特開 2024-22709 排ガス処理システム

(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】P2024022709

(43)【公開日】2024-02-21

(54)【発明の名称】排ガス処理システム

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20240214BHJP

   C01B 32/50 20170101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

C01B32/50

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022125978

(22)【出願日】2022-08-08

(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】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）】

4D006

4G146

【Ｆターム（参考）】

4D006GA41

4D006HA01

4D006JA53Z

4D006JA63Z

4D006KA01

4D006KA53

4D006KA55

4D006KA56

4D006KA72

4D006KB12

4D006KB14

4D006KB30

4D006KE02P

4D006KE04P

4D006KE06Q

4D006KE12P

4D006KE14P

4D006KE22Q

4D006KE23Q

4D006MA01

4D006MC03

4D006PA02

4D006PB19

4D006PB64

4G146JA02

4G146JB09

4G146JC12

4G146JC17

4G146JC20

4G146JC34

(57)【要約】

【課題】二酸化炭素の排出削減を図りつつ、エネルギー効率を高めること。
【解決手段】排ガス処理システム（１）は、エンジン（１０）から排出される排ガスが透過する分離膜（４２ａ、４４ａ、４６ａ）を用いることで、排ガスからＣＯ_２を分離する。排ガス処理システムは、分離膜を備えた複数の分離系統（４０）と、複数の分離系統に導入される排ガスを圧縮する圧縮機（３０）と、圧縮機と複数の分離系統とを接続する分岐ライン（３１）とを備えている。複数の分離系統は、分岐ラインからの排ガスの導入及び停止を切り替える調整弁（４１）をそれぞれ備えている。
【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が透過する分離膜を用いることで、前記排ガスから二酸化炭素を分離する排ガス処理システムであって、
前記分離膜を少なくとも１つ備えた複数の分離系統と、
前記複数の分離系統に導入される前記排ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と前記複数の分離系統とを接続する分岐ラインとを備え、
前記複数の分離系統は、前記分岐ラインからの前記排ガスの導入及び停止を切り替える調整弁をそれぞれ備えていることを特徴とする排ガス処理システム。

【請求項2】

前記分離系統に導入前の前記排ガスの流量を測定する第１流量測定部と、
前記第１流量測定部の測定値が出力される制御部とを更に含み、
前記制御部は、前記測定値に基づき、前記調整弁の駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理システム。

【請求項3】

前記分離系統に導入前の前記排ガスの二酸化炭素濃度を測定し、前記制御部に測定値を出力する第１濃度測定部を更に含み、
前記制御部は、前記第１流量測定部の測定値及び前記第１濃度測定部の測定値に基づき、前記調整弁の駆動を制御することを特徴とする請求項２に記載の排ガス処理システム。

【請求項4】

前記制御部は、前記調整弁の駆動と共に前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項３に記載の排ガス処理システム。

【請求項5】

前記複数の分離系統それぞれに接続されて１本のラインに集合する集合ラインと、
前記集合ラインの集合位置より下流側を流れる前記排ガスの流量を測定する第２流量測定部及び該排ガスの二酸化炭素濃度を測定する第２濃度測定部とを更に含み、
前記制御部には、前記第２流量測定部の測定値及び前記第２濃度測定部の測定値が出力され、各前記測定値に基づいて前記調整弁の駆動と共に前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項４に記載の排ガス処理システム。

【請求項6】

前記制御部は、各前記測定値に基づいて前記排ガスにおける二酸化炭素の計測回収率と、該計測回収率を目標回収率に対し差し引いた偏差とを演算し、演算した前記偏差と許容範囲との比較に基づき、前記調整弁の駆動と共に前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項５に記載の排ガス処理システム。

【請求項7】

前記制御部は、前記偏差が前記許容範囲より小さい場合、前記圧縮機を制御してから前記調整弁の駆動を制御し、前記偏差が前記許容範囲より大きい場合、前記調整弁の駆動を制御してから前記圧縮機を制御することを特徴とする請求項６に記載の排ガス処理システム。

【請求項8】

前記分離系統は、複数の前記分離膜と、該複数の分離膜を接続するラインに設けられる副圧縮機とを備えていることを特徴とする請求項７に記載の排ガス処理システム。

【請求項9】

前記複数の分離系統、前記圧縮機及び前記分岐ラインを搭載する複数の分離ユニットと、
前記複数の分離ユニットの前記圧縮機それぞれに前記排ガスを導入するユニット用分岐ラインと、
前記ユニット用分岐ラインの分岐位置に設けられる切替弁とを備えていることを特徴とする請求項１ないし８の何れか一項に記載の排ガス処理システム。

【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排ガス処理システムに関する。

【背景技術】

【0002】

各国でカーボンプライシングや炭素税が検討され、二酸化炭素（ＣＯ_２）排出削減技術の必要性が増しており、二酸化炭素排出源からの二酸化炭素分離回収についての技術開発が行われている。具体例を挙げると、火力発電やバイオマス発電のボイラ燃焼排ガス、船舶エンジンの燃焼排ガス、ごみ焼却設備の燃焼排ガス等を対象にした二酸化炭素分離システムが検討されている。

【0003】

特に海運業界では、二酸化炭素排出削減の規制が年々強化されている。具体的には、新船に関するエネルギー効率設計指標（ＥＥＤＩ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｄｅｘ）に加え、既存船のエネルギー効率指標（ＥＥＸＩ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ｓｈｉｐ Ｉｎｄｅｘ）も決定され、重油を燃料とする既存船のＣＯ_２排出削減ニーズが顕在化している。

【0004】

ここで、特許文献１は、混合ガスからガス分離膜を用いて未透過ガスを回収するガス分離システムを開示している。特許文献１のガス分離システムは、ガス圧縮機と、直列に接続された第１ガス分離膜ユニットと第２ガス分離膜ユニットとを備えている。特許文献１では、未透過ガスを回収しているが、混合ガスを燃焼排ガスとし、透過ガスとして二酸化炭素を回収する従来技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－１２８８６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

二酸化炭素を回収する技術においては、段階的に強化される上述した規制の変化に対応したり、燃焼排ガスの排出源における運転負荷の変化に対応したり、使用燃料の変化に対応したりする必要がある。一方、二酸化炭素の回収に要するエネルギー消費量の低減を図ることも求められる。よって、二酸化炭素の回収技術にあっては、二酸化炭素の排出削減と、高エネルギー効率とを両立することが求められる。

【0007】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素の排出削減を図りつつ、エネルギー効率を高めることができる排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】

本発明における一態様の排ガス処理システムは、燃焼器から排出される排ガスが透過する分離膜を用いることで、前記排ガスから二酸化炭素を分離する排ガス処理システムであって、前記分離膜を少なくとも１つ備えた複数の分離系統と、前記複数の分離系統に導入される前記排ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機と前記複数の分離系統とを接続する分岐ラインとを備え、前記複数の分離系統は、前記分岐ラインからの前記排ガスの導入及び停止を切り替える調整弁をそれぞれ備えていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、複数の分離系統それぞれの調整弁を開閉することで、複数の分離系統のうち、分離膜を用いた二酸化炭素の分離を行う分離系統の運転数を調整することができる。これにより、段階的に強化される規制や、燃焼器の運転負荷、使用燃料の変化に応じて分離系統の運転数を増減して二酸化炭素の排出量を削減した状態を維持できる。しかも、分離系統の運転数が過剰になることを回避でき、エネルギー消費量の低減を図ることができる。このように、本発明においては、二酸化炭素の排出削減と、効率的なエネルギー消費との両立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排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】時間と第１流量測定部の測定値との関係の一例を示すグラフである。

【図4】排ガスの流量変動に応じた制御を説明するためのフロー図である。

【図5】目標回収率と計測回収率との偏差と、第１圧縮機の回転数との関係の一例を示す図である。

【図6】第１流量測定部の測定値と、開弁状態の調整弁の数との関係の一例を示す図である。

【図7】計測回収率の制御方法の一例を示すブロック図である。

【図8】第２の実施の形態に係る排ガス処理システムの一例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排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排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排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排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、排ガス処理システム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（圧縮機）３０と、複数の分離系統４０と、液化部６０と、制御部７０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、補機発電機であってもよい。また、エンジン１０は、主機エンジン及び補機発電機の両方であってよい。主機エンジンは、主として船舶が航行中に稼働される。補機発電機は、主として船舶の電気をまかなうため稼働される。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、本実施の形態の排ガス処理システム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】

エンジン１０と前処理部２０とは、エンジン１０から排出された排ガスが流れるライン１１で接続される。ライン１１にて、エンジン１０の下流側であって前処理部２０の上流側には、第１濃度測定部１２及び第１流量測定部１３が設けられる。

【0015】

第１濃度測定部１２は、ＣＯ_２濃度計とされ、例えば、レーザ式ガス分析計により構成される。第１濃度測定部１２は、エンジン１０から排出された直後の排ガスのＣＯ_２濃度の変動を連続して測定し、制御部７０に出力する。よって、第１濃度測定部１２は、複数の分離系統４０に導入される前のＣＯ_２濃度を測定している。

【0016】

第１流量測定部１３は、例えば、流量計（マスフローメータ等）により構成される。第１流量測定部１３は、エンジン１０から排出された直後の排ガスの流量の変動を連続して測定し、制御部７０に出力する。よって、第１流量測定部１３は、複数の分離系統４０に導入される前の排ガスの流量を測定している。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。排ガス処理システム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。

【0022】

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。

【0023】

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２７で接続される。ライン２７にて前処理部２０と第１圧縮機３０との間には、排ガス供給量調整弁２８が設けられる。排ガス供給量調整弁２８は、前処理部２０にて処理された排ガスの第１圧縮機３０への供給量を調整する。よって、排ガス供給量調整弁２８は、前処理部２０を経た排ガスの一部を第１圧縮機３０へ供給する場合、残りの排ガスを大気中に排出する機能を有している。

【0024】

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、分離系統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。よって、第１圧縮機３０は、複数の分離系統４０に導入される前の排ガスを圧縮している。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。

【0025】

第１圧縮機３０と複数の分離系統４０とは、第１圧縮機３０にて昇圧された排ガスが流れる分岐ライン（分岐配管）３１で接続される。分岐ライン３１は、第１圧縮機３０で昇圧された排ガスを複数の分離系統４０に配分して送出されるように設けられる。

【0026】

複数の分離系統４０は、本実施の形態では、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄの４つの分離系統を備えている。第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄは、それぞれ図１中一点鎖線で囲まれる構成とされ、上流側で分岐ライン３１に接続され、下流側で集合ライン３２に接続される。集合ライン３２は１本のライン３３に合流し、かかるライン３３を介して液化部６０に接続される。

【0027】

ここで、本実施の形態では、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄは同一の構成が採用される。よって、以下にて、第１分離系統４０Ａについて説明し、第２ないし第４分離系統４０Ｂ～４０Ｄについては、第１分離系統４０Ａと同様の構成について同一符号を付し、説明を省略する場合がある。

【0028】

第１分離系統４０Ａは、上流側から下流側に向かって直列に順に接続される調整弁４１、第１分離部４２、第２圧縮機（副圧縮機）４３、第２分離部４４、第３圧縮機（副圧縮機）４５及び第３分離部４６を備えている。第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５は、第１圧縮機３０と同様に構成してもよいし、要求される出力に応じて異なる構成や小型化した構成としてもよい。第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５は、各分離部４２、４４、４６を接続するラインに設けられる。

【0029】

調整弁４１は、本実施の形態では、中間開度で使用せずに全開か全閉で使用する弁構造を採用するが、開度を調整可能な電磁弁により構成することを妨げるものでない。調整弁４１は、開閉駆動によって分岐ライン３１からの排ガスの導入及び導入の停止を切り替える機能を有する。

【0030】

第１分離部４２は分離膜４２ａを備え、第１圧縮機３０で昇圧されてから調整弁４１を経て導入された排ガスを、分離膜４２ａによって透過ガスと非透過ガスとに分離する。第１分離部４２にて、分離膜４２ａを透過しなかった非透過ガスは、透過した透過ガスに比べてＣＯ_２濃度が低い酸素及び窒素を主とするガスとなり、排出ライン等を介して大気中に排出される。分離膜４２ａを透過した透過ガスはＣＯ_２を含み、第１分離部４２に導入前の排ガスに比べてＣＯ_２濃度が高くなる。従って、第１分離部４２は、分離膜４２ａを介して非透過ガスを大気中に排出した分だけ流量を減らしつつＣＯ_２濃度を高めた排ガスを下流側の第２圧縮機４３に送出する。

【0031】

第２圧縮機４３は、第１分離部４２から送出された排ガスを圧縮し、第２分離部４４の導入前に、第２分離部４４での分離に要する圧力にまで排ガスを昇圧できる性能を有する。

【0032】

第２分離部４４は第１分離部４２と同様に構成される。第２分離部４４は分離膜４４ａを備え、第２圧縮機４３で昇圧された排ガスを、分離膜４４ａによって透過ガスと非透過ガスとに分離する。第２分離部４４にて、分離膜４４ａを透過しなかった非透過ガスは、透過した透過ガスに比べてＣＯ_２濃度が低い酸素及び窒素を主とするガスとなり、排出ライン等を介して大気中に排出される。分離膜４４ａを透過した透過ガスはＣＯ_２を含み、第２分離部４４に導入前の排ガスに比べてＣＯ_２濃度が高くなる。従って、第２分離部４４は、分離膜４４ａを介して非透過ガスを大気中に排出した分だけ流量を減らしつつＣＯ_２濃度を高めた排ガスを下流側の第３圧縮機４５に送出する。

【0033】

第３圧縮機４５は、第２分離部４４から送出された排ガスを圧縮し、第３分離部４６の導入前に、第３分離部４６での分離に要する圧力にまで排ガスを昇圧できる性能を有する。

【0034】

第３分離部４６は第１分離部４２及び第２分離部４４と同様に構成される。第３分離部４６は分離膜４６ａを備え、第３圧縮機４５で昇圧された排ガスを、分離膜４６ａによって透過ガスと非透過ガスとに分離する。第３分離部４６にて、分離膜４６ａを透過しなかった非透過ガスは、透過した透過ガスに比べてＣＯ_２濃度が低い酸素及び窒素を主とするガスとなり、排出ライン等を介して大気中に排出される。分離膜４６ａを透過した透過ガスはＣＯ_２を含み、第３分離部４６に導入前の排ガスに比べてＣＯ_２濃度が高くなる。従って、第３分離部４６は、分離膜４６ａを介して非透過ガスを大気中に排出した分だけ流量を減らしつつＣＯ_２濃度を高めた排ガスを集合ライン３２に送出する。

【0035】

各分離膜４２ａ、４４ａ、４６ａは有機材料及び無機材料の何れかから選択して構成することが例示できる。有機材料の分離膜としては、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。

【0036】

具体的には、第１分離部４２の分離膜４２ａが無機材料により構成され、第２分離部４４の分離膜４４ａ及び第３分離部４６及び分離膜４６ａが有機材料により構成されるとよい。最も上流側となる第１分離部４２の分離膜４２ａは、耐久性の観点から無機材料により構成して交換頻度を少なくし、第２分離部４４の分離膜４４ａ及び第３分離部４６及び分離膜４６ａを安価な有機材料により構成することでコスト的に有利となることを期待できる。

【0037】

集合ライン３２と液化部６０とを接続するライン３３には、第２濃度測定部５２及び第２流量測定部５３が設けられる。よって、第２濃度測定部５２及び第２流量測定部５３は、集合ライン３２の集合位置より下流側を流れる排ガスを測定する。

【0038】

第２濃度測定部５２は、ＣＯ_２濃度計とされ、例えば、レーザ式ガス分析計により構成される。第２濃度測定部５２は、複数の分離系統４０から集合ライン３２経て送出された排ガスのＣＯ_２濃度の変動を連続して測定し、制御部７０に出力する。

【0039】

第２流量測定部５３は、例えば、流量計（マスフローメータ等）により構成される。第２流量測定部５３は、複数の分離系統４０から集合ライン３２経て送出された排ガスの流量の変動を連続して測定し、制御部７０に出力する。

【0040】

液化部６０は、導入される排ガスと冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を備えて構成することが例示できる。液化部６０は、少なくとも排ガスに含まれるＣＯ_２が凝縮して液化され、好ましくは、ＣＯ_２が液化し、酸素及び窒素が気体に維持された状態とする。液化部６０は、気液分離器及びタンクを更に備え、上述した状態の排ガスをオフガスと液化ＣＯ_２とに分離し、オフガスは大気中に排出し、液化ＣＯ_２をタンクに貯留する。

【0041】

制御部７０は、第１圧縮機３０、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄそれぞれの第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５のモータ等に接続され、各圧縮機３０、４３、４５の駆動を制御する機能等を有する。制御部７０は、例えば、各圧縮機３０、４３、４５のモータの回転数を制御するインバータを有している。制御部７０は、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄそれぞれの調整弁４１に接続され、調整弁４１の開閉駆動を制御する。制御部７０には、第１濃度測定部１２、第１流量測定部１３、第２濃度測定部５２及び第２流量測定部５３の測定値が出力される。制御部７０は、各測定部１２、１３、５２、５３の測定値に基づき、各圧縮機３０、４３、４５及び調整弁４１の何れか一方の駆動状態を制御したり、調整弁４１の駆動と共に各圧縮機３０、４３、４５の駆動を制御する。制御部７０の具体的制御については後述する。

【0042】

ここで、図１中二点鎖線で囲まれる第１圧縮機３０、分岐ライン３１、集合ライン３２、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄ及び制御部７０を備えて分離ユニットＵが構成される。分離ユニットＵは、貨物運搬用のコンテナ等によって構成される単一の筐体に、上述した各構成を搭載することによって構成される。よって、排ガス処理システム１にて、分離ユニットＵ毎に設置、運搬、メンテナンスを行うことができる。

【0043】

排ガス処理システム１は、分離膜４２ａ、４４ａ、４６ａでのＣＯ_２の分離にあたり、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄ全て、または、任意の少なくとも１つに排ガスが送出することを選択することができる。以下、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄの運転数が変化する場合の制御の一例について、図３を用いて説明する。図３は、時間と第１流量測定部の測定値との関係の一例を示すグラフである。図３のグラフにて、横軸は時間、縦軸は第１流量測定部１３による所定時間間隔毎の測定値を相対値としてプロットして表している。

【0044】

図３に示すように、先ず、第１流量測定部１３に測定される排ガス流量の測定値が相対値として１００とされ、この排ガス流量の条件下で、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄ全てが運転されているものとする。このとき、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄ全ての調整弁４１が開弁した状態を維持するよう制御部７０によって制御される。

【0045】

図３のグラフにて所定時間の経過後、第１流量測定部１３の測定値が１００から２５に変化される。第１流量測定部１３の測定値は制御部７０に出力され、かかる測定値に基づき制御部７０にて第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄの調整弁４１の駆動が制御される。具体例としては、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄのうちの１つとして、第１分離系統４０Ａの調整弁４１における開弁が維持されるよう駆動制御され、その他の第２ないし第４分離系統４０Ｂ～４０Ｄの調整弁４１が閉じるよう駆動制御される。なお、調整弁４１が閉弁した第２ないし第４分離系統４０Ｂ～４０Ｄでは、該閉弁に対応して第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５の駆動が停止されるよう制御される。

【0046】

これにより、エンジン１０の負荷変動によって排出される排ガスの流量が変化しても、複数の分離系統４０からＣＯ_２を分離するよう運転する分離系統４０を任意に選択することができる。よって、排ガスの流量が大きくなる程、分離系統４０の運転数を多くし、排ガスの流量が小さくなる程、分離系統４０の運転数を少なくすることができ、排ガスの流量変動に追従してＣＯ_２を分離することができる。これにより、ＣＯ_２の排出削減を図りつつ、分離系統４０の運転数が過剰になることを回避して省エネルギー化を図ることがでる。

【0047】

ここで、調整弁４１の駆動制御と共に、分離系統４０の運転数に応じて第１圧縮機３０による排ガスの圧力を調整してもよい。かかる調整は、第１流量測定部１３の測定値に基づき、制御部７０にて第１圧縮機３０のモータの回転数を制御するとよい。第１圧縮機３０による排ガスの圧力も適宜調整することで、運転される第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄでの分離膜４２ａ、４４ａ、４６ａによるＣＯ_２の分離性能を良好に保つことができる。特に、最も上流側に位置する第１分離膜４２ａの受入圧力に応じて圧力調整可能となって、第１分離膜４２ａのＣＯ_２分離を良好に行うことができる。

【0048】

また、エンジン１０からの排ガスの流量が変動する場合、上記一例とは他の制御として、図４ないし図７を用いて以下に説明する制御を行ってもよい。図４は、排ガスの流量変動に応じた制御を説明するためのフロー図である。図４のフローでは、エンジン１０からの排ガスの流量の変動に対し、排ガスの分離系統４０への導入前と分離系統４０での分離後にて、排ガスの流量及びＣＯ_２濃度を測定して制御を行っている。

【0049】

ここでは、予め、目標とするＣＯ_２の回収率（以下、「目標回収率ＳＶ」とする）を求めて制御部７０に記憶しておく。また、目標回収率ＳＶに対し、後述する測定及び演算に基づくＣＯ_２の回収率（以下、「計測回収率ＰＶ」とする）との偏差（差分）ｅの許容範囲を設定し、該許容範囲の許容上限値ＣＵ及び許容下限値ＣＬを記憶しておく。

【0050】

排ガス処理システム１の運転にて、図４にフローのおける演算ステップＳ０１として、各測定部１２、１３、５２、５３の測定値に基づき、計測回収率ＰＶが制御部７０にて演算される。かかる計測回収率ＰＶは、以下の数１によって演算される。

【0051】

【数1】

【0052】

また、演算ステップＳ０１では、演算された計測回収率ＰＶを目標回収率ＳＶに対し差し引いた偏差ｅが制御部７０にて演算される。

【0053】

演算ステップＳ０１の後、判定ステップＳ０２、Ｓ０３として、演算ステップＳ０１にて演算された偏差ｅが、許容範囲に収まるか否かが制御部７０にて比較される。具体的には、エンジン１０の負荷が低下し、目標回収率ＳＶが計測回収率ＰＶより相当大きくなると、判定ステップＳ０２において偏差ｅが許容範囲の許容下限値ＣＬ以下になり（偏差ｅ≦許容下限値ＣＬ、Ｓ０２：Ｙｅｓ）、制御ステップＳ０４に進む。偏差ｅが許容範囲の許容下限値ＣＬより大きい場合（偏差ｅ＞許容下限値ＣＬ、Ｓ０２：Ｎｏ）、判定ステップＳ０３に進む。

【0054】

判定ステップＳ０３にあっては、エンジン１０の負荷が増大し、計測回収率ＰＶが目標回収率ＳＶより相当小さくなると、偏差ｅが許容範囲の許容上限値ＣＵ以上になり（偏差ｅ≧許容上限値ＣＵ、Ｓ０３：Ｙｅｓ）、制御ステップＳ０５に進む。偏差ｅが許容範囲の許容上限値ＣＵより小さい場合（偏差ｅ＜許容上限値ＣＵ、Ｓ０３：Ｎｏ）、偏差ｅが許容範囲に収まっており、制御ステップＳ０４、Ｓ０５を行わずに測定ステップＳ０６に進む。

【0055】

制御ステップＳ０４、Ｓ０５は、制御部７０にて、偏差ｅに基づき、第１圧縮機３０の回転数（制御量ＭＶ）の制御と、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄそれぞれの調整弁４１の開閉駆動（制御量ＭＶ）の制御とが行われる。

【0056】

図５は、目標回収率と計測回収率との偏差と、第１圧縮機の回転数との関係の一例を示す図である。図５に示すように、偏差ｅが小さくなる程、第１圧縮機３０の回転数が小さくなり、偏差ｅが大きくなる程、第１圧縮機３０の回転数が大きくなる。制御ステップＳ０４、Ｓ０５は、制御部７０によって第１圧縮機３０の回転数（制御量ＭＶ）が制御され、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄに導入される排ガスの圧力が調整される。

【0057】

図６は、第１流量測定部の測定値と、開弁状態の調整弁の数との関係の一例を示す図である。図６に示すように、第１流量測定部１３の測定値が大きくなる程、開弁状態の調整弁４１の数が段階的に多くなり、第１流量測定部１３の測定値が小さくなる程、開弁状態の調整弁４１の数が段階的に少なくなるよう制御する。制御ステップＳ０４、Ｓ０５は、制御部７０によって調整弁４１の開閉駆動（制御量ＭＶ）が制御され、排ガスの流量変動に追従して分離系統４０の運転数が増減される。

【0058】

また、制御ステップＳ０４、Ｓ０５では、調整弁４１の開閉が切り替えられた第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄにおいて、調整弁４１の開閉に対応して第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５の駆動及び停止が制御される。具体的には、調整弁４１が開弁から閉弁に切り替えられた分離系統４０にて、駆動していた第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５を停止する制御が制御部７０により行われる。また、調整弁４１が閉弁から開弁に切り替えられた分離系統４０にて、停止していた第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５の駆動を開始する制御が制御部７０により行われる。

【0059】

ここで、制御ステップＳ０４では、偏差ｅに応じて第１圧縮機３０の回転数を小さく調整する制御を行った後、偏差ｅに応じて各調整弁４１を閉弁または開閉を維持する制御を行う。また、制御ステップＳ０５では、偏差ｅに応じて調整弁４１を開弁または開閉を維持する制御を行った後、偏差ｅに応じて第１圧縮機３０の回転数を大きくする制御が行われる。制御ステップＳ０４、Ｓ０５にて、調整弁４１及び第１圧縮機３０の制御の順番を逆とすることで、エンジン１０の排圧が高くなることを抑制することができる。制御ステップＳ０４、Ｓ０５を実施した後、測定ステップＳ０６に進む。

【0060】

測定ステップＳ０６では、第１濃度測定部１２、第１流量測定部１３、第２濃度測定部５２及び第２流量測定部５３にて測定が行われ、測定値が制御部７０に出力される。更に詳述すると、ライン１１にて分離系統４０に導入される前の排ガスに対し、第１濃度測定部１２によりＣＯ_２濃度が測定され、第１流量測定部１３により流量が測定される。また、ライン３３にて分離系統４０の分離膜４２ａ、４４ａ、４６ａを透過した排ガスに対し、第２濃度測定部５２によりＣＯ_２濃度が測定され、第２流量測定部５３により流量が測定される。

【0061】

測定ステップＳ０６は、制御ステップＳ０４、Ｓ０５により偏差ｅが許容範囲外から許容範囲に収まるように分離系統４０の運転数の制御を行った後、上記の各測定を行っている。また、測定ステップＳ０６は、制御ステップＳ０４、Ｓ０５により偏差ｅが許容範囲内であれば、分離系統４０の稼働数が維持されたまま、上記の各測定を行っている。

【0062】

図４に示すステップＳ０１～Ｓ０６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１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄのうち、稼働する装置数を調整するよう制御される。言い換えると、偏差ｅが許容範囲に収まって、排ガスの目標回収率ＳＶに計測回収率ＰＶが近似した状態が維持されるようフィードバック制御が行われる。

【0063】

図７は、計測回収率の制御方法の一例を示すブロック図である。図７において、制御部７０は加算部７１およびＰＩＤ制御部７３を有する。図７において、制御部７０による制御対象を制御対象８０とする。制御対象８０は、第１圧縮機３０、調整弁４１、第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５の少なくとも一つを含む。図７において、計測回収率ＰＶを演算するための物理量を計測するセンサ等を測定部９０とする。測定部９０は、第１濃度測定部１２、第１流量測定部１３、第２濃度測定部５２及び第２流量測定部５３の少なくとも一つを含む。

【0064】

加算部７１は、計測回収率ＰＶと目標回収率ＳＶとの偏差ｅを算出する。ＰＩＤ制御部７３は、偏差ｅに基づいて制御対象８０のＰＩＤ制御する制御量ＭＶを算出する。制御部７０は、制御量ＭＶにより制御対象８０を制御してよい。

【0065】

測定部９０は、制御量ＭＶにより制御された制御対象８０における物理量を計測し、かかる計測による物理量に基づいて、制御部７０により計測回収率ＰＶが演算される。

【0066】

このように、第１の実施の形態によれば、各測定部１２、１３、５２、５３の測定値に基づき、調整弁４１の開閉制御や第１圧縮機３０の回転数制御等を行うことで、計測回収率ＰＶを目標回収率ＳＶに近付けて運転することができる。かかる運転での調整弁４１の開閉制御によって、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄの運転数を選択することができる。これにより、エンジン１０の運転負荷だけでなく、段階的に強化される規制や、使用燃料の変化に応じて分離系統４０の運転数を増減でき、排ガスの流量変動に追従してＣＯ_２を分離してＣＯ_２の排出量を削減した状態を維持できる。

【0067】

しかも、分離系統４０の運転数が過剰になることを回避でき、第２圧縮機４３及び第３圧縮機４５の動力削減を通じてエネルギー消費量の低減を図ることができる。このように、第１の実施の形態においては、ＣＯ_２の排出削減と、効率的なエネルギー消費との両立を図ることができる。

【0068】

［第２の実施の形態］
続いて、本発明の第２の実施の形態について図８を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１の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。

【0069】

図８は、第２の実施の形態に係る排ガス処理システムの一例を示す概略構成図である。図８に示すように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態の分離ユニットＵを複数設けた構成としている。

【0070】

第２の実施の形態において、複数の分離ユニットＵとして、第１分離ユニットＵ１及び第２分離ユニットＵ２の２つの分離ユニットを備えている。本実施の形態では、第１分離ユニットＵ１及び第２分離ユニットＵ２は同一の構成が採用され、それぞれが第１圧縮機３０、分岐ライン３１、集合ライン３２、第１ないし第４分離系統４０Ａ～４０Ｄ及び制御部７０を搭載している。

【0071】

第２の実施の形態では、前処理部２０と第１分離ユニットＵ１及び第２分離ユニットＵ２それぞれの第１圧縮機３０とがユニット用分岐ライン１０１で接続される。ユニット用分岐ライン１０１の分岐位置には切替弁１０２が設けられる。切替弁１０２は、第１分離ユニットＵ１及び第２分離ユニットＵ２の何れか一方または両方に前処理部２０からの排ガスの導入を切り替える。また、切替弁１０２は、第１分離ユニットＵ１及び第２分離ユニットＵ２それぞれの第１圧縮機３０への導入量を調整する。

【0072】

なお、第１分離ユニットＵ１及び第２分離ユニットＵ２それぞれの集合ライン３２は、ライン３３を介して液化部６０に接続される。ライン３３に設けられる第２濃度測定部５２及び第２流量測定部５３は、第１分離ユニットＵ１及び第２分離ユニットＵ２それぞれの制御部７０に測定結果を出力する。また、第１濃度測定部１２及び第１流量測定部１３においても、第１分離ユニットＵ１及び第２分離ユニットＵ２それぞれの制御部７０に測定結果を出力する。

【0073】

このように、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態に比べて分離系統４０の設置数を増大することができる。これにより、分離系統４０の運転数のバリエーションを増やすことができ、エンジン１０の運転負荷の変動や、段階的に強化される規制、使用燃料の変化により良く対応することができる。

【0074】

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。

【0075】

上記各実施の形態では、分離系統４０が複数の分離膜４２ａ、４４ａ、４６ａを備えて排ガスを複数段で分離したが、例えば、第２分離部４４及び第３分離部４６を省略する等、少なくとも１つの分離膜を備えた構成としてもよい。

【0076】

また、上記の各実施の形態にて、分離ユニットＵが４つの分離系統４０を有する構成としたが、分離系統４０の設置数は２つや３つ、５つ以上の複数に変更してもよい。更に、第２の実施の形態にあっては、分離ユニットＵの設置数が２つに限定されるものでなく、３つ以上としてもよい。

【0077】

また、第１濃度測定部１２及び第１流量測定部１３の設置位置は、例えば、第１の実施の形態のライン２７や、第２の実施の形態の前処理部２０と切替弁１０２との間に変更してもよい。要するに、第１濃度測定部１２及び第１流量測定部１３が、分離系統４０に導入前の排ガスを測定できる限りにおいて変更してもよい。

【符号の説明】

【0078】

１ ：排ガス処理システム
１０ ：エンジン（燃焼器）
１２ ：第１濃度測定部
１３ ：第１流量測定部
３０ ：第１圧縮機（圧縮機）
３１ ：分岐ライン
３２ ：集合ライン
３３ ：ライン
４０ ：分離系統
４０Ａ ：第１分離系統（分離系統）
４０Ｂ ：第２分離系統（分離系統）
４０Ｃ ：第３分離系統（分離系統）
４０Ｄ ：第４分離系統（分離系統）
４１ ：調整弁
４２ａ ：第１分離膜（分離膜）
４３ ：第２圧縮機（副圧縮機）
４４ａ ：第２分離膜（分離膜）
４５ ：第３圧縮機（副圧縮機）
４６ａ ：第３分離膜（分離膜）
５２ ：第２濃度測定部
５３ ：第２流量測定部
７０ ：制御部
１０１ ：ユニット用分岐ライン
１０２ ：切替弁
Ｕ ：分離ユニット
Ｕ１ ：第１分離ユニット（分離ユニット）
Ｕ２ ：第２分離ユニット（分離ユニット）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】