JP7745149B2 - Silica scale modifier - Google Patents
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Description
本発明はシリカスケール改質剤並びにこれを投入する装置を備えたプラントシステムに関する。本発明は、特には、シリカスケールを改質し、プラントシステムにおいてスケールを除去しやすくするシリカスケール改質剤に関する。 The present invention relates to a silica scale modifying agent and a plant system equipped with an apparatus for administering the agent. In particular, the present invention relates to a silica scale modifying agent that modifies silica scale and makes it easier to remove the scale in a plant system.
地熱発電プラントなど、地下水を使用するプラントシステムにおいては、水中に溶解しているシリカに由来して、プラントシステムを構成する機器や配管にシリカスケールが付着する。シリカスケールは、SiとOとの重合体から主として構成される強固な付着物であり、除去が困難である。 In plant systems that use groundwater, such as geothermal power plants, silica dissolved in the water causes silica scale to adhere to the equipment and piping that make up the plant system. Silica scale is a strong deposit composed primarily of polymers of Si and O, and is difficult to remove.
従来、シリカスケールの発生を防止する方法の一つとして、pH調整法が知られている。スケールの堆積速度は、地熱蒸気のpHにより減少することが知られており、pHを5以下に低減することでスケーリングをある程度抑制することができる。これを実現する具体的な方法としては、硫酸や塩酸などを地熱流体に注入することが挙げられる(例えば、特許文献1を参照)。 One conventional method for preventing the formation of silica scale is the pH adjustment method. It is known that the rate at which scale builds up decreases depending on the pH of the geothermal steam, and scaling can be suppressed to some extent by reducing the pH to 5 or below. Specific methods for achieving this include injecting sulfuric acid or hydrochloric acid into the geothermal fluid (see, for example, Patent Document 1).
一方、既に付着したシリカスケールを除去する方法としては、薬剤を使用してシリカスケールを溶解・除去する方法が知られている。 On the other hand, a known method for removing silica scale that has already adhered is to use chemicals to dissolve and remove the silica scale.
しかしながら、シリカスケールはプラントシステム内のあらゆる箇所に付着するため、現状では、上記方法を行っても薬品を使った化学的処理の後、機械的(物理的)に除去することを実施している。この機械的な除去作業は大規模で労力を必要とするため、長期的なプラントシステムの停止が必要となる。短い停止時間で労力をかけず簡便にシリカスケールを除去可能な状態とする薬剤、並びにシステムが求められている。 However, because silica scale adheres to all parts of a plant system, currently, even when the above methods are used, mechanical (physical) removal is carried out after chemical treatment using chemicals. This mechanical removal work is large-scale and labor-intensive, necessitating the shutdown of the plant system for an extended period of time. There is a need for a chemical agent and system that can easily remove silica scale with little effort and short shutdown time.
本発明者らは、鋭意検討の結果、シリカスケールの重合体中に従来のシリカスケールと比較して、原子間の結合力がより弱い化学構造を導入し、大規模な作業や機械的に強力な力を要することなく除去可能とすることを考えた。より具体的には、プラントシステム中を循環する流体に混合することができ、シリカスケールの分子構造中に取り込まれうる薬剤をシリカスケールの改質剤の主成分とすることに想到し、本発明を完成するに至った。 After extensive research, the inventors came up with the idea of introducing a chemical structure into the silica scale polymer that has weaker interatomic bonding strength than conventional silica scale, making it possible to remove the scale without the need for large-scale work or strong mechanical forces. More specifically, they came up with the idea of using a chemical agent that can be mixed with the fluid circulating through the plant system and that can be incorporated into the molecular structure of the silica scale as the main component of the silica scale modifier, leading to the completion of the present invention.
すなわち、本発明は、一実施形態によれば、シランカップリング剤を含むシリカスケール改質剤に関する。 That is, according to one embodiment, the present invention relates to a silica scale modifying agent containing a silane coupling agent.
前記シリカスケール改質剤において、前記シランカップリング剤が、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシランまたは3-グリシドキシプロピルトリエトキシシランであるであることが好ましい。 In the silica scale modifying agent, the silane coupling agent is preferably 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane or 3-glycidoxypropyltriethoxysilane.
前記シリカスケール改質剤において、炭素数が8以上の直鎖状炭化水素基を有するシランカップリング剤であることが好ましい。 The silica scale modifying agent is preferably a silane coupling agent having a linear hydrocarbon group with 8 or more carbon atoms.
前記シリカスケール改質剤が、プラントシステムの循環水に添加して用いるためのシリカスケール改質剤であることが好ましい。 It is preferable that the silica scale modifier is one that is added to the circulating water of a plant system.
前記シリカスケール改質剤において、前記プラントシステムが地熱発電システムであり、前記循環水が地熱流体であることが好ましい。 In the silica scale modifying agent, it is preferable that the plant system is a geothermal power generation system and the circulating water is geothermal fluid.
本発明は、別の実施形態によれば、地熱発電システムであって、
生産井からくみ上げた地熱流体を気体成分と液体成分に分離する気液分離器と、
前記気液分離器の後段に配置され、当該気液分離器で分離された気体成分により回転可能に構成されたタービンと、
前記気液分離器で分離された液体成分を還元井に配送する配管と、
前述のいずれか1項に記載のシリカスケール改質剤を地熱流体に投入する投入装置と
を備える地熱発電システムに関する。
According to another embodiment, the present invention provides a geothermal power generation system, comprising:
a gas-liquid separator that separates the geothermal fluid pumped from the production well into gas and liquid components;
a turbine disposed downstream of the gas-liquid separator and configured to be rotatable by the gas components separated by the gas-liquid separator;
A pipe for delivering the liquid component separated in the gas-liquid separator to an injection well;
and an injection device that injects the silica scale modifying agent according to any one of the preceding claims into geothermal fluid.
前記地熱発電システムにおいて、前記投入装置が、前記生産井と前記気液分離器との間の配管、前記気液分離器と前記タービンとの間の配管、または前記気液分離器と前記還元井との間の配管に設けられることが好ましい。 In the geothermal power generation system, it is preferable that the injection device be installed in the piping between the production well and the gas-liquid separator, the piping between the gas-liquid separator and the turbine, or the piping between the gas-liquid separator and the reinjection well.
本発明は、また別の実施形態によれば、シリカスケールの改質方法であって、
生産井からくみ上げた地熱流体を気体成分と液体成分に分離する気液分離器と、
前記気液分離器の後段に配置され、当該気液分離器で分離された気体成分により回転可能に構成されたタービンと、
前記気液分離器で分離された液体成分を還元井に配送する配管と
を備える地熱発電システムにおいて、
当該地熱発電システムを循環する地熱流体に、前述のいずれか1項に記載のシリカスケール改質剤を投入する工程を含む、シリカスケールの改質方法に関する。
According to yet another embodiment, the present invention provides a method for modifying silica scale, comprising the steps of:
a gas-liquid separator that separates the geothermal fluid pumped from the production well into gas and liquid components;
a turbine disposed downstream of the gas-liquid separator and configured to be rotatable by the gas components separated by the gas-liquid separator;
a pipe for delivering the liquid component separated by the gas-liquid separator to an injection well,
The present invention relates to a method for modifying silica scale, which comprises the step of adding the silica scale modifying agent according to any one of the above items to a geothermal fluid circulating in the geothermal power generation system.
本発明によるシリカスケール改質剤は、プラントシステムの通常運転時に、プラントシステム内を循環する流体に添加して用いることができ、プラントシステムのあらゆる箇所に付着し得るシリカスケールを改質して除去を容易にすることができる。本発明によるシリカスケール改質剤は、シリカスケールの付着、成長過程でシリカスケールの化学構造を改質することができるため、従来、付着後に事後的に適用していた薬剤と異なり、大きな除去効果が得られる。 The silica scale modifying agent of the present invention can be added to the fluid circulating within a plant system during normal operation, modifying silica scale that may adhere to any part of the plant system and making it easier to remove. Because the silica scale modifying agent of the present invention can modify the chemical structure of silica scale during the process of its adhesion and growth, it can achieve significant removal effects, unlike conventional chemicals that were applied after the fact after adhesion.
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
本発明は、一実施形態によれば、シリカスケール改質剤に関する。シリカスケール改質剤は、シランカップリング剤を主成分として含む。 According to one embodiment, the present invention relates to a silica scale modifying agent. The silica scale modifying agent contains a silane coupling agent as a main component.
シランカップリング剤は、Si原子とこれに直接結合したアルコキシ基とを含む無機部分と、有機官能基を含む有機部分と、これらを結合する2価の炭化水素基とを一分子内に備える化合物である。シランカップリング剤は、特には、A-B-Si(OR1)n(R2)3-n(式中、Aは有機部分であり、Bは2価の炭化水素基であり、Si(OR1)n(R2)3-nが無機部分である。無機部分において、R1、R2は独立して炭素数1から3の直鎖もしくは分枝状の炭化水素基であり、nは1、2、3から選択される整数である)で表される化合物であってよい。 A silane coupling agent is a compound that contains, in one molecule, an inorganic portion containing a Si atom and an alkoxy group directly bonded thereto, an organic portion containing an organic functional group, and a divalent hydrocarbon group bonding these together. The silane coupling agent may particularly be a compound represented by the formula A-B-Si(OR 1 ) n (R 2 ) 3-n (wherein A is the organic portion, B is a divalent hydrocarbon group, and Si(OR 1 ) n (R 2 ) 3-n is the inorganic portion. In the inorganic portion, R 1 and R 2 are independently linear or branched hydrocarbon groups having 1 to 3 carbon atoms, and n is an integer selected from 1, 2, and 3).
Aは、Bとの結合部分と有機官能基とを含む。Bとの結合部分は、典型的には、-O-(CH2)m-で表すことができ、mは1、2、3から選択される整数である。有機官能基は、例えば、エポキシ基、メタクリル基、アミノ基、及び/またはイソシアネート基を含む有機官能基であってよいが、これらには限定されない。 A includes a bonding portion to B and an organic functional group. The bonding portion to B can typically be represented by —O—(CH 2 ) m —, where m is an integer selected from 1, 2, and 3. The organic functional group may be, for example, an organic functional group including an epoxy group, a methacryl group, an amino group, and/or an isocyanate group, but is not limited to these.
Bは、直鎖もしくは分枝状の飽和もしくは不飽和の2価の炭化水素基であり、好ましくは、炭素数が3以上、好ましくは5以上、さらに好ましくは8以上の直鎖状の飽和炭化水素基であってよい。炭素数の上限は、特には限定されないが、例えば20以下、好ましくは10以下程度であってよい。なお、ここでいう炭素数とは、炭素原子間に酸素原子などのヘテロ原子を挟まない連続した炭素-炭素結合の数をいうものとする。長い直鎖状の飽和炭化水素基を有するシランカップリング剤は、シリカスケールを構成するSiとOとの重合体中に取り込まれて、重合体中の原子間の結合力を弱めることができる。また、シリカスケールが付着する機器との界面に長い直鎖状の飽和炭化水素基が存在することで、シリカスケールの機器への強固な付着力を低減することができる。 B is a linear or branched, saturated or unsaturated divalent hydrocarbon group, preferably a linear saturated hydrocarbon group with 3 or more carbon atoms, preferably 5 or more, and more preferably 8 or more. The upper limit of the carbon number is not particularly limited, but may be, for example, 20 or less, preferably approximately 10 or less. Note that the number of carbon atoms here refers to the number of consecutive carbon-carbon bonds without a heteroatom such as an oxygen atom between the carbon atoms. Silane coupling agents with long linear saturated hydrocarbon groups are incorporated into the Si and O polymers that make up silica scale, weakening the bonding strength between atoms in the polymer. Furthermore, the presence of long linear saturated hydrocarbon groups at the interface with the equipment to which silica scale adheres can reduce the strong adhesion of silica scale to the equipment.
R1、R2は独立してプロピル基、エチル基、メチル基であってよく、加水分解の容易性の観点から、メチル基であることが好ましい。 R 1 and R 2 may independently represent a propyl group, an ethyl group, or a methyl group, and are preferably methyl groups from the viewpoint of ease of hydrolysis.
シランカップリング剤の具体例としては、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、アミノN-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-トリエトキシシリル-N-(1,3-ジメチル-ブチリデン)プロピルアミン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-(ビニルベンジル)-2-アミノエチル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、p-スチリルトリメトキシシラン、3-アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、トリス-(トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレート、3-ウレイドプロピルトリアルコキシシラン、3-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、3-トリメトキシシリルプロピルコハク酸無水物、オクテニルトリメトキシシラン、8-グリシドキシオクチルトリメトキシシラン、メタクリロキシオクチルトリメトキシシラン等が挙げられるが、これらには限定されない。 Specific examples of silane coupling agents include 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, amino N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, and 3-triethoxysilyl-N-(1,3-dimethylbutylidene)propyl. Examples of suitable silanes include, but are not limited to, propylamine, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-(vinylbenzyl)-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-isocyanatopropyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, tris-(trimethoxysilylpropyl)isocyanurate, 3-ureidopropyltrialkoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-isocyanatopropyltriethoxysilane, 3-trimethoxysilylpropylsuccinic anhydride, octenyltrimethoxysilane, 8-glycidoxyoctyltrimethoxysilane, and methacryloxyoctyltrimethoxysilane.
本実施形態によるシリカスケール改質剤は、1種類のみのシランカップリング剤を含んでもよく、異なる複数の種類のシランカップリング剤を混合して含んでもよい。異なる複数の種類のシランカップリング剤を混合して含む場合には、有機官能基どうしが相互に反応しない2種類以上のシランカップリング剤を混合することができる。 The silica scale modifier according to this embodiment may contain only one type of silane coupling agent, or may contain a mixture of multiple different types of silane coupling agents. When containing a mixture of multiple different types of silane coupling agents, two or more types of silane coupling agents whose organic functional groups do not react with each other can be mixed.
シリカスケール改質剤は、シランカップリング剤のみからなるものでもよく、シランカップリング剤以外に、触媒、pH調整剤(硫酸、苛性ソーダなど)を含んでもよい。また、シランカップリング剤の性質を損なわない範囲で、従来から知られているシリカスケールの除去に用いられる薬剤を含んでいてもよい。薬剤には、例えば、酢酸、フッ化水素酸などが挙げられるが、これらには限定されない。 The silica scale modifying agent may consist solely of a silane coupling agent, or may contain, in addition to the silane coupling agent, a catalyst and a pH adjuster (such as sulfuric acid or caustic soda). It may also contain a chemical previously known for use in removing silica scale, provided that the properties of the silane coupling agent are not impaired. Examples of chemicals include, but are not limited to, acetic acid and hydrofluoric acid.
次に、シリカスケール改質剤が適用されるプラントシステム並びにシリカスケール改質剤の使用方法を説明する。シリカスケール改質剤は、ケイ酸(Si(OH)4、Si(OH)3O-、SiO2(OH)2 2-、Si2O2(OH)5 -、Si2O3(OH)4 2-、など)を含む流体が循環し得るプラントシステムであって、シリカスケールの付着が問題になる任意のプラントシステムにおいて、循環する流体に投入して用いることができる。プラントシステムの例としては、地熱発電システム、ボイラーシステム、冷却水配管を備えるシステム、水処理システムが含まれるが、これらには限定されない。 Next, we will explain a plant system to which the silica scale modifying agent can be applied and a method of using the silica scale modifying agent. The silica scale modifying agent can be added to any plant system in which a fluid containing silicic acid (Si(OH)4, Si(OH)3O-, SiO2(OH)22- , Si2O2 ( OH ) 5- , Si2O3 ( OH ) 42- , etc.) can be circulated, and in which the deposition of silica scale is a problem. Examples of plant systems include, but are not limited to, geothermal power generation systems, boiler systems, systems equipped with cooling water piping, and water treatment systems.
次に、プラントシステムの一例として、地熱発電システムを例示してシリカスケール改質剤の使用について説明する。本発明の一実施形態に係る地熱発電システムは、生産井からくみ上げた地熱流体を気体成分と液体成分に分離する気液分離器と、前記気液分離器の後段に配置され、当該気液分離器で分離された気体成分により回転可能に構成されたタービンと、前記気液分離器で分離された液体成分を還元井に配送する配管と、前述のシリカスケール改質剤を地熱流体に投入する投入装置とを備える。 Next, the use of a silica scale modifier will be explained using a geothermal power generation system as an example of a plant system. A geothermal power generation system according to one embodiment of the present invention comprises a gas-liquid separator that separates geothermal fluid pumped from a production well into gas and liquid components, a turbine positioned downstream of the gas-liquid separator and configured to be rotatable by the gas components separated by the gas-liquid separator, piping that delivers the liquid components separated by the gas-liquid separator to a reinjection well, and an injection device that injects the silica scale modifier into the geothermal fluid.
図1は、地熱発電システムを例示する概念図である。図1を参照すると、地熱発電システムは、生産井6と、気液分離器2と、タービン3と、発電機4と、復水器5と、還元井7とから主として構成されており、生産井6と、気液分離器2との間に、シリカスケール改質剤の投入装置1を備えている。 Figure 1 is a conceptual diagram illustrating a geothermal power generation system. Referring to Figure 1, the geothermal power generation system is primarily composed of a production well 6, a gas-liquid separator 2, a turbine 3, a generator 4, a condenser 5, and a reinjection well 7, and is equipped with a silica scale modifier injection device 1 between the production well 6 and the gas-liquid separator 2.
地熱発電システムにおける物質の流れについて説明する。生産井6は、地中の地熱貯留層にある熱水、蒸気、またはそれらの混合物(以下、地熱流体と指称する)を地中に導き出す井戸である。生産井6から導き出された地熱流体は、気液分離器2にて気体成分である蒸気と、液体成分である熱水に分離される。分離された蒸気はタービン3に導かれ、タービン3の回転に使用されて、発電機4にて電気を生産する。タービン3を通過した蒸気は、復水器5にて冷却され、図示しない配管を通って還元井7に導かれる。一方、気液分離器2にて分離された熱水は、冷却され、還元井7に導かれる。なお、気液分離器2で分離された蒸気が直接タービンを回転させる態様と、蒸気が低沸点溶媒を加熱して、低沸点溶媒がタービンを回転させる態様があり得る。本発明において、「気液分離器で分離された気体成分により回転可能に構成されたタービン」という場合は、この両者の態様を含むものとする。 The flow of materials in a geothermal power generation system will now be described. Production well 6 is a well that extracts hot water, steam, or a mixture thereof (hereinafter referred to as geothermal fluid) from an underground geothermal reservoir. The geothermal fluid extracted from production well 6 is separated into gaseous steam and liquid hot water in gas-liquid separator 2. The separated steam is guided to turbine 3 and used to rotate turbine 3, generating electricity in generator 4. The steam that passes through turbine 3 is cooled in condenser 5 and guided to reinjection well 7 through piping (not shown). Meanwhile, the hot water separated in gas-liquid separator 2 is cooled and guided to reinjection well 7. Note that there are two possible configurations: one in which the steam separated in gas-liquid separator 2 directly rotates the turbine, and another in which the steam heats a low-boiling-point solvent, which then rotates the turbine. In this specification, the term "turbine configured to be rotatable by gaseous components separated in a gas-liquid separator" encompasses both of these configurations.
シリカスケールは、地熱流体に溶解しているケイ酸に起因して生成するSiとOとの重合体を主成分としており、地熱発電の方式にもよるが、地熱発電システム内の、タービン翼、ローターなどのタービン部材、配管、熱交換器などのあらゆる箇所に付着しうる。 Silica scale is primarily composed of a polymer of Si and O that is formed due to silicic acid dissolved in geothermal fluid, and depending on the geothermal power generation method, it can adhere to any part of a geothermal power generation system, including turbine components such as turbine blades and rotors, piping, and heat exchangers.
本発明の一実施形態による地熱発電システムにおいては、シリカスケール改質剤の投入装置1は、図示する生産井6と、気液分離器2との間に設けられ、生産井から地上に組み上げた直後の地熱流体に、シリカスケール改質剤を投入可能に構成される。 In a geothermal power generation system according to one embodiment of the present invention, the silica scale modifier injection device 1 is installed between the production well 6 shown in the figure and the gas-liquid separator 2, and is configured to be able to inject silica scale modifier into the geothermal fluid immediately after it is drawn from the production well to the surface.
シリカスケール改質剤の投入装置1は、シリカスケール改質剤と水とを混合し、適切な温度、並びに濃度条件にて、設備中の流体に投入可能とする装置であってよい。シリカスケール改質剤の投入装置1は、任意選択的に、投入対象となる流体の温度、pHなどの条件に合わせてシリカスケール改質剤の投入量や種類を最適化する計算手段を備えるものであってもよい。 The silica scale modifying agent dosing device 1 may be a device that mixes the silica scale modifying agent with water and can then be dosed into the fluid in the facility at the appropriate temperature and concentration. Optionally, the silica scale modifying agent dosing device 1 may be equipped with a calculation means that optimizes the amount and type of silica scale modifying agent to be dosed according to the temperature, pH, and other conditions of the fluid to be dosed.
シリカスケール改質剤の投入量は、地熱流体のpHや温度条件にもよるが、地熱流体中に投入されたシランカップリング剤濃度が、ケイ酸濃度(重量%濃度)の50%以上となる量とすることが好ましい。シランカップリング剤濃度の上限は、特には限定されないが、ケイ酸濃度と同濃度以下とすることが好ましい。このような量で添加することにより、シランカップリング剤が、地熱流体中のSi化合物種に結合し、シリカスケールの成長の際に、Si-Oの重合体構造中に取り込まれやすくなる。そして、シリカスケールを構成するSi-Oの結合力を弱め、シリカスケールが除去しやすい化学構造に改質されやすくなるためである。 The amount of silica scale modifying agent added depends on the pH and temperature conditions of the geothermal fluid, but it is preferable to add an amount that results in a silane coupling agent concentration in the geothermal fluid that is at least 50% of the silicic acid concentration (weight percent). There is no particular upper limit to the silane coupling agent concentration, but it is preferable to add it at a concentration equal to or lower than the silicic acid concentration. By adding it in this amount, the silane coupling agent bonds to the Si compound species in the geothermal fluid, making it easier to incorporate into the Si-O polymer structure as silica scale grows. This weakens the bonding strength of the Si-O that makes up the silica scale, making it easier to modify the silica scale to a chemical structure that is easier to remove.
シリカスケール改質剤は、投入前に水と混合し、1~3時間程度静置して、シランカップリング剤のアルコキシ基の加水分解反応を進行させる予備反応を行うことが好ましい。理論に拘束される意図はないが、予備反応を行った後、地熱流体に投入されたシランカップリング剤のSi-OH部分は、地熱流体中のケイ酸と反応する。通常、シリカスケールは、SiとOからなる強固な重合体を形成する。しかし、シリカスケール改質剤を投入することで、ケイ酸とシランカップリング剤が重合した化学種が配管部材表面に付着することとなり、配管と地熱流体との界面にもシランカップリング剤由来の炭素部位が接することが多くなる。そのため、シリカスケールの化学構造が改質され、配管表面から、剥がれ易くなると考えられる。 It is preferable to mix the silica scale modifier with water before adding it and leave it to stand for 1 to 3 hours to allow a preliminary reaction to occur, which promotes the hydrolysis reaction of the alkoxy groups in the silane coupling agent. Without intending to be bound by theory, after the preliminary reaction, the Si-OH portion of the silane coupling agent added to the geothermal fluid reacts with silicic acid in the geothermal fluid. Normally, silica scale forms a strong polymer composed of Si and O. However, by adding the silica scale modifier, chemical species formed by the polymerization of silicic acid and the silane coupling agent adhere to the surface of the piping components, and carbon moieties derived from the silane coupling agent often come into contact with the interface between the piping and the geothermal fluid. This is thought to modify the chemical structure of the silica scale, making it easier to peel off from the piping surface.
図示する態様に代えて、あるいは図示する態様に加えて、シリカスケール改質剤の投入装置を別の箇所に設置することもできる。例えば、図中、aで示す気液分離器2の直前の配管中にシリカスケール改質剤を投入する態様にて投入装置を設けることができる。aで示す配管には、熱水と蒸気が混合した状態で流れる。この箇所にシリカスケール改質剤の投入装置を設けることで、気液分離器2内部のシリカスケールを改質し、気液分離器2のメンテナンスを容易にすることができる。また、図中、bで示す気液分離器2の直後であって、タービン3の直前の配管中にシリカスケール改質剤を投入する態様にて投入装置を設けることができる。bで示す配管には、主に蒸気が流れる。この箇所にシリカスケール改質剤の投入装置を設けることで、タービン3を構成する部材に付着するシリカスケールを改質することができる。さらに、図中、cで示す還元井7の直前の配管中にシリカスケール改質剤を投入する態様にて投入装置を設けることができる。この箇所にシリカスケール改質剤の投入装置を設けることで、還元井7を構成する部材に付着するシリカスケールを改質することができる。あるいは、cで示す還元井7までの配管の気液分離器2の直後にシリカスケール改質剤の投入装置を設けることで、還元井7までの配管部材に付着するシリカスケールを改質することができる。なお、図1中のシリカスケール改質剤の投入装置1に加えて、a、b、cの1箇所以上に投入装置を配置し、必要なときに、必要な箇所の投入装置のみを稼働し、シリカスケール改質剤を投入することも可能である。 In place of or in addition to the illustrated embodiment, the silica scale modifier injection device can be installed at a different location. For example, an injection device can be installed in the piping immediately before the gas-liquid separator 2, indicated by a in the figure, to inject the silica scale modifier. A mixture of hot water and steam flows through the piping indicated by a. By installing the silica scale modifier injection device at this location, the silica scale inside the gas-liquid separator 2 can be modified, facilitating maintenance of the gas-liquid separator 2. Furthermore, an injection device can be installed in the piping immediately after the gas-liquid separator 2, indicated by b in the figure, and immediately before the turbine 3. Steam primarily flows through the piping indicated by b. By installing the silica scale modifier injection device at this location, the silica scale adhering to the components that make up the turbine 3 can be modified. Furthermore, an injection device can be installed in the piping immediately before the reinjection well 7, indicated by c in the figure, to inject the silica scale modifier. By installing a silica scale modifying agent injection device at this location, it is possible to modify the silica scale adhering to the components that make up the reinjection well 7. Alternatively, by installing a silica scale modifying agent injection device immediately after the gas-liquid separator 2 in the piping leading to the reinjection well 7, as shown at c, it is possible to modify the silica scale adhering to the piping components leading to the reinjection well 7. In addition to the silica scale modifying agent injection device 1 in Figure 1, it is also possible to install injection devices at one or more locations a, b, and c, and operate only the injection devices at the necessary locations to inject the silica scale modifying agent when needed.
図1においては、地熱発電システムを例示して説明したが、シリカスケール改質剤の投入装置は、ケイ酸が溶解した水を含む流体が流通する任意のプラントシステムに設けることができる。特には、シリカスケールの付着が問題となっている箇所の前段に配置することができ、シリカスケールの改質、並びに除去の容易化に寄与することができる。 In Figure 1, a geothermal power generation system is used as an example, but the silica scale modifying agent injection device can be installed in any plant system through which a fluid containing water with dissolved silicic acid flows. In particular, it can be installed upstream of a location where silica scale buildup is a problem, contributing to the modification of silica scale and making it easier to remove.
以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below using examples. However, the present invention is not limited to the scope of the following examples.
1.シランカップリング剤の濃度依存性
図1に示す地熱発電システムにおいて、シランカップリング剤投入装置を、生産井と地上設備との間に配置する。実施例1、2では、シランカップリング剤として3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製KBM-403)を含むシリカスケール改質剤を用いる。本実施例、比較例では、地熱流体に含まれているケイ酸の濃度は約500ppmであるとする。地熱流体には、シランカップリング剤が下記の表1に示す濃度となる量で投入する。シリカスケール改質剤を地熱流体に投入する前に、シリカスケール改質剤の投入装置内においては、シリカスケール改質剤と水を混合し、25℃に加熱した条件で、2~3時間静置(必要に応じ攪拌)してから投入する。シランカップリング剤のアルコキシ基の加水分解を進行させるためである。
1. Concentration Dependence of Silane Coupling Agent In the geothermal power generation system shown in Figure 1, a silane coupling agent injection device is placed between the production well and the surface facility. In Examples 1 and 2, a silica scale modifier containing 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (KBM-403 manufactured by Shin-Etsu Silicones Co., Ltd.) is used as the silane coupling agent. In this example and the comparative example, the concentration of silicic acid contained in the geothermal fluid is assumed to be approximately 500 ppm. The silane coupling agent is injected into the geothermal fluid in an amount that results in the concentration shown in Table 1 below. Before injecting the silica scale modifier into the geothermal fluid, the silica scale modifier and water are mixed in the silica scale modifier injection device, heated to 25°C, and allowed to stand (stirred as necessary) for 2 to 3 hours before injection. This is to promote hydrolysis of the alkoxy groups in the silane coupling agent.
結果を表1に示す。ここで、シリカスケールの結合力とは、シリカスケール改質剤を用いない場合のシリカスケール中のシリカ同士の結合力を100%とした場合の相対的な結合力をいう。表1に記載したシリカスケール結合力(推定値)は次のように算出している。シリカ濃度500ppm中に100ppmのシランカップリング剤を投入した場合、全てのシランカップリング剤がシリカと結合すると仮定すると、スケール中の17重量%にシランカップリング剤が入り込んでいるので、結合力は17%減少して83%になる、として導出している。シリカスケールの除去にかかる力とは、スクラッチ試験でシリカスケールを除去した場合のスケールが剥離する際にかかる荷重(単位:ニュートン)である。このシリカスケールの除去にかかる力も、シリカスケール改質剤を用いない場合の負荷を1とした場合の相対値で表す。除去容易性の基準は、比較例1に対して除去にかかる力が0.67以下の場合を「容易」、0.67より大きい場合を「困難」とする。スケール内の炭素濃度は以下のように算出した。濃度分析にはEDX分析を用いた。炭素はコンタミ成分も含まれるので、比較例1を分析して得られた炭素濃度をコンタミネーション成分として、その濃度を実施例1、2の分析で得られた炭素濃度から引き算した。その結果を表1に示す。表1中、炭素濃度のカッコ内に示したのは炭素:シリコンの原子数比を示す。 The results are shown in Table 1. Here, the silica scale bonding strength refers to the relative bonding strength, assuming that the bonding strength between silica particles in silica scale without a silica scale modifier is 100%. The silica scale bonding strength (estimated value) listed in Table 1 was calculated as follows: If 100 ppm of silane coupling agent is added to a silica concentration of 500 ppm, assuming all of the silane coupling agent bonds with the silica, the silane coupling agent will penetrate 17% by weight of the scale, resulting in a 17% decrease in bonding strength to 83%. The silica scale removal force is the load (unit: Newton) applied when the scale is peeled off in a scratch test. This silica scale removal force is also expressed as a relative value, with the load without a silica scale modifier set to 1. The criteria for ease of removal are: a removal force of 0.67 or less compared to Comparative Example 1 is considered "easy," and a removal force of greater than 0.67 is considered "difficult." The carbon concentration in the scale was calculated as follows: EDX analysis was used for concentration analysis. Because carbon also contains contaminants, the carbon concentration obtained by analyzing Comparative Example 1 was used as the contaminant, and this concentration was subtracted from the carbon concentrations obtained by analyzing Examples 1 and 2. The results are shown in Table 1. In Table 1, the value in parentheses next to the carbon concentration indicates the carbon:silicon atomic ratio.
シランカップリング剤の投入量が増加するほど、シリカスケール内の原子間の結合力が低下し、シリカスケールが除去しやすい化学構造に改質されることが予測される。しかし、ケイ酸濃度の半分程度のシランカップリング剤を投入すると、シリカスケール除去が容易(力が小さく)になる。シリカスケール内の炭素濃度(wt%)をEDX分析すると、シランカップリング剤の投入量が多くなると、シリカスケールに含まれる炭素原子の、Si原子に対する割合が増加することがわかる。そして、ケイ酸濃度の半分以上の濃度のシランカップリング剤を投入することで配管壁に付着したシリカスケールの除去が容易になる。本実施例では3-グリシドキシプロピルトリメトキシシランを用いたが、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン(信越シリコーン株式会社製KBE-403)でも同等の効果が得られる。 As the amount of silane coupling agent added increases, the bonding strength between atoms in the silica scale decreases, predicting that the silica scale will be modified into a chemical structure that is easier to remove. However, adding a silane coupling agent at a concentration about half the silicic acid concentration makes silica scale removal easier (less force). EDX analysis of the carbon concentration (wt%) in the silica scale reveals that the ratio of carbon atoms to silicon atoms contained in the silica scale increases as the amount of silane coupling agent added increases. Furthermore, adding a silane coupling agent at a concentration more than half the silicic acid concentration makes it easier to remove silica scale that has adhered to pipe walls. In this example, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane was used, but similar effects can be achieved with 3-glycidoxypropyltriethoxysilane (KBE-403, manufactured by Shin-Etsu Silicones Co., Ltd.).
2.シランカップリング剤の構造依存性
次に、シリカスケール改質剤の主成分であるシランカップリング剤を、8-グリシドキシオクチルトリメトキシシラン(信越シリコーン株式会社製KBM-4803)に変えた以外はシランカップリング剤の濃度条件、ケイ酸の濃度条件は、実施例2と同様にして実験を行う。これを実施例3とする。実施例3において、生成したスケールの物性を調べると、シリカスケール除去にかかる力は比較例1との相対値で0.3となる。実施例2において、生成したスケール除去にかかる力は比較例1との相対値で0.5であるところ、無機部分と有機部分の間の直鎖状炭素数がより大きいシランカップリング剤を用いる場合、シリカスケール除去に必要な力がさらに小さくなり、シリカスケール除去の容易性がより大きくなる。
2. Dependence of Silane Coupling Agent Structure Next, an experiment was conducted using the same silane coupling agent concentration conditions and silicic acid concentration conditions as in Example 2, except that the silane coupling agent, the main component of the silica scale modifier, was changed to 8-glycidoxyoctyltrimethoxysilane (KBM-4803, manufactured by Shin-Etsu Silicones Co., Ltd.). This is designated Example 3. When the physical properties of the scale formed in Example 3 were examined, the force required to remove the silica scale was 0.3 relative to Comparative Example 1. In Example 2, the force required to remove the formed scale was 0.5 relative to Comparative Example 1. However, when a silane coupling agent with a larger number of linear carbon atoms between the inorganic and organic moieties was used, the force required to remove the silica scale was further reduced, making silica scale removal even easier.
1 シリカスケール改質剤の投入装置、2 気液分離器、3 タービン
4 発電機、5 復水器、6 生産井、7 還元井
1 Silica scale modifying agent injection device, 2 Gas-liquid separator, 3 Turbine, 4 Generator, 5 Condenser, 6 Production well, 7 Reinjection well
Claims (7)
前記気液分離器の後段に配置され、当該気液分離器で分離された気体成分により回転可能に構成されたタービンと、
前記気液分離器で分離された液体成分を還元井に配送する配管と、
請求項1~4のいずれか1項に記載のシリカスケール改質剤を地熱流体に投入する投入装置と
を備える地熱発電システム。 a gas-liquid separator that separates the geothermal fluid pumped from the production well into gas and liquid components;
a turbine disposed downstream of the gas-liquid separator and configured to be rotatable by the gas components separated by the gas-liquid separator;
A pipe for delivering the liquid component separated in the gas-liquid separator to an injection well;
A geothermal power generation system comprising an injection device that injects the silica scale modifying agent according to any one of claims 1 to 4 into geothermal fluid.
前記気液分離器の後段に配置され、当該気液分離器で分離された気体成分により回転可能に構成されたタービンと、
前記気液分離器で分離された液体成分を還元井に配送する配管と
を備える地熱発電システムにおいて、
当該地熱発電システムを循環する地熱流体に、請求項1~4のいずれか1項に記載のシリカスケール改質剤を投入する工程を含む、シリカスケールの改質方法。 a gas-liquid separator that separates the geothermal fluid pumped from the production well into gas and liquid components;
a turbine disposed downstream of the gas-liquid separator and configured to be rotatable by the gas components separated by the gas-liquid separator;
a pipe for delivering the liquid component separated by the gas-liquid separator to an injection well,
A method for modifying silica scale, comprising the step of adding the silica scale modifying agent according to any one of claims 1 to 4 to a geothermal fluid circulating in the geothermal power generation system.
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