特開 2023-170041 ガス処理システム

(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】P2023170041

(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

   F25J 1/00 20060101ALI20231124BHJP

   F25J 3/08 20060101ALI20231124BHJP

   B01D 53/22 20060101ALI20231124BHJP

   C01B 32/50 20170101ALI20231124BHJP

【ＦＩ】

B01D53/92 240

F25J1/00 D ZAB

F25J3/08

B01D53/22

B01D53/92 300

C01B32/50

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022081487

(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

4D002EA01

4D002EA02

4D002EA05

4D002FA01

4D002GA02

4D002GA04

4D002GB02

4D002GB04

4D002GB20

4D006GA41

4D006HA01

4D006JA52Z

4D006JA66Z

4D006JA71

4D006KA55

4D006KA56

4D006KA72

4D006KB30

4D006KE06P

4D006KE13P

4D006KE30Q

4D006MA01

4D006MC03

4D006MC09

4D006PA02

4D006PB19

4D006PB64

4D006PC80

4D047AA07

4D047AB00

4D047BA07

4D047BB06

4D047CA04

4D047CA06

4D047CA19

4D047EA00

4G146JA02

4G146JB09

4G146JC11

4G146JD05

4G146JD10

(57)【要約】

【課題】圧縮機の動力削減を図ること。
【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、ＣＯ_２を含む透過成分と、透過成分よりもＣＯ_２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（６５）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、第２圧縮機に導入前の透過成分におけるＣＯ_２濃度を測定するＣＯ_２濃度計（４８）と、ＣＯ_２濃度計にて測定されたＣＯ_２濃度が出力される制御部（９０）とを更に備えている。制御部は、ＣＯ_２濃度に基づき、第２圧縮機の駆動を制御する。
【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、
前記第２圧縮機に導入前の前記透過成分における二酸化炭素濃度を測定する濃度測定部と、
前記濃度測定部にて測定された前記二酸化炭素濃度が出力される制御部とを更に含み、
前記制御部は、前記二酸化炭素濃度に基づき、前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の駆動を制御することを特徴とするガス処理システム。

【請求項2】

前記圧縮済み透過成分の圧力を測定する圧力測定部を更に備え、
前記制御部は、前記圧力測定部にて測定及び出力された圧力値と前記二酸化炭素濃度に基づき、前記第２圧縮機の駆動を制御す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】

前記冷却器は、前記圧縮済み透過成分を冷媒によって冷却して前記圧縮済み透過成分に含まれる二酸化炭素を液化する液化器を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】

前記冷却器は、前記圧縮済み透過成分と海水とを熱交換する熱交換器を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6】

前記制御部は、前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の駆動を制御して前記圧縮済み透過成分の圧力を調整することで、前記冷却済み透過成分に含まれる二酸化炭素を液化しつつ、前記冷却済み透過成分に含まれる酸素及び窒素を気体に維持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（ＣＯ_２）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。得られた二酸化炭素は、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液化器で冷却して凝縮し、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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２－２３６１８１号公報

【特許文献2】特表平８－５０１１４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

膜分離後の二酸化炭素ガスの濃度は、排ガス発生源の負荷状況等によって常時変化する。かかる変化に対応するため、圧縮機にて二酸化炭素の液化に必要な圧力に対してマージンを設けた圧力で二酸化炭素ガスを圧縮する。例えば、膜分離後の二酸化炭素ガスの濃度が所定範囲で変化する場合、該範囲にて濃度が最も低くなる条件に合わせてマージンが設定される。よって、二酸化炭素ガスの濃度が前記範囲内にて高くなる程、前記マージン分を加えて必要以上に圧縮機で加圧した状態になる。このため、圧縮機の動力が大きくなり、ランニングコストが高くなる、という問題がある。

【0007】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、圧縮機の動力削減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】

【0008】

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、前記第２圧縮機に導入前の前記透過成分における二酸化炭素濃度を測定する濃度測定部と、前記濃度測定部にて測定された前記二酸化炭素濃度が出力される制御部とを更に含み、前記制御部は、前記二酸化炭素濃度に基づき、前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の駆動を制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、第２圧縮機に導入される前の分離装置における透過成分の二酸化炭素濃度を測定し、かかる二酸化炭素濃度に基づき、第１圧縮機や第２圧縮機の駆動を制御している。これにより、二酸化炭素濃度が変化しても、該変化に応じて第１圧縮機や第２圧縮機の圧力を適度に保つことができ、圧縮機の動力が無駄に大きくなることを抑制して動力の削減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【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】圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧と収率との関係を表すグラフである。

【図4】透過成分のＣＯ_２濃度と圧縮済み透過成分の圧力の目標値との関係を表すグラフである。

【図5】第２圧縮機の制御を説明するためのフロー図である。

【図6】圧縮済み透過成分の圧力の変動を示すグラフである。

【図7】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8】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9】第４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】

【0011】

［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ＣＯ_２（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。

【0012】

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、液化器６０と、回収装置８０、制御部９０とを主に備えている。

【0013】

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。

【0014】

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ＣＯ_２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。

【0015】

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。

【0016】

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１２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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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を流れることで冷却される。

【0023】

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、ＣＯ_２を含む。非透過成分のＣＯ_２濃度は、透過成分のＣＯ_２濃度よりも低くなる。

【0024】

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、ライン４４を介して大気中に排出される。

【0025】

第１透過成分は、ＣＯ_２を含む。第１非透過成分のＣＯ_２濃度は、第１透過成分のＣＯ_２濃度よりも低くなる。

【0026】

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を介して大気中に排出される。

【0027】

第２透過成分のＣＯ_２濃度は、第１透過成分のＣＯ_２濃度よりも高くなる。第２非透過成分のＣＯ_２濃度は、第２透過成分のＣＯ_２濃度よりも低くなる。

【0028】

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、第１非透過成分及び第２非透過成分の両方となる。

【0029】

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（ＳｉＯ_２）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。

【0030】

分離装置４０で分離された非透過成分は、排ガスからＣＯ_２が除去され、酸素及び窒素を主とするガスとなる。

【0031】

第２分離部４２と第２圧縮機５０とを接続するライン４５にはＣＯ_２濃度計（濃度測定部）４８が設けられる。ＣＯ_２濃度計４８は、例えば、レーザ式ガス分析計により構成される。ＣＯ_２濃度計４８は、分離装置４０で分離された直後のガス状態となる透過成分のＣＯ_２濃度の変動を連続して測定し、制御部９０に出力する。

【0032】

第２圧縮機５０は、ライン４５を通じて流入するＣＯ_２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ＣＯ_２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５０ａ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。モータ５０ａは制御部９０によってインバータ制御される。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液化器６０に送出する。

【0033】

第２圧縮機５０と液化器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、圧力計（圧力測定部）５２と第２海水冷却器（第２熱交換器、熱交換器）５３とが設けられる。圧力計５２は、第２圧縮機５０で圧縮された直後のガス状態となる圧縮済み透過成分の圧力の変動を連続して測定し、制御部９０に出力する。

【0034】

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。また、第２海水冷却器５３及び第１海水冷却器３３の何れか一方に導入して排出された海水を、何れか他方に導入してから海へ戻すようにしてもよい。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。

【0035】

液化器６０は、ライン５１を通じて第２海水冷却器５３で冷却された後に導入される膨張済み透過成分と、冷凍機６１から供給される冷媒との熱交換を行う熱交換器によって構成される。冷凍機６１は、ターボ冷凍機により構成することが例示できる。なお、冷凍機６１で生じる温熱は、エンジン１０の燃料の加温や、暖房、その他熱源として有効利用できる。ここで、本実施の形態では、液化器６０及び冷凍機６１と、第２海水冷却器５３とによって冷却器６５が構成される。

【0036】

冷却器６５は、ライン５１を流れる圧縮済み透過成分を冷却し、この冷却によって、少なくとも圧縮済み透過成分に含まれるＣＯ_２が凝縮して液化された冷却済み透過成分とする。好ましくは、液化器６０後段のライン６２を流れる冷却済み透過成分は、ＣＯ_２が液化し、酸素及び窒素が気体に維持される。

【0037】

液化器６０と回収装置８０とは、液化器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、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ＣＯ_２とに分離する気液分離器により構成される。回収装置８０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。回収装置８０にて分離した液化ＣＯ_２は、ライン８４を介して例えばタンク（不図示）に送出される。

【0038】

制御部９０は、第２圧縮機５０のモータ５０ａに接続され、第２圧縮機５０の駆動を制御する機能等を有する。制御部９０は、例えば、第２圧縮機５０のモータ５０ａの回転数を制御するインバータを有している。制御部９０には、ＣＯ_２濃度計４８や圧力計５２の測定結果が出力される。

【0039】

制御部９０は、ＣＯ_２濃度計４８や圧力計５２の測定結果に基づき、第２圧縮機５０（モータ５０ａ）の駆動状態を制御する。更に述べると、制御部９０は、液化器６０で冷却後の透過成分に含まれるＣＯ_２を液化でき、且つ、第２圧縮機５０での圧縮圧力が目標値に近付くよう、第２圧縮機５０（モータ５０ａ）の駆動状態を制御する。制御部９０の具体的制御については後述する。

【0040】

次いで、第１の実施の形態のガス処理システム１における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～Ｐ５での温度、圧力（全圧またはＣＯ_２分圧）、ＣＯ_２濃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（全圧）０．１５Ｍｐａ）とされる。また、検知位置Ｐ１での排ガスのＣＯ_２濃度が２０％とされる。ライン２１を経た排ガスは、第１圧縮機３０での圧縮によって昇圧され、且つ、過熱される。第１圧縮機３０での圧縮後、ライン３１を流れる排ガスは第１海水冷却器３３にて海水によって冷却される。

【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ＣＯ_２が第１分離部４１で粗分離され、第２分離部４２でＣＯ_２濃度が上昇される。第１分離部４１での粗分離後にライン４３（検知位置Ｐ２）を流れる第１透過成分は、検知位置Ｐ１に対し温度が概ね維持されつつ所定量昇圧した状態とされる（温度４０℃、圧力（全圧）０．５Ｍｐａ）。第１分離部４１での膜分離によって、検知位置Ｐ２での第１透過成分のＣＯ_２濃度は検知位置Ｐ１に比べて上昇して６０％とされる。

【0044】

分離装置４０の第２分離部４２での分離完了後にライン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所定量減圧した状態とされる（温度４０℃、圧力（全圧）０．１５Ｍｐａ）。また、ライン４５（検知位置Ｐ３）では、ＣＯ_２濃度計４８によって透過成分のＣＯ_２濃度が測定され、第２分離部４２での膜分離によって、検知位置Ｐ３での透過成分のＣＯ_２濃度は検知位置Ｐ２に比べて上昇して８０％とされる。また、窒素濃度が１５％、酸素濃度が５％とされる。

【0045】

ライン４５を経た透過成分は、第２圧縮機５０での圧縮によって昇圧され、且つ、過熱される。第２圧縮機５０を経た圧縮済み透過成分は、ライン５１にて圧力計５２によって圧力が測定される。ここで、第２圧縮機５０の圧縮にあっては、モータ５０ａの駆動（回転数）が制御部９０によって制御される。第２圧縮機５０を経た圧縮済み透過成分の圧力は、制御部９０の後述する制御によって変動する。ここでは、例として、第２圧縮機５０を経た圧縮済み透過成分の圧力が４．０ＭＰａであり、ＣＯ_２分圧が３．２ＭＰａとなる制御を行うこととする。

【0046】

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Ｐ４）を流れる圧縮済み透過成分は、検知位置Ｐ３に対し、ＣＯ_２分圧及びＣＯ_２濃度が概ね維持されつつ温度低下される（温度２０℃、ＣＯ_２分圧３．２Ｍｐａ、ＣＯ_２濃度８０％）。

【0047】

ライン５１を経た圧縮済み透過成分は、液化器６０によって更に冷却される。かかる冷却によって、圧縮済み透過成分に含まれるＣＯ_２が凝縮して液化した状態となり、酸素及び窒素は気体状態が維持された冷却済み透過成分となる。液化器６０の冷熱源には、冷凍機６１からの冷媒が循環され、冷却済み透過成分の温度が－２０℃に調整される。よって、ライン６２（検知位置Ｐ５）を流れる冷却済み透過成分は、検知位置Ｐ５に対しＣＯ_２分圧及びＣＯ_２濃度が概ね維持されつつ温度低下される（温度－２０℃、ＣＯ_２分圧３．２Ｍｐａ、ＣＯ_２濃度８０％）。

【0048】

液化器６０にて冷却された冷却済み透過成分は、回収装置８０にてオフガスと液化ＣＯ_２を含む回収液とに分離され、分離された回収液はライン８４を通じて回収される。かかる回収液のＣＯ_２濃度は、９５％とされる。

【0049】

ここで、上記処理の流れの説明にて、第２圧縮機５０による圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧を３．２ＭＰａに制御した場合を例としたが、かかる圧力値は図３のグラフによって求めることができる。図３は、圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧と収率との関係を表すグラフである。

【0050】

図３にて、丸形状でプロットしたグラフが第１の実施の形態における圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧と収率との関係を示している。このグラフは、ＣＯ_２濃度が８０％となるガス状態の圧縮済み透過成分を、冷却器６５にて－２０℃に冷却する条件にて、圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧に対するＣＯ_２の収率のシミュレーション結果を示している。図３のグラフにて、ガス処理システム１におけるＣＯ_２の収率の最小値を７０％とした場合、収率７０％の圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧（図３中（１）参照）が約３．２ＭＰａとなる。よって、上述した処理の流れの説明における各条件にて、収率を７０％以上得るには、第２圧縮機５０による圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧を３．２ＭＰａ以上に制御することが求められる。

【0051】

図４は、透過成分のＣＯ_２濃度と圧縮済み透過成分の圧力の目標値との関係を表すグラフである。図４のグラフは、制御部９０での第２圧縮機５０の制御に利用される。本実施の形態のガス処理システム１にて、分離装置４０による透過成分のＣＯ_２濃度は、８０～９０％となる。図４にて横軸となるＣＯ_２濃度８０～９０％の範囲にて、縦軸の圧力（全圧）の目標値は約３～４ＭＰａの範囲とされる。このように、図４のグラフから、分離装置４０により分離された透過成分のＣＯ_２濃度となるＣＯ_２濃度計４８の測定結果に基づき、第２圧縮機５０による圧縮済み透過成分の圧力（全圧）の目標値を求めることができる。

【0052】

続いて、制御部９０による第２圧縮機５０の制御について、図５のフロー図を用いて説明する。図５は、第２圧縮機の制御を説明するためのフロー図である。

【0053】

第２圧縮機５０の制御にあたり、第２圧縮機５０の前段となり分離装置４０により膜分離された後の透過成分について、ＣＯ_２濃度計４８によりＣＯ_２濃度Ｃ_ｉｎが測定される（ステップＳ０１）。ＣＯ_２濃度計４８の測定結果となるＣＯ_２濃度Ｃ_ｉｎは制御部９０に出力される。

【0054】

次いで、制御部９０にて、ＣＯ_２濃度計４８の測定結果となるＣＯ_２濃度Ｃ_ｉｎに応じて、図４のグラフを用いて第２圧縮機５０による圧縮済み透過成分の圧力（全圧）の目標値ＳＶが算出される（ステップＳ０２）。

【0055】

ステップＳ０１、Ｓ０２と同時または前後して、第２圧縮機５０の後段となり第２海水冷却器５３で冷却される前の圧縮済み透過成分について、圧力計５２により圧力の現在値ＰＶが測定される（ステップＳ０３）。圧力計５２の測定結果となる圧力の現在値ＰＶは制御部９０に出力される。

【0056】

ステップＳ０３で測定された圧力の現在値ＰＶと、ステップＳ０２で算出された圧力の目標値ＳＶとに基づき、制御部９０は、ＰＩＤ制御によって第２圧縮機５０のモータ５０ａの回転数となる操作量ＭＶを算出する（ステップＳ０４）。ＰＩＤ制御とは、ＰＶ（現在値）がＳＶ（目標値）に一致するようにＭＶ（操作量）を決定する制御方式のことである。

【0057】

そして、制御部９０は、算出した操作量ＭＶに応じ、第２圧縮機５０におけるモータ５０ａの回転数をインバータ制御する（ステップＳ０５）。これにより、第２圧縮機５０での圧縮後の圧力となる現在値ＰＶを圧力計５２により測定し、第２圧縮機５０を経た圧縮済み透過成分の圧力が目標値ＳＶになるようにフィードバック制御が行われる。

【0058】

図５に示すステップＳ０１～Ｓ０５の制御は、時間Δｔ毎に繰り返し行われる。よって、時間Δｔ毎に、第２圧縮機５０のモータ５０ａの回転数が補正制御され、第２圧縮機５０を経た圧縮済み透過成分の圧力が目標値ＳＶになるよう維持される。より具体的には、図６のグラフに示すように圧縮済み透過成分の圧力が維持される。図６は、圧縮済み透過成分の圧力の変動を示すグラフである。

【0059】

図６に示すグラフは、横軸が時間ｔ、縦軸が第２圧縮機５０による圧縮済み透過成分の圧力Ｐとされる。図６にて二点鎖線Ｐｎで示すように、冷却器６５での冷却によって冷却済み透過成分に含まれるＣＯ_２の液化に必要な圧力（以下、「必要な圧力」と省略する場合がある）が変動すると仮定する。該仮定は、分離装置４０で分離された透過成分のＣＯ_２濃度が８０～９０％の範囲で変動する場合に対応する。更に、該仮定にて、図４のグラフより、ＣＯ_２濃度が９０％のときに必要な圧力を３ＭＰａ、ＣＯ_２濃度８０％のときに必要な圧力を４ＭＰａが求められる。よって、該仮定にて、必要な圧力が３～４ＭＰａの範囲で変動される。

【0060】

従来にあっては、冷却器での冷却によって液化したＣＯ_２の収率を確保すべく、図６にて破線Ｐｃで示すように圧縮済み透過成分の圧力を一定としていた。より具体的には、従来にあっては、上記のように仮定した条件において、必要な圧力の最大値となる４ＭＰａに所定の安全率として例えば１．１を乗じ、必要な圧力を４．４ＭＰａと一定として圧縮機を駆動していた。よって、ＣＯ_２濃度９０％のときに４．４－３．０＝１．４ＭＰａの最大マージンＭｃを設けて運転していた。

【0061】

この点、第１の実施の形態では、上記の第２圧縮機５０の制御によって、図６にて実線Ｐａで示すように圧縮済み透過成分の圧力を増減させることができる。より具体的には、図６にて二点鎖線Ｐｎで示す必要な圧力の変動に応じ、実線Ｐａで示す圧縮済み透過成分の圧力も変動可能となり、マージンＭａを概ね一定（例えば０．２ＭＰａ）に維持することができる。

【0062】

このように、第１の実施の形態によれば、図６のマージンＭａを概ね一定に維持できるので、第２圧縮機５０の動力が無駄に大きくなることを抑制でき、第２圧縮機５０の動力の削減を図ることが可能となる。これにより、第２圧縮機５０の動力を低減し、ランニングコストを抑えることができる。

【0063】

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、冷却設備の小型化、冷却動力の削減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ＣＯ_２濃度を高めてＣＯ_２の分離性能を高めることができる。

【0064】

続いて、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。

【0065】

［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７を参照して説明する。図７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７に示すように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態に対し、液化器６０及び冷凍機６１を省略した構成としている。よって、第２の実施の形態の冷却器６５は第２海水冷却器５３により構成される。

【0066】

第２の実施の形態において、ライン５１の下流側が回収装置８０に接続される。第２圧縮機５０で昇圧された圧縮済み透過成分は、第２海水冷却器５３により冷却される。第２の実施の形態では、ライン５１を流れる圧縮済み透過成分を第２海水冷却器５３が冷却し、この冷却によって、少なくとも圧縮済み透過成分に含まれるＣＯ_２が凝縮して液化された冷却済み透過成分とする。

【0067】

第２の実施の形態において、第２圧縮機５０にて調整する圧縮済み透過成分の圧力値は、図３のグラフによって求めることができる。図３にて、三角形状でプロットしたグラフが第２の実施の形態における圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧と収率との関係を示している。このグラフにて、ガス処理システム１におけるＣＯ_２の収率の最小値を７０％とした場合、収率７０％の圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧（図３中（２）参照）が約７．８ＭＰａとなる。よって、第２の実施の形態にて収率を７０％以上得るには、第２圧縮機５０による圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧が７．８ＭＰａ以上に調整される。

【0068】

第２の実施の形態にて検知位置Ｐ１～Ｐ３での温度、圧力、ＣＯ_２濃度の各条件を第１の実施の形態の検知位置Ｐ１～Ｐ３での各条件と同一としてシミュレーションを行った。かかるシミュレーションにあっては、第２の実施の形態の検知位置Ｐ４にて、冷却済み透過成分の温度を１０℃、ＣＯ_２分圧を７．８ＭＰａに制御することで、ＣＯ_２濃度を８０％にすることができた。また、かかる検知位置Ｐ４の各条件を制御することで、回収装置８０により分離された回収液のＣＯ_２濃度が８４％となった。

【0069】

よって、第２の実施の形態の方が第１の実施の形態に比べて回収液のＣＯ_２濃度が低下するが、液化器６０及び冷凍機６１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。

【0070】

［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８を参照して説明する。図８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８に示すように、第３の実施の形態では、第１の実施の形態の冷凍機６１に代え、膨張機７０を有する構成としている。

【0071】

第３の実施の形態では、第１分離部４１の分離膜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。また、第２分離部４２の分離膜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。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。

【0072】

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、排ガスから分離された非透過成分は高圧な状態が維持されたままライン４４、４６を流れて膨張機７０に導入される。

【0073】

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回転エネルギーが得られる性能を有する。膨張機７０と液化器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、液化器６０の冷熱源とされる。

【0074】

第３の実施の形態にて、液化器６０は、ライン５１を通じて第２海水冷却器５３で冷却された後に導入される膨張済み透過成分と、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。液化器６０にて熱交換を行った膨張済み非透過成分は、ライン６３を介して大気中に排出される。

【0075】

第３の実施の形態において、第２圧縮機５０にて調整する圧縮済み透過成分の圧力値は、図３のグラフによって求めることができる。図３にて、方形状でプロットしたグラフが第３の実施の形態における圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧と収率との関係を示している。このグラフにて、ガス処理システム１におけるＣＯ_２の収率の最小値を７０％とした場合、収率７０％の圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧（図３中（３）参照）が約５．６ＭＰａとなる。よって、第３の実施の形態にて収率を７０％以上得るには、第２圧縮機５０による圧縮済み透過成分のＣＯ_２分圧が５．６ＭＰａ以上に調整される。

【0076】

表２に示すように、第３の実施の形態にて検知位置Ｐ１～Ｐ３での温度、圧力、ＣＯ_２濃度の各条件を第１の実施の形態の検知位置Ｐ１～Ｐ３での各条件と同一としてシミュレーションを行い、検知位置Ｐ４～Ｐ７のシミュレーション結果が得られた。

【0077】

【表2】

【0078】

第３の実施の形態のシミュレーションにて、分離装置４０で分離後にライン４４（検知位置Ｐ６）を流れる非透過成分は、検知位置Ｐ１に対し温度が概ね維持されつつ所定量昇圧した状態とされる（温度４０℃、圧力１．０ＭＰａ）。

【0079】

また、第３の実施の形態にて、液化器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を通って液化器６０に供給される。ライン７２（検知位置Ｐ７）を流れる膨張済み非透過成分は、検知位置Ｐ６に対し減圧されて大きく温度低下される（温度－４５℃、圧力０．２ＭＰａ）。ライン７２からの膨張済み非透過成分を冷熱源として、液化器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。

【0080】

一方、検知位置Ｐ４にて、第２海水冷却器５３で冷却された圧縮済み透過成分の温度を１０℃、ＣＯ_２分圧を５．６ＭＰａに制御することで、ＣＯ_２濃度を８０％にすることができた。また、ライン７２からの膨張済み非透過成分を冷熱源として液化器６０で冷却され、ライン６２（検知位置Ｐ５）を流れる冷却済み透過成分は、ＣＯ_２分圧及びＣＯ_２濃度が検知位置Ｐ４に対して概ね維持されつつ温度低下された（温度－４℃、ＣＯ_２分圧５．６Ｍｐａ、ＣＯ_２濃度８０％）。そして、回収装置８０により分離された回収液のＣＯ_２濃度が９１％となった。

【0081】

よって、第３の実施の形態の方が第１の実施の形態に比べて回収液のＣＯ_２濃度が低下するが、冷凍機６１を膨張機７０に変更できる分、機器設置スペースを小さくすることができる。また、分離装置４０の非透過ガスを膨張させて冷却源として利用するので、冷却動力の削減を図ることができる。

【0082】

ここで、上述した第１～第３の実施の形態にて、回収装置８０に回収される前段での冷却済み透過成分の温度及びＣＯ_２分圧を下記表３に示すように制御可能としている。
なお、回収装置８０に回収される前段は、第１及び第３の実施の形態では検知位置Ｐ５、第２の実施の形態では検知位置Ｐ４とされる。

【0083】

【表3】

【0084】

冷却済み透過成分のＣＯ_２、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）の割合によって、表３に示すように、冷却済み透過成分の窒素の分圧及び酸素の分圧を確認できる。ここで、第１～第３の実施の形態の各温度及び分圧の値をモリエル線図（不図示）に入力すると、ＣＯ_２は気相（気体）となり、窒素及び酸素は液相（液体）となる。よって、回収装置８０にて、ＣＯ_２を液体として容易に分離回収することが可能となる。

【0085】

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について図９を参照して説明する。図９は、第４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９に示すように、第４の実施の形態では、第３の実施の形態に対し、制御部９０によって第１圧縮機３０を制御する構成としている。

【0086】

第４の実施の形態にて、第１圧縮機３０は、所定の駆動源となるモータ３０ａを備えている。また、第４の実施の形態において、制御部９０は、第１圧縮機３０のモータ３０ａに接続され、第１圧縮機３０の駆動を制御する機能等を有する。制御部９０は、例えば、モータ３０ａの回転数を制御するインバータを有している。

【0087】

第４の実施の形態では、第１の実施の形態における図５のフロー図の処理の流れに対し、同様のステップＳ０１を行うことで、ＣＯ_２濃度計４８により透過成分のＣＯ_２濃度Ｃ_ｉｎが測定される。

【0088】

次いで、第１の実施の形態のステップＳ０２～Ｓ０４に代え、測定したＣＯ_２濃度Ｃ_ｉｎと、目標値となるＣＯ_２濃度（例えば８０％）との差分を算出し、該差分が０になるように第１圧縮機３０のモータ３０ａの回転数となる操作量ＭＶを算出する。そして、制御部９０は、算出した操作量ＭＶに応じ、第１圧縮機３０におけるモータ３０ａの回転数をインバータ制御する（ステップＳ０５に対応）。

【0089】

このように制御部９０でモータ３０ａの駆動を制御することで、検知位置Ｐ１～Ｐ７での各条件が、第３の実施の形態の検知位置Ｐ１～Ｐ７での各条件と同一なるシミュレーション結果を得ることができた。また、回収装置８０により分離された回収液のＣＯ_２濃度が９１％となった。

【0090】

第４の実施の形態によれば、第１～第３の実施の形態と同様にＣＯ_２を回収しつつ、第１圧縮機３０の動力削減を図ることができる。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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、他の装置や系外に供給するようにしてもよい。

【0094】

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ＣＯ_２の高密度化、冷却動力の削減を図るようにしてもよい。

【符号の説明】

【0095】

１ ：ガス処理システム
１０ ：燃焼器（エンジン）
３０ ：第１圧縮機
４０ ：分離装置
４１ａ ：分離膜
４２ａ ：分離膜
４８ ：濃度測定部（ＣＯ_２濃度計）
５０ ：第２圧縮機
５２ ：圧力測定部（圧力計）
５３ ：第２海水冷却器（熱交換器、冷却器）
６５ ：冷却器
７０ ：膨張機
８０ ：回収装置
９０ ：制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】