(69)에 의해 내부가 조사된다. 대향하는 위치에 형성된 촬영창(71)의 외부에는 카메라(73)가 설치된다. 카메라(73)는 조명(69)에 의해 밝혀진 압력 용기(63) 내의 모습을 촬영할 수 있다. 또한 카메라(73)는 하이 스피드 카메라이며, 필터(61)를 통과하여 압력 용기(63) 내에 주입된 이산화탄소의 상태를 알 수 있다.

압력 용기(63) 내에는 소정 압력의 물이 충전되어 있다. 또 압력 용기(63)에는 배출 밸브(65)가 형성된다. 배출 밸브(65)는 압력 용기(63) 내에 이산화탄소 등이 주입되어도 압력 용기(63) 내가 일정한 압력으로 유지되도록 기능한다. 즉, 주입된 이산화탄소 등에 의해 압력이 상승하면, 상승한 압력이 정상인 상태가 되도록 내부의 물 등을 배출한다. 또한 압력 용기(63) 내의 물이 모의적인 염수성 대수층에 해당한다.

이산화탄소 저장 시험 장치(40)를 사용하여 압력 용기(63) 내에 여러 가지 상태로 주입한 이산화탄소의 상태를 관찰했다. 압력 용기(63)에 주입하는 이산화탄소는 액체 상태, 기체 상태 및 초임계 상태로 했다. 필터(61)로는 구멍 지름(규격) 20㎛ 및 40㎛의 스테인리스 소결 필터와, 구멍 지름(규격) 28㎛ 및 40㎛의 비트리파이드 숫돌을 사용했다. 또한 구멍 지름 40㎛(규격)의 스테인리스 소결 필터와 구멍 지름 28㎛ 및 40㎛(규격)의 비트리파이드 숫돌을 전자동 세공지름분포측정장치(QUANTA Crome사 제조 Pore Master 60-GT)로 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(단위: ㎛)

표 1에 나타내는 바와 같이, 비트리파이드 숫돌은 공칭지름에 대해 약간 구멍 지름이 작고, 특히 반값 전폭이 스테인리스 소결 필터에 비해 매우 작다. 즉, 비트리파이드 숫돌은 구멍 지름의 격차가 작고, 구멍 지름의 사이즈가 스테인리스 소결 필터에 대해 맞춰져 있는 것을 알 수 있다. 여기서 구멍 지름 분포의 반값 전폭이란 대상 물질의 구멍 지름의 분포로서 미분세공 용적분포를 세로축, 구멍 지름(구멍 지름의 로그)을 가로축으로 한 경우에 특정되는 구멍 지름 분포곡선에 있어서, 미분세공 용적분포의 최대치에 대한 반값에서의 구멍 지름 분포폭을 말한다. 도 6은 구멍 지름 분포를 나타내는 모식도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이 구멍 지름 분포는 세로축을 미분세공 용적분포(-dV/d(logD))로 하고, 가로축을 구멍 지름으로 함으로써 얻을 수 있다. 미분세공 용적분포는 측정 포인트의 편차 및 구멍 지름의 로그 플롯을 고려하여 구멍 지름별 세공 용적인 차분세공 용적(dV)을 구멍 지름의 로그취급에서의 차분치(d)(logD)로 나눈 값이다. 반값 전폭이란 도 6에 나타내는 예에서는 분포곡선의 최대 미분세공 용적분포(F)의 절반의 값(G)에서의 곡선의 분포폭(H)이다. 비트리파이드 숫돌을 이용하면 구멍 지름 분포의 편차(반값 전폭)는 대체로 10㎛ 이하로 할 수 있다. 이러한 구멍 지름 편차가 되도록 세라믹스제(알루미나 및 티탄 산화물)의 입자로서 50% 누적 입경이 40㎛ 이하이며, 또한 입자의 50% 누적 입경의 오차가 2.5㎛ 이하인 것을 이용했다. 또한 이용한 비트리파이드 숫돌은 Matsunaga Stone Co.,Ltd. 제조 알루미나 연삭숫돌이다.

도 7A는 구멍 지름 40㎛의 비트리파이드 숫돌, 도 7B는 구멍 지름 40㎛의 스테인리스 소결 필터의 필터 표면 사진이다. 상술한 바와 같이 비트리파이드 숫돌은 스테인리스 소결 필터와 비교하여 동일 구멍 지름(규격)이어도 구멍 지름 편차가 작다. 이것은 비트리파이드 숫돌의 입도 편차(2.5㎛ 이하)가 작기 때문이다.

또한 이산화탄소 개별체인 경우 외에 이산화탄소와 물의 혼합물을 압력 용기(63)에 주입했을 때의 상태를 확인했다. 또한 압력 용기(63)에 주입된 이산화탄소의 상태로는 마이크로 버블이 어느 정도 발생했는지를 관찰했다.

표 2는 각 시험의 조건 및 결과를 나타낸다. 표 2에 있어서 "유량", "온도", "압력"은 각각 압력 용기에 주입하는 이산화탄소의 유량, 온도, 압력을 나타내고, 이때의 이산화탄소의 상태가 CO ₂ 상태이다. "CO ₂ 상태"에서의 "초임계"란 초임계 상태의 이산화탄소인 것을 나타낸다. 또 "필터 종류"에 있어서 "SUS 소결"은 스테인리스 소결 필터이며, "숫돌"은 비트리파이드 숫돌이며, 또 "필터"는 필터의 구멍 지름(규격)을 나타내고, "물의 혼입"이 "있음"인 경우는 물 탱크(51)로부터의 물을 이산화탄소와 혼합하여 압력 용기(63)에 주입하는 경우를 나타낸다.

마이크로 버블의 발생 상황으로는 1mm 이상의 기포(초임계 상태를 포함) 또는 액체방울(이하, 기체, 액체 혹은 초임계 상태에 관계없이 간단히 "기포"라 한다)이 확인되어도 1mm 미만의 마이크로 버블이 다수 발생하면 "A"로 했다. 또 발생한 기포의 대부분이 1mm 이상이라 해도 약간이라도 마이크로 버블이 확인된 경우에는 "B"로 했다. 모두 1mm 이상의 기포인 경우에는 "C"로 했다. 또 A와 비교해도 특히 균일하고 대량의 마이크로 버블이 관찰된 것을 "S"로 했다.

표 2에 있어서, 시험 No. 1∼3을 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 필터 구멍 지름을 20㎛로 하여 동일한 유량(2ml/min)으로 한 경우, 초임계 상태의 이산화탄소를 주입한 경우에(시험 No. 3) 마이크로 버블이 잘 발생했다. 한편 기체 상태의 이산화탄소(시험 No. 1) 및 액체 상태의 이산화탄소(시험 No. 2)에서는 마이크로 버블은 발생하지 않았다. 또 초임계 상태의 이산화탄소는 유량을 10ml∼40ml로 증가시켜도 마이크로 버블화했다(시험 No. 4∼6).

도 8A, 도 8B는 시험 No. 5에서의 마이크로 버블의 발생 상황을 나타내는 예이다. 도 8A는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 8B는 도 8A의 모식도이다. 또한 도면 중 우측이 압력 용기(63)의 하측이고, 도면 중 좌측이 압력 용기(63)의 상측이다.

도 8B에 나타내는 바와 같이, 압력 용기(63)의 하방(도면을 보았을 때 우측)으로부터 이산화탄소를 주입하면, 이산화탄소는 압력 용기(63) 내의 물 속에서 화살표 E 방향으로 분사된다. 이때 다소의 기포(79)가 생기지만, 매우 미세한 마이크로 버블(75)이 확인되었다. 마이크로 버블(75)은 도면을 보았을 때 좌측(압력 용기(63)의 상방)으로 갈수록 소멸되었다. 이것은 마이크로 버블이 된 이산화탄소가 물(77) 속에 용해되었기 때문이다.

마찬가지로 도 9A, 도 9B는 시험 No. 2에서의 이산화탄소의 상황을 나타내는 예이다. 도 9A는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 9B는 도 9A의 모식도이다. 도면 중 화살표 E는 이산화탄소의 주입 방향이다.

액체 상태로 주입된 이산화탄소는, 마이크로 버블화하는 일 없이 큰 기포(79)로서 물(77) 속에 주입되었다. 기포(79)는 필터(61)로부터 이탈하면 곧바로 상방으로 부상했다. 따라서 이산화탄소는 거의 물(77)에 용해되는 일은 없었다.

또 표 2에 나타내는 바와 같이 시험 No. 10∼12와 같이 필터 구멍 지름을 40㎛로 한 경우에도, 초임계 상태의 이산화탄소에서는 마이크로 버블화했다. 한편 기체 및 액체 상태에서는 마이크로 버블은 발생하지 않았다. 또 초임계 상태의 이산화탄소는 유량을 5ml∼10ml로 증가시켜도 마이크로 버블화했다(시험 No. 13∼14).

도 10A, 도 10B는 시험 No. 14에서의 마이크로 버블의 발생 상황을 나타내는 예이다. 도 10A는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 10B는 도 10A의 모식도이다.

도 10B에 나타내는 바와 같이 도면 중 화살표 E 방향으로 이산화탄소를 주입하면 다소의 기포(79)가 생기지만, 매우 미세한 마이크로 버블(75)이 확인되었다. 마이크로 버블(75)은 도면을 보았을 때 좌측으로 갈수록 소멸되었다. 이것은 마이크로 버블(75)이 된 이산화탄소가 물(77) 속에 용해되었기 때문이다.

그리고, 시험 No. 7∼9와 같이 물을 혼입시킨 경우에도, 초임계 상태의 이산화탄소에서는 마이크로 버블화했다. 물을 혼입하는 것에 의해 마이크로 버블의 발생은 약간 억제되지만, 유량 20ml/min에서는 충분히 마이크로 버블이 발생했다. 또 유량 10ml/min, 40ml/min의 경우에서는 예를 들어 시험 No. 4, 6과 각각 비교해 마이크로 버블의 발생량은 줄어들었지만, 일부는 마이크로 버블이 되었다.

도 11A, 도 11B는 시험 No. 20에서의 마이크로 버블의 발생 상황을 나타낸 예이다. 도 11A는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이고 도 11B는 도 11A의 모식도이다.

필터로서 숫돌을 이용한 것은 상술한 스테인리스 소결 필터를 이용한 것보다 더 균일하고 대량의 마이크로 버블의 발생이 확인되었다. 이것은 숫돌 필터의 입도의 편차가 작고 균일한 구멍 지름을 가지고 있기 때문이다. 숫돌을 이용함으로써 스테인리스 필터보다 균일한 구멍 지름 분포가 되기 때문에, 보다 마이크로 버블의 발생이 촉진된다.

도 12A, 도 12B는 숫돌 필터 상에 사암층을 설치하여 40℃, 10MPa, 7ml/min의 조건으로 이산화탄소를 마이크로 버블화했을 때의 마이크로 버블의 발생 상황을 나타내는 예이다. 도 12A는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 12B는 도 12A의 모식도이다.

실제로 이산화탄소를 저장층에 저장하기 위해서는, 필터로부터 분사된 이산화탄소에 대해 사암층을 통과한 후 대수층에서의 버블 발생 상황이 문제가 된다. 그래서 필터(61) 상에 사암층으로서 다고사암을 설치하여 사암층으로부터 나오는 버블의 발생 상황을 조사했다. 그 결과, 도 12A, 도 12B에 나타내는 바와 같이 필터(61) 상에 다고사암을 설치하여 필터(61) 및 다고사암을 통과해도 마이크로 버블이 발생하는 것이 확인되었다. 또한 마찬가지로 다고사암 대신에 베레아사암을 이용해도 마찬가지로 마이크로 버블의 발생이 확인되었다.

이와 같이 필터(61)를 통해 특히 초임계 상태의 이산화탄소를 물(77) 속에 주입하면, 이산화탄소의 마이크로 버블(75)을 용이하게 발생시킬 수 있다. 이산화탄소를 마이크로 버블화함으로써 이산화탄소가 물(77)에 효율적으로 용해된다. 또 물과 혼합한 경우에도 초임계 상태의 이산화탄소를 필터(61)를 통해 물(77) 속에 주입하면, 마이크로 버블화되는 것을 알 수 있다. 또한 본 실시예에서는 이산화탄소의 예를 나타냈지만, 다른 물질이라 해도 초임계 상태로 필터를 통해 물 속에 분사시키면 마찬가지로 마이크로 버블을 발생시킬 수 있다. 특히 아세틸렌, 암모니아, 이산화황, 염화수소, 염소, 황화수소에 있어서는 동일한 온도 압력 조건에서의 물에 대한 용해도가 이산화탄소보다 높아 상당한 용해 촉진 효과를 기대할 수 있다.

이상 본 발명의 실시의 형태에 의하면, 다공질 부재인 필터를 통해 특히 초임계 상태의 이산화탄소를 염수성 대수층에 주입함으로써 염수성 대수층 내에서 이산화탄소가 효율적으로 마이크로 버블화되고, 이 때문에 이산화탄소는 염수성 대수층에 효율적으로 용해됨과 함께 암석 등의 성분인 Ca, Mg 등과의 화학 반응에 의해 탄산 화합물로서 지하에 고정할 수 있다.

이산화탄소의 초임계 상태는 하이드레이트에 비해 적용할 수 있는 조건이 넓기 때문에 압입 사이트의 선정에 제한이 적다. 그리고 지하의 염수성 대수층에 직접 주입하는 것이 가능하기 때문에 지하로부터 염수성 대수층의 지층수를 퍼 올릴 필요가 없고, 이 때문에 장치도 소형화할 수 있다.

이상 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태를 설명했으나, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시형태에 좌우되지 않는다. 당업자라면 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서 각종 변경예 또는 수정예를 생각해 낼 수 있는 것은 명백하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.

예를 들어 가스전, 유전, 오일샌드 등에 이르는 생산 웰을 형성하고 주입 웰에 의해 이산화탄소 등을 그 지하에 주입함으로써 생산 웰에 의해 가스, 석유, 중유 등을 증진회수할 수 있다. 또한, 이때 생산 웰에 의해 채취된 기름 등과 물의 혼합물로부터 기름 등을 회수한 후 나머지 물을 이산화탄소에 혼합해 지하에 주입함으로써 과잉 채취한 물을 지하에 되돌릴 수 있어, 이 때문에 지반침하 등을 억제함과 동시에 염수성 대수층에 효율적으로 이산화탄소를 주입할 수 있다.

1, 20, 30: 이산화탄소 저장장치 3: 이산화탄소 탱크
5: 압송장치 7: 지면
9: 주입 웰 11: 염수성 대수층
13: 필터 15: 마이크로 버블
31: 해면 33: 해저
40: 이산화탄소 저장 시험 장치 41: 이산화탄소 탱크
43: 시린지 펌프 45: 압력 조정 밸브
47: 밸브 49: 배관
51: 물 탱크 53: 시린지 펌프
55: 압력 조정 밸브 57: 밸브
59: 배관 61: 필터
63: 압력 용기 65: 배출 밸브
67: 조명창 69: 조명
71: 촬영창 73: 카메라
75: 매크로 버블 77: 물
79: 기포 80: 이산화탄소 저장장치
81: 이산화탄소 탱크 83: 압송장치
85: 지면 87: 주입 웰
89: 시일층 91: 저장층