WO2017154519A1 - 燃焼システム - Google Patents

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WO2017154519A1
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water vapor
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岡田　治
伸彰 花井
鵬 顔
英晃 松尾
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株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ
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Definitions

  • the present invention relates to a combustion system for obtaining energy by burning a gas containing carbon dioxide containing methane as a main component such as biogas obtained by methane fermentation of organic matter such as biomass and organic waste.
  • biogas obtained by methane fermentation of organic waste such as biomass and sewage sludge as a new energy source.
  • the biogas is used in applications such as power generation or boilers as a substitute for fossil fuels.
  • Biogas generally contains about 40% carbon dioxide in addition to methane, although it varies depending on the methane gas production conditions (fermentation conditions). Further, it contains a very small amount of a sulfur compound such as siloxane and hydrogen sulfide, and must be removed at the time of use.
  • a sulfur compound such as siloxane and hydrogen sulfide
  • digestion gas from sewage sludge processed in a relatively large facility contains many impurities such as sulfur compounds such as hydrogen sulfide (H 2 S) and siloxane.
  • impurities such as sulfur compounds such as hydrogen sulfide (H 2 S) and siloxane.
  • various trace components may vary depending on individual equipment and gas production conditions. Elements: V, Pb, Cl, etc., ethane, propane, dienes, benzene, toluene, etc.) are present, and their amounts and concentrations are considered to be different.
  • the output and thermal efficiency of a biogas engine that uses a mixed gas of methane and carbon dioxide as fuel greatly decreases as the concentration of carbon dioxide increases.
  • a gas engine uses a mixed gas containing 40% CO 2
  • the engine output is reduced by 40% and the thermal efficiency is also reduced by 14% compared to methane fuel having a purity of 100%.
  • methane fuel having a purity of 100%.
  • a 100 kW natural gas engine is used, only a 60 kW output can be obtained.
  • a 100 kW output is required, a natural gas engine of about 170 kW is required.
  • the equipment cost of the engine is almost proportional to the output, so that the equipment cost increases by 70%.
  • the thermal efficiency is reduced by 14%, the fuel cost is increased by about 16% compared to the natural gas engine.
  • Patent Document 1 describes a biogas power generation device that controls the total number of gas engines to be driven and the drive of a surplus gas combustion device in accordance with the pressure at which biogas is supplied to the engine.
  • Patent Document 2 discloses a power generation method in which carbon dioxide in digestion gas obtained by methane fermentation of organic matter such as biomass and organic waste is absorbed and separated using an alkaline absorbent, and high-purity methane gas is supplied to the engine. Is described.
  • Patent Document 3 in a gas engine using a gas whose property changes during operation such as biogas as fuel, when the temperature of the exhaust gas is not within a preset range, the air-fuel ratio is corrected and controlled, A control method for a premixed gas engine that prevents engine misfire or combustion anomalies is described.
  • Patent Document 4 and Patent Document 5 relate to combustion control of an engine using a mixed gas of biogas and city gas (natural gas) as a fuel.
  • Patent Document 4 discloses oxygen concentration in exhaust gas
  • Patent Document 5 describes exhaust gas.
  • biogas is unstable in the amount and components generated depending on the conditions (fermentation conditions) when methane gas is generated. Therefore, when biogas is used as fuel, combustion becomes unstable and stable output is obtained. It may not be possible.
  • the gas from which the carbon dioxide component is removed from the biogas is supplied to the engine for the above solution, the gas quality will be close to that of normal natural gas. It is done.
  • the existing chemical absorption method, high-pressure water absorption method, PSA and the like are all expensive and require large-scale facilities and energy, resulting in a loss of environmental merit by using biogas.
  • the cost of a purification facility for processing digestion gas of 660 Nm 3 / h is about 15 It is reported to be 300 million yen.
  • the digestion gas of 660 Nm 3 / h corresponds to the rated fuel of a 2000 kW biogas engine, and the price of the 2000 kW biogas engine itself is currently about 400 million yen, so in the CO 2 removal by the existing high pressure water absorption method This increases the cost of the gas engine by about 5 times.
  • the energy consumption is equivalent to approximately 15% of the energy obtained by methane combustion of biogas Yes.
  • the energy required for CO 2 removal by the existing water absorption method cancels the efficiency improvement effect of the gas engine by CO 2 removal.
  • the present invention can obtain a stable output without the need for complicated engine adjustment work even when using an engine that uses methane such as biogas as a main component and gas containing carbon dioxide as fuel gas.
  • a combustion system comprises: A separation unit that removes carbon dioxide from the gas to be treated, which contains a mixed gas containing methane as the main component and carbon dioxide, and obtains high-purity methane gas with a reduced carbon dioxide content, and combustion that burns methane gas
  • a combustion system comprising: The separation part has a first treatment chamber and a second treatment chamber separated by a separation membrane; The separation membrane selectively transmits carbon dioxide in the gas to be processed supplied to the first processing chamber to the second processing chamber, and has a higher methane purity than the gas to be processed.
  • the first feature is that the first separation gas and the second separation gas in the second processing chamber containing carbon dioxide in the gas to be processed are obtained.
  • the combustion system according to the first aspect of the present invention is further preferably characterized in that the separation membrane is a facilitated transport membrane to which a carrier that selectively reacts with carbon dioxide is added. .
  • the combustion system according to the second aspect of the present invention preferably further includes: A water vapor supply unit for supplying water vapor to the first processing chamber; A third feature is that the mixed gas containing water vapor supplied by the water vapor supply unit is supplied to the first processing chamber as the gas to be processed.
  • the combustion system according to the third aspect of the present invention preferably further includes:
  • the steam supply unit supplies the steam generated by heating water by heat exchange with the high-temperature exhaust gas generated by methane combustion in the combustion unit to the first processing chamber.
  • the combustion system according to the third or fourth aspect of the present invention preferably further includes:
  • the fifth feature is that the water vapor supply unit supplies water vapor contained in the exhaust gas generated by the methane combustion in the combustion unit to the first processing chamber.
  • the combustion system according to the present invention having any one of the third to fifth features is further preferably, An exhaust gas supply unit configured to mix at least a part of an exhaust gas containing carbon dioxide and water vapor generated by methane combustion in the combustion unit with the mixed gas and supply the mixed gas as the processing target gas to the first processing chamber; It is a sixth feature to further provide.
  • a seventh feature is that the apparatus further comprises a water vapor removing unit that removes water vapor from the first separated gas and supplies the first separated gas from which the water vapor has been removed to the combustion unit.
  • the combustion system according to the seventh aspect of the present invention preferably further includes:
  • the eighth feature is that the steam supply section supplies the steam removed by the steam removal section to the first processing chamber.
  • a ninth feature is that a sweep gas supply unit is provided for supplying a sweep gas to the second processing chamber.
  • the sweep gas includes water vapor
  • a tenth characteristic is that the water vapor supply unit supplies water vapor contained in the sweep gas to the sweep gas supply unit.
  • the combustion system according to the eighth aspect of the present invention preferably further includes: A sweep gas supply unit for supplying a sweep gas containing water vapor to the second processing chamber;
  • a sweep gas supply unit for supplying a sweep gas containing water vapor to the second processing chamber;
  • the eleventh feature is that the sweep gas supply unit supplies the sweep gas containing the water vapor removed by the water vapor removal unit to the second processing chamber.
  • the combustion system according to the present invention having any one of the ninth to eleventh features preferably further comprises:
  • the sweep gas supply unit supplies the water vapor generated by heating water by heat exchange with the high-temperature exhaust gas generated by methane combustion in the combustion unit to the second processing chamber. It is characterized by.
  • the combustion system according to the present invention having any one of the ninth to twelfth characteristics preferably further comprises
  • the thirteenth feature is that the sweep gas supply unit supplies water vapor contained in the exhaust gas generated by methane combustion in the combustion unit to the second processing chamber.
  • the mixed gas may be a gas derived from a biogas produced by organic methane fermentation.
  • the separation membrane is a facilitated transport membrane to which a carrier that selectively reacts with carbon dioxide is added
  • the separation membrane is provided with a desulfurization apparatus using an ultrahigh-order desulfurization catalyst and is derived from the biogas.
  • the sulfur component (hydrogen sulfide) contained in the gas is removed.
  • carbon dioxide contained in biogas or the like is removed using a separation membrane, and high purity methane gas is supplied to the combustion chamber.
  • a separation membrane for removing carbon dioxide a facilitated transport membrane to which a carrier that selectively reacts with carbon dioxide is added can be suitably used.
  • the removed carbon dioxide can be recovered and reused for various industrial applications.
  • Carbon dioxide removal by permeation through the separation membrane requires a large membrane area to obtain a high-purity separation gas, but carbon dioxide removal as in the high-pressure water absorption method. Therefore, it is energy-saving compared to the process that consumes a large amount of energy, and the environmental merit by using biogas can be enjoyed to the maximum.
  • the combustion state in the combustion chamber is detected by a method such as measuring the temperature of exhaust gas as in Patent Documents 3 to 5, for example.
  • Control that controls the air-fuel ratio or mixing ratio of the fuel gas based on the combustion state, and control that detects the combustibility (methane purity) of the fuel gas and boosts the fuel gas according to the combustibility and supplies it to the combustion chamber There is something to do.
  • the combustion system of the present invention by removing carbon dioxide using a separation membrane, such complicated control is not required, and the combustion state or the combustibility of the fuel gas is detected. Therefore, a low-cost engine with a simple configuration can be used. It is possible to use a general-purpose inexpensive natural gas engine.
  • the water vapor to be mixed with the biogas can be separated from the mixed gas of water vapor and carbon dioxide discharged by the combustion of methane gas and reused. Furthermore, the carbon dioxide contained in the exhaust gas can be recovered and reused via the separation membrane, and it is possible to reduce the environmental load by not discharging the carbon dioxide to the external environment. .
  • the schematic diagram which shows the principal part structure of the combustion system which concerns on one Embodiment of this invention The schematic diagram which shows the principal part structure of the combustion system which concerns on one Embodiment of this invention.
  • the schematic diagram which shows the principal part structure of the combustion system which concerns on one Embodiment of this invention The schematic diagram which shows the principal part structure of the combustion system which concerns on one Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 schematically shows a main configuration of a combustion system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the arrow in FIG. 1 shows the flow path and direction through which the gas flows in a simplified manner, and the chemical formula shown in FIG. 1 is conceptually included in the gas flowing in the direction of the arrow in the drawing. Represents the main ingredient.
  • description of a three-way valve, a mixing valve, and the like required in the gas flow path is omitted.
  • symbol shall be attached
  • the combustion system 1 includes a separation unit 14 and a combustion unit 15.
  • the separation unit 14 removes carbon dioxide from the gas to be treated which includes a mixed gas containing methane as a main component and carbon dioxide, and separates it into a high-purity methane gas having a reduced content of at least carbon dioxide. Then, the combustion unit 15 burns the high purity methane gas obtained by the separation unit 14.
  • the combustion unit 15 is, for example, a combustion chamber of a gas engine or a gas turbine, and is provided to convert thermal energy generated by a methane gas combustion reaction into energy such as kinetic energy or electric power.
  • the separation unit 14 has two processing chambers 11 and 12 separated by a separation membrane 13.
  • a gas mixture containing components derived from biogas is supplied to the processing chamber 11 (first processing chamber) as a gas to be processed via the gas flow path 21.
  • the mixed gas is a gas mainly composed of methane gas and containing carbon dioxide.
  • impurities such as hydrogen sulfide and siloxane can be removed by using existing desulfurization equipment, activated carbon adsorption system siloxane removal equipment, etc. Used and removed in advance.
  • a wet desulfurization method using an absorbing solution or an adsorptive desulfurization method using a sulfur adsorbent such as zinc oxide or iron oxide can be used.
  • sulfur adsorbent such as zinc oxide or iron oxide
  • sulfur adsorbent such as zinc oxide or iron oxide
  • sulfur can be completely removed to a level of ppb or lower.
  • an ultrahigh-order desulfurization catalyst because the facilitated transport membrane may be affected by hydrogen sulfide depending on the type of carrier used and its concentration.
  • the separation membrane 13 has a function of selectively transmitting the carbon dioxide gas contained in the gas to be processed to the processing chamber 12 (second processing chamber) side with a transmittance higher than that of methane gas. . Thereby, the purity of the carbon dioxide of the gas in the process chamber 11 falls, and the purity of methane gas rises. On the other hand, the purity of the carbon dioxide gas in the processing chamber 12 increases.
  • the purity of the gas refers to the molar concentration ratio of the gas component to the total gas (that is, equal to the ratio of the gas partial pressures). This is the same in the following description.
  • the separation membrane 13 is preferably composed of a facilitated transport membrane.
  • the facilitated transport film is a film formed by adding a carrier that selectively reacts with a specific gas molecule (here, carbon dioxide) into, for example, a gel film. A specific configuration of the facilitated transport film will be described later.
  • the “carrier” is a substance having the effect of increasing the permeation rate of a specific gas by containing the substance in the film.
  • CO 2 recovery and recovery process can be achieved compared to the current chemical absorption method and the more expensive PSA (Pressure Swing Adsorption) method.
  • PSA Pressure Swing Adsorption
  • CO 2 recovery from power generation exhaust gas, steel manufacturing exhaust gas, cement exhaust gas, etc., and next-generation energy processes such as CTL (Coal to Liquids: liquid fuel production from coal) It can also be applied to small-scale chemical plants and facilities that could not be applied to the existing decarbonation field, and CO 2 can be easily separated and recovered, which is expected to contribute greatly to a low-carbon society.
  • the gas to be processed containing methane gas and carbon dioxide gas has a first separation gas in the processing chamber 11 in which the purity of the methane gas is higher than that of the gas to be processed and the purity of the carbon dioxide gas is lower. Separated into a second separation gas.
  • the first separation gas is sent to the combustion section 15 via the gas flow path 23, the water vapor separation section 16, and the gas flow path 24, and methane gas is used for combustion.
  • the second separation gas contains a large amount of carbon dioxide, and can be recovered and reused for various industrial uses.
  • the separation membrane 13 is a facilitated transport membrane, if there is no moisture in the separation membrane 13, the carbon dioxide permeation rate is generally very small. Therefore, moisture in the membrane is indispensable to obtain a high permeation rate. It is.
  • One method for maintaining moisture in the separation membrane 13 is to configure the gel layer with a hydrogel having high water retention. This makes it possible to retain moisture in the membrane as much as possible even at high temperatures where the moisture content in the separation functional layer is reduced. For example, high selective permeation performance can be realized at high temperatures of 100 ° C. or higher.
  • moisture water vapor
  • water vapor gas steam
  • a mixed gas containing methane gas and carbon dioxide gas a mixed gas containing methane gas and carbon dioxide gas
  • the mixed gas containing water vapor passes through the gas flow path 21. It is supplied to the processing chamber 11 of the separation unit 14.
  • the relative humidity of the gas to be treated containing water vapor is preferably 30% to 100%, more preferably 40% to 100%.
  • the gas to be treated containing water vapor may be pressurized or heated.
  • the pressure for boosting is preferably 200 kPa (A) to 1000 kPa (A), more preferably 400 kPa (A) to 1000 kPa (A), taking into account the energy required for boosting.
  • the temperature may be about room temperature, but the carbon dioxide permeation performance tends to increase with temperature, and is preferably 60 ° C. to 130 ° C., more preferably 80 ° C. to 120 ° C.
  • the first separation gas is a gas containing methane gas and water vapor although the purity of carbon dioxide is low.
  • the first separation gas is a gas containing methane gas and water vapor although the purity of carbon dioxide is low.
  • the water vapor removing unit 16 is provided between the treatment chamber 11 and the combustion chamber of the combustion unit 15, and the water vapor removing unit 16 removes the water vapor mixed by the water vapor supply unit 17 from the first separation gas.
  • the high-purity methane gas after removing the water vapor is supplied to the combustion unit 15.
  • a known configuration using a water vapor permeable membrane such as a condenser or a perfluoro-based membrane (or a perfluorosulfonic acid-based membrane) can be used.
  • the facilitated transport membrane may be composed of a material different from that of the separation membrane 13 or the same material.
  • the water vapor removed by the water vapor removing unit 16 is added to the gas to be treated, it can be supplied to the water vapor supplying unit 17 through the gas flow path 25.
  • the method for supplying water vapor by the water vapor supply unit 17 is not limited to the method using the water vapor removed by the water vapor removal unit 16. Although energy is consumed separately, water may be heated to generate water vapor. In this case, energy can be saved by using the high-temperature exhaust gas generated by methane combustion in the combustion unit 15 and heating the water by heat exchange with the high-temperature exhaust gas to generate water vapor. Further, as will be described later, it is possible to reuse the water vapor contained in the exhaust gas after the methane combustion reaction.
  • the sweep gas is supplied from the gas flow path 22 (sweep gas supply unit).
  • the sweep gas preferably contains water vapor gas.
  • the water vapor supply unit 17 can supply water vapor to the processing chamber 12 so that water vapor is included in the sweep gas, in addition to supplying the gas to be processed to which water vapor has been added to the processing chamber 11.
  • the water vapor contained in the sweep gas like the water vapor supplied to the processing chamber 11, can be expected to save energy by heating and producing water by heat exchange with the high-temperature exhaust gas produced by methane combustion. In addition, as described later, it is possible to reuse the water vapor contained in the exhaust gas after the methane combustion reaction.
  • the partial pressure difference of the water vapor gas between the supply side (processing chamber 11) and the permeation side (processing chamber 12) is reduced, and the water vapor in the gas to be processed
  • the gas permeation amount it is possible to suppress a decrease in the relative humidity of the gas to be processed.
  • the higher the CO 2 recovery rate the lower the relative humidity of the gas in the processing chamber 12 (second separation gas) because the ratio of the water vapor gas on the permeate side becomes lower.
  • the water vapor gas contained in the sweep gas is reduced. A decrease in relative humidity can be suppressed by increasing the flow rate.
  • the gas to be processed containing methane and carbon dioxide is supplied to the processing chamber 11, and the carbon dioxide in the gas to be processed is transmitted through the separation membrane 13 with a higher transmittance than methane.
  • High-purity methane gas containing almost no carbon can be supplied to the combustion section 15.
  • the gas engine can obtain a stable output without the need for complicated engine adjustment work even when biogas is used as fuel. Therefore, it can be expected to reduce size and output.
  • Second Embodiment 2 to 6 schematically show other configuration examples of the combustion system of the present invention.
  • the combustion systems 2 to 6 shown in FIGS. 2 to 6 enable the exhaust gas generated by the combustion reaction of methane to be reused in the combustion unit 15.
  • the water vapor gas is a sweep gas supplied to the second processing chamber 12 of the separation unit or mixed with the gas to be processed, so that the moisture in the separation membrane is maintained even at high temperature conditions as described above, and a high transmittance is obtained. Can be obtained.
  • the load of exhaust gas on the environment can be reduced.
  • various industrial uses are also possible by increasing the purity.
  • the exhaust gas generated in the combustion unit 15 is mixed with the water vapor from the water vapor supply unit 17 and supplied as a sweep gas.
  • the structure which utilizes effectively the water vapor
  • carbon dioxide is contained in the exhaust gas, it is necessary to adjust the mixing ratio and flow rate of water vapor so that the partial pressure of carbon dioxide in the sweep gas does not exceed the partial pressure of carbon dioxide in the gas to be treated There is.
  • the composition of the exhaust gas after methane combustion, the ratio of nitrogen and oxygen in the air 4: 1, and, when all the oxygen in taken into the combustion chamber air is used without excess or deficiency of methane combustion, CO 2 : H 2 O: N 2 1: 2: 8.
  • the exhaust gas is used as the sweep gas for the facilitated transport film, it is necessary to supply the pressurized exhaust gas to the processing chamber 12 in order to obtain the above-mentioned preferable relative humidity.
  • the partial pressure of contained carbon dioxide also increases, and the propulsive force necessary for the selective permeation of carbon dioxide may be reduced. For this reason, in general, in order to obtain high selection performance by using the exhaust gas as the sweep gas for the facilitated transport membrane, water vapor is separately added to the sweep gas.
  • the facilitated transport membrane non-permselective membrane e.g. the solution-diffusion mechanism according to the CO 2 separation membrane
  • the facilitated transport membrane non-permselective membrane requires no moisture membrane permeation, only directly, put the exhaust gas to the permeate side, the effect of the sweep gas Can be expected.
  • the water vapor separation unit 18 is provided on the flow path 26 through which the exhaust gas from the combustion unit flows.
  • the water vapor separation unit 18 separates the water vapor contained in the exhaust gas.
  • the separated water vapor can be mixed with the sweep gas or the gas to be processed via the water vapor supply unit 17.
  • a known configuration using a water vapor permeable membrane can be used as in the water vapor remover 16.
  • a facilitated transport membrane can also be used in the water vapor separation part.
  • the gas containing carbon dioxide and nitrogen remaining after the water vapor separation can be used as a sweep gas supplied to the processing chamber 12 (not shown) as in the combustion system of FIG.
  • the exhaust gas from the combustion unit 15 is processed in the treatment chamber (supply side) 31 of the separation unit 34 provided with a separation membrane 33 (CO 2 facilitated transport membrane) separate from the separation unit 14. Supplied in.
  • the exhaust gas component contains nitrogen gas resulting from the intake of oxygen necessary for combustion from the air.
  • the permeate side treatment is performed in the chamber 32.
  • a gas containing carbon dioxide and water vapor from which nitrogen is removed is obtained. This gas can be used in various industries as high-purity carbon dioxide gas by removing the water vapor component.
  • a sweep gas can be flowed into the processing chamber 32. As the sweep gas, water vapor is preferable.
  • the water vapor supply unit 17 can supply water vapor mixed with the exhaust gas in the processing chamber 31 to obtain a high carbon dioxide permeation rate and water vapor supplied into the processing chamber 32 as a sweep gas.
  • the combustion system 5 shown in FIG. 5 is the same as the combustion system 4 in FIG. 4 in that a separation unit 34 for removing nitrogen in the exhaust gas is provided, but carbon dioxide and water vapor obtained by nitrogen separation are used.
  • the contained gas is mixed with the biogas by the exhaust gas supply unit 19, and the mixed gas is supplied to the supply side (processing chamber 11) of the separation unit 14 as the gas to be processed.
  • carbon dioxide in the exhaust gas selectively permeates through the separation membrane 33 of the separation unit 34 and further selectively permeates through the separation membrane 13 of the separation unit 14 and is recovered as the second separation gas in the processing chamber 12.
  • the recovered carbon dioxide gas can be used in various industries as high-purity carbon dioxide gas after the water vapor is removed.
  • the combustion system shown in FIG. 6 has a configuration in which the processing chamber 12 of the separation unit 14 to which the sweep gas is supplied and the processing chamber 32 of the separation unit 34 are shared in the configuration of FIG. Instead of the separation parts 14 and 34, a separation part 35 is provided.
  • the separation unit 35 is divided into three processing chambers by the separation membranes 13 and 33.
  • a mixed gas of biogas and water vapor supplied from the water vapor supply unit 17 is supplied as a gas to be processed.
  • the processing chamber 38 separated by the separation membrane 33 is supplied with a mixed gas obtained by mixing the exhaust gas after methane combustion with the water vapor supplied from the water vapor supply unit 17.
  • the processing chamber 37 separated by both the separation membrane 13 and the separation membrane 33 is supplied with water vapor gas as a sweep gas, and carbon dioxide gas contained in the biogas is transferred from the processing chamber 36 through the separation membrane 13 to the processing chamber.
  • the carbon dioxide gas in the exhaust gas is selectively permeated into the processing chamber 37 from the processing chamber 38 through the separation membrane 33.
  • the combustion section 15 can reuse the water vapor gas or carbon dioxide gas in the exhaust gas generated by the combustion reaction of methane.
  • the carbon dioxide gas generated by the combustion is recovered through the separation membrane 13 or 33, so that the carbon dioxide is not released to the external environment. It becomes possible to reduce.
  • the separation membranes 13 and 33 are CO 2 facilitated transport membranes and have a structure in which a carrier that selectively reacts with CO 2 is contained in the gel membrane as described above.
  • the CO 2 carrier include cesium carbonate or cesium bicarbonate, or alkali metal carbonates or bicarbonates such as rubidium carbonate or rubidium bicarbonate.
  • an alkali metal hydroxide such as cesium hydroxide or rubidium hydroxide can be said to be equivalent because it reacts with carbon dioxide to produce a carbonate or heavy carbonate.
  • amino acids such as 2,3-diaminopropionate (DAPA) and glycine are known to exhibit high CO 2 permeation performance.
  • CO 2 facilitated transport membrane the above carrier gel layer that is configured to include in the gel film, it can be made by supporting the hydrophilic or hydrophobic porous membrane.
  • the film material constituting the gel film include a polyvinyl alcohol (PVA) film, a polyacrylic acid (PAA) film, and a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) salt copolymer film.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • PAA polyacrylic acid
  • PAA polyvinyl alcohol-polyacrylic acid
  • the gel film is preferably a hydrogel film.
  • the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) salt copolymer film and the polyacrylic acid film are hydrogel films.
  • the hydrogel is a three-dimensional network structure formed by crosslinking a hydrophilic polymer by chemical crosslinking or physical crosslinking, and has a property of swelling by absorbing water.
  • a catalyst that accelerates the reaction between the CO 2 carrier and CO 2 may be contained in the membrane.
  • a catalyst preferably contains a carbonic anhydrase or an oxo acid compound, and in particular, an oxo acid of at least one element selected from the group 14 element, group 15 element, and group 16 element It is preferable that the composition includes a compound.
  • the catalyst preferably includes at least one of a tellurite compound, a selenite compound, an arsenite compound, and an orthosilicate compound.
  • the CO 2 facilitated transport film 13 (33) is composed of a gel film composed of a hydrogel containing a carbon dioxide carrier and a porous film carrying the gel film.
  • the film structure of CO 2 -facilitated transport membrane the present invention is not limited to the specific examples, which was to form a gel film containing carrier, for example, in the outer peripheral side or the inner circumference side of the porous support of cylindrical shape It does not matter.
  • a cast solution made of an aqueous solution containing a PVA / PAA salt copolymer, a CO 2 carrier (here, Cs 2 CO 3 ), and a CO 2 hydration reaction catalyst is prepared (step 1). More specifically, 2 g of a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) salt copolymer (for example, SS gel manufactured by Sumitomo Seika), 4.67 g of cesium carbonate, and 0.80 with respect to cesium carbonate. 025 times the number of moles of potassium tellurite is added to 80 g of water and stirred until dissolved to obtain a cast solution.
  • the cast solution obtained in Step 1 is cast on the PTFE porous membrane with an applicator (Step 2). Thereafter, the cast solution is gelled by drying to form a gel layer (step 3).
  • the CO 2 carrier constituting the CO 2 facilitated transport membrane As the CO 2 carrier constituting the CO 2 facilitated transport membrane, the above-mentioned Cs 2 CO 3 is used, and a membrane in which a CO 2 carrier is added to a hydrogel mainly composed of a PVA / PAA salt copolymer as a hydrogel membrane, It was carried on a hydrophobic PTFE porous membrane to form a separation membrane 13.
  • the gas to be treated was a mixed gas containing nitrogen, carbon dioxide, and water vapor (in place of methane) as described above.
  • the processing temperature was 110 ° C.
  • the total pressure of the gas to be processed was kept constant at 900 kPa
  • the partial pressure of the water vapor gas supplied to the processing chamber 11 was changed.
  • the sweep gas is water vapor gas or a mixed gas of water vapor and Ar.
  • the partial pressure of the water vapor gas is the same as that of the gas to be treated. Under conditions 1 and 2, the sweep gas is set so that the total pressure is 100 kPa (atmospheric pressure). Ar gas was added.
  • FIG. 7 shows the evaluation results of the temperature, the pressure of the gas to be treated and the sweep gas, the composition ratio (partial pressure ratio), the relative humidity, the CO 2 permeance and the N 2 permeance under each evaluation condition.
  • the N 2 permeance is “below the GC detection limit” because the N 2 concentration in the second separation gas that has passed through the separation membrane 13 is too low, and N 2 is detected by gas chromatography. This means that the permeance could not be calculated.
  • the N 2 permeance in this case is estimated to be 1.37 ⁇ 10 ⁇ 8 [mol / m 2 s ⁇ kPa] at most.
  • CO 2 selectivity to N 2 (CH 4) can be expressed as the ratio of the CO 2 permeance for N 2 (CH 4) permeance.
  • FIG. 7 shows that the CO 2 facilitated transport membrane has a CO 2 / N 2 selectivity exceeding 500. Therefore, the CO 2 / CH 4 selectivity has the same selection performance.
  • the evaluation condition 1 ⁇ 3, CO 2 permeance as the relative humidity increases is high.
  • Such humidity dependence is considered to be a feature of the facilitated transport film.
  • the facilitated transport membrane has a very high CO 2 permeance and selectivity as compared with other separation membranes (separation membranes having a dissolution / diffusion mechanism, etc.) particularly in a high humidity region.
  • the flow rate of the gas to be processed (excluding water vapor) supplied to the processing chamber 11 was set to 330 Nm 3 / h.
  • the CO 2 permeance was set to a constant value (the value shown in FIG. 7) regardless of the membrane area.
  • the facilitated transport membrane is characterized in that the CO 2 permeance increases as the CO 2 partial pressure difference between the supply side (processing chamber 11 side) and the permeation side (processing chamber 12 side) decreases (for example, Japanese Patent Application No. 2015-223893). reference). Therefore, in actuality, the CO 2 permeance becomes closer to the outlet side of the membrane (near the channel 23) from the inlet side of the membrane (near the channel 21) due to the distribution of the partial pressure of CO 2 in the processing chamber 11 on the membrane. Get higher. Therefore, when the facilitated transport film is used, it is considered that the actually required film area is smaller than the calculated value.
  • the required film area was 575 m 2 in the case of the evaluation condition 1, and 250 m 2 in the case of the evaluation condition 3. Although it has a relatively large area, it can be sufficiently realized as a combustion system for biogas combustion by combining a plurality of membrane modules.
  • the carbon dioxide contained in the biogas is removed through the CO 2 separation membrane, and the high-purity methane gas after the removal is supplied to the combustion chamber. It is possible to realize a combustion system capable of obtaining a stable output while saving energy and enjoying the maximum environmental merit.
  • the separation membranes (CO 2 facilitated transport membranes) 13 and 33 are flat membranes.
  • the present invention is not limited to this, and the inner surface of a cylindrical porous membrane is used. Alternatively, it may be a curved surface having a gel layer containing a carrier on the outer surface or a hollow fiber membrane.
  • the present invention does not depend on the arrangement of the processing chambers in each processing section, and a configuration in which a plurality of cylindrical processing chambers having a common axis are separated by a CO 2 facilitated transport membrane or a permeable membrane, A configuration in which the processing chambers are arranged in series in the extending direction of the axial center can be considered.
  • a gel membrane composed of a polyvinyl alcohol-polyacrylate copolymer is used as a material for the CO 2 facilitated transport membrane.
  • CO 2 selective separation ability It is possible to adopt the same hydrophilic polymer that exhibits the above.
  • the CO 2 carrier is not limited to the materials mentioned in the embodiment, and other material films may be adopted as long as the desired CO 2 selective permeation performance is obtained.
  • water vapor is used as the sweep gas.
  • the sweep gas flowing into the processing chamber 12 of the separation unit 14 the processing chamber 32 of the separation unit 34, or the processing chamber 37 of the separation unit 35.
  • the sweep gas may contain a gas component such as nitrogen gas or argon gas.
  • the gas component is contained in the second separation gas, a step of separating the gas component is separately required when assuming the reuse of the carbon dioxide gas in the second separation gas.
  • the sweep gas supplied to the processing chamber 32 can be a mixed gas containing a gas component other than water vapor, but the gas component is mixed with biogas, Since it is circulated and supplied into the processing chamber 11, a step of removing the gas component before the combustion unit 15 is required.
  • the sweep gas flowing into the processing chambers 12, 32 (FIG. 4) and 37 can be easily separated from the carbon dioxide gas if the reuse of the carbon dioxide gas in the second separation gas is taken into consideration. It is preferable that water vapor gas is suitable.
  • the sweep gas that flows into the processing chamber 32 of FIG. 5 is preferably one that can be easily separated from methane gas and carbon dioxide gas, and is preferably water vapor gas.
  • Steam gas is mixed with a part of the second separation gas in the processing chambers 12 and 37, a part of the permeated gas in the processing chamber 32, or a part of the exhaust gas after methane combustion, and the mixed gas is reused as a sweep gas. It can also be used.
  • the mixed gas contains carbon dioxide, it is necessary to adjust the mixing ratio of the water vapor gas so that the partial pressure of carbon dioxide in the sweep gas is lower than the partial pressure of carbon dioxide in the gas to be treated. .
  • combustion systems 1 to 6 shown in FIGS. 1 to 6 are given as examples of the configuration of the combustion system.
  • the present invention is not limited to these specific configurations.
  • a person skilled in the art can easily configure another combustion system by appropriately combining a part or all of the configurations of the combustion systems 1 to 6 as long as there is no contradiction as a whole.
  • the configurations suggested by such combustion systems 1 to 6 can also be said to be disclosed in the present specification.
  • the present invention can be used for a combustion system that uses a mixed gas in which carbon dioxide gas is contained in a combustible gas, such as a biogas obtained by methane fermentation of organic matter, as a fuel.
  • a mixed gas in which carbon dioxide gas is contained in a combustible gas, such as a biogas obtained by methane fermentation of organic matter, as a fuel.
  • Combustion system 14 Separation unit 11: First treatment chamber 12: Second treatment chamber 13: Separation membrane 15: Combustion unit 16: Water vapor removal unit 17: Water vapor supply unit 18: Water vapor separation unit 19: Exhaust gas supply Part 21 to 26: Gas flow path 34, 35: Separation part 31, 32, 36 to 38: Processing chamber 33: Separation membrane

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Abstract

安定した出力が得られ、且つ省エネルギーなバイオガス燃焼システムを実現する。メタンを主成分として二酸化炭素を含む混合ガスを成分とする被処理ガスから二酸化炭素を除去し、少なくとも二酸化炭素の含有量が低減された高純度のメタンガスを得る分離部１４と、メタンガスを燃焼させる燃焼部１５とを備えた燃焼システムであり、分離部１４が、分離膜１３によって隔てられた第１処理室１１と第２処理室１２を有し、分離膜１３が、第１処理室１１に供給された被処理ガス中の二酸化炭素を選択的に第２処理室へ１２と透過させ、被処理ガスよりメタン純度の高い第１処理室１１内の第１分離ガスと、被処理ガス中の二酸化炭素を含む第２処理室１２内の第２分離ガスを得る構成とした。

Description

燃焼システム
　本発明は、バイオマスや有機性廃棄物等の有機物のメタン発酵によって得られるバイオガス等のメタンを主成分として二酸化炭素を含むガスを燃焼させてエネルギーを得る燃焼システムに関する。
　近年、バイオマスや下水汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵によって得られるバイオガスを新エネルギー源として活用することが注目されている。当該バイオガスは、化石燃料を代替するものとして、発電又はボイラ等の用途で利用されている。
　バイオガスは、一般にメタンのほか、メタンガスの製造条件（発酵条件）に応じて変動があるが、約４０％程度の二酸化炭素を含んでいる。また、シロキサン、硫化水素等の硫黄化合物を微量に含んでおり、利用時に除去する必要がある。
　例えば、比較的大規模な設備で処理される下水汚泥からの消化ガスでは、硫化水素（Ｈ２Ｓ）のような硫黄化合物やシロキサン等の多くの不純物を含んでいる。また、小規模な設備が想定される家畜排泄物や生ごみ等をメタン発酵させたバイオガスの場合には、個々の設備の違いやガス製造条件の違いにより、様々な微量成分（油分、微量元素：Ｖ、Ｐｂ、Ｃｌ等、エタン、プロパン、ジエン類、ベンゼン、トルエン等）が存在し、その量や濃度も異なると考えられる。これらの微量不純物はガスエンジンの性能や耐久性に影響を与える。
　バイオガスエンジンにおいて、バイオガス中の二酸化炭素は、ガスエンジン出力の低下と熱効率の低下を招く。さらに、バイオガス組成の変動内容や程度によってはエンジン調整作業が必要となる。
　メタンと二酸化炭素の混合ガスを燃料として用いるバイオガスエンジンの出力及び熱効率は、二酸化炭素濃度の増加とともに大きく減少する。例えば、ガスエンジンは、ＣＯ２を４０％含む混合ガスを用いる場合、純度１００％のメタン燃料と比べてエンジン出力が４０％低下し、熱効率も１４％低下してしまう。これはつまり、１００ｋＷの天然ガスエンジンを用いても６０ｋＷの出力しか出ないことを意味し、逆に、１００ｋＷの出力が必要であれば、約１７０ｋＷの天然ガスエンジンが必要になることを意味する。結果、エンジンの設備コストはほぼ出力に比例するので設備費が７０％増加することになる。また、熱効率が１４％低下することから、天然ガスエンジンに比べて燃料費が１６％程度増加することになる。
　このため、バイオガス用のエンジンは、初期コスト、ランニングコストともに高コストであった。
　特許文献１には、バイオガスをエンジンに供給する圧力に応じて、駆動するガスエンジンの総数及び余剰ガス燃焼装置の駆動を制御するバイオガス発電装置が記載されている。
　特許文献２には、バイオマスや有機性廃棄物等の有機物のメタン発酵によって得られた消化ガス中の二酸化炭素をアルカリ吸収液を用いて吸収分離し、純度の高いメタンガスをエンジンに供給する発電方法が記載されている。
　特許文献３には、バイオガスのような運転中に性状が変化するガスを燃料とするガスエンジンにおいて、排気ガスの温度が予め設定された範囲にない場合に空燃比を補正制御することによって、エンジンの失火又は燃焼異常を防ぐ予混合式ガスエンジンの制御方法が記載されている。
　特許文献４及び特許文献５は、バイオガスと都市ガス（天然ガス）の混合ガスを燃料とするエンジンの燃焼制御に関するものであり、特許文献４では排気ガス中の酸素濃度、特許文献５では排気ガスの温度に応じてバイオガスの混合比率を調整することによって、エンジンの出力低下を抑制し、発熱量が変動するバイオガスを安定的に燃焼可能とするものである。
特開２０１０－２０９７０６号公報 特開２００２－２７５４８２号公報 特開２０１２－１３０１１号公報 特開２０１２－２４２０１１号公報 特開２０１３－１６３９８４号公報
　上記の通り、バイオガスは、メタンガス発生時の条件（発酵条件）に応じて発生量や成分が安定しないため、燃料としてバイオガスを使用する場合、燃焼が不安定になり、安定した出力が得られないことがある。
　安定した出力を得るためには、エンジンの大型化や、ガス組成の変動に応じてエンジンを制御・調整する機構が必要となり、エンジンの高コスト化を招いていた。さらに、複雑で長時間を要するエンジン調整作業がユーザ及びメーカにとって大きな負担・リスク要因となっていた。
　上記の解決のために、バイオガスから二酸化炭素成分を除去したガスをエンジンに供給することとすれば、ガス品質は普通の天然ガスに近づくため、調整が不要で、コストダウンが可能になると考えられる。しかしながら、既存の化学吸収法や高圧水吸収法、ＰＳＡ等は何れも高価で大型の設備・エネルギーを必要とし、バイオガスを用いることによる環境上のメリットが損なわれる結果となっていた。
　一例として、下水消化ガスを高圧水吸収法により高純度のメタンガスに変換し、天然ガス自動車等の燃料として利用するケースでは、６６０Ｎｍ３／ｈの消化ガスの処理をする精製設備の費用が約１５億３千万円と報告されている。６６０Ｎｍ３／ｈの消化ガスは２０００ｋＷのバイオガスエンジンの定格燃料に相当し、２０００ｋＷのバイオガスエンジン自体の価格は現在約４億円程度であるので、既存の高圧水吸収法によるＣＯ２除去では、ガスエンジンのコストを約５倍にしてしまう。また高圧水吸収法では、ＣＯ２を除去するためにＣＯ２１Ｎｍ３当たり約１ｋＷのエネルギーを消費しており、この消費エネルギーはバイオガスのメタン燃焼により得られるエネルギーの約１５％に相当している。このように、既存の水吸収法によるＣＯ２除去に要するエネルギーは、ＣＯ２除去によるガスエンジンの効率向上効果を相殺してしまう。
　そこで、本発明は、バイオガス等のメタンを主成分とし二酸化炭素を含むガスを燃料ガスとして用いるエンジンを用いる場合であっても、複雑なエンジン調整作業の必要なく安定した出力を得ることが可能で、また、二酸化炭素の除去のために大きなエネルギーを消費する工程を必要とせず、バイオガスを用いることによる環境メリットを享受することができる燃焼システムを提供することをその目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る燃焼システムは、
　メタンを主成分として二酸化炭素を含む混合ガスを成分とする被処理ガスから二酸化炭素を除去し、少なくとも二酸化炭素の含有量が低減された高純度のメタンガスを得る分離部と、メタンガスを燃焼させる燃焼部とを備えた燃焼システムであって、
　前記分離部が、分離膜によって隔てられた第１処理室と第２処理室を有し、
　前記分離膜が、前記第１処理室に供給された前記被処理ガス中の二酸化炭素を選択的に前記第２処理室へと透過させ、前記被処理ガスよりメタン純度の高い前記第１処理室内の第１分離ガスと、前記被処理ガス中の二酸化炭素を含む前記第２処理室内の第２分離ガスを得る構成としたことを第１の特徴とする。
　上記第１の特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、前記分離膜が、二酸化炭素と選択的に反応するキャリアが添加された促進輸送膜であることを第２の特徴とする。
　上記第２の特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記第１処理室に水蒸気を供給する水蒸気供給部を備え、
　前記水蒸気供給部により供給される水蒸気を含む前記混合ガスが、前記被処理ガスとして、前記第１処理室に供給されることを第３の特徴とする。
　上記第３の特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記水蒸気供給部は、前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された高温の排出ガスとの熱交換により水を加熱して生成された水蒸気を、前記第１処理室に供給することを第４の特徴とする。
　上記第３又は第４の特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記水蒸気供給部は、前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された排出ガスに含まれる水蒸気を、前記第１処理室に供給することを第５の特徴とする。
　上記第３乃至第５の何れかの特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された二酸化炭素及び水蒸気を含んだ排出ガスの少なくとも一部を前記混合ガスと混合し、前記被処理ガスとして前記第１処理室に供給する排出ガス供給部を更に備えることを第６の特徴とする。
　上記第３乃至第６の何れかの特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記第１分離ガスから水蒸気を除去し、水蒸気が除去された前記第１分離ガスを前記燃焼部に供給する水蒸気除去部を更に備えることを第７の特徴とする。
　上記第７の特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記水蒸気供給部は、前記水蒸気除去部によって除去された水蒸気を、前記第１処理室に供給することを第８の特徴とする。
　上記第２乃至第８の何れかの特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記第２処理室にスイープガスを供給するスイープガス供給部を備えることを第９の特徴とする。
　上記第９の特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、前記スイープガスが、水蒸気を含み、
　前記水蒸気供給部が、前記スイープガスに含まれる水蒸気を前記スイープガス供給部に供給することを第１０の特徴とする。
　上記第８の特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記第２処理室に水蒸気を含んだスイープガスを供給するスイープガス供給部を備え、
　前記スイープガス供給部は、前記水蒸気除去部によって除去された水蒸気を含んだ前記スイープガスを、前記第２処理室に供給することを第１１の特徴とする。
　上記第９乃至第１１の何れかの特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記スイープガス供給部は、前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された高温の排出ガスとの熱交換により水を加熱して生成された水蒸気を、前記第２処理室に供給することを第１２の特徴とする。
　上記第９乃至第１２の何れかの特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、
　前記スイープガス供給部は、前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された排出ガスに含まれる水蒸気を、前記第２処理室に供給することを第１３の特徴とする。
　上記第１乃至第１３の何れかの特徴の本発明に係る燃焼システムは、更に、好ましくは、前記混合ガスが、有機物のメタン発酵により生成されたバイオガスに由来するガスであることができる。更に、好ましくは、前記分離膜が、二酸化炭素と選択的に反応するキャリアが添加された促進輸送膜である場合、超高次脱硫触媒を用いた脱硫装置を備えて、前記バイオガスに由来するガス中に含まれる硫黄成分（硫化水素）を除去するようにする。
　本発明の燃焼システムに依れば、分離膜を用いてバイオガス等に含まれる二酸化炭素を除去し、高純度のメタンガスを燃焼室に供給する構成とする。これにより、バイオガス等のメタンを主成分とし二酸化炭素を含むガスを燃料ガスとして用いるエンジンを用いる場合であっても、複雑なエンジン調整作業の必要なく安定した出力を得ることが可能である。ここで、二酸化炭素を除去するための分離膜は、二酸化炭素と選択的に反応するキャリアが添加された促進輸送膜を、好適に利用することができる。さらに、除去された二酸化炭素は、回収し、各種産業用用途に再利用することができる。
　上記の分離膜（促進輸送膜）を介した透過による二酸化炭素除去は、高純度な分離ガスを得ようとするほど大きな膜面積が必要となるものの、高圧水吸収法のような二酸化炭素の除去のために大きなエネルギーを消費する工程と比べると省エネルギーであり、バイオガスを用いることによる環境メリットを最大限に享受することができる。
　メタンガスを主成分として二酸化炭素を含むガスを燃料ガスとして用いるエンジンには、例えば特許文献３～５のように、排出ガスの温度を測定する等の方法により、燃焼室における燃焼状態を検知し、燃焼状態に基づいて燃料ガスの空燃比又は混合比を制御するものや、燃料ガスの燃焼性（メタン純度）を検知し、当該燃焼性に応じて燃料ガスを昇圧して燃焼室に供給する制御を行うものがある。しかしながら、本発明の燃焼システムに依れば、分離膜を用いて二酸化炭素を除去しておくことによって、そのような複雑な制御を必要とせず、また燃焼状態又は燃料ガスの燃焼性を検知するためのセンサも必要ないので、簡単な構成の、低コストなエンジンを使用できる。汎用の安価な天然ガス用のエンジンを使用することが可能である。
　一方で、促進輸送膜を利用する場合、高い透過速度を得るには水分の存在が不可欠であるため、バイオガスに水蒸気ガスを混合したガスを促進輸送膜に透過させることで、高温環境においても高い選択性能で二酸化炭素ガスを透過させることができる。この結果、分離ガスに水蒸気ガスが混じることになるが、水蒸気ガスは冷却、或いは他の選択透過膜を用いて容易に除去される。
　さらに、バイオガスに混合するための水蒸気については、メタンガスの燃焼により排出された水蒸気と二酸化炭素の混合ガスから分離し、再利用することも可能である。さらに、排出ガス中に含まれる二酸化炭素を、分離膜を介して回収・再利用することも可能であり、外部環境に二酸化炭素を排出しないようにして、環境負荷を低減することが可能である。
本発明の一実施形態に係る燃焼システムの要部構成を示す模式図 本発明の一実施形態に係る燃焼システムの要部構成を示す模式図 本発明の一実施形態に係る燃焼システムの要部構成を示す模式図 本発明の一実施形態に係る燃焼システムの要部構成を示す模式図 本発明の一実施形態に係る燃焼システムの要部構成を示す模式図 本発明の一実施形態に係る燃焼システムの要部構成を示す模式図 分離膜の膜性能を評価した条件とその評価結果を示す表
　以下、本発明の実施の形態につき、詳細に説明する。
　図１に、本発明の一実施形態に係る燃焼システム１の要部構成を模式的に示す。なお、図１中の矢印は、ガスが流れる流路及び向きを簡略化して示したものであり、図１内に示される化学式は、概念的に図面内の矢印の向きに流れるガスに含まれる主たる成分を表している。またガス流路において必要となる３方弁や混合弁などの記載は割愛している。これらは、以降で説明する燃焼システムの各要部構成図についても同様とする。また、各要部構成図において、同一の構成要素については、同一の符号を付すこととし、その説明を省略することがある。
　燃焼システム１は、分離部１４、及び燃焼部１５を備えて構成される。分離部１４が、メタンを主成分として二酸化炭素を含む混合ガスを成分とする被処理ガスから二酸化炭素を除去し、少なくとも二酸化炭素の含有量が低減された高純度のメタンガスに分離する。そして、燃焼部１５が、分離部１４によって得られた高純度メタンガスを燃焼させる。燃焼部１５は、例えばガスエンジンやガスタービンの燃焼室であり、メタンガスの燃焼反応による熱エネルギーを運動エネルギーや電力などのエネルギーに変換するために設けられている。
　分離部１４は、分離膜１３によって隔てられた２つの処理室１１、１２を有している。ガス流路２１を介して、バイオガスに由来する成分を含む混合ガスが、被処理ガスとして、処理室１１（第１処理室）に供給される。混合ガスは、メタンガスを主成分とし、二酸化炭素を含むガスであるが、バイオガス由来の成分のうち、硫化水素、シロキサン等の不純物は、既存の脱硫装置、活性炭吸着方式のシロキサン除去装置等を用いて、予め取り除かれている。
　脱硫装置としては吸収液を用いた湿式脱硫法や酸化亜鉛や酸化鉄等の硫黄吸着材を用いた吸着脱硫方式が使用できる。また銅亜鉛系の超高次脱硫触媒を用いればｐｐｂレベル以下まで完全に硫黄を除去することができる。特に分離膜１３に促進輸送膜を用いる場合、促進輸送膜は用いるキャリアの種類やその濃度によっては、硫化水素の影響を受けることがあるため、超高次脱硫触媒を用いるのが好ましい。
　分離膜１３は、上記被処理ガスに含まれる二酸化炭素ガスを、メタンガスの透過率よりも高い透過率で、選択的に処理室１２（第２処理室）側へ透過させる機能を有している。これにより、処理室１１内のガスの二酸化炭素の純度は低下し、メタンガスの純度は上昇する。一方、処理室１２内のガスの二酸化炭素の純度は上昇する。
　なお、ここで、ガスの純度とは、当該ガス成分の全ガスに対するモル濃度比（つまり、ガス分圧の比に等しい）を指すものとする。これは以降の説明においても同じとする。
　分離膜１３は、促進輸送膜で構成されることが好ましい。促進輸送膜は、特定のガス分子（ここでは、二酸化炭素）と選択的に反応するキャリアを例えばゲル膜中に添加して形成された膜である。当該促進輸送膜の具体的な構成については、後述する。
　上記のＣＯ２促進輸送膜では、ＣＯ２は溶解・拡散機構による物理透過に加えて、キャリアとの反応生成物としても透過するため透過速度が促進される。一方、キャリアと反応しないＮ２、ＣＨ４、及びＨ２等のガスは溶解・拡散機構のみでしか透過しないため、これらのガスに対するＣＯ２の分離係数は極めて大きい。Ａｒ、Ｈｅのような不活性ガスについても同様であり、キャリアと反応しないため、ＣＯ２と比較した透過性は極めて小さい。更に、ＣＯ２とキャリアの反応時に発生するエネルギーはキャリアがＣＯ２放出するためのエネルギーに利用されるため、外部からエネルギーを供給する必要がなく、本質的に省エネルギープロセスとなる。
　ここで「キャリア」とは、その物質が膜内に含有されることで、ある特定のガスの透過速度を速くする効果を有する物質である。
　省エネルギー効果が高いだけではなく、非常にコンパクトであり、量産化ができれば、現状の化学吸収法や更に高価なＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法に比べ、はるかに低コストなＣＯ２分離・回収プロセスが構成できるため、脱炭酸プロセスの他、発電排ガス、製鉄排ガス、セメント排ガス等からのＣＯ２回収、更に、ＣＴＬ（Coal toLiquids: 石炭からの液体燃料製造）分野のような次世代型のエネルギープロセスや、既存の脱炭酸分野が適用できなかった小規模な化学プラントや設備にも適用でき、容易にＣＯ２を分離・回収できるようになるので、低炭素社会に大いに貢献できると期待されている。
　分離膜１３によって、メタンガスと二酸化炭素ガスを含む被処理ガスは、当該被処理ガスよりメタンガスの純度が高く二酸化炭素ガスの純度が低い処理室１１内の第１分離ガスと、処理室１２内の第２分離ガスに分離される。第１分離ガスはガス流路２３、水蒸気分離部１６、及び、ガス流路２４を介して燃焼部１５に送られ、メタンガスが燃焼に利用される。一方、第２分離ガスは二酸化炭素を多く含んでおり、各種産業用利用のために回収及び再利用が可能である。
　ところで、分離膜１３が促進輸送膜である場合に、分離膜１３中に水分が無い場合には二酸化炭素の透過速度は一般に非常に小さいため、高い透過速度を得るには膜内の水分が不可欠である。分離膜１３内に水分を維持する１つの方法として、ゲル層を保水性の高いハイドロゲルで構成することが挙げられる。これにより、分離機能層内の水分が少なくなる高温下においても、可能な限り膜内に水分を保持することが可能となり、例えば１００℃以上の高温において高い選択透過性能を実現できる。また、被処理ガス中に水分（水蒸気）が含まれている場合は、当該水分を除去せずに保持したまま、処理室１１内に供給するのが好ましい。
　分離膜１３中の水分を維持する別の方法として、好ましくは、メタンガスと二酸化炭素ガスを含む混合ガスに水蒸気ガス（スチーム）を更に混合し、水蒸気を含む混合ガスを、被処理ガスとして、処理室１１に導入するとよい。この目的のために、燃焼システム１では、水蒸気供給部１７が設けられている。本実施形態において、水蒸気供給部１７から供給された水蒸気ガスが、メタンガスと二酸化炭素ガスを含む混合ガスと混合され、メタン、二酸化炭素、及び水蒸気を含む混合ガスが、ガス流路２１を介して分離部１４の処理室１１に供給される。
　水蒸気を含む被処理ガスの相対湿度は、好ましくは３０％～１００％、より好ましくは４０％～１００％である。
　水蒸気を含む被処理ガスは、昇圧しても良く、昇温しても良い。昇圧することで透過の推進力である二酸化炭素ガスの分圧差を増加させ、二酸化炭素の透過量を増加させることができる。また、昇圧によりスチームの分圧が増加することで、昇温により低下する相対湿度を増加させる効果もある。昇圧する場合の圧力は、昇圧に要するエネルギーを考慮すると、好ましくは２００ｋＰａ（Ａ）～１０００ｋＰａ（Ａ）、より好ましくは４００ｋＰａ（Ａ）～１０００ｋＰａ（Ａ）である。温度は室温程度の温度であっても良いが、二酸化炭素の透過性能は、温度とともに上昇する傾向があるため、６０℃～１３０℃が好ましく、８０℃～１２０℃がより好ましい。
　ただし、このように水蒸気供給部１７を設ける構成の場合、第１分離ガスは、二酸化炭素の純度は低いが、メタンガスと水蒸気を含むガスとなる。第１分離ガスを燃焼部１５に送るに際して、水蒸気は除去しておくことが好ましい。
　このため、本実施形態では、水蒸気除去部１６を処理室１１と燃焼部１５の燃焼室の間に設け、水蒸気除去部１６が、水蒸気供給部１７によって混合された水蒸気を第１分離ガスから除去し、水蒸気を除去後の高純度のメタンガスを燃焼部１５に供給する構成としている。水蒸気除去部１６は、凝縮器を用いるものや、パーフルオロ系膜（又はパーフルオロスルホン酸系膜）等の水蒸気透過膜を用いる公知の構成が利用可能である。例えば水蒸気透過膜を用いる場合、水蒸気ガスは冷却された液体状態の水ではなく、気体状態で（潜熱を有した状態で）回収されるため、除去された水蒸気ガスの少なくとも一部をそのまま水蒸気供給部１７に戻し、被処理ガスに混合する水蒸気ガスとして再利用することができる。水蒸気透過膜として、上記の促進輸送膜を用いることも可能である。この場合、促進輸送膜は、分離膜１３と異なる材料で構成しても、同じ材料で構成してもよい。促進輸送膜を用いた水蒸気選択透過膜の例が、国際公開第２０１２／０１４９００号に開示されている。
　水蒸気除去部１６によって除去された水蒸気は、上記被処理ガスに添加するため、ガス流路２５を介して、水蒸気供給部１７に供給することができる。
　水蒸気供給部１７による水蒸気の供給方法としては、上記の水蒸気除去部１６によって除去された水蒸気を利用する方法に限られるものではない。別途エネルギーを消費するが、水を加熱して水蒸気を生成してもよい。この場合、燃焼部１５において、メタンの燃焼により生成された高温の排気ガスを利用し、高温の排気ガスとの熱交換により水を加熱して水蒸気を生成することで省エネルギーが望める。また、後述するように、メタンの燃焼反応後の排気ガスに含まれる水蒸気を再利用することも可能である。
　処理室１２内には、透過側の二酸化炭素の分圧を低下させ、選択透過の推進力たる分圧差を得るために、スイープガスを流すことが好ましい。スイープガスは、ガス流路２２（スイープガス供給部）より供給される。スイープガスは、水蒸気ガスを含むことが好ましい。本実施形態において、水蒸気供給部１７が、水蒸気を加えた被処理ガスを処理室１１に供給するほか、スイープガスに水蒸気が含まれるように、水蒸気を処理室１２に供給することができる。スイープガスに含まれる水蒸気は、処理室１１に供給する水蒸気と同様、メタンの燃焼により生成された高温の排気ガスとの熱交換により、水を加熱して生成することで省エネルギーが望める。また、また、後述するように、メタンの燃焼反応後の排気ガスに含まれる水蒸気を再利用することも可能である。
　スイープガスとしての水蒸気ガスを処理室１２に供給することによって、供給側（処理室１１）と透過側（処理室１２）との間の水蒸気ガスの分圧差を小さくし、被処理ガス中の水蒸気ガスの透過量を減少させることで、被処理ガスの相対湿度の低下を抑制することができる。また、ＣＯ２の回収率が高いほど、透過側での水蒸気ガスの割合が小さくなるため処理室１２内ガス（第２分離ガス）の相対湿度は低くなるが、スイープガスに含まれる水蒸気ガスの流量を増加させることで、相対湿度の低下を抑制できる。ただし、水蒸気をスイープガスとして用いる場合は、透過側の圧力は使用する温度での飽和水蒸気圧以下になるように制御する必要が生じる。つまり、１００℃未満の温度条件で水蒸気ガスのみをスイープガスとして用いる場合、透過側は減圧されている必要がある。
　このように、メタン及び二酸化炭素を含む被処理ガスを処理室１１に供給し、分離膜１３を介して、被処理ガス中の二酸化炭素を、メタンよりも高い透過率で透過させることで、二酸化炭素を殆ど含まない高純度のメタンガスを燃焼部１５に供給することが可能になる。この結果、燃焼システム１の燃焼部１５としてガスエンジンを組み込むことで、ガスエンジンは、燃料にバイオガスを使用する場合であっても複雑なエンジン調整作業の必要なく安定した出力を得ることが可能で、小型化・高出力化を望める。
　また、燃焼室の燃焼状態に応じた燃料ガスの空燃比の制御、又は燃料ガスの燃焼性（メタン純度）に応じた供給燃料ガスの昇圧制御といった複雑で高級なエンジン制御は必要ないため、簡単な構成のガスエンジンを使用できるので、低コスト化を望める。汎用の安価な天然ガス用のエンジンを使用することが可能となる。
　また、燃焼システム１において、ＣＯ２選択透過膜を用いることにより、大きなエネルギーを消費することなく二酸化炭素を除去でき、省エネルギーであり、バイオガスを用いることによる環境メリットを損なうことなく享受することが可能である。
　〈第２実施形態〉
　図２～図６に、本発明の燃焼システムの他の構成例を模式的に示す。図２～図６に示す燃焼システム２～６は、燃焼部１５において、メタンの燃焼反応によって生成された排出ガスの再利用を可能としたものである。
　メタンの燃焼反応によって、水蒸気及び二酸化炭素が生成される。水蒸気ガスは、分離部の第２処理室１２に供給するスイープガスとして、或いは被処理ガスに混合することで、前述のとおり高温条件においても分離膜中の水分を維持して、高い透過率を得ることが可能となる。一方、二酸化炭素ガスは、分離膜により取り除くことで、排出ガスが環境に与える負荷を低減できる。また、純度を高めることで、各種産業用利用も可能となる。
　図２に示す燃焼システム２では、燃焼部１５において発生した排出ガスが、水蒸気供給部１７からの水蒸気と混合されてスイープガスとして供給される。これにより、排出ガスに含まれる水蒸気を有効活用する構成である。ただし、排出ガスに二酸化炭素が含まれているため、スイープガス中の二酸化炭素の分圧が被処理ガス中の二酸化炭素の分圧を超えないように、水蒸気の混合比率及び流量を調整する必要がある。
　メタン燃焼後の排出ガスの組成は、空気中の窒素と酸素の比を４：１とし、燃焼室に取り込まれた空気中の酸素の全てが過不足なくメタン燃焼に使用されたとすると、ＣＯ２：Ｈ２Ｏ：Ｎ２＝１：２：８となる。排出ガスを促進輸送膜のスイープガスとして利用する場合、上述した好ましい相対湿度を得るには加圧した排出ガスを処理室１２に供給する必要があるが、排出ガスの加圧により、排出ガスに含まれる二酸化炭素の分圧も増加してしまい、二酸化炭素の選択透過に必要な推進力が低下する虞がある。このため、一般に、排出ガスを促進輸送膜のスイープガスに用いて高い選択性能を得るにはスイープガスに別途水蒸気を添加する。しかし、促進輸送膜以外の選択透過膜（例えば溶解拡散機構によるＣＯ２分離膜）では、膜透過に水分を必要としないため、直接、透過側に排出ガスを入れるだけで、スイープガスとしての効果を期待できる。
　図３に示す燃焼システム３では、燃焼部からの排出ガスが流れる流路２６上に、水蒸気分離部１８が設けられている。水蒸気分離部１８は、排出ガスに含まれる水蒸気を分離する。分離された水蒸気は、水蒸気供給部１７を介し、スイープガス又は被処理ガスに混合されることができる。水蒸気分離部１８は、水蒸気除去部１６と同様、水蒸気透過膜を用いる公知の構成が利用可能である。さらに、水蒸気分離部に、促進輸送膜を用いることもできる。一方、水蒸気分離後に残存する二酸化炭素と窒素を含むガスは、（図示しないが）図２の燃焼システムと同様、処理室１２に供給するスイープガスとしての利用も可能である。
　図４に示す燃焼システム４では、燃焼部１５からの排出ガスは、分離部１４とは別の分離膜３３（ＣＯ２促進輸送膜）が設けられた分離部３４の処理室（供給側）３１内に供給される。排出ガスの成分には、燃焼に必要な酸素を空気中から取り入れたことによる窒素ガスが含まれているが、当該排出ガスを分離部３４の処理室３１に供給することで、透過側の処理室３２では窒素が除去された、二酸化炭素と水蒸気を含むガスが得られる。このガスは、水蒸気成分を取り除くことで高純度の二酸化炭素ガスとして各種産業利用が可能となる。処理室３２には、スイープガスを流すことができる。スイープガスとしては、水蒸気が好ましい。水蒸気供給部１７が、高い二酸化炭素透過速度を得るために処理室３１内で排出ガスと混合される水蒸気、及び、スイープガスとして処理室３２内に供給される水蒸気を供給することができる。
　図５に示す燃焼システム５は、排出ガス中の窒素を除去するための分離部３４を設けた点において図４の燃焼システム４と同じであるが、窒素分離により得られた二酸化炭素と水蒸気を含むガスが排出ガス供給部１９によってバイオガスに混合され、混合ガスを被処理ガスとして、分離部１４の供給側（処理室１１）に供給する構成である。これにより、排出ガス中の二酸化炭素は、分離部３４の分離膜３３を選択透過し、更に分離部１４の分離膜１３を選択透過して、処理室１２内において第２分離ガスとして回収される。回収された二酸化炭素ガスは、水蒸気が除去された後、高純度の二酸化炭素ガスとして各種産業利用が可能となる。
　図６に示す燃焼システムは、図４の構成において、スイープガスが供給される分離部１４の処理室１２と分離部３４の処理室３２を共通にしたものである。分離部１４及び３４に代えて、分離部３５が設けられている。分離部３５は、分離膜１３及び３３によって３つの処理室に分けられている。分離膜１３により隔てられた処理室３６には、バイオガスと水蒸気供給部１７から供給される水蒸気との混合ガスが、被処理ガスとして供給される。分離膜３３により隔てられた処理室３８には、メタン燃焼後の排出ガスに水蒸気供給部１７から供給される水蒸気を混合した混合ガスが供給される。分離膜１３と分離膜３３の双方に隔てられた処理室３７には、スイープガスとしての水蒸気ガスが供給され、バイオガスに含まれる二酸化炭素ガスを分離膜１３を介して処理室３６から処理室３７内に選択透過させ、且つ、排出ガス中の二酸化炭素ガスを分離膜３３を介して処理室３８から処理室３７内に選択透過させる。この構成により、排出ガス中の二酸化炭素、及び、バイオガス中の二酸化炭素は、共に処理室３７において回収され、高純度の二酸化炭素ガスとして再利用されることができる。
　このように、図２～図６に示す燃焼システムでは、燃焼部１５において、メタンの燃焼反応によって生成された排出ガス中の水蒸気ガス又は二酸化炭素ガスの再利用が可能である。
　特に、図４～図６に示す燃焼システムでは、燃焼により生じた二酸化炭素ガスは分離膜１３又は３３を介して回収され、二酸化炭素を外部環境に放出しない構成とすることができ、環境負荷を低減することが可能となる。
　以下に、分離膜１３（３３）の構成、及び製造方法を具体的に説明する。
　〈膜構造〉
　分離膜１３及び３３は、ＣＯ２促進輸送膜であり、前述の通り、ゲル膜中にＣＯ２と選択的に反応するキャリアを含有させた構造になっている。ＣＯ２キャリアとしては、例えば、炭酸セシウム若しくは重炭酸セシウム、又は、炭酸ルビジウム若しくは重炭酸ルビジウム等のアルカリ金属の炭酸化物又は重炭酸化物が挙げられる。同様に、水酸化セシウム又は水酸化ルビジウム等のアルカリ金属の水酸化物も、二酸化炭素と反応して炭酸化物や重炭酸化物が生成されるため、等価物といえる。他には、２，３‐ジアミノプロピオン酸塩（ＤＡＰＡ）、グリシンといったアミノ酸が、高いＣＯ２選択透過性能を示すことが知られている。
　より具体的に、ＣＯ２促進輸送膜は、上記のキャリアをゲル膜内に含んで構成されたゲル層を、親水性又は疎水性の多孔膜に担持させてなるものとすることができる。ゲル膜を構成する膜材料としては、例として、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）膜、又は、ポリビニルアルコール－ポリアクリル酸（ＰＶＡ／ＰＡＡ）塩共重合体膜が挙げられる。ここで、当業者において、ポリビニルアルコール－ポリアクリル酸塩共重合体は、ポリビニルアルコール－ポリアクリル酸共重合体と呼ばれることもある。
　上記構成のＣＯ２促進輸送膜は、高いＣＯ２選択透過性能を示すことが知られている。
　もっとも、かかるＣＯ２促進輸送膜は、膜内に水分が無い場合には二酸化炭素の透過速度は非常に小さく、高い透過速度を得るには膜内の水分が不可欠となる。このため、ゲル膜は、ハイドロゲル膜であることが好ましい。ゲル膜を保水性の高いハイドロゲル膜で構成することにより、ゲル膜内の水分が少なくなる環境下（例えば、１００℃以上の高温）においても、可能な限り膜内に水分を保持することが可能となり、高いＣＯ２パーミアンスを実現できる。上述の例において、ポリビニルアルコール－ポリアクリル酸（ＰＶＡ／ＰＡＡ）塩共重合体膜およびポリアクリル酸膜は、ハイドロゲル膜である。
　なお、ハイドロゲルは、親水性ポリマーが化学架橋又は物理架橋により架橋することで形成された三次元網目構造物であり、水を吸収することで膨潤する性質を有する。
　さらに、ＣＯ２キャリアとＣＯ２との反応を速める触媒が膜内に含有されていても良い。そのような触媒として、炭酸脱水酵素やオキソ酸化合物を含むことが好ましく、特に、第１４族元素、第１５族元素、及び、第１６族元素の中から選択される少なくとも１つの元素のオキソ酸化合物を含んで構成されることが好ましい。或いは、当該触媒は、亜テルル酸化合物、亜セレン酸化合物、亜ヒ酸化合物、及び、オルトケイ酸化合物の内の少なくとも何れか１つを含んで構成されることが好ましい。
　本実施形態において、ＣＯ２促進輸送膜１３（３３）は、二酸化炭素キャリアを含有するハイドロゲルで構成されたゲル膜と、それを担持する多孔膜で構成される。なお、ＣＯ２促進輸送膜の膜構造としては、この具体例に限られるものではなく、例えば円筒形状の多孔質支持体の外周側面或いは内周側面にキャリアを含んだゲル膜を形成したものであっても構わない。
　〈膜の製造方法〉
　以下に、ＣＯ２促進輸送膜（分離膜１３及び３３）の製造方法について説明する。
　先ず、ＰＶＡ／ＰＡＡ塩共重合体とＣＯ２キャリア（ここでは、Ｃｓ２ＣＯ３）とＣＯ２水和反応触媒を含む水溶液からなるキャスト溶液を作製する（工程１）。より詳細には、ポリビニルアルコール－ポリアクリル酸（ＰＶＡ／ＰＡＡ）塩共重合体（例えば、住友精化製のＳＳゲル）を２ｇ、炭酸セシウムを４．６７ｇ、及び、炭酸セシウムに対して０．０２５倍のモル数の亜テルル酸カリウムを、水８０ｇに添加し、溶解するまで攪拌してキャスト溶液を得る。次に、工程１で得たキャスト溶液を、ＰＴＦＥ多孔膜上にアプリケータでキャストする（工程２）。その後、乾燥によりキャスト溶液をゲル化させゲル層を形成する（工程３）。
　〈性能評価結果〉
　以下に、上記の製造方法で製膜されたＣＯ２促進輸送膜について二酸化炭素の選択透過性の評価結果を示す。
　ＣＯ２促進輸送膜を構成するＣＯ２キャリアとして、上記のＣｓ２ＣＯ３を用い、ハイドロゲル膜としてＰＶＡ／ＰＡＡ塩共重合体を主成分とするハイドロゲルにＣＯ２キャリアを添加した膜を、疎水性のＰＴＦＥ多孔膜に担持し、分離膜１３とした。
　なお、下記の評価結果では、評価実験の都合上、ＣＨ４に対するＣＯ２の選択透過性能を評価する代わりに、メタンを窒素で代用し、窒素と二酸化炭素を含む混合ガスに対して、Ｎ２に対するＣＯ２の選択透過性能を評価している。上述の通り、ＣＨ４、及びＮ２はＣＯ２促進輸送膜中のキャリアと反応しないため、ＣＯ２と比較した透過性は共に極めて小さい。実際、上記の分離膜について、ＣＨ４、Ｎ２、及びスチーム（Ｈ２Ｏ）の三成分を含む混合ガスを用いた実験を行ったところ、ＣＨ４パーミアンスのＮ２のパーミアンスに対する比は０．７４であった。そこで、下記のシミュレーション例では、Ｎ２パーミアンスを０．７４倍した値を、その膜の評価条件におけるＣＨ４パーミアンスとして採用する。
　上記の膜について、温度及び供給側（処理室１１側）圧力（全圧）を一定とし、被処理ガス及びスイープガスの相対湿度を変えた３つの条件で分離膜１３の評価を行った結果を示す。
　先ず、被処理ガスは、上記の通り、（メタンに代えて）窒素、二酸化炭素、及び水蒸気を含む混合ガスとした。このとき、処理温度を１１０℃、被処理ガスの全圧を９００ｋＰａで一定とし、処理室１１に供給する水蒸気ガスの分圧を変化させた。一方、水蒸気を考慮しない二酸化炭素と窒素の組成比（分圧比）は、一般的なバイオガスの組成（ＣＯ２：ＣＨ４＝４：６）を考慮し、ＣＯ２：Ｎ２＝４：６を維持するように、窒素及び二酸化炭素の分圧を夫々変化させた。スイープガスは、水蒸気ガス又は水蒸気とＡｒの混合ガスであり、水蒸気ガスの分圧を被処理ガスと同じとし、条件１及び２では、全圧が１００ｋＰａ（大気圧）となるように、スイープガスにＡｒガスを加えた。
　図７に、各評価条件における、温度、被処理ガス及びスイープガスの圧力、組成比（分圧比）、及び相対湿度と、ＣＯ２パーミアンスとＮ２のパーミアンスの評価結果を示す。なお、評価条件１では、Ｎ２パーミアンスが「ＧＣ検出限界以下」とあるのは、分離膜１３を透過した第２分離ガス中のＮ２の濃度が低すぎてガスクロマトグラフィーによるＮ２の検出ができず、パーミアンスを算出できなかったことを意味する。この場合のＮ２パーミアンスは、多くても１．３７×１０－８［ｍｏｌ／ｍ２ｓ・ｋＰａ］と見積られる。
　Ｎ２（ＣＨ４）に対するＣＯ２選択性は、Ｎ２（ＣＨ４）パーミアンスに対するＣＯ２パーミアンスの比として表すことができる。図７より、ＣＯ２促進輸送膜は、５００を超えるＣＯ２／Ｎ２選択性を有していることが分かる。したがって、ＣＯ２／ＣＨ４選択性についても、同程度の選択性能を有している。
　注目すべき点として、評価条件１～３では、相対湿度が高くなるほどＣＯ２パーミアンスは高くなっている。このような湿度依存性は促進輸送膜の特徴であると考えられる。促進輸送膜は、特に高湿度領域において、その他の分離膜（溶解拡散機構の分離膜等）と比較して、非常に高いＣＯ２パーミアンスと選択性を有している。
　〈必要膜面積〉
　上記評価条件１～３の膜性能評価結果をもとに、第１分離ガスの出口（ガス流路２３近傍）側メタン濃度（純度）が９０％以上となるために必要な膜面積を計算した結果を示す。必要膜面積の評価に際し、上記評価条件１又は３における被処理ガス組成、スイープガス組成、及び膜透過性能をシミュレータに代入し、膜面積及びスイープガスの流量を変えながら、メタン濃度（純度）が９０％以上となる最小の膜面積を求めた。ＣＨ４パーミアンスについては、上述の通り、Ｎ２パーミアンスを０．７４倍した値を採用した。ただし、評価条件１では、Ｎ２パーミアンスがＧＣ検出限界以下であるため、評価条件３でのＮ２パーミアンスを０．７４倍した値を評価条件１におけるＣＨ４パーミアンスとして採用した（したがって、実際のＣＨ４パーミアンスはこれよりも低い値と考えられる）。また、処理室１１に供給する被処理ガスの流量（水蒸気を除く）は、３３０Ｎｍ３／ｈに設定した。
　また、ＣＯ２パーミアンスは膜の領域に依らず一定値（図７に示された値）とした。しかしながら、促進輸送膜は供給側（処理室１１側）と透過側（処理室１２側）のＣＯ２分圧差が低いほどＣＯ２パーミアンスが高くなるという特徴がある（例えば、特願２０１５－２２３８９３号参照）。このため、実際は、処理室１１内ＣＯ２分圧の膜上の分布によって、膜の入口側（流路２１の近傍）から膜の出口側（流路２３の近傍）に近づくほどＣＯ２パーミアンスは高くなる。したがって、促進輸送膜を用いる場合、実際に必要な膜面積は、計算された値よりも少なくて済むと考えられる。
　計算の結果、必要な膜面積は、評価条件１の場合５７５ｍ２であり、評価条件３の場合２５０ｍ２となった。比較的大面積はあるが、複数の膜モジュールを組み合わせることで、バイオガス燃焼のための燃焼システムとして十分実現可能である。
　したがって、本発明の燃焼システムに依れば、バイオガスに含まれている二酸化炭素をＣＯ２分離膜を介して除去し、除去後の高純度のメタンガスを燃焼室に供給することで、バイオガスを用いることによる環境メリットを最大限享受した、省エネルギーで、安定した出力を得ることのできる燃焼システムを実現できる。
　〈別実施形態〉
　以下に、別実施形態について説明する。
　〈１〉上記実施形態の燃焼システム１～６では、分離膜（ＣＯ２促進輸送膜）１３、３３を平膜としたが、必ずしもこれに限られるものではなく、円筒形状の多孔膜の内側面又は外側面にキャリアを含むゲル層を担持した曲面形状や、或いは中空糸状の膜であってもよい。同様に、本発明は各処理部内の処理室の配置に依存するものではなく、軸心を共通にする円筒形状の複数の処理室がＣＯ２促進輸送膜又は透過膜で分離された構成や、軸心の延長方向に各処理室が直列的に配置される構成を考えることができる。
　〈２〉また、上記実施形態では、ＣＯ２促進輸送膜の材料としてポリビニルアルコール－ポリアクリル酸塩共重合体により構成されたゲル膜を利用したが、これは一例であり、ＣＯ２選択分離能力を発揮する同様の親水性ポリマーの採用が可能である。また、ＣＯ２キャリアについても、実施形態で挙げた材料に限られず、所望のＣＯ２選択透過性能を有する限り、他の材料膜を採用してよい。
　〈３〉上記実施形態では、スイープガスとして水蒸気を用いているが、分離部１４の処理室１２内、分離部３４の処理室３２内、或いは分離部３５の処理室３７内に流すスイープガスとしては、水蒸気に限られるものではない。例えば、スイープガスは、窒素ガスやアルゴンガス等のガス成分を含んでいてもよい。しかしながら、第２分離ガス中に当該ガス成分が含まれることとなるため、第２分離ガス中の二酸化炭素ガスの再利用を想定する場合、当該ガス成分を分離する工程が別途必要となる。また、図５に示す燃焼システム５では、処理室３２に供給するスイープガスとして、水蒸気以外のガス成分を含んだ混合ガスとすることも可能ではあるが、当該ガス成分がバイオガスに混合され、処理室１１内に循環供給されることとなるため、燃焼部１５より前段において当該ガス成分を除去する工程が必要となる。
　この点で、処理室１２、３２（図４）、３７内に流すスイープガスは、第２分離ガス中の二酸化炭素ガスの再利用を考慮するのであれば、二酸化炭素ガスから容易に分離できるものであることが好ましく、水蒸気ガスが好適である。同様に、図５の処理室３２内に流すスイープガスは、メタンガス及び二酸化炭素ガスから容易に分離できるものであることが好ましく、水蒸気ガスが好適である。処理室１２、３７内の第２分離ガスの一部、処理室３２内の透過ガスの一部、又はメタン燃焼後の排出ガスの一部に水蒸気ガスを混合し、混合ガスをスイープガスとして再利用することも可能である。ただし、混合ガスに二酸化炭素が含まれることになるため、スイープガスの二酸化炭素の分圧が被処理ガスの二酸化炭素分圧よりも低くなるように、水蒸気ガスの混合比率を調整する必要がある。
　〈４〉また、上記実施形態では、燃焼システムの構成例として、図１～６に夫々示す燃焼システム１～６を挙げたが、本発明はこれらの具体的な構成に限られるものではなく、当業者であれば、全体として矛盾しない範囲で、燃焼システム１～６の構成の一部または全部を適宜組み合わせ、別の燃焼システムを構成することが容易に可能である。そのような燃焼システム１～６から示唆される構成も、本明細書中に開示されているといえる。
　本発明は、有機物のメタン発酵によって得られるバイオガスのような、可燃性ガスに二酸化炭素ガスが含まれた混合ガスを燃料として用いる燃焼システムに利用可能であり、分離膜によって二酸化炭素が除去された混合ガスを燃焼室に供給することで、バイオガスを用いることによる環境メリットを最大限享受し、省エネルギーで、安定した出力を得ることのできる燃焼システムとしての利用が可能となる。
　１～６：　燃焼システム
　１４：分離部
　１１：　第１処理室
　１２：　第２処理室
　１３：　分離膜
　１５：　燃焼部
　１６：　水蒸気除去部
　１７：　水蒸気供給部
　１８：　水蒸気分離部
　１９：　排出ガス供給部
　２１～２６：　ガス流路
　３４、３５：　分離部
　３１、３２、３６～３８：　処理室
　３３：　分離膜

Claims (15)

  1. 　メタンを主成分として二酸化炭素を含む混合ガスを成分とする被処理ガスから二酸化炭素を除去し、少なくとも二酸化炭素の含有量が低減された高純度のメタンガスを得る分離部と、メタンガスを燃焼させる燃焼部とを備えた燃焼システムであって、
    　前記分離部が、分離膜によって隔てられた第１処理室と第２処理室を有し、
    　前記分離膜が、前記第１処理室に供給された前記被処理ガス中の二酸化炭素を選択的に前記第２処理室へと透過させ、前記被処理ガスよりメタン純度の高い前記第１処理室内の第１分離ガスと、前記被処理ガス中の二酸化炭素を含む前記第２処理室内の第２分離ガスを得る構成であることを特徴とする燃焼システム。
  2. 　前記分離膜が、二酸化炭素と選択的に反応するキャリアが添加された促進輸送膜であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
  3. 　前記第１処理室に水蒸気を供給する水蒸気供給部を備え、
    　前記水蒸気供給部により供給される水蒸気を含む前記混合ガスが、前記被処理ガスとして、前記第１処理室に供給されることを特徴とする請求項２に記載の燃焼システム。
  4. 　前記水蒸気供給部は、前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された高温の排出ガスとの熱交換により水を加熱して生成された水蒸気を、前記第１処理室に供給することを特徴とする請求項３に記載の燃焼システム。
  5. 　前記水蒸気供給部は、前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された排出ガスに含まれる水蒸気を、前記第１処理室に供給することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃焼システム。
  6. 　前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された二酸化炭素及び水蒸気を含んだ排出ガスの少なくとも一部を前記混合ガスと混合し、前記被処理ガスとして前記第１処理室に供給する排出ガス供給部を更に備えることを特徴とする請求項３～５の何れか一項に記載の燃焼システム。
  7. 　前記第１分離ガスから水蒸気を除去し、水蒸気が除去された前記第１分離ガスを前記燃焼部に供給する水蒸気除去部を更に備えることを特徴とする請求項３～６の何れか一項に記載の燃焼システム。
  8. 　前記水蒸気供給部は、前記水蒸気除去部によって除去された水蒸気を、前記第１処理室に供給することを特徴とする請求項７に記載の燃焼システム。
  9. 　前記第２処理室にスイープガスを供給するスイープガス供給部を備えることを特徴とする請求項２～８の何れか一項に記載の燃焼システム。
  10. 　前記スイープガスが、水蒸気を含み、
    　前記水蒸気供給部が、前記スイープガスに含まれる水蒸気を前記スイープガス供給部に供給することを特徴とする請求項９に記載の燃焼システム。
  11. 　前記第２処理室に水蒸気を含んだスイープガスを供給するスイープガス供給部を備え、
    　前記スイープガス供給部は、前記水蒸気除去部によって除去された水蒸気を含んだ前記スイープガスを、前記第２処理室に供給することを特徴とする請求項７に記載の燃焼システム。
  12. 　前記スイープガス供給部は、前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された高温の排出ガスとの熱交換により水を加熱して生成された水蒸気を、前記第２処理室に供給することを特徴とする請求項９～１１の何れか一項に記載の燃焼システム。
  13. 　前記スイープガス供給部は、前記燃焼部でのメタン燃焼により生成された排出ガスに含まれる水蒸気を、前記第２処理室に供給することを特徴とする請求項９～１２の何れか一項に記載の燃焼システム。
  14. 　前記混合ガスが、有機物のメタン発酵により生成されたバイオガスに由来するガスを含むことを特徴とする請求項１～１３の何れか一項に記載の燃焼システム。
  15. 　前記分離膜が、二酸化炭素と選択的に反応するキャリアが添加された促進輸送膜であり、
    　前記バイオガスに由来するガス中に含まれる硫黄成分を除去する超高次脱硫触媒を用いた脱硫装置を備えることを特徴とする請求項１４に記載の燃焼システム。
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