JP6462323B2 - ガス中のco2分離装置及びその膜分離方法 - Google Patents
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Description
(1) 化学的吸収法の吸収法は、例えばアミン系やアルカリ系の吸収液により排ガス中の二酸化炭素を吸収除去した後、二酸化炭素が飽和状態まで吸収された吸収液を加熱再生するとともに、高濃度の二酸化炭素を回収する方法である。
(2) 物理的吸収法の吸着分離法は、ゼオライト系、分子ふるい、炭素系などの吸着剤により排ガス中の二酸化炭素を吸着除去した後、減圧状態及び/又は過熱状態にすることにより吸着された二酸化炭素を脱着させ吸着剤を再生するとともに、高濃度の二酸化炭素を回収する方法である。
特に、天然ガスは採掘する油田からの随伴するガス中のCO2濃度は例えば3〜75%の混合比率に相違があるので、原料ガス中のCO2濃度が低いような場合において高純度なCO2ガスを得ることが求められている。
図1に示すように、本実施例に係るガス中のCO2分離装置10Aは、CO2を含む原料ガス11を導入する原料ガス導入ラインL11と、原料ガス導入ラインL11に介装され、導入された原料ガス11を圧縮する圧縮器12と、原料ガス導入ラインL11の端部が接続され、原料ガス11からCO2を分離膜13aにより膜分離する第1膜分離器13Aと、第1膜分離器13Aの膜分離で透過した第1透過ガス14Aを排出する第1透過ガス排出ラインL12と、第1膜分離器13Aの膜分離で透過されない第1非透過ガス15Aを排出する第1非透過ガス排出ラインL13と、第1膜分離器13Aの下流側に設けられ、第1非透過ガス15AからCO2をさらに分離膜13bにより膜分離する第2膜分離器13Bと、第2膜分離器13Bの膜分離で透過した第2透過ガス14Bを排出する第2透過ガス排出ラインL14と、第2透過ガス排出ラインL14の一部から分岐し、第2透過ガス14Bを、原料ガス11に戻す第2透過ガスの戻しラインL15と、を備えるものである。
なお、圧縮器以外としては、例えば真空ポンプによる膜透過側において、減圧手段により減圧するようにしてもよい。
なお、CO2の回収に際して、第1透過ガス14Aと第2透過ガス14BとにはCO2ガスが分離された分だけ、圧力差が生じる。よって、補助圧縮器21を用いて、第1透過ガス14Aの圧力と同等となるように、第2透過ガス14Bを所定圧力まで圧縮して、回収CO2としている。
CO2及びCH4を含む原料ガス11は、圧縮器12に導入され、ここで、所定圧力まで圧縮される。圧縮された原料ガス11は、第1膜分離器13Aで分離膜13aによりCO2が選択的に分離され、第1透過ガス14Aとなって、回収CO2となる。
なお、比較例1は、第1膜分離器13Aの一段のみで処理した場合である。
試験例1の場合には、図1に示すように、圧縮器12の上流側の原料ガス11に第2透過ガス14Bを戻しているので、第1膜分離器13A入口でのCO2濃度は戻し分の8.6mol%だけ増加し、CO2濃度は28.6mol%となる。この結果、第1膜分離器13A透過側の第1透過ガス14AのCO2濃度は92.3mol%となる。
この結果、濃縮CO2として分離する第1膜分離器13Aの透過ガスへの非CO2ガス成分(例えばメタン)混入量が少なくなるので、第1非透過ガス15A中及び第2非透過ガス15B中の非CO2ガス成分である例えばメタンの原料ガスからの回収率を高めることができる。
図2は、実施例1に係る他のガス中のCO2分離装置の概略図である。
図2に示すように、本実施例に係るガス中のCO2分離装置10Bは、図1に示すガス中のCO2分離装置10Aにおいて、さらに第2透過ガス14Bの戻しラインL15から分岐された第2透過ガス分岐ラインL17を設けるようにしている。
これにより、第2透過ガス14Bをリサイクルしない場合と較べて、第1膜分離器13AでのCO2選択分離性の向上を図ることができる。
図2に示すガス中のCO2分離装置10Bでは、この第2透過ガス分岐ラインL17の接続先を、圧縮器12と第1膜分離器13Aの間の原料ガス導入ラインL11として、第1膜分離器13Aに導入する前の原料ガス11中のCO2濃度を増加させている。
試験例2の場合には、図4に示すように、圧縮器12の上流側の原料ガス11に第2透過ガス14Bを戻すと共に、第1透過ガス14Aを圧縮器12の下流側に戻している。第1膜分離器13A入口でのCO2濃度は戻し分の14.2mol%だけ増加し、CO2濃度は24.2mol%となる。この結果、第1膜分離器13A透過側の第1透過ガス14AのCO2濃度は90.5mol%となる。
図5に示すように、本実施例に係る油随伴ガスからのCO2分離システム100Aは、原油(含随伴ガス)51を搾油する生産井52と、原油51から油53と原料ガス11となる随伴ガスと水54とに各々分離するセパレータ55と、実施例1の第1膜分離器13A及び第2膜分離器13Bを備えたガス中のCO2分離装置10Aと、第2膜分離器13Bからの第2非透過ガス15B中に残存するCO2をさらに分離するCO2分離設備60とを備えている。
試験例3の場合には、図5に示すように、圧縮器12の上流側の原料ガス11に第2透過ガス14Bを戻しているので、第1膜分離器13A入口でのCO2濃度は戻し分の8.6mol%だけ増加し、CO2濃度は28.6mol%となる。この結果、第1膜分離器13Aの透過側の第1透過ガス14AのCO2濃度は92.3mol%となる。
図6に示すように、本実施例に係る油随伴ガスからのCO2分離システム100Bは、原油(含随伴ガス)51を搾油する生産井52と、原油51から油53と原料ガス11となる随伴ガスと水54とに各々分離するセパレータ55と、実施例2の第1膜分離器13A及び第2膜分離器13Bを備えたガス中のCO2分離装置10Dと、第2膜分離器13Bからの第2非透過ガス15B中に残存するCO2をさらに分離するCO2分離設備60とを備えている。
以上により、CO2を不純物として含む原料ガス11中のCO2を高度除去するとともに、高純度なCO2を回収CO2として得ることができる。
図7に示すように、本実施例に係る油随伴ガスからのCO2分離システム100Cでは、第2透過ガス14Bのリサイクルの有無の判断をCO2濃度により管理している。
試験例4の場合には、図7に示すように、圧縮器12の上流側の原料ガス11に第2透過ガス14Bを戻していない。この結果、第1膜分離器13A透過側の第1透過ガス14AのCO2濃度は92.8mol%、第2膜分離器13B透過側の第2透過ガス14BのCO2濃度は90.7mol%となる。また、CO2吸収塔61の出口の精製ガス66のCO2濃度は0.4mol%、CH4濃度は99.6mol%となり、再生塔63出口の分離ガス68のCO2濃度は100mol%、CH4濃度は0mol%となり、この結果CH4回収率は96.3%となる。
図8に示すように、本実施例に係る油随伴ガスからのCO2分離システム100Dは、原油(含随伴ガス)51を搾油する生産井52と、原油51から油53と原料ガス11となる随伴ガスと水54とに各々分離するセパレータ55と、実施例2の第1膜分離器13A及び第2膜分離器13Bを備えたガス中のCO2分離装置10Dと、第2膜分離器13Bからの第2非透過ガス15B中に残存するCO2をさらに分離するCO2分離設備60と、原料ガス11中のCO2濃度を計測するCO2計19Aと、第1膜分離器13Aの上流側に設けられ、原料ガス11中のCO2濃度に応じて、原料ガス11中のCO2を分離し、所定濃度のCO2ガス濃度とした原料ガス11を得る分離膜13cを有する第3膜分離器13Cと、を備えている。
長年(例えば10年、20年以上)の経年変化により、原油51中の随伴ガス中のCO2が大幅に増加する場合がある。特に、CO2をCO2 EORとして油田等に戻した場合に、増加の傾向がみられる場合がある。
更には、複数の生産井52からの原料ガス11が集中し、この混合された原料ガス11からCO2を選択的に分離する場合、CO2濃度が極端に変動する場合がある。
すなわち、CO2分離設備60では導入するCO2濃度が設計初期において規定されており、これを超える場合には、処理できず、CO2分離設備60の増設が必要となる。
以上により、CO2を不純物として含む原料ガス中のCO2を高度除去するとともに、高純度なCO2を得ることができる。
試験例5の場合には、図8に示すように、圧縮器12を通過した原料ガス11を第3膜分離器13Cに通過させている。この結果、第3膜分離器13Cの透過側の第3透過ガス14CのCO2濃度は96.7mol%、CH4濃度は3.3mol%となり、第3膜分離器13Cの非透過側の第3非透過ガス15CのCO2濃度は30mol%、CH4濃度は70mol%となる。
図9のガス中のCO2分離装置を備えた油随伴ガスからのCO2分離システム100Eでは、第3膜分離器13CをバイパスラインL31に介装している。このバイパスラインL31には、第七弁V17が設けられ、原料ガス導入ラインL11には、第八弁V18が設けられている。
11 原料ガス
12 圧縮器
13A〜13C 第1〜第3膜分離器
13a〜13c 分離膜
14A〜14C 第1〜第3透過ガス
15A〜15C 第1〜第3非透過ガス
100A〜100E 油随伴ガスからのCO2分離システム
Claims (7)
- CO2を含む原料ガスを圧縮機で圧縮しつつ導入する原料ガス導入ラインと、
前記原料ガス導入ラインの端部が接続され、前記原料ガスからCO2を膜分離する第1膜分離器と、
前記第1膜分離器の膜分離で透過した第1透過ガスを排出する第1透過ガス排出ラインと、
前記第1膜分離器の膜分離で透過されない第1非透過ガスを排出する第1非透過ガス排出ラインと、
前記第1膜分離器の下流側に設けられ、前記第1非透過ガスからCO2を膜分離する第2膜分離器と、
前記第2膜分離器の膜分離で透過した第2透過ガスを排出する第2透過ガス排出ラインと、
前記第2透過ガス排出ラインの一部から分岐し、前記第2透過ガスを、前記圧縮機の前流側に戻す第2透過ガスの戻しラインと、
前記第1透過ガス排出ラインから分岐し、前記第1透過ガスを、前記圧縮機と前記第1膜分離器との間に戻す補助圧縮器を備えた第1透過ガス分岐ラインと、
前記第1透過ガス中のCO2濃度を計測するCO2濃度計と、を備え、
前記第1透過ガス中のCO2濃度が80mol%以下の場合、前記第2透過ガスと前記第1透過ガスの一部とを原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のCO2分離装置。 - CO2を含む原料ガスを圧縮機で圧縮しつつ導入する原料ガス導入ラインと、
前記原料ガス導入ラインの端部が接続され、前記原料ガスからCO2を膜分離する第1膜分離器と、
前記第1膜分離器の膜分離で透過した第1透過ガスを排出する第1透過ガス排出ラインと、
前記第1膜分離器の膜分離で透過されない第1非透過ガスを排出する第1非透過ガス排出ラインと、
前記第1膜分離器の下流側に設けられ、前記第1非透過ガスからCO2を膜分離する第2膜分離器と、
前記第2膜分離器の膜分離で透過した第2透過ガスを排出する第2透過ガス排出ラインと、
前記第2透過ガス排出ラインの一部から分岐し、前記第2透過ガスを、前記圧縮機の前流側に戻す第2透過ガスの戻しラインと、
前記第1透過ガス排出ラインから分岐し、前記第1透過ガスを、前記圧縮機と前記第1膜分離器との間に戻す補助圧縮器を備えた第1透過ガス分岐ラインと、
前記原料ガス中のCO2濃度を計測するCO2濃度計と、を備え、
前記原料ガス中のCO2濃度が10mol%以下の場合、前記第2透過ガスを原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のCO2分離装置。 - 請求項1又は2において、
前記原料ガス中のCO2濃度を計測するCO2濃度計と、
前記第1膜分離器の上流側に設けられ、前記原料ガス中のCO2濃度に応じて、原料ガス中のCO2を分離し、所定濃度のCO2ガス濃度とした原料ガスを得る前処理用の第3膜分離器と、を備えることを特徴とするガス中のCO2分離装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
前記第2膜分離器の膜分離で透過されない第2非透過ガス排出ラインの一部から排出される第2非透過ガス中のCO2をさらに分離するCO2分離設備と、
前記CO2分離設備で分離したCO2ガスを、前記原料ガス又は前記第1非透過ガスに戻すCO2ガスの戻しラインと、を備えることを特徴とするガス中のCO2分離装置。 - CO2を含む原料ガスからCO2を選択的に分離する分離膜を有する膜分離器を直列に2段設け、
1段目の第1膜分離器の膜分離で透過されない第1非透過ガスを2段目の第2膜分離器で膜分離するに際し、
前記第1膜分離器の膜分離後の第1透過ガス中のCO2濃度を求め、
求めた第1透過ガス中のCO2濃度が80mol%以下の場合、
前記第2膜分離器の膜分離で透過した第2透過ガスと前記第1膜分離器の膜分離後の第1透過ガスの一部とを、原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のCO2分離装置の膜分離方法。 - CO2を含む原料ガスからCO2を選択的に分離する分離膜を有する膜分離器を直列に2段設け、
1段目の第1膜分離器の膜分離で透過されない第1非透過ガスを2段目の第2膜分離器で膜分離するに際し、
前記原料ガス中のCO2濃度を求め、
求めた原料ガス中のCO2濃度が10mol%以下の場合、
前記第2膜分離器の膜分離で透過した第2透過ガスと前記第1膜分離器の膜分離後の第1透過ガスの一部とを、原料ガス側にリサイクルすることを特徴とするガス中のCO2分離装置の膜分離方法。 - 請求項5又は6において、
前記第2膜分離器からの第2非透過ガス中のCO2をさらにCO2分離設備で分離し、
前記CO2分離設備で分離したCO2ガスを、前記原料ガス又は前記第1非透過ガスに戻すことを特徴とするガス中のCO2分離装置の膜分離方法。
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