(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素ガスを含有する混合ガスから二酸化炭素ガスを回収する二酸化炭素の回収方法であって、
軸線に沿う方向に延びるとともに外周面に吸込孔部が形成された収集管に、水の供給によって前記混合ガス中の前記二酸化炭素ガスをイオン化して選択的に透過させるガス分離膜である第一のガス分離膜及び第二のガス分離膜が、前記軸線に沿う方向に間隔を空けて、かつ、前記収集管の外周面に巻き付けられるようにして設けられている状態で、
前記第一のガス分離膜の一方の面に前記混合ガスを供給し、前記混合ガスのうち前記第一のガス分離膜で透過された前記二酸化炭素ガスを前記吸込孔部から前記収集管内に回収する一方、
前記混合ガスのうち前記第一のガス分離膜で透過されなかった非透過ガスに水蒸気を供給して加湿非透過ガスとし、
前記第二のガス分離膜の一方の面に前記加湿非透過ガスを供給し、前記第二のガス分離膜で透過された前記二酸化炭素ガスを前記吸込孔部から前記収集管内に回収することを特徴とする二酸化炭素の回収方法。
【請求項２】
前記加湿非透過ガスの相対湿度が５０％以上８０％以下となるように、前記非透過ガスに供給する前記水蒸気の量を調節することを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項３】
前記第一のガス分離膜に供給される前記混合ガスの温度を１００℃以下にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項４】
前記混合ガスに水蒸気を供給して前記混合ガスの相対湿度を５０％以上８０％以下に調節してから、前記第一のガス分離膜に前記混合ガスを供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項５】
前記収集管、前記第一のガス分離膜及び前記第二のガス分離膜は、容器本体内に配置され、
前記第一のガス分離膜に前記混合ガスを供給するときには、前記容器本体における前記第一のガス分離膜よりも上流側の部分を通して前記混合ガスを搬送し、
前記第二のガス分離膜に前記加湿非透過ガスを供給するときには、前記容器本体における前記第一のガス分離膜と前記第二のガス分離膜との間の部分を通して前記加湿非透過ガスを搬送することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の二酸化炭素の回収方法。
【請求項６】
二酸化炭素ガスを含有する混合ガスから二酸化炭素ガスを回収するガス分離膜モジュールであって、
軸線に沿う方向に延びるとともに外周面に吸込孔部が形成された収集管と、
前記収集管に、前記軸線に沿う方向に間隔を空けて、かつ、前記収集管の外周面に巻き付けられるようにして設けられ、水の供給によって前記混合ガス中の前記二酸化炭素ガスをイオン化して選択的に透過させ、前記二酸化炭素ガスを前記吸込孔部から前記収集管内に回収させるガス分離膜である第一のガス分離膜及び第二のガス分離膜と、
前記第一のガス分離膜の一方の面に前記混合ガスを供給し、前記混合ガスのうち前記第一のガス分離膜で透過されなかった非透過ガスを搬送し、前記第二のガス分離膜の一方の面に前記非透過ガスを供給している搬送部と、
前記第二のガス分離膜に供給される前の前記非透過ガスに水蒸気を供給して加湿非透過ガスとしている加湿部と、
を備えることを特徴とするガス分離膜モジュール。
【請求項７】
前記加湿非透過ガスの相対湿度を検出する湿度センサと、
前記加湿部が供給する前記水蒸気の流量を調節する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記湿度センサの検出結果に基づいて、前記加湿部により前記加湿非透過ガスの相対湿度が５０％以上８０％以下となるように調節することを特徴とする請求項６に記載のガス分離膜モジュール。
【請求項８】
前記搬送部が前記第一のガス分離膜に供給している前記混合ガスの温度を調節する温度調節部と、
前記搬送部が前記第一のガス分離膜に供給している前記混合ガスの温度を検出する温度センサと、
前記混合ガスの温度を調節する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記温度調節部により前記混合ガスの温度が１００℃以下になるように調節することを特徴とする請求項６又は７に記載のガス分離膜モジュール。
【請求項９】
前記収集管、前記第一のガス分離膜及び前記第二のガス分離膜が内部に配置された容器本体を備え、
前記搬送部は、前記容器本体における前記第一のガス分離膜よりも上流側の部分と、前記容器本体における前記第一のガス分離膜と前記第二のガス分離膜との間の部分と、を含む請求項６から８のいずれか一項に記載のガス分離膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素の回収方法及びガス分離膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、世界的な問題である地球温暖化防止のため、人類の活動から発生する二酸化炭素ガスを中心とする温暖化効果ガスの外気への放出量を削減することが求められている。しかしながらエネルギーセキュリティー上、従来からの化石燃料を中心としたエネルギー生産方法を急激に方針転換することは現実的ではない。そこでエネルギー効率が高く二酸化炭素ガスの発生が少ない技術開発とその適用が模索されている。
その一つに、石炭ガス化複合発電（以下、ＩＧＣＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｏａｌ  Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｃｙｃｌｅ））技術に、効率的な二酸化炭素の分離回収技術を組み合わせた方法が提案されている。
【０００３】
その二酸化炭素分離回収技術の内、期待されている技術として、ガス分離膜の一つである促進輸送膜の技術開発が行われている。ＩＧＣＣで石炭をガス化して得た主として水素と二酸化炭素の混合ガスから上記のガス分離膜を用いて二酸化炭素を効率的、選択的に分離し、その高純度の二酸化炭素を工業原料等として有効利用する他、ＥＯＲや二酸化炭素貯留に使用すること等が検討されている。ここで言うＥＯＲとは、ＣＯ２圧入攻法に代表される増進回収技術（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｉｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）のことを意味する。
また、二酸化炭素ガスを分離した非透過ガスの高純度水素ガスを用いて水素燃焼発電や燃料電池用による発電を効率的に行うことも検討されている。このためには、分離膜での二酸化炭素の分離に関し、その選択性（二酸化炭素選択性）や二酸化炭素透過性を高め、高濃度・高回収率で二酸化炭素を回収することが課題となる。
【０００４】
その二酸化炭素の分離回収技術の内、期待されている技術として、特許文献１に記載されている促進輸送膜であるガス分離膜が知られている。このガス分離膜を用いてガス分離膜モジュールを構成し、ガス分離膜の一方の面に、水（水蒸気）とともに二酸化炭素を含有する混合ガスを供給する。ガス分離膜により二酸化炭素がイオン化されることで、二酸化炭素が選択的にガス分離膜を透過する。
このために最も肝要なことは、適正な量の水蒸気を促進輸送膜に供給する技術を確立することである。そして最適な膜エレメント、膜モジュール構造を構築し、求められるガス性状を確保し、許容されるコスト内で膜システムを提供することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１９２３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在までに発表されている促進輸送システムは、そのガス透過性能、分離性能に従い、また水蒸気供給の必要性から、システムとしては透過側ガスの圧力低下を補うため圧縮機等の昇圧設備で圧力を上げるという膜モジュール多段方式としている。さらに、水蒸気供給に透過側へのスイープガス方式で水蒸気を供給するという方法を採り、水蒸気の分圧が高い１００℃以上の高温での操作が提案されてきた。
しかしながら、現状の技術では、このように混合ガスに対して、膜モジュール多段方式では圧縮機を稼働させることによる電力等の外部エネルギー投入が必要となり本来の目的である地球温暖化防止、二酸化炭素削減に逆行することになる。そして、電力コストが多く発生し、実用的なコストでなくなる。途中の分離ガス昇圧をしない為に単段・全並列方式も考えられるが、この方式ではガス純度やガス回収率等の目的の分離ガス性能が達せされないことが分かっているので論外である。また、適正な量の水蒸気を促進輸送膜に供給する技術が確立されていない。例えば、唯単純に混合ガスとともに水蒸気を導入するといった手法も考えられるが、このような手法を用いたとしても、水蒸気の供給量は十分ではなく、効率よく二酸化炭素を分離することが難しい。
【０００７】
ここで、供給する水蒸気を１００℃よりも高温の状態で供給することで水蒸気の圧力を高めれば水蒸気分圧が立つ。このため、水蒸気を十分に促進輸送膜に供給することが可能となり、二酸化炭素の分離効率を向上することが可能である。
ところが、高温の水蒸気を供給するためには、促進輸送膜を保護する部品やガス分離膜を形成する材料を１００℃以上の耐熱性を持つ高分子材料にする必要がある。この場合、高価な材料を使用せざるを得なくなる。また、水蒸気を加熱するための更なる大きなエネルギーが必要となる。システム上配管振り回しが複雑となるスイープ方式では、操作の煩雑化、又透過側流路に於ける圧力損失増大による膜性能低下と膜面積増大につながりやすい。これらの結果としてシステムが不安定になることから、装置の複雑化や高コスト化に繋がってしまうという問題がある。このため、一部のガス分離性能やコストを考慮しなくて良い特殊例を除き、現在まで実用に到っていない。
【０００８】
混合ガスにおけるガス分離膜を透過されなかった非透過ガスは、適宜処理を行った後で排気される。しかしながら、排気される非透過ガス中の二酸化炭素ガスを少なくし、二酸化炭素ガスの回収率が向上するような二酸化炭素の回収方法が望まれている。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、混合ガスから二酸化炭素ガスを効率的に回収可能な二酸化炭素の回収方法及びガス分離膜モジュール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】
【００１０】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の二酸化炭素の回収方法は、二酸化炭素ガスを含有する混合ガスから二酸化炭素ガスを回収する二酸化炭素の回収方法であって、軸線に沿う方向に延びるとともに外周面に吸込孔部が形成された収集管に、水の供給によって前記混合ガス中の前記二酸化炭素ガスをイオン化して選択的に透過させるガス分離膜である第一のガス分離膜及び第二のガス分離膜が、前記軸線に沿う方向に間隔を空けて、かつ、前記収集管の外周面に巻き付けられるようにして設けられている状態で、前記第一のガス分離膜の一方の面に前記混合ガスを供給し、前記混合ガスのうち前記第一のガス分離膜で透過された前記二酸化炭素ガスを前記吸込孔部から前記収集管内に回収する一方、前記混合ガスのうち前記第一のガス分離膜で透過されなかった非透過ガスに水蒸気を供給して加湿非透過ガスとし、前記第二のガス分離膜の一方の面に前記加湿非透過ガスを供給し、前記第二のガス分離膜で透過された前記二酸化炭素ガスを前記吸込孔部から前記収集管内に回収することを特徴としている。
前記収集管、前記第一のガス分離膜及び前記第二のガス分離膜は、容器本体内に配置され、前記第一のガス分離膜に前記混合ガスを供給するときには、前記容器本体における前記第一のガス分離膜よりも上流側の部分を通して前記混合ガスを搬送し、前記第二のガス分離膜に前記加湿非透過ガスを供給するときには、前記容器本体における前記第一のガス分離膜と前記第二のガス分離膜との間の部分を通して前記加湿非透過ガスを搬送してもよい。
【００１１】
また、本発明のガス分離膜モジュールは、二酸化炭素ガスを含有する混合ガスから二酸化炭素ガスを回収するガス分離膜モジュールであって、軸線に沿う方向に延びるとともに外周面に吸込孔部が形成された収集管と、前記収集管に、前記軸線に沿う方向に間隔を空けて、かつ、前記収集管の外周面に巻き付けられるようにして設けられ、水の供給によって前記混合ガス中の前記二酸化炭素ガスをイオン化して選択的に透過させ、前記二酸化炭素ガスを前記吸込孔部から前記収集管内に回収させるガス分離膜である第一のガス分離膜及び第二のガス分離膜と、前記第一のガス分離膜の一方の面に前記混合ガスを供給し、前記混合ガスのうち前記第一のガス分離膜で透過されなかった非透過ガスを搬送し、前記第二のガス分離膜の一方の面に前記非透過ガスを供給している搬送部と、前記第二のガス分離膜に供給される前の前記非透過ガスに水蒸気を供給して加湿非透過ガスとしている加湿部と、を備えることを特徴としている。
前記収集管、前記第一のガス分離膜及び前記第二のガス分離膜が内部に配置された容器本体を備え、前記搬送部は、前記容器本体における前記第一のガス分離膜よりも上流側の部分と、前記容器本体における前記第一のガス分離膜と前記第二のガス分離膜との間の部分と、を含んでもよい。
【００１２】
これらの発明によれば、混合ガスを第一のガス分離膜に供給すると、混合ガス中の水蒸気が第一のガス分離膜を透過するため、非透過ガスの相対湿度が混合ガスの相対湿度に比べて低下する。ガス分離膜は、供給されるガスの相対湿度がある程度高い方が、ガス分離膜を透過する水素ガスに対する二酸化炭素ガスの選択性（膜性能）が向上する。非透過ガスに水蒸気を供給して加湿非透過ガスとすることで、非透過ガスの相対湿度に比べて加湿非透過ガスの相対湿度が高くなる。
【００１３】
また、上記の二酸化炭素の回収方法において、前記加湿非透過ガスの相対湿度が５０％以上８０％以下となるように、前記非透過ガスに供給する前記水蒸気の量を調節してもよい。
また、上記のガス分離膜モジュールにおいて、前記加湿非透過ガスの相対湿度を検出する湿度センサと、前記加湿部が供給する前記水蒸気の流量を調節する制御部と、を備え、前記制御部は、前記湿度センサの検出結果に基づいて、前記加湿部により前記加湿非透過ガスの相対湿度が５０％以上８０％以下となるように調節してもよい。
これら発明によれば、ガス分離膜は透過させるガスの相対湿度が５０％以上８０％以下のときに、ガス分離膜の選択性が最も大きくなる。
【００１４】
また、上記の二酸化炭素の回収方法において、前記第一のガス分離膜に供給される前記混合ガスの温度を１００℃以下にしてもよい。
また、上記のガス分離膜モジュールにおいて、前記搬送部が前記第一のガス分離膜に供給している前記混合ガスの温度を調節する温度調節部と、前記搬送部が前記第一のガス分離膜に供給している前記混合ガスの温度を検出する温度センサと、前記混合ガスの温度を調節する制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記温度調節部により前記混合ガスの温度が１００℃以下になるように調節してもよい。
これら発明によれば、ガス分離膜は高分子膜を有しているため、混合ガスの温度が１００℃を超えると分子構造の分解が進む。
【００１５】
また、上記の二酸化炭素の回収方法において、前記混合ガスに水蒸気を供給して前記混合ガスの相対湿度を５０％以上８０％以下に調節してから、前記第一のガス分離膜に前記混合ガスを供給してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明において、請求項１に記載の二酸化炭素の回収方法及び請求項６に記載のガス分離膜モジュールによれば、非透過ガスの相対湿度に比べて加湿非透過ガスの相対湿度が高くなることで、混合ガスから二酸化炭素ガスを効率的に回収することができる。
請求項２に記載の二酸化炭素の回収方法及び請求項７に記載のガス分離膜モジュールによれば、ガス分離膜の選択性がより大きくなることで、混合ガスから二酸化炭素ガスをより効率的に回収することができる。
【００１７】
請求項３に記載の二酸化炭素の回収方法及び請求項８に記載のガス分離膜モジュールによれば、第一のガス分離膜の分子構造が分解するのを抑えることができる。
請求項４に記載の二酸化炭素の回収方法によれば、第一のガス分離膜におけるガス分離膜の選択性がより大きくなることで、混合ガスから二酸化炭素ガスをより効率的に回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態のガス分離膜モジュールが用いられるガス分離膜装置を模式的に示す図である。
【図２】同ガス分離膜モジュールの一部を透過させた斜視図である。
【図３】ガス分離膜エレメントの一部を破断して示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態における二酸化炭素の回収方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るガス分離膜モジュールの一実施形態を、図１から４を参照しながら説明する。図１に示すように、本ガス分離膜モジュール１０が用いられるガス分離膜装置１は、二酸化炭素ガスを含有する混合ガスＧ０から二酸化炭素ガスＧ１を回収するためのものである。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態のガス分離膜装置１は、例えば複数のガス分離膜エレメント１１が直列に接続されたガス分離膜モジュール１０が、並列に接続されて構成されている。１つのガス分離膜モジュール１０を構成するガス分離膜エレメント１１の数は、複数であれば特に制限はない。ガス分離膜装置１を構成するガス分離膜モジュール１０の数は、１つでもよいし、２つ以上でもよい。
ガス分離膜モジュール１０を構成するガス分離膜エレメント１１の数、及び、ガス分離膜装置１を構成するガス分離膜モジュール１０の数は、ガス分離膜装置１で処理する混合ガスＧ０の量等に応じて設定される。
以下では、１つのガス分離膜モジュール１０について、ガス分離膜エレメント１１がスパイラル膜方式である場合を例にとって説明する。
【００２１】
図２に示すガス分離膜モジュール１０は、例えば３つのガス分離膜エレメント１１が、後述するようにコンプレッサ等の昇圧手段により混合ガスＧ０が途中で昇圧されることなく、直列に接続されたものである。このような、ガス分離膜モジュール１０の構成を、直列分割方式と称する。なお、図２では後述する容器本体３５を透過させて示している。
説明の便宜上、３つのガス分離膜エレメント１１を区別して呼ぶときには、混合ガスＧ０が流れる上流側Ｄ１から下流側Ｄ２に向けて順にガス分離膜エレメント１１Ａ、ガス分離膜エレメント１１Ｂ、ガス分離膜エレメント１１Ｃと称する。３つのガス分離膜エレメント１１は、ガス分離膜モジュール１０の長手方向に間隔を空けて配置されている。
【００２２】
ガス分離膜モジュール１０は、ベッセル１３と、ベッセル１３内に配置された収集管１４及び３つのガス分離膜エレメント１１と、ベッセル１３に設けられた第一の加湿部１６、第二の加湿部（加湿部）１７、第三の加湿部１８、温度調節部２０、温度センサ２２、第一の湿度センサ２４、第二の湿度センサ（湿度センサ）２５、第三の湿度センサ２６、第四の湿度センサ２７、及び、加湿部１６、１７、１８、温度調節部２０を制御する制御部２９と、を有している。
【００２３】
ベッセル１３は、軸線Ｃを中心とした円筒状に形成された容器本体３５と、容器本体３５の上流側Ｄ１の開口である第一の開口を閉塞する第一の蓋部３６と、容器本体３５の下流側Ｄ２の開口である第二の開口を閉塞する第二の蓋部３７と、を備えている。容器本体３５は鋼管等で、蓋部３６、３７は鋳鉄、鋳鋼、鋼板等で形成することができる。
なお、容器本体３５内に配置されるガス分離膜エレメント１１の数は３つに限定されず、１つ、２つでもよいし、４つ以上でもよい。
【００２４】
ここで、収集管１４及びガス分離膜エレメント１１の構成について説明する。
図３に示すように、収集管１４は、軸線Ｃに沿う方向に延びる管状部材である。収集管１４の外周面には、複数の吸込孔部１４ａが形成されている。複数の吸込孔部１４ａは、互いに軸線Ｃに沿う方向に離間して配されて収集管１４の内外を連通する。収集管１４は、図２に示すように容器本体３５内に配置されている。
収集管１４の第二の蓋部３７側の端部は、容器本体３５内に配置されている。一方で、収集管１４の第一の蓋部３６側の端部は、第一の蓋部３６を貫通している。
この例では供給ガスである混合ガスＧ０に対して透過ガスである二酸化炭素ガスＧ１が向流の場合を説明したが、供給ガスと透過ガスとが並流の場合は、収集管１４の第一の蓋部３６側の端部は、容器本体３５内に配置されている。一方で、収集管１４の第二の蓋部３７側の端部は、第二の蓋部３７を貫通している。
【００２５】
図３に示すように、ガス分離膜エレメント１１Ａは、ガス分離膜である第一のガス分離膜４５Ａ及び供給スペーサ４６Ａが積層されて形成されている。
促進輸送膜である当該ガス分離膜は、水の供給によって、混合ガスＧ０等の中の二酸化炭素ガスＧ１をイオン化して選択的に透過させる膜である。このガス分離膜は、高分子膜を有している。具体的には例えば、１級アミノ基を有する重合体とカルボキシル基を含有するビニルアルコール系重合体とから形成された膜である。
なお、このガス分離膜はこれに限られず、アミン化合物とポリビニルアルコール系ポリマーやポリエチレングリコール系ポリマーを含有する水を必要とする膜であればよい。また、このガス分離膜は、無機化合物を含む膜であってもよい。
【００２６】
このガス分離膜は、混合ガスＧ０等の供給されるガスの相対湿度がある程度高い方が、このガス分離膜を透過する水素ガスに対する二酸化炭素ガスの選択性が向上する。
本実施形態の促進輸送膜であるガス分離膜は、ガスの相対湿度が５０％以上８０％以下のときに、ガス分離膜の選択性が最も大きくなる。加湿部１６等により水蒸気を供給する量は、ガス分離膜エレメント１１Ａのガス分離膜のいずれの部分においても、このガス分離膜に接触するガスの相対湿度が５０％以上８０％以下になるように決めることが好ましい。
【００２７】
これら第一のガス分離膜４５Ａ及び供給スペーサ４６Ａは、収集管１４の径方向に積層されて積層部材を形成している。すなわち、第一のガス分離膜４５Ａ、透過スペーサ４９Ａ、第一のガス分離膜４５Ａ、及び供給スペーサ４６Ａがこの順に、多重の筒状に収集管１４の外周面に巻き付けられるようにして設けられて、積層部材であるガス分離膜エレメント１１Ａを形成している。供給スペーサ４６Ａに混合ガスが供給されると、その両側を挟む第一のガス分離膜４５Ａの一方の面４５Ａ１に、混合ガスＧ０が供給されることになる。さらに、第一のガス分離膜４５Ａを透過した透過ガスは、第一のガス分離膜４５Ａと第一のガス分離膜４５Ａとの間に設けられた透過スペーサ４９Ａのスペースを通って収集管１４へ搬送される。
筒状の積層部材であるガス分離膜エレメント１１Ａは、容器本体３５内に配置されるとともに、ガス分離膜エレメント１１Ａの筒孔内に収集管１４が挿通される。第一のガス分離膜４５Ａの一方の面４５Ａ１等には、混合ガスＧ０が供給される。
【００２８】
ガス分離膜エレメント１１Ｂ、１１Ｃは、ガス分離膜エレメント１１Ａと同一の構成である。
例えば、図３に示すガス分離膜エレメント１１Ｂは、ガス分離膜エレメント１１Ａの第一のガス分離膜４５Ａに代えてガス分離膜である第二のガス分離膜４５Ｂが用いられている。ただし、第二のガス分離膜４５Ｂは第一のガス分離膜４５Ａと同一の構成である。
第二のガス分離膜４５Ｂの一方の面４５Ｂ１等には、後述する第一の加湿非透過ガスＧ５が供給される。
【００２９】
再び、容器本体３５について説明する。
図２に示すように、容器本体３５におけるガス分離膜エレメント１１Ａよりも上流側Ｄ１の部分である第一の搬送管３５ａには、ガス供給管３９、及び第一の加湿部１６の水蒸気供給管１６ａが取付けられている。
なお、容器本体３５におけるガス分離膜エレメント１１Ａとガス分離膜エレメント１１Ｂとの間の部分は、第二の搬送管３５ｂとなる。同様に、容器本体３５におけるガス分離膜エレメント１１Ｂとガス分離膜エレメント１１Ｃとの間の部分は第三の搬送管３５ｃとなり、容器本体３５におけるガス分離膜エレメント１１Ｃよりも下流側Ｄ２の部分は第四の搬送管３５ｄとなる。第一の搬送管３５ａ及び第二の搬送管３５ｂで、搬送部３５ｅを構成する。
【００３０】
ガス供給管３９には、前述の温度調節部２０が設けられている。一般的に、混合ガスＧ０は、発電設備等から１００℃よりも温度が高い状態でガス分離膜装置１に供給されるため、温度調節部２０は主に冷却器が用いられる。温度調節部２０としては、例えば熱交換媒体を有する公知の冷却回路等を用いることができる。温度調節部２０は、第一の搬送管３５ａがガス分離膜エレメント１１Ａ（第一のガス分離膜４５Ａ）に供給している混合ガスＧ０の温度を調節する。
水蒸気供給管１６ａには、第一の流量調節弁１６ｂが設けられている。水蒸気供給管１６ａにおける容器本体３５とは反対側には、図示はしないが、ボイラーや熱交換器等の水蒸気発生手段が設けられている。混合ガスＧ０を冷却する温度調節部２０を水蒸気発生手段とし、温度調節部２０内で混合ガスＧ０と水とを熱交換させることで水蒸気Ｗを発生させてもよい。または、容器本体３５外で混合ガスＧ０と他の方法で製造した水蒸気を混合してもよい。
これら水蒸気供給管１６ａ、第一の流量調節弁１６ｂ、及び水蒸気発生手段で、第一の搬送管３５ａ内を流れる混合ガスＧ０に水蒸気Ｗを供給する第一の加湿部１６を構成する。
【００３１】
第一の流量調節弁１６ｂは、水蒸気供給管１６ａ内を水蒸気Ｗが流れない全閉状態から、水蒸気供給管１６ａ内を最大流量の水蒸気Ｗが流れる全開状態まで、水蒸気供給管１６ａ内を水蒸気Ｗが流れる流量を連続的に調節することができる。第一の流量調節弁１６ｂは制御部２９に接続され、制御部２９により制御される。
第一の搬送管３５ａにおけるガス供給管３９及び第一の加湿部１６が取付けられている部分よりも下流側Ｄ２の部分には、温度センサ２２及び第一の湿度センサ２４が取付けられている。温度センサ２２は、第一の搬送管３５ａがガス分離膜エレメント１１Ａに供給している混合ガスＧ０の温度を検出する。第一の湿度センサ２４は、ガス分離膜エレメント１１Ａに供給される混合ガスＧ０の相対湿度を検出する。
温度センサ２２及び第一の湿度センサ２４は制御部２９に接続されていて、検出結果を制御部２９に送信する。
【００３２】
第二の加湿部１７及び第三の加湿部１８は、第一の加湿部１６と同様に構成されている。すなわち、第二の加湿部１７は、第二の搬送管３５ｂに取付けられた水蒸気供給管１７ａと、水蒸気供給管１７ａに設けられた第二の流量調節弁１７ｂと、前述の水蒸気発生手段とを有している。第二の加湿部１７は、第二の搬送管３５ｂ内を流れる後述する第一の非透過ガスＧ２に水蒸気Ｗを供給して後述する第一の加湿非透過ガスＧ５とする。
第三の加湿部１８は、第三の搬送管３５ｃに取付けられた水蒸気供給管１８ａと、水蒸気供給管１８ａに設けられた第三の流量調節弁１８ｂと、前述の水蒸気発生手段とを有している。
流量調節弁１７ｂ、１８ｂは制御部２９に接続され、制御部２９により制御される。
なお、第一の加湿部１６の構成はこれに限定されず、第一の搬送管３５ａ内を流れる混合ガスＧ０に水蒸気を供給可能な任意の構成を用いることができる。第二の加湿部１７及び第三の加湿部１８についても同様である。
【００３３】
第二の搬送管３５ｂにおける第二の加湿部１７が取付けられている部分よりも下流側Ｄ２の部分には、前述の第二の湿度センサ２５が取付けられている。第二の湿度センサ２５は、後述する第一の加湿非透過ガスＧ５の相対湿度を検出する。
第三の搬送管３５ｃにおける第三の加湿部１８が取付けられている部分よりも下流側Ｄ２の部分には、前述の第三の湿度センサ２６が取付けられている。第三の湿度センサ２６は、後述する第二の加湿非透過ガスＧ９の相対湿度を検出する。
第四の搬送管３５ｄには、第四の湿度センサ２７及びガス排出管４０が取付けられている。第四の湿度センサ２７は、後述する第三の非透過ガスＧ１０の相対湿度を検出する。
これら湿度センサ２５、２６、２７は制御部２９に接続されていて、検出結果を制御部２９に送信する。
【００３４】
制御部２９は、図示はしないが、演算回路やメモリー等を有している。メモリーには、演算回路を制御するためのプログラム等が記憶されている。
制御部２９は、温度センサ２２、湿度センサ２４、２５、２６、２７に接続され、これら温度センサ２２等から送信された温度等の検出結果を受信する。また、制御部２９は、流量調節弁１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ、温度調節部２０に接続されている。制御部２９は、加湿部１６、１７、１８が供給する水蒸気Ｗの流量を調節する。制御部２９は、温度調節部２０を制御することで混合ガスＧ０の温度を調節する。
【００３５】
次に、本実施形態の二酸化炭素の回収方法について説明する。図４は、本実施形態の二酸化炭素の回収方法Ｓを示すフローチャートである。
発電設備等から、図１に示すガス分離膜装置１に混合ガスＧ０が供給される。このときの混合ガスＧ０の圧力は、例えば２ＰＭａ（メガパスカル）から４ＰＭａ程度の、大気圧よりも高い圧力である。混合ガスＧ０の温度は数百℃である。
ガス分離膜装置１に供給された混合ガスＧ０は、各ガス分離膜モジュール１０に分配される。
【００３６】
まず、図４に示すステップＳ１において、制御部２９は、第一のガス分離膜４５Ａ、すなわちガス分離膜エレメント１１Ａに供給される混合ガスＧ０の温度を１００℃以下にする。
具体的には、制御部２９は、温度センサ２２が検出した混合ガスＧ０の温度を受信する。そして、この受信した温度に基づいて、温度調節部２０が混合ガスＧ０を冷却する能力を調節する。そして、温度センサ２２で検出される混合ガスＧ０の温度が１００℃以下になるように調節する。
【００３７】
次に、ステップＳ３において、第一の湿度センサ２４で混合ガスＧ０の相対湿度を検出し、混合ガスＧ０の相対湿度を５０％以上８０％以下に調節する。
具体的には、第一の湿度センサ２４の検出結果に基づいて、第一の加湿部１６の第一の流量調節弁１６ｂの開度を調節することにより、混合ガスＧ０に水蒸気Ｗを供給する。例えば、検出した混合ガスＧ０の相対湿度が５０％のときには第一の流量調節弁１６ｂの開度を最大にし、検出した混合ガスＧ０の相対湿度が８０％のときには第一の流量調節弁１６ｂを閉じる。
このとき、混合ガスＧ０の相対湿度を８０％近くにすることが好ましい。
なお、混合ガスＧ０の温度を１００℃以下に冷却したときに混合ガスＧ０の相対湿度が８０％を超えたときのために、第一の搬送管３５ａに公知の除湿装置を設けてもよい。この場合、制御部２９がこの除湿装置を制御することで、混合ガスＧ０の相対湿度を８０％近くに低下させる。
【００３８】
次に、ステップＳ５において、ガス分離膜エレメント１１Ａの第一のガス分離膜４５Ａの一方の面４５Ａ１に混合ガスＧ０を供給する。混合ガスＧ０の温度が１００℃以下であるため、第一のガス分離膜４５Ａが高分子膜を有していても、高分子膜の分子構造の分解が抑えられる。
混合ガスＧ０のうち第一のガス分離膜４５Ａを透過した二酸化炭素ガスＧ１は、収集管１４の吸込孔部１４ａを通して回収され、収集管１４の第一の蓋部３６側の端部から外部に搬送される。ガス分離膜エレメント１１Ａを、二酸化炭素ガスＧ１だけでなく、少量の水蒸気Ｗや水素ガスも透過する。
なお、ガス分離膜エレメント１１Ａ、及び後述するガス分離膜エレメント１１Ｂ、１１Ｃには、スイープガスは用いられていない。
一方で、混合ガスＧ０のうちガス分離膜エレメント１１Ａ（第一のガス分離膜４５Ａ）で透過されなかった第一の非透過ガス（非透過ガス）Ｇ２は、ガス分離膜エレメント１１Ａから第二の搬送管３５ｂに搬送される。
【００３９】
次に、ステップＳ７において、図２に示すようにガス分離膜エレメント１１Ｂ（第二のガス分離膜４５Ｂ）に供給される前の第一の非透過ガスＧ２に水蒸気Ｗを供給して第一の加湿非透過ガス（加湿非透過ガス）Ｇ５とする。このとき、第一の加湿非透過ガスＧ５の相対湿度が５０％以上８０％以下となるように、第一の非透過ガスＧ２に供給する水蒸気Ｗの量を調節する。
具体的には、制御部２９は、第二の湿度センサ２５が検出した第一の加湿非透過ガスＧ５の湿度を受信する。そして、この受信した湿度に基づいて、第二の加湿部１７の第二の流量調節弁１７ｂの開度を調節することにより第一の加湿非透過ガスＧ５の相対湿度が５０％以上８０％以下となるように調節する。ガス分離膜エレメント１１Ａを水蒸気Ｗが透過するため、必要に応じて第二の加湿部１７で水蒸気Ｗを供給する。
【００４０】
ガス分離膜エレメント１１Ａの第一のガス分離膜４５Ａの二酸化炭素ガスの選択性を大きくするために、第一の非透過ガスＧ２の相対湿度が５０％以上となるように、混合ガスＧ０の相対湿度を調節することが好ましい。
第一の非透過ガスＧ２は第一のガス分離膜４５Ａを透過していなく、さらに一般的に、ガス分離膜エレメント１１Ａ内における混合ガスＧ０の流速が比較的遅いため、第一の非透過ガスＧ２の圧力は混合ガスＧ０の圧力に比べてほとんど低下していない。このため、コンプレッサ等の昇圧手段により第一の加湿非透過ガスＧ５の圧力を高めてからガス分離膜エレメント１１Ｂに供給する必要が無い。
【００４１】
次に、ステップＳ９において、ガス分離膜エレメント１１Ｂの第二のガス分離膜４５Ｂの一方の面４５Ｂ１に第一の加湿非透過ガスＧ５を供給する。
第一の加湿非透過ガスＧ５のうちガス分離膜エレメント１１Ｂを透過した二酸化炭素ガスＧ１は、収集管１４の吸込孔部１４ａを通して回収される。この場合、供給ガスである第一の加湿非透過ガスＧ５に対して透過ガスである二酸化炭素ガスＧ１は向流方式であるが、供給ガスと透過ガスとが並流の場合は、収集管１４内での二酸化炭素ガスＧ１は流れ方向が逆になる。
一方で、第一の加湿非透過ガスＧ５のうちガス分離膜エレメント１１Ｂで透過されなかった第二の非透過ガスＧ６は、ガス分離膜エレメント１１Ｂから第三の搬送管３５ｃに搬送される。
【００４２】
次に、ステップＳ１１において、図２に示すように第二の非透過ガスＧ６に水蒸気Ｗを供給して第二の加湿非透過ガスＧ９とする。このとき、第二の加湿非透過ガスＧ９の相対湿度が５０％以上８０％以下となるように、第二の非透過ガスＧ６に供給する水蒸気Ｗの量を調節する。
具体的には、制御部２９は、第三の湿度センサ２６が検出した第二の加湿非透過ガスＧ９の湿度を受信する。そして、この受信した湿度に基づいて、第三の加湿部１８の第三の流量調節弁１８ｂの開度を調節することにより第二の加湿非透過ガスＧ９の相対湿度が５０％以上８０％以下となるように調節する。
【００４３】
次に、ステップＳ１３において、ガス分離膜エレメント１１Ｃの第三のガス分離膜の一方の面に第二の加湿非透過ガスＧ９を供給する。第二の加湿非透過ガスＧ９のうち第三のガス分離膜を透過した二酸化炭素ガスＧ１は、収集管１４により回収される。
一方で、第二の加湿非透過ガスＧ９のうち第三のガス分離膜で透過されなかった第三の非透過ガスＧ１０は、ガス分離膜エレメント１１Ｃから第四の搬送管３５ｄに搬送される。
第四の湿度センサ２７が検出した第三の非透過ガスＧ１０の湿度は、制御部２９に送信される。第三の非透過ガスＧ１０の相対湿度が５０％以上になるように、第二の加湿非透過ガスＧ９の相対湿度が設定されることが好ましい。
第三の非透過ガスＧ１０は、二酸化炭素ガスＧ１がほとんど回収されたガスである。第三の非透過ガスＧ１０は、ガス排出管４０から外部に搬送され、排気される。
【００４４】
なお、相対湿度が５０％を下回ると、二酸化炭素ガスがガス分離膜を透過する透過速度が急激に低下する（１桁以上低下する）ことが確認されたために、相対湿度の下限を５０％とした。また、相対湿度が高くなり過ぎると、ガス分離膜を通過したところで、水が停滞し、二酸化炭素ガスが通過するのを妨害し始めるので、相対湿度の上限を８０％とした。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素の回収方法Ｓ、及び直列分割方式によるガス分離膜モジュール１０によれば、混合ガスＧ０を第一のガス分離膜４５Ａに供給すると、混合ガスＧ０中の水蒸気が第一のガス分離膜４５Ａを透過するため、第一の非透過ガスＧ２の相対湿度が混合ガスＧ０の相対湿度に比べて低下する。第一のガス分離膜４５Ａは、供給されるガスの相対湿度がある程度高い方が、第一のガス分離膜４５Ａを透過する水素ガスに対する二酸化炭素ガスの選択性が向上する。第一の非透過ガスＧ２に水蒸気Ｗを供給して第一の加湿非透過ガスＧ５とすることで、第一の非透過ガスＧ２の相対湿度に比べて第一の加湿非透過ガスＧ５の相対湿度が高くなる。
したがって、第二のガス分離膜４５Ｂにより混合ガスＧ０から二酸化炭素ガスＧ１を効率的に回収することができる。
【００４６】
第一の加湿非透過ガスＧ５の相対湿度が５０％以上８０％以下となるように、第一の非透過ガスＧ２に供給する水蒸気Ｗの量を調節する供給する。ガス分離膜は透過させるガスの相対湿度が５０％以上８０％以下のときに、ガス分離膜の選択性が最も大きくなるため、混合ガスＧ０から二酸化炭素ガスＧ１をより効率的に回収することができる。
第一のガス分離膜４５Ａに供給される混合ガスＧ０の温度を１００℃以下にすることで、第一のガス分離膜４５Ａが高分子膜を有していても、高分子膜の分子構造の分解を抑えることができる。
混合ガスＧ０の相対湿度を５０％以上８０％以下に調節してから、第一のガス分離膜４５Ａに混合ガスＧ０を供給する。第一のガス分離膜４５Ａにおけるガス分離膜Ｇ０の選択性がより大きくなることで、第一のガス分離膜４５Ａにより混合ガスＧ０から二酸化炭素ガスＧ１をより効率的に回収することができる。
【００４７】
本実施形態のガス分離膜モジュール１０では、昇圧手段及びスイープガスを用いていない。また、混合ガスＧ０の温度を１００℃以下にすることで、耐熱性の低い比較的安価なガス分離膜を用いることができる。これにより、ガス分離膜モジュール１０をエネルギー投入を抑えて安価に構成することができる。
本ガス分離膜モジュールは、求められる高純度であり高回収率の透過ガス及び非透過ガス性状を、簡易なシステム、簡易な構造で、混合ガスから二酸化炭素ガスを効率的にそして現実的な許容されるコスト内で回収可能な二酸化炭素の回収方法及びガス分離膜モジュールを提供することができる。スパイラル膜方式を基本に、二酸化炭素透過現象を高性能かつ安定的に行わせるために必要な水蒸気ガスを安定的に供給、保持する構造及びシステムを低外部投入エネルギー、低コストで提供することができる。
【００４８】
本ガス分離膜モジュールは、スパイラル膜方式を基本に、ガス分離システムとして次の（１）〜（３）の手段である。
（１）従来の途中昇圧のある多段方式や単段・全並列方式ではなく、単段方式でかつ直列分割方式。
（２）ガス分離膜エレメントへの水蒸気供給方法は、スイープ方式ではなく直交流方式で直列に分割されたエレメント毎に膜エレメントに適正な水蒸気含有原料ガスを供給する方式。
（３）供給ガス及びガス分離膜エレメントを含む膜モジュール、膜設備・システムを１００℃以下で操作。
これら（１）〜（３）の提案により、従来からの二酸化炭素分離技術から大幅な改良がなされる。所定のガス分離性を確保し、実用化により適する低コストのシステムとすることができる。
本ガス分離膜モジュールのその他の特徴として、下記の（４）〜（６）が挙げられる。
（４）電力や水蒸気の外部エネルギーの投入量の最小化でコストダウンと環境性の向上。
（５）膜面積の低減でコストダウン。
（６）膜モジュール周りのシステム、配管の簡素化と操作性の向上及びコストダウン。
【００４９】
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、ガス分離膜モジュール１０が湿度センサ２４、２５、２６、２７を備えなくてもよい。この場合、混合ガスＧ０が供給される量や温度等の条件に基づいて、予め実験やシミュレーション等により、加湿部１６、１７、１８から供給する蒸気Ｗの量をそれぞれ求めておく。そして、求めた供給量だけ、加湿部１６、１７、１８から水蒸気Ｗをそれぞれ供給してもよい。
【００５０】
ガス分離膜装置１に供給される混合ガスＧ０の相対湿度が５０％以上８０％以下であることが分かっている場合には、ガス分離膜モジュール１０は第一の加湿部１６を備えなくてもよい。
【００５１】
ガス分離膜装置１に供給される混合ガスＧ０の温度が１００℃以下であることが予め分かっている場合等には、ガス分離膜モジュール１０は温度調節部２０を備えなくてもよい。この場合、二酸化炭素の回収方法ＳではステップＳ１が行われない。
実施形態では、第一のガス分離膜４５Ａが巻き付けられるようにして筒状に形成されているとした。しかし、第一のガス分離膜の形状は特に限定されず、第一のガス分離膜が平板状であってもよいし、中空糸状の膜であってもよい。第二のガス分離膜及び第三のガス分離膜についても同様である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ガス分離膜モジュール
１７  第二の加湿部（加湿部）
２０  温度調節部
２２  温度センサ
２５  第二の湿度センサ（湿度センサ）
２９  制御部
３５ｅ  搬送部
４５Ａ  第一のガス分離膜
４５Ａ１、４５Ｂ１  一方の面
４５Ｂ  第二のガス分離膜
Ｇ０  混合ガス
Ｇ１  二酸化炭素ガス（透過ガス）
Ｇ２  第一の非透過ガス（非透過ガス）
Ｇ５  第一の加湿非透過ガス（加湿非透過ガス）
Ｓ    二酸化炭素の回収方法
Ｗ    水蒸気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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