WO2012153808A1 - 二酸化炭素分離システム - Google Patents

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zeolite membrane
separation
concentration
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健一 澤村
高木　義信
祥広 浅利
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Hitachi Zosen Corp
Hitachi Shipbuilding and Engineering Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide separation system for recovering carbon dioxide (CO 2 ) in a mixed gas having a carbon dioxide concentration of 3 to 75%.
  • Carbon dioxide a typical global warming gas
  • power plants cement plants, steel plants, and chemical plants.
  • carbon dioxide recovery technology Development is an urgent need.
  • Carbon dioxide is also contained in natural gas mainly composed of methane, and it is necessary to recover and remove carbon dioxide from methane from the viewpoint of preventing pipeline corrosion.
  • coal gasification combined power generation finely pulverized coal is pyrolyzed and gasified, undergoes a shift reaction, generates a gas mainly composed of hydrogen and carbon dioxide, and then separates carbon dioxide into hydrogen. Attempts have been made to use rich gas as fuel gas.
  • the membrane separation method using a zeolite membrane is capable of continuous operation and does not require regeneration of an absorbing solution or an adsorbent, and thus is expected as a highly efficient carbon dioxide recovery technology.
  • Non-Patent Document 1 describes an example of performing carbon dioxide separation or nitrogen separation from natural gas mainly composed of methane using membrane separation by a zeolite membrane.
  • the pressure difference through the zeolite membrane becomes the driving force for gas permeation, so the carbon dioxide concentration on the non-permeate side of the zeolite membrane is reduced along with the removal and recovery of carbon dioxide.
  • the fact is that the separation efficiency decreases in the carbon concentration range.
  • Patent Document 1 in order to separate and recover carbon dioxide in exhaust gas, carbon dioxide is firstly concentrated in a membrane separator and further concentrated in an adsorption separator.
  • a hybrid process of a separation zeolite membrane and a pressure swing adsorption method (PSA) is proposed, and high concentration carbon dioxide is recovered.
  • PSA pressure swing adsorption method
  • a mixed gas having a wide range of carbon dioxide concentration and pressure is separated into a high concentration carbon dioxide gas having a carbon dioxide concentration of 80% or more and a carbon dioxide removal gas having a carbon dioxide concentration of 2% or less.
  • a carbon dioxide removal gas having a carbon dioxide concentration of 2% or less there was a problem that the equipment had to be inefficient.
  • An object of the present invention is to provide a carbon dioxide separation system capable of efficiently separating a mixed gas having a wide range of carbon dioxide concentrations and pressures into a high concentration carbon dioxide gas and a carbon dioxide removal gas. is there.
  • the present inventors have conducted a membrane separation method comprising a zeolite membrane for carbon dioxide separation containing a zeolite membrane layer, an amine absorption method or a pressure swing adsorption method (PSA).
  • a membrane separation method comprising a zeolite membrane for carbon dioxide separation containing a zeolite membrane layer, an amine absorption method or a pressure swing adsorption method (PSA).
  • PSA pressure swing adsorption method
  • the invention of the carbon dioxide separation system according to claim 1 is characterized in that a mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% is mixed with a primary dioxide dioxide comprising a zeolite membrane (5) for carbon dioxide separation. Introduced into the carbon separator (4) to produce a primary permeate gas (6) having a carbon dioxide concentration of 80% or more on the permeate side of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5), and a zeolite membrane for carbon dioxide separation (5) The carbon dioxide concentration of the primary non-permeate side gas (7) is reduced to 3 to 15%, and then the primary non-permeate side gas (7) is converted into secondary dioxide by the amine absorption method or the pressure swing adsorption method (PSA).
  • PSA pressure swing adsorption method
  • acid It is characterized by causing a carbon removal gas (10).
  • the invention of the carbon dioxide separation system of claim 2 introduces a mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% into a primary carbon dioxide separator (4) comprising a zeolite membrane (5) for carbon dioxide separation.
  • the primary permeation gas (6) containing the permeated carbon dioxide is generated on the permeation side of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5), and the primary non-permeation side gas (7) for the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5).
  • the primary non-permeate side gas (7) is introduced into the secondary carbon dioxide separator (8) by the amine absorption method or the pressure swing adsorption method (PSA).
  • PSA pressure swing adsorption method
  • the invention of claim 3 is the carbon dioxide separation system according to claim 1 or 2, wherein the mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% contains carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen ( H 2 ), nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), and at least one gas selected from the group consisting of methane, water (H 2 O), hydrogen sulfide (H 2 S), A gas containing at least one impurity selected from the group consisting of nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), and hydrocarbons other than methane, and comprising a zeolite membrane for carbon dioxide separation (5) An impurity remover (2) for removing the impurities is provided in a stage preceding the primary carbon dioxide separator (4).
  • the mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% contains carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen ( H 2 ), nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), and at least one gas selected from the group consisting of methane, water (H 2 O), hydrogen sulfide
  • the invention of claim 4 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) is a faujasite (FAU) type zeolite membrane. It is characterized by including a layer.
  • FAU faujasite
  • the invention of claim 5 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) is a chabasite (CHA) type zeolite membrane layer. It is characterized by including.
  • CHA chabasite
  • the invention of claim 6 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) is a ZSM-5 (MFI) type zeolite membrane. It is characterized by containing a layer.
  • MFI ZSM-5
  • the invention of claim 7 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) contains a DDR type zeolite membrane layer. It is characterized by.
  • the invention of claim 8 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 7, wherein the zeolite membrane layer of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) has a temperature for drying. It is characterized by being heat-treated at 100 to 600 ° C. to be dehydrated and then kept in a dry state.
  • a ninth aspect of the present invention is the carbon dioxide separation system according to any one of the first to eighth aspects, wherein the carbon dioxide separation system is installed in a coal gasification combined power plant, and the CO2 from the gas after the exhaust gas shift reaction.
  • the carbon dioxide separation system Used for carbon removal or installed in a natural gas refining plant of a natural gas field and used for carbon dioxide removal from natural gas, the above coal gasification combined power plant or natural gas refining plant After the closure, the carbon dioxide separation system is characterized in that it can be moved on land or at sea.
  • the invention of the carbon dioxide separation system according to claim 1 introduces a mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% into a primary carbon dioxide separator (4) having a zeolite membrane (5) for carbon dioxide separation.
  • the primary permeation gas (6) having a carbon dioxide concentration of 80% or more is generated on the permeation side of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5), and the primary non-permeation side gas (7) of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5).
  • the primary non-permeate side gas (7) is introduced into the secondary carbon dioxide separator (8) by the amine absorption method or the pressure swing adsorption method (PSA).
  • PSA pressure swing adsorption method
  • the mixed gas having a wide range of carbon dioxide concentration and pressure can be efficiently separated into the high concentration carbon dioxide gas and the carbon dioxide removal gas. There is an effect that can be done.
  • a mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% is introduced into a primary carbon dioxide separator (4) having a zeolite membrane (5) for carbon dioxide separation,
  • a primary permeate gas (6) containing carbon dioxide that has permeated is generated on the permeate side of the zeolite membrane for carbon separation (5), and the carbon dioxide of the primary non-permeate side gas (7) of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5).
  • the carbon concentration is reduced to 3 to 15%, and then this primary non-permeate side gas (7) is introduced into a secondary carbon dioxide separator (8) by an amine absorption method or a pressure swing adsorption method (PSA).
  • PSA pressure swing adsorption method
  • a secondary separation gas (9) containing carbon dioxide separated by a secondary carbon dioxide separator (8) is produced, and a carbon dioxide removal gas (10) having a carbon dioxide concentration of 2% or less is produced.
  • a wide range of carbon dioxide concentrations and pressures are set. The mixed gas is efficiently separated into the high-concentration carbon dioxide gas and the carbon dioxide removal gas.
  • the invention of claim 3 is the carbon dioxide separation system according to claim 1 or 2, wherein the mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% contains carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen ( H 2 ), nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), and at least one gas selected from the group consisting of methane, water (H 2 O), hydrogen sulfide (H 2 S), A gas containing at least one impurity selected from the group consisting of nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), and hydrocarbons other than methane, and comprising a zeolite membrane for carbon dioxide separation (5)
  • the primary carbon dioxide separator (4) is provided with an impurity remover (2) for removing the impurities before the primary carbon dioxide separator (4). Carbon separator (4) and two An effect that contamination and deterioration due to the impurity of the carbon separation zeolite membrane (5) can be prevented.
  • the invention of claim 4 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) is a faujasite (FAU) type zeolite membrane.
  • FAU faujasite
  • hydrogen (H 2 ), methane, nitrogen (N 2 ), and oxygen by the strong adsorption action of the FAU type zeolite membrane and carbon dioxide, There is an effect that carbon dioxide can be permeated and separated with high selectivity from a gas such as O 2 ).
  • the invention of claim 5 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) is chabasite (CHA) such as SAPO-34. ) Type zeolite membrane layer.
  • CHA chabasite
  • methane which is a large molecule
  • methane is formed by the uniform and rigid pore structure having a diameter of 0.38 mm, which CHA type zeolite has. From the diameter of 0.38 nm, carbon dioxide (0.33 nm in diameter), which is a small molecule, can be permeated and removed with high selectivity in a molecular sieve manner.
  • the invention of claim 6 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) is a ZSM-5 (MFI) type zeolite membrane. According to the invention of claim 6, although the carbon dioxide permeation separation performance is inferior to that of the FAU type zeolite membrane, there is an effect that high durability is obtained.
  • MFI ZSM-5
  • the invention of claim 7 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) contains a DDR type zeolite membrane layer.
  • the hydrophobicity of the DDR type zeolite membrane prevents carbon dioxide from permeating through the membrane, and the DDR type zeolite membrane layer has a pore structure. Due to the difference in diffusivity, carbon dioxide can be selectively permeated and separated from methane.
  • the invention of claim 8 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 7, wherein the zeolite membrane layer of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) has a temperature for drying. It is characterized in that it is heat-treated at 100 to 600 ° C., dehydrated, and thereafter kept in a dry state. According to the invention of claim 8, water of crystallization in the zeolite pores is removed. Thus, the effect of obtaining high carbon dioxide permeability can be obtained.
  • a ninth aspect of the present invention is the carbon dioxide separation system according to any one of the first to eighth aspects, wherein the carbon dioxide separation system is installed in a coal gasification combined power plant, and the CO2 from the gas after the exhaust gas shift reaction. Used for carbon removal or installed in a natural gas refining plant of a natural gas field and used for carbon dioxide removal from natural gas, the above coal gasification combined power plant or natural gas refining plant After the closure of the carbon dioxide separation system, the carbon dioxide separation system is made movable on land or at sea.
  • the carbon dioxide separation system according to the present invention is, for example, In a combined gasification combined cycle power plant, when used to remove carbon dioxide from the gas after the exhaust gas shift reaction, after the closed coal gasification combined cycle plant is closed, other coal gasification An effect that can be used and transferred to if the power plant.
  • the carbon dioxide separation system according to the present invention when used for removing carbon dioxide from natural gas, for example, when the adaptive gas field is depleted, it can be transferred to another gas field and used. It has the effect of being easily applied to natural gas fields.
  • FIG. 1 is a flow sheet showing a first embodiment of a carbon dioxide separation system according to the present invention. It is a flow sheet which shows 2nd Embodiment of the carbon dioxide separation system by this invention.
  • FIG. 1 is a flow sheet showing a first embodiment of a carbon dioxide separation and recovery system based on a hybrid of a zeolite membrane and an amine absorption method or a pressure swing adsorption method (PSA) according to the present invention.
  • PSA pressure swing adsorption method
  • the inventors of the present invention performed a specific method of separating a membrane separation method including a zeolite membrane for carbon dioxide separation containing a zeolite membrane layer, an amine absorption method or a pressure swing adsorption method (PSA).
  • a hybrid system combined with operating conditions can efficiently separate a carbon dioxide-containing mixed gas into a high-concentration carbon dioxide gas having a carbon dioxide concentration of 80% or more and a carbon dioxide removal gas having a carbon dioxide concentration of 2% or less.
  • the present inventors have found out what can be done and have completed the present invention.
  • the invention of the carbon dioxide separation system is a primary carbon dioxide separator (1) comprising a mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% and a zeolite membrane (5) for carbon dioxide separation. 4), a primary permeation gas (6) having a carbon dioxide concentration of 80% or more is generated on the permeation side of the carbon dioxide separation zeolite membrane (5), and the primary non-permeation of the carbon dioxide separation zeolite membrane (5).
  • the carbon dioxide concentration of the side gas (7) is reduced to 3 to 15%, and then the primary non-permeate side gas (7) is separated into a secondary carbon dioxide separator (PSA) by an amine absorption method or a pressure swing adsorption method (PSA) ( 8), and a secondary separation gas (9) having a carbon dioxide concentration of 80% or more separated by the secondary carbon dioxide separator (8) is produced, and carbon dioxide concentration with a carbon dioxide concentration of 2% or less is removed.
  • PSA secondary carbon dioxide separator
  • PSA pressure swing adsorption method
  • a secondary separation gas (9) having a carbon dioxide concentration of 80% or more separated by the secondary carbon dioxide separator (8) is produced, and carbon dioxide concentration with a carbon dioxide concentration of 2% or less is removed.
  • a mixed gas having a wide range of carbon dioxide concentrations and pressures can be efficiently separated into a high concentration carbon dioxide gas and a carbon dioxide removal gas. can do.
  • the zeolite membrane for carbon dioxide separation containing the above zeolite either a tubular or hollow fiber porous substrate made of zeolite can be used. From the viewpoint of pressure resistance of the element, a tubular shape is preferable.
  • the driving force for membrane permeation includes self-pressure of the mixed gas (1), pressurization of the membrane separator supply gas (3) by a compressor (not shown), or pressure reduction on the membrane permeation side by a vacuum pump (not shown). Is available.
  • a carbon dioxide separation system according to the present invention is applied to an amine absorption method or a pressure swing adsorption method (PSA) in which the equipment scale, equipment cost, and energy consumption increase in proportion to an increase in the concentration of carbon dioxide as a processing gas.
  • PSA pressure swing adsorption method
  • FIG. 2 is a flow sheet showing a second embodiment of the carbon dioxide separation system according to the present invention.
  • the invention of the carbon dioxide separation system is a primary carbon dioxide separator (1) comprising a mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 3 to 75% and a zeolite membrane (5) for carbon dioxide separation. 4) is introduced into the permeation side of the carbon dioxide separation zeolite membrane (5), and the primary permeation gas (6) containing the permeated carbon dioxide is generated and the primary non-permeation of the carbon dioxide separation zeolite membrane (5).
  • the carbon dioxide concentration of the side gas (7) is reduced to 3 to 15%, and then the primary non-permeate side gas (7) is separated into a secondary carbon dioxide separator (PSA) by an amine absorption method or a pressure swing adsorption method (PSA) ( 8) and a secondary separation gas (9) containing carbon dioxide separated by the secondary carbon dioxide separator (8) is produced, and a carbon dioxide removal gas (1) having a carbon dioxide concentration of 2% or less. ), And a primary permeate gas (6) containing carbon dioxide discharged from the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5) and a secondary containing carbon dioxide discharged from the secondary carbon dioxide separator (8).
  • PSA secondary carbon dioxide separator
  • PSA pressure swing adsorption method
  • the separation gas (9) is mixed to produce a carbon dioxide enriched gas (11) having a carbon dioxide concentration of 80% or more. According to the present invention, similarly, a wide range of carbon dioxide concentrations , And a mixed gas having pressure can be efficiently separated into high-concentration carbon dioxide gas and carbon dioxide-removed gas.
  • the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) preferably includes a faujasite (FAU) type zeolite membrane layer.
  • FAU faujasite
  • carbon dioxide is selectively permeated and separated from gases such as hydrogen (H 2 ), methane, nitrogen (N 2 ), and oxygen (O 2 ) by the strong adsorption action of the FAU type zeolite membrane and carbon dioxide.
  • the FAU type zeolite membrane is not particularly limited, but for example, a FAU type zeolite membrane (trade name, NaY type zeolite membrane, manufactured by Hitachi Zosen Corporation) can be used.
  • the invention of claim 5 is the carbon dioxide separation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) Preferably, it contains a chabasite (CHA) type zeolite membrane layer such as SAPO-34.
  • CHA chabasite
  • the CHA-type zeolite membrane is not particularly limited.
  • the CHA-type zeolite membrane was prepared to have a composition of Al 2 O 3 : P 2 O 3 : 0.32SiO 2 : TEAOH: 1.6DPA: 150H 2 O.
  • the SAPO-34 seed crystal densely coated on the porous support in the reaction solution can be synthesized by a method of hydrothermal synthesis at 220 ° C. for 6 hours (for example, Non-patent Document 2: S. Li et al., “Scale-up of SAPO-34 membrane for CO 2 / CH 4 separation” Journal of Membrane Science 352 (2010) 7-13.
  • the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) contains a ZSM-5 (MFI) type zeolite membrane layer.
  • the ZSM-5 type zeolite membrane is not particularly limited.
  • the ZSM-5 type zeolite membrane is porous in a reaction solution prepared to 10Na 2 O: 0.15Al 2 O 3 : 36SiO 2 : 1200H 2 O.
  • ZSM-5 seed crystals coated tightly on a porous support can be synthesized by a method of hydrothermal synthesis at 180 ° C. for 12 hours (for example, Non-Patent Document 3: K. Sawamura et al., “Reverse-Selective Microporous Membrane for Gas Separation” Chem. Asian J. 4 (2009) 1070-1077.).
  • the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) preferably contains a DDR type zeolite membrane layer.
  • the hydrophobicity of the DDR type zeolite membrane prevents the carbon dioxide from permeating through the membrane, and the DDR type zeolite membrane layer has a high selection of carbon dioxide from the diffusivity in the pore structure of the DDR type zeolite membrane layer. There is an advantage that transmission and separation can be performed.
  • the DDR type zeolite membrane is not particularly limited.
  • (1-adamantanamine / silica) 0.125
  • (ethylenediamine / 1-adamantanamine) 16
  • the DDR seed crystal densely coated on the porous support can be synthesized by a method of hydrothermal synthesis at 160 ° C. for 48 hours ( For example, refer to Japanese Patent No. 4204273).
  • the zeolite membrane layer of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (4) is dehydrated by heat treatment at a temperature of 100 to 600 ° C. for drying, and then remains in a dry state. It is preferable that it is held.
  • the membrane separator feed gas is dried by the impurity remover (2), and the zeolite membrane is heated to a temperature of 100 to 600 ° C., preferably by a heater (not shown) provided in the primary carbon dioxide separator (4).
  • a heater not shown
  • the inside of the zeolite membrane pores can be kept dry.
  • the carbon dioxide separation system according to the present invention is installed in a coal gasification combined power plant and is used for removing carbon dioxide from a gas after an exhaust gas shift reaction, or in a natural gas purification plant of a natural gas field. Installed and used to remove carbon dioxide from natural gas, and after the coal gasification combined power plant or natural gas refining plant is closed, the carbon dioxide separation system is movable on land or sea It is preferable that
  • the carbon dioxide separation system according to the present invention when used for removing carbon dioxide from the gas after the exhaust gas shift reaction, for example, in a coal gasification combined power plant, after the coal gasification combined power plant is closed, There is an advantage that it can be transferred to other coal gasification combined power plants.
  • the carbon dioxide separation system according to the present invention when used for removing carbon dioxide from natural gas, for example, when the adaptive gas field is depleted, it can be used by moving to another gas field. It has the advantage of being easy to apply to natural gas fields.
  • the carbon dioxide separation and recovery system of the present invention was implemented using the flow sheet shown in FIG.
  • a mixed gas (1) having a carbon dioxide concentration of 20% made of a gas containing impurities (NOx) and sulfur oxides (SOx) is first provided with an adsorbent such as zeolite for removing the impurities.
  • an adsorbent such as zeolite for removing the impurities.
  • the membrane separator supply gas (3) was introduced into the primary carbon dioxide separator (4) equipped with a zeolite membrane for carbon dioxide separation (5).
  • a zeolite membrane for carbon dioxide separation (5) a tubular FAU type zeolite membrane (trade name, NaY type zeolite membrane, manufactured by Hitachi Zosen Corporation) was used.
  • a primary permeate gas (6) having a carbon dioxide concentration of 95% is generated on the permeate side of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5), and a primary non-permeate gas (7) for the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5).
  • the carbon dioxide concentration was reduced to 10%.
  • this primary non-permeate side gas (7) is introduced into a secondary carbon dioxide separator (8) by an amine absorption method or pressure swing adsorption method (PSA) made of alkanolamine, and the secondary carbon dioxide separator (8).
  • PSA pressure swing adsorption method
  • Example 1 it was possible to efficiently separate a mixed gas having a wide range of carbon dioxide concentration and pressure into a high concentration carbon dioxide gas and a carbon dioxide removal gas.
  • the carbon dioxide separation system according to the first embodiment of the present invention is a simple method using only the amine absorption method in which the equipment scale, equipment cost, and energy consumption increase in proportion to the increase in the concentration of carbon dioxide as the processing gas.
  • the use of zeolite membrane separation in a high-concentration carbon dioxide region can reduce the equipment scale, equipment cost, and energy consumption.
  • the FAU type zeolite membrane for the carbon dioxide separation zeolite membrane, the membrane deterioration such as that seen in the conventional organic polymer membrane such as plasticization of the membrane by high pressure carbon dioxide does not occur.
  • Example 2 The carbon dioxide separation and recovery system of the present invention was implemented using the flow sheet shown in FIG.
  • the difference from the case of Example 1 is that the pressure non-permeation side gas (7) of the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5) is used as a carbon dioxide recovery / separation material and a pressure swing adsorption method comprising zeolite 13X.
  • PSA is introduced into the secondary carbon dioxide separator (8) to produce a secondary separation gas (9) containing carbon dioxide separated by the secondary carbon dioxide separator (8), and a carbon dioxide concentration of 2 % Of carbon dioxide-removing gas (10) or less, from the primary permeate gas (6) containing carbon dioxide discharged from the zeolite membrane for carbon dioxide separation (5), and the secondary carbon dioxide separator (8)
  • the secondary separation gas (9) containing carbon dioxide to be discharged is mixed to produce a carbon dioxide enriched gas (11) having a carbon dioxide concentration of 96%.
  • Example 2 similarly, a mixed gas having a wide range of carbon dioxide concentrations and pressures could be efficiently separated into a high concentration carbon dioxide gas and a carbon dioxide removal gas.
  • the carbon dioxide separation system according to Example 2 of the present invention is a pressure swing adsorption method (PSA) in which the equipment scale, equipment cost, and energy consumption increase in proportion to the increase in the concentration of carbon dioxide as the processing gas.
  • PSA pressure swing adsorption method
  • the pressure swing adsorption method is used in the low concentration carbon dioxide region, so that it is highly selective. Carbon dioxide can be separated.
  • the FAU type zeolite membrane for the carbon dioxide separation zeolite membrane, the membrane deterioration such as that seen in the conventional organic polymer membrane such as plasticization of the membrane by high pressure carbon dioxide does not occur.

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Abstract

【課題】 広範囲の二酸化炭素濃度、および圧力をもつ混合ガスを効率良く、高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素除去ガスに分離することが可能な、二酸化炭素分離システムを提供する。【解決手段】 二酸化炭素分離システムは、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス１を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜５を具備する一次二酸化炭素分離器４に導入し、ゼオライト膜５の透過側に二酸化炭素濃度８０％以上の一次透過ガス６を生じさせるとともに、ゼオライト膜５の一次非透過側ガス７の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減する。ついで、この一次非透過側ガス７を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器８に導入し、分離器８により分離された二酸化炭素濃度８０％以上の二次分離ガス９を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス１０を生じさせる。

Description

二酸化炭素分離システム
　本発明は、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）を回収するための二酸化炭素分離システムに関するものである。
　近年、代表的な地球温暖化ガスである二酸化炭素は、発電所、セメントプラント、鉄鋼プラント、および化学プラントなどから排出されているが、地球温暖化防止の観点から、二酸化炭素の高効率回収技術の開発が急務となっている。また、二酸化炭素は、メタンを主成分とする天然ガス中にも含まれており、パイプライン腐食防止の観点から、メタンから二酸化炭素を回収除去する必要がある。また、石炭ガス化複合発電では、微粉砕した石炭を熱分解してガス化し、シフト反応を経て、水素と二酸化炭素を主成分とするガスを生成させた後、二酸化炭素を分離して水素に富んだガスを燃料ガスとして用いる試みが始まっている。
　従来、二酸化炭素の回収法としては、アミン吸収法などの化学吸収法、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）などの物理吸着法などの技術が利用されているが、吸収液または吸着剤の再生に伴うエネルギー消費が大きく、より高効率な回収法の開発が期待されている。
　ところで、ゼオライト膜による膜分離法は、連続的操作が可能で、吸収液または吸着剤の再生が不要であることから、高効率な二酸化炭素回収技術として期待が高まっている。
　例えば、非特許文献１では、ゼオライト膜による膜分離を用い、メタンを主成分とする天然ガス中からの二酸化炭素分離や、窒素分離を行う例が記載されている。
　一方で、膜分離法では、ゼオライト膜を介しての圧力差がガス透過の駆動力となるため、二酸化炭素の除去回収と共に、ゼオライト膜の非透過側の二酸化炭素濃度が低下するため、低二酸化炭素濃度域では、分離効率が低下するというのが実情である。
　以上のようなことから、例えば、特許文献１では、排ガス中の二酸化炭素を分離回収するために、ます膜分離装置にて二酸化炭素を一次濃縮し、さらに吸着分離装置で二次濃縮するという、分離用ゼオライト膜と圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）とのハイブリッドプロセスを提案し、これによって高濃度の二酸化炭素を回収している。
特開平６－９９０３５号公報 P. Bernardo et al., "Membrane Gas Separation: A Review/State of the Art", Ind. Eng. Chem. Res. 48 (2009) 4638-4663.
　しかしながら、上記特許文献１に記載の従来のプロセスでは、高濃度の二酸化炭素が得られる代わりに、膜の非透過側に残存した二酸化炭素が回収できないのが実情である。例えば非透過ガスがメタンや水素などの有価ガスの場合、有価ガス利用の観点から非透過側の二酸化炭素も除去させる必要がある。
　加えて、天然ガス精製や石炭ガス化複合発電など二酸化炭素分離を必要とする多くのプロセスでは、２ＭＰa以上の高圧の条件下で実施されることが一般的であるため、膜分離を適用するにしても、用いる分離膜には、高い耐久性が求められるという問題があった。
　以上のように、従来のプロセスでは、広範の二酸化炭素濃度、圧力をもつ混合ガスを二酸化炭素濃度８０％以上の高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガスに分離することは、設備上、非効率にならざるを得ないという問題があった。
　本発明の目的は、広範囲の二酸化炭素濃度、および圧力をもつ混合ガスを効率良く、高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素除去ガスに分離することが可能な二酸化炭素分離システムを提供しようとすることにある。
　本発明者らは、上記の点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト膜層を含有する二酸化炭素分離用ゼオライト膜を具備した膜分離法と、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を、特定の配列・操作条件になるよう組合せたハイブリッドシステムによって、高効率的に二酸化炭素含有混合ガスを、二酸化炭素濃度８０％以上の高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガスとに分離できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
　上記の目的を達成するために、請求項１の二酸化炭素分離システムの発明は、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入し、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に二酸化炭素濃度８０％以上の一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減し、ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素濃度８０％以上の二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせることを特徴としている。
　請求項２の二酸化炭素分離システムの発明は、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入し、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に、透過した二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減し、ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせ、上記二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）から排出される二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）と、二次二酸化炭素分離器（８）から排出される二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）とを混合して、二酸化炭素濃度８０％以上の二酸化炭素濃縮ガス（１１）を生じさせることを特徴としている。
　請求項３の発明は、請求項１または２に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）が、二酸化炭素（ＣＯ２）を含み、かつ水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、およびメタンよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの気体を含むとともに、水（Ｈ２Ｏ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、およびメタン以外の炭化水素よりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの不純物を含むガスであり、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）の前段に、上記不純物を除去するための不純物除去器（２）を具備することを特徴としている。
　請求項４の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、フォージャサイト（ＦＡＵ）型ゼオライト膜層を含むことを特徴としている。
　請求項５の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、チャバサイト（ＣＨＡ）型ゼオライト膜層を含むことを特徴としている。
　請求項６の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＺＳＭ－５（ＭＦＩ）型ゼオライト膜層を含有することを特徴としている。
　請求項７の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＤＤＲ型ゼオライト膜層を含有することを特徴としている。
　請求項８の発明は、請求項１～７のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）のゼオライト膜層が、乾燥のために温度１００～６００℃で加熱処理されて脱水され、その後、乾燥状態のままで保持されていることを特徴としている。
　請求項９の発明は、請求項１～８のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、石炭ガス化複合発電所内に設置されて、排ガスシフト反応後のガスからの二酸化炭素除去に使用されるか、または天然ガス田の天然ガス精製プラント内に設置されて、天然ガスからの二酸化炭素除去に使用されるものであり、上記石炭ガス化複合発電所または天然ガス精製プラントの閉鎖後、該二酸化炭素分離システムが、陸上または海上において移動可能なものとなされていることを特徴としている。
　請求項１の二酸化炭素分離システムの発明は、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入し、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に二酸化炭素濃度８０％以上の一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減し、ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素濃度８０％以上の二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせることを特徴とするもので、請求項１の発明によれば、広範囲の二酸化炭素濃度、および圧力をもつ混合ガスを効率良く、高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素除去ガスとに分離することができるという効果を奏する。
　請求項２の二酸化炭素分離システムの発明二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入し、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に、透過した二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減し、ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせ、上記二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）から排出される二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）と、二次二酸化炭素分離器（８）から排出される二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）とを混合して、二酸化炭素濃度８０％以上の二酸化炭素濃縮ガス（１１）を生じさせることを特徴とするもので、請求項２の発明によれば、同様に、広範囲の二酸化炭素濃度、および圧力をもつ混合ガスを効率良く、高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素除去ガスとに分離することができるという効果を奏する。
　請求項３の発明は、請求項１または２に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）が、二酸化炭素（ＣＯ２）を含み、かつ水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、およびメタンよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの気体を含むとともに、水（Ｈ２Ｏ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、およびメタン以外の炭化水素よりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの不純物を含むガスであり、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）の前段に、上記不純物を除去するための不純物除去器（２）を具備することを特徴とするもので、請求項３の発明によれば、後段の一次二酸化炭素分離器（４）および二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の上記不純物による汚染・劣化を防止できるという効果を奏する。
　請求項４の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、フォージャサイト（ＦＡＵ）型ゼオライト膜層を含むことを特徴とするもので、請求項４の発明によれば、ＦＡＵ型ゼオライト膜と二酸化炭素の強い吸着作用によって、水素（Ｈ２）、メタン、窒素（Ｎ２）、および酸素（Ｏ２）などのガスから二酸化炭素を高選択的に透過分離できるという効果を奏する。
　請求項５の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＳＡＰＯ－３４などのチャバサイト（ＣＨＡ）型ゼオライト膜層を含むことを特徴とするもので、請求項５の発明によれば、ＣＨＡ型ゼオライトがもつ均一で剛直な直径０．３８ ｎｍの細孔構造によって、大分子であるメタン（直径０．３８ｎｍ）から、小分子である二酸化炭素（直径０．３３ ｎｍ）を分子篩的に高選択的に透過除去できるという効果を奏する。
　請求項６の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＺＳＭ－５（ＭＦＩ）型ゼオライト膜層を含有することを特徴とするもので、請求項６の発明によれば、ＦＡＵ型ゼオライト膜よりも二酸化炭素透過分離性能は劣るものの、高い耐久性が得られるという効果を奏する。
　請求項７の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＤＤＲ型ゼオライト膜層を含有することを特徴とするもので、請求項７の発明によれば、ＤＤＲ型ゼオライト膜が示す疎水性によって、水分による二酸化炭素の膜透過阻害を防止するとともに、ＤＤＲ型ゼオライト膜層の細孔構造内の拡散性の違いにより、メタンから二酸化炭素を高選択的に透過分離できるという効果を奏する。
　請求項８の発明は、請求項１～７のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）のゼオライト膜層が、乾燥のために温度１００～６００℃で加熱処理されて脱水され、その後、乾燥状態のままで保持されていることを特徴とするもので、請求項８の発明によれば、ゼオライト細孔内の結晶水を除去することで、高い二酸化炭素透過度が得られるという効果を奏する。
　請求項９の発明は、請求項１～８のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、石炭ガス化複合発電所内に設置されて、排ガスシフト反応後のガスからの二酸化炭素除去に使用されるか、または天然ガス田の天然ガス精製プラント内に設置されて、天然ガスからの二酸化炭素除去に使用されるものであり、上記石炭ガス化複合発電所または天然ガス精製プラントの閉鎖後、該二酸化炭素分離システムが、陸上または海上において移動可能なものとなされていることを特徴とするもので、請求項９の発明によれば、本発明による二酸化炭素分離システムを、例えば、石炭ガス化複合発電所において、排ガスシフト反応後のガスからの二酸化炭素除去に使用した場合に、当該石炭ガス化複合発電所の閉鎖後、他の石炭ガス化複合発電所に移して使用できるという効果を奏する。あるいはまた本発明による二酸化炭素分離システムを、例えば、天然ガスからの二酸化炭素除去に使用した場合において、適応ガス田が枯渇した場合に、別のガス田に移して使用できるため、小中規模の天然ガス田に適用しやすいという効果を奏する。
本発明による二酸化炭素分離システムの第１実施形態を示すフローシートである。 本発明による二酸化炭素分離システムの第２実施形態を示すフローシートである。
１：二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス
２：不純物除去器
３：膜分離器供給ガス
４：一次二酸化炭素分離器
５：二酸化炭素分離用ゼオライト膜
６：一次透過ガス
７：一次非透過側ガス
８：二次二酸化炭素分離器
９：二酸化炭素を含む二次分離ガス
１０：二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス
１１：二酸化炭素濃度８０％以上の二酸化炭素濃縮ガス
　つぎに、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　図１は、本発明によるゼオライト膜およびアミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）のハイブリッドによる二酸化炭素分離回収システムの第１実施形態を示すフローシートである。
　すなわち、本発明者らは、上記のように、ゼオライト膜層を含有する二酸化炭素分離用ゼオライト膜を具備した膜分離法と、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を、特定の配列・操作条件になるよう組合せたハイブリッドシステムによって、高効率的に二酸化炭素含有混合ガスを二酸化炭素濃度８０％以上の高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガスに分離することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
　同図を参照すると、本発明による二酸化炭素分離システムの発明は、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入し、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に二酸化炭素濃度８０％以上の一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減し、ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素濃度８０％以上の二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせることを特徴とするもので、本発明によれば、広範囲の二酸化炭素濃度、および圧力をもつ混合ガスを効率良く、高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素除去ガスとに分離することができる。
　ここで、上記ゼオライトを含有する二酸化炭素分離用ゼオライト膜としては、管状または中空糸状多孔質基体上にゼオライトを製膜させたもののどちらをも使用することができるが、高圧条件であれば、膜エレメントの耐圧性の観点から、管状の方が好ましい。また膜透過の駆動力としては、混合ガス（１）の自圧、コンプレッサー（図示略）による膜分離器供給ガス（３）の加圧、あるいは真空ポンプ（図示略）による膜透過側の減圧などが利用できる。
　本発明による二酸化炭素分離システムを、具体的に、処理ガスである二酸化炭素の濃度の上昇に比例して、設備規模、設備コスト、および消費エネルギーが増加するアミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）のみの単一のプロセスと比較すると、高濃度二酸化炭素領域にゼオライト膜分離を利用することで、設備規模、設備コスト、消費エネルギーを低減することができるという効果を奏する。
　また、処理ガス二酸化炭素濃度低下とともに、分離効率が低下するゼオライト膜分離のみの単一プロセスと比較すると、低濃度二酸化炭素領域にアミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を利用することで、高選択的に二酸化炭素を分離することができる。
　さらに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜にゼオライト膜を使用することで、高圧二酸化炭素による膜の可塑化といった既往の有機高分子膜で見受けられるような膜劣化が生じない。
　図２は、本発明による二酸化炭素分離システムの第２実施形態を示すフローシートである。
　同図を参照すると、本発明による二酸化炭素分離システムの発明は、二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入し、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に、透過した二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減し、ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせ、上記二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）から排出される二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）と、二次二酸化炭素分離器（８）から排出される二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）とを混合して、二酸化炭素濃度８０％以上の二酸化炭素濃縮ガス（１１）を生じさせることを特徴とするもので、本発明によれば、同様に、広範囲の二酸化炭素濃度、および圧力をもつ混合ガスを効率良く、高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素除去ガスとに分離することができる。
　本発明による二酸化炭素分離システムにおいて、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、フォージャサイト（ＦＡＵ）型ゼオライト膜層を含むことが好ましい。
　これにより、ＦＡＵ型ゼオライト膜と二酸化炭素の強い吸着作用によって、水素（Ｈ２）、メタン、窒素（Ｎ２）、および酸素（Ｏ２）、などのガスから二酸化炭素を高選択的に透過分離できるという利点がある。
　ここで、ＦＡＵ型ゼオライト膜については、特に限定されるものではないが、例えば、ＦＡＵ型ゼオライト膜（商品名、ＮaＹ型ゼオライト膜、日立造船株式会社製）を使用することができる。
　また、本発明による二酸化炭素分離システムにおいて、請求項５の発明は、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＳＡＰＯ－３４などのチャバサイト（ＣＨＡ）型ゼオライト膜層を含むことが好ましい。
　これにより、ＣＨＡ型ゼオライトがもつ均一で剛直な０．３８ ｎｍの細孔構造によって、大分子であるメタン（０．３８ｎｍ）から、小分子である二酸化炭素（０．３３ ｎｍ）を分子篩的に高選択的に透過除去できるという利点がある。
　ここで、ＣＨＡ型ゼオライト膜については、特に限定されるものではないが、例えば、Ａｌ２Ｏ３：Ｐ２Ｏ３：０．３２ＳｉＯ２：ＴＥＡＯＨ：１．６ＤＰＡ：１５０Ｈ２Ｏの組成に調製した反応溶液中にて、多孔質支持体上に密に塗付したＳＡＰＯ－３４種結晶を６時間、２２０℃にて水熱合成させる方法により、合成することができる（例えば、非特許文献２： S. Li et al., “Scale-up of SAPO-34 membrane for ＣＯ２／ＣＨ４ separation” Journal of Membrane Science 352 (2010) 7-13.参照）。
　また、本発明による二酸化炭素分離システムにおいて、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＺＳＭ－５（ＭＦＩ）型ゼオライト膜層を含有することが好ましい。
　これにより、ＦＡＵ型ゼオライト膜よりも二酸化炭素透過分離性能は劣るものの、高い耐久性が得られるという利点がある。
　ここで、ＺＳＭ－５型ゼオライト膜については、特に限定されるものではないが、例えば、１０Ｎａ２Ｏ：０．１５Ａｌ２Ｏ３：３６ＳｉＯ２：１２００Ｈ２Ｏに調製した反応溶液中にて、多孔質支持体上に密に塗付したＺＳＭ－５種結晶を１２時間、１８０℃にて水熱合成させる方法により、合成することができる（例えば、非特許文献３： K. Sawamura et al., “Reverse-Selective Microporous Membrane for Gas Separation” Chem. Asian J. 4 (2009) 1070-1077.参照）。
　また、本発明による二酸化炭素分離システムにおいて、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＤＤＲ型ゼオライト膜層を含有することが好ましい。
　これにより、ＤＤＲ型ゼオライト膜が示す疎水性によって、水分による二酸化炭素の膜透過阻害を防止するとともに、ＤＤＲ型ゼオライト膜層の細孔構造内の拡散性の違いにより、メタンから二酸化炭素を高選択的に透過分離できるという利点がある。
　ここで、ＤＤＲ型ゼオライト膜については、特に限定されるものではないが、例えば、モル比にて（１－アダマンタンアミン／シリカ）＝０．１２５、（エチレンジアミン／１－アダマンタンアミン）＝１６、（水／シリカ）＝５６に調製した反応溶液中にて、多孔質支持体上に密に塗付したＤＤＲ種結晶を４８時間、１６０℃にて水熱合成させる方法により、合成することができる（例えば、特許第４２０４２７３号公報参照）。
　また、本発明による二酸化炭素分離システムにおいて、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）のゼオライト膜層が、乾燥のために温度１００～６００℃で加熱処理されて脱水され、その後、乾燥状態のままで保持されていることが好ましい。
　例えば、不純物除去器（２）により膜分離器供給ガスを乾燥させ、かつ一次二酸化炭素分離器（４）に具備させた加熱器（図中省略）により、ゼオライト膜を温度１００～６００℃、好ましくは１５０～３００℃に加熱することで、ゼオライト膜細孔内部を乾燥状態に保つことができる。
　これにより、ゼオライト細孔内の結晶水を除去することで、高い二酸化炭素透過度が得られるという利点がある。
　また、本発明による二酸化炭素分離システムは、石炭ガス化複合発電所内に設置されて、排ガスシフト反応後のガスからの二酸化炭素除去に使用されるか、または天然ガス田の天然ガス精製プラント内に設置されて、天然ガスからの二酸化炭素除去に使用されるものであり、上記石炭ガス化複合発電所または天然ガス精製プラントの閉鎖後、該二酸化炭素分離システムが、陸上または海上において移動可能なものとなされていることが好ましい。
　これにより、本発明による二酸化炭素分離システムを、例えば、石炭ガス化複合発電所において、排ガスシフト反応後のガスからの二酸化炭素除去に使用した場合に、当該石炭ガス化複合発電所が閉鎖後、他の石炭ガス化複合発電所に移して使用できるという利点がある。あるいはまた本発明による二酸化炭素分離システムを、例えば、天然ガスからの二酸化炭素除去に使用した場合などにおいて、適応ガス田が枯渇した場合に別のガス田に移って使用できるため、小中規模の天然ガス田に適用しやすいという利点がある。
　以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　図１に示すフローシートにより、本発明の二酸化炭素分離回収システムを実施した。
　同図を参照すると、二酸化炭素（ＣＯ２）を含み、かつ窒素（Ｎ２）、および酸素（Ｏ２）を含むとともに、水（Ｈ２Ｏ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、および硫黄酸化物（ＳＯｘ）よりなる不純物を含むガスよりなる二酸化炭素濃度２０％の混合ガス（１）を、まず前段で、上記不純物を除去するためのゼオライトなどの吸着剤を具備する不純物除去器（２）に導入した。これにより、後段の一次二酸化炭素分離器（４）および二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の上記不純物による汚染・劣化を防止できた。
　つぎに、膜分離器供給ガス（３）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入した。ここで、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）としては、管状に製膜したＦＡＵ型ゼオライト膜（商品名、ＮaＹ型ゼオライト膜、日立造船株式会社製）を使用した。そして、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に二酸化炭素濃度９５％の一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を１０％まで低減した。
　ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アルカノールアミンよりなるアミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素濃度９９％の二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせた。
　この実施例１によれば、広範囲の二酸化炭素濃度、および圧力をもつ混合ガスを効率良く、高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素除去ガスとに分離することができた。
　なお、膜透過の駆動力としては、真空ポンプ（商品名：油回転真空ポンプ、ＵＬＶＡＣ社製）による膜透過側の減圧を利用した。
　本発明の実施例１による二酸化炭素分離システムを、具体的に、処理ガスである二酸化炭素の濃度の上昇に比例して、設備規模、設備コスト、および消費エネルギーが増加するアミン吸収法のみの単一のプロセスと比較すると、高濃度二酸化炭素領域にゼオライト膜分離を利用することで、設備規模、設備コスト、消費エネルギーを低減することができる。
　また、処理ガス二酸化炭素濃度低下とともに、分離効率が低下するゼオライト膜分離のみの単一プロセスと比較すると、低濃度二酸化炭素領域にアミン吸収法を利用することで、高選択的に二酸化炭素を分離することができる。
　さらに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜に、ＦＡＵ型ゼオライト膜を使用することで、高圧二酸化炭素による膜の可塑化といった既往の有機高分子膜で見受けられるような膜劣化が生じない。
実施例２
　図２に示すフローシートにより、本発明の二酸化炭素分離回収システムを実施した。ここで、上記実施例１の場合と異なる点は、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）を、二酸化炭素の回収・分離材としてゼオライト１３Ｘよりなる圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせ、上記二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）から排出される二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）と、二次二酸化炭素分離器（８）から排出される二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）とを混合して、二酸化炭素濃度９６％の二酸化炭素濃縮ガス（１１）を生じさせた点にある。
　この実施例２によれば、同様に、広範囲の二酸化炭素濃度、および圧力をもつ混合ガスを効率良く、高濃度二酸化炭素ガスと二酸化炭素除去ガスとに分離することができた。
　本発明の実施例２による二酸化炭素分離システムを、具体的に、処理ガスである二酸化炭素の濃度の上昇に比例して、設備規模、設備コスト、および消費エネルギーが増加する圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）のみの単一のプロセスと比較すると、高濃度二酸化炭素領域にゼオライト膜分離を利用することで、設備規模、設備コスト、消費エネルギーを低減することができる。
　また、処理ガス二酸化炭素濃度低下とともに、分離効率が低下するゼオライト膜分離のみの単一プロセスと比較すると、低濃度二酸化炭素領域に圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）を利用することで、高選択的に二酸化炭素を分離することができる。
　さらに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜に、ＦＡＵ型ゼオライト膜を使用することで、高圧二酸化炭素による膜の可塑化といった既往の有機高分子膜で見受けられるような膜劣化が生じない。

Claims (9)

  1. 　二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入し、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に二酸化炭素濃度８０％以上の一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減し、ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素濃度８０％以上の二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせることを特徴とする、二酸化炭素分離システム。
  2. 　二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）を、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）に導入し、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の透過側に、透過した二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）を生じさせるとともに、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）の一次非透過側ガス（７）の二酸化炭素濃度を３～１５％まで低減し、ついで、この一次非透過側ガス（７）を、アミン吸収法または圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）による二次二酸化炭素分離器（８）に導入し、二次二酸化炭素分離器（８）により分離された二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）を生じさせるとともに、二酸化炭素濃度２％以下の二酸化炭素除去ガス（１０）を生じさせ、上記二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）から排出される二酸化炭素を含む一次透過ガス（６）と、二次二酸化炭素分離器（８）から排出される二酸化炭素を含む二次分離ガス（９）とを混合して、二酸化炭素濃度８０％以上の二酸化炭素濃縮ガス（１１）を生じさせることを特徴とする、二酸化炭素分離システム。
  3. 　二酸化炭素濃度３～７５％の混合ガス（１）が、二酸化炭素（ＣＯ２）を含み、かつ水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、およびメタンよりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの気体を含むとともに、水（Ｈ２Ｏ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、およびメタン以外の炭化水素よりなる群の中から選ばれた少なくとも１つの不純物を含むガスであり、二酸化炭素分離用ゼオライト膜（５）を具備する一次二酸化炭素分離器（４）の前段に、上記不純物を除去するための不純物除去器（２）を具備することを特徴とする、請求項１または２に記載の二酸化炭素分離システム。
  4. 　二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、フォージャサイト（ＦＡＵ）型ゼオライト膜層を含むことを特徴とする、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システム。
  5. 　二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、チャバサイト（ＣＨＡ）型ゼオライト膜層を含むことを特徴とする、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システム。
  6. 　二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＺＳＭ－５（ＭＦＩ）型ゼオライト膜層を含有することを特徴とする、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システム。
  7. 　二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）が、ＤＤＲ型ゼオライト膜層を含有することを特徴とする、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システム。
  8. 二酸化炭素分離用ゼオライト膜（４）のゼオライト膜層が、乾燥のために温度１００～６００℃で加熱処理されて脱水され、その後、乾燥状態のままで保持されていることを特徴とする、請求項１～７のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システム。
  9. 請求項１～８のうちのいずれか一項に記載の二酸化炭素分離システムであって、石炭ガス化複合発電所内に設置されて、排ガスシフト反応後のガスからの二酸化炭素除去に使用されるか、または天然ガス田の天然ガス精製プラント内に設置されて、天然ガスからの二酸化炭素除去に使用されるものであり、上記石炭ガス化複合発電所または天然ガス精製プラントの閉鎖後、該二酸化炭素分離システムが、陸上または海上において移動可能なものとなされていることを特徴とする、二酸化炭素分離システム。
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