(57)【要約】【課題】ガス分離膜を透過した被処理ガスに含まれる有効成分を有効に活用可能なＣＯ２分離装置及びＣＯ２分離方法を提供すること。【解決手段】本発明のＣＯ２分離装置は、二酸化炭素と可逆的に反応する物質を含む親水性ポリマーを含有するガス分離膜１２ａにより、被処理ガスＧ１から二酸化炭素を分離して精製ガスを得るガス分離部１２と、ガス分離膜１２ａを透過した可燃性成分を含む透過ガスＧ３を燃焼するガス燃焼部とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素と可逆的に反応する物質を含む親水性ポリマーを含有するガス分離膜により、可燃性成分を含む被処理ガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを得るガス分離部と、
前記ガス分離膜を透過した可燃性成分及び二酸化炭素を含む透過ガスを燃焼するガス燃焼部とを備えたことを特徴とする、ＣＯ２分離装置。
【請求項２】
前記ガス分離部に前記透過ガスを同伴して除去するスイープガスを供給するスイープガス供給部を備えた、請求項１に記載のＣＯ２分離装置。
【請求項３】
前記ガス燃焼部が、水蒸気改質器である、請求項１又は請求項２に記載のＣＯ２分離装置。
【請求項４】
前記ガス燃焼部が、ガスタービンである、請求項１又は請求項２に記載のＣＯ２分離装置。
【請求項５】
前記ガス燃焼部が、ボイラである、請求項１又は請求項２に記載のＣＯ２分離装置。
【請求項６】
前記ガス燃焼部が、鉄鉱石の還元炉に供給する還元ガスの加熱器である、請求項１又は請求項２に記載のＣＯ２分離装置。
【請求項７】
二酸化炭素と可逆的に反応する物質を含む親水性ポリマーを含有するガス分離膜を有するガス分離部で被処理ガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを得る工程と、
前記ガス分離膜を透過した可燃性成分及び二酸化炭素を含む透過ガスを燃焼する工程とを含むことを特徴とする、ＣＯ２分離方法。
【請求項８】
前記ガス分離部に前記透過ガスを同伴して除去するスイープガスを供給する、請求項７に記載のＣＯ２分離方法。
【請求項９】
前記透過ガスを水蒸気改質器の燃料として燃焼する、請求項７又は請求項８に記載のＣＯ２分離方法。
【請求項１０】
前記透過ガスをガスタービンの燃料として燃焼する、請求項７又は請求項８に記載のＣＯ２分離方法。
【請求項１１】
前記透過ガスをボイラの燃料として燃焼する、請求項７又は請求項８に記載のＣＯ２分離方法。
【請求項１２】
前記透過ガスを、鉄鉱石の還元炉に供給する還元性ガスの加熱器の燃料として燃焼する、請求項７又は請求項８に記載のＣＯ２分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２分離装置及びＣＯ２分離方法に関し、例えば、ＣＯ２分離膜を用いたＣＯ２分離装置及びＣＯ２分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、親水性ポリマーを含むガス分離膜を備えた複数のガス分離膜を直列に連結したガス分離装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このガス分離装置においては、調湿装置によってガス分離膜に供給される原料ガスの湿度を事前に調湿する。これにより、ガス分離装置は、ガス分離性能の低下を抑制して効率的にガス分離を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２００７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガス分離膜を用いたガス分離装置においては、ガス分離膜の透過側に分離対象となるガスを同伴するスイープガスを流すことにより、ガス透過速度を向上させることができる。しかしながら、ガス分離膜を用いたガス分離装置では、被処理ガスに含まれる可燃性成分などの有効成分がスイープガスと共にガス分離膜の透過側に透過して損失することがあり、透過側に透過した被処理ガス中の有効成分を有効に活用できていない実情がある。
【０００５】
本発明は、ガス分離膜を透過した被処理ガスに含まれる有効成分を有効に活用できるＣＯ２分離装置及びＣＯ２分離方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のＣＯ２分離装置は、二酸化炭素と可逆的に反応する物質を含む親水性ポリマーを含有するガス分離膜により、可燃性成分を含む被処理ガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを得るガス分離部と、前記ガス分離膜を透過した可燃性成分及び二酸化炭素を含む透過ガスを燃焼するガス燃焼部とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、被処理ガスから二酸化炭素を分離する際にガス分離膜を透過する可燃性成分などの有効成分を含む透過ガスをガス燃焼部で燃焼するので、被処理ガスに含まれる有効成分を燃焼用ガスとして有効に活用することができる。この有効成分の燃焼用ガスとしての活用により、ＣＯ２分離装置は、ガス燃焼部の燃焼熱量が上昇するので、ガス燃焼部に供給する燃料の削減することができる。また、可燃性ガスを含む透過ガスをガス燃焼部で燃焼させるので、透過ガスをフレアスタックなどで無害化する必要がなくなり、コストダウンを図ることもできる。
【０００８】
本発明のＣＯ２分離装置においては、前記ガス分離部に前記透過ガスを同伴して除去するスイープガスを供給するスイープガス供給部を備えたことが好ましい。この構成により、ガス分離部を透過した透過ガスがスイープガスに同伴されて排出されるので、被処理ガスから二酸化炭素を効率良く除去することが可能となる。
【０００９】
本発明のＣＯ２分離装置においては、前記ガス燃焼部が、水蒸気改質器であることが好ましい。この構成により、ＣＯ２分離装置は、透過ガスに含まれる可燃性成分を含む透過ガスを水蒸気改質の燃料として有効活用することができる。
【００１０】
本発明のＣＯ２分離装置においては、前記ガス燃焼部が、ガスタービンであることが好ましい。この構成により、ＣＯ２分離装置は、透過ガスに含まれる可燃性成分をガスタービンによる発電の燃料として有効活用することができる。
【００１１】
本発明のＣＯ２分離装置においては、前記ガス燃焼部が、ボイラであることが好ましい。この構成により、ＣＯ２分離装置は、可燃性成分を含む透過ガスをボイラの燃料として有効活用することができる。
【００１２】
本発明のＣＯ２分離装置においては、前記ガス燃焼部が、鉄鉱石の還元炉に供給する還元ガスの加熱器であることが好ましい。この構成により、ＣＯ２分離装置は、可燃性成分を含む透過ガスを還元ガスの生成の燃料ガスとして有効活用することができる。
【００１３】
本発明のＣＯ２分離方法は、二酸化炭素と可逆的に反応する物質を含む親水性ポリマーを含有するガス分離膜を有するガス分離部で被処理ガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを得る工程と、前記ガス分離膜を透過した可燃性成分及び二酸化炭素を含む透過ガスを燃焼する工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
この方法によれば、被処理ガスから二酸化炭素を分離する際にガス分離膜を透過する可燃性成分などの有効成分を含む透過ガスをガス燃焼部で燃焼するので、被処理ガスに含まれる有効成分を燃焼用ガスとして有効に活用することができる。この有効成分の燃焼用ガスとしての活用により、ＣＯ２分離装置は、ガス燃焼部の燃焼熱量が上昇するので、ガス燃焼部に供給する燃料を削減することができる。また、可燃性ガスを含む透過ガスをガス燃焼部で燃焼させるので、透過ガスをフレアスタックなどで無害化する必要がなくなり、コストダウンを図ることもできる。
【００１５】
本発明のＣＯ２分離方法においては、前記ガス分離部に前記透過ガスを同伴して除去するスイープガスを供給することが好ましい。この方法により、ガス分離部を透過した透過ガスがスイープガスに同伴されて排出されるので、被処理ガスから二酸化炭素を効率良く除去することが可能となる。
【００１６】
本発明のＣＯ２分離方法においては、前記透過ガスを水蒸気改質器の燃料として燃焼することが好ましい。この方法により、ＣＯ２分離方法は、透過ガスに含まれる可燃性成分を含む透過ガスを水蒸気改質の燃料として有効活用することができる。
【００１７】
本発明のＣＯ２分離方法においては、前記透過ガスをガスタービンの燃料として燃焼することが好ましい。この方法により、ＣＯ２分離方法は、透過ガスに含まれる可燃性成分をガスタービンによる発電の燃料として有効活用することができる。
【００１８】
本発明のＣＯ２分離方法においては、前記透過ガスをボイラの燃料として燃焼することが好ましい。この方法により、ＣＯ２分離方法は、可燃性成分を含む透過ガスをボイラの燃料として有効活用することができる。
【００１９】
本発明のＣＯ２分離方法においては、前記透過ガスを、鉄鉱石の還元炉に供給する還元性ガスの加熱器の燃料として燃焼することが好ましい。この方法により、ＣＯ２分離方法は、可燃性成分を含む透過ガスを還元ガスの生成の燃料ガスとして有効活用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ガス分離膜を透過した被処理ガスに含まれる有効成分を有効に活用できるＣＯ２分離装置及びＣＯ２分離方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るＣＯ２分離装置の模式図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る他のＣＯ２分離装置の模式図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＯ２分離装置の模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るＣＯ２分離装置の模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る他のＣＯ２分離装置の模式図である。
【図４】図４は、本発明の第４の実施の形態に係るＣＯ２分離装置の模式図である。
【図５】図５は、本発明の第５の実施の形態に係るＣＯ２分離装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明者らは、二酸化炭素と可逆的に反応する反応性物質を含む親水性ポリマーを含有するガス分離膜においては、被処理ガスに含まれる可燃性成分などの有効成分がガス分離膜の透過側に透過して損失することに着目した。そして、本発明者らは、ガス分離膜の透過側に透過した可燃性成分などの有効成分を含む透過ガスをガス燃焼部で燃焼させることにより、ガス分離膜を透過した透過ガスに含まれる有効成分を有効に活用できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２３】
以下、本発明の各実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。また、以下の各実施の形態は、適宜組み合わせて実施可能である。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るＣＯ２分離装置１Ａの模式図である。図１Ａに示すように、ＣＯ２分離装置１Ａは、空気と共に燃料Ｆを燃焼させて天然ガスなどの被処理ガスＧ１を改質処理して改質ガスＧ２を得る水蒸気改質部１１と、水蒸気改質部１１の後段に設けられ、改質ガスＧ２に含まれる二酸化炭素を透過ガスＧ３として分離するガス分離部１２と、ガス分離部１２にスイープガスＧ４を供給するスイープガス供給部１３とを備える。なお、スイープガス供給部１３は、ガス分離部１２で改質ガスＧ２に含まれる二酸化炭素を透過ガスＧ３として分離できれば必ずしも設ける必要はない。水蒸気改質部１１の前段には、熱交換器１４が設けられている。水蒸気改質部１１とガス分離部１２との間には、熱交換器１５が設けられている。被処理ガスＧ１としては、可燃性成分を含有するものであれば特に制限はなく、例えば、天然ガス、合成ガス、化学プラント及び製鉄プラントなどのプロセスガスなどが用いられる。透過ガスＧ３は、二酸化炭素を主成分とし、ガス分離膜１２ａを透過した被処理ガスＧ１中の水素、一酸化炭素、及びメタンなどの可燃性成分を有効成分として含有するが、スイープガスを使用した場合はスイープガスが主成分となりうる。
【００２５】
熱交換器１４は、加熱水蒸気Ｓと共に供給される被処理ガスＧ１を、水蒸気改質部１１から排出される燃焼排ガスＧ５との間の熱交換により加温する。熱交換器１４は、熱交換後の被処理ガスＧ１を水蒸気改質部１１に供給する。
【００２６】
水蒸気改質部１１は、加熱水蒸気Ｓと共に熱交換器１４で加温された被処理ガスＧ１が供給され、供給された被処理ガスＧ１に含まれるメタン（ＣＨ４）を下記式（１）及び式（２）に示すように水素（Ｈ２）及び二酸化炭素（ＣＯ２）又は一酸化炭素ＣＯに改質する。また、水蒸気改質部１１は、改質したメタンを含有する改質ガスＧ２を熱交換器１５に供給し、改質によって生じた二酸化炭素などの燃焼排ガスＧ５を熱交換器１４に供給する。
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２  ・・・・・・式（１）
ＣＨ４＋  Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ   ・・・・・・式（２）
【００２７】
ガス分離部１２は、二酸化炭素と可逆的に反応する反応性物質を含む親水性ポリマーを含有するガス分離膜１２ａを備える。ガス分離膜１２ａは、改質ガスＧ２中に含まれる二酸化炭素と反応する反応性物質を含有するので、被処理ガスＧ１中の二酸化炭素を選択的に透過することができる。また、ガス分離膜１２ａは、親水性ポリマーを含有するので、水分を含有する改質ガスＧ２中の二酸化炭素と反応性物質とを効率良く反応させて、二酸化炭素を選択的に透過することができる。
【００２８】
ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａによって熱交換器１５で冷却された改質ガスＧ２から水素、一酸化炭素、メタンなどの可燃性成分を含む二酸化炭素を透過ガスＧ３として分離する。ここでは、ガス分離部１２は、必要に応じて、スイープガス供給部１３からスイープガスＧ４に同伴して透過ガスＧ３を排出して分離してもよい。ガス分離部１２は、透過ガスＧ３を分離した精製ガスＧ６をガス分離部１２の外部に排出する。また、ガス分離部１２は、透過ガスＧ３を空気と共に熱交換器１４に供給する。
【００２９】
ガス分離膜１２ａの親水性ポリマーとしては、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）−ＰＡＡ（ポリアクリル酸）共重合体と、二酸化炭素と可逆的に反応する反応性物質とを有するものが好ましい。反応性物質とは、例えば、下記式（３）で表される反応を生起させ得る物質をいう。反応性物質としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属の炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩又はアルカリ金属水酸化物が好ましく、アルカリ金属炭酸塩がより好ましい。これらの中でも炭酸ルビジウム又は炭酸セシウムが好ましく、炭酸セシウムがより好ましい。
ＣＯ２＋ＣＯ３２−＋Ｈ２Ｏ→２ＨＣＯ３−  ・・・・・・式（３）
【００３０】
ガス分離膜１２ａとしては、例えば、特開２０１４−２００７６７号公報に記載された構成を有するものを用いることができる。
【００３１】
スイープガス供給部１３は、ガス分離部１２にスイープガスＧ４を供給する。スイープガスＧ４としては、二酸化炭素を含有しないものであれば特に制限はなく、例えば、空気、酸素、水蒸気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどを用いることができる。これらの中でも、透過ガスＧ３の燃焼性を妨げない観点から、空気及び酸素が好ましく、コスト削減の観点から、空気が更に好ましい。
【００３２】
熱交換器１５は、水蒸気改質部１１から排出された高温の改質ガスＧ２と透過ガスＧ３との間の熱交換により、改質ガスＧ２を冷却して透過ガスＧ３を加温する。また、熱交換器１５は、加温した透過ガスＧ３を水蒸気改質部１１に供給する。このように可燃性成分を含む透過ガスＧ３を水蒸気改質部１１に供給することにより、改質ガスＧ２に含まれていた水素、一酸化炭素及びメタンなどの可燃性成分を、水蒸気改質部１１の水蒸気改質に用いる燃焼用ガスとして有効に活用することができる。
【００３３】
次に、ＣＯ２分離装置１Ａの全体動作について説明する。被処理ガスＧ１は、加熱水蒸気Ｓと共に熱交換器１４に導入される。熱交換器１４に導入された被処理ガスＧ１は、水蒸気改質部１１から排出された燃焼排ガスＧ５との間での熱交換によって加熱されて水蒸気改質部１１に供給される。水蒸気改質部１１に供給された被処理ガスＧ１は、水蒸気改質部１１で水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び少量のメタンを含有する改質ガスＧ２に改質される。この改質ガスＧ２は、熱交換器１５によって透過ガスＧ３との間での熱交換により冷却されてガス分離部１２に供給される。ガス分離部１２に供給された改質ガスＧ２は、改質ガスＧ２に含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）が、少量の水素、一酸化炭素及びメタンなどの可燃成分と共に透過ガスＧ３として分離される。なお、一酸化炭素はＣＯシフト反応を用いて二酸化炭素と水素に変換した上で二酸化炭素を分離しても良い。ここでは、スイープガスＧ４を用いることにより、改質ガスＧ２から透過ガスＧ３を効率良く分離することができる。ガス分離部１２で分離された透過ガスＧ３は、熱交換器１５で予熱された後、水蒸気改質部１１に供給されて空気及び燃料Ｆと共に燃焼されて被処理ガスＧ１の改質に有効活用される。二酸化炭素が分離された改質ガスＧ２は、精製ガスＧ６としてガス分離部１２の外部に排出される。
【００３４】
なお、図１Ａに示したＣＯ２分離装置１Ａの構成は適宜変更可能である。図１Ｂは、第１の実施の形態に係る他のＣＯ２分離装置１Ｂの模式図である。図１Ｂに示すＣＯ２分離装置１Ｂでは、熱交換器１５が、スイープガスＧ４と改質ガスＧ２との間の熱交換により、改質ガスＧ２を冷却してスイープガスＧ４を加温する。加温されたスイープガスＧ４は、改質ガスＧ２から分離された二酸化炭素及び少量の可燃性成分を含む透過ガスＧ３を同伴して除去する。このような構成により、透過ガスＧ３の分離に用いるスイープガスＧ４を予め加温することができるので、ガス分離膜１２ａに含まれる反応性物質と二酸化炭素との反応が促進されて、ガス分離膜１２ａによる二酸化炭素の分離効率が更に向上する。その他については、図１Ａに示したＣＯ２分離装置１Ａと同様であるので、説明を省略する。
【００３５】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、改質ガスＧ２をガス分離膜１２ａで分離して得らえる可燃性成分などの有効成分を含む透過ガスＧ３を水蒸気改質部１１で燃焼するので、改質ガスＧ２に含まれる有効成分を燃焼用ガスとして有効に活用することができる。このように有効成分を燃焼用ガスとして活用することにより、水蒸気改質部１１の燃焼熱量が上昇するので、水蒸気改質部１１に供給する燃料Ｆを削減することができる。また、可燃性成分を含む透過ガスＧ３を水蒸気改質部１１で燃焼させるので、透過ガスＧ３をフレアスタックなどで無害化する必要がなくなり、コストダウンを図ることもできる。
【００３６】
また、ガス分離部１２を透過した透過ガスＧ３が、スイープガス供給部１３から供給されるスイープガスＧ４に同伴されて排出されるので、改質ガスＧ２から二酸化炭素を効率良く除去して二酸化炭素回収率が向上する。これにより、スイープガスＧ４を用いない場合と比較したシミュレーションでは、スイープガスＧ４を用いることにより、二酸化炭素の回収率を１０％以上向上できると共に、透過ガスＧ３の燃焼により水蒸気改質部１１での改質に必要な熱量の約１％を補うことができることが確認されている。さらに、スイープガスＧ４として空気を用いることにより、スチーム、アルゴン、ヘリウムなどを用いる場合に対して、コストダウンを図ることができる。さらに、スイープガスＧ４に微量透過した水素、一酸化炭素及びメタンなどの可燃性成分を大気に放出する前に燃焼用ガスとして燃焼させるので、スイープガスＧ４を二酸化炭素分離プロセスが存在するガスプラント中の改質器（リフォーマー）、ガスタービン、ボイラ及び製鉄プラントの加熱炉などでは、有害成分となる可燃性成分を燃焼用ガスとして利用しつつ無害化することができと共に、燃焼熱を得ることもできる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の各実施の形態においては、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。また、上述した第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付している。
【００３８】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＯ２分離装置２の模式図である。図２に示すように、本実施の形態に係るＣＯ２分離装置２は、被処理ガスＧ１が供給されたガス分離部１２と、ガス分離部１２の後段に設けられたガスタービン２０と、ガス分離部１２にスイープガスＧ４を供給するスイープガス供給部１３とを備える。
【００３９】
ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａにより被処理ガスＧ１に含まれる二酸化炭素を分離して精製ガスＧ６を得る。また、ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａを透過した二酸化炭素を含む透過ガスＧ３をスイープガスＧ４に同伴させて分離してガスタービン２０に供給する。
【００４０】
スイープガス供給部１３は、スイープガスＧ４をガス分離部１２のガス分離膜１２ａの透過側に供給する。これにより、ガス分離部１２は、被処理ガスＧ１から分離された二酸化炭素をスイープガスＧ４に同伴させて透過ガスＧ３として除去することができるので、被処理ガスＧ１中から効率良く二酸化炭素を分離することができる。
【００４１】
ガスタービン２０は、圧縮器２１ａと、タービン２１ｂと、圧縮器２１ａとタービン２１ｂとを連結するタービン軸２１ｃと、燃焼器２２とを備える。タービン２１ｂには、発電機２３が連結されている。圧縮器２１ａは、ガス分離部１２から供給される透過ガスＧ３を空気と共に圧縮して燃焼器２２に供給する。燃焼器２２は、圧縮された透過ガスＧ３と燃料Ｆとの混合気を燃焼して燃焼排ガスＧ５を生成し、生成した燃焼排ガスＧ５をタービン２１ｂに供給する。タービン２１ｂに供給された燃焼排ガスＧ５は、発電機２３を回転駆動させて後に排出される。この燃焼排ガスＧ５により、タービン２１ｂは、回転駆動されて発電機２３を回転させて発電する。
【００４２】
次に、ＣＯ２分離装置２の全体動作について説明する。ガス分離部１２に導入された被処理ガスＧ１は、ガス分離膜１２ａで二酸化炭素が除去された精製ガスＧ６と二酸化炭素を含有する透過ガスＧ３とに分離される。ガス分離部１２で分離された透過ガスＧ３は、空気と共にガスタービン２０に供給されて圧縮器２１ａで圧縮空気とされた後、燃焼器２２で燃料と共に燃焼されて燃焼排ガスＧ５となる。燃焼排ガスＧ５は、タービン２１ｂを回転駆動した後に排出される。
【００４３】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、被処理ガスＧ１をガス分離膜１２ａで分離して得らえる少量の可燃性成分などの有効成分を含む透過ガスＧ３を、ガスタービン２０の燃焼器２２で燃焼するので、被処理ガスＧ１に含まれる有効成分を燃焼用ガスとして有効に活用することができる。この可燃性成分の燃焼用ガスとしての活用により、燃焼器２２の燃焼熱量が上昇するので、燃焼器２２に供給する燃料Ｆを削減することができる。また、可燃性成分を含む透過ガスＧ３を燃焼器２２で燃焼させるので、透過ガスＧ３をフレアスタックなどで無害化する必要がなくなり、コストダウンを図ることもできる。
【００４４】
（第３の実施の形態）
図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るＣＯ２分離装置３の模式図である。図３Ａに示すように、本実施の形態に係るＣＯ２分離装置３Ａは、被処理ガスＧ１が供給されたガス分離部１２と、ガス分離部１２の後段に設けられたボイラ３０と、ガス分離部１２にスイープガスＧ４を供給するスイープガス供給部１３とを備える。ガス分離部１２とボイラ３０との間には、熱交換器３１が設けられている。
【００４５】
ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａにより被処理ガスＧ１に含まれる二酸化炭素を分離して精製ガスＧ６を得る。また、ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａを透過した二酸化炭素を含む透過ガスＧ３をスイープガスＧ４に同伴させて分離して熱交換器３１に供給する。
【００４６】
スイープガス供給部１３は、スイープガスＧ４をガス分離部１２のガス分離膜１２ａの透過側に供給する。これにより、ガス分離部１２は、被処理ガスＧ１から分離された二酸化炭素をスイープガスＧ４に同伴させて透過ガスＧ３として除去することができるので、被処理ガスＧ１中から効率良く二酸化炭素を分離することができる。
【００４７】
熱交換器３１は、ガス分離部１２から供給される透過ガスＧ３を、ボイラ３０から排出される燃焼排ガスＧ５との間で熱交換して加温する。また、熱交換器３１は、加温した透過ガスＧ３をボイラ３０に供給する。
【００４８】
ボイラ３０は、空気及び燃料Ｆと共に熱交換器３１から供給された透過ガスＧ３を燃焼して燃焼排ガスＧ５を発生し、発生した燃焼排ガスＧ５を熱交換器３１に供給する。
【００４９】
なお、図３Ａに示したＣＯ２分離装置３Ａの構成は適宜変更可能である。図３Ｂは、第３の実施の形態に係るＣＯ２分離装置３Ｂの模式図である。図３Ｂに示すＣＯ２分離装置３Ｂでは、スイープガス供給部１３から熱交換器３１にスイープガスＧ４が供給される。熱交換器３１は、スイープガスＧ４と燃焼排ガスＧ５との間の熱交換により、燃焼排ガスＧ５を冷却すると共に、スイープガスＧ４を加温する。加温されたスイープガスＧ４は、被処理ガスＧ１から分離された二酸化炭素及び少量の可燃性成分を含む透過ガスＧ３を同伴して除去する。このような構成により、透過ガスＧ３の分離に用いるスイープガスＧ４を予め加温することができるので、二酸化炭素とガス分離膜１２ａに含まれる反応性物質との反応が促進され、ガス分離膜１２ａによる二酸化炭素の分離効率が更に向上する。その他については、図３Ａに示したＣＯ２分離装置３Ａと同様であるので、説明を省略する。
【００５０】
次に、ＣＯ２分離装置３Ａの全体動作について説明する。ガス分離部１２に導入された被処理ガスＧ１は、ガス分離膜１２ａで二酸化炭素が分離された精製ガスＧ６と二酸化炭素を含有する透過ガスＧ３とに分離される。ガス分離部１２で分離された透過ガスＧ３は、熱交換器３１で燃焼排ガスＧ５との間の熱交換により加熱された後、燃料Ｆ及び空気と共にボイラ３０で燃焼されて燃焼排ガスＧ５となる。燃焼排ガスＧ５は、熱交換器３１に供給された後に排出される。
【００５１】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、被処理ガスＧ１をガス分離膜１２ａで分離した際に得らえる少量の可燃性成分などの有効成分を含む透過ガスＧ３を、ボイラ３０で燃焼するので、被処理ガスＧ１に含まれる有効成分を燃焼性ガスとして有効に活用することができる。この可燃性成分の有効活用により、燃焼器２２の燃焼熱量が上昇するので、ボイラ３０に供給する燃料Ｆを削減することができる。また、可燃性ガスを含む透過ガスＧ３をボイラ３０で燃焼させるので、透過ガスＧ３をフレアスタックなどで無害化する必要がなくなり、コストダウンを図ることもできる。
【００５２】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係るＣＯ２分離装置４の模式図である。図４に示すように、本実施の形態に係るＣＯ２分離装置４は、被処理ガスＧ９が供給されたガス分離部１２と、ガス分離部１２の後段に設けられ、水素及び一酸化炭素などを含む還元性ガスＧ７が供給される製鉄部４０と、ガス分離部１２にスイープガスＧ４を供給するスイープガス供給部１３とを備える。製鉄部４０は、加熱器４１と、加熱器４１の後段に設けられた還元炉４２と、還元炉４２の後段に設けられたスクラバ４３とを備える。
【００５３】
ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａにより被処理ガスＧ９に含まれる二酸化炭素を分離して還元性ガスＧ１０を得る。これにより被処理ガスＧ９中の還元性ガス（一酸化炭素、水素）を有効に利用できる。また、ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａを透過した二酸化炭素を含む透過ガスＧ３をスイープガスＧ４に同伴させて分離して製鉄部４０の加熱器４１に供給する。また、ガス分離部１２は、二酸化炭素が分離された被処理ガスＧ９を水素及び一酸化炭素を主成分とする還元性ガスＧ１０として還元性ガスＧ７と混合し、混合ガスＧ８として製鉄部４０の還元炉４２に供給する。
【００５４】
加熱器４１は、ガス分離部１２から供給される透過ガスＧ３と空気及び燃料Ｆとを混合して燃焼させて燃焼熱を発生する。また、加熱器４１は、発生した燃焼熱によって還元性ガスＧ７とガス分離部１２から供給される還元性ガスＧ１０とを混合した混合ガスＧ８を加熱する。加熱器４１は、過熱した混合ガスＧ８を還元炉４２に供給する。
【００５５】
還元炉４２は、加熱器４１から供給された混合ガスＧ８を用いて鉄鉱石を還元して鉄を得る。また、還元炉４２は、鉄鉱石の還元に用いられた混合ガスＧ８を被処理ガスＧ９として排出してスクラバ４３に供給する。スクラバ４３は、被処理ガスＧ９に含まれる不純物を洗浄し、洗浄した被処理ガスＧ９をガス分離部１２に供給する。
【００５６】
スイープガス供給部１３は、スイープガスＧ４をガス分離部１２のガス分離膜１２ａの透過側に供給する。これにより、ガス分離部１２は、被処理ガスＧ９から分離された二酸化炭素をスイープガスＧ４に同伴させて透過ガスＧ３として除去することができるので、被処理ガスＧ１中から効率良く二酸化炭素を分離することができる。
【００５７】
次に、ＣＯ２分離装置４の全体動作について説明する。ガス分離部１２に導入された被処理ガスＧ９は、ガス分離膜１２ａで還元性ガスＧ１０と二酸化炭素を含有する透過ガスＧ３とに分離される。ガス分離部１２で分離された透過ガスＧ３は、空気と共に加熱器４１に供給されて空気及び燃料Ｆと共に燃焼される。ガス分離部１２で分離された還元性ガスＧ１０は、還元性ガスＧ７と共に所定温度に加熱された混合ガスＧ８として加熱器４１に供給される。加熱器４１に供給された混合ガスＧ８は、鉄鉱石の鉄への還元に用いられた後、被処理ガスＧ９としてスクラバ４３に供給される。スクラバ４３に供給された被処理ガスＧ９は、不純物が除去された後、ガス分離部１２に供給される。
【００５８】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、被処理ガスＧ９をガス分離膜１２ａで分離した際に得らえる少量の可燃性成分などの有効成分を含む透過ガスＧ３を、加熱器４１で燃焼するので、被処理ガスＧ９に含まれる有効成分を燃焼用ガスとして有効に活用することができる。この燃焼用ガスの活用により、加熱器４１の燃焼熱量が上昇するので、加熱器４１に供給する燃料Ｆを削減することができる。また、可燃性ガスを含む透過ガスＧ３を加熱器４１で燃焼させるので、透過ガスＧ３をフレアスタックなどで無害化する必要がなくなり、コストダウンを図ることもできる。
【００５９】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態に係るＣＯ２分離装置５の模式図である。図５に示すように、本実施の形態に係るＣＯ２分離装置５は、空気と共に燃料Ｆを燃焼させて天然ガスなどの被処理ガスＧ１を改質して水素、一酸化炭素及び二酸化炭素などを含む改質ガスＧ２を得る水蒸気改質部１１と、水蒸気改質部１１の後段に設けられ、改質ガスＧ２が供給される製鉄部４０と、製鉄部４０から供給される被処理ガスＧ９に含まれる二酸化炭素及び少量の水素、一酸化炭素、二酸化炭素及びメタンなどの有効成分を透過ガスＧ３として分離するガス分離部１２と、ガス分離部１２にスイープガスＧ４を供給するスイープガス供給部１３とを備える。製鉄部４０は、水蒸気改質部１１の後段に設けられた加熱器４１と、加熱器４１の後段に設けられた還元炉４２と、還元炉４２の後段に設けられたスクラバ４３とを備える。水蒸気改質部１１と製鉄部４０との間には、改質ガスＧ２を冷却する熱交換器４４と、冷却した改質ガスＧ２から凝集した凝集水を分離する水分分離部４５がこの順に設けられている。
【００６０】
水蒸気改質部１１は、上述した第１の実施の形態と同様に、加熱水蒸気Ｓと共に被処理ガスＧ１が供給され、供給された被処理ガスＧ１に含まれるメタンを水素に改質する。水蒸気改質部１１は、ガス分離部１２から供給される透過ガスＧ３を可燃性ガスとして空気及び燃料と共に燃焼して被処理ガスＧ１を改質する。また、水蒸気改質部１１は、改質したメタンを含有する改質ガスＧ２を熱交換器４４に供給する。熱交換器４４は、高温の改質ガスＧ２を所定温度に冷却して水分分離部４５に供給する。水分分離部４５は、改質ガスＧ２に含まれる水分を凝集して凝集水Ｗとして分離する。
【００６１】
加熱器４１は、水分分離部４５から供給される改質ガスＧ２とガス分離部１２から供給される還元性ガスＧ１０とを混合した混合ガスＧ８を、空気と共に燃料Ｆを燃焼させた燃焼熱によって加熱する。加熱器４１は、加熱した混合ガスＧ８を還元炉４２に供給する。
【００６２】
還元炉４２は、加熱器４１から供給された混合ガスＧ８を用いて鉄鉱石を還元して鉄を得る。また、還元炉４２は、鉄鉱石の還元に用いられた混合ガスＧ８を被処理ガスＧ９として排出してスクラバ４３に供給する。スクラバ４３は、被処理ガスＧ９に含まれる不純物を洗浄し、洗浄した被処理ガスＧ９をガス分離部１２に供給する。
【００６３】
ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａにより被処理ガスＧ９に含まれる二酸化炭素を分離して水素及び一酸化炭素を主成分とする還元性ガスＧ１０を得る。また、ガス分離部１２は、還元性ガスＧ１０を製鉄部４０の還元炉４２に供給する。ガス分離部１２は、ガス分離膜１２ａを透過した二酸化炭素を含む透過ガスＧ３をスイープガスＧ４に同伴させて分離して水蒸気改質部１１に供給する。
【００６４】
スイープガス供給部１３は、スイープガスＧ４をガス分離部１２のガス分離膜１２ａの透過側に供給する。これにより、ガス分離部１２は、被処理ガスＧ９から分離された二酸化炭素をスイープガスＧ４に同伴させて透過ガスＧ３として除去することができるので、被処理ガスＧ１中から効率良く二酸化炭素を分離することができる。
【００６５】
次に、ＣＯ２分離装置５の全体動作について説明する。加熱水蒸気Ｓと共に水蒸気改質部１１に供給された被処理ガスＧ１は、水蒸気改質部１１で改質された後、改質ガスＧ２として熱交換器４４に供給される。熱交換器４４に供給された改質ガスＧ２は、熱交換器４４で冷却された後、水分分離部４５で水分が凝集水Ｗとして分離された後に、ガス分離部１２より供給される還元性ガスＧ１０と混合され、混合ガスＧ８として加熱器４１に供給される。ガス分離部１２で分離された透過ガスＧ３は、空気と共に水蒸気改質部１１又は加熱器４１に供給されて空気及び燃料Ｆと共に燃焼される。加熱器４１に供給された混合ガスＧ８は、鉄鉱石の鉄への還元に用いられた後、被処理ガスＧ９としてスクラバ４３に供給される。スクラバ４３に供給された被処理ガス９は、不純物が除去された後、ガス分離部１２に供給される。ガス分離部１２に供給された被処理ガスＧ９は、ガス分離膜１２ａにより二酸化炭素を分離されて水素及び一酸化炭素を主成分とする還元性ガスＧ１０となり、水蒸気改質部１１より供給される改質ガスＧ２と混合され、混合ガスＧ８として製鉄部４０の加熱器４１に供給される。また、ガス分離膜１２ａを透過した二酸化炭素を含む透過ガスＧ３はスイープガスＧ４に同伴され、水蒸気改質部１１又は加熱器４１に供給されて燃焼用ガスとして用いられる。
【００６６】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、被処理ガスＧ９をガス分離膜１２ａで分離した際に得らえる少量の可燃性成分などの有効成分を含む透過ガスＧ３を、水蒸気改質部１１又は加熱器４１で燃焼するので、被処理ガスＧ９に含まれる有効成分を燃焼用ガスとして有効に活用することができる。この燃焼用ガスの活用により、水蒸気改質部１１又は加熱器４１の燃焼熱量が上昇するので、水蒸気改質部１１又は加熱器４１に供給する燃料Ｆを削減することができる。また、可燃性ガスを含む透過ガスＧ３を水蒸気改質部１１又は加熱器４１で燃焼させるので、透過ガスＧ３をフレアスタックなどで無害化する必要がなくなり、コストダウンを図ることもできる。
【符号の説明】
【００６７】
１Ａ，１Ｂ，２，３Ａ，３Ｂ，４，５  ＣＯ２分離装置
１１  水蒸気改質部
１２  ガス分離部
１２ａ  ガス分離膜
１３  スイープガス供給部
１４  熱交換器
１５  熱交換器
２０  ガスタービン
２１ａ  圧縮器
２１ｂ  タービン
２１ｃ  タービン軸
２２  燃焼器
２３  発電機
３０  ボイラ
３１  熱交換器
４０  製鉄部
４１  加熱器
４２  還元炉
４３  スクラバ
４４  熱交換器
４５  水分分離部
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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