(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023170040
(43)【公開日】2023-12-01
(54)【発明の名称】ガス処理システム
(51)【国際特許分類】
B01D 53/92 20060101AFI20231124BHJP
B01D 53/22 20060101ALI20231124BHJP
F25J 1/00 20060101ALI20231124BHJP
F25J 3/08 20060101ALI20231124BHJP
C01B 32/50 20170101ALI20231124BHJP
【ＦＩ】
B01D53/92 240
B01D53/22 ZAB
F25J1/00 D
F25J3/08
B01D53/92 300
C01B32/50
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022081486
(22)【出願日】2022-05-18
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004185
【氏名又は名称】インフォート弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100132067
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 喜雅
(74)【代理人】
【識別番号】100120444
【弁理士】
【氏名又は名称】北川 雅章
(72)【発明者】
【氏名】當山 広幸
(72)【発明者】
【氏名】安田 圭吾
(72)【発明者】
【氏名】福村 琢
(72)【発明者】
【氏名】高橋 邦幸
【テーマコード（参考）】
4D002
4D006
4D047
4G146
【Ｆターム（参考）】
4D002AA09
4D002AC04
4D002AC07
4D002AC10
4D002BA02
4D002BA13
4D002BA14
4D002BA16
4D002BA20
4D002EA01
4D002EA02
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4D002FA01
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4D006KA56
4D006KA72
4D006KB30
4D006MA01
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4D006PA02
4D006PB18
4D006PB64
4D006PC80
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4D047AB00
4D047BA07
4D047BB06
4D047CA04
4D047CA08
4D047CA19
4G146JA02
4G146JB09
4G146JC11
4G146JD05
4G146JD10
(57)【要約】
【課題】二酸化炭素の回収にて設備を小型化しつつ、回収する二酸化炭素の高密度化を図ること。
【解決手段】ガス処理システム（１）は、エンジン（１０）から排出される排ガスを圧縮する第１圧縮機（３０）と、第１圧縮機で圧縮された排ガスを、二酸化炭素を含む透過成分と、透過成分よりも二酸化炭素濃度の低い非透過成分とに分離する分離膜（４１ａ、４２ａ）を有する分離装置（４０）と、透過成分を圧縮して圧縮済み透過成分とする第２圧縮機（５０）と、圧縮済み透過成分を冷却して冷却済み透過成分とする冷却器（６０）と、冷却済み透過成分を回収する回収装置（８０）とを備えている。更に、ガス処理システム（１）は、分離装置で分離された非透過成分を膨張して膨張済み非透過成分とする膨張機（７０）を備えている。冷却器は、膨張済み非透過成分を冷熱源として、圧縮済み透過成分を冷却する。
【選択図】図１
【解決手段】ガス処理システム（１）は、エンジン（１０）から排出される排ガスを圧縮する第１圧縮機（３０）と、第１圧縮機で圧縮された排ガスを、二酸化炭素を含む透過成分と、透過成分よりも二酸化炭素濃度の低い非透過成分とに分離する分離膜（４１ａ、４２ａ）を有する分離装置（４０）と、透過成分を圧縮して圧縮済み透過成分とする第２圧縮機（５０）と、圧縮済み透過成分を冷却して冷却済み透過成分とする冷却器（６０）と、冷却済み透過成分を回収する回収装置（８０）とを備えている。更に、ガス処理システム（１）は、分離装置で分離された非透過成分を膨張して膨張済み非透過成分とする膨張機（７０）を備えている。冷却器は、膨張済み非透過成分を冷熱源として、圧縮済み透過成分を冷却する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼器から排出される排ガスを圧縮する第１圧縮機と、
前記第１圧縮機で圧縮された前記排ガスを、二酸化炭素を含む透過成分と、前記透過成分よりも二酸化炭素濃度の低い非透過成分とに分離する分離膜を有する分離装置と、
前記透過成分を圧縮して圧縮済み透過成分とする第２圧縮機と、
前記圧縮済み透過成分を冷却して冷却済み透過成分とする冷却器と、
前記冷却済み透過成分を回収する回収装置とを備えた排ガス処理システムであって、
前記分離装置で分離された前記非透過成分を膨張して膨張済み非透過成分とする膨張機を更に備え、
前記冷却器は、前記膨張済み非透過成分を冷熱源として、前記圧縮済み透過成分を冷却することを特徴とするガス処理システム。
前記第１圧縮機で圧縮された前記排ガスを、二酸化炭素を含む透過成分と、前記透過成分よりも二酸化炭素濃度の低い非透過成分とに分離する分離膜を有する分離装置と、
前記透過成分を圧縮して圧縮済み透過成分とする第２圧縮機と、
前記圧縮済み透過成分を冷却して冷却済み透過成分とする冷却器と、
前記冷却済み透過成分を回収する回収装置とを備えた排ガス処理システムであって、
前記分離装置で分離された前記非透過成分を膨張して膨張済み非透過成分とする膨張機を更に備え、
前記冷却器は、前記膨張済み非透過成分を冷熱源として、前記圧縮済み透過成分を冷却することを特徴とするガス処理システム。
【請求項2】
前記第２圧縮機と前記膨張機とが同一の駆動軸によって駆動可能に設けられることを特徴とする請求項１に記載のガス処理システム。
【請求項3】
前記第１圧縮機で圧縮されて前記分離装置に導入される前記排ガスと海水とを熱交換する第１熱交換器を更に備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス処理システム。
【請求項4】
前記第２圧縮機で圧縮されて前記冷却器に導入される前記圧縮済み透過成分と海水とを熱交換する第２熱交換器を更に備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス処理システム。
【請求項5】
前記回収装置は、前記冷却済み透過成分に含まれる液化した二酸化炭素を貯留するタンクを備え、
前記タンクに貯留される液化した二酸化炭素を前記冷却器が冷却することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス処理システム。
前記タンクに貯留される液化した二酸化炭素を前記冷却器が冷却することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排ガスの二酸化炭素を回収するガス処理システムに関する。
【背景技術】
【0002】
国際規制による船舶省エネ設計規制（ＥＥＤＩ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｄｅｘ）では、新造船において二酸化炭素（ＣＯ２）の削減が求められている。将来の二酸化炭素排出量ゼロとする社会課題を達成するため、例えば、船舶エンジンにおける排気ガス中の二酸化炭素を分離回収する必要がある。
【0003】
排ガスから二酸化炭素を分離回収する方法は、種々の方式が採用されているが、ランニングコストの観点では膜分離方式（特許文献１参照）が優れている。膜分離方式は、排ガスが供給される膜の入口側と、分離された二酸化炭素の出口側とが膜によって隔てられている。
【0004】
膜分離方式は、膜の入口側と出口側との分圧差が二酸化炭素の分離の駆動力となり、分圧差を得るために膜の前段で圧縮機により排ガスを高圧にしている。膜の非透過側にて窒素や酸素などを主成分とするガスが高圧の状態で得られ、二酸化炭素を取り除いたガスとして排気される。また、膜の透過側にて低圧且つ高濃度なガス状態の二酸化炭素が得られる。
【0005】
排ガスから分離して得られた二酸化炭素は、ガス状態では体積が大きくなる。かかる体積を小さくするため、例えば、特許文献２のように、圧縮機により高圧にしてから冷凍機により低温にし、液体としてタンク等に二酸化炭素を貯留して分離回収することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１２－２３６１８１号公報
【特許文献2】特開２０１３－８７７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
排ガスから二酸化炭素を分離回収する設備では、構成する各機器の設置スペースに制約がある場合が多く、特に船舶では機器設置スペースが限られる。このため、特許文献２のように冷凍機を用いると、設備内に大きな設置スペースが必要になる、という問題がある。また、二酸化炭素を回収するにあたり、二酸化炭素の貯留スペースを小さくするため、高密度に液化することが求められる。よって、排ガスからの二酸化炭素の回収にあっては、設備の小型化と、回収する二酸化炭素の高密度化とを両立することが求められる。
【0008】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素の回収にて設備を小型化しつつ、回収する二酸化炭素の高密度化を図ることができるガス処理システム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】
本発明のガス処理システムは、燃焼器から排出される排ガスを圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機で圧縮された前記排ガスを、二酸化炭素を含む透過成分と、前記透過成分よりも二酸化炭素濃度の低い非透過成分とに分離する分離膜を有する分離装置と、前記透過成分を圧縮して圧縮済み透過成分とする第２圧縮機と、前記圧縮済み透過成分を冷却して冷却済み透過成分とする冷却器と、前記冷却済み透過成分を回収する回収装置とを備えた排ガス処理システムであって、前記分離装置で分離された前記非透過成分を膨張して膨張済み非透過成分とする膨張機を更に備え、前記冷却器は、前記膨張済み非透過成分を冷熱源として、前記圧縮済み透過成分を冷却することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、分離膜で分離された非透過成分が高圧となるため、膨張機により減圧することで低温のガスとなる膨張済み非透過成分を得ることができる。低温となる膨張済み非透過成分の冷熱を利用し、二酸化炭素を含む圧縮済み透過成分を冷却でき、回収される二酸化炭素を高密度にすることができる。また、上記のように冷熱を利用できるので、システム内にて冷凍機を設置する必要がなくなり、設備を小型化することができる。このように、本発明においては、設備の小型化と、回収する二酸化炭素の高密度化との両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】第１の実施の形態に係るガス処理システムの一例を示す概略構成図である。
【図2】第１の実施の形態に係る前処理部の機能ブロック図である。
【図3】第２の実施の形態に係るガス処理システムの一部を示す概略構成図である。
【図4】第３の実施の形態に係るガス処理システムの一部を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態に係るガス処理システムの一例を示す概略構成図である。なお、本実施の形態に係るガス処理システムとしては、燃焼器として船舶に使用されるエンジンから排出される排ガスのＣＯ２（二酸化炭素）を回収するシステムを考える。ただし、これに限られず、本実施の形態に係るガス処理システムは、火力発電プラントや化学工業プラント、廃棄物焼却施設における排ガスの処理に適用可能である。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態に係るガス処理システムの一例を示す概略構成図である。なお、本実施の形態に係るガス処理システムとしては、燃焼器として船舶に使用されるエンジンから排出される排ガスのＣＯ２（二酸化炭素）を回収するシステムを考える。ただし、これに限られず、本実施の形態に係るガス処理システムは、火力発電プラントや化学工業プラント、廃棄物焼却施設における排ガスの処理に適用可能である。
【0013】
図１は、第１の実施の形態に係るガス処理システムの一例を示す概略構成図である。図１に示すように、ガス処理システム１は、排ガスの発生源となるエンジン（燃焼器）１０と、前処理部２０と、第１圧縮機３０と、分離装置４０と、第２圧縮機５０と、冷却器６０と、膨張機７０と、回収装置８０とを主に備えている。
【0014】
エンジン１０は、主機エンジンであってよく、補機エンジンであってもよい。主機エンジンは、主として船舶が航行中に稼働される。補機エンジンは、主として船舶が停泊中に稼働される。エンジン１０には、燃料タンク（不図示）に貯留される燃料が供給される。なお、本実施の形態のガス処理システム１を各種プラント等に適用する場合には、エンジン１０に代えてボイラを用いてもよい。
【0015】
前処理部２０は、第１圧縮機３０に流入する排ガスの前処理を実施する。前処理部２０は、排ガスに含まれるＣＯ２以外の不純物の少なくとも一部を処理する。不純物には、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）または粒子状物質（ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ））が含まれてよい。
【0016】
図２は、前処理部の構成の一例を示す図である。前処理部２０は、窒素酸化物処理装置２２、除塵装置２３、硫黄酸化物処理装置２４、及びミスト除去装置２５を備えている。なお、前処理部２０は、上記各装置２２～２５の少なくとも１つを有する構成に変更してもよい。
【0017】
窒素酸化物処理装置２２は、エンジン１０から供給される排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を処理する。窒素酸化物（ＮＯｘ）を処理するとは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去することを指してよい。窒素酸化物処理装置２２は、脱硝装置であってよい。該脱硝装置は、例えば選択式触媒還元脱硝（ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ））装置である。なお、前処理部２０が窒素酸化物処理装置２２を有することに代えて、エンジン１０が排気再循環（ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ））の機能を有していてもよい。
【0018】
除塵装置２３は、窒素酸化物処理装置２２を経た後の排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を除去する。除塵装置２３は、電気集塵機（ＥＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ））、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ））または活性炭フィルタであってよい。
【0019】
硫黄酸化物処理装置２４は、除塵装置２３を経た後の排ガスに含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）を処理する。硫黄酸化物（ＳＯｘ）を処理するとは、硫黄酸化物（ＳＯｘ）を除去することを指してよい。ガス処理システム１が船舶に搭載される場合、硫黄酸化物処理装置２４は、該船舶に搭載される湿式のスクラバであってよい。
【0020】
ミスト除去装置２５は、硫黄酸化物処理装置２４を経た後の排ガスに含まれる水分を除去する。ミスト除去装置２５は、排ガスに含まれている水分をデミスタによって捕集分離除去する噴霧分離器であってよい。
【0021】
図１に戻り、前処理部２０と第１圧縮機３０とは、前処理部２０にて不純物が除去された排ガスが流れるライン２１で接続される。第１圧縮機３０は、エンジン１０から排出されて前処理部２０を経た排ガスを圧縮し、分離装置４０での受入圧力にまで排ガスを昇圧することができる性能を有する。第１圧縮機３０としては、所定の駆動源となるモータによって駆動される羽根車やロータ（何れも不図示）を備えた構成を例示できる。
【0022】
第１圧縮機３０と分離装置４０とは、第１圧縮機３０にて昇圧された排ガスが流れるライン３１で接続される。かかるライン３１には、第１海水冷却器（第１熱交換器）３３が設けられる。
【0023】
第１海水冷却器３３は、第１圧縮機３０にて昇圧された排ガスと海水との熱交換を行う熱交換器によって構成される。第１海水冷却器３３には海水ポンプ（不図示）によって海から汲み上げられた海水が導入され、第１海水冷却器３３にて熱交換を終えた海水は海へと戻される。第１海水冷却器３３に流入する排ガスは第１圧縮機３０の昇圧によって過熱されているが、第１海水冷却器３３を流れることで海水温度付近まで冷却される。
【0024】
分離装置４０は、第１分離部４１及び第２分離部４２を含んで構成される。分離装置４０は、第１圧縮機３０で昇圧されて第１海水冷却器３３で冷却された排ガスを透過成分と非透過成分とに分離する。透過成分は、ＣＯ２を含む。非透過成分のＣＯ２濃度は、透過成分のＣＯ２濃度よりも低くなる。
【0025】
第１分離部４１は、分離膜４１ａを用い、分離装置４０に導入される排ガスを第１透過成分と第１非透過成分とに分離する。具体的には、分離膜４１ａで透過したガスは第１透過成分として、第１分離部４１と第２分離部４２とを接続するライン４３に送出される。また、分離膜４１ａで透過しなかったガスは第１非透過成分として、第１分離部４１と膨張機７０とを接続するライン４４に送出される。
【0026】
第１透過成分は、ＣＯ２を含む。第１非透過成分のＣＯ２濃度は、第１透過成分のＣＯ２濃度よりも低くなる。
【0027】
第２分離部４２は、分離膜４２ａを用い、第１分離部４１から送出される第１透過成分を第２透過成分と第２非透過成分とに分離する。具体的には、分離膜４２ａで透過したガスは第２透過成分として、第２分離部４２と第２圧縮機５０とを接続するライン４５に送出される。また、分離膜４２ａで透過しなかったガスは第２非透過成分としてライン４６に送出され、該ライン４６は膨張機７０に接続されるライン４４に合流する。
【0028】
第２透過成分のＣＯ２濃度は、第１透過成分のＣＯ２濃度よりも高くなる。第２非透過成分のＣＯ２濃度は、第２透過成分のＣＯ２濃度よりも低くなる。
【0029】
分離装置４０全体としての透過成分は、前記第２透過成分であり、また、分離装置４０全体としての非透過成分は、ライン４４、４６によって合流する第１非透過成分及び第２非透過成分の両方となる。
【0030】
第１分離部４１の分離膜４１ａは有機材料または無機材料により構成することが例示できる。分離膜４１ａとしては、高分子や樹脂からなる中空糸状の多孔質材料を用い、無機材料の分離膜としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）またはアルミノ珪酸塩（所謂ゼオライト）からなる中空糸状の材料を用いることが例示できる。また、第２分離部４２の分離膜４２ａは有機材料により構成することが例示できる。分離膜４２ａとしては、高分子や樹脂からなる中空糸状の多孔質材料を用いることが例示でき、分離膜４１ａの有機材料と同じ材料であってよく、異なる材料であってもよい。
【0031】
分離装置４０で分離された非透過成分は、排ガスからＣＯ２が除去され、主として酸素及び窒素を主とするガスとなる。また、分離装置４０の前段の第１圧縮機３０にて排ガスが昇圧されるので、非透過成分は分圧によって高圧な状態が維持される。かかる高圧な非透過成分がライン４４を流れて膨張機７０に導入される。
【0032】
膨張機７０は、分離装置４０で分離された非透過成分を膨張して膨張済み非透過成分とする。膨張機７０は、高圧なガス状態の非透過成分を膨張させ、例えば、タービン翼を回転させる構成等により駆動軸７１を介して回転エネルギーが得られる性能を有する。膨張機７０と冷却器６０とは、膨張済み非透過成分が流れるライン７２で接続される。膨張済み非透過成分は、膨張に伴い温度が常温より低下する。ライン７２によって送出される膨張済み非透過成分は、冷却器６０の冷熱源とされる。
【0033】
第２圧縮機５０は、ライン４５を通じて流入するＣＯ２濃度が高い透過成分を吸引及び圧縮し、透過成分に含まれるＣＯ２を液化に必要な圧力まで昇圧することが可能な性能を有する。第２圧縮機５０としては、所定の駆動源となるモータによって駆動される羽根車やロータ（何れも不図示）を備えた構成を例示できる。第２圧縮機５０は、透過成分を圧縮した圧縮済み透過成分を冷却器６０に送出する。第２圧縮機５０は、膨張機７０と駆動軸７１を共有しており、膨張機７０で得られた回転エネルギーの一部を第２圧縮機５０の駆動に用いることが可能な構成とされる。よって、第２圧縮機５０と膨張機７０とが同一の駆動軸７１によって駆動可能に設けられている。
【0034】
第２圧縮機５０と冷却器６０とは、第２圧縮機５０から圧縮済み透過成分が流れるライン５１で接続される。かかるライン５１には、第２海水冷却器（第２熱交換器）５３が設けられる。
【0035】
第２海水冷却器５３は、第２圧縮機５０による圧縮済み透過成分と海水との熱交換を行う熱交換器によって構成される。第２海水冷却器５３においても、第１海水冷却器３３と同様に海水ポンプ（不図示）によって海から汲み上げられた海水が導入され、第２海水冷却器５３にて熱交換を終えた海水は海へと戻される。第２海水冷却器５３に海水を導入する海水ポンプは、第１海水冷却器３３に海水を導入する海水ポンプと同じでも別でもよい。第２海水冷却器５３に流入する圧縮済み透過成分は第２圧縮機５０の昇圧によって過熱されているが、第２海水冷却器５３を流れることで海水温度付近まで冷却される。かかる冷却によって、少なくとも圧縮済み透過成分に含まれるＣＯ２が凝縮して液化される。
【0036】
冷却器６０は、ライン５１を通じて導入される圧縮済み透過成分と、ライン７２を通じて膨張機７０から送出される膨張済み非透過成分との熱交換を行う熱交換器によって構成される。この熱交換によって、冷却器６０は、ライン５１からの圧縮済み透過成分を冷却し、液密度を高めた冷却済み透過成分とする。言い換えると、冷却器６０にて、ライン７２から導入される膨張済み非透過成分が、ライン５１からの圧縮済み透過成分を冷却するための冷熱源とされる。冷却済み透過成分には液化したＣＯ２が含まれる。
【0037】
冷却器６０にて熱交換を行った膨張済み非透過成分は、ライン６１を介して大気中に排出される。
【0038】
冷却器６０と回収装置８０とは、冷却器６０にて冷却された冷却済み透過成分が流れるライン６２で接続される。回収装置８０は、気液分離器８１と、液化ＣＯ２を貯留するタンク８２とを備えている。
【0039】
気液分離器８１は、ライン６２から送出された冷却済み透過成分をオフガスと液化ＣＯ２とに分離する。気液分離器８１にて分離したオフガスは、ライン８３を介して大気中に排出される。気液分離器８１にて分離した液化ＣＯ２は、ライン８４を介してタンク８２に送出される。
【0040】
次いで、第１の実施の形態のガス処理システム１に処理の流れを説明する。この説明では、図１にて図示した検知位置Ｐ１～Ｐ８での温度、圧力、液密度の各条件のシミュレーション結果を用いる。かかるシミュレーション結果が下記表１に示される。なお、表１に示した各条件の数値は、一例に過ぎないものであり、エンジン１０の運転負荷や海水温度、ガス処理システム１の各構成の運転条件等によって適宜変更される。
【0041】
【表1】
【0042】
ガス処理システム１にて、エンジン１０から排出されて前処理部２０で処理された後のライン２１（検知位置Ｐ１）での排ガスは、概ね常温大気圧（温度４０℃、圧力０．１ＭｐａＡ）とされる。ライン２１を経た排ガスは、第１圧縮機３０での圧縮によって過熱されるが第１海水冷却器３３にて海水によって冷却される。第１海水冷却器３３後段でのライン３１（検知位置Ｐ２）での排ガスは、検知位置Ｐ１に対し温度が概ね維持されつつ昇圧される（温度４０℃、圧力１．１ＭｐａＡ）。
【0043】
ライン３１を経た排ガスは、昇圧された状態で分離装置４０にて２段階で分離される。具体的には、排ガスのＣＯ２が第１分離部４１で粗分離され、第２分離部４２でＣＯ２濃度が上昇される。分離装置４０で分離後にライン４５（検知位置Ｐ３）を流れる透過成分は、検知位置Ｐ２に対し温度が概ね維持されつつ分圧によって大きく減圧される（温度４０℃、圧力０．２８ＭｐａＡ）。一方、分離装置４０で分離後にライン４４（検知位置Ｐ７）を流れる非透過成分は、検知位置Ｐ２に対し温度が概ね維持されつつ分圧によって若干減圧される（温度４０℃、圧力１．０ＭｐａＡ）。
【0044】
ライン４５を経たＣＯ２濃度が高い透過成分（例えばＣＯ２濃度８０～９０％）は、第２圧縮機５０での圧縮（ライン５１の検知位置Ｐ４）によって高温高圧状態とされる（温度４５７℃、圧力９．２ＭｐａＡ）。
【0045】
第２圧縮機５０を経た圧縮済み透過成分は、第２海水冷却器５３にて海水によって冷却される。この冷却によって、第２海水冷却器５３後段でのライン５１（検知位置Ｐ５）を流れる圧縮済み透過成分は、検知位置Ｐ４に対し圧力が概ね維持されつつ温度低下され、圧縮済み透過成分のＣＯ２が凝縮して液化した状態となる（温度２０℃、圧力９．２ＭｐａＡ、液密度４１０ｋｇ／ｍ３）。
【0046】
ライン５１を経た圧縮済み透過成分は、ＣＯ２が液化した状態で冷却器６０によって更に冷却される。冷却器６０の冷熱源は、分離装置４０の非透過成分を膨張機７０で膨張した膨張済み非透過成分となり、ライン７２を通って冷却器６０に供給される。ライン７２（検知位置Ｐ８）を流れる膨張済み非透過成分は、検知位置Ｐ７に対し減圧されて大きく温度低下される（温度－４５．６℃、圧力０．２ＭｐａＡ）。
【0047】
ライン７２からの膨張済み非透過成分を冷熱源として、冷却器６０にて圧縮済み透過成分が冷却され、冷却済み透過成分となる。少なくともＣＯ２が液化した状態の冷却済み透過成分は、冷却器６０前段の圧縮済み透過成分に比べて体積が小さくなって液密度が上昇する。
【0048】
冷却器６０にて冷却された冷却済み透過成分は、回収装置８０の気液分離器８１にてオフガスと液化ＣＯ２とに分離され、分離された液化ＣＯ２はタンク８２に貯留される。タンク８２（検知位置Ｐ６）に貯留される液化ＣＯ２は、検知位置Ｐ５に対し圧力が概ね維持されつつ温度低下され、液密度が大きく上昇して体積が減少した状態となる（温度－０．５℃、圧力９．２ＭｐａＡ、液密度７２３ｋｇ／ｍ３）。
【0049】
このような第１の実施の形態によれば、分離装置４０で分離された非透過成分が高圧となり、膨張機７０で減圧することで低温の膨張済み非透過成分を得ることができる。かかる膨張済み非透過成分を冷熱源として冷却器６０にて圧縮済み透過成分を冷却し、冷却済み透過成分中のＣＯ２を高密度として体積を収縮することができる。これにより、冷凍機の設置が不要となって設備を小型化することができる。このように、本実施の形態においては、設備の小型化と、回収するＣＯ２の高密度化との両立を図ることができる。
【0050】
特に、船舶でガス処理システム１を利用する場合、船内の機器設置スペースが限られるので、設備の小型化によってスペースをより良く有効活用できるようになり、例えば、より多くのＣＯ２を回収可能となる。また、回収するＣＯ２の高密度化によってもＣＯ２の回収量を多くすることができる。よって、本実施の形態にあっては、機器設置スペースに対し、ＣＯ２の回収能力が高いガス処理システム１を提供することができる。
【0051】
また、第１海水冷却器３３及び第２海水冷却器５３にて海水を冷媒として熱交換を行うので、冷却動力の削減、冷却設備の小型化を図ることができる。更に、第１海水冷却器３３の冷却によって、分離装置４０に高圧の排ガスを供給可能として透過成分のＣＯ２濃度を高めてＣＯ２の分離性能を高めることができる。また、第２海水冷却器５３の冷却によって圧縮済み透過成分を冷却することで、回収するＣＯ２の高密度化に寄与することができる。
【0052】
次に、本発明の前記以外の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、説明する実施の形態より前に記載された実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いる場合があり、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。
【0053】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。図３は、第２の実施の形態に係るガス処理システムの一部を示す概略構成図である。図３に示すように、第２の実施の形態では、冷却器９０を回収装置８０のタンク８２内に組み込んで設けている。
次に、本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。図３は、第２の実施の形態に係るガス処理システムの一部を示す概略構成図である。図３に示すように、第２の実施の形態では、冷却器９０を回収装置８０のタンク８２内に組み込んで設けている。
【0054】
第２の実施の形態における冷却器９０はタンク８２に貯留された液化ＣＯ２を冷却し、該液化ＣＯ２の液密度を低下して体積を小さくすることができる。第２の実施の形態の冷却器９０においても、膨張機７０からライン７２を経て導入される膨張済み非透過成分を冷熱源としている。
【0055】
第２の実施の形態では、第２海水冷却器５３が設けられるライン５１によって第２圧縮機５０と回収装置８０の気液分離器８１とが接続される。よって、第２海水冷却器５３で冷却及び凝縮された圧縮済み透過成分がライン５１を通じて気液分離器８１に導入され、気液分離器８１にて圧縮済み透過成分を分離した液化ＣＯ２がタンク８２に送出される。タンク８２では、液化ＣＯ２が冷却器９０によって冷却されて液密度を高めることができ、第１の実施の形態にてタンク８２に貯留される液化ＣＯ２と同程度の液密度とすることができる。
【0056】
よって、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の作用、効果を得ることができる他、冷却器９０がタンク８２内に組み込まれるため、第１の実施の形態と比較して機器設置スペースを小さくすることができる。
【0057】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、第３の実施の形態に係るガス処理システムの一部を示す概略構成図である。図４に示すように、第３の実施の形態では、第１の実施の形態に対し、第２海水冷却器５３を省略した構成としている。よって、第２圧縮機５０で昇圧された圧縮済み透過成分が冷却されずに冷却器６０に送出され、冷却器６０での冷却によって圧縮済み透過成分が凝縮して液化される。そして、圧縮済み透過成分が気液分離器８１にて液化ＣＯ２に分離されてタンク８２に貯留される。
次に、本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、第３の実施の形態に係るガス処理システムの一部を示す概略構成図である。図４に示すように、第３の実施の形態では、第１の実施の形態に対し、第２海水冷却器５３を省略した構成としている。よって、第２圧縮機５０で昇圧された圧縮済み透過成分が冷却されずに冷却器６０に送出され、冷却器６０での冷却によって圧縮済み透過成分が凝縮して液化される。そして、圧縮済み透過成分が気液分離器８１にて液化ＣＯ２に分離されてタンク８２に貯留される。
【0058】
第３の実施の形態では、例えば、検知位置Ｐ４での透過成分が第１の実施の形態と同条件（温度４５７℃、圧力９．２ＭｐａＡ）となる場合、タンク８２に貯留される液化ＣＯ２は、温度２６．７℃、圧力９．２ＭｐａＡ、液密度４１０ｋｇ／ｍ３となる（検知位置Ｐ６）。よって、タンク８２に貯留される液化ＣＯ２は、第３の実施の形態の方が第１の実施の形態に比べて温度が高くなって密度が低下するが、第２海水冷却器５３を省略できる分、機器設置スペースを小さくすることができる。
【0059】
本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【0060】
上記各実施の形態では、分離装置４０にて２つの分離部４１、４２を設けて排ガスを複数段で分離したが、単一の分離部により構成して排ガスの分離回数を１回としてもよい。
【0061】
また、回収装置８０は、冷却済みの透過成分を回収できる限りにおいて、適宜変更してもよく、例えば、タンク８２を省略して液化ＣＯ２を他の装置や系外に供給するようにしてもよい。
【0062】
また、第２圧縮機５０と膨張機７０とが駆動軸７１を共有しない構成としてもよいが、共有した方が膨張機７０の回転エネルギーを第２圧縮機５０で利用できる点で有利となる。
【0063】
また、エンジン１０に供給する燃料を天然ガスとする場合、液化天然ガスが気化して低温化する気化天然ガスを冷媒として圧縮済み透過成分と熱交換を行い、回収するＣＯ２の高密度化、冷却動力の削減を図るようにしてもよい。
【0064】
また、冷却器６０での冷却において、冷却済み透過成分の窒素及び酸素が気相となる温度及び圧力に調整するとよい。これにより、気液分離器８１にて窒素及び酸素を気相として分離する際に、回収するＣＯ２の濃度を上昇でき、且つ、分離装置４０での膜分離で必要な動力や装置コストを低減することができる。
【符号の説明】
【0065】
１ ：ガス処理システム
１０ ：エンジン（燃焼器）
３０ ：第１圧縮機
３３ ：第１海水冷却器（第１熱交換器）
４０ ：分離装置
４１ａ ：分離膜
４２ａ ：分離膜
５０ ：第２圧縮機
５３ ：第２海水冷却器（第２熱交換器）
６０ ：冷却器
７０ ：膨張機
７１ ：駆動軸
８０ ：回収装置
８２ ：タンク
９０ ：冷却器
１０ ：エンジン（燃焼器）
３０ ：第１圧縮機
３３ ：第１海水冷却器（第１熱交換器）
４０ ：分離装置
４１ａ ：分離膜
４２ａ ：分離膜
５０ ：第２圧縮機
５３ ：第２海水冷却器（第２熱交換器）
６０ ：冷却器
７０ ：膨張機
７１ ：駆動軸
８０ ：回収装置
８２ ：タンク
９０ ：冷却器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】