TW201741597A - 燃燒系統 - Google Patents

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Abstract

實現一種獲得穩定的輸出且節能的生質氣體燃燒系統。一種燃燒系統，係具備：分離部(14)，係將以甲烷為主成分並含有二氧化碳的混合氣體作為成分的被處理氣體將二氧化碳去除，並獲得至少二氧化碳的含量降低的高純度甲烷氣；以及燃燒部(15)，係使甲烷氣燃燒；分離部(14)，係具有藉由分離膜(13)所分隔的第1處理室(11)及第2處理室(12)，分離膜(13)，係使被供給至第1處理室(11)的被處理氣體中的二氧化碳選擇性地透過至第2處理室(12)，而獲得甲烷純度比被處理氣體更高的第1處理室(11)內的第1分離氣體、以及含有被處理氣體中的二氧化碳的第2處理室(12)內的第2分離氣體。

Description

燃燒系統
本發明，係關於燃燒藉由生質(biomass)或有機性廢棄物等之有機物的甲烷發酵所獲得的生質氣體等以甲烷作為主成分之包含二氧化碳的氣體而獲得能量的燃燒系統。
近年來，將藉由生質或下水道汙泥等之有機性廢棄物的甲烷發酵所獲得的生質氣體作為新能量源運用一事係受到矚目。該生質氣體，係作為代替化石燃料者，使用於發電或鍋爐等用途。
生質氣體，一般除了甲烷外，雖隨著甲烷氣體的製造條件(發酵條件)而有所變動，係含有約40%左右的二氧化碳。另外，尚微量含有矽氧烷、硫化氫等硫化物，於使用有時有去除的必要。
例如，就來自以相對大規模的設備所處理的下水道汙泥的消化氣體而言，係含有如硫化氫(H2S)般之硫化物或矽氧烷等許多雜質。另外，就設定為小規模設備之將家畜排泄物或廚餘等甲烷發酵的生質氣體的情形而 言，因各個設備的不同或是氣體製造條件的不同，會存在有各種微量成分(油分、微量元素：V、Pb、Cl等、乙烷、丙烷、二烯類、苯、甲苯等)，其量或濃度亦有不同。該等微量雜質會對氣體引擎的性能或耐久性造成影響。
於生質氣體引擎中，生質氣體中的二氧化碳，會導致氣體引擎輸出的低落及熱效率的低落。進而，視生質氣體組成的變動內容或程度而有引擎調整作業的必要。
使用甲烷與二氧化碳的混合氣體作為燃料的生質氣體引擎之輸出及熱效率，係隨著二氧化碳濃度的增加而大幅減少。例如，氣體引擎在使用包含40%的CO2之混合氣體的情形下，與使用純度100%的甲烷燃料相比，引擎輸出低40%，熱效率亦低14%。亦即，意謂著使用100kW的天然氣引擎也僅能有60kW的輸出，換言之，若需要100kW的輸出，必須有170kW的天然氣引擎。故而，因引擎的設備成本係幾乎與輸出成比例，設備費將增加70%。另外，因熱效率低14%，與天然氣引擎相比燃料費將增加16%左右。
因此，生質氣體用的引擎，係初期成本、運轉成本皆高。
於專利文獻1，係記載有一種生質氣體發電裝置，其係對應′於將生質氣體供給至引擎的壓力，控制所驅動的氣體引擎的總數及剩餘氣體燃燒裝置的驅動。
於專利文獻2，係記載有一種發電方法，其係將藉由生質或有機性廢棄物等之有機物的甲烷發酵所獲得的消化氣體中的二氧化碳使用鹼性吸收液作吸收分離，並將純度高的甲烷氣體供給至引擎。
於專利文獻3，係記載有一種預混合式氣體引擎的控制方法，其係於以如生質氣體般在運轉中性質產生變化的氣體作為燃料的氣體引擎中，在排氣氣體的溫度不在預先受到設定的範圍的情形下將空燃比作補償控制，藉此防止引擎的失火或燃燒異常。
專利文獻4及專利文獻5，係關於將生質氣體與都市煤氣(天然氣)的混合氣體作為燃料的引擎的燃燒控制者，於專利文獻4係對應於排氣氣體中的氧濃度、於專利文獻5係對應於排氣氣體的溫度調整生質氣體的混合比率，藉此抑制引擎的輸出降低，而能夠穩定地燃燒發熱量變動的生質氣體。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本特開2010-209706號公報
[專利文獻2]日本特開2002-275482號公報
[專利文獻3]日本特開2012-13011號公報
[專利文獻4]日本特開2012-242011號公報
[專利文獻5]日本特開2013-163984號公報
如前述般，生質氣體係對應於甲烷氣體產生時的條件(發酵條件)而產生量或成分不穩定，故使用生質氣體作為燃料時，燃燒變得不穩定，有無法獲得穩定的輸出之虞。
為了獲得穩定的輸出，引擎的大型化、或是對應於氣體組成的變動將引擎作控制、調整的機構係有所必要，而會導致引擎的高成本化。進而，複雜且必須有長時間的引擎調整作業對於使用者及製造者而言為極大的負擔、風險之要因。
為解決前述問題，只要將從生質氣體去除二氧化碳成分的氣體供給至引擎，則氣體品質會接近普通的天然氣，故毋須調整且能夠降低成本。然而，既有的化學吸收法或是高壓水吸收法、PSA(Pressure Swing Adsorption)等皆價昂且需要大型的設備、能量，故會損及使用生質氣體所獲得的環境上的優點。
作為一例，若將下水道消化氣體藉由高壓水吸收法轉換為高純度的甲烷氣體，而作為天然氣汽車等的燃料運用的情形，660Nm3/h的消化氣體的處理的精製設備的費用約15億3000萬日圓。660Nm3/h的消化氣體係相當於2000kW的生質氣體引擎之額定燃料，且因2000kW的生質氣體引擎本身的價格現在約為4億日圓左右，故既有之高壓水吸收法所致之CO2去除會使氣體引擎 的成本成為約5倍。另外，於高壓水吸收法中，為去除CO2係每1Nm3之CO2需消費約1kW的能量，該消費能量係相當於藉由生質氣體的甲烷燃燒所獲得之能量的約15%。如此，現存的水吸收法所致之CO2去除所需要的能量，係與CO2去除所致之氣體引擎的效率提升效果相抵銷。
因此，本發明係以提供一種燃燒系統為目的，其係即使在使用將生質氣體等之以甲烷為主成分並含有二氧化碳的氣體用作為燃料氣體的引擎之情形下，不需複雜的引擎調整作業便能夠獲得穩定的輸出，並且，不需要用以去除二氧化碳的消費大量能量的步驟，而能夠享受使用生質氣體所致之環境優點。
為達成前述目的，本發明之燃燒系統，係：一種燃燒系統，係具備：分離部，係從以甲烷為主成分並含有二氧化碳的混合氣體作為成分的被處理氣體將二氧化碳去除，並獲得至少二氧化碳的含量降低的高純度甲烷氣；以及燃燒部，係使甲烷氣燃燒；其特徵為：前述分離部，係具有藉由分離膜所分隔的第1處理室及第2處理室，前述分離膜，係使被供給至前述第1處理室的前述被處理氣體中的二氧化碳選擇性地透過至前述第2處理室，而獲得甲烷純度比前述被處理氣體更高的前述第1處理室 內的第1分離氣體、以及含有前述被處理氣體中的二氧化碳的前述第2處理室內的第2分離氣體。其第1特徵為：
前述第1特徵之本發明之燃燒系統，其第2特徵為：進而，較佳為，前述分離膜，係添加有與二氧化碳選擇性地反應的載體的促進輸送膜。
如前述第2特徵之本發明之燃燒系統，其第3特徵為：進而，較佳為，具備：水蒸氣供給部，係對前述第1處理室供給水蒸氣；含有藉由前述水蒸氣供給部所供給的水蒸氣的前述混合氣體，係作為前述被處理氣體，被供給至前述第1處理室。
如前述第3特徵之本發明之燃燒系統，其第4特徵為：進而，較佳為， 前述水蒸氣供給部，係將藉由與在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的高溫排出氣體之熱交換將水加熱而生成的水蒸氣，供給至前述第1處理室。
如前述第3或第4特徵之本發明之燃燒系統，其第5特徵為：進而，較佳為，前述水蒸氣供給部，係將在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的排出氣體所含有的水蒸氣，供給至前述第1處理室。
如前述第3至第5任一特徵之本發明之燃燒系統，其第6特徵為：進而，較佳為，進一步具備：排出氣體供給部，係將含有在前述燃燒部的甲烷燃燒 所生成的二氧化碳及水蒸氣的排出氣體的至少一部分與前述混合氣體混合，並作為前述被處理氣體供給至前述第1處理室。
如前述第3至第6任一特徵之本發明之燃燒系統，其第7特徵為：進而，較佳為，進一步具備：水蒸氣去除部，係從前述第1分離氣體將水蒸氣去除，並將去除了水蒸氣的前述第1分離氣體供給至前述燃燒部。
如前述第7特徵之本發明之燃燒系統，其第8特徵為：進而，較佳為， 前述水蒸氣供給部，係將藉由前述水蒸氣去除部所去除的水蒸氣供給至前述第1處理室。
如前述第2至第8任一特徵之本發明之燃燒系統，其第9特徵為：進而，較佳為，進一步具備：吹掃氣體供給部，係對前述第2處理室供給吹掃氣體。
如前述第9特徵之本發明之燃燒系統，其第10特徵為：進而，較佳為，前述吹掃氣體，係含有水蒸氣，前述水蒸氣供給部，係將前述吹掃氣體所含有的水蒸氣供給至前述吹掃氣體供給部。
如前述第8特徵之本發明之燃燒系統，其第11特徵為：進而，較佳為，具備：吹掃氣體供給部，係對前述第2處理室供給含有水蒸 氣的吹掃氣體；前述吹掃氣體供給部，係將含有藉由前述水蒸氣去除部所去除的水蒸氣的前述吹掃氣體，供給至前述第2處理室。
如前述第9至第11任一特徵之本發明之燃燒系統，其第12特徵為：進而，較佳為， 前述吹掃氣體供給部，係將藉由與在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的高溫排出氣體之熱交換將水加熱而生成的水蒸氣，供給至前述第2處理室。
如前述第9至第12任一特徵之本發明之燃燒系統，其第13特徵為：進而，較佳為，前述吹掃氣體供給部，係將在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的排出氣體所含有的水蒸氣，供給至前述第2處理室。
如前述第1至第13任一特徵之本發明之燃燒系統，進而，較佳為，前述混合氣體，係能夠為來自有機物的甲烷發酵所生成的生質氣體之氣體。進而，較佳為，前述分離膜，係添加有與二氧化碳選擇性地反應的載體的促進輸送膜的情形下，具備使用超高效脫硫觸媒的脫硫裝置，並將來自前述生質氣體的氣體中所含有的硫成分(硫化氫)去除。
依據本發明之燃燒系統，係構成為使用分離 膜將生質氣體等所含有的二氧化碳去除，並將高純度的甲烷氣供給至燃燒室。藉此，即使在使用將生質氣體等之以甲烷為主成分並含有二氧化碳的氣體用作為燃料氣體的引擎之情形下，不需複雜的引擎調整作業便能夠獲得穩定的輸出。在此，用以去除二氧化碳的分離膜，係能夠適宜使用添加有與二氧化碳選擇性反應的載體的促進輸送膜。進而，所去除的二氧化碳，係能夠回收並再利用於各種產業用用途。
經由前述之分離膜(促進輸送膜)的透過所致之二氧化碳去除，係欲獲得越高純度的分離氣體需要越大的膜面積，然而與高壓水吸收法般為了去除二氧化碳而消費極大能量的步驟相比更為節能，並能夠最大限度地享受使用生質氣體所帶來的環境優點。
在將甲烷氣作為主成分並含有二氧化碳的氣體作為燃料氣體使用的引擎，係亦有例如專利文獻3~5般，藉由測定排出氣體的溫度等方法，檢測燃燒室中之燃燒狀態，並根據燃燒狀態控制燃料氣體的空燃比或是混合比者、或是檢測燃料氣體的燃燒性(甲烷純度)，並進行對應於該燃燒性使燃料氣體升壓並供給至燃燒室的控制者。然而，依據本發明之燃燒系統，係使用分離膜去除二氧化碳，藉此可不需如此般複雜的控制，並且不需檢測燃燒狀態或是燃料氣體的燃燒性的感測器，故能夠使用簡單的構成之低成本的引擎。能夠使用通用之廉價的天然氣用的引擎。
另一方面，在使用促進輸送膜的情形下，為了獲得高透過速度，水分的存在係不可或缺，故使將於生質氣體混合了水蒸氣氣體的氣體透過促進輸送膜，藉此即使在高溫環境中亦能夠以高選擇性能使二氧化碳氣體透過。因此，雖於分離氣體會混有水蒸氣氣體，然而水蒸氣氣體係能夠使用冷卻或其他選擇透過膜輕易去除。
進而，用以混合於生質氣體的水蒸氣，係能夠從甲烷氣的燃燒所排出的水蒸氣與二氧化碳的混合氣體分離並再利用。進而，亦能夠將排出氣體中所含有的二氧化碳經由分離膜回收、再利用，使二氧化碳不致排出至外部環境，而能夠減輕環境負荷。
1~6‧‧‧燃燒系統
14‧‧‧分離部
11‧‧‧第1處理室
12‧‧‧第2處理室
13‧‧‧分離膜
15‧‧‧燃燒部
16‧‧‧水蒸氣去除部
17‧‧‧水蒸氣供給部
18‧‧‧水蒸氣分離部
19‧‧‧排出氣體供給部
21~26‧‧‧氣體流路
34、35‧‧‧分離部
31、32、36~38‧‧‧處理室
33‧‧‧分離膜
[第1圖]表示本發明之一實施形態之燃燒系統之特取部分構成的示意圖。
[第2圖]表示本發明之一實施形態之燃燒系統之特取部分構成的示意圖。
[第3圖]表示本發明之一實施形態之燃燒系統之特取部分構成的示意圖。
[第4圖]表示本發明之一實施形態之燃燒系統之特取部分構成的示意圖。
[第5圖]表示本發明之一實施形態之燃燒系統之特取部分構成的示意圖。
[第6圖]表示本發明之一實施形態之燃燒系統之特取部分構成的示意圖。
[第7圖]表示評估分離膜的膜性能的條件及其評估結果的表。
以下，針對本發明之實施的形態進行詳細說明。
第1圖，係示意性地表示本發明之一實施形態之燃燒系統1之特取部分構成。又，第1圖中的箭號，係簡略表示氣體流動的流路及方向者，第1圖內所示之化學式，係示意地表示朝向圖式內的箭號方向流動的氣體所含有的主要成分。另外，於氣體流路中所必要的3方閥或混合閥等之記載係省略。該等係於之後說明的燃燒系統的各特取部分構成圖亦相同。另外，於各特取部分構成圖中，對於相同的構成元件，係賦予相同的符號，並省略其說明。
燃燒系統1，係構成為具備分離部14、以及燃燒部15。分離部14，係從以甲烷作為主成分並含有二氧化碳的混合氣體作為成分的被處理氣體將二氧化碳去除，並分離出至少二氧化碳的含量降低的高純度甲烷氣。並且，燃燒部15，係使藉由分離部14所獲得的高純度甲烷氣燃燒。燃燒部15，係例如為氣體引擎或氣體渦輪的燃燒室，用以將甲烷氣的燃燒反應所致之熱能轉換為動能 或電力等能量而設置。
分離部14，係具有藉由分離膜13所分隔的2個處理室11、12。經由氣體流路21，含有來自生質氣體的成分的混合氣體，係作為被處理氣體被供給至處理室11(第1處理室)。混合氣體，係以甲烷氣作為主成分並含有二氧化碳的氣體，然而來自生質氣體的成分當中，硫化氫、矽氧烷等雜質，係使用現有的脫硫裝置、活性碳吸附方式之矽氧烷去除裝置預先受到去除。
作為脫硫裝置，係能夠使用：使用了吸收液的濕式脫硫法或是使用了氧化鋅或氧化鐵等硫吸附材料的吸附脫硫方式。另外，若使用銅鋅系的超高效脫硫觸媒則能夠將硫磺完全去除至ppb等級以下。特別是，於分離膜13使用促進輸送膜的情形下，促進輸送膜係視所使用的載體的種類或其濃度，有受硫化氫的影響之情事，故使用超高效脫硫觸媒為佳。
分離膜13，係具有使前述被處理氣體所含有的二氧化碳氣體，以比甲烷氣的透過率更高的透過率，選擇性地透過至處理室12(第2處理室)側的功能。藉此，處理室11內的氣體的二氧化碳之純度降低，甲烷氣的純度上升。另一方面，處理室12內的氣體的二氧化碳之純度上升。
又，在此，所謂氣體的純度，係指該氣體成分之對於全部氣體的莫耳濃度比(亦即，等同於氣體分壓的比)。此係於之後的說明中亦相同。
分離膜13，係以促進輸送膜所構成為佳。促進輸送膜，係將與特定的氣體分子(在此，係二氧化碳)選擇性反應的載體添加於例如凝膠膜而形成的膜。針對該促進輸送膜之具體構成，係於後敘述。
於前述之CO2促進輸送膜中，CO2係除了溶解、擴散機構所致之物理透過，亦作為與載體的反應生成物透過，故透過速度受到促進。另一方面，不與載體反應的N2、CH4、及H2等氣體，係僅能以溶解、擴散機構作透過，故CO2對於該等氣體之分離係數極大。對於Ar、He等惰性氣體亦相同，因不與載體反應，故與CO2相比透過性極小。進而，CO2與載體之反應時所產生的能量，係被利用於載體用以放出CO2的能量，故沒有必要從外部供給能量，係本質上節能的流程。
在此所謂「載體」，係具有藉由於膜內含有該物質，使特定氣體的透過速度加快的效果的物質。
不僅節能效果高，且非常小型，若能夠量產化，與現有的化學吸收法或更為高價的PSA(Pressure Swing Adsorption)法相比，能夠構成極低成本的CO2分離、回收流程，故除了脫羧流程外，亦能夠運用於從發電排氣、煉鐵排氣、水泥排氣等之CO2回收、以及CTL(Coal to Liquids：自煤炭的液體燃料製造)領域般之次世代型的能量流程，或是現有的脫羧領域的小規模的化學廠或設備，而能夠輕易地將CO2分離、回收，故期待能夠對於低碳社會作出重大貢獻。
藉由分離膜13，含有甲烷氣及二氧化碳氣體的被處理氣體，係被分離為比該被處理氣體甲烷氣的純度更高且二氧化碳氣體的純度更低的處理室11內的第1分離氣體、及處理室12內的第2分離氣體。第1分離氣體係經由氣體流路23、水蒸氣分離部16、以及氣體流路24被送至燃燒部15，而甲烷氣被利用於燃燒。另一方面，第2分離氣體係含有較多二氧化碳，並能夠為了各種產業用利用作回收及再利用。
另外，在分離膜13為促進輸送膜的情形下，於分離膜13中沒有水分時，二氧化碳的透過速度一般而言非常小，故為了獲得高透過速度，膜內的水分係不可或缺。作為使水分維持於分離膜13內的1個方法，係可舉出將凝膠層以保水性高的水凝膠構成。藉此，即使在分離功能層內的水分減少的高溫下，亦能夠盡可能將水分保持於膜內，故例如於100℃以上的高溫亦能夠實現高選擇透過性能。另外，在被處理氣體中含有水分(水蒸氣)的情形下，係不除去該水分而持續作保持，並供給至處理室11內為佳。
作為維持分離膜13中的水分的其他方法，較佳為進一步將水蒸氣氣體(蒸氣)混合於含有甲烷氣及二氧化碳氣體的混合氣體，並將含有水蒸氣的混合氣體作為被處理氣體導入至處理室11。以此為目的，於燃燒系統1中，係設置有水蒸氣供給部17。於本實施形態中，從水蒸氣供給部17所供給的水蒸氣氣體，係與含有甲烷氣及 二氧化碳氣體的混合氣體混合，而含有甲烷、二氧化碳、及水蒸氣的混合氣體，係經由氣體流路21被供給至分離部14的處理室11。
含有水蒸氣的被處理氣體的相對溼度，係較佳為30%~100%，更佳為40%~100%。
含有水蒸氣的被處理氣體，係升壓亦可，升溫亦可。藉由升壓，使作為透過的推進力之二氧化碳氣體的分壓差增加，而能夠使二氧化碳的透過量增加。另外，亦有藉由升壓使蒸氣的分壓增加，藉此使因升溫所降低的相對溼度增加的效果。進行升壓時的壓力，若考慮升壓所需的能量，較佳為200kPa(A)~1000kPa(A)，更佳為400kPa(A)~1000kPa(A)。雖溫度係室溫左右的溫度亦可，然而二氧化碳的透過性能係有隨溫度上升的傾向，故較佳為60℃~130℃，更佳為80℃~120℃。
然而，在如此般設置水蒸氣供給部17的構成之情形，第1分離氣體會成為雖然二氧化碳的純度低，但含有甲烷氣及水蒸氣的氣體。在將第1分離氣體送至燃燒部15之際，係預先去除水蒸氣為佳。
因此，於本實施形態中，係將水蒸氣去除部16設置於處理室11與燃燒部15的燃燒室之間，水蒸氣去除部16，係構成為將藉由水蒸氣供給部17所混合的水蒸氣從第1分離氣體去除，並將水蒸氣去除後的高純度的甲烷氣供給至燃燒部15。水蒸氣去除部16，能夠利用使用了冷凝器者，或是使用了全氟系膜(或是全氟磺酸系膜) 等之水蒸氣透過膜的習知構成。例如在使用水蒸氣透過膜的情形下，水蒸氣氣體係並非受到冷卻的液體狀態的水，而是以氣體狀態(具有潛熱的狀態)受到回收，並使被去除的水蒸氣氣體的至少一部分直接回到水蒸氣供給部17，而能夠作為混合於被處理氣體的水蒸氣氣體進行再利用。作為水蒸氣透過膜，亦能夠使用前述的促進輸送膜。此時，促進輸送膜，以與分離膜13不同的材料構成亦可，以相同的材料構成亦可。使用了促進輸送膜的水蒸氣選擇透過膜之例，係揭示於國際公開第2012/014900號。
藉由水蒸氣去除部16所去除的水蒸氣，係為了添加於前述被處理氣體，係能夠經由氣體流路25被供給至水蒸氣供給部17。
作為水蒸氣供給部17所致之水蒸氣的供給方法，係不限於前述之利用藉由水蒸氣去除部16所去除的水蒸氣的方法。雖會另外消費能量，將水加熱而生成水蒸氣亦可。此時，於燃燒部15中，利用藉由甲烷的燃燒所生成的高溫排氣氣體，並藉由與高溫的排氣氣體的熱交換來將水加熱而生成水蒸氣，而能夠節能。另外，如後述般，亦能夠將甲烷的燃燒反應後的排氣氣體所含有的水蒸氣作再利用。
在處理室12內，為了使透過側的二氧化碳的分壓降低，而獲得作為選擇透過的推進力之分壓差，係流動有吹掃氣體為佳。吹掃氣體，係藉由氣體流路22(吹掃氣體供給部)受到供給。吹掃氣體，係含有水蒸氣氣體為 佳。於本實施形態中，水蒸氣供給部17，係除了將加入了水蒸氣的被處理氣體供給至處理室11外，亦能夠以使吹掃氣體含有水蒸氣的方式將水蒸氣供給至處理室12。吹掃氣體所含有的蒸氣，係與被供給至處理室11的水蒸氣相同，利用藉由甲烷的燃燒所生成的高溫排氣氣體，並藉由與高溫的排氣氣體的熱交換來將水加熱而生成水蒸氣，而能夠節能。另外，如後述般，亦能夠將甲烷的燃燒反應後的排氣氣體所含有的水蒸氣作再利用。
藉由將作為吹掃氣體的水蒸氣氣體供給至處理室12，能夠使供給側(處理室11)與透過側(處理室12)之間的水蒸氣氣體的分壓差減小，並使被處理氣體中的水蒸氣氣體的透過量減少，藉此抑制被處理氣體的相對溼度降低。另外，雖然CO2的回收率越高，則透過側的水蒸氣氣體的減小，故處理室12內氣體(第2分離氣體)的相對溼度會變低，然而藉由使吹掃氣體所含有的水蒸氣氣體的流量增加，能夠抑制相對溼度的降低。然而，在將水蒸氣使用作為吹掃氣體的情形下，係產生將透過側的壓力控制為所使用的溫度之飽和水蒸氣以下的必要。亦即，在未達100℃的溫度條件下僅使用水蒸氣氣體作為吹掃氣體時，有必要使透過側減壓。
如此，將含有甲烷及二氧化碳的被處理氣體供給至處理室11，並經由分離膜13，使被處理氣體中的二氧化碳以比甲烷更高的透過率作透過，藉此能夠將幾乎不含二氧化碳的高純度甲烷氣供給至燃燒部15。因此， 藉由將氣體引擎組裝作為燃燒系統1的燃燒部15，氣體引擎係即使在使用生質氣體作為燃料的情形下，亦不需複雜的引擎調整作業便能夠獲得穩定的輸出，而能夠小型化、高輸出化。
另外，因為沒有對應於燃燒室的燃燒狀態作燃料氣體的空燃比的控制、或是對應於燃料氣體的燃燒性(甲烷純度)作供給燃料氣體的升壓控制之複雜且高級的引擎控制之必要，故能夠使用簡單的構成之氣體引擎，而能夠低成本化。能夠使用通用之廉價的天然氣用的引擎。
另外，於燃燒系統1中，藉由使用CO2選擇透過膜，不需消費大量能量便能夠去除二氧化碳，故節能且能夠充分享受使用生質氣體所帶來的環境優點。
<第2實施形態>
第2圖~第6圖，係示意性地表示本發明之燃燒系統的其他構成例。第2圖~第6圖所示之燃燒系統2~6，係於燃燒部15中，能將藉由甲烷的燃燒反應所生成的排出氣體作再利用。
藉由甲烷的燃燒反應，係生成水蒸氣及二氧化碳。水蒸氣氣體，係作為被供給至分離部的第2處理室12的吹掃氣體、或是被混合於被處理氣體，藉此如前述般，即使在高溫條件中亦能夠維持分離膜中的水分，而獲得高透過率。另一方面，二氧化碳氣體，係藉由以分離膜去除，藉此能夠降低排出氣體對環境所造成的負荷。另 外，藉由提高純度，亦能夠作各種產業用利用。
於第2圖所示之燃燒系統2，在燃燒部15中所產生的排出氣體，係與來自水蒸氣供給部17的水蒸氣混合而作為吹掃氣體受到供給。藉此，為能夠有效利用排出氣體所含有的水蒸氣之構成。然而，因排出氣體含有二氧化碳，故有必要以使吹掃氣體中的二氧化碳的分壓不致超過被處理氣體中的二氧化碳的分壓的方式，調整水蒸氣的混合比率及流量。
甲烷燃燒後的排出氣體的組成，若設空氣中的氮與氧的比為4：1，且被取入至燃燒室的空氣中的氧皆毫無遺漏的使用於甲烷燃燒，則CO2：H2O：N2=1：2：8。在將排出氣體作為促進輸送膜的吹掃氣體利用的情形下，若欲獲得上述之較佳的相對溼度雖然有必要將加壓了的排出氣體供給至處理室12，然而有因排出氣體的加壓，使排出氣體所含有的二氧化碳的分壓亦增加，令二氧化碳的選擇透過所必要的推進力降低之虞。因此，一般而言，為了將排出氣體使用為促進輸送膜的吹掃氣體並獲得高選擇性能，需要另外對吹掃氣體添加水蒸氣。然而，於促進輸送膜之外的選擇透過膜(例如溶解擴散機構所致之CO2分離膜)中，因膜透過並不以水分為必要，僅直接使排出氣體進入透過側，便能夠期待作為吹掃氣體的效果。
於第3圖所示之燃燒系統3，係在流動有來自燃燒部的排出氣體的流路26上，設置有水蒸氣分離部18。水蒸氣分離部18，係使排出氣體所含有的水蒸氣分 離。受到分離的水蒸氣，係能夠經由水蒸氣供給部17，被混合於吹掃氣體或被處理氣體。水蒸氣分離部18，係與水蒸氣去除部16相同，能夠利用使用了水蒸氣透過膜之習知的構成。進而，於水蒸氣分離部，亦能夠使用促進輸送膜。另一方面，水蒸氣分離後殘留的包含二氧化碳及氮的氣體，係(雖未圖示)與第2圖的燃燒系統相同，能夠作為供給至處理室12的吹掃氣體利用。
於第4圖所示之燃燒系統4，來自燃燒部15的排出氣體，係被供給至與分離部14不同之設置有分離膜33(CO2促進輸送膜)的分離部34的處理室(供給側)31內。於排出氣體的成分，雖然含有從空氣中取入燃燒所必要的氧所帶來的氮氣，然而藉由將該排出氣體供給至分離部34的處理室31，在透過側的處理室32係能夠獲得氮受到去除的含有二氧化碳及水蒸氣的氣體。該氣體，藉由去除水蒸氣成分而能夠作為高純度的二氧化碳氣體作為各種產業利用。處理室32，係能夠流動有吹掃氣體。作為吹掃氣體，係水蒸氣為佳。水蒸氣供給部17，係為了獲得高二氧化碳透過速度，能夠供給在處理室31內與排出氣體混合的水蒸氣、及作為吹掃氣體被供給至處理室32內的水蒸氣。
第5圖所示的燃燒系統5，係就設置有用以去除排出氣體中的氮的分離部34而言與第4圖的燃燒系統4相同，但藉由氮分離所獲得的含有二氧化碳及水蒸氣的氣體係藉由排出氣體供給部19混合至生質氣體，並將混 合氣體作為被處理氣體被供給至分離部14的供給側(處理室11)之構成。藉此，排出氣體中的二氧化碳，係選擇透過分離部34的分離膜33，並進一步選擇透過分離部14的分離膜13，於處理室12內作為第2分離氣體受到回收。受到回收的二氧化碳氣體，在去除水蒸氣後，能夠作為高純度的二氧化碳氣體作為各種產業利用。
於第6圖所示之燃燒系統，係於第4圖的構成中，使被供給有吹掃氣體的分離部14的處理室12及分離部34的處理室32為共通者。取代分離部14及34，係設置有分離部35。分離部35，係具有藉由分離膜13及33所分隔的3個處理室。於藉由分離膜13所分隔的處理室36，係生質氣體與從水蒸氣供給部17所供給的水蒸氣之混合氣體，作為被處理氣體受到供給。於藉由分離膜33所分隔的處理室38，係供給有在甲烷燃燒後的排出氣體混合了從水蒸氣供給部17所供給的水蒸氣之混合氣體。於被分離膜13及分離膜33之雙方所分隔的處理室37，係供給有作為吹掃氣體的水蒸氣氣體，並使生質氣體所含有的二氧化碳氣體經由分離膜13從處理室36選擇透過至處理室37內，且使排出氣體中的二氧化碳氣體經由分離膜33從處理室38選擇透過置處理室37內。藉由該構成，排出氣體中的二氧化碳、及生質氣體中的二氧化碳，係一起在處理室37中受到回收，並能夠作為高純度的二氧化碳氣體受到再利用。
如此，第2圖~第6圖所示之燃燒系統，係 於燃燒部15中，能將藉由甲烷的燃燒反應所生成的排出氣體中的水蒸氣氣體或是二氧化碳氣體作再利用。
特別是，於第4圖~第6圖所示之燃燒系統，係能夠構成為將藉由燃燒所產生的二氧化碳氣體經由分離膜13或33回收，使二氧化碳不致釋出至外部環境，而能夠減輕環境負荷。
以下，係具體說明分離膜13(33)的構成、及製造方法。
<膜構造>
分離膜13及33，係CO2促進輸送膜，並如前述般，為含有於凝膠膜中與CO2選擇性反應的載體之構造。作為CO2載體，例如能夠列舉碳酸銫或是重碳酸銫，或者，碳酸銣或是重碳酸銣等鹼金屬的碳酸化物或是重碳酸化物。同樣地，因氫氧化銫或是氫氧化銣等鹼金屬之氫氧化物，亦會與二氧化碳反應而生成碳酸化物或重碳酸化物，可謂等價物。另外，已知有2,3-二胺基丙酸鹽(DAPA)、甘胺酸等胺基酸亦顯示高CO2選擇透過性能。
更具體而言，CO2促進輸送膜，係將使前述的載體包含於凝膠膜內所構成的凝膠層，擔持於親水性或疏水性的多孔膜所成者。作為構成凝膠膜的膜材料，例如可列舉出聚乙烯醇(PVA)膜、聚丙烯酸(PAA)膜、或是聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA/PAA)鹽共聚物膜。在此，發明所屬技術領域具有通常知識者，亦會將聚乙烯醇-聚丙烯酸鹽 共聚物稱為聚乙烯醇-聚丙烯酸共聚物。
已知前述構成之CO2促進輸送膜顯示了高CO2選擇透過性能。
更有甚者，該CO2促進輸送膜，於膜內沒有水分時，二氧化碳的透過速度非常小，故為了獲得高透過速度，膜內的水分係不可或缺。因此，凝膠膜係水凝膠膜為佳。藉由將凝膠膜以保水性高的水凝膠膜構成，即使在凝膠膜內的水分減少的環境下(例如，100℃以上的高溫)，亦能夠盡可能將水分保持於膜內，故亦能夠實現高CO2滲透率。在上述之例中，聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA/PAA)鹽共聚物膜及聚丙烯酸膜，係水凝膠膜。
又，水凝膠係親水性聚合物藉由化學交聯或物理交聯進行交聯而形成的三維網目構造物，且具有藉由吸收水而膨潤的性質。
進而，亦可於膜內含有加快CO2載體與CO2之反應的觸媒。作為如此之觸媒，以含有碳酸酐酶或含氧酸化合物為佳，特別是以含有從第14族元素、第15族元素、及第16族元素中所選擇的至少1個元素的含氧酸化合物所構成為佳。或者，該觸媒，係含有亞碲酸化合物、亞硒酸化合物、亞砷酸化合物、以及原矽酸化合物中至少任一者而構成為佳。
於本實施形態中，CO2促進輸送膜13(33)，係以下述者所構成：含有二氧化碳載體的水凝膠所構成的凝膠膜、以及將其擔持的多孔膜。又，作為CO2促進輸送膜 的膜構造，係不限於該具體例，例如為在圓筒形的多孔質支承體的外周側面或內周側面含有載體的凝膠膜所形成者亦可。
<膜的製造方法>
以下，針對CO2促進輸送膜(分離膜13及33)的製造方法進行說明。
首先，製作由含有PVA/PAA鹽共聚物、CO2載體(在此係Cs2CO3)、及CO2水和反應觸媒的水溶液所成之澆注溶液(步驟1)。更詳細而言，將2g之聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA/PAA)鹽共聚物(例如，住友精化製之SS凝膠)、4.67g之碳酸銫、以及為碳酸銫之0.025倍的莫耳數之亞碲酸鈣，添加於80g之水，攪拌至溶解而獲得澆注溶液。接著，將以步驟1所獲得的澆注溶液，以塗佈器在聚四氟乙烯多孔膜上作澆鑄(步驟2)。之後，藉由乾燥使澆注溶液凝膠化而形成凝膠層(步驟3)。
<性能評估結果>
以下，係針對以前述製造方法所製膜的CO2促進輸送膜表示二氧化碳的選擇透過性的評估結果。
作為構成CO2促進輸送膜的CO2載體，係使用前述之Cs2CO3，並將於以PVA/PAA塩共聚物為主成分的水凝膠添加CO2載體的膜作為水凝膠膜，擔持於疏水性的聚四氟乙烯多孔膜，為分離膜13。
又，下述之評估結果，係為方便評估實驗，代替評估對於CH4之CO2的選擇透過性能，將甲烷以氮代替，並對於含有氮及二氧化碳的混合氣體，評估對於N2之CO2的選擇透過性能。如上述般，CH4、及N2係不與CO2促進輸送膜中的載體反應，故與CO2相比，透過性皆極小。實際上，就前述之分離膜而言，進行了使用含有CH4、N2、及蒸氣(H2O)的三成分之混合氣體的實驗後，CH4滲透率對於N2之滲透率之比係0.74。因此，於下述之模擬例中，係將N2滲透率的0.74倍之值，採用作為該膜的評估條件中之CH4滲透率。
針對前述之膜，係表示以使溫度及供給側(處理室11側)壓力(總壓力)為一定，並改變被處理氣體及吹掃氣體的相對溼度之3個條件進行分離膜13的評估之結果。
首先，被處理氣體，係如前述般，為含有(取代甲烷)氮、二氧化碳、及水蒸氣的混合氣體。此時，使處理溫度為110℃、被處理氣體的總壓力為900kPa而為一定，並使供給至處理室11的水蒸氣氣體的分壓作變化。另一方面，不考慮水蒸氣之二氧化碳與氮的組成比(分壓比)，係考慮一般的生質氣體的組成(CO2：CH4=4：6)，並以維持CO2：N2=4：6的方式，分別使氮及二氧化碳的分壓變化。吹掃氣體，係水蒸氣氣體或水蒸氣與Ar的混合氣體，並使水蒸氣氣體的分壓與被處理氣體相同，於條件1及2中，以使總壓力為100kPa(大氣壓)的方式， 於吹掃氣體加入氬氣。
於第7圖，係表示再各評估條件下，溫度、被處理氣體及吹掃氣體的壓力、組成比(分壓比)、及相對溼度、CO2滲透率及N2的滲透率之評估結果。又，於評估條件1中，所謂N2滲透率為「GC檢測極限以下」，係指透過分離膜13的第2分離氣體中的N2濃度過低，氣相層析儀無法檢測出N2，故無法算出滲透率之義。此時之N2滲透率，係估計至多是1.37×10-8[mol/m2s‧kPa]。
對於N2(CH4)之CO2選擇性，係能夠作為CO2滲透率對於N2(CH4)滲透率之比作表示。藉由第7圖，可知CO2促進輸送膜係具有超過500之CO2/N2選擇性。因此，就CO2/CH4選擇性，亦具有相同程度的選擇性能。
作為應注目之處，於評估條件1~3中，係相對溼度越高則CO2滲透率越高。如此之濕度依賴性應為促進輸送膜之特徵。促進輸送膜，係特別於高濕度區域中，與其他分離膜(溶解擴散機構的分離膜等)相比，具有非常高的CO2滲透率及選擇性。
<必要膜面積>
表示了依據前述評估條件1~3的膜性能評估結果，計算為了使第1分離氣體的出口(氣體流路23附近)側甲烷濃度(純度)為90%以上所必要的膜面積的結果。在<必要膜面積>的評估時，將於前述評估條件1或3中之被處理氣體組成、吹掃氣體組成、及膜透過性能代入至模擬 器，並一邊改變膜面積及吹掃氣體的流量，一邊求取使甲烷濃度(純度)成為90%以上的最小膜面積。就CH4滲透率而言，係如上述般，採用N2滲透率之0.74倍之值。然而，於評估條件1中，N2滲透率為GC檢測極限以下，故將評估條件3中之N2滲透率之0.74倍之值採用作為評估條件1中之CH4滲透率(因此，實際的CH4滲透率應係比此更低的值)。另外，供給至處理室11的被處理氣體的流量(除了水蒸氣)，係設定為330Nm3/h。
另外，CO2滲透率係不論膜的區域之一定值(第7圖所示之值)。然而，促進輸送膜係有供給側(處理室11側)與透過側(處理室12側)的CO2分壓差越低則CO2滲透率越高之特徴(例如，參照日本特願2015-223893號)。因此，實際上，係視處理室11內CO2分壓的膜上之分佈，自膜的入口側(流路21的附近)越接近膜的出口側(流路23的附近)則CO2滲透率越高。因此，在使用促進輸送膜的情形下，實際上所必要的膜面積，係應比計算出的值更少即可。
計算的結果，必要之膜面積在評估條件1的情形係575m2，於評估條件3的情形係250m2。雖相對來說為大面積，然而藉由組合複數個膜模組，係充分能夠實現作為用於生質氣體燃燒的燃燒系統。
因此，依據本發明之燃燒系統，係將生質氣體所含有的二氧化碳經由CO2分離膜去除，並將去除後的高純度的甲烷氣供給至燃燒室，而能夠實現可最大限度享 受使用生質氣體所致之環境優點，且節能並能夠獲得穩定的輸出之燃燒系統。
<其他實施形態>
以下，針對其他實施形態進行說明。
<1>於前述實施形態之燃燒系統1~6，雖係使分離膜(CO2促進輸送膜)13、33為平膜，然而並不限於此，為擔持了在圓筒形的多孔膜之內側面或外側面含有載體的凝膠層之曲面形狀、或是中空絲狀的膜亦可。同樣地，本發明係不倚賴於各處理部內的處理室之配置，亦能夠為軸心共通之圓筒形的複數個處理室受到CO2促進輸送膜或是透過膜分離的構成、或是於軸心的延長方向將各處理室直列配置的構成。
<2>另外，於前述實施形態中，雖係利用由聚乙烯醇-聚丙烯酸鹽共聚物所構成的凝膠膜作為CO2促進輸送膜的材料，然而此係一例，亦能夠採用發揮CO2選擇分離能力之相同的親水性聚合物。另外，就CO2載體而言，係不限於實施形態所列舉的材料，只要是具有所期望的CO2選擇透過性能，採用其他的材料膜亦可。
<3>於前述實施形態中，雖使用水蒸氣作為吹掃氣體，然而作為在分離部14的處理室12內、分離部34的處理室32內、或是分離部35的處理室37內流動的吹掃氣體，係不限於水蒸氣。例如，吹掃氣體，係含有氮氣或氬氣等氣體成分亦可。然而，因會使第2分離氣體中 含有該氣體成分，故設定將第2分離氣體中的二氧化碳氣體作再利用時，會另外需要將該氣體成分分離的步驟。另外，於第5圖所示之燃燒系統5中，作為供給至處理室32的吹掃氣體，雖亦能夠為含有水蒸氣以外的氣體成分之混合氣體，然而該氣體成分係會混合至生質氣體，並於處理室11內受到循環供給，故在比燃燒部15更前段處必須有去除該氣體成分的步驟。
就該點而言，在處理室12、32(第4圖)、37內流動的吹掃氣體，若考慮到第2分離氣體中之二氧化碳氣體的再利用，則以能夠輕易自二氧化碳氣體分離者為佳，故以水蒸氣氣體為合適。同樣地，在第5圖之處理室32內流動的吹掃氣體，以能夠輕易自甲烷氣及二氧化碳氣體分離者為佳，故以水蒸氣氣體為合適。亦能夠於處理室12、37內之第2分離氣體的一部分、處理室32內之透過氣體的一部分、或是甲烷燃燒後之排出氣體的一部分混合水蒸氣氣體，並將混合氣體作為吹掃氣體再利用。然而，因混合氣體含有二氧化碳，故有必要以使吹掃氣體中的二氧化碳的分壓比被處理氣體中的二氧化碳的分壓更低的方式，調整水蒸氣氣體的混合比率。
<4>另外，於前述實施形態中，作為燃燒系統的構成例，雖於第1~6圖分別列舉燃燒系統1~6，然而本發明係不限於該具體構成，若為發明所屬技術領域具有通常知識者，可在作為整體不矛盾的範圍內，將燃燒系統1~6的構成之一部分或是全部適當組合，可輕易構成其 他的燃燒系統。如此之由燃燒系統1~6所暗示之構成，亦揭示於本說明書中。
〔產業上之利用可能性〕
本發明，係能夠利用作為將如藉由有機物的甲烷發酵所獲得的生質氣體般之，於可燃性氣體含有二氧化碳氣體的混合氣體作為燃料使用的燃燒系統，並將藉由分離膜去除二氧化碳的混合氣體供給至燃燒室，而能夠利用作為最大限度享受使用生質氣體所致之環境優點，且節能並能夠獲得穩定的輸出之燃燒系統。
1‧‧‧燃燒系統
13‧‧‧分離膜
14‧‧‧分離部
15‧‧‧燃燒部
16‧‧‧水蒸氣去除部
17‧‧‧水蒸氣供給部
21~25‧‧‧氣體流路

Claims (15)

  1. 一種燃燒系統，係具備：分離部，係從以甲烷為主成分並含有二氧化碳的混合氣體作為成分的被處理氣體將二氧化碳去除，並獲得至少二氧化碳的含量降低的高純度甲烷氣；以及燃燒部，係使甲烷氣燃燒；其特徵為：前述分離部，係具有藉由分離膜所分隔的第1處理室及第2處理室，前述分離膜，係使被供給至前述第1處理室的前述被處理氣體中的二氧化碳選擇性地透過至前述第2處理室，而獲得甲烷純度比前述被處理氣體更高的前述第1處理室內的第1分離氣體、以及含有前述被處理氣體中的二氧化碳的前述第2處理室內的第2分離氣體。
  2. 如請求項1所述之燃燒系統，其中，前述分離膜，係添加有與二氧化碳選擇性地反應的載體的促進輸送膜。
  3. 如請求項2所述之燃燒系統，其中，係具備：水蒸氣供給部，係對前述第1處理室供給水蒸氣；含有藉由前述水蒸氣供給部所供給的水蒸氣的前述混合氣體，係作為前述被處理氣體，被供給至前述第1處理室。
  4. 如請求項3所述之燃燒系統，其中，前述水蒸氣供給部，係將藉由與在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的高溫排出氣體之熱交換將水加熱而生成的水 蒸氣，供給至前述第1處理室。
  5. 如請求項3或4所述之燃燒系統，其中，前述水蒸氣供給部，係將在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的排出氣體所含有的水蒸氣，供給至前述第1處理室。
  6. 如請求項3~5中任一項所述之燃燒系統，其中，係進而具備：排出氣體供給部，係將含有在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的二氧化碳及水蒸氣的排出氣體的至少一部分與前述混合氣體混合，並作為前述被處理氣體供給至前述第1處理室。
  7. 如請求項3~6中任一項所述之燃燒系統，其中，係進而具備：水蒸氣去除部，係從前述第1分離氣體將水蒸氣去除，並將去除了水蒸氣的前述第1分離氣體供給至前述燃燒部。
  8. 如請求項7所述之燃燒系統，其中，前述水蒸氣供給部，係將藉由前述水蒸氣去除部所去除的水蒸氣供給至前述第1處理室。
  9. 如請求項2~8中任一項所述之燃燒系統，其中，係具備：吹掃氣體供給部，係對前述第2處理室供給吹掃氣體。
  10. 如請求項9所述之燃燒系統，其中，前述吹掃氣體，係含有水蒸氣，前述水蒸氣供給部，係將前述吹掃氣體所含有的水蒸氣供給至前述吹掃氣體供給部。
  11. 如請求項7所述之燃燒系統，其中，係具備：吹掃氣體供給部，係對前述第2處理室供給含有水蒸氣的吹掃氣體；前述吹掃氣體供給部，係將含有藉由前述水蒸氣去除部所去除的水蒸氣的前述吹掃氣體，供給至前述第2處理室。
  12. 如請求項9~11中任一項所述之燃燒系統，其中，前述吹掃氣體供給部，係將藉由與在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的高溫排出氣體之熱交換將水加熱而生成的水蒸氣，供給至前述第2處理室。
  13. 如請求項9~12中任一項所述之燃燒系統，其中，前述吹掃氣體供給部，係將在前述燃燒部的甲烷燃燒所生成的排出氣體所含有的水蒸氣，供給至前述第2處理室。
  14. 如請求項1~13中任一項所述之燃燒系統，其中，前述混合氣體，係含有來自有機物的甲烷發酵所生成的生質氣體之氣體。
  15. 如請求項14所述之燃燒系統，其中，前述分離膜，係添加有與二氧化碳選擇性地反應的載體的促進輸送膜，並具備：使用超高效脫硫觸媒的脫硫裝置，係將來自 前述生質氣體的氣體中所含有的硫成分去除。
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