特許 7227605 石炭の地下ガス化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-14

(45)【発行日】2023-02-22

(54)【発明の名称】石炭の地下ガス化方法

(51)【国際特許分類】

   C10J 3/02 20060101AFI20230215BHJP

   E21B 43/295 20060101ALI20230215BHJP

【ＦＩ】

C10J3/02 H

E21B43/295

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019055826

(22)【出願日】2019-03-25

(65)【公開番号】P2020158549

(43)【公開日】2020-10-01

【審査請求日】2022-03-02

(73)【特許権者】

【識別番号】504193837

【氏名又は名称】国立大学法人室蘭工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100152984

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 秀明

(74)【代理人】

【識別番号】100168985

【弁理士】

【氏名又は名称】蜂谷 浩久

(72)【発明者】

【氏名】板倉 賢一

(72)【発明者】

【氏名】宮澤 邦夫

【審査官】齊藤 光子

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５０４９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０６３３０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０８８６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９０４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２５６２０２５（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ１０Ｊ ３／００

Ｅ２１Ｂ ４３／２９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地上から炭層に達する送風孔を介して、前記炭層の石炭にガス化剤を送り込み、前記石炭をガス化し、前記石炭のガス化により生成したガスを、前記炭層から前記地上に達する排出孔を介して排出させる、石炭の地下ガス化方法であって、
前記送風孔を介して、前記炭層にシリカ含有組成物を送り込むことを特徴とする、石炭の地下ガス化方法。

【請求項2】

前記シリカ含有組成物が、シリカと、有機物とを含有する、請求項１に記載の石炭の地下ガス化方法。

【請求項3】

前記シリカ含有組成物が、コケ植物、シダ植物およびイネ科植物からなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項１または２に記載の石炭の地下ガス化方法。

【請求項4】

前記シリカ含有組成物が、籾殻である、請求項１～３のいずれか１項に記載の石炭の地下ガス化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、石炭の地下ガス化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

石炭の地下ガス化（ＵＣＧ：Underground Coal Gasification）は、石炭を、採炭して地上に取り出すことなく、地下の炭層にあるままでガス化する技術である（特許文献１を参照）。

【0003】

ＵＣＧの一般的な方法としては、例えば、まず、地上から炭層に達する２本のボーリング孔（送風孔および排出孔）を穿ち、両者を炭層内で連結させる。こうして、送風孔から、炭層内を経由して、排出孔にガスが流れるようにする。
送風孔から空気を不足ぎみに送りながら、炭層内の石炭を点火すると、この石炭は、発熱しながら二酸化炭素を発生させる。発生した二酸化炭素は、更に、加熱された石炭と反応して一酸化炭素となる。空気の代わりに酸素を用いれば、より熱量の高いガスが得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開昭５７－２１２２９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＵＣＧの進行に伴い、炭層内の空洞の周辺（炭層、岩盤など）に亀裂が出現する場合がある。ＵＣＧを、例えば、深度が０～４００ｍ程度の浅部にある炭層に適用する場合、この亀裂によって、地上にガスが漏洩したり、地下水が汚染したり、地盤が沈下したりするおそれがある。

【0006】

そこで、本発明は、石炭の地下ガス化の進行に伴い炭層や岩盤に出現する亀裂を補修できる、石炭の地下ガス化方法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】

【0007】

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した。その結果、地球の表層の約６０％を占めるシリカ（ＳｉＯ_２）が、石炭のガス化の進行に伴い出現する亀裂の発達を防止する（すなわち、亀裂を補修する）ことを見出し、本発明を完成させた。

【0008】

すなわち、本発明は、以下の［１］～［４］を提供する。
［１］地上から炭層に達する送風孔を介して、上記炭層の石炭にガス化剤を送り込み、上記石炭をガス化し、上記石炭のガス化により生成したガスを、上記炭層から上記地上に達する排出孔を介して排出させる、石炭の地下ガス化方法であって、上記送風孔を介して、上記炭層にシリカ含有組成物を送り込むことを特徴とする、石炭の地下ガス化方法。
［２］上記シリカ含有組成物が、シリカと、有機物とを含有する、上記［１］に記載の石炭の地下ガス化方法。
［３］上記シリカ含有組成物が、コケ植物、シダ植物およびイネ科植物からなる群から選ばれる少なくとも１種である、上記［１］または［２］に記載の石炭の地下ガス化方法。
［４］上記シリカ含有組成物が、籾殻である、上記［１］～［３］のいずれかに記載の石炭の地下ガス化方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、石炭の地下ガス化の進行に伴い炭層や岩盤に出現する亀裂を補修できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】ＵＣＧの一例を示す概略図である。

【図2】ＵＣＧの変形例を示す概略図である。

【図3】ＵＣＧの別の変形例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施形態を説明する。
まず、図１～図３に基づいて、石炭の地下ガス化（ＵＣＧ）を説明する。

【0012】

図１は、ＵＣＧの一例を示す概略図である。
図１において、地下には、地上１に近い順に、土層２、岩石層である岩盤３、および、石炭の層である炭層４が配置されている。
ＵＣＧでは、まず、地上１から炭層４に達する２本のボーリング孔を穿ち、送風孔５および排出孔６とする。送風孔５および排出孔６は、それぞれ、管７および管８により構成される。
送風孔５と排出孔６とは、炭層４の内部で連結させる。図１においては、炭層４の内部に形成された空洞９によって、送風孔５と排出孔６とが連結している。
こうして、図１中に白抜き矢印で示すように、地上１から送風孔５を介して炭層４の内部の空洞９にガスを送り込むこと、および、空洞９から排出孔６を介して地上１にガスを排出させることができる。

【0013】

図２は、ＵＣＧの変形例を示す概略図である。
図２において、図１と同一の部分（同一の機能を有する部分）は、同一の符号で示し、説明も省略する。
図２においては、管７および管８が、いわゆる二重管になっている。すなわち、送風孔５を構成する管７が内管になっており、排出孔６を構成する管８が外管になっている。この場合、１本のボーリング孔を穿つだけでよいため、経済的である。
図２においても、図２中に白抜き矢印で示すように、地上１から送風孔５を介して炭層４の内部の空洞９にガスを送り込むこと、および、空洞９から排出孔６を介して地上１にガスを排出させることができる。

【0014】

図３は、ＵＣＧの別の変形例を示す概略図である。
図３において、図１および図２と同一の部分（同一の機能を有する部分）は、同一の符号で示し、説明も省略する。
図３においては、管７および管８により構成される二重管が、炭層４の内部で屈曲し、炭層４に沿う方向に延びている。図３においても、図３中に白抜き矢印で示すように、地上１から送風孔５を介して炭層４の内部の空洞９にガスを送り込むこと、および、空洞９から排出孔６を介して地上１にガスを排出させることができる。

【0015】

このような構成（図１～図３）において、炭層４の石炭をガス化する。
まず、地上１から炭層４に達する送風孔５を介して、水蒸気、酸素、空気などを含有するガス化剤を、炭層４の石炭（より詳細には、空洞９の周囲にある石炭）に送り込みつつ、この石炭を加熱（点火）する。これにより、石炭がガス化して、一酸化炭素、水素などを含有する生成ガスが生成する。
そして、生成ガスを、炭層４から地上１に達する排出孔６を介して排出させる。排出孔６から地上１に排出した生成ガスは、適宜回収して、各種用途に使用する。

【0016】

石炭のガス化の基本的な反応式の一例を、以下に示す。
（１）石炭 → Ｈ_２＋Ｃ_ｍＨ_ｎ＋Ｃ
（２）Ｃ＋Ｏ_２ → ＣＯ_２
（３）Ｃ＋１／２Ｏ_２ → ＣＯ
（４）Ｃ＋ＣＯ_２ → ２ＣＯ
（５）Ｃ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋Ｈ_２
（６）Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋２Ｈ_２
（７）ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２
（８）Ｃ＋２Ｈ_２ → ＣＨ_４

【0017】

上記式（１）は、石炭の熱分解反応である。
上記式（２）および（３）は、酸素との反応であり、燃焼および部分燃焼を示しており、ガス化に必要な反応熱を供給する。
上記式（４）および（５）は、主となるガス化反応であり、吸熱反応である。
これらの反応に伴い、上記式（６）～（８）に示す反応も行なわれる。

【0018】

石炭のガス化は、百数十℃から始まり、仮に断熱性を有する耐火物を内張りした炉内で行なう場合は、約１５００℃になると考えられる。

【0019】

以上がＵＣＧの概要である。
ＵＣＧは、周期表で有名なロシアのメンデレーエフが１８８８年に構想を発表して以来、多くの国で研究開発が進められ、１９５６年にソ連で実用化された。オーストラリアやアメリカ等でも開発が進められている。
ＵＣＧの利点としては、例えば、危険な坑内作業を大幅に軽減できる。炭層４が極端に薄すぎる場合や、低品位である等の理由で一般の採炭法では経済的でない場合であっても、経済性が出てくる可能性がある。

【0020】

ところで、ＵＣＧの進行に伴い、図１～図３に示すように、空洞９の周辺にある石炭のガス化が進行している炭層４や岩盤３などに亀裂１０が出現する場合がある。
例えば、炭層４の厚さが約１～３ｍである場合、炭層４に出現する亀裂１０の全長は、最大で約３ｍとなる。
通常は、全長が数センチメートルの表面積が小さい（規模が小さい）亀裂１０が何十万個も出現し、そのほかに、全長が数メートルの亀裂１０も出現する。

【0021】

このような亀裂１０の出現によって、空洞９のガスが、亀裂１０を通じて地上１に漏洩するおそれがある。また、地下水が汚染するおそれもある。更に、亀裂１０によって、土層２、岩盤３および炭層４などが崩れて、地盤沈下するおそれがある。
これらの問題は、ＵＣＧを浅部の炭層４に適用する場合に、特に起こりやすい。

【0022】

そこで、本実施形態においては、少なくともシリカ（ＳｉＯ_２）を含有するシリカ含有組成物を、例えば、ガス化剤と共に送風孔５に投入する。
これにより、送風孔５を介して、炭層４における石炭のガス化が進行している箇所（図１～図３においては、空洞９の周辺の石炭）に、シリカ含有組成物を送り込む。

【0023】

送り込まれたシリカ含有組成物は、亀裂１０の中に入り込む。
上述したガス化の反応によって、空洞９の内圧は相対的に高圧であることから、シリカ含有組成物は、亀裂１０の中に入り込みやすい。
ガスが亀裂１０を通じて漏洩している場合（ガス流れができている場合）は、特に、シリカ含有組成物は、亀裂１０の中に入り込みやすい。必要に応じて、ガス化剤の流量調整などにより空洞９の圧力を変動させて、ガス流れを亀裂１０に導いてもよい。
亀裂１０の中に入り込んだシリカ含有組成物は、亀裂１０の内壁などに付着する。

【0024】

ここで、上述したように、炭層４における石炭のガス化は高温で行なわれているため、亀裂１０の中も同様に高温状態である。
この高温状態によって、亀裂１０の中で、シリカ含有組成物に含まれるシリカ（非晶質シリカ）どうしが重合し、亀裂１０が塞がれる。こうして、亀裂１０が補修される。すなわち、亀裂１０の発達を防止できる。シリカは、地殻を形成する物質の１つであり、地球の表層の約６０％を占める物質であるため、亀裂１０の補修が可能となる。

【0025】

亀裂１０の発生状況の監視（センシング）できれば、適切なタイミングで、シリカ含有組成物を送風孔５に投入できるため、より効果的である。
亀裂１０をセンシングする方法としては、例えば、破壊音（ＡＥ：Acoustic Emission）または微小地震を計測する方法が挙げられる。この計測により、亀裂１０の発生数、規模、発生場所、モード（引張か剪断か）などを検知する。

【0026】

なお、送風孔５から投入したシリカ含有組成物が、炭層４にて使用されずに、生成ガスと共に排出孔６から排出されてもよい。この場合、例えば、排出孔６の出側にサイクロンなどの捕集部を設けて、排出孔６から排出されるシリカ含有組成物を捕集し、捕集したシリカ含有組成物を、再び送風孔５に投入してもよい。

【0027】

本実施形態に用いるシリカ含有組成物は、シリカのほかに、更に、有機物を含有することが好ましい。有機物としては、例えば、セルロース、ヘミセルロース、リグニンなどの炭水化物が挙げられる。有機物がガス化剤と共に送風孔５に投入されることにより、有機物が燃焼してガス化が進行しやすくなり、生成ガス量が増える。

【0028】

このようなシリカ含有組成物としては、シリカおよび有機物を含有する組成物であれば特に限定されない。
もっとも、ボーリング孔を穿つためには多大なコストがかかるため、使用するシリカ含有組成物に関しても、経済性の観点を考慮することが好ましい。
したがって、シリカ含有組成物としては、経済性の観点からは、シリカを含有する植物が好ましく、その具体例としては、コケ植物、シダ植物およびイネ科植物からなる群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。

【0029】

コケ植物としては、例えば、スギゴケ、ミズゴケ、クロゴケ、ヒカリゴケ、チョウチンゴケ、タチゴケ、ゼニゴケ、ジャゴケ、ウロコゴケ、ハタケゴケ、コマチゴケ、ウキゴケ、ツノゴケなどが挙げられる。

【0030】

シダ植物としては、例えば、イヌワラビ、ワラビ、スギナ、ゼンマイ、ヘゴ、ミズニラ、ヒカゲノカズラ、トクサなどが挙げられる。

【0031】

イネ科植物としては、例えば、小麦、デュラム小麦、ライ麦、ライ小麦、大麦、オーツ麦、はと麦、トウモロコシ、イネ、ヒエ、アワ、キビなどが挙げられる。
イネ科植物としては、イネ科植物種子が用いてもよい。
イネ科植物種子としては、例えば、イネ科植物種子そのもの；イネ科植物種子を切断、粉砕または粉末化したもの；イネ科植物種子を乾燥したもの；イネ科植物種子を乾燥した後に粉砕または粉末化したもの；等が挙げられる。
イネ科植物種子そのものとしては、例えば、種子外皮が挙げられ、その具体例としては、籾殻（もみがら）が好適に挙げられる。

【0032】

籾殻は、籾（籾米）の最も外側にある皮の部分であり、脱穀によって得られる。
籾殻は、世界各地で発生し、年間の総発生量は約８，０００万トンであり、日本国内の発生量は年間２００万トンである。
籾殻は、農業廃棄物の１つであり、比較的安価で入手できることから、シリカ含有組成物として籾殻を使用することは、経済性にも非常に優れる。

【0033】

籾殻の組成は、約７０質量％がセルロース、ヘミセルロース、リグニン等の炭水化物であり、約１５～２０質量％がシリカであり、残部の大半が水分で、不純物としてアルカリ金属をわずかに含む。
高温状態（例えば約８００℃以上）では、籾殻中のセルロース等の炭水化物がガス化して消失し、シリカ（非晶質シリカ）が重合する。
また、籾殻は燃えやすく、しかも、籾殻を一旦燃焼させると、燃焼速度が早く急激に燃焼し、ガス化が良好に進む（籾殻は約３，０００ｋｃａｌ／ｋｇの熱量がある）という利点もある。

【0034】

なお、以上の説明では、シリカ含有組成物によって、空洞９の周囲にある亀裂１０を塞ぐ例を説明したが、シリカ含有組成物によって空洞９そのものを塞いでもよい。
ＵＣＧが終了した炭層４の空洞９は、通常、塞がれることなく放置され、例えば、二酸化炭素の貯留などに使用してもよい。
ところで、ＵＣＧ終了時点で亀裂１０が現れていない場合であっても、経年により、炭層４や岩盤３が崩れて、地盤沈下する可能性もある。
そこで、ＵＣＧが終了した炭層４の空洞９に、シリカ含有組成物を送り込む。この場合、空洞９の容積は、亀裂１０の容積も大きいため、亀裂１０を補修する場合よりも、トータルで、多量のシリカ含有組成物を送り込む。また、ＵＣＧが終了しているため、シリカを重合させるために、別途、空洞９を高温状態にする。こうして、空洞９においてシリカを重合させて、空洞９を塞ぐ。

【符号の説明】

【0035】

１：地上
２：土層
３：岩盤
４：炭層
５：送風孔
６：排出孔
７：管
８：管
９：空洞
１０：亀裂

【図1】

【図2】

【図3】