特開 2023-179257 燃焼システムおよび排ガス処理ユニット

(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】P2023179257

(43)【公開日】2023-12-19

(54)【発明の名称】燃焼システムおよび排ガス処理ユニット

(51)【国際特許分類】

   F23J 15/00 20060101AFI20231212BHJP

   B01D 53/22 20060101ALI20231212BHJP

   B01D 69/00 20060101ALI20231212BHJP

【ＦＩ】

F23J15/00 Z

B01D53/22

B01D69/00 500

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022092471

(22)【出願日】2022-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000005119

【氏名又は名称】日立造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110847

【弁理士】

【氏名又は名称】松阪 正弘

(74)【代理人】

【識別番号】100136526

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勉

(74)【代理人】

【識別番号】100136755

【弁理士】

【氏名又は名称】井田 正道

(72)【発明者】

【氏名】泉澤 由弥

(72)【発明者】

【氏名】今坂 怜史

(72)【発明者】

【氏名】来田 康司

(72)【発明者】

【氏名】古林 通孝

【テーマコード（参考）】

3K070

4D006

【Ｆターム（参考）】

3K070DA01

3K070DA81

4D006GA41

4D006HA01

4D006HA21

4D006HA41

4D006HA61

4D006JA25A

4D006KA01

4D006KA71

4D006KB19

4D006KB30

4D006MA01

4D006MA02

4D006MA03

4D006MA06

4D006MA18

4D006MC03

4D006MC08

4D006MC09

4D006MC77

4D006PA01

4D006PA02

4D006PB19

4D006PB64

4D006PB65

(57)【要約】

【課題】燃焼システムにおいて、被処理ガスに含有されるＣＯ_２を容易かつ効率的に分離する。
【解決手段】燃焼システムであるごみ焼却設備１は、燃焼室１１にて燃料を燃焼することにより水蒸気を生成するボイラ４１と、ボイラ４１から水蒸気が供給されるタービン４２と、ＣＯ_２キャリアを含む分離膜を有し、分離膜により隔てられる第１空間および第２空間のうち、第１空間にＣＯ_２を含有する被処理ガスが供給され、第２空間にタービン４２から排出される水蒸気が供給され、被処理ガスに含まれるＣＯ_２を第１空間から第２空間に移動させる分離膜モジュール３２とを備える。これにより、被処理ガスに含有されるＣＯ_２を容易かつ効率的に分離することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼システムであって、
燃焼室にて燃料を燃焼することにより水蒸気を生成するボイラと、
前記ボイラから前記水蒸気が供給されるタービンと、
二酸化炭素キャリアを含む分離膜を有し、前記分離膜により隔てられる第１空間および第２空間のうち、前記第１空間に二酸化炭素を含有する被処理ガスが供給され、前記第２空間に前記タービンから排出される前記水蒸気が供給され、前記被処理ガスに含まれる二酸化炭素を前記第１空間から前記第２空間に移動させる分離膜モジュールと、
を備えることを特徴とする燃焼システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃焼システムであって、
二酸化炭素を含有する前記被処理ガスが、前記燃焼室から排出される排ガス、高炉の炉頂から排出される炉頂ガス、大気中の空気、または、水素もしくは炭化水素を主成分とする混合ガスを含むことを特徴とする燃焼システム。

【請求項3】

請求項１に記載の燃焼システムであって、
前記被処理ガスに水を含む液体を供給することにより、前記被処理ガスの温度を低下させるガス冷却部をさらに備えることを特徴とする燃焼システム。

【請求項4】

請求項３に記載の燃焼システムであって、
前記被処理ガスが、前記燃焼室から排出される排ガスを含み、
前記ガス冷却部が、前記燃焼室と前記分離膜モジュールとの間の前記排ガスの経路に設けられ、
前記液体が薬剤を含み、前記ガス冷却部において前記排ガスから所定成分が除去されることを特徴とする燃焼システム。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼システムであって、
前記分離膜モジュールの前記第２空間から排出される二酸化炭素含有水蒸気を復水することにより、水と二酸化炭素とを分離する復水器をさらに備えることを特徴とする燃焼システム。

【請求項6】

請求項５に記載の燃焼システムであって、
前記タービンから排出され、前記分離膜モジュールの前記第２空間を経由しない水蒸気を復水するもう１つの復水器をさらに備えることを特徴とする燃焼システム。

【請求項7】

請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼システムであって、
前記分離膜モジュールの前記第２空間から排出される二酸化炭素含有水蒸気から水を分離するもう１つの分離膜モジュールをさらに備えることを特徴とする燃焼システム。

【請求項8】

請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼システムであって、
前記分離膜モジュールの前記第２空間から排出される二酸化炭素含有水蒸気を利用して所定の生成物を生成する二酸化炭素利用装置をさらに備えることを特徴とする燃焼システム。

【請求項9】

請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼システムであって、
前記燃料が廃棄物であり、前記被処理ガスが、前記燃焼室から排出される排ガスを含むことを特徴とする燃焼システム。

【請求項10】

排ガス処理ユニットであって、
排ガスに水および薬剤を含む液体を供給して前記排ガスから所定成分を除去するとともに、前記排ガスの温度を低下させる湿式洗煙塔と、
二酸化炭素キャリアを含む分離膜を有し、前記分離膜により隔てられる第１空間および第２空間のうち、前記第１空間に前記湿式洗煙塔を通過した前記排ガスが供給され、前記第２空間に水蒸気が供給され、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記第１空間から前記第２空間に移動させる分離膜モジュールと、
を備えることを特徴とする排ガス処理ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃焼システムおよび排ガス処理ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＣＯ_２（二酸化炭素）を発生する様々な施設において、ＣＯ_２回収の需要が高まっており、分離膜を用いたＣＯ_２の分離回収が注目されている。例えば、特許文献１の燃焼システムでは、分離膜である促進輸送膜によって隔てられた第１処理室および第２処理室のうち、第１処理室にメタンガスを含む被処理ガスが供給され、第２処理室に水蒸気を含むスイープガスが供給される。これにより、被処理ガス中のＣＯ_２が選択的に第２処理室へと透過する。特許文献１における上記水蒸気は、第１処理室を通過したガスから除去されたものである、または、第１処理室を通過したガスに含まれるメタンガスの燃焼排ガスを用いて生成される。

【0003】

特許文献２では、混合ガス流を促進輸送膜の一方の面に沿って通過させ、水蒸気を膜のもう一方の面に沿って通過させることにより、混合ガス流からＣＯ_２を除去する手法が開示されている。当該水蒸気は、内燃機関から発生した排ガスを冷却する作用、または、内燃機関の冷却液の作用によって生成される。特許文献３の装置は、第一空間に流入するＣＯ_２含有ガスに含まれるＣＯ_２を分離膜によって選択的に第二空間に透過させるように構成されたＣＯ_２分離器と、水タンクと、水タンクにおける水面よりも上の空間と第二空間とを連通させる水蒸気供給流路と、第二空間を減圧するポンプとを有する。ポンプの減圧により水タンク内部の水の蒸発が促進され、水蒸気が第二空間に供給される。

【0004】

なお、特許文献４では、ボイラおよび蒸気タービンを備えた発電プラントから排出される被処理気体からＣＯ_２を回収する方法が開示されている。当該方法では、ＣＯ_２吸着材を用いて被処理気体からＣＯ_２を吸着する吸着工程と、ＣＯ_２を吸着したＣＯ_２吸着材から脱離用水蒸気を用いてＣＯ_２を脱離させる脱離工程とが行われる。脱離用水蒸気は、蒸気タービン出口から排出される出口蒸気の一部を圧縮して得られる過熱蒸気から調製される飽和蒸気である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６９６６９９３号公報

【特許文献2】特表２０１５－５３６８１４号公報

【特許文献3】特開２０２１－１５９８１３号公報

【特許文献4】特許第５８１２６９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、ボイラおよびタービンを有する燃焼システムにおいて、排ガス等、ＣＯ_２を含有する被処理ガスから分離膜を用いてＣＯ_２を分離する場合に、特許文献１ないし３の手法を適用することが考えられる。しかしながら、特許文献１ないし３の手法では、分離膜に供給する水蒸気を生成するための、追加の装置やエネルギーが必要となる。したがって、燃焼システムにおいて、このような追加の装置やエネルギーを要することなく、ＣＯ_２を容易かつ効率的に分離する手法が求められている。また、被処理ガスが排ガスである場合に、排ガスに含有されるＣＯ_２の分離を適切に行う手法も求められている。

【0007】

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、燃焼システムにおいて、被処理ガスに含有されるＣＯ_２を容易かつ効率的に分離することを目的とし、排ガス処理において、排ガスに含有されるＣＯ_２の分離を適切に行うことも目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１に記載の発明は、燃焼システムであって、燃焼室にて燃料を燃焼することにより水蒸気を生成するボイラと、前記ボイラから前記水蒸気が供給されるタービンと、二酸化炭素キャリアを含む分離膜を有し、前記分離膜により隔てられる第１空間および第２空間のうち、前記第１空間に二酸化炭素を含有する被処理ガスが供給され、前記第２空間に前記タービンから排出される前記水蒸気が供給され、前記被処理ガスに含まれる二酸化炭素を前記第１空間から前記第２空間に移動させる分離膜モジュールとを備える。

【0009】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃焼システムであって、二酸化炭素を含有する前記被処理ガスが、前記燃焼室から排出される排ガス、高炉の炉頂から排出される炉頂ガス、大気中の空気、または、水素もしくは炭化水素を主成分とする混合ガスを含む。

【0010】

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃焼システムであって（請求項１または２に記載の燃焼システムであってもよい。）、前記被処理ガスに水を含む液体を供給することにより、前記被処理ガスの温度を低下させるガス冷却部をさらに備える。

【0011】

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃焼システムであって、前記被処理ガスが、前記燃焼室から排出される排ガスを含み、前記ガス冷却部が、前記燃焼室と前記分離膜モジュールとの間の前記排ガスの経路に設けられ、前記液体が薬剤を含み、前記ガス冷却部において前記排ガスから所定成分が除去される。

【0012】

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼システムであって、前記分離膜モジュールの前記第２空間から排出される二酸化炭素含有水蒸気を復水することにより、水と二酸化炭素とを分離する復水器をさらに備える。

【0013】

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の燃焼システムであって、前記タービンから排出され、前記分離膜モジュールの前記第２空間を経由しない水蒸気を復水するもう１つの復水器をさらに備える。

【0014】

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼システムであって（請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃焼システムであってもよい。）、前記分離膜モジュールの前記第２空間から排出される二酸化炭素含有水蒸気から水を分離するもう１つの分離膜モジュールをさらに備える。

【0015】

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼システムであって（請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃焼システムであってもよい。）、前記分離膜モジュールの前記第２空間から排出される二酸化炭素含有水蒸気を利用して所定の生成物を生成する二酸化炭素利用装置をさらに備える。

【0016】

請求項９に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼システムであって（請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃焼システムであってもよい。）、前記燃料が廃棄物であり、前記被処理ガスが、前記燃焼室から排出される排ガスを含む。

【0017】

請求項１０に記載の発明は、排ガス処理ユニットであって、排ガスに水および薬剤を含む液体を供給して前記排ガスから所定成分を除去するとともに、前記排ガスの温度を低下させる湿式洗煙塔と、二酸化炭素キャリアを含む分離膜を有し、前記分離膜により隔てられる第１空間および第２空間のうち、前記第１空間に前記湿式洗煙塔を通過した前記排ガスが供給され、前記第２空間に水蒸気が供給され、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記第１空間から前記第２空間に移動させる分離膜モジュールとを備える。

【発明の効果】

【0018】

請求項１ないし９の発明では、燃焼システムにおいて、被処理ガスに含有されるＣＯ_２を容易かつ効率的に分離することができる。請求項１０の発明では、排ガス処理において、排ガスに含有されるＣＯ_２の分離を適切に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１実施形態に係るごみ焼却設備の構成を示すブロック図である。

【図2】湿式洗煙塔および分離膜モジュールを示す断面図である。

【図3】第１比較例のごみ焼却設備の構成を示すブロック図である。

【図4】第２実施形態に係るごみ焼却設備の構成を示すブロック図である。

【図5】第３実施形態に係るごみ焼却設備の構成を示すブロック図である。

【図6】第４実施形態に係るごみ焼却設備の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るごみ焼却設備１の構成を示すブロック図である。ごみ焼却設備１は、廃棄物であるごみを焼却する廃棄物焼却設備であり、ごみを燃料として燃焼してエネルギーに変換する燃焼システムでもある。ごみ焼却設備１は、燃焼室１１と、排ガス流路２１と、エコノマイザ２２と、集じん器２３と、湿式洗煙塔３１と、分離膜モジュール３２と、脱硝装置２４と、煙突２５とを備える。燃焼室１１は、焼却炉であり、図示省略のごみピットから投入されるごみを燃焼（焼却）する。排ガス流路２１は、燃焼室１１から排出される排ガスが流れる煙道である。図１の例では、排ガス流路２１は、燃焼室１１から煙突２５に至る流路である。エコノマイザ２２、集じん器２３、湿式洗煙塔３１、分離膜モジュール３２および脱硝装置２４は、排ガス流路２１に設けられ、排ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって（すなわち、燃焼室１１から煙突２５に向かって）順に配置される。図１では、複数の太線の矢印にて排ガス流路２１を示し、燃焼室１１とエコノマイザ２２との間の矢印のみに排ガス流路を示す符号２１を付している。

【0021】

エコノマイザ２２は、後述のボイラ４１に供給される水を排ガスとの熱交換により加熱する。集じん器２３は、いわゆるバグフィルタであり、排ガスに含まれる飛灰をろ布により捕集する。集じん器２３の上流側において、粉末状の排ガス処理薬剤が排ガスに供給され、集じん器２３において飛灰と共に当該排ガス処理薬剤が捕集されてもよい。排ガス処理薬剤は、硫黄酸化物、塩化水素、ダイオキシン類、水銀化合物等の除去に利用される。集じん器２３を通過した排ガスは湿式洗煙塔３１に流入する。

【0022】

図２は、湿式洗煙塔３１および分離膜モジュール３２を示す断面図である。湿式洗煙塔３１の内部には、例えば、少なくとも１つ（図２では、複数）の噴霧部３１１と、充填層３１２とが設けられる。噴霧部３１１は、所定の薬剤および水を含む液体を噴霧する。当該薬剤は、例えば、苛性ソーダ等のアルカリ薬剤である。充填層３１２には、所定の充填材が充填される。充填材間の隙間には、当該液体が流れ込む。図２の例では、排ガスが湿式洗煙塔３１の下部から内部に流入し、上方に向かって流れる。湿式洗煙塔３１内では、排ガスが当該液体の噴霧を受けるとともに、充填材間の隙間を通過する。これにより、排ガスの温度が、例えば５０℃～７０℃に低下するとともに、排ガスに含まれる硫黄酸化物、塩化水素等の所定成分が除去される。湿式洗煙塔３１の上部に到達した排ガスは、分離膜モジュール３２に排出される。湿式洗煙塔３１では、後述の分離膜３２２におけるＣＯ_２（二酸化炭素）の分離の阻害物質を除去することが可能である。

【0023】

分離膜モジュール３２は、例えば、外筒３２１と、分離膜３２２とを備える。外筒３２１は、例えば、有蓋および有底の筒状形状を有し、図２の上下方向に延びる。分離膜３２２は、上下方向に延びる筒状形状を有し、外筒３２１の内部に収容される。分離膜モジュール３２は、分離膜３２２の内部空間である第１空間３２６と、分離膜３２２の外周面と外筒３２１の内周面との間の空間である第２空間３２７とを有する。第１空間３２６および第２空間３２７は、分離膜３２２により隔てられる。分離膜３２２は、例えば、有機高分子膜であり、水分存在下で稼働する。分離膜３２２は、アミン種等のＣＯ_２キャリアを含み、ＣＯ_２を選択的に透過する促進輸送膜である。分離膜３２２は、水分存在下で稼働するものであれば、高分子膜以外の膜であってよい。ＣＯ_２キャリアは、アルカリ種等、アミン種以外の物質であってよい。分離膜３２２が、筒状の多孔質支持体の表面に設けられ、外筒３２１内に配置されてもよい。分離膜３２２は、平膜型、管状型、中空糸型、スパイラル型等であってもよい。また、湿式洗煙塔３１に対して、複数の分離膜モジュール３２が直列または並列に設けられてもよい。

【0024】

図２の例では、湿式洗煙塔３１から排出された排ガスは、分離膜モジュール３２の下端の流入口から第１空間３２６に流入し、上方に向かって、すなわち、湿式洗煙塔３１内での流れ方向と同じ方向に流れる。当該排ガスは、湿式洗煙塔３１を通過することにより、水蒸気を多く含んでおり、水分がほぼ飽和状態である。また、後述するように、第２空間３２７には、ＣＯ_２をほとんど含まない水蒸気がスイープガスとして供給される。当該水蒸気は、例えば、分離膜モジュール３２の上端の流入口から第２空間３２７に流入し、下方に向かって流れる。

【0025】

ここで、促進輸送膜である分離膜３２２では、ＣＯ_２の透過速度を高くするために、常時、十分な量の水を保持する必要がある。既述のように、第１空間３２６および第２空間３２７における水分濃度（湿度）が高いことにより、分離膜３２２では、十分な量の水を保持した状態が維持される。また、第２空間３２７に流入する水蒸気は、ＣＯ_２をほとんど含まず、第２空間３２７のＣＯ_２の分圧は、第１空間３２６のＣＯ_２の分圧よりも十分に小さい。その結果、第１空間３２６では、排ガスに含まれるＣＯ_２と分離膜３２２のＣＯ_２キャリアとが反応し、分離膜３２２へのＣＯ_２の収着および拡散が生じる。また、第２空間３２７では、分離膜３２２におけるＣＯ_２の放散（脱離）が生じ、第２空間３２７を流れる水蒸気にＣＯ_２が混合される。一例では、分離膜３２２において下式の反応が生じる。

【0026】

【化1】

【0027】

以上のように、分離膜モジュール３２は、排ガスを被処理ガスとして、排ガスに含まれるＣＯ_２を第１空間３２６から第２空間３２７に移動させ、排ガスからＣＯ_２を分離（除去）する。ごみ焼却設備１では、湿式洗煙塔３１および分離膜モジュール３２により、排ガスに含まれる所定成分の除去およびＣＯ_２の分離を行う排ガス処理ユニット３が構成される。ＣＯ_２除去後の排ガスは、分離膜モジュール３２の上端の流出口から第１空間３２６の外部に排出され、脱硝装置２４（図１参照）に導かれる。第２空間３２７においてＣＯ_２が混合された水蒸気（以下、「ＣＯ_２含有水蒸気」ともいう。）は、分離膜モジュール３２の下端近傍の流出口から第２空間３２７の外部に排出される。分離膜モジュール３２から排出されたＣＯ_２含有水蒸気については後述する。

【0028】

排ガス処理ユニット３では、排ガスの流れ方向において、分離膜モジュール３２が湿式洗煙塔３１の下流側に配置されるのであるならば、湿式洗煙塔３１の下方に分離膜モジュール３２が配置されてよく、湿式洗煙塔３１と分離膜モジュール３２とが略水平方向に並んで配置されてもよい。また、分離膜モジュール３２の第１空間３２６における排ガスの流れ方向と、第２空間３２７における水蒸気の流れ方向は、同じであっても、逆向きであってもよい。また、両者は、交差するような流れ方向であってもよい。

【0029】

図１の脱硝装置２４は、内部に脱硝触媒が設けられた脱硝塔を有し、排ガスに含まれる窒素酸化物等を除去する。脱硝装置２４では、必要に応じて排ガスが再加熱されてもよい。脱硝装置２４を通過した排ガスは、煙突２５から外部に排出される。

【0030】

ごみ焼却設備１は、ボイラ４１と、タービン（蒸気タービン）４２と、復水器４３と、復水タンク４４と、脱気器４５とをさらに備える。ボイラ４１は、ボイラ管群である排熱回収部４１１を有する。排熱回収部４１１では、燃焼室１１にて発生する排ガスを熱源として高温かつ高圧の水蒸気が生成される。このように、ボイラ４１では、燃焼室１１にてごみを燃焼することにより水蒸気が生成される。高圧の水蒸気はタービン４２に供給される。後述するように、ごみ焼却設備１では、ボイラ４１、タービン４２、分離膜モジュール３２、復水器４３、復水タンク４４および脱気器４５の順に水（水蒸気）が循環しており、当該水の循環経路を、複数の破線の矢印にて示している。

【0031】

タービン４２では、高圧の水蒸気を利用して発電が行われる。タービン４２での使用済みの水蒸気は、排出水蒸気としてタービン４２から排出される。排出水蒸気は、圧力が低下した低温かつ低圧の水蒸気である。排出水蒸気の温度は、例えば１００℃以下であり、本処理例では、５０℃～７０℃である。本実施の形態では、タービン４２からの排出水蒸気は、加熱および加圧されることなく、そのままの状態で、図２の分離膜モジュール３２の第２空間３２７にスイープガスとして供給される。排出水蒸気は、加熱、冷却、加圧または減圧されて分離膜モジュール３２に供給されてもよい。

【0032】

ＣＯ_２含有水蒸気は、復水器４３に流入する。復水器４３では、冷却によりＣＯ_２含有水蒸気に含まれる水が凝縮する（すなわち、復水される）。換言すると、ＣＯ_２含有水蒸気から水が除去され、濃縮されたＣＯ_２ガスが得られる。復水器４３には、真空ポンプ等を有するガス抽出器（空気抽出器）が設けられており、ＣＯ_２ガスはガス抽出器により抽出可能である。凝縮した水（復水）は、復水タンク４４に送られ、貯留される。濃縮されたＣＯ_２ガスは、ＣＯ_２貯留タンク５１に貯留される。ＣＯ_２ガスは、後述の二酸化炭素利用装置５６（図６参照）においてメタンの生成等に利用されてもよい（以下同様）。復水タンク４４内の水（液体）は、脱気器４５により脱気された後、エコノマイザ２２にて排ガスとの熱交換により加熱される。加熱後の水は、排熱回収部４１１に供給され、高圧の水蒸気が生成される。

【0033】

図３は、第１比較例のごみ焼却設備９の構成を示すブロック図である。第１比較例のごみ焼却設備９では、図１の分離膜モジュール３２に代えて、ＣＯ_２回収部９２が設けられる。ＣＯ_２回収部９２は、化学吸収法によりＣＯ_２を回収するものであり、吸収塔と、再生塔とを備える。吸収塔では、例えば、アミンおよび水を含む液体が排ガス中に噴霧され、ＣＯ_２が当該液体に吸収される。すなわち、排ガスからＣＯ_２が除去される。ＣＯ_２を吸収した液体は、再生塔に送られて加熱され、ＣＯ_２が取り出されて回収される。ＣＯ_２回収部９２を通過した排ガスは、脱硝装置２４を介して煙突２５から外部に排出される。

【0034】

ところで、湿式洗煙塔３１から排出された排ガスは、高温であり、化学吸収法によりＣＯ_２を回収するには、４０℃程度まで排ガスを冷却する必要がある。したがって、図３の第１比較例のごみ焼却設備９では、湿式洗煙塔３１とＣＯ_２回収部９２との間で、ガス冷却部９１により排ガスを冷却する必要があり（循環水冷却設備を付加した湿式洗煙塔３１により冷却してもよい。）、ＣＯ_２の回収に係る処理が非効率となる。吸着法によりＣＯ_２を回収することも考えられるが、この場合、吸着剤の再生処理が必要となり、同様に、ＣＯ_２の回収に係る処理が非効率となる。また、第１比較例のごみ焼却設備９では、タービン４２から排出される低圧の排出水蒸気は、復水器４３に直接流入して復水される。すなわち、排出水蒸気はいずれの用途にも利用されず、復水される。なお、ごみ焼却設備９の復水器４３では、排出水蒸気に混合する空気等は大気に放出される。

【0035】

次に、分離膜モジュールにおいて、促進輸送膜ではなく、分子篩作用によりＣＯ_２の分離を行う分子篩膜（例えば、ゼオライト膜等）を用いる第２比較例について述べる。分子篩膜では、膜の両側に差圧（駆動力）を与えることにより、ＣＯ_２を選択的に、かつ、連続的に透過させることが可能であるが、燃焼排ガスにおいては、排ガスの圧力はあまり高くないため、ＣＯ_２を効率よく分離することができない。したがって、排ガスの圧力を高くする圧縮機や、分子篩膜の透過側を減圧する真空ポンプが必要となる。また、水分の存在下ではＣＯ_２が透過しにくくなるため、排ガスを除湿する機構も必要となる。

【0036】

一方、図１のごみ焼却設備１では、ＣＯ_２キャリアを含む分離膜３２２を有する分離膜モジュール３２が設けられる。分離膜３２２により隔てられる第１空間３２６および第２空間３２７のうち、第１空間３２６には、ＣＯ_２を含有する排ガスが供給され、第２空間３２７には、タービン４２から排出される水蒸気が供給される。これにより、分離膜モジュール３２では、排ガスに含まれるＣＯ_２を第１空間３２６から第２空間３２７に移動させ、排ガスからＣＯ_２を分離することが可能となる。このように、ごみ焼却設備１では、第１比較例におけるガス冷却部９１を用いることなく、また、第１比較例において利用されない、タービン４２から排出される水蒸気（すなわち、排出水蒸気）を活用して、排ガスに含有されるＣＯ_２を容易かつ効率的に分離することができる。また、第２比較例における圧縮機または真空ポンプも不要であり、排ガスを除湿する機構も不要となるため、省エネルギーを実現するとともに、ごみ焼却設備１の製造コストを削減することも可能である。なお、ごみ焼却設備１の設計によっては、排出水蒸気が、タービン４２から排出される抽気蒸気を含んでもよい。

【0037】

好ましくは、ごみ焼却設備１が、燃焼室１１と分離膜モジュール３２との間の排ガスの経路に設けられる湿式洗煙塔３１を備える。湿式洗煙塔３１はガス冷却部として、水を含む液体を排ガスに供給することにより、排ガスの温度を低下させる。これにより、高温の排ガスにより分離膜３２２にダメージが生じることを防止または抑制するとともに、排ガス中の水分量を増大して、分離膜３２２においてＣＯ_２を効率よく分離することが可能となる。より好ましくは、上記液体が薬剤を含むことにより、ガス冷却部（湿式洗煙塔３１）において、排ガスの温度を低下させつつ排ガスから所定成分を適切に除去することができる。その結果、当該成分により分離膜３２２におけるＣＯ_２の分離が阻害されることを防止または抑制することができる。

【0038】

好ましくは、タービン４２駆動用の水の循環経路に復水器４３が設けられ、当該復水器４３が、分離膜モジュール３２の第２空間３２７から排出されるＣＯ_２含有水蒸気を復水することにより、水とＣＯ_２とが分離される。これにより、ＣＯ_２含有水蒸気に含まれるＣＯ_２を容易に回収することができる。

【0039】

図１の排ガス処理ユニット３は、排ガスに水および薬剤を含む液体を供給して排ガスから所定成分を除去するとともに、排ガスの温度を低下させる上記湿式洗煙塔３１と、ＣＯ_２キャリアを含む分離膜３２２を有し、排ガスに含まれるＣＯ_２を分離する上記分離膜モジュール３２とを備える。これにより、高温の排ガスによる分離膜３２２へのダメージ、および、排ガス中の当該成分によるＣＯ_２分離の阻害を防止または抑制するとともに、排ガス中の水分量を容易に増大することができる。その結果、排ガスに含有されるＣＯ_２の分離を適切に行うことができる。

【0040】

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係るごみ焼却設備１の構成を示すブロック図である。図４のごみ焼却設備１では、図１のごみ焼却設備１と比較して、ＣＯ_２回収用復水器５２が追加される。他の構成は図１と同様であり、同じ構成に同じ符号を付す。

【0041】

図４のごみ焼却設備１では、タービン４２から排出される一部の排出水蒸気が分離膜モジュール３２の第２空間３２７（図２参照）に供給され、残りの排出水蒸気が復水器４３に流入する。第２空間３２７では、排出水蒸気にＣＯ_２が混合され、ＣＯ_２含有水蒸気が第２空間３２７から排出される。ＣＯ_２含有水蒸気は、ＣＯ_２回収用復水器５２に流入する。ＣＯ_２回収用復水器５２では、ＣＯ_２含有水蒸気に含まれる水が冷却により凝縮し、濃縮されたＣＯ_２ガスが得られる。凝縮した水（復水）は、外部に排水される。当該水が、復水タンク４４に送られてもよい。濃縮されたＣＯ_２ガスは、ＣＯ_２貯留タンク５１に貯留される。タービン４２から復水器４３に流入する排出水蒸気は復水され、排出水蒸気に混合する空気等は大気に放出される。

【0042】

以上のように、図４のごみ焼却設備１では、復水器４３と、ＣＯ_２回収用復水器５２とが設けられる。ＣＯ_２回収用復水器５２では、分離膜モジュール３２の第２空間３２７から排出されるＣＯ_２含有水蒸気が復水される。復水器４３では、タービン４２から排出され、分離膜モジュール３２の第２空間３２７を経由しない水蒸気が復水される。このように、ＣＯ_２回収専用の復水器（ＣＯ_２回収用復水器５２）を設けることにより、ＣＯ_２含有水蒸気に含まれるＣＯ_２を容易に回収することができる。また、ボイラ・タービンに使用する水に排ガス成分が影響することを防ぐことができる。

【0043】

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係るごみ焼却設備１の構成を示すブロック図である。図５のごみ焼却設備１では、図１のごみ焼却設備１と比較して、水分離膜モジュール５３が追加される。他の構成は図１と同様であり、同じ構成に同じ符号を付す。

【0044】

図５のごみ焼却設備１では、図４のごみ焼却設備１と同様に、タービン４２から排出される一部の排出水蒸気が分離膜モジュール３２の第２空間３２７に供給され、残りの排出水蒸気が復水器４３に流入する。第２空間３２７では、排出水蒸気にＣＯ_２が混合され、ＣＯ_２含有水蒸気が第２空間３２７から排出される。ＣＯ_２含有水蒸気は、水分離膜モジュール５３に流入する。水分離膜モジュール５３は、例えば親水性の水分離膜を有する。当該水分離膜では、ＣＯ_２含有水蒸気に含まれる水蒸気が分離され、濃縮されたＣＯ_２ガスが得られる。分離された水蒸気は、復水器４３に流入し、復水される。濃縮されたＣＯ_２ガスは、ＣＯ_２貯留タンク５１に貯留される。

【0045】

以上のように、図５のごみ焼却設備１では、分離膜モジュール３２の第２空間３２７から排出されるＣＯ_２含有水蒸気から水を分離するもう１つの分離膜モジュール（水分離膜モジュール５３）が設けられる。これにより、ＣＯ_２含有水蒸気から高濃度のＣＯ_２を容易に回収することができる。また、ボイラ・タービン系の蒸気を失うことなく運転することができる。

【0046】

（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態に係るごみ焼却設備１の構成を示すブロック図である。図６のごみ焼却設備１では、図４のごみ焼却設備１におけるＣＯ_２回収用復水器５２に代えて、水素ガス混合器５４が設けられる。他の構成は図４と同様であり、同じ構成に同じ符号を付す。

【0047】

水素ガス混合器５４には、分離膜モジュール３２からＣＯ_２含有水蒸気が流入する。水素ガス混合器５４では、水素ガスがＣＯ_２含有水蒸気に混合され、ＣＯ_２含有水蒸気が常圧化される。また、水素ガス混合器５４では、ＣＯ_２含有水蒸気に含まれる水が凝縮する。水素およびＣＯ_２を含むガスは、メタンガス生成部５５に送られ、メタネーションによりメタンガスが生成される。このように、水素ガス混合器５４およびメタンガス生成部５５は、ＣＯ_２含有水蒸気を利用してメタンガスを生成する二酸化炭素利用装置５６である。水素ガス混合器５４において凝縮した水（復水）は、外部に排水される。当該水が、復水タンク４４に送られてもよい。二酸化炭素利用装置５６では、メタネーション以外の処理が行われてよく、メタンガス以外の生成物が生成されてよい。

【0048】

以上のように、図６のごみ焼却設備１では、分離膜モジュール３２の第２空間３２７から排出されるＣＯ_２含有水蒸気を利用して所定の生成物を生成する二酸化炭素利用装置５６が設けられる。これにより、排ガスに含まれるＣＯ_２を効率よく利用することが可能となる。

【0049】

上記ごみ焼却設備１および排ガス処理ユニット３では様々な変形が可能である。

【0050】

上記ごみ焼却設備１では、ボイラ４１、タービン４２および分離膜モジュール３２を主たる構成として燃焼システムが実現されるが、当該燃焼システムは、火力発電等、廃棄物の焼却以外の用途に用いられてもよい。燃焼室１１にて燃焼される燃料は、廃棄物以外に、化石燃料、カーボンニュートラル燃料（ＣＮ燃料）等であってもよい。ＣＯ_２が分離される被処理ガスは、燃焼室１１から排出される排ガス以外のガスであってよく、外部から供給されるガスを含む、２種類以上のガスであってもよい。例えば、ＣＯ_２を含有する被処理ガスが、高炉の炉頂から排出される炉頂ガス、大気中の空気（DAC：Direct Air Capture）、または、水素もしくは炭化水素を主成分とする混合ガス（シフト反応ガス、バイオガス等）を含んでもよい。いずれの場合も、上記燃焼システムでは、被処理ガスに含有されるＣＯ_２を容易かつ効率的に分離することが可能である。一方、燃焼システムの好ましい態様は、ごみ焼却設備１であり、この場合、燃焼室１１にて燃焼される燃料が廃棄物であり、被処理ガスが、燃焼室１１から排出される排ガスを含む。

【0051】

ごみ焼却設備１では、湿式洗煙塔３１が省略され、排ガスに水を含む液体（アルカリ薬剤を含まなくてよい。）を噴霧する冷却塔がガス冷却部として設けられてもよい。被処理ガスが排ガス以外である場合に、当該被処理ガスに水を含む液体を供給することにより、当該被処理ガスの温度を低下させるガス冷却部が設けられてもよい。被処理ガスの温度によっては、ガス冷却部が省略されてもよい。

【0052】

分離膜モジュール３２の第２空間３２７から排出されるＣＯ_２含有水蒸気は、必ずしも復水される必要はなく、例えば、二酸化炭素利用装置５６においてＣＯ_２含有水蒸気のまま利用されてもよい。

【0053】

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

【符号の説明】

【0054】

１ ごみ焼却設備
３ 排ガス処理ユニット
１１ 燃焼室
３１ 湿式洗煙塔
３２ 分離膜モジュール
４１ ボイラ
４２ タービン
４３ 復水器
５２ ＣＯ_２回収用復水器
５３ 水分離膜モジュール
５６ 二酸化炭素利用装置
３２２ 分離膜
３２６ 第１空間
３２７ 第２空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】