CN111094725A - 发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的发电系统具备：燃料气体供给装置(13)，其对于含有甲烷和二氧化碳的混合气体(MG)，将甲烷浓度或二氧化碳浓度控制为针对燃气发动机(11)的燃料气体中的该浓度所设定的设定范围内，并作为燃料气体供给至燃气发动机(11)；和气体浓度传感器(14)，其测量混合气体(MG)的二氧化碳浓度或甲烷浓度。燃料气体供给装置(13)具备：二氧化碳除去装置(16)，其除去混合气体(MG)中的二氧化碳；和运转条件控制装置(17)，其控制影响二氧化碳除去装置(16)的二氧化碳除去率的增减的运转条件，运转条件控制装置(17)基于气体浓度传感器(14)的测量结果，控制二氧化碳除去装置(16)的该运转条件，由此控制混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度。

Description

发电系统
技术领域
本发明涉及一种具备燃气发动机和发电机的发电系统，所述燃气发动机通过消耗包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体而产生动能，所述发电机由所述燃气发动机所产生的所述动能驱动并进行发电，特别涉及一种使用混合气体作为燃料气体的发电系统，所述混合气体以来自于通过生物质、有机性废弃物等有机物的甲烷发酵而生成的沼气的甲烷和二氧化碳作为主成分。
背景技术
近年来，将通过生物质、下水道污泥等有机性废弃物的甲烷发酵而获得的沼气作为新能源利用的做法受到关注。该沼气作为替代化石燃料的物质用于发电或锅炉等用途中。
沼气以甲烷和二氧化碳作为主成分，根据甲烷气体的制造条件(发酵条件)和原料种类，甲烷浓度可以在约50％～75％左右的范围中变动，二氧化碳浓度可以在约25％～50％左右的范围中变动。另外，微量地含有硅氧烷、硫化氢等硫化物，在利用时需要去除。
另一方面，作为将沼气等以甲烷作为主成分的混合气体用作燃料的燃气发动机，有设想将沼气直接作为燃料使用的沼气发动机、和设想将天然气作为燃料使用的天然气发动机。为了使用沼气作为天然气发动机的燃料，需要预先降低沼气中的二氧化碳浓度，以便将甲烷的纯度提高到90％左右以上。另外，在沼气发动机的情况下，容许将混合气体中的二氧化碳浓度作为规格值例如设定为35％～40％左右。
作为使用了沼气发动机的发电装置，例如，在下述的专利文献1中，公开了根据向发动机供给沼气的压力来控制所驱动的燃气发动机的总数和过剩气体燃烧装置的驱动的沼气发电装置。
另外，在下述的专利文献2中，公开了一种发电系统，其将沼气中的二氧化碳及硫化氢使用碱吸收液吸收分离而提纯沼气，将甲烷浓度稳定地提高到90％以上后，作为使用了燃气发动机、燃气涡轮的发动机式的发电装置、或使用了燃料电池的燃料电池式的发电装置的燃料加以利用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-209706号公报
专利文献2：日本特开2002-275482号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在将上述的沼气等以甲烷作为主成分的混合气体用作燃料的沼气发动机及天然气发动机等燃气发动机中，甲烷浓度的变动不仅成为发动机的输出功率变动的重要原因，而且给发动机造成大的负荷，成为降低发动机的使用年限的重要原因。
另外，对于二氧化碳浓度及甲烷浓度大幅度变动的沼气，即使以恒定的二氧化碳除去率进行二氧化碳的除去或分离，所得的混合气体的二氧化碳浓度及甲烷浓度也未必稳定，其结果是，该甲烷浓度的变动成为降低发动机的使用年限的重要原因。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种发电系统，是将包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体向发动机供给并进行发电的发电系统，抑制燃料气体的二氧化碳浓度及甲烷浓度的变动，减小施加于发动机的负荷，从而可以实现发动机的高寿命化。
用于解决问题的方法
本发明所涉及的发电系统的第1特征为，是具备燃气发动机和发电机的发电系统，所述燃气发动机通过消耗包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体而产生动能，所述发电机由所述燃气发动机所产生的所述动能驱动并进行发电，所述发电系统还具备：燃料气体供给装置，其对于从外部供给的以甲烷和二氧化碳作为主成分的混合气体，将所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的至少任意一方对象成分气体的浓度控制为针对所述燃气发动机的所述燃料气体中的所述对象成分气体的浓度所设定的设定范围内，并作为所述燃料气体向所述燃气发动机供给；和气体浓度传感器，其测量所述混合气体的二氧化碳浓度和甲烷浓度的至少任意一者的浓度，
所述燃料气体供给装置具备：二氧化碳除去装置，其除去所述混合气体中的二氧化碳；和运转条件控制装置，其控制影响所述二氧化碳除去装置的二氧化碳除去率的增减的运转条件，
所述气体浓度传感器配置于所述二氧化碳除去装置的前段和后段的至少任意一者，
所述运转条件控制装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，控制所述二氧化碳除去装置的所述运转条件，由此控制所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度。
根据上述第1特征的发电系统，即使从外部向燃料气体供给装置供给的混合气体的甲烷浓度及二氧化碳浓度像沼气那样大幅度变动，也能够进行根据该浓度变动来增减二氧化碳除去装置的二氧化碳除去率的控制，因此作为燃料气体向燃气发动机供给甲烷浓度或二氧化碳浓度被控制为与所使用的燃气发动机对应的设定范围内的混合气体，所以即使从外部供给的混合气体的上述浓度变动大，也可以大幅度减轻施加于燃气发动机的负荷，可以实现燃气发动机的长寿命化。例如，在如下的状况下，即，以某个二氧化碳浓度及甲烷浓度稳定地供给混合气体，且二氧化碳除去装置对于该混合气体以某个二氧化碳除去率除去二氧化碳而降低二氧化碳浓度、提高甲烷浓度，将二氧化碳浓度和甲烷浓度的至少任意一者控制为燃气发动机的设定范围，稳定地进行燃气发动机的运转，在该状况下，在混合气体的二氧化碳浓度增加、甲烷浓度降低时，运转条件控制装置控制二氧化碳除去装置的运转条件而增加二氧化碳除去率，由此可以抑制混合气体的二氧化碳浓度的增加、以及甲烷浓度的降低，因此可以维持上述的稳定的燃气发动机的运转。在混合气体的二氧化碳浓度降低、甲烷浓度增加时，运转条件控制装置控制二氧化碳除去装置的运转条件而降低二氧化碳除去率，由此同样地可以维持上述的稳定的燃气发动机的运转。
需要说明的是，由于处于当二氧化碳浓度降低或增加时则甲烷浓度增加或降低的关系，因此若将二氧化碳和甲烷的任意一者设为浓度测量或浓度控制的对象(对象成分气体)，则也能够实现另一者的浓度测量或浓度控制。因而，不一定需要将二氧化碳和甲烷两者各自设为对象成分气体，分别地进行浓度测量和浓度控制，然而也可以将该两者各自设为对象成分气体，分别地进行浓度测量和浓度控制。
另外，对于成为气体浓度传感器对二氧化碳浓度和甲烷浓度的至少任意一者的浓度进行测量的对象的混合气体而言，可以是在燃料气体供给装置中将对象成分气体的浓度控制为设定范围内前后的任意一者，或者可以是前后两者的混合气体。
此外，本发明所涉及的发电系统在上述第1特征的基础上，采用如下的第2特征，即，所述二氧化碳除去装置具备将所述混合气体中所含的二氧化碳选择性地与甲烷分离的二氧化碳分离膜、与由所述二氧化碳分离膜隔开的第1处理室和第2处理室而构成，
所述第1处理室设有将所述混合气体接收至所述第1处理室内的第1收入口、和将控制了所述对象成分气体的浓度的所述第1处理室内的所述混合气体作为所述燃料气体排出的第1排出口，
所述第2处理室设有将经由所述二氧化碳分离膜从所述第1处理室向所述第2处理室透过的气体排出的第2排出口，
所述运转条件控制装置作为影响所述二氧化碳分离膜的二氧化碳除去率的增减的运转条件，基于所述气体浓度传感器的测量结果，控制包括向所述第1处理室内供给的所述混合气体的流量、所述第1处理室内的压力、所述第2处理室内的压力、所述二氧化碳分离膜的环境温度、以及所述二氧化碳分离膜的膜面积在内的控制对象运转条件候选中的至少1个。
此外，本发明所涉及的发电系统在上述第2特征的基础上，采用如下的第3特征，即，所述第2处理室具有将吹扫气体接收至所述第2处理室内的第2收入口，所述第2处理室为将经由所述二氧化碳分离膜从所述第1处理室向所述第2处理室透过的气体和所述吹扫气体从所述第2排出口排出的结构，在所述控制对象运转条件候选中，包括向所述第2处理室内供给的所述吹扫气体的流量。
根据上述第2或第3特征的发电系统，对于运转条件控制装置通过控制二氧化碳除去装置的运转条件而进行的二氧化碳除去率的增减而言，可以从二氧化碳分离膜的上述的多个运转条件中，根据二氧化碳浓度和甲烷浓度变动的程度，使用1个或组合使用2个以上，从而实现更高精度的二氧化碳浓度和甲烷浓度的控制。
此外，本发明所涉及的发电系统在上述第2或第3特征的基础上，采用如下的第4特征，即，所述二氧化碳分离膜是添加有不与甲烷反应而与二氧化碳选择性地反应的二氧化碳载体的促进输送膜，在所述控制对象运转条件候选中，包括影响所述第1处理室内的相对湿度及所述第2处理室内的相对湿度的至少任意一者的增减的1个以上的运转条件。
此处，所谓“二氧化碳载体”，是指具有如下效果的物质，即，通过在膜内含有构成该载体的物质，可以利用促进输送机理促进二氧化碳的膜透过速度。
根据上述第4特征的发电系统，促进输送膜中的二氧化碳载体与混合气体中的二氧化碳选择性地反应，将二氧化碳选择性地与甲烷分离，因此能够实现甲烷与二氧化碳的有效的分离。即，能够有效地降低混合气体的二氧化碳浓度、增加甲烷浓度。另外，促进输送膜中，由于二氧化碳与载体的反应时产生的能量被用于载体用来释放二氧化碳的能量，因此无需从外部供给能量，在本质上节省能量，从而可以实现对混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度控制的节能化。此外，由于在二氧化碳分离膜为促进输送膜的情况下，尤其能够以小的膜面积实现有效的二氧化碳的分离，因此与其他的二氧化碳除去装置相比，能够实现装置的小型化，其结果是，能够实现发电系统整体的小型化。
此外，上述第4特征的发电系统优选在向所述第1处理室内供给的所述混合气体、以及向所述第2处理室内供给的所述吹扫气体的至少任意一者中包含水蒸气。但是，在所述吹扫气体中包含水蒸气的情况仅限于具有上述第3特征的情况。由此，在膜中确保二氧化碳的促进输送机理所必需的水分，因而发挥作为促进输送膜的本来的性能。
此外，本发明所涉及的发电系统在上述第4特征的基础上，采用如下的第5特征，即，具备水蒸气供给部，其将水蒸气供给至向所述第1处理室内供给的上述混合气体、以及向所述第2处理室内供给的所述吹扫气体的至少任意一者的对象气体。但是，所述对象气体包含所述吹扫气体的情况仅限于具有上述第3特征的情况。
根据上述第5特征的发电系统，在膜中确保二氧化碳的促进输送机理所必需的水分，因而发挥作为促进输送膜的本来的性能。
此外，上述第5特征的发电系统优选所述运转条件控制装置将从所述水蒸气供给部向所述对象气体的水蒸气添加量作为所述控制对象运转条件候选的1个进行控制。由此，可以容易地进行所述对象气体的相对湿度的控制。
此外，上述第5特征的发电系统优选所述水蒸气供给部将利用与从所述燃气发动机排出的高温排气的热交换来加热水而生成的水蒸气供给至所述对象气体，或者所述水蒸气供给部将从所述燃气发动机排出的排气中所含的水蒸气供给至所述对象气体。由此，可以实现排气中的废热或废水蒸气的有效利用，可以进一步实现发电系统整体的节能化。
此外，本发明所涉及的发电系统在上述第4或第5特征的基础上，采用如下的第6特征，即，所述混合气体包含来自于通过有机物的甲烷发酵而生成的沼气的气体，具备脱硫装置，所述脱硫装置使用了除去所述混合气体中所含的硫成分的超深度脱硫催化剂。
根据上述第6特征的发电系统，由于可以预先排除混合气体中所含的硫成分对二氧化碳载体造成的影响，因此作为促进输送膜的本来的性能得以维持。
此外，本发明所涉及的发电系统在上述任意一个特征的基础上，采用如下的第7特征，即，所述燃料气体供给装置具备第1气体供给装置，其在所述对象成分气体为二氧化碳的情况下，将所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的以甲烷作为主成分的第1浓度调整气体供给至所述混合气体，或者在所述对象成分气体为甲烷的情况下，将所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的以甲烷作为主成分的第1浓度调整气体供给至所述混合气体，
所述第1气体供给装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，在所述对象成分气体为二氧化碳、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的情况下，或者在所述对象成分气体为甲烷、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的情况下，将所述第1浓度调整气体供给至所述混合气体而控制所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度。
根据上述第7特征的发电系统，在混合气体的甲烷浓度的降低和二氧化碳浓度的增加的变动幅度大时、或者该变动急剧地发生时等情况下，即使仅利用运转条件控制装置来控制二氧化碳除去装置的运转条件，无法充分地应对该浓度变动，难以将二氧化碳浓度或甲烷浓度控制为设定范围内，甚至运转条件控制装置或二氧化碳除去装置因某些理由而不能发挥作用，也可以通过将第1浓度调整气体供给至混合气体，而直接地抑制甲烷浓度的降低和二氧化碳浓度的增加，可以将二氧化碳浓度或甲烷浓度控制为设定范围内。
此外，上述第7特征的发电系统优选所述第1气体供给装置具备：第2二氧化碳除去装置，其将所述混合气体中所含的二氧化碳选择性地与甲烷分离；和第1容器，其储存使用所述第2二氧化碳除去装置从所述混合气体分离二氧化碳而预先准备的所述第1浓度调整气体。由此，由于可以使用从外部向燃料气体供给装置供给的混合气体来预先准备第1浓度调整气体，因此无需为了用于第1浓度调整气体而另行准备天然气等高纯度的甲烷气体。
此外，本发明所涉及的发电系统在上述任意一个特征的基础上，采用如下的第8特征，即，所述燃料气体供给装置具备第2气体供给装置，其在所述对象成分气体为二氧化碳的情况下，将所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的以二氧化碳或以甲烷和二氧化碳作为主成分的第2浓度调整气体供给至所述混合气体，或者在所述对象成分气体为甲烷的情况下，将所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的以二氧化碳或以甲烷和二氧化碳作为主成分的第2浓度调整气体供给至所述混合气体，
所述第2气体供给装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，在所述对象成分气体为二氧化碳、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的情况下，或者在所述对象成分气体为甲烷、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的情况下，将所述第2浓度调整气体供给至所述混合气体。
根据上述第8特征的发电系统，在混合气体的甲烷浓度的增加和二氧化碳浓度的降低的变动幅度大时、或者该变动急剧地发生时等情况下，即使仅利用运转条件控制装置来控制二氧化碳除去装置的运转条件，无法充分地应对该浓度变动，难以将二氧化碳浓度或甲烷浓度控制为设定范围内，甚至运转条件控制装置或二氧化碳除去装置因某些理由而不能发挥作用，也可以通过将第2浓度调整气体供给至混合气体，而直接地抑制甲烷浓度的增加和二氧化碳浓度的降低，可以将二氧化碳浓度或甲烷浓度控制为设定范围内。
此外，上述第8特征的发电系统优选所述第2气体供给装置具备储存所述第2浓度调整气体的第2容器，所述第2浓度调整气体包含利用所述二氧化碳除去装置从所述混合气体除去的二氧化碳。由此，可以实现利用二氧化碳除去装置从混合气体除去的二氧化碳的再利用，无需为了用于第2浓度调整气体而另行准备二氧化碳。另外，在利用二氧化碳除去装置从混合气体除去的二氧化碳中包含一部分在混合气体中所含的甲烷的情况下，也可以实现该甲烷的有效利用。
本发明所涉及的发电系统的第9特征为，是具备燃气发动机和发电机的发电系统，所述燃气发动机通过消耗包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体而产生动能，所述发电机由所述燃气发动机所产生的所述动能驱动并进行发电，所述发电系统还具备：燃料气体供给装置，其对于从外部供给的以甲烷和二氧化碳作为主成分的混合气体，将所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的至少任意一方对象成分气体的浓度控制为针对所述燃气发动机的所述燃料气体中的所述对象成分气体的浓度所设定的设定范围内，并作为所述燃料气体向所述燃气发动机供给；和气体浓度传感器，其测量所述混合气体的二氧化碳浓度和甲烷浓度的至少任意一者的浓度，
所述燃料气体供给装置具备：第1气体供给装置，其在所述对象成分气体为二氧化碳的情况下，将所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的以甲烷作为主成分的第1浓度调整气体供给至所述混合气体，或者在所述对象成分气体为甲烷的情况下，将所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的以甲烷作为主成分的第1浓度调整气体供给至所述混合气体；和第2气体供给装置，其在所述对象成分气体为二氧化碳的情况下，将所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的以二氧化碳或以甲烷和二氧化碳作为主成分的第2浓度调整气体供给至所述混合气体，或者在所述对象成分气体为甲烷的情况下，将所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的以二氧化碳或以甲烷和二氧化碳作为主成分的第2浓度调整气体供给至所述混合气体，
所述第1气体供给装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，在所述对象成分气体为二氧化碳、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的情况下，或者在所述对象成分气体为甲烷、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的情况下，将所述第1浓度调整气体供给至所述混合气体，控制所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度，
所述第2气体供给装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，在所述对象成分气体为二氧化碳、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的情况下，或者在所述对象成分气体为甲烷、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的情况下，将所述第2浓度调整气体供给至所述混合气体，控制所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度。
根据上述第9特征的发电系统，即使从外部向燃料气体供给装置供给的混合气体的甲烷浓度和二氧化碳浓度像沼气那样大幅度变动，也能够根据该浓度变动，将第1浓度调整气体和第2浓度调整气体的任意一者供给至混合气体，控制混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度，因此可以作为燃料气体向燃气发动机供给将甲烷浓度或二氧化碳浓度控制为与所使用的燃气发动机对应的设定范围内的混合气体，所以即使从外部供给的混合气体的上述浓度变动大，也可以大幅度减轻施加于燃气发动机的负荷，可以实现燃气发动机的长寿命化。例如，在以某个二氧化碳浓度和甲烷浓度稳定地供给混合气体、燃气发动机稳定地运转的状况下，在混合气体的二氧化碳浓度增加、甲烷浓度降低时，第1气体供给装置可以将第1浓度调整气体供给至混合气体而抑制混合气体的二氧化碳浓度的增加、以及甲烷浓度的降低，因此可以维持上述的稳定化的燃气发动机的运转。在混合气体的二氧化碳浓度降低、甲烷浓度增加时，第2气体供给装置可以将第2浓度调整气体供给至混合气体而抑制混合气体的二氧化碳浓度的降低、以及甲烷浓度的增加，因此同样地可以维持上述的稳定化的燃气发动机的运转。
此外，上述第9特征的发电系统优选所述燃料气体供给装置具备：二氧化碳除去装置，其将所述混合气体中所含的二氧化碳选择性地与甲烷分离；和第1容器、第2容器，其分别储存使用所述二氧化碳除去装置从所述混合气体分离二氧化碳而预先准备的所述第1浓度调整气体和所述第2浓度调整气体。由此，当向二氧化碳除去装置供给混合气体时，则该混合气体的二氧化碳浓度降低、甲烷浓度增加，因此可以准备第1浓度调整气体，并可以通过回收利用二氧化碳除去装置分离出的二氧化碳而准备第2浓度调整气体，可以将这些预先准备的第1浓度调整气体和第2浓度调整气体分别地储存在第1容器和第2容器中，从而可以供第1气体供给装置和第2气体供给装置使用。
此外，上述任意一个特征的发电系统优选所述混合气体包含来自于通过有机物的甲烷发酵而生成的沼气的气体。由此，可以实现利用了沼气的高使用年限的发电系统。
发明效果
根据本发明所涉及的发电系统，在将包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体供给至发动机并进行发电的发电系统中，可以抑制燃料气体的二氧化碳浓度及甲烷浓度的变动而维持稳定化的燃气发动机的运转，从而可以实现高使用年限的发电系统。
附图说明
图1是示意性地表示第1和第2实施方式所涉及的发电系统的大致的构成例的方框图。
图2是示意性地表示第1～第3实施方式中使用的具备CO2分离膜的CO2除去装置的大致的结构的剖面图。
图3是示意性地表示第1实施方式所涉及的燃料气体供给装置、运转条件控制装置、以及水蒸气供给部的构成例的方框图。
图4是示意性地表示水蒸气供给部的另一构成例的方框图。
图5是表示模拟CO2除去装置的CO2回收率和燃料气体的CH4纯度与供给气体流量Ff之间的关系而得的结果的曲线图。
图6是表示模拟CO2除去装置的CO2回收率和燃料气体的CH4纯度与供给侧压力Pf之间的关系而得的结果的曲线图。
图7是表示模拟CO2除去装置的CO2回收率和燃料气体的CH4纯度与透过侧压力Ps之间的关系而得的结果的曲线图。
图8是表示模拟CO2除去装置的CO2回收率和燃料气体的CH4纯度与吹扫气体流量Fs之间的关系而得的结果的曲线图。
图9是表示模拟CO2除去装置的CO2回收率和燃料气体的CH4纯度与环境温度Ta之间的关系而得的结果的曲线图。
图10是表示模拟CO2除去装置的CO2回收率和燃料气体的CH4纯度与膜面积Sm之间的关系而得的结果的曲线图。
图11是表示为了获得图5～图10中所示的各模拟结果而使用的条件的一览表。
图12是示意性地表示第2实施方式所涉及的燃料气体供给装置以及运转条件控制装置的构成例的方框图。
图13是示意性地表示第2实施方式所涉及的第1气体供给装置的构成例的方框图。
图14是示意性地表示第2实施方式所涉及的第2气体供给装置的构成例的方框图。
图15是示意性地表示第2实施方式所涉及的燃料气体供给装置以及运转条件控制装置的另一构成例的方框图。
图16是示意性地表示第2实施方式所涉及的第1气体供给装置的另一构成例的方框图。
图17是示意性地表示第3实施方式所涉及的发电系统的大致的构成例的方框图。
图18是示意性地表示第3实施方式所涉及的燃料气体供给装置的构成例的方框图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的几个实施方式所涉及的发电系统(以下适当地称作“本系统”。)进行说明。
[第1实施方式]
首先，参照附图，对第1实施方式所涉及的本系统的大致构成进行说明。图1是示意性地表示本系统10的大致的构成例的方框图。
如图1所示，本系统10具备燃气发动机11、发电机12、燃料气体供给装置13、以及气体浓度传感器14而构成。本实施方式中，如图1所示，设想为燃气发动机11和发电机12各自具备1台的情况，然而也可以是相对于1台燃料气体供给装置13具备多个燃气发动机11的构成或者具备多组的燃气发动机11和发电机12的构成。需要说明的是，图1中的箭头简化地表示出气体流动的流路及方向。另外，省略了气体流路中必需的三通阀、混合阀等的记载。这些对于以后说明的本系统的各重要部分构成图也同样适用。另外，在各重要部分构成图中，有时对于相同的构成要素使用相同的符号而省略其说明。
燃气发动机11是沼气发动机或天然气发动机等，其将沼气或天然气等包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体FG与空气混合并在燃烧室内燃烧，将通过该燃料气体FG的燃烧反应而产生的热能转变为动能并输出。进行燃气发动机11的运转控制(例如燃料气体FG的供给量和供给时刻、点火时刻、节气门的开度(空气的供给量)、气门正时(吸气阀和排气阀的开闭定时)等的控制)的发动机控制单元作为燃气发动机11的一部分附属，图1中省略了图示。另外，向包括发动机控制单元在内的燃气发动机11供给运转所必需的电力的辅助电源(蓄电池等)也省略了图示。
发电机12使用具备转子和定子的同步发电机或感应发电机等交流发电机构成，将从燃气发动机11供给的动能转变为电能后输出交流电。交流发电机的结构和形式并不限定于特定的结构和形式。从发电机12输出的交流电根据需要输出至逆变器装置15，在逆变器装置15中，从发电机12输出的1次交流电暂时变换为直流电后，变换为所期望的频率、电压、形式(单相或三相)的2次交流电，供给至规定的电力负载，另外，根据需要进行并网。逆变器装置15不一定是本系统10的构成要素，然而也可以作为本系统10的一部分。
燃料气体供给装置13是如下的装置，即，对于从外部供给的以甲烷和二氧化碳作为主成分的混合气体MG，将混合气体MG中的甲烷和二氧化碳的至少任意一方对象成分气体的浓度(干基)控制为针对燃气发动机11的燃料气体FG中的对象成分气体的浓度(干基)所设定的设定范围内，作为燃料气体FG向燃气发动机11供给的装置。本实施方式中，作为混合气体MG，设想为使用来自于通过生物质、下水道污泥等有机性废弃物的甲烷发酵而得的沼气的混合气体。需要说明的是，沼气来源的混合气体MG在向燃料气体供给装置13供给前，被使用现有的脱硫装置、活性炭吸附方式的硅氧烷除去装置等杂质除去装置(未图示)预先去掉了沼气来源的成分中的硫化氢、硅氧烷等杂质。以下，只要没有特别指出，在各实施方式的说明中，混合气体MG及燃料气体FG等的二氧化碳浓度及甲烷浓度是干基的浓度。
作为脱硫装置可以采用使用了吸收液的湿式脱硫法、使用了氧化锌、氧化铁等硫吸附材料的吸附脱硫方式。另外，若使用铜锌系的超深度脱硫催化剂，则可以将硫完全地除去至ppb水平以下。特别是后述的CO2分离膜20使用促进输送膜的情况下，促进输送膜根据所用的载体的种类或其浓度的不同，有时受到硫化氢的影响，因此优选使用超深度脱硫催化剂。
混合气体MG可以利用如下的构成等各种供给方式，即，从沼气的制造设备经由管道及上述杂质除去装置等向燃料气体供给装置13直接供给的构成；或将沼气从沼气的制造设备暂时地储存在储罐中后，经由管道和上述杂质除去装置等向燃料气体供给装置13供给的构成等。
此外，燃料气体供给装置13具备除去混合气体MG中的二氧化碳的CO2除去装置16、和控制影响CO2除去装置16的二氧化碳除去率的增减的运转条件的运转条件控制装置17。
CO2除去装置16可以利用基于膜分离法、化学吸收法、变压吸附(PSA：PressureSwing Adsorption)法、变温吸附(TSA：Temperature Swing Adsorption)法等各种气体分离方式的装置，本实施方式中，具备基于膜分离法的CO2分离膜20而构成。
具体而言，CO2除去装置16如图2(A)及(B)所示，具备CO2分离膜20和由CO2分离膜20隔开的第1处理室21、第2处理室22而构成。第1处理室21设有第1收入口21a，其将混合气体MG接收至第1处理室21内；和第1排出口21b，其将在第1处理室21内将混合气体MG中的上述对象成分气体(甲烷或二氧化碳)的浓度依照后述的要领控制为上述设定范围(甲烷浓度的设定范围Wch4、或二氧化碳浓度的设定范围Wco2)内的混合气体作为燃料气体FG向第1处理室21外排出。另外，第2处理室22设有第2收入口22a，其将吹扫气体SG接收至第2处理室22内；和第2排出口22b，其将经由CO2分离膜20从第1处理室21向第2处理室22透过的混合气体MG的一部分与吹扫气体SG的混合气体EG排出。需要说明的是，图2(A)是针对CO2分离膜20为平板状的情况分别示意性地表示CO2除去装置16的大致结构的2种剖面图。图2(A)的各剖面图的剖面与CO2分离膜20正交，并彼此正交。图2(B)是针对CO2分离膜20为圆筒形的情况分别示意性地表示CO2除去装置16的大致结构的2种剖面图。图2(B)的各剖面图的剖面为穿过圆筒形的CO2分离膜20的轴心的剖面、和与该轴心正交的剖面。因而，图2(A)和(B)的各部的尺寸比不一定与实际的CO2除去装置16的各部的尺寸比一致。需要说明的是，图2(A)和(B)中的箭头示意性地表示各部的气体的流动方向。
作为甲烷浓度的设定范围Wch4，在燃气发动机11为沼气发动机的情况下，例如设想为65％±5％或70％±5％等，在燃气发动机11为天然气发动机的情况下，例如设想为80％±5％或85％±5％等。另外，作为二氧化碳浓度的设定范围Wco2，在燃气发动机11为沼气发动机的情况下，例如设想为35％±5％或30％±5％等，在燃气发动机11为天然气发动机的情况下，例如设想为20％±5％或15％±5％等。但是，在设定甲烷浓度的设定范围Wch4和二氧化碳浓度的设定范围Wco2两者的情况下，在甲烷浓度处于设定范围Wch4内时，二氧化碳浓度也需要设定为设定范围Wco2内。
作为CO2分离膜20，本实施方式中，使用向凝胶膜中添加有不与甲烷反应而与二氧化碳选择性地反应的公知的CO2载体的CO2促进输送膜。CO2促进输送膜中，二氧化碳在基于溶解、扩散机理的物理透过的基础上，还作为与CO2载体的反应产物透过，因此透过速度得到促进。另一方面，由于不与CO2载体反应的甲烷、氮、氢等气体仅利用溶解、扩散机理透过，因此二氧化碳相对于这些气体的分离系数极大。对于氩、氦之类的非活性气体也同样，由于不与CO2载体反应，因此与二氧化碳相比透过性极小。此外，由于二氧化碳与CO2载体的反应时产生的能量被用于CO2载体用来释放二氧化碳的能量，因此无需从外部供给能量，本质上为节能工艺。
作为CO2载体，例如可以举出碳酸铯或碳酸氢铯、或者碳酸铷或碳酸氢铷等碱金属的碳酸盐或碳酸氢盐。同样，氢氧化铯或氢氧化铷等碱金属的氢氧化物也与二氧化碳反应而生成碳酸盐、碳酸氢盐，因此可以称作等价物。除此以外，已知2，3-二氨基丙酸盐(DAPA)、甘氨酸之类的氨基酸显示出高的CO2选择透过性能。
另外，CO2促进输送膜可以通过使在凝胶膜内包含上述CO2载体而构成的凝胶层担载于亲水性或疏水性的多孔膜来构成。作为构成凝胶膜的膜材料的例子，可以举出聚乙烯醇(PVA)膜、聚丙烯酸(PAA)膜、聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA/PAA)盐共聚物膜等。已知该构成的CO2促进输送膜显示出高的CO2选择透过性能(例如参照日本专利4621295号、日本特开2008-036463号、日本特开2013-049048号等专利公报、公开专利公报)。
但是，CO2促进输送膜在膜内没有水分的情况下二氧化碳的透过速度非常小，为了获得高的透过速度，膜内的水分不可或缺。为此，凝胶膜优选为水凝胶膜。通过用保水性高的水凝胶膜来构成凝胶膜，即使在凝胶膜内的水分变少的环境下(例如100℃以上的高温)，也能够尽可能地在膜内保持水分，可以实现高的CO2透过率。在上述的例子中，聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA/PAA)盐共聚物膜及聚丙烯酸膜为水凝胶膜。需要说明的是，水凝胶是亲水性聚合物通过利用化学交联或物理交联进行交联而形成的三维网络结构物，具有通过吸收水而发生溶胀的性质。
本实施方式中，由于使用CO2促进输送膜作为CO2分离膜20，因此如上所述地进行凝胶膜内所必需的水分的供给。为此，CO2除去装置16具备向混合气体MG和吹扫气体SG两者供给水蒸气(steam)的水蒸气供给部18。水蒸气供给部18在内部生成水蒸气，或者从外部接受水蒸气的供给，如图3所示，向连接于第1收入口21a的第1供给管23a、和连接于第2收入口22a的第2供给管24a分别地供给上述水蒸气。由此，可以将混合气体MG和吹扫气体SG的各相对湿度分别地设定为任意的规定值。需要说明的是，在水蒸气供给部18在内部生成水蒸气时，可以利用与从燃气发动机11排出的高温排气的热交换来加热水而生成该水蒸气。由此，可以有效地利用该排气的废热。
此外，本实施方式中，由于从水蒸气供给部18向混合气体MG中添加水蒸气，因此在刚刚从第1排出口21b排出后的燃料气体FG中也包含水蒸气(steam)。在将燃料气体FG向燃气发动机11供给前，为了进行从燃料气体FG除去该水蒸气的处理，本实施方式中，在连接于第1排出口21b的第1排气管23b设置有水蒸气除去部19。
水蒸气除去部19可以利用使用冷凝器的构成、使用全氟系膜(或全氟磺酸系膜)等水蒸气透过膜的公知的构成。例如，在使用水蒸气透过膜的情况下，由于水蒸气并非经过冷却的液体状态的水，而是以气体状态(具有潜热的状态)回收，因此可以将被除去的水蒸气的至少一部分原样不变地送回水蒸气供给部18，作为混合至混合气体MG和吹扫气体SG中的水蒸气再利用(参照图3)。作为水蒸气透过膜，也可以使用上述的促进输送膜。该情况下，促进输送膜可以用与CO2分离膜20不同的材料构成，也可以用相同的材料构成。使用了促进输送膜的水蒸气选择透过膜的例子公开于国际公开第2012/014900号中。
此外，如图4所示，可以在从燃气发动机11排出的排气XG的流路上，设置水蒸气分离部18a，将排气XG中所含的水蒸气分离。可以将分离出的水蒸气供给至水蒸气供给部18，添加至混合气体MG和吹扫气体SG中。水蒸气分离部18a与上述的水蒸气除去部19相同，可以利用使用水蒸气透过膜的公知的构成。此外，水蒸气分离部18a也可以使用促进输送膜。
CO2促进输送膜如图2(A)及(B)所示，可以考虑平板状或筒状(例如圆筒状)等各种形状。例如，在通过在圆筒形的多孔支承体的外周侧面或内周侧面形成包含CO2载体的凝胶膜而构成CO2促进输送膜的情况下，在该圆筒状的CO2促进输送膜的内侧形成第1处理室21和第2处理室22的一者，在其外侧形成第1处理室21和第2处理室22的另一者。此外，在为了提高CO2除去装置16的处理能力而需要增大CO2促进输送膜的膜面积的情况下，可以增加平板状或筒状的CO2促进输送膜的个数，在1个壳体内设置多个CO2促进输送膜，形成多个第1处理室21和第2处理室22的至少一者，使多个第1处理室21相互连通，或者使多个第2处理室22相互连通，或者进行这两种操作，以实现膜面积的增大。
本实施方式中，运转条件控制装置17基于后述的气体浓度传感器14的测量结果，作为影响CO2除去装置16的二氧化碳除去率的增减的运转条件，即，作为影响CO2分离膜(CO2促进输送膜)20的二氧化碳除去率的增减的运转条件，控制包括向第1处理室21内供给的混合气体MG的流量(供给气体流量Ff)、第1处理室21内的压力(供给侧压力Pf)、第2处理室22内的压力(透过侧压力Ps)、向第2处理室22内供给的吹扫气体SG的流量(吹扫气体流量Fs)、CO2分离膜20的环境温度Ta、CO2分离膜20的膜面积Sm在内的控制对象运转条件候选中的至少1个。运转条件控制装置17通过控制上述控制对象运转条件候选中所含的运转条件的至少1个，来增加或降低CO2除去装置16的二氧化碳除去率，作为其结果，进行将燃料气体FG的甲烷浓度或二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wch4或设定范围Wco2内的控制。
气体浓度传感器14如图1及图3所示，是设置在连接于第1收入口21a的第1供给管23a、即CO2除去装置16的前段的、测定混合气体MG的甲烷浓度(干基)和二氧化碳浓度(干基)的至少任意一者的浓度的气体传感器。本实施方式中，由于混合气体MG来自于沼气，因此以干基计，甲烷浓度有可能在高于爆炸上限浓度(15vol％)的约50％～75％左右的范围中变动，二氧化碳浓度有可能在约25％～50％左右的范围中变动，因而气体浓度传感器14使用无论对象成分气体为甲烷和二氧化碳的哪一种都可以测定覆盖上述变动范围的高浓度的公知的气体传感器。另外，气体浓度传感器14可以设置于CO2除去装置16的后段。该情况下，由于通过CO2除去装置16后的混合气体(燃料气体FG)的甲烷浓度被控制为上述设定范围Wch4内，二氧化碳浓度被控制为上述设定范围Wco2内，因此气体浓度传感器14使用无论对象成分气体为甲烷和二氧化碳的哪一种都可以测定覆盖上述设定范围的高浓度的公知的气体传感器。需要说明的是，无论对象成分气体是甲烷和二氧化碳的哪一种，沼气来源的混合气体MG中都主要地发生甲烷和二氧化碳的浓度变动，若存在当一者增加时另一者即相应地降低的关系，则气体浓度传感器14可以仅测定甲烷浓度和二氧化碳浓度的一者，根据一者的测定结果导出另一者。以下的说明中，也包括根据甲烷浓度和二氧化碳浓度的一者的测定结果导出另一者的情况在内，总称为“测定等”。
运转条件控制装置17如图3所示，在使用供给气体流量Ff作为上述运转条件的情况下，在连接于第1收入口21a的第1供给管23a，夹设控制混合气体MG的流量的质量流量控制器25，在使用供给侧压力Pf作为上述运转条件的情况下，在连接于第1排出口21b的第1排气管23b夹设背压阀26，在背压阀26的上游侧设置压力计27，在使用吹扫气体流量Fs作为上述运转条件的情况下，在连接于第2收入口22a的第2供给管24a，夹设控制吹扫气体SG的流量的质量流量控制器28，在使用透过侧压力Ps作为上述运转条件的情况下，在连接于第2排出口22b的第2排气管24b夹设背压阀29，在背压阀29的上游侧设置压力计30，此外还具备控制质量流量控制器25和28、背压阀26和29等的控制部17a，形成能够控制上述各运转条件的构成。需要说明的是，由于质量流量控制器25和28也作为质量流量计发挥作用，因此利用质量流量控制器25和28的供给气体流量Ff和吹扫气体流量Fs的控制状态可以自行确认。另外，压力计27是用于确认利用背压阀26的供给侧压力Pf的控制状态的装置，压力计30是用于确认利用背压阀29的透过侧压力Ps的控制状态的装置。因而，根据使用供给气体流量Ff、供给侧压力Pf、吹扫气体流量Fs、透过侧压力Ps中的哪个运转条件作为控制对象，将质量流量控制器25、背压阀26和压力计27、质量流量控制器28、以及背压阀29和压力计30中的必要的组合设置于上述规定部位。控制部17a是具备微型计算机、可编程逻辑器件等而构成的能够处理数字信号或模拟信号等的控制装置。
运转条件控制装置17进一步形成如下的构成，即，在使用CO2分离膜20的环境温度Ta作为上述运转条件的情况下，将运转条件控制装置17例如设置于恒温槽内，在使用CO2分离膜20的膜面积Sm作为上述运转条件的情况下，将CO2分离膜20分割为多个膜单元，在各膜单元分别设置第1处理室21和第2处理室22，以能够增减供给混合气体MG的膜单元的个数的方式构成，可以从控制部17a控制上述环境温度Ta和膜面积Sm的各运转条件。
下面，将表示上述各运转条件能够在实际中控制二氧化碳除去率的增减的模拟结果依照不同运转条件表示于图5～图10中。图5表示出运转条件为供给气体流量Ff时的模拟结果，图6表示出运转条件为供给侧压力Pf时的模拟结果，图7表示出运转条件为透过侧压力Ps时的模拟结果，图8表示出运转条件为吹扫气体流量Fs时的模拟结果，图9表示出运转条件为环境温度Ta时的模拟结果，图10表示出运转条件为膜面积Sm时的模拟结果。图5～图10的各纵轴表示CO2除去装置16的CO2回收率[％]和燃料气体FG的CH4纯度[％]，各横轴表示各运转条件。CO2回收率[％]作为用从第2排出口22b排出的混合气体EG中的二氧化碳的流量除以混合气体MG中的二氧化碳的流量而得的值(百分率)算出，表示出上述二氧化碳除去率。CH4纯度[％]作为用从第1排出口21b排出的燃料气体FG中的甲烷的流量除以相同燃料气体FG的流量(干基)而得的值(百分率)算出。
另外，将各模拟中所使用的条件集中表示于图11中。图11中，成为运转条件的项目的值表述为“变量”。图11中，混合气体MG的组成比(体积比)以干基显示，在图11中所示的温度条件和压力条件下，以将相对湿度维持为70％的方式添加水蒸气(steam)。吹扫气体SG的组成比(体积比：湿基)以在相同温度条件和压力条件下将相对湿度维持为70％的方式设定。因而，在图7中，吹扫气体SG的组成比在将相对湿度固定为70％的情况下，随着透过侧压力Ps而变化，因此省略了显示。需要说明的是，在各模拟中，将混合气体MG和吹扫气体SG的相对湿度固定为70％是为了排除该相对湿度的变动的影响，从而能够仅评价上述各运转条件对CO2除去装置16的CO2回收率[％]和燃料气体FG的CH4纯度[％]造成的影响。
需要说明的是，除了运转条件为环境温度Ta的情况以外，作为各模拟中所使用的CO2分离膜(CO2促进输送膜)20的膜性能，方便起见，分别作为恒定值视为CO2透过率＝1.5×10-5[mol/(m2skPa)]，CH4透过率＝1.0×10-7[mol/(m2skPa)]，H2O透过率＝4.0×10-5[mol/(m2skPa)]。在运转条件为环境温度Ta的情况下，与环境温度Ta的变化匹配地使CO2透过率直接变化。虽然实际的各膜性能随着运转条件而变动，然而足以通过模拟来研究上述各运转条件与CO2除去装置16的CO2回收率[％]和燃料气体FG的CH4纯度[％]之间的大致的关系。
如图5所示，可知在使用供给气体流量Ff作为上述运转条件的情况下，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]随着供给气体流量Ff的增加而降低，具有负相关关系。由此，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度低于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度高于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对质量流量控制器25进行降低供给气体流量Ff的控制，提高CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。相反，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度高于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度低于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对质量流量控制器25进行增加供给气体流量Ff的控制，降低CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。
如图6所示，可知在使用供给侧压力Pf作为上述运转条件的情况下，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]随着供给侧压力Pf的增加而增加，具有正相关关系。由此，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度低于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度高于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对背压阀26进行增加供给侧压力Pf的控制，提高CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。相反，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度高于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度低于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对背压阀26进行降低供给侧压力Pf的控制，降低CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。
如图7所示，可知在使用透过侧压力Ps作为上述运转条件的情况下，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]随着透过侧压力Ps的增加而降低，具有负相关关系。由此，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度低于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度高于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对背压阀29进行降低透过侧压力Ps的控制，提高CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。相反，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度高于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度低于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对背压阀29进行增加透过侧压力Ps的控制，降低CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。
如图8所示，可知在使用吹扫气体流量Fs作为上述运转条件的情况下，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]随着供给气体流量Ff的增加而增加，具有正相关关系。由此，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度低于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度高于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对质量流量控制器28进行增加吹扫气体流量Fs的控制，提高CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。相反，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度高于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度低于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对质量流量控制器28进行降低吹扫气体流量Fs的控制，降低CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。
如图9所示，可知在使用环境温度Ta作为上述运转条件的情况下，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]随着环境温度Ta的升高而增加，具有正相关关系。由此，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度低于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度高于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对恒温槽进行升高环境温度Ta的控制，提高CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。相反，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度高于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度低于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对恒温槽进行降低环境温度Ta的控制，降低CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。
如图10所示，可知在使用膜面积Sm作为上述运转条件的情况下，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]随着膜面积Sm的增加而增加，具有正相关关系。由此，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度低于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度高于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对CO2除去装置16进行增加所使用的膜单元的个数(膜面积Sm)的控制，提高CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。相反，在利用气体浓度传感器14等测定出的甲烷浓度高于上述设定范围Wch4的情况下、或二氧化碳浓度低于上述设定范围Wco2的情况下，控制部17a对CO2除去装置16进行减少所使用的膜单元的个数(膜面积Sm)的控制，降低CO2回收率，从而可以将燃料气体FG的甲烷浓度维持为上述设定范围Wch4，或将二氧化碳浓度维持为上述设定范围Wco2。
根据图5～图10中所示的模拟结果可知，无论使用供给气体流量Ff、供给侧压力Pf、透过侧压力Ps、吹扫气体流量Fs、环境温度Ta、和膜面积Sm的哪个运转条件，在各运转条件与CO2回收率[％]和CH4纯度[％]之间，都存在正或负相关关系，因此能够控制二氧化碳除去率的增减。
此处，应当注意的点是在上述各模拟中将混合气体MG和吹扫气体SG的相对湿度固定为恒定值这一点。在实际的运用中，若混合气体MG和吹扫气体SG的相对湿度不一定需要固定为恒定值，则更难以在第1处理室21内和第2处理室22内将各相对湿度维持为一定值。例如，当第1处理室21或第2处理室22内的压力(供给侧压力Pf或透过侧压力Ps)升高时，则第1处理室21或第2处理室22内的水蒸气分压增加，第1处理室21或第2处理室22内的相对湿度上升，当CO2分离膜20的环境温度Ta升高时，则第1处理室21或第2处理室22内的饱和蒸气压增加，第1处理室21或第2处理室22内的相对湿度降低。第1处理室21内和第2处理室22内的相对湿度越高，越可以发挥CO2促进输送膜的促进输送功能，CO2透过率增加，CO2回收率提高。
第1处理室21内和第2处理室22内的相对湿度除了随着第1处理室21或第2处理室22内的压力(供给侧压力Pf或透过侧压力Ps)和CO2分离膜20的环境温度Ta而变化以外，还随着添加至混合气体MG和吹扫气体SG中的水蒸气(steam)的量而变化。因而，虽然上述各模拟中没有评价，然而也可以将向混合气体MG和吹扫气体SG中的各水蒸气添加量作为运转条件控制装置17所使用的运转条件与供给气体流量Ff、供给侧压力Pf、透过侧压力Ps、吹扫气体流量Fs、环境温度Ta、和膜面积Sm一起，加入上述控制对象运转条件候选中，运转条件控制装置17可以使用包括上述控制对象运转条件候选内的各水蒸气添加量在内的上述运转条件的至少任意1个
如图7所示，在CO2回收率[％]和CH4纯度[％]与透过侧压力Ps之间具有负相关关系，另一方面，在向第2处理室22内供给的吹扫气体SG中的水蒸气的组成比(分压比)恒定的情况下，具有如下正相关关系，即当透过侧压力Ps增加(或降低)时，则第2处理室22内的相对湿度增加(或降低)，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]增加(或降低)。也就是说，由透过侧压力Ps的增减带来的效果因第2处理室22内的相对湿度的变化而被抑制。因而，在使用透过侧压力Ps作为上述运转条件的情况下，优选与模拟相同，以将吹扫气体SG的相对湿度维持恒定的方式，与透过侧压力Ps的变化匹配地调整从水蒸气供给部18供给的水蒸气量，来进行改变吹扫气体SG的水蒸气分压的控制。
相反，如图6所示，在CO2回收率[％]和CH4纯度[％]与供给侧压力Pf之间具有正相关关系，另一方面，在向第1处理室21内供给的混合气体MG中的水蒸气的组成比(分压比)恒定的情况下，具有如下正相关关系，即当供给侧压力Pf增加(或降低)时，则第1处理室21内的相对湿度增加(或降低)，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]增加(或降低)。也就是说，由供给侧压力Pf的增减带来的效果因第1处理室21内的相对湿度的变化而被增强。因而，在使用供给侧压力Pf作为上述运转条件的情况下，无需以将混合气体MG的相对湿度维持恒定的方式来控制混合气体MG的水蒸气分压。
此外，如图9所示，在CO2回收率[％]和CH4纯度[％]与环境温度Ta之间具有正相关关系，另一方面，在向第1处理室21内供给的混合气体MG中的水蒸气的组成比(分压比)和向第2处理室22内供给的吹扫气体SG中的水蒸气的组成比(分压比)的至少一者恒定的情况下，具有如下负相关关系，即当环境温度Ta升高(或降低)时，则饱和水蒸气压升高(或降低)，因此第1处理室21内和第2处理室22内的至少一者的相对湿度降低(或增加)，CO2回收率[％]和CH4纯度[％]降低(或增加)。也就是说，由环境温度Ta的增减带来的效果因第1处理室21内和第2处理室22内的至少一者的相对湿度的变化而被抑制。因而，在使用环境温度Ta作为上述运转条件的情况下，优选与模拟相同，以将混合气体MG和吹扫气体SG的相对湿度分别维持恒定的方式，与环境温度Ta的变化匹配地来调整从水蒸气供给部18供给的水蒸气量，进行改变混合气体MG和吹扫气体SG的各水蒸气分压的控制。
在开始本系统10的运用前，与CO2除去装置16中使用的CO2分离膜(CO2促进输送膜)20的属性匹配地预先通过实验等取得运转条件的控制值、与利用气体浓度传感器14等测定的混合气体MG的甲烷浓度和二氧化碳浓度的至少任意一者、与利用CO2除去装置16进行了浓度控制的燃料气体FG中的上述对象成分气体(甲烷或二氧化碳)的浓度之间的关系，所述运转条件的控制值是供给气体流量Ff、供给侧压力Pf、透过侧压力Ps、吹扫气体流量Fs、环境温度Ta、和膜面积Sm当中的运转条件控制装置17所实际使用的运转条件的控制值。该关系依赖于CO2分离膜(CO2促进输送膜)20的属性，因此当然与图5～图10中所示的模拟结果不同。另外，本系统10的运用时的CO2除去装置16的运转条件也不一定与图11中所示的各模拟中使用的条件一致。由此，运转条件控制装置17在本系统10的运用时，基于利用气体浓度传感器14等测定的混合气体MG的甲烷浓度和二氧化碳浓度的至少任意一者的测定值，将为了将燃料气体FG中的上述对象成分气体(甲烷或二氧化碳)的浓度维持为上述设定范围(甲烷浓度的设定范围Wch4、或二氧化碳浓度的设定范围Wco2)内而必需的上述运转条件的值控制为根据上述预先通过实验等取得的关系导出的值。
此外，运转条件控制装置17可以在上述的前馈式的控制的基础上进一步采用如下的构成，或者取而代之而采用如下的构成，即，将测定燃料气体FG中的上述对象成分气体(甲烷或二氧化碳)的浓度的气体浓度传感器14追加或移动至第1排气管23b的背压阀26的下游侧，基于气体浓度传感器14的测定结果，以将燃料气体FG中的上述对象成分气体的浓度维持为上述设定范围(甲烷浓度的设定范围Wch4、或二氧化碳浓度的设定范围Wco2)内的方式，进行增减上述运转条件的值的反馈式的控制。
此外，运转条件控制装置17也优选在气体浓度传感器14所测定的上述对象成分气体的浓度的变化突然的情况下、或过大的情况下，使所使用的上述运转条件的个数与通常使用的个数相比增加，从而更快地实施CO2除去装置16的二氧化碳除去率的增减。
此外，在运转条件控制装置17所使用的上述运转条件中包含供给气体流量Ff或供给侧压力Pf的情况下，从第1处理室21向燃气发动机11供给的燃料气体FG的流量或压力根据供给气体流量Ff或供给侧压力Pf的变化而变化。因而，如图3所示，优选的是，在使用供给气体流量Ff作为上述运转条件的情况下，为了抑制燃料气体FG的流量变动，在第1供给管23a夹设将流量调整为规定值的质量流量控制器等流量调整装置31，在使用供给侧压力Pf作为上述运转条件的情况下，为了抑制燃料气体FG的压力变动，在第1供给管23a的背压阀26的下游侧夹设将压力调整为规定值的压力调整阀之类的压力调整装置32。
[第2实施方式]
下面，参照附图，对本系统的第2实施方式进行说明。
如图1所示，第2实施方式所涉及的本系统10a的大致构成与第1实施方式所涉及的本系统10基本相同。本系统10a与本系统10之不同在于，追加了如下的构成，即，本系统10a的燃料气体供给装置13a如图12所示，具备第1气体供给装置40和第2气体供给装置50，第1气体供给装置40供给第1浓度调整气体BG1，第2气体供给装置50供给第2浓度调整气体BG2，均供给至连接于CO2除去装置16的第1排出口21b的第1排气管23b，但是，在第1排气管23b夹设有背压阀26的情况下，供给至其下游侧。燃料气体供给装置13a与该所追加的第1气体供给装置40和第2气体供给装置50以外的燃料气体供给装置13共同的部分与第1实施方式相同，因此省略重复的说明。另外，燃气发动机11、发电机12、和气体浓度传感器14与第1实施方式相同，因此省略重复的说明。
如图13所示，第1气体供给装置40如下构成，即，在第1容器45中预先储存有第1浓度调整气体BG1，其是根据对象成分气体为甲烷和二氧化碳的哪种，以使二氧化碳浓度低于上述二氧化碳浓度的设定范围Wco2的方式、或使甲烷浓度高于上述甲烷浓度的设定范围Wch4的方式、或者兼为两者的方式预先生成的，依照来自控制部17a的指示，将第1容器45内的第1浓度调整气体BG1向第1排气管23b供给。当气体浓度传感器14等所测定的二氧化碳浓度或甲烷浓度高于设定范围Wco2、或低于设定范围Wch4时，控制部17a对第1气体供给装置40进行指示，以使二氧化碳浓度或甲烷浓度为设定范围Wco2内、或设定范围Wch4内所必需的流量将第1浓度调整气体BG1向第1排气管23b供给。在进行增减(该情况下为增加)第1实施方式中说明的CO2除去装置16的二氧化碳除去率的控制后，并没有消除二氧化碳浓度或甲烷浓度高于设定范围Wco2的状态、或低于设定范围Wch4的状态的情况下，控制部17a作为使该控制后的二氧化碳浓度或甲烷浓度为设定范围Wco2内、或设定范围Wch4内所必需的流量，考虑气体浓度传感器14的测定结果和CO2除去装置16的上述各运转条件，算出该必需的流量。
此外，第1气体供给装置40具备预先生成第1浓度调整气体BG1的CO2分离装置41。CO2分离装置41以与CO2除去装置16同样的构成，具备CO2促进输送膜的CO2分离膜42、由CO2分离膜42隔开的第1处理室43和第2处理室44而构成。利用第1实施方式中说明的各种供给方式的任意一种，向第1处理室43供给与向CO2除去装置16的第1处理室21供给的混合气体MG相同的沼气来源的混合气体MG。供给至第1处理室43的混合气体MG经由CO2促进输送膜的CO2分离膜42向第2处理室44侧选择性地透过二氧化碳，由此将二氧化碳浓度大幅度降低了的混合气体MG1从第1处理室43排出，作为第1浓度调整气体BG1储存在第1容器45内。与CO2除去装置16同样地向第2处理室44供给吹扫气体SG1，从第1处理室43向第2处理室44透过的混合气体MG的一部分与吹扫气体SG1的混合气体SG1’从第2处理室44排出。
由于CO2分离膜42中使用的促进输送膜的CO2/CH4选择比例如为100以上，因此通过调整CO2分离装置42的运转条件，可以实现极高的二氧化碳除去率。因而，通过根据设定范围Wch4和设定范围Wco2设定为高二氧化碳除去率，可以使从第1处理室43排出的混合气体MG1的二氧化碳浓度比设定范围Wco2低规定值(例如5～10vol％)以上，或者使甲烷浓度比设定范围Wch4高规定值(例如5～10vol％)以上。混合气体MG1的二氧化碳浓度和甲烷浓度伴随着向第1处理室43供给的混合气体MG中的二氧化碳和甲烷的浓度变动而变化，储存于第1容器45内的第1浓度调整气体BG1的二氧化碳浓度和甲烷浓度满足比设定范围Wco2低上述规定值以上、比设定范围Wch4高上述规定值以上的条件。但是，由于其实际的浓度不明，因此采用在第1容器45设置与气体浓度传感器14同样的气体浓度传感器46的构成，将第1浓度调整气体BG1的二氧化碳浓度和甲烷浓度的测定值通知控制部17a。此后，控制部17a将气体浓度传感器46的测定结果也考虑在内地进行上述必需流量的计算。
如图14所示，第2气体供给装置50如下构成，即，在第2容器56中预先储存有第2浓度调整气体BG2，其是根据对象成分气体为甲烷和二氧化碳的哪种，以使二氧化碳浓度高于上述二氧化碳浓度的设定范围Wco2的方式、或使甲烷浓度低于上述甲烷浓度的设定范围Wch4的方式、或者兼为两者的方式预先生成的，依照来自控制部17a的指示，将第2容器56内的第2浓度调整气体BG2向第1排气管23b供给。当气体浓度传感器14等测定出的二氧化碳浓度或甲烷浓度低于设定范围Wco2、或高于设定范围Wch4时，控制部17a对第2气体供给装置50进行指示，以使二氧化碳浓度或甲烷浓度为设定范围Wco2内、或设定范围Wch4内所必需的流量将第2浓度调整气体BG2向第1排气管23b供给。在进行增减(该情况下为减少)第1实施方式中说明的CO2除去装置16的二氧化碳除去率的控制后，并没有消除二氧化碳浓度或甲烷浓度低于设定范围Wco2的状态、或高于设定范围Wch4的状态的情况下，控制部17a作为使该控制后的二氧化碳浓度或甲烷浓度为设定范围Wco2内、或设定范围Wch4内所必需的流量，考虑气体浓度传感器14的测定结果和CO2除去装置16的上述各运转条件，算出该必需的流量。
此外，第2气体供给装置50具备预先生成第2浓度调整气体BG2的CO2分离装置51和水蒸气除去部55。由于水蒸气除去部55可以利用与第1实施方式中说明的水蒸气除去部19同样构成的装置，因此省略重复的说明。
CO2分离装置51是与CO2除去装置16同样的构成，具备CO2促进输送膜的CO2分离膜52、由CO2分离膜52隔开的第1处理室53和第2处理室54而构成。向第1处理室53供给从CO2除去装置16的第2处理室22排出的二氧化碳浓度增加了的混合气体EG。由于供给至第1处理室53的混合气体EG包含供给至CO2除去装置16的第2处理室22的吹扫气体SG和从第1处理室21向第2处理室22透过的混合气体MG的一部分(主要是二氧化碳和水蒸气、以及微量的甲烷)，因此使混合气体EG中的二氧化碳选择性地向第2处理室54侧透过而与吹扫气体SG的成分气体(例如氩等非活性气体等)和少量的甲烷分离，与供给至第2处理室53的吹扫气体SG2一起，作为混合气体SG2’从第2处理室54排出。由于从第2处理室54排出的混合气体SG2’包含二氧化碳和水蒸气，因此在利用水蒸气除去部55除去水蒸气后，作为第2浓度调整气体BG2储存于第2容器56内。CO2分离装置51中，通过仅使用水蒸气(steam)作为吹扫气体SG2，由此防止在使用水蒸气以外的非活性气体等的情况下该非活性气体等混入第2浓度调整气体BG2。但是，由于仅使用水蒸气(steam)作为吹扫气体SG2，因此需要将第2处理室54内的压力控制为在第2处理室54内的温度下为饱和水蒸气压以下。需要说明的是，吹扫气体SG2的水蒸气可以从水蒸气供给部18供给。另外，可以将利用水蒸气除去部55除去了的水蒸气向水蒸气供给部18供给而再利用。
由于CO2除去装置16和51中使用的促进输送膜的CO2/CH4选择比例如为100以上，因此混合气体EG的甲烷浓度极低，此外，该甲烷浓度低的混合气体EG中的甲烷通过CO2分离膜52的量极小。因而，通过根据设定范围Wch4和设定范围Wco2设定高的CO2除去装置51的二氧化碳除去率，可以使混合气体SG2’的甲烷浓度比设定范围Wch4低规定值(例如5～10vol％)以上，或者使混合气体SG2’的二氧化碳浓度比设定范围Wco2高规定值(例如5～10vol％)以上。但是，虽然储存于第2容器56内的第2浓度调整气体BG2的二氧化碳浓度和甲烷浓度满足比设定范围Wco2高上述规定值以上、比设定范围Wch4低上述规定值以上的条件，然而由于其实际的浓度不明，因此采用在第2容器56设置与气体浓度传感器14同样的气体浓度传感器57的构成，将第2浓度调整气体BG2的二氧化碳浓度和甲烷浓度的测定值通知控制部17a。此后，控制部17a将气体浓度传感器57的测定结果也考虑在内地进行上述必需的流量的计算。
上述说明中，如图12所示，说明了在背压阀26的下游侧、并且在水蒸气除去部19的上游侧由第1气体供给装置40供给第1浓度调整气体BG1、第2气体供给装置50供给第2浓度调整气体BG2的构成，然而也优选如图15所示，在水蒸气除去部19的下游侧进行第1浓度调整气体BG1和第2浓度调整气体BG2的供给。
此外，第1气体供给装置40也优选采用如下的构成，即，如图16所示，在第1处理室43与第1容器45之间夹设水蒸气除去部47，将从第1处理室43排出的混合气体MG1中所含的水蒸气利用水蒸气除去部47除去。
另外，上述说明中，说明了具备第1气体供给装置40和第2气体供给装置50两者的构成，然而根据需要也可以采用仅具备任意一者的构成。
另外，上述说明中，说明了第1气体供给装置40具备CO2分离装置41、预先生成第1浓度调整气体BG1的构成，然而也可以不具备该构成，而是采用使用从外部供给的高纯度的甲烷气体(天然气等)作为第1浓度调整气体BG1的构成。
另外，上述说明中，说明了第2气体供给装置50具备CO2分离装置51、使用从CO2除去装置16的第2处理室22排出的二氧化碳浓度增加了的混合气体EG预先生成第2浓度调整气体BG2的构成，然而也可以采用如下的构成，即，取代混合气体EG或与混合气体EG一起地将从燃气发动机排出的包含二氧化碳的排气向CO2分离装置51的第1处理室53供给。
[第3实施方式]
下面，参照附图，对本系统的第3实施方式进行说明。
如图17所示，第3实施方式所涉及的本系统10b具备燃气发动机11、发电机12、燃料气体供给装置60、以及气体浓度传感器14而构成。本系统10b与第1和第2实施方式的本系统10、10a相比，在取代本系统10、10a的燃料气体供给装置13、13a而具备燃料气体供给装置60这一点上不同。由于本系统10b的燃气发动机11、发电机12、以及气体浓度传感器14与第1实施方式相同，因此省略重复的说明。
如图17所示，燃料气体供给装置60具备控制部61、第1气体供给装置62、第2气体供给装置63、以及气体混合部64而构成。控制部61与第1和第2实施方式的控制部17a同样地具备微型计算机、可编程逻辑器件等而构成。第1气体供给装置62依照来自控制部61的指示，将预先生成的第1浓度调整气体BG1向气体混合部64供给。第2气体供给装置63依照来自控制部61的指示，将预先生成的第2浓度调整气体BG2向气体混合部64供给。气体混合部64例如由具有3个入口和1个出口的四通阀等构成，从3个入口分别地供给混合气体MG、第1浓度调整气体BG1和第2浓度调整气体BG2，在气体混合部64中，向混合气体MG中添加第1浓度调整气体BG1和第2浓度调整气体BG2的任意一者，将所得的混合气体作为燃料气体FG向燃气发动机11供给。
第1浓度调整气体BG1与第2实施方式中说明的第1浓度调整气体BG1同样地如下制备，即，根据对象成分气体为甲烷和二氧化碳的哪种，以使二氧化碳浓度低于上述二氧化碳浓度的设定范围Wco2的方式、或使甲烷浓度高于上述甲烷浓度的设定范围Wch4的方式、或者兼为两者的方式制备。第2浓度调整气体BG2与第2实施方式中说明的第2浓度调整气体BG2同样地如下制备，即，根据对象成分气体为甲烷和二氧化碳的哪种，以使二氧化碳浓度高于上述二氧化碳浓度的设定范围Wco2的方式、或使甲烷浓度低于上述甲烷浓度的设定范围Wch4的方式、或者兼为两者的方式制备。
控制部61根据气体浓度传感器14等测定出的二氧化碳浓度或甲烷浓度，对第1气体供给装置62和第2气体供给装置63的一者进行指示，使得将第1浓度调整气体BG1和第2浓度调整气体BG2的任意一者以规定的流量向气体混合部64供给。具体而言，当气体浓度传感器14等测定出的二氧化碳浓度或甲烷浓度高于设定范围Wco2、或低于设定范围Wch4时，控制部61对第1气体供给装置62进行指示，以使二氧化碳浓度或甲烷浓度为设定范围Wco2内、或设定范围Wch4内所必需的流量将第1浓度调整气体BG1向气体混合部64供给。控制部61作为使在混合气体MG中添加有第1浓度调整气体BG1的混合气体的二氧化碳浓度或甲烷浓度为设定范围Wco2内、或设定范围Wch4内所必需的流量，考虑气体浓度传感器14的测定结果和混合气体MG的供给流量等，算出该必需的流量。此外，当气体浓度传感器14等测定出的二氧化碳浓度或甲烷浓度低于设定范围Wco2、或高于设定范围Wch4时，控制部61对第2气体供给装置63进行指示，以使二氧化碳浓度或甲烷浓度为设定范围Wco2内、或设定范围Wch4内所必需的流量将第2浓度调整气体BG2向气体混合部64供给。控制部61作为使在混合气体MG中添加有第2浓度调整气体BG2的混合气体的二氧化碳浓度或甲烷浓度为设定范围Wco2内、或设定范围Wch4内所必需的流量，考虑气体浓度传感器14的测定结果和混合气体MG的供给流量等，算出该必需的流量。为此，本实施方式中，具备测定混合气体MG的供给流量的质量流量计等流量计65。
下面，参照图18，对如下的构成进行说明，即，燃料气体供给装置60使用与向气体混合部64供给的混合气体MG相同的沼气来源的混合气体MG，预先生成第1浓度调整气体BG1和第2浓度调整气体BG2，并预先储存于第1容器70和第2容器73。燃料气体供给装置60具备CO2分离装置66、第1容器70、第2容器73、以及水蒸气除去部72作为上述第1气体供给装置62和第2气体供给装置63。第1气体供给装置62由CO2分离装置66和第1容器70构成，第2气体供给装置63由CO2分离装置66、第2容器73和水蒸气除去部72构成，第1气体供给装置62和第2气体供给装置63共有地使用CO2分离装置66。
CO2分离装置66是与第1实施方式中说明的CO2除去装置16同样的构成，具备CO2促进输送膜的CO2分离膜67、由CO2分离膜67隔开的第1处理室68和第2处理室69而构成。利用第1实施方式中说明的各种供给方式的任意一种，向第1处理室68供给与向气体混合部64供给的混合气体MG相同的沼气来源的混合气体MG。向第2处理室69作为吹扫气体SG3供给水蒸气(steam)，将从第1处理室68向第2处理室69透过的混合气体MG的一部分和吹扫气体SG3的混合气体SG3’从第2处理室69排出。但是，由于在CO2分离装置66中，使用水蒸气(steam)作为吹扫气体SG3，因此需要将第2处理室69内的压力控制为在第2处理室69内的温度下为饱和水蒸气压以下。可以依照与第1实施方式的水蒸气供给部18同样的要领，设置水蒸气供给部，从该水蒸气供给部供给吹扫气体SG3的水蒸气。另外，可以将利用水蒸气除去部72除去了的水蒸气向该水蒸气供给部供给而再利用。
供给至第1处理室68的混合气体MG经由CO2促进输送膜的CO2分离膜67向第2处理室69侧选择性地透过二氧化碳，由此将二氧化碳浓度大幅度降低了的混合气体MG’从第1处理室68排出，作为第1浓度调整气体BG1储存于第1容器70内。另一方面，供给至第2处理室69的吹扫气体SG3(水蒸气)和从第1处理室68侧透过的混合气体MG的一部分(主要是二氧化碳和水蒸气、以及微量的甲烷)在第2处理室69内被混合，作为二氧化碳浓度极高的混合气体SG3’从第2处理室54排出，在利用水蒸气除去部72除去水蒸气后，作为第2浓度调整气体BG2储存于第2容器73内。
由于CO2分离装置66中使用的促进输送膜的CO2/CH4选择比例如为100以上，因此通过调整CO2分离装置66的运转条件，可以实现极高的二氧化碳除去率。因而，通过根据设定范围Wch4和设定范围Wco2设定为高的二氧化碳除去率，可以对于混合气体MG’，使二氧化碳浓度比设定范围Wco2低规定值(例如5～10vol％)以上，或者使甲烷浓度比设定范围Wch4高规定值(例如5～10vol％)以上，另外，可以对于混合气体SG3’，使甲烷浓度比设定范围Wch4低规定值(例如5～10vol％)以上，或者使二氧化碳浓度比设定范围Wco2高规定值(例如5～10vol％)以上。
混合气体MG’和混合气体SG3’的二氧化碳浓度和甲烷浓度伴随着供给至第1处理室68的混合气体MG中的二氧化碳和甲烷的浓度变动而变化。为此，虽然储存于第1容器70内的第1浓度调整气体BG1的二氧化碳浓度和甲烷浓度满足比设定范围Wco2低上述规定值以上、比设定范围Wch4高上述规定值以上的条件，然而由于其实际的浓度不明，因此采用在第1容器70设置与气体浓度传感器14同样的气体浓度传感器71、将第1浓度调整气体BG1的二氧化碳浓度和甲烷浓度的测定值通知控制部61的构成。此后，控制部61将气体浓度传感器71的测定结果也考虑在内地进行第1浓度调整气体BG1的上述必需的流量的计算。同样地，虽然储存于第2容器73内的第2浓度调整气体BG2的二氧化碳浓度和甲烷浓度满足比设定范围Wco2高上述规定值以上、比设定范围Wch4低上述规定值以上的条件，然而由于其实际的浓度不明，因此采用在第2容器73设置与气体浓度传感器14同样的气体浓度传感器74、将第2浓度调整气体BG2的二氧化碳浓度和甲烷浓度的测定值通知控制部61的构成。此后，控制部61将气体浓度传感器74的测定结果也考虑在内地进行第2浓度调整气体BG2的上述必需的流量的计算。
[其他实施方式]
下面，对上述第1～第3实施方式的变形例(其他实施方式)进行说明。
<1>上述第1～第3实施方式中，设想为作为CO2除去装置16、41、51、66具备CO2促进输送膜的CO2分离膜20、42、52、67的构成，然而CO2除去装置16、41、51、66中的至少任意1个不限定于该构成，例如也可以是具备CO2促进输送膜以外的CO2分离膜的膜分离式的构成、采用了化学吸收法的构成、PSA装置、TSA装置等。
在使用采用了化学吸收法的构成作为CO2除去装置16的情况下，作为影响二氧化碳除去率的增减的运转条件，例如可以使用吸收液量、吸收液循环量等。另外，在使用PSA装置作为CO2除去装置16的情况下，作为影响二氧化碳除去率的增减的运转条件，例如可以使用吸附剂量、压力等。另外，在使用TSA装置作为CO2除去装置16的情况下，作为影响二氧化碳除去率的增减的运转条件，例如可以使用吸附剂量、温度等。
<2>上述第1和第2实施方式中，对从水蒸气供给部18向混合气体MG供给水蒸气(steam)的构成进行了说明，然而在向燃料气体供给装置13、13a供给的混合气体MG中已经包含水蒸气时，不一定需要利用该构成向混合气体MG供给水蒸气。
<3>上述第1～第3实施方式中，设想为基于如下的吹扫气体方式的构成，即，作为CO2除去装置16、41、51、66，具备CO2促进输送膜的CO2分离膜20、42、52、67，向第2处理室22、44、54、69内供给吹扫气体SG、SG1、SG2、SG3，在CO2分离膜20、42、52、67的供给侧与透过侧之间产生CO2分压差，然而也可以采用基于如下的运转方式(加压式或减压式)的构成，即，在CO2除去装置16、41、51、66中的至少任意1个中，不进行吹扫气体SG、SG1、SG2、SG3向第2处理室22、44、54、69内的供给，而是将CO2分离膜20、42、52、67的第1处理室21、43、53、68内加压，或将第2处理室22、44、54、69内减压，在CO2分离膜20、42、52、67的供给侧与透过侧之间产生CO2分压差。在将第2处理室22、44、54、69内减压的减压式的情况下，优选在第2处理室22、44、54、69的下游侧设置真空泵。
另外，可以在CO2除去装置16、41、51、66中的至少任意1个中，采用组合基于吹扫气体方式的构成与基于加压式或减压式的构成而得的构成。需要说明的是，在不使用基于吹扫气体方式的构成、而是使用基于加压式或减压式的构成作为CO2除去装置16的情况下，在上述控制对象运转条件候选中，不包含吹扫气体SG的流量(吹扫气体流量Fs)。
<4>上述第1～第3实施方式中，设想为使用来自于通过有机物的甲烷发酵而得的沼气的混合气体作为混合气体MG，然而不一定限定于沼气来源的混合气体。在属于以甲烷和二氧化碳作为主成分的混合气体、且甲烷浓度或二氧化碳浓度或其两者可能根据该混合气体的制造条件等发生变动的情况下，即使混合气体MG不是沼气来源，也可以通过使用本系统10、10a、10b，而抑制该浓度变动。
<5>上述第2实施方式中，对第1气体供给装置40和第2气体供给装置50为了各自预先生成第1浓度调整气体BG1和第2浓度调整气体BG2而分别地具备CO2分离装置41和CO2分离装置51的情况进行了说明。但是，在具备第1气体供给装置40和第2气体供给装置50两者的情况下，不一定需要分别地具备CO2分离装置41和CO2分离装置51。例如，可以像第3实施方式中参照图18说明所示，具备1个CO2分离装置而构成第1气体供给装置40和第2气体供给装置50。
产业上的可利用性
本发明的发电系统可以在具备通过消耗包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体而产生动能的燃气发动机的发电系统中利用。
符号的说明
10、10a、10b 发电系统，
11 燃气发动机，
12 发电机，
13、13a、60 燃料气体供给装置，
14、46、57、71、74 气体浓度传感器，
15 逆变器装置，
16、41、51、66 CO2除去装置，
17 运转条件控制装置，
17a、61 控制部，
18 水蒸气供给部，
18a 水蒸气分离部，
19、47、55、72 水蒸气除去部，
20、42、52、67 CO2分离膜(CO2促进输送膜)，
21、43、53、68 第1处理室，
21a 第1收入口，
21b 第1排出口，
22、44、54、69 第2处理室，
22a 第2收入口，
22b 第2排出口，
23a 第1供给管，
23b 第1排气管，
24a 第2供给管，
24b 第2排气管，
25、28 质量流量控制器，
26、29 背压阀，
27、30 压力计，
31 流量调整装置，
32 压力调整装置，
40、62 第1气体供给装置，
45、70 第1容器，
50、63 第2气体供给装置，
56、73 第2容器，
64 气体混合部，
65 流量计，
EG、EG’ 混合气体，
FG 燃料气体，
MG、MG’、MG1 混合气体，
SG、SG1、SG2、SG3 吹扫气体，
SG1’、SG2’、SG3’ 混合气体。

Claims (20)

1.一种发电系统，其特征在于，是具备燃气发动机和发电机的发电系统，所述燃气发动机通过消耗包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体而产生动能，所述发电机由所述燃气发动机所产生的所述动能驱动并进行发电，
所述发电系统还具备：
燃料气体供给装置，其对于从外部供给的以甲烷和二氧化碳作为主成分的混合气体，将所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的至少任意一方对象成分气体的浓度控制为针对所述燃气发动机的所述燃料气体中的所述对象成分气体的浓度所设定的设定范围内，并作为所述燃料气体，供给至所述燃气发动机；以及
气体浓度传感器，其测量所述混合气体的二氧化碳浓度和甲烷浓度的至少任意一者的浓度，
所述燃料气体供给装置具备：二氧化碳除去装置，其除去所述混合气体中的二氧化碳；以及运转条件控制装置，其控制影响所述二氧化碳除去装置的二氧化碳除去率的增减的运转条件，
所述气体浓度传感器配置于所述二氧化碳除去装置的前段和后段的至少任意一者，
所述运转条件控制装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，控制所述二氧化碳除去装置的所述运转条件，由此控制所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，
所述二氧化碳除去装置具备将所述混合气体中所含的二氧化碳选择性地与甲烷分离的二氧化碳分离膜、与由所述二氧化碳分离膜隔开的第1处理室和第2处理室而构成，
所述第1处理室设有将所述混合气体接收至所述第1处理室内的第1收入口、和将控制了所述对象成分气体的浓度的所述第1处理室内的所述混合气体作为所述燃料气体排出的第1排出口，
所述第2处理室设有将经由所述二氧化碳分离膜从所述第1处理室透过至所述第2处理室的气体排出的第2排出口，
所述运转条件控制装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，作为影响所述二氧化碳分离膜的二氧化碳除去率的增减的运转条件，对包括向所述第1处理室内供给的所述混合气体的流量、所述第1处理室内的压力、所述第2处理室内的压力、所述二氧化碳分离膜的环境温度、和所述二氧化碳分离膜的膜面积在内的控制对象运转条件候选中的至少1个进行控制。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，
所述第2处理室具有将吹扫气体接收至所述第2处理室内的第2收入口，所述第2处理室为将经由所述二氧化碳分离膜从所述第1处理室透过至所述第2处理室的气体和所述吹扫气体从所述第2排出口排出的结构，
在所述控制对象运转条件候选中，包括向所述第2处理室内供给的所述吹扫气体的流量。
4.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，
所述二氧化碳分离膜是添加有不与甲烷反应而与二氧化碳选择性地反应的二氧化碳载体的促进输送膜，
在所述控制对象运转条件候选中，包括影响所述第1处理室内的相对湿度和所述第2处理室内的相对湿度的至少任意一者的增减的1个以上的运转条件。
5.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，
所述二氧化碳分离膜是添加有不与甲烷反应而与二氧化碳选择性地反应的二氧化碳载体的促进输送膜，
在所述控制对象运转条件候选中，包括影响所述第1处理室内的相对湿度和所述第2处理室内的相对湿度的至少任意一者的增减的1个以上的运转条件。
6.根据权利要求4所述的发电系统，其特征在于，
在向所述第1处理室内供给的所述混合气体中包含水蒸气。
7.根据权利要求4所述的发电系统，其特征在于，
具备对向所述第1处理室内供给的所述混合气体供给水蒸气的水蒸气供给部。
8.根据权利要求5所述的发电系统，其特征在于，
在向所述第1处理室内供给的所述混合气体、和向所述第2处理室内供给的所述吹扫气体的至少任意一者中包含水蒸气。
9.根据权利要求5所述的发电系统，其特征在于，
具备对向所述第1处理室内供给的所述混合气体、和向所述第2处理室内供给的所述吹扫气体中的至少任意一者供给水蒸气的水蒸气供给部。
10.根据权利要求7或9所述的发电系统，其特征在于，
所述运转条件控制装置在所述水蒸气供给部对所述混合气体供给水蒸气时，将从所述水蒸气供给部向所述混合气体的水蒸气添加量作为所述控制对象运转条件候选之一进行控制，
在所述水蒸气供给部对所述吹扫气体供给水蒸气时，将从所述水蒸气供给部向所述吹扫气体的水蒸气添加量作为所述控制对象运转条件候选之一进行控制。
11.根据权利要求7、9和10中的任一项所述的发电系统，其特征在于，
所述水蒸气供给部将利用与从所述燃气发动机排出的高温排气的热交换来加热水而生成的水蒸气供给至所述对象气体。
12.根据权利要求7、9、10和11中的任一项所述的发电系统，其特征在于，
所述水蒸气供给部将从所述燃气发动机排出的排气中所含的水蒸气供给至所述对象气体。
13.根据权利要求4～12中的任一项所述的发电系统，其特征在于，
所述混合气体包含来自于通过有机物的甲烷发酵而生成的沼气的气体，
在所述燃料气体供给装置的上游侧具备脱硫装置，
所述脱硫装置使用了除去所述混合气体中所含的硫成分的超深度脱硫催化剂。
14.根据权利要求1～13中的任一项所述的发电系统，其特征在于，
所述燃料气体供给装置具备第1气体供给装置，其在所述对象成分气体为二氧化碳的情况下，将所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的以甲烷作为主成分的第1浓度调整气体供给至所述混合气体，或者在所述对象成分气体为甲烷的情况下，将所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的以甲烷作为主成分的第1浓度调整气体供给至所述混合气体，
所述第1气体供给装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，在所述对象成分气体为二氧化碳、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的情况下，或者在所述对象成分气体为甲烷、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的情况下，将所述第1浓度调整气体供给至所述混合气体，控制所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度。
15.根据权利要求14所述的发电系统，其特征在于，
所述第1气体供给装置具备：第2二氧化碳除去装置，其将所述混合气体中所含的二氧化碳选择性地与甲烷分离；和第1容器，其储存使用所述第2二氧化碳除去装置从所述混合气体分离二氧化碳而预先准备的所述第1浓度调整气体。
16.根据权利要求1～15中的任一项所述的发电系统，其特征在于，
所述燃料气体供给装置具备第2气体供给装置，其在所述对象成分气体为二氧化碳的情况下，将所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的以二氧化碳或以甲烷和二氧化碳作为主成分的第2浓度调整气体供给至所述混合气体，或者在所述对象成分气体为甲烷的情况下，将所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的以二氧化碳或以甲烷和二氧化碳作为主成分的第2浓度调整气体供给至所述混合气体，
所述第2气体供给装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，在所述对象成分气体为二氧化碳、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的情况下，或者在所述对象成分气体为甲烷、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的情况下，将所述第2浓度调整气体供给至所述混合气体。
17.根据权利要求16所述的发电系统，其特征在于，
所述第2气体供给装置具备储存所述第2浓度调整气体的第2容器，
所述第2浓度调整气体包含利用所述二氧化碳除去装置从所述混合气体除去的二氧化碳。
18.一种发电系统，其特征在于，
是具备燃气发动机和发电机的发电系统，所述燃气发动机通过消耗包含甲烷作为主成分且包含二氧化碳的燃料气体而产生动能，所述发电机由所述燃气发动机所产生的所述动能驱动并进行发电，
所述发电系统还具备：
燃料气体供给装置，其对于从外部供给的以甲烷和二氧化碳作为主成分的混合气体，将所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的至少任意一方对象成分气体的浓度控制为针对所述燃气发动机的所述燃料气体中的所述对象成分气体的浓度所设定的设定范围内，并作为所述燃料气体供给至所述燃气发动机；以及
气体浓度传感器，其测量所述混合气体的二氧化碳浓度和甲烷浓度的至少任意一者的浓度，
所述燃料气体供给装置具备：
第1气体供给装置，其在所述对象成分气体为二氧化碳的情况下，将所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的以甲烷作为主成分的第1浓度调整气体供给至所述混合气体，或者在所述对象成分气体为甲烷的情况下，将所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的以甲烷作为主成分的第1浓度调整气体供给至所述混合气体；以及
第2气体供给装置，其在所述对象成分气体为二氧化碳的情况下，将所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的以二氧化碳或以甲烷和二氧化碳作为主成分的第2浓度调整气体供给至所述混合气体，或者在所述对象成分气体为甲烷的情况下，将所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的以二氧化碳或以甲烷和二氧化碳作为主成分的第2浓度调整气体供给至所述混合气体，
所述第1气体供给装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，在所述对象成分气体为二氧化碳、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的情况下，或者在所述对象成分气体为甲烷、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的情况下，将所述第1浓度调整气体供给至所述混合气体，控制所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度，
所述第2气体供给装置基于所述气体浓度传感器的测量结果，在所述对象成分气体为二氧化碳、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度低于所述设定范围的情况下，或者在所述对象成分气体为甲烷、且所述混合气体的所述对象成分气体的浓度高于所述设定范围的情况下，将所述第2浓度调整气体供给至所述混合气体，控制所述混合气体中的甲烷和二氧化碳的浓度。
19.根据权利要求18所述的发电系统，其特征在于，
所述燃料气体供给装置具备：二氧化碳除去装置，其将所述混合气体中所含的二氧化碳选择性地与甲烷分离；以及第1容器和第2容器，其分别地储存使用所述二氧化碳除去装置从所述混合气体分离二氧化碳而预先准备的所述第1浓度调整气体和所述第2浓度调整气体。
20.根据权利要求1～12、14～19中的任一项所述的发电系统，其特征在于，
所述混合气体包含来自于通过有机物的甲烷发酵而生成的沼气的气体。
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