(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  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、分離部１４で得られた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。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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り、
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、８０℃〜１２０℃の温度範囲内に昇温され、前記第１処理室に供給され、
前記第１分離ガス中の前記メタンガスが、前記燃焼部に供給されることを特徴とする燃焼システム。
【請求項２】
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１に記載の燃焼システム。
【請求項３】
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１又は２に記載の燃焼システム。
【請求項４】
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１〜３の何れか一項に記載の燃焼システム。
【請求項５】
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１〜４の何れか一項に記載の燃焼システム。
【請求項６】
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５に記載の燃焼システム。
【請求項７】
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１〜６の何れか一項に記載の燃焼システム。
【請求項８】
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７に記載の燃焼システム。
【請求項９】
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５に記載の燃焼システム。
【請求項１０】
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７〜９の何れか一項に記載の燃焼システム。
【請求項１１】
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７〜１０の何れか一項に記載の燃焼システム。
【請求項１２】
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１〜１１の何れか一項に記載の燃焼システム。
【請求項１３】
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１２に記載の燃焼システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−２０９７０６号公報
【特許文献２】特開２００２−２７５４８２号公報
【特許文献３】特開２０１２−１３０１１号公報
【特許文献４】特開２０１２−２４２０１１号公報
【特許文献５】特開２０１３−１６３９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【発明の効果】
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】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
【図２】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
【図３】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
【図４】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
【図５】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
【図６】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
【図７】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
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態につき、詳細に説明する。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、水蒸気除去部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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
〈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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
〈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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
〈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。
【００８２】
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）。
【００８３】
〈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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
〈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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
〈別実施形態〉
以下に、別実施形態について説明する。
【００９６】
〈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。
【００９７】
〈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。
【００９８】
〈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。
【００９９】
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。
【０１００】
〈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。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
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。
【符号の説明】
【０１０２】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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