特許 7681330 ＣＯ２分離方法、ＣＯ２分離装置、及び燃焼システム

(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】2025-05-14

(45)【発行日】2025-05-22

(54)【発明の名称】ＣＯ２分離方法、ＣＯ２分離装置、及び燃焼システム

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20250515BHJP

   B01D 61/58 20060101ALI20250515BHJP

   B01D 69/00 20060101ALI20250515BHJP

   C01B 32/50 20170101ALI20250515BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

B01D61/58

B01D69/00 500

C01B32/50

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022545458

(86)(22)【出願日】2021-06-09

(86)【国際出願番号】 JP2021021826

(87)【国際公開番号】W WO2022044481

(87)【国際公開日】2022-03-03

【審査請求日】2024-04-25

(31)【優先権主張番号】P 2020141971

(32)【優先日】2020-08-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】305009898

【氏名又は名称】株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ

(74)【代理人】

【識別番号】100114476

【弁理士】

【氏名又は名称】政木 良文

(72)【発明者】

【氏名】岡田 治

(72)【発明者】

【氏名】寺本 正明

(72)【発明者】

【氏名】花井 伸彰

【審査官】永井 友子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１４８７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２００７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２４２７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２００８１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｄ ５３／２２

Ｂ０１Ｄ ６１／５８

Ｂ０１Ｄ ６９／００

Ｃ０１Ｂ ３２／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素と選択的に反応するＣＯ₂キャリアを含むＣＯ₂分離膜と、前記ＣＯ₂分離膜によって隔てられた第１処理室と第２処理室を備えて構成される分離膜モジュールを２段以上直列に連結した分離膜モジュール列を少なくとも使用し、
前記分離膜モジュールの各段において、
前記ＣＯ₂キャリアと反応しないメタン、二酸化炭素、及び水蒸気を含む混合ガスを、前記第１処理室の一端側から前記第１処理室内に供給し、
前記第１処理室内に供給された前記混合ガス中の二酸化炭素を、前記ＣＯ₂分離膜を介して前記第２処理室側に透過させることにより、前記混合ガスから二酸化炭素を分離し、
前記ＣＯ₂分離膜を透過せずに前記第１処理室内に残留したメタン、二酸化炭素、及び水蒸気を含む非透過ガスを、前記第１処理室の他端側から排出し、
分離された二酸化炭素を含む前記ＣＯ₂分離膜を透過した透過ガスを、前記第２処理室の前記第１処理室の他端側と同じ側から外部に排出し、
最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１処理室の他端側から排出された前記非透過ガスに水蒸気を追加し、後段側に連結している前記分離膜モジュールの前記混合ガスとして、当該後段側の前記分離膜モジュールの前記第１処理室の前記一端側から前記第１処理室内に供給し、
最終段の前記分離膜モジュールの前記第１処理室から排出される前記非透過ガス中のドライベースでのメタン濃度が８０ｍｏｌ％以上であることを特徴とするＣＯ₂分離方法。

【請求項2】

最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１処理室の他端側から排出された前記非透過ガスに、当該非透過ガスの相対湿度が２０％以上増加するように水蒸気を追加することを特徴とする請求項１に記載のＣＯ₂分離方法。

【請求項3】

最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１処理室の他端側から排出された前記非透過ガスに、当該非透過ガスの相対湿度が前記第１処理室の一端側から前記第１処理室内に供給された前記混合ガスの相対湿度にまで戻すのに必要な水蒸気流量で水蒸気を追加することを特徴とする請求項１または２に記載のＣＯ ₂ 分離方法。

【請求項4】

二酸化炭素と選択的に反応するＣＯ₂キャリアを含むＣＯ₂分離膜と、前記ＣＯ₂分離膜によって隔てられた第１処理室と第２処理室を備えて構成される分離膜モジュールを２段以上直列に連結した分離膜モジュール列と、水蒸気供給部とを少なくとも備え、
前記分離膜モジュールの各段が、
前記第１処理室の一端側に、前記ＣＯ₂キャリアと反応しないメタン、二酸化炭素、及び水蒸気を含む混合ガスを、前記第１処理室内に供給する第１送入口を備え、
前記第１処理室の他端側に、前記ＣＯ₂分離膜を透過せずに前記第１処理室内に残留したメタン、二酸化炭素、及び水蒸気を含む非透過ガスを排出する第１排出口を備え、
前記第２処理室の前記第１処理室の他端側と同じ側に、前記混合ガス中のメタン、二酸化炭素、及び水蒸気の一部であって、前記ＣＯ₂分離膜を介して前記第１処理室側から前記第２処理室側に透過した透過ガスを排出する第２排出口を備え、
最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１排出口が、後段側に連結している前記分離膜モジュールの前記第１送入口と相互に連結して、連結部が構成され、
前記水蒸気供給部が、前記連結部のそれぞれに水蒸気を供給するように構成され、
最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１排出口から排出された前記非透過ガスと前記連結部に供給された水蒸気が、後段側に連結している前記分離膜モジュールの前記混合ガスとして、当該後段側の前記分離膜モジュールの前記第１送入口から前記第１処理室内に供給されるように構成されており、
最終段の前記分離膜モジュールの前記第１処理室から排出される前記非透過ガス中のドライベースでのメタン濃度が８０ｍｏｌ％以上であることを特徴とするＣＯ₂分離装置。

【請求項5】

前記水蒸気供給部が、最終段以外の前記分離膜モジュールの各段に対して、前記第１排出口から排出された前記非透過ガスの相対湿度が２０％以上増加するように、前記連結部に水蒸気を供給することを特徴とする請求項４に記載のＣＯ₂分離装置。

【請求項6】

前記水蒸気供給部が、最終段以外の前記分離膜モジュールの各段に対して、前記第１排出口から排出された前記非透過ガスの相対湿度を前記第１送入口から前記第１処理室内に供給される前記混合ガスの相対湿度にまで戻すのに必要な水蒸気流量で、前記連結部に水蒸気を供給することを特徴とする請求項４または５に記載のＣＯ ₂ 分離装置。

【請求項7】

前記水蒸気供給部は、１段目の前記分離膜モジュールの前記第１処理室内に供給する前記混合ガスに、当該混合ガスの相対湿度が７０％未満の場合、当該相対湿度が７０％以上となるように、水蒸気を供給することを特徴とする請求項４～６の何れか１項に記載のＣＯ₂分離装置。

【請求項8】

請求項４～７の何れか１項に記載のＣＯ₂分離装置と、燃焼装置を備えた燃焼システムであって、
前記ＣＯ ₂ 分離装置の１段目の前記分離膜モジュールの前記第１処理室内に供給する前記混合ガスが、有機物のメタン発酵により生成されたバイオガスに由来するガスを含み、
前記ＣＯ₂分離装置の最終段の前記分離膜モジュールの前記第１処理室から排出される前記非透過ガスが、前記燃焼装置に燃料ガスとして供給されることを特徴とする燃焼システム。

【請求項9】

前記ＣＯ₂分離装置の前記水蒸気供給部は、前記燃焼装置からの排熱を利用して、水蒸気を生成することを特徴とする請求項８に記載の燃焼システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二酸化炭素と選択的に反応するＣＯ_２キャリアを含むＣＯ_２分離膜と、前記ＣＯ_２分離膜によって隔てられた第１処理室と第２処理室を備えて構成される分離膜モジュールを複数段直列に連結して使用し、ＣＯ_２キャリアと反応しない特定ガス、二酸化炭素、及び水蒸気を含む混合ガスから二酸化炭素を分離するＣＯ_２分離方法及び装置に関し、更に、ＣＯ_２分離装置と燃焼装置を備えた燃焼システムに関する。

【背景技術】

【0002】

分離膜モジュールを複数段直列に連結して使用し、二酸化炭素を分離するＣＯ_２分離方法及び装置については、下記の特許文献１及び２に既に開示されている。

【0003】

特許文献１に開示されているＣＯ_２分離方法及び装置では、或る段の分離膜モジュールの供給側に位置する第１処理室において、ＣＯ_２分離膜を透過しなかった非透過ガスは、次段の分離膜モジュールの第１処理室にそのまま供給される。

【0004】

特許文献２に開示されているＣＯ_２分離方法及び装置では、或る段の分離膜モジュールの供給側に位置する第１処理室において、ＣＯ_２分離膜を透過しなかった非透過ガスは、相対湿度が所定値を下回ると、冷却して相対湿度を上昇させてから、次段の分離膜モジュールの第１処理室に供給される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１４－２００７６７号公報

【文献】特開２０１５－０２７６５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＣＯ_２キャリアを含むＣＯ_２分離膜は、促進輸送機構によるＣＯ_２とＣＯ_２キャリアの反応により、ＣＯ_２を選択的に透過させるＣＯ_２促進輸送膜として機能する。ＣＯ_２促進輸送膜のＣＯ_２透過速度は、ＣＯ_２促進輸送膜の供給側に供給されるＣＯ_２とスチーム（Ｈ_２Ｏ）を含む混合ガスの相対湿度に依存し、相対湿度が低いほどＣＯ_２パーミアンスは低下する。ＣＯ_２促進輸送膜に該混合ガスを供給した場合、スチームの透過速度はＣＯ_２の透過速度よりも速く、ＣＯ_２促進輸送膜の供給側における混合ガスの流れる方向に沿って、混合ガス中のスチーム量は減少していき、相対湿度は低下する。

【0007】

従って、分離膜モジュールを複数段直列に連結して使用するＣＯ_２分離方法及び装置では、後段の分離膜モジュールほど、ＣＯ_２の透過速度が低下するという問題がある。

【0008】

上記特許文献２では、上記問題を解決するために、分離膜モジュールの第１処理室から排出される非透過ガスを冷却して相対湿度を上昇させてから、次段の分離膜モジュールの第１処理室に供給している。しかしながら、非透過ガスを冷却して相対湿度を上昇させる方法では、相対湿度の上昇が小さく、また、非透過ガスの温度低下に伴うＣＯ_２パーミアンスの低下が懸念されるため、ＣＯ_２の透過速度の低下を十分に抑制できない可能性がある。

【0009】

本発明は、上述の問題点に鑑み、分離膜モジュールを複数段直列に連結して使用するＣＯ_２分離方法及び装置において、後段の分離膜モジュールでのＣＯ_２パーミアンスの低下を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するための本発明に係るＣＯ_２分離方法は、
二酸化炭素と選択的に反応するＣＯ_２キャリアを含むＣＯ_２分離膜と、前記ＣＯ_２分離膜によって隔てられた第１処理室と第２処理室を備えて構成される分離膜モジュールを２段以上直列に連結した分離膜モジュール列を少なくとも使用し、
前記分離膜モジュールの各段において、
前記ＣＯ_２キャリアと反応しない特定ガス、二酸化炭素、及び水蒸気を含む混合ガスを、前記第１処理室の一端側から前記第１処理室内に供給し、
前記第１処理室内に供給された前記混合ガス中の二酸化炭素を、前記ＣＯ_２分離膜を介して前記第２処理室側に透過させることにより、前記混合ガスから二酸化炭素を分離し、
前記ＣＯ_２分離膜を透過せずに前記第１処理室内に残留した前記特定ガス、二酸化炭素、及び水蒸気を含む非透過ガスを、前記第１処理室の他端側から排出し、
分離された二酸化炭素を含む前記ＣＯ_２分離膜を透過した透過ガスを、前記第２処理室の前記第１処理室の他端側と同じ側から外部に排出し、
最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１処理室の他端側から排出された前記非透過ガスに水蒸気を追加し、後段側に連結している前記分離膜モジュールの前記混合ガスとして、当該後段側の前記分離膜モジュールの前記第１処理室の前記一端側から前記第１処理室内に供給することを第１の特徴とする。

【0011】

更に、上記目的を達成するための本発明に係るＣＯ_２分離装置は、
二酸化炭素と選択的に反応するＣＯ_２キャリアを含むＣＯ_２分離膜と、前記ＣＯ_２分離膜によって隔てられた第１処理室と第２処理室を備えて構成される分離膜モジュールを２段以上直列に連結した分離膜モジュール列と、水蒸気供給部とを少なくとも備え、
前記分離膜モジュールの各段が、
前記第１処理室の一端側に、前記ＣＯ_２キャリアと反応しない特定ガス、二酸化炭素、及び水蒸気を含む混合ガスを、前記第１処理室内に供給する第１送入口を備え、
前記第１処理室の他端側に、前記ＣＯ_２分離膜を透過せずに前記第１処理室内に残留した前記特定ガス、二酸化炭素、及び水蒸気を含む非透過ガスを排出する第１排出口を備え、
前記第２処理室の前記第１処理室の他端側と同じ側に、前記混合ガス中の前記特定ガス、二酸化炭素、及び水蒸気の一部であって、前記ＣＯ_２分離膜を介して前記第１処理室側から前記第２処理室側に透過した透過ガスを排出する第２排出口を備え、
最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１排出口が、後段側に連結している前記分離膜モジュールの前記第１送入口と相互に連結して、連結部が構成され、
前記水蒸気供給部が、前記連結部のそれぞれに水蒸気を供給するように構成され、
最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１排出口から排出された前記非透過ガスと前記連結部に供給された水蒸気が、後段側に連結している前記分離膜モジュールの前記混合ガスとして、当該後段側の前記分離膜モジュールの前記第１送入口から前記第１処理室内に供給されるように構成されていることを第１の特徴とする。

【0012】

更に、上記第１の特徴のＣＯ_２分離方法において、最終段以外の前記分離膜モジュールの各段において、前記第１処理室の他端側から排出された前記非透過ガスに、当該非透過ガスの相対湿度が２０％以上増加するように水蒸気を追加することが好ましい。

【0013】

更に、上記第１の特徴のＣＯ_２分離装置において、前記水蒸気供給部が、最終段以外の前記分離膜モジュールの各段に対して、前記第１排出口から排出された前記非透過ガスの相対湿度が２０％以上増加するように、前記連結部に水蒸気を供給することが好ましい。

【0014】

更に、上記第１の特徴のＣＯ_２分離装置において、１段目の前記分離膜モジュールの前記第１処理室内に供給する前記混合ガスに、当該混合ガスの相対湿度が７０％未満の場合、当該相対湿度が７０％以上となるように、水蒸気を供給することが好ましい。

【0015】

更に、上記第１の特徴のＣＯ_２分離方法及び装置において、１段目の前記分離膜モジュールの前記第１処理室内に供給する前記混合ガスが、有機物のメタン発酵により生成されたバイオガスに由来するガスを含み、前記特定ガスがメタンであることを第２の特徴とする。

【0016】

上記第２の特徴のＣＯ_２分離方法及び装置において、最終段の前記分離膜モジュールの前記第１処理室から排出される前記非透過ガス中のドライベースでのメタン濃度が８０ｍｏｌ％以上であることが好ましい。

【0017】

更に、本発明に係る燃焼システムは、上記第２の特徴のＣＯ_２分離装置と、燃焼装置を備えた燃焼システムであって、前記ＣＯ_２分離装置の最終段の前記分離膜モジュールの前記第１処理室から排出される前記非透過ガスが、前記燃焼装置に燃料ガスとして供給されることを特徴とする。

【0018】

上記特徴の燃焼システムにおいて、前記ＣＯ_２分離装置の前記水蒸気供給部は、前記燃焼装置からの排熱を利用して、水蒸気を生成することが好ましい。

【発明の効果】

【0019】

上記特徴のＣＯ_２分離方法及び装置によれば、最終段以外の各分離膜モジュールの第１処理室から排出された非透過ガスに水蒸気が供給されることで、２段目以降の分離膜モジュールにおいて、相対湿度の低下に伴うＣＯ_２パーミアンスの低下が抑制されて、所望のＣＯ_２パーミアンスを維持することが可能となる。この結果、直列に連結された全ての分離膜モジュールにおいて高いＣＯ_２パーミアンスを実現でき、分離膜モジュール列として高い選択透過性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明に係るＣＯ_２分離装置で使用する分離膜モジュールの基本的な構成例を模式的に示す概略断面図

【図2】本発明に係るＣＯ_２分離装置の基本的な構成例を模式的に示す概略断面図

【図3】実施例１及び比較例１～３の各分離装置における分離膜モジュールの連結構造を示す図

【図4】比較例４～７の各分離装置における分離膜モジュールの連結構造を示す図

【図5】本発明に係る燃焼システムの要部構成を模式的に示す概略構成図

【発明を実施するための形態】

【0021】

［第１実施形態］
本発明に係るＣＯ_２分離装置及びＣＯ_２分離方法（以下、適宜「本分離装置」及び「本分離方法」という。）の一実施形態につき、図面に基づいて説明する。

【0022】

図１に、本分離装置１で使用する分離膜モジュール２の基本的な構成例を模式的に示す。また、図２に、本分離装置１の基本的な構成例を模式的に示す。図１及び図２中の矢印は、ガスが流れる流路及び向きを簡略化して示したものである。また、図１及び図２の概略断面図に示す各構成要素の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。これらは、後述の第２実施形態で説明する燃焼システムの要部構成図についても同様とする。また、各概略断面図及び要部構成図において、同一の構成要素については、同一の符号を付すこととし、その説明を省略することがある。

【0023】

［分離膜モジュールの構成］
図１に示すように、分離膜モジュール２は、平膜状のＣＯ_２分離膜３が筐体４内に収容され、筐体４の内壁とＣＯ_２分離膜３の供給側面に囲まれた空間によって、第１処理室５が形成され、筐体４の内壁とＣＯ_２分離膜３の透過側面に囲まれた空間によって、第２処理室６が形成されている。つまり、第１処理室５と第２処理室６がＣＯ_２分離膜３によって隔てられている。よって、筐体４は、第１処理室５と第２処理室６を構成する筐体である。

【0024】

筐体４は、例えば、ステンレス製であり、図示していないが、ＣＯ_２分離膜３の外周端部と筐体４の内壁との間に、一例として、フッ素ゴム製ガスケットをシール材として介装して、ＣＯ_２分離膜３を筐体４内に固定している。尚、ＣＯ_２分離膜３の固定方法及びシール方法は、上記方法に限定されるものではない。また、ＣＯ_２分離膜３を筐体４内に固定するための具体的な構造は、ＣＯ_２分離膜３の形状及び筐体４内への収容形態によって異なるため、また、本発明の本旨ではないので、詳細な説明を省略する。

【0025】

第１処理室５の対向する壁面の一方側と他方側には、混合ガスＦＧを外部から第１処理室５内に送入する第１送入口７と、混合ガスＦＧ中のＣＯ_２分離膜３を透過せず第１処理室５内に残留した非透過ガスＥＧを第１処理室５から外部へ排出する第１排出口８が設けられている。図１に示す第１送入口７と第１排出口８の開口位置は、例示であり、非透過ガスＥＧが、第１処理室５内においてＣＯ_２分離膜３の供給側面に沿って一定の方向に流れる限りにおいて、第１処理室５の形状に応じて適宜変更可能である。

【0026】

第２処理室６には、ＣＯ_２分離膜３を透過したＣＯ_２を含む透過ガスＰＧを第２処理室６から外部へ排出する第２排出口９が設けられている。尚、本実施形態では、第２排出口９は、第２処理室６の対向する壁面の第１排出口８の開口位置と同じ側に設けられている。つまり、第２処理室６内において透過ガスＰＧのＣＯ_２分離膜３の透過側面に沿って流れる方向が、第１処理室５内において非透過ガスＥＧのＣＯ_２分離膜３の供給側面に沿って流れる方向と同じ方向に設定されている。以下、透過ガスＰＧと非透過ガスＥＧの流動方向が同じ場合を、便宜的に「並流」と記す場合がある。また、透過ガスＰＧと非透過ガスＥＧの流動方向が逆方向である場合を、便宜的に「向流」と記す場合がある。また、図１に示す第２排出口９の開口位置は、例示であり、透過ガスＰＧと非透過ガスＥＧの流動方向が「並流」となる限りにおいて、第２処理室６の形状に応じて適宜変更可能である。

【0027】

また、本実施形態では、第２処理室６には、スイープガス等を外部から第２処理室６内に送入する送入口は設けていない。

【0028】

ＣＯ_２分離膜３は、一例として、親水性多孔膜上に分離機能層を担持させた積層構造を有する。分離機能層は、ＣＯ_２を選択的に透過させるための層であり、本実施形態では、一例として、親水性ポリマーのゲル層中に、ＣＯ_２と選択的に反応する化合物であるＣＯ_２キャリアを含み、促進輸送膜として機能する。

【0029】

親水性多孔膜は、分離機能層のゲル層を形成する工程において、親水性ポリマーを含む水溶液からなるキャスト溶液を塗工する下地材であり、キャスト溶液中の親水性ポリマーをゲル化して得られるゲル層を支持する支持膜として機能する。分離機能層のゲル層を形成する工程については、多くの特許文献及び非特許文献に開示されており、詳細な説明は割愛する。

【0030】

ＣＯ_２分離膜３の上記積層構造において、分離機能層の露出面を保護するために、当該露出面上に疎水性多孔膜を貼合して第１の保護膜を形成した３層構造としても良い。更に、親水性多孔膜の分離機能層支持面と反対側の露出面を保護するために、当該露出面上に疎水性多孔膜を貼合して第２の保護膜を形成した４層構造としても良い。

【0031】

分離機能層を構成する親水性ポリマーとして、ポリビニルアルコール－ポリアクリル酸（ＰＶＡ／ＰＡＡ）塩共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、キトサン、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン、または、ポリビニルピロリドン等の使用が想定され、特に、ポリアクリル酸を主成分として含む親水性ポリマーが好適に使用される。更に、親水性ポリマーのゲル層がハイドロゲルであっても良い。ハイドロゲルは、親水性ポリマーが架橋することで形成された三次元網目構造物であり、水を吸収することで膨潤する性質を有する場合が多い。親水性ポリマーがＰＶＡ／ＰＡＡ塩共重合体またはポリビニルアルコールの場合のハイドロゲルの架橋度は、グルタルアルデヒド等のジアルデヒド化合物、ホルムアルデヒドなどのアルデヒド化合物、等の架橋剤の添加量により調節することができる。尚、当業者において、ＰＶＡ／ＰＡＡ塩共重合体は、ＰＶＡ／ＰＡＡ共重合体と呼ばれることもある。

【0032】

分離機能層に含まれるＣＯ_２キャリアとして、炭酸セシウム（Ｃｓ_２ＣＯ_３）、炭酸ルビジウム（Ｒｂ_２ＣＯ_３）等のアルカリ金属の炭酸塩、重炭酸塩、または、水酸化物、或いは、グリシン、２，３‐ジアミノプロピオン酸塩（ＤＡＰＡ）、アラニン、アルギニン、アスパラギン、セリン、オルニチン、クレアチン、トレオニン、サルコシン、及び、２‐アミノ酪酸等のアミノ酸が、好適に使用される。

【0033】

促進輸送機構によるＣＯ_２とＣＯ_２キャリアの反応は、総括反応式としては、下記の（化１）のように示される。但し、（化１）ではＣＯ_２キャリアが炭酸塩である場合を想定している。反応式中の記号「⇔」は、可逆反応であることを示している。

【0034】

（化１）
ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ＣＯ_３ ^２－ ⇔ ２ＨＣＯ_３ ^－

【0035】

ここで、ＣＯ_２キャリアがアルカリ金属の炭酸塩の場合には、上記（化１）に示す反応が生じるが、ＣＯ_２キャリアがアルカリ金属の水酸化物の場合は、下記の（化２）に示すような反応が生じる。尚、（化２）では、一例としてアルカリ金属がセシウムの場合を示す。

【0036】

（化２）
ＣＯ_２ ＋ ＣｓＯＨ → ＣｓＨＣＯ_３
ＣｓＨＣＯ_３ ＋ ＣｓＯＨ → Ｃｓ_２ＣＯ_３ ＋ Ｈ_２Ｏ

【0037】

尚、上記（化２）を纏めると、下記（化３）のように表すことができる。即ち、これにより、添加された水酸化セシウムが炭酸セシウムに転化することが示される。更に、上記（化２）より、ＣＯ_２キャリアとして、アルカリ金属の炭酸塩の代わりに重炭酸塩を添加した場合においても同様の効果を得ることができることが分かる。

【0038】

（化３）
ＣＯ_２ ＋ ２ＣｓＯＨ → Ｃｓ_２ＣＯ_３ ＋ Ｈ_２Ｏ

【0039】

グリシンやＤＡＰＡ等のアミノ酸をＣＯ_２キャリアとして利用する場合、二酸化炭素はＮＨ_３ ^＋と反応せず、フリーのＮＨ_２と反応することが知られている。このため、ＣＯ_２キャリアとしてグリシンやＤＡＰＡ等のアミノ酸を用いる場合、アミノ酸に対して等量以上のアルカリを添加して、後述のキャスト溶液中に溶解したＮＨ_３ ^＋を脱プロトン化してＮＨ_２に変換する必要がある。当該アルカリとしては、プロトン化したＮＨ_３ ^＋からプロトンを奪い、ＮＨ_２に変換できるだけの強塩基性を有するものであれば良く、アルカリ金属元素の水酸化物または炭酸塩を好適に利用できる。

【0040】

親水性ポリマーのゲル層中には、ＣＯ_２キャリア及び上記脱プロトン化剤としてのアルカリ以外に、ＣＯ_２水和反応触媒を添加しても良い。この場合、ＣＯ_２水和反応触媒として、オキソ酸化合物を好適に使用する。ＣＯ_２水和反応触媒は、より具体的には、６族元素、１４族元素、１５族元素、及び、１６族元素の中から選択される少なくとも１つの元素のオキソ酸化合物を使用し、特に好ましくは、亜テルル酸化合物、亜セレン酸化合物、亜ヒ酸化合物、オルトケイ酸化合物、或いは、モリブデン酸化合物を使用する。

【0041】

親水性多孔膜は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリセルロースエステル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及び、後述する疎水性多孔膜を親水化処理した膜、等が好適に使用される。更に、親水性多孔膜の多孔度（空隙率）は５５％以上であるのが好ましく、親水性多孔膜１１の細孔径は、０．１～１μｍの範囲にあるのが好ましく、０．１～０．５μｍの範囲にあるのがより好ましい。

【0042】

尚、「親水性」とは２５℃における水との接触角が９０°未満であることを意味する。本実施形態においては、親水性多孔膜の上記接触角は、４５°以下が好ましい。

【0043】

疎水性多孔膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、等が好適に使用される。更に、疎水性多孔膜の多孔度（空隙率）は５５％以上であるのが好ましく、疎水性多孔膜の細孔径は、０．１～１μｍの範囲にあるのが好ましく、０．１～０．５μｍの範囲にあるのがより好ましい。

【0044】

尚、「疎水性」とは２５℃における水との接触角が９０°以上であることを意味する。本実施形態においては、疎水性多孔膜の上記接触角は、９５°以上が好ましく、１００°以上がより好ましく、１０５°以上が更に好ましい。

【0045】

［本分離装置の構成］
次に、本分離装置１の基本的な構成について、図２を参照して説明する。本分離装置１は、分離膜モジュール２の複数段（ｍ段：ｍは２以上の整数）を直列に連結した分離膜モジュール列と、水蒸気供給部１１を備えて構成される。尚、複数段の分離膜モジュール２は、混合ガスＦＧ及び非透過ガスＥＧの流れる方向に沿って、先頭から順番に、１段目、２段目、……、ｍ段目（最終段）と呼ぶ。

【0046】

図２に示すように、２段目以降の各分離膜モジュール２の第１送入口７は、その前段の分離膜モジュール２の第１排出口８と相互に、直接または連結管を介して連結し、当該前段の分離膜モジュール２の第１排出口８に対して連結部１０が構成されている。最終段（ｍ段目）の分離膜モジュール２を除いて、１段目から（ｍ－１）段目の各分離膜モジュール２の第１排出口８に連結部１０が構成されている。連結部の個数は分離膜モジュール２の段数ｍより１だけ少ないので、便宜的に、各連結部の先頭からの順番は、その前方に位置する各分離膜モジュール２の順番に対応させている。

【0047】

図２に示すように、一実施態様において、ｍ段の分離膜モジュール２のｍ個の第２排出口９は相互に連結され、各第２排出口９から排出される透過ガスＰＧは、まとめて当該透過ガスＰＧを回収または再利用する装置（図示せず）に供給される。透過ガスＰＧは、二酸化炭素を多く含んでおり、各種産業用利用のために回収及び再利用が可能である。尚、透過ガスＰＧを回収または再利用せず、大気放出する場合は、各第２排出口９は開放して
おいても良い。

【0048】

図２に示すように、水蒸気供給部１１から、１段目から（ｍ－１）段目の各分離膜モジュール２の連結部１０に水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が供給される。この結果、１段目から（ｍ－１）段目の各分離膜モジュール２において、第１排出口８から排出された非透過ガスＥＧは、連結部１０に供給された水蒸気（Ｈ_２Ｏ）とともに、次段の分離膜モジュール２の第１処理室５内に混合ガスＦＧとして供給される。

【0049】

各段の連結部１０に供給される水蒸気の量は、供給された水蒸気によって各連結部１０に排出される非透過ガスＥＧの相対湿度が２０％以上増加するのに必要な量とするのが好ましい。また、２０％以上増加後の非透過ガスＥＧ（次段の分離膜モジュール２に供給する混合ガスＦＧ）の相対湿度は、５０％以上１００％未満であることが好ましく、更に、１段目の分離膜モジュール２に供給される混合ガスＦＧの相対湿度と同等または略同等（例えば、±５％以内）であることがより好ましい。但し、増加後の相対湿度が１００％に至る場合、或いは、１００％未満であっても温度変動等により、非透過ガスＥＧ中の水蒸気が凝縮する場合には、１００％に至らない程度に、或いは、当該凝縮が発生しない程度に、水蒸気の供給量を抑えるのが好ましい。

【0050】

尚、本実施形態では、各段の分離膜モジュール２において、第１処理室５内に供給された混合ガスＦＧが、第１処理室５内を通過して非透過ガスＥＧとして排出されるまでに、相対湿度が２０％以上低下する場合を想定している。各段の連結部１０への水蒸気の供給量は、同じであっても、各段の分離膜モジュール２毎の非透過ガスＥＧの相対湿度の低下の程度に応じて変化させても良い。

【0051】

水蒸気供給部１１は、水蒸気供給部１１内で水を加熱して水蒸気を生成して、各段の連結部１０に分配する構成、或いは、外部から水蒸気を水蒸気供給部１１内に収集して、各段の連結部１０に分配する構成の２種類の構成が想定される。また、水蒸気供給部１１を、２種類の構成を組み合わせて実現しても良い。例えば、後者の外部から水蒸気を収集する構成としては、最終段（ｍ段目）の分離膜モジュール２から排出される非透過ガスＥＧに含まれる水蒸気を、例えば、パーフルオロ系膜（またはパーフルオロスルホン酸系膜）等の水蒸気透過膜を用いる公知の膜分離方式によって水蒸気のまま分離する水蒸気除去部を設け、当該水蒸気除去部で分離された水蒸気を水蒸気供給部１１内に収集する構成、或いは、各段の分離膜モジュール２から排出される透過ガスＰＧに含まれる水蒸気を、例えば、上述の膜分離方式の水蒸気除去部によって水蒸気のまま分離して、水蒸気供給部１１内に収集する構成、或いは、両者を組み合わせた構成が想定される。

【0052】

水蒸気供給部１１から各段の連結部１０に水蒸気が供給されることで、２段目以降の分離膜モジュール２の第１処理室５内に供給された混合ガスＦＧの相対湿度を、混合ガスＦＧの温度を下げることなく、所定値以上に維持することができる。この結果、２段目以降の分離膜モジュール２において、相対湿度の低下に伴うＣＯ_２パーミアンスの低下を抑制して、所望のＣＯ_２パーミアンスを維持することが可能となる。従って、本分離装置１の水蒸気供給部１１が各段の連結部１０に水蒸気を分配する構成によって、分離膜モジュール２を複数段直列に連結して使用する従来のＣＯ_２分離方法及び装置における後段の分離膜モジュールほど、ＣＯ_２の透過速度が低下するという問題が解消される。

【0053】

１段目の分離膜モジュール２の第１送入口７から第１処理室５内に供給される混合ガスＦＧは、ＣＯ_２分離膜３の分離機能層に含まれるＣＯ_２キャリアと反応しない特定ガスとＣＯ_２と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を含む混合ガスである。特定ガスは、分離機能層内でＣＯ_２キャリアと反応せず、溶解・拡散機構でのみ透過するＨ_２、ＣＨ_４、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ等が想定される。各段の分離膜モジュール２において、混合ガスＦＧ内の各ガス成分の一部は、ＣＯ_２分離膜３を透過せずに第１処理室５内に残留するため、非透過ガスＥＧも、混合ガスＦＧとは各ガス成分の配分比は異なるが、特定ガスとＣＯ_２と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を含む混合ガスである。

【0054】

上述したように、水蒸気供給部１１から各段の連結部１０に水蒸気が供給されることで、２段目以降の分離膜モジュール２において、相対湿度の低下に伴うＣＯ_２パーミアンスの低下を抑制して、所望のＣＯ_２パーミアンスを維持することが可能となる。従って、各段の分離膜モジュール２においては、１段目の分離膜モジュール２と同様に、ＣＯ_２分離膜３の分離機能層を透過する特定ガスのガスパーミアンスに対して、約１００倍から数１０００倍程度の極めて高いＣＯ_２パーミアンスを実現でき、高い選択透過性が維持される。

【0055】

尚、上記説明では、１段目の分離膜モジュール２の第１送入口７から第１処理室５内に供給される混合ガスＦＧの相対湿度は、１段目の分離膜モジュール２のＣＯ_２分離膜３の分離機能層において、所与のＣＯ_２分圧差で所期のＣＯ_２パーミアンスが実現できる程度であると想定していた。しかし、当該相対湿度が十分に高くなく、所期のＣＯ_２パーミアンスが得られない場合は、水蒸気供給部１１から、１段目の分離膜モジュール２に供給される混合ガスＦＧに対して、当該相対湿度が所定値（例えば、５０％～８０％の範囲内で設定、一例として７０％）以上となるように、水蒸気を供給するのも、好ましい実施態様である。図２において、当該水蒸気の供給路を点線で示す。

【0056】

従って、各段の分離膜モジュール２において、第１処理室５内に供給された混合ガスＦＧ中のＣＯ_２が、ＣＯ_２分離膜３を特定ガスに対して選択的に透過することで、混合ガスＦＧから段階的に分離される。そして、非透過ガスＥＧが各分離膜モジュール２の第１処理室５から排出される毎に、非透過ガスＥＧ中のドライベースでのＣＯ_２濃度は段階的に低下し、逆に、特定ガスの濃度は段階的に増加する。

【0057】

尚、図２には図示していないが、１段目の分離膜モジュール２の第１送入口７には、混合ガスＦＧを第１処理室５内に供給するための配管が接続され、最終段の分離膜モジュール２の第１排出口８には、非透過ガスＥＧを第１処理室５から外部に排出するための配管が接続され、各段の分離膜モジュール２の第２排出口９には、透過ガスＰＧを第２処理室６から外部に排出するための配管が接続されている。

【0058】

上記各配管には、ガス管の他、複数のガス種を混合するため装置、ガス流量を調整または計測するための装置、ガスの供給圧を調整するための装置、ガスの背圧を調整するための装置、ガス中に水蒸気を添加するための装置、ガス中の水分を除去するための装置等が、必要に応じて、設けられる。これらは、後述の第２実施形態で説明する燃焼システムの要部構成図についても同様とする。

【0059】

［本分離装置の性能評価］
次に、本分離装置１の実施例１と、本分離装置１の７種類の比較例１～７に対して、混合ガスＦＧの処理性能を、シミュレーションで評価した結果を説明する。

【0060】

図３に、実施例１及び比較例１～３の各分離装置における分離膜モジュール２の相互に異なる４種類の連結構造を示す。図４に、比較例４～７の各分離装置における分離膜モジュール２の相互に異なる４種類の連結構造を示す。図３及び図４に示す各連結構造では、２台の分離膜モジュール２を使用している。

【0061】

実施例１は、図２に示す本分離装置１のｍ段の分離膜モジュール２を最小段数の２段で構成したものである。実施例１の連結構造を、便宜的に「直列並流中間加湿」と称す。

【0062】

比較例１は、実施例１で実施している連結部１０への水蒸気の供給を行わない比較例である。比較例１の連結構造を、便宜的に「直列並流」と称す。

【0063】

比較例２は、実施例１で実施している連結部１０への水蒸気の供給に代えて、連結部１０を流れる非透過ガスＥＧの温度を１０℃冷却する比較例である。比較例２の連結構造を、便宜的に「直列並流中間冷却」と称す。

【0064】

比較例３は、実施例１で実施している連結部１０への水蒸気の供給を行わない比較例であり、各分離膜モジュール２における透過ガスＰＧと非透過ガスＥＧの流動方向が逆方向（向流）となっている。また、１段目の第２処理室６から排出された透過ガスＰＧが、２段目の第２処理室６に供給される。比較例３の連結構造を、便宜的に「直列向流」と称す。

【0065】

比較例４は、実施例１で実施している連結部１０への水蒸気の供給を行わない比較例であり、１段目の第２処理室６にスイープガスＳＧとして水蒸気が供給され、１段目の第２処理室６から排出された透過ガスＰＧとスイープガスＳＧの混合ガスＭＧが、２段目の第２処理室６に供給される。比較例４の連結構造を、便宜的に「直列並流連結スイープ」と称す。

【0066】

比較例５は、実施例１で実施している連結部１０への水蒸気の供給を行わない比較例であり、１段目と２段目の各第２処理室６にスイープガスＳＧとして水蒸気が各別に供給される。各段の第２処理室６からは、透過ガスＰＧとスイープガスＳＧの混合ガスＭＧが外部に排出される。比較例５の連結構造を、便宜的に「直列並流独立スイープ」と称す。

【0067】

比較例６は、比較例１の直列に連結した２つの分離膜モジュール２を分離して並列に配置した比較例である。比較例６の連結構造を、便宜的に「並列並流」と称す。

【0068】

比較例７は、比較例６に対して、各分離膜モジュール２における透過ガスＰＧと非透過ガスＥＧの流動方向を逆方向（向流）とした比較例である。比較例７の連結構造を、便宜的に「並列向流」と称す。

【0069】

次に、実施例１及び比較例１～７に対するシミュレーションで使用した各種条件について説明する。

【0070】

１段目の分離膜モジュール２に供給する混合ガスＦＧは、特定ガスがメタン（ＣＨ_４）である、メタン（ＣＨ_４）とＣＯ_２と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を含む混合ガスであり、ドライベースでのＣＨ_４とＣＯ_２と配分比（ｍｏｌ％）は、ＣＨ_４：ＣＯ_２＝６０：４０である。また、当該混合ガスＦＧの相対湿度ＲＨＦｉｎ（初期値）及び温度Ｔは８０％と１１０℃である。ＣＯ_２分離膜３の有効膜面積は、１０ｍ^２／モジュールである。各分離膜モジュール２の第１処理室５内の圧力ＰＦ（絶対圧）及び第２処理室６内の圧力ＰＳ（絶対圧）は、７５０ｋＰａ及び１０１．３ｋＰａ（大気圧）である。分離膜モジュール２間での圧力損失は無視した。

【0071】

２段目の分離膜モジュール２から排出される非透過ガスＥＧ中のメタン濃度（「回収メタン濃度」と称す）が８０ｍｏｌ％になるときの実施例１及び比較例１～５の１段目の分離膜モジュール２に供給する混合ガスＦＧの供給ガス流量をＦ（ｄｒｙＮｍ^３／ｈ）とし、比較例６及び７では、２つの分離膜モジュール２にそれぞれ供給する混合ガスＦＧのガス流量をＦ／２（合計のガス流量をＦ）とする。また、実施例１及び比較例１～７の１段目の分離膜モジュール２に供給する混合ガスＦＧ中の水蒸気流量をＬＦ（ｋｇ／ｈ）、実施例１の連結部１０に供給する水蒸気流量をＬＭ（ｋｇ／ｈ）、比較例４及び５のスイープガスＳＧとして供給する水蒸気流量をＬＳ（ｋｇ／ｈ）とする。但し、水蒸気流量ＬＭは、１段目の分離膜モジュール２から排出される非透過ガスＥＧの相対湿度を、上記相対湿度ＲＨＦｉｎ（８０％）にまで戻すのに必要な水蒸気流量として与えられる。また、水蒸気流量ＬＳは、水蒸気流量ＬＭと同じに設定した。

【0072】

従って、実施例１及び比較例１～７における総水蒸気流量Ｌ（ｋｇ／ｈ）は、下記のように表される。
実施例１： Ｌ＝ＬＦ＋ＬＭ
比較例４及び５： Ｌ＝ＬＦ＋ＬＳ
比較例１～３，６，７： Ｌ＝ＬＦ

【0073】

次に、実施例１及び比較例１～７に対して、上記条件でシミュレーションを行い、回収メタン濃度が８０ｍｏｌ％になるときの供給ガス流量Ｆ（ｄｒｙＮｍ^３／ｈ）、及び、総水蒸気流量Ｌ／供給ガス流量Ｆ（ｋｇ／Ｎｍ^３）を求めた。下記の表１にシミュレーション結果をまとめて示す。

【0074】

【表1】

【0075】

実施例１の供給ガス流量Ｆと、スイープガスＳＧを使用しない同じ直列連結型の比較例１～３の供給ガス流量Ｆを比較すると、成績が大幅に向上していることが分かる。つまり、「直列並流中間加湿」タイプの本分離装置１は、所与の回収メタン濃度の精製メタンガスの単位時間当たりの収量が大きく、精製メタンガスの生産効率が高いことを意味する。これは、本分離装置１の混合ガスＦＧに対するＣＯ_２分離性能が高いことを示している。

【0076】

特に、比較例２の「直列並流中間冷却」タイプと比較すると、比較例２においても、連結部１０において、非透過ガスＥＧの相対湿度を上昇させる試みがなされているが、１０℃程度冷却しただけでは、相対湿度の上昇が少なく、ＣＯ_２パーミアンスの低下を十分に抑制できていないことが分かる。これは、比較例１の「直列並流」タイプと比較例２の「直列並流中間冷却」タイプとの対比からも明かである。更に、比較例２において、相対湿度の上昇幅を上げるために、冷却による非透過ガスＥＧの温度低下を大きくすると、当該温度低下に伴う次段の分離膜モジュール２におけるＣＯ_２パーミアンスの低下が顕著になるという問題が生じる。

【0077】

実施例１の供給ガス流量Ｆと、スイープガスＳＧを使用する同じ直列連結型の比較例４及び５の供給ガス流量Ｆを比較すると、成績が略同じであることが分かる。つまり、実施例１は、混合ガスＦＧの処理性能に関しては、比較例４及び５と比較して有意差はない。しかし、本分離装置１で使用する分離膜モジュール２は、第２処理室６内に外部からスイープガスＳＧを供給するための第２送入口を設ける必要がないため、比較例４及び５で使
用する分離膜モジュール２と比べて構造が簡素化され、例えば、ＣＯ_２分離膜３の形状を平膜の平板型から変形し、それに応じて第１処理室５及び第２処理室６の形状も大幅に変形させる場合等において、設計の自由度において有利となる。

【0078】

実施例１の供給ガス流量Ｆと、並列型の比較例６及び７の供給ガス流量Ｆを比較すると、成績が大幅に向上していることが分かる。つまり、「直列並流中間加湿」タイプの本分離装置１は、並列型の連結構造と比較しても、所定の回収メタン濃度の精製メタンガスの単位時間当たりの収量が大きく、精製メタンガスの生産能力が高いことを意味する。これは、本分離装置１の混合ガスＦＧに対するＣＯ_２分離性能が高いことを示している。

【0079】

尚、比較例６及び比較例７を比較すると、「向流」タイプは、「並流」タイプと比べて著しく成績が劣っており、「向流」に起因する相対湿度低下の影響が顕著であることが分かる。このため、本分離装置１は「並流」タイプの分離膜モジュール２を採用している。

【0080】

［第２実施形態］
次に、本分離装置１を利用して構成される燃焼システム２０について、図５を参照して説明する。図５に、燃焼システム２０の要部構成を模式的に示す。燃焼システム２０は、本分離装置１、及び、燃焼装置２１を備えて構成される。

【0081】

本実施形態では、本分離装置１の１段目の分離膜モジュール２の第１処理室５内に供給される混合ガスＦＧとして、有機物のメタン発酵により生成されたバイオガスに由来する成分を含む混合ガスであって、メタン（ＣＨ_４）とＣＯ_２と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を含む混合ガスを想定する。以下、１段目の分離膜モジュール２に供給される混合ガスＦＧを、「原料ガスＦＧ１」と称し、２段目以降の分離膜モジュール２の第１処理室５内に供給される混合ガスＦＧと区別する。

【0082】

本分離装置１は、原料ガスＦＧ１からＣＯ_２を除去し、最終段の分離膜モジュール２から、高純度のメタンを含む非透過ガスＥＧを燃焼装置２１に供給することができる。最終段の分離膜モジュール２から排出される非透過ガスＥＧのメタン濃度（回収メタン濃度）は、原料ガスＦＧ１のガス供給流量及びガス供給圧の調整、及び、水蒸気供給部１１による原料ガスＦＧ１及び各連結部１０における非透過ガスＥＧの相対湿度の調整等の各種パラメータの調整によって、所期の高濃度となるように制御することができる。

【0083】

燃焼装置２１は、例えばガスエンジンやガスタービン等であり、供給された非透過ガスＥＧに含まれる高純度メタンの燃焼反応による熱エネルギを、運動エネルギや電力等のエネルギに変換する。燃焼装置２１は、メタンの燃焼に適合するものであれば、特定の燃焼装置に限定されるものではない。

【0084】

原料ガスＦＧ１中のバイオガス由来の成分のうち、硫化水素、シロキサン等の不純物は、図示していない既存の脱硫装置、活性炭吸着方式のシロキサン除去装置等を用いて、予め取り除かれている。脱硫装置としては吸収液を用いた湿式脱硫法や酸化亜鉛や酸化鉄等の硫黄吸着材を用いた吸着脱硫方式が使用できる。また銅亜鉛系の超高次脱硫触媒を用いればｐｐｂレベル以下まで完全に硫黄を除去することができる。本分離装置１の分離膜モジュール２で用いるＣＯ_２キャリアの種類やその濃度によっては、硫化水素の影響を受けることがあるため、超高次脱硫触媒を用いるのが好ましい。

【0085】

本分離装置１の一部として設けられている水蒸気供給部１１は、第１実施形態において説明したように、主として連結部１０に水蒸気を供給するためのものであるが、原料ガスＦＧ１中の水蒸気が少なく、原料ガスＦＧ１の相対湿度が、所定値（例えば、５０％～８０％の範囲内で設定、一例として７０％）未満の場合、水蒸気供給部１１から、原料ガスＦＧ１に対して水蒸気を供給し、相対湿度が上記所定値以上となるように制御するのが好ましい。図５において、当該水蒸気の供給路を点線で示す。この場合、原料ガスＦＧ１の流路上に図示しない湿度計を配置し、湿度計の計測値に基づいて、水蒸気供給部１１が原料ガスＦＧ１に対して水蒸気を供給する。

【0086】

本実施形態では、本分離装置１の１段目の分離膜モジュール２の第１排出口８と燃焼装置２１のガス供給口の間のガス流路に、燃焼装置２１に供給される非透過ガスＥＧに含まれる水蒸気を除去するための水蒸気除去部２２が介装されている。

【0087】

水蒸気除去部２２で除去された水蒸気は、水蒸気として回収することにより、図５に例示するように、水蒸気供給部１１において、連結部１０に供給する水蒸気として再利用可能である。

【0088】

更に、図示していないが、本分離装置１の各段の分離膜モジュール２の各第２排出口９から排出される透過ガスＰＧをまとめて回収または再利用する装置に供給する場合は、透過ガスＰＧのガス流路に、別の水蒸気除去部を設け、透過ガスＰＧ中の水蒸気を回収し、水蒸気供給部１１において、連結部１０に供給する水蒸気として再利用しても良い。

【0089】

更に、水蒸気除去部２２、及び、透過ガスＰＧのガス流路に設けた水蒸気除去部において、非透過ガスＥＧ及び透過ガスＰＧ中の水蒸気を、水蒸気として回収するのではなく、水として回収する場合は、別途エネルギーを消費するが、回収した水を加熱して水蒸気を生成して、水蒸気供給部１１において利用してもよい。この場合、加熱用の熱源として、燃焼装置２１におけるメタンの燃焼により生成された高温の排気ガスを利用できる。

【0090】

以上、本実施形態で説明した燃焼システム２０によれば、例えば、燃焼装置２１としてガスエンジンを使用する場合において、燃焼システム２０に供給される燃料としてメタン濃度の変動が大きいバイオガスを使用する場合であっても、ガスエンジンには、メタン濃度の変動の抑制された高純度メタンガスを供給できるため、複雑なエンジン調整作業の必要なく安定した出力を得ることが可能で、小型化・高出力化を望める。

【0091】

［別実施形態］
以下に、別実施形態について説明する。

【0092】

〈１〉 上記実施形態では、分離膜モジュール２の複数段（ｍ段：ｍは２以上の整数）を直列に連結した分離膜モジュール列において、各分離膜モジュール２は、図１に示すような１台の分離膜モジュール２を想定した。しかし、各段の分離膜モジュール２は、２以上の分離膜モジュール２を並列に連結して構成しても良く、これにより、分離膜モジュール２の１段当たりの有効膜面積を大きくして、本分離装置１の処理能力を増大させても良い。この場合、各段において、２以上の分離膜モジュール２の各第１送入口７は相互に連結し１つの第１送入口７とし、２以上の分離膜モジュール２の各第１排出口８も相互に連結し１つの第１排出口８とし、当該２以上の分離膜モジュール２が１つの分離膜モジュール２として機能する。

【0093】

〈２〉 上記実施形態では、分離膜モジュール２のＣＯ_２分離膜３の形状として、図１及び図２に示すように、平膜状のＣＯ_２分離膜３をそのままの形状で使用する平板型を例示したが、ＣＯ_２分離膜３を円筒状の２層乃至４層構造とする円筒型、２層乃至４層構造の平膜状の１または複数枚のＣＯ_２分離膜３をスパイラル状に複数回巻いた形状とするスパイラル型、或いは、２層乃至４層構造の平膜状の１または複数枚のＣＯ_２分離膜３を蛇腹状に折り畳んだ形状とするプリーツ型、等の平板型以外の形状であっても良い。

【産業上の利用可能性】

【0094】

本発明に係るＣＯ_２分離装置及びＣＯ_２分離方法は、二酸化炭素を選択的に分離する分離膜モジュールを複数段直列に連結して使用し、二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を選択的に分離することに利用可能である。

【符号の説明】

【0095】

１： ＣＯ_２分離装置
２： 分離膜モジュール
３： ＣＯ_２分離膜
４： 筐体
５： 第１処理室
６： 第２処理室
７： 第１送入口
８： 第１排出口
９： 第２排出口
１０： 連結部
１１： 水蒸気供給部
２０： 燃焼システム
２１： 燃焼装置
２２： 水蒸気除去部
ＦＧ： 混合ガス
ＦＧ１： 原料ガス
ＥＧ： 非透過ガス
ＰＧ： 透過ガス
ＳＧ： スイープガス
ＭＧ： 透過ガスとスイープガスの混合ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】