CN108778468A

CN108778468A - 燃烧系统

Info

Publication number: CN108778468A
Application number: CN201780015238.3A
Authority: CN
Inventors: 冈田治; 花井伸彰; 颜鹏; 松尾英晃
Original assignee: Renaissance Energy Research Corp
Current assignee: Renaissance Energy Research Corp
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-11-09
Also published as: US11247169B2; TW201741597A; US20210023499A1; FI3427811T3; JP6966993B2; TWI675990B; EP3427811B1; EP3427811A4; JP2020165430A; JPWO2017154519A1; EP3427811A1; WO2017154519A1; US20190060826A1

Abstract

本发明的目的是实现可获得稳定的输出、且节能的生物气燃烧系统。提供一种燃烧系统，具备：分离部(14)，从以甲烷为主成分并含有二氧化碳的混合气体作为成分的被处理气体中去除二氧化碳，并获得至少二氧化碳的含量降低的高纯度甲烷气体；以及燃烧部(15)，使甲烷气体燃烧，分离部(14)具有经由分离膜(13)所分隔的第1处理室(11)及第2处理室(12)，分离膜(13)是以下的构成：使被供给至第1处理室(11)的被处理气体中的二氧化碳选择性地向第2处理室(12)透过，而获得甲烷纯度比被处理气体高的第1处理室(11)内的第1分离气体、以及含有被处理气体中的二氧化碳的第2处理室(12)内的第2分离气体。

Description

燃烧系统

技术领域

本发明涉及燃烧由生物质、有机性废弃物等有机物的甲烷发酵所获得的生物气等以甲烷作为主成分并包含二氧化碳的气体而获得能量的燃烧系统。

背景技术

近年来，将通过生物质、下水道污泥等有机性废弃物的甲烷发酵所获得的生物气作为新能源运用受到瞩目。该生物气作为代替化石燃料的物质被用于发电或锅炉等用途。

生物气通常除了甲烷以外，含有约40％左右的二氧化碳，这根据甲烷气体的制造条件(发酵条件)而有所变动。另外，微量含有硅氧烷、硫化氢等硫化物，在使用时需要去除。

例如，对于来自以较大规模的设备所处理的下水道污泥的消化气体而言，含有硫化氢(H₂S)这样的硫化物或硅氧烷等许多杂质。另外，对于设定为小规模设备的使家畜排泄物、垃圾等进行甲烷发酵而得的生物气的情况而言，可认为：因各个设备的不同或气体制造条件的不同，会存在各种微量成分(油分、微量元素：V、Pb、Cl等、乙烷、丙烷、二烯类、苯、甲苯等)，其量或浓度也不同。这些微量杂质会对燃气发动机的性能或耐久性造成影响。

在生物质燃气发动机中，生物气中的二氧化碳会导致燃气发动机输出降低及热效率降低。进而，根据生物气组成的变动内容或程度，需要发动机调整作业。

使用甲烷与二氧化碳的混合气体作为燃料的生物质燃气发动机的输出及热效率随着二氧化碳浓度的增加而大幅减少。例如，燃气发动机在使用包含40％的CO₂的混合气体的情况下，与使用纯度100％的甲烷燃料相比，发动机输出低40％，热效率也低14％。即，意味着即使使用100kW的天然气发动机也仅能有60kW的输出，换言之，若需要100kW的输出，则必须有170kW的天然气发动机。结果是，由于发动机的设备成本几乎与输出成比例，因此设备费将增加70％。另外，因热效率低14％，因此与天然气发动机相比燃料费将增加16％左右。

因此，生物气用的发动机的初期成本、运转成本皆高。

专利文献1记载了一种生物气发电装置，其根据将生物气供给至发动机的压力，控制所驱动的燃气发动机的总数及剩余气体燃烧装置的驱动。

专利文献2记载了一种发电方法，其将由生物质、有机性废弃物等有机物的甲烷发酵所获得的消化气体中的二氧化碳使用碱性吸收液进行吸收分离，并将纯度高的甲烷气体供给至发动机。

专利文献3记载了一种预混合式燃气发动机的控制方法，其在以生物气那样的在运转中性状产生变化的气体作为燃料的燃气发动机中，在排气气体的温度不在预先设定的范围的情况下，对空燃比进行补偿控制，由此防止发动机的失火或燃烧异常。

专利文献4及专利文献5涉及将生物气与都市燃气(天然气)的混合气体作为燃料的发动机的燃烧控制，专利文献4中根据排气气体中的氧浓度、专利文献5中根据排气气体的温度来调整生物气的混合比率，由此抑制发动机的输出降低，能够稳定地燃烧发热量发生变动的生物气。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-209706号公报

专利文献2：日本特开2002-275482号公报

专利文献3：日本特开2012-13011号公报

专利文献4：日本特开2012-242011号公报

专利文献5：日本特开2013-163984号公报

发明内容

发明要解决的课题

如上所述，生物气根据甲烷气体产生时的条件(发酵条件)而产生量、成分不稳定，因此使用生物气作为燃料时，燃烧变得不稳定，有无法获得稳定的输出的情况。

为了获得稳定的输出，需要发动机的大型化、或根据气体组成的变动对发动机进行控制、调整的机构，而会导致发动机的高成本化。进而，复杂且需要长时间的发动机调整作业对于用户及制造者而言是很大的负担、风险要因。

为了解决上述问题，可认为：若将从生物气去除二氧化碳成分的气体供给至发动机，则气体质量会接近普通的天然气，因此，无须调整而能够降低成本。然而，现有的化学吸收法、高压水吸收法、PSA等均价格昂贵且需要大型的设备、能量，因此会损及使用生物气所获得的环境上的优点。

作为一例，据报道：在将下水道消化气体通过高压水吸收法转换为高纯度的甲烷气体，用作天然气汽车等的燃料的情况下，660Nm³/h的消化气体的处理的精制设备的费用为约15亿3000万日元。660Nm³/h的消化气体相当于2000kW的生物质燃气发动机的额定燃料，且因2000kW的生物质燃气发动机本身的价格现在约为4亿日元左右，因此利用现有的高压水吸收法的CO₂去除会使燃气发动机的成本成为约5倍。另外，在高压水吸收法中，为了去除CO₂，每1Nm³的CO₂需消耗约1kW的能量，该耗量相当于通过生物气的甲烷燃烧所获得的能量的约15％。如此一来，利用现有的水吸收法的CO₂去除所需要的能量与由CO₂去除所带来的燃气发动机的效率提升效果相抵消。

因此，本发明的目的在于提供一种燃烧系统，其即使在使用将生物气等以甲烷为主成分并含有二氧化碳的气体用作燃料气体的发动机的情况下，也无需复杂的发动机调整作业便能够获得稳定的输出，并且，不需要用于去除二氧化碳的消耗大量能量的工序，而能够享有使用生物气所带来的环境优点。

用于解决问题的手段

为了达成上述目的，本发明的燃烧系统的第1特征为：

一种燃烧系统，具备：分离部，从以甲烷为主成分并含有二氧化碳的混合气体作为成分的被处理气体中去除二氧化碳，并获得至少二氧化碳的含量降低的高纯度甲烷气体；以及燃烧部，使甲烷气体燃烧，

上述分离部具有经由分离膜所分隔的第1处理室及第2处理室，

上述分离膜是以下的构成：使被供给至上述第1处理室的上述被处理气体中的二氧化碳选择性地向上述第2处理室透过，而获得甲烷纯度比上述被处理气体高的上述第1处理室内的第1分离气体、以及含有上述被处理气体中的二氧化碳的上述第2处理室内的第2分离气体。

如上述第1特征所述的本发明的燃烧系统，其第2特征为：进而优选上述分离膜为添加有与二氧化碳选择性地反应的载体的促进输送膜。

如上述第2特征所述的本发明的燃烧系统，其第3特征为：进而优选具备：水蒸气供给部，向上述第1处理室供给水蒸气，

含有由上述水蒸气供给部所供给的水蒸气的上述混合气体作为上述被处理气体被供给至上述第1处理室。

如上述第3特征所述的本发明的燃烧系统，其第4特征为：进而优选上述水蒸气供给部将水蒸气供给至上述第1处理室，上述水蒸气是通过与上述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的高温排气的热交换将水加热而生成的。

如上述第3或第4特征所述的本发明的燃烧系统，其第5特征为：进而优选上述水蒸气供给部将上述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的排气所含的水蒸气供给至上述第1处理室。

如上述第3至第5中任一特征所述的本发明的燃烧系统，其第6特征为：进而优选还具备：排气供给部，将含有上述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的二氧化碳及水蒸气的排气的至少一部分与上述混合气体混合，并作为上述被处理气体供给至上述第1处理室。

如上述第3至第6中任一特征所述的本发明的燃烧系统，其第7特征为：进而优选还具备：水蒸气去除部，从上述第1分离气体将水蒸气去除，并将去除了水蒸气的上述第1分离气体供给至上述燃烧部。

如上述第7特征所述的本发明的燃烧系统，其第8特征为：进而优选上述水蒸气供给部将由上述水蒸气去除部所去除的水蒸气供给至上述第1处理室。

如上述第2至第8中任一特征所述的本发明的燃烧系统，其第9特征为：进而优选还具备：吹扫气体供给部，向上述第2处理室供给吹扫气体。

如上述第9特征所述的本发明的燃烧系统，其第10特征为：进而优选上述吹扫气体含有水蒸气，

上述水蒸气供给部将上述吹扫气体所含的水蒸气供给至上述吹扫气体供给部。

如上述第8特征所述的本发明的燃烧系统，其第11特征为：进而优选具备：吹扫气体供给部，向上述第2处理室供给含有水蒸气的吹扫气体；

上述吹扫气体供给部将含有由上述水蒸气去除部去除的水蒸气的上述吹扫气体供给至上述第2处理室。

如上述第9至第11中任一特征所述的本发明的燃烧系统，其第12特征为：进而优选上述吹扫气体供给部将水蒸气供给至上述第2处理室，所述水蒸气是通过与上述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的高温排气的热交换将水加热而生成的。

如上述第9至第12中任一特征所述的本发明的燃烧系统，其第13特征为：进而优选上述吹扫气体供给部将上述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的排气所含的水蒸气供给至上述第2处理室。

如上述第1至第13中任一特征所述的本发明的燃烧系统，进而优选上述混合气体可以为源自有机物的甲烷发酵所生成的生物气的气体。进而优选上述分离膜为添加有与二氧化碳选择性地反应的载体的促进输送膜的情况下，具备使用超高次脱硫催化剂的脱硫装置，以使得去除源自上述生物气的气体中所含的硫成分(硫化氢)。

发明效果

依据本发明的燃烧系统，设置为以下构成：使用分离膜将生物气等所含的二氧化碳去除，并将高纯度的甲烷气体供给至燃烧室。由此，即使在使用将生物气等以甲烷作为主成分并含有二氧化碳的气体用作燃料气体的发动机的情况下，也无需复杂的发动机调整作业便能够获得稳定的输出。此处，用于去除二氧化碳的分离膜可以适当利用添加有与二氧化碳选择性地反应的载体的促进输送膜。此外，所去除的二氧化碳能够回收并再利用于各种产业用用途。

经由上述分离膜(促进输送膜)的透过所实现的二氧化碳去除想要获得越高纯度的分离气体则需要越大的膜面积，但与高压水吸收法这样的为了去除二氧化碳而消耗大量能量的工序相比节能，并能够最大限度地享有由使用生物气所带来的环境优点。

在将甲烷气体作为主成分并含有二氧化碳的气体作为燃料气体使用的发动机中，也有例如专利文献3～5那样地，通过测定排气的温度等方法，检测燃烧室中的燃烧状态，并根据燃烧状态控制燃料气体的空燃比或混合比的方案；或检测燃料气体的燃烧性(甲烷纯度)，并根据该燃烧性使燃料气体升压并进行供给至燃烧室的控制的方案。然而，依据本发明的燃烧系统，使用分离膜去除二氧化碳，由此可无需如此复杂的控制，并且无需用于检测燃烧状态或燃料气体的燃烧性的传感器，因此能够使用简单的构成的低成本的发动机。能够使用通用的廉价的天然气用的发动机。

另一方面，在使用促进输送膜的情况下，为了获得高透过速度，水分的存在是不可或缺的，因此通过使在生物气中混合了水蒸气气体的气体透过促进输送膜，即使在高温环境中也能够以高选择性能使二氧化碳气体透过。其结果，虽然在分离气体中会混有水蒸气气体，但水蒸气气体能够通过冷却或使用其他选择透过膜而容易去除。

此外，对于用于混合于生物气的水蒸气，也可以从甲烷气体的燃烧所排出的水蒸气与二氧化碳的混合气体中分离并再利用。此外，也可以将排气中所含的二氧化碳经由分离膜进行回收、再利用，不会使二氧化碳排出至外部环境，能够减轻环境负荷。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的燃烧系统的要部构成的示意图。

图2是示出本发明的一个实施方式的燃烧系统的要部构成的示意图。

图3是示出本发明的一个实施方式的燃烧系统的要部构成的示意图。

图4是示出本发明的一个实施方式的燃烧系统的要部构成的示意图。

图5是示出本发明的一个实施方式的燃烧系统的要部构成的示意图。

图6是示出本发明的一个实施方式的燃烧系统的要部构成的示意图。

图7是示出评价分离膜的膜性能的条件及其评价结果的表。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行详细说明。

图1示意性地表示本发明的一个实施方式的燃烧系统1的要部构成。需要说明的是，图1中的箭号简略表示气体流动的流路及方向，图1内所示的化学式示意地表示朝向附图内的箭号方向流动的气体所含的主要成分。另外，在气体流路中所必要的3通阀或混合阀等的记载已省略。这些在之后说明的燃烧系统的各要部构成图中也同样。另外，在各要部构成图中，对于相同的构成要素，赋予相同的符号，并省略其说明。

燃烧系统1具备分离部14及燃烧部15而构成。分离部14从以甲烷作为主成分并含有二氧化碳的混合气体作为成分的被处理气体中去除二氧化碳，并分离出至少二氧化碳的含量降低了的高纯度的甲烷气体。并且，燃烧部15使由分离部14所获得的高纯度甲烷气体燃烧。燃烧部15例如为气体发动机、气体涡轮的燃烧室，用于将由甲烷气体的燃烧反应带来的热能转换为动能、电力等能量而设置。

分离部14具有由分离膜13所分隔的2个处理室11、12。经由气体流路21，含有源自生物气的成分的混合气体作为被处理气体被供给至处理室11(第1处理室)。混合气体是以甲烷气体作为主成分并含有二氧化碳的气体，源自生物气的成分当中，硫化氢、硅氧烷等杂质使用现有的脱硫装置、活性碳吸附方式的硅氧烷去除装置等预先进行去除。

作为脱硫装置，可以使用：使用了吸收液的湿式脱硫法、或使用了氧化锌或氧化铁等硫吸附材的吸附脱硫方式的装置。另外，若使用铜锌系的超高次脱硫催化剂，则能够将硫完全去除至ppb等级以下。特别是，在分离膜13使用促进输送膜的情况下，促进输送膜根据所使用的载体的种类或其浓度，会有受硫化氢的影响的情况，因此优选使用超高次脱硫催化剂。

分离膜13具有使上述被处理气体所含的二氧化碳气体以比甲烷气体的透过率高的透过率，选择性地向处理室12(第2处理室)侧透过的功能。由此，处理室11内的气体的二氧化碳的纯度降低，甲烷气体的纯度上升。另一方面，处理室12内的气体的二氧化碳的纯度上升。

需要说明的是，此处，所谓气体的纯度，是指该气体成分相对于全部气体的摩尔浓度比(即，等同于气体分压的比)。这在之后的说明中也相同。

分离膜13优选由促进输送膜构成。促进输送膜是将与特定的气体分子(此处为二氧化碳)选择性地反应的载体添加于例如凝胶膜中而形成的膜。针对该促进输送膜的具体的构成，在后文叙述。

上述的CO₂促进输送膜中，CO₂除了基于溶解·扩散机理的物理透过之外，也作为与载体的反应产物而透过，因此透过速度得以促进。另一方面，不与载体反应的N₂、CH₄及H₂等气体仅能以溶解·扩散机理而透过，因此CO₂相对于这些气体的分离系数极大。对于Ar、He这样的非活性气体也同样，因不与载体反应，因此与CO₂相比透过性极小。进而，CO₂与载体的反应时所产生的能量被利用于载体用于CO₂放出的能量，因此无需从外部供给能量，本质上为节能工艺。

此处，所谓“载体”，是通过该物质包含于膜内，从而具有使某些特定气体的透过速度加快的效果的物质。

不仅节能效果高，且非常小型，若能够量产化，则与现有的化学吸收法或更为高价的PSA(Pressure Swing Adsorption)法相比，能够构成极低成本的CO₂分离、回收工艺，因此除了脱羧工艺外，也能够运用于从发电排气、炼铁排气、水泥排气等中回收CO₂、以及CTL(Coal to Liquids：从煤炭出发的液体燃料制造)领域这样的新一代类型的能源工艺、或现有的脱羧领域无法应用的小规模的化学工厂或设备，而能够容易地将CO₂分离、回收，因此CO₂促进输送膜被期待能够对低碳社会作出重大贡献。

利用分离膜13，含有甲烷气体及二氧化碳气体的被处理气体被分离为与该被处理气体相比甲烷气体的纯度高且二氧化碳气体的纯度低的处理室11内的第1分离气体、及处理室12内的第2分离气体。第1分离气体经由气体流路23、水蒸气分离部16、以及气体流路24被送至燃烧部15，甲烷气体被用于燃烧。另一方面，第2分离气体大量含有二氧化碳，可以用于各种产业用途而进行回收及再利用。

另外，在分离膜13为促进输送膜的情况下，在分离膜13中没有水分时，二氧化碳的透过速度一般而言非常小，因此为了获得高透过速度，膜内的水分不可或缺。作为使水分维持于分离膜13内的1个方法，可举出以保水性高的水凝胶构成凝胶层。由此，即使在分离功能层内的水分减少的高温下，也能够尽可能将水分保持于膜内，因此例如在100℃以上的高温中也能够实现高的选择透过性能。另外，在被处理气体中含有水分(水蒸气)的情况下，优选不除去该水分而保持的状态下供给至处理室11内。

作为维持分离膜13中的水分的其他方法，优选为在含有甲烷气体及二氧化碳气体的混合气体中进一步混合水蒸气气体(蒸气)，并将含有水蒸气的混合气体作为被处理气体导入至处理室11为佳。为了该目的，在燃烧系统1中设置有水蒸气供给部17。在本实施方式中，从水蒸气供给部17所供给的水蒸气气体与含有甲烷气体及二氧化碳气体的混合气体进行混合，而含有甲烷、二氧化碳及水蒸气的混合气体经由气体流路21被供给至分离部14的处理室11。

含有水蒸气的被处理气体的相对湿度优选为30％～100％，更优选为40％～100％。

含有水蒸气的被处理气体可以升压，也可以升温。通过升压，使作为透过的推进力的二氧化碳气体的分压差增加，而能够使二氧化碳的透过量增加。另外，通过升压使蒸气的分压增加，还有使因升温而降低的相对湿度增加的效果。若考虑升压所需的能量，进行升压时的压力优选为200kPa(A)～1000kPa(A)，更优选为400kPa(A)～1000kPa(A)。虽然温度可以为室温左右的温度，但二氧化碳的透过性能有随温度上升的倾向，因此优选为60℃～130℃，更优选为80℃～120℃。

然而，在按照这样设置水蒸气供给部17的构成的情况下，第1分离气体会成为二氧化碳的纯度低而含有甲烷气体及水蒸气的气体。在将第1分离气体送至燃烧部15时，优选预先去除水蒸气。

因此，在本实施方式中，将水蒸气去除部16设置于处理室11与燃烧部15的燃烧室之间，水蒸气去除部16为如下的构成：将利用水蒸气供给部17所混合的水蒸气从第1分离气体去除，并将水蒸气去除后的高纯度的甲烷气体供给至燃烧部15。水蒸气去除部16可以利用使用了冷凝器的构成、或使用了全氟系膜(或全氟磺酸系膜)等的水蒸气透过膜的公知的构成。例如在使用水蒸气透过膜的情况下，水蒸气气体并非经冷却的液体状态的水，而是以气体状态(具有潜热的状态)被回收，因此使被去除的水蒸气气体的至少一部分直接返回到水蒸气供给部17，而能够作为混合于被处理气体的水蒸气气体进行再利用。作为水蒸气透过膜，也可以使用上述的促进输送膜。此时，促进输送膜可以由与分离膜13不同的材料构成，也可以由相同的材料构成。使用了促进输送膜的水蒸气选择透过膜的例子公开于国际公开第2012/014900号。

利用水蒸气去除部16所去除的水蒸气添加于上述被处理气体，因此能够经由气体流路25被供给至水蒸气供给部17。

作为利用水蒸气供给部17的水蒸气的供给方法，不限于上述的利用由水蒸气去除部16所去除的水蒸气的方法。虽然会另外消耗能量，但也可将水加热而生成水蒸气。此时，期望在燃烧部15中，利用由甲烷的燃烧所生成的高温排气气体，并通过与高温的排气气体的热交换来将水加热而生成水蒸气，从而节能。另外，如后述那样，也能够将甲烷的燃烧反应后的排气气体所含的水蒸气进行再利用。

在处理室12内，为了使透过侧的二氧化碳分压降低，而获得作为选择透过的推进力的分压差，优选流动有吹扫气体。吹扫气体由气体流路22(吹扫气体供给部)供给。吹扫气体优选含有水蒸气气体。在本实施方案中，水蒸气供给部17除了将加入了水蒸气的被处理气体供给至处理室11外，还能够以使吹扫气体含有水蒸气的方式将水蒸气供给至处理室12。吹扫气体所含的水蒸气与被供给至处理室11的水蒸气同样，期望利用由甲烷的燃烧所生成的高温排气气体并通过与高温排气气体的热交换，将水加热而生成水蒸气，从而节能。另外，如后述那样，也能够将甲烷的燃烧反应后的排气气体所含的水蒸气进行再利用。

通过将作为吹扫气体的水蒸气气体供给至处理室12，能够使供给侧(处理室11)与透过侧(处理室12)之间的水蒸气气体的分压差减小，并使被处理气体中的水蒸气气体的透过量减少，由此抑制被处理气体的相对湿度的降低。另外，CO₂的回收率越高则透过侧的水蒸气气体的比例减小，因此处理室12内气体(第2分离气体)的相对湿度降低，然而通过使吹扫气体所含的水蒸气气体的流量增加，能够抑制相对湿度的降低。但是，在将水蒸气用作吹扫气体的情况下，有必要以透过侧的压力为所使用的温度下的饱和水蒸气压以下的方式进行控制。即，在小于100℃的温度条件下仅使用水蒸气气体作为吹扫气体的情况下，需要使透过侧减压。

如此，将含有甲烷及二氧化碳的被处理气体供给至处理室11，并经由分离膜13，使被处理气体中的二氧化碳以比甲烷更高的透过率透过，由此能够将几乎不含二氧化碳的高纯度的甲烷气体供给至燃烧部15。其结果，通过装入气体发动机作为燃烧系统1的燃烧部15，气体发动机即使在使用生物气作为燃料的情况下，也无需复杂的发动机调整作业便能够获得稳定的输出，能够期望小型化·高输出化。

另外，因为不需要根据燃烧室的燃烧状态进行的燃料气体的空燃比的控制、或根据燃料气体的燃烧性(甲烷纯度)进行的供给燃料气体的升压控制之类的复杂且高级的发动机控制，因此能够使用简单构成的气体发动机，由此期望低成本化。能够使用通用的廉价的天然气用的发动机。

另外，在燃烧系统1中，通过使用CO₂选择透过膜，从而无需消耗大量能量便能够去除二氧化碳，因此节能，且不会损害而能够享有由使用生物气所带来的环境优点。

<第2实施方式>

图2～图6示意性地表示本发明的燃烧系统的其他构成例。图2～图6所示的燃烧系统2～6在燃烧部15中，可以将由甲烷的燃烧反应所生成的排气进行再利用。

利用甲烷的燃烧反应，生成水蒸气及二氧化碳。水蒸气气体作为被供给至分离部的第2处理室12的吹扫气体、或被混合于被处理气体，由此如上述那样，即使在高温条件中也能够维持分离膜中的水分，而获得高透过率。另一方面，二氧化碳气体利用分离膜去除，由此能够降低排气对环境所造成的负荷。另外，通过提高纯度，也可用于各种产业用途。

在图2所示的燃烧系统2中，在燃烧部15中产生的排气与来自水蒸气供给部17的水蒸气混合而作为吹扫气体进行供给。因此，是能够有效利用排气所含的水蒸气的构成。然而，因排气中含有二氧化碳，因此有必要以使吹扫气体中的二氧化碳的分压不超过被处理气体中的二氧化碳的分压的方式，调整水蒸气的混合比率及流量。

关于甲烷燃烧后的排气的组成，若设空气中的氮与氧的比为4∶1，且被摄入至燃烧室的空气中的全部的氧没有过量或不足地用于甲烷燃烧，则CO₂∶H₂O∶N₂＝1∶2∶8。在将排气作为促进输送膜的吹扫气体利用的情况下，为了获得上述优选的相对湿度，需要将经加压的排气供给至处理室12，但因排气的加压，排气所含的二氧化碳的分压也增加，有二氧化碳的选择透过所必需的推进力降低的担忧。因此。通常为了将排气用作促进输送膜的吹扫气体而获得高选择性能，在吹扫气体中另行添加水蒸气。然而，在促进输送膜以外的选择透过膜(例如基于溶解扩散机理的CO₂分离膜)中，由于膜透过不需要水分，因此仅直接使排气进入透过侧，便可期待作为吹扫气体的效果。

在图3所示的燃烧系统3中，在流动有来自燃烧部的排气的流路26上设置有水蒸气分离部18。水蒸气分离部18使排气所含的水蒸气分离。经分离的水蒸气能够经由水蒸气供给部17被混合于吹扫气体或被处理气体。水蒸气分离部18与水蒸气去除部16同样，可以利用使用了水蒸气透过膜的公知的构成。此外，在水蒸气分离部也能够使用促进输送膜。另一方面，与图2的燃烧系统同样，水蒸气分离后残留的包含二氧化碳及氮的气体(虽未图示)可以作为供给至处理室12的吹扫气体利用。

在图4所示的燃烧系统4中，来自燃烧部15的排气被供给至除分离部14之外另设的设置有分离膜33(CO₂促进输送膜)的分离部34的处理室(供给侧)31内。在排气的成分中，含有从空气中摄入燃烧所必要的氧所带来的氮气，然而通过将该排气供给至分离部34的处理室31，从而在透过侧的处理室32能够获得氮经去除的含有二氧化碳及水蒸气的气体。该气体通过去除水蒸气成分而能够作为高纯度的二氧化碳气体用于各种产业用途。处理室32中可以流动有吹扫气体。作为吹扫气体，优选水蒸气。为了获得高的二氧化碳透过速度，水蒸气供给部17可以供给在处理室31内与排气混合的水蒸气、及作为吹扫气体被供给至处理室32内的水蒸气。

图5所示的燃烧系统5构成为：对于设置有用于去除排气中的氮的分离部34而言与图4的燃烧系统4相同，但通过氮分离所获得的含有二氧化碳及水蒸气的气体通过排气供给部19混合至生物气，并将混合气体作为被处理气体供给至分离部14的供给侧(处理室11)。由此，排气中的二氧化碳选择透过分离部34的分离膜33，并进一步选择透过分离部14的分离膜13，在处理室12内作为第2分离气体被回收。经回收的二氧化碳气体在去除水蒸气后，能够作为高纯度的二氧化碳气体进行各种产业利用。

对于图6所示的燃烧系统，在图4的构成中，使被供给有吹扫气体的分离部14的处理室12及分离部34的处理室32为共通的处理室。替代分离部14及34，设置有分离部35。分离部35经分离膜13及33而分隔为3个处理室。在经分离膜13所分隔的处理室36中，生物气与从水蒸气供给部17所供给的水蒸气的混合气体作为被处理气体而供给。在经分离膜33所分隔的处理室38中，供给有在甲烷燃烧后的排气中混合了从水蒸气供给部17所供给的水蒸气的混合气体。在被分离膜13及分离膜33的双方所分隔的处理室37中，供给有作为吹扫气体的水蒸气气体，并使生物气所含的二氧化碳气体经由分离膜13从处理室36选择透过至处理室37内，且使排气中的二氧化碳气体经由分离膜33从处理室38选择透过至处理室37内。通过该构成，排气中的二氧化碳、及生物气中的二氧化碳一同在处理室37中被回收，并能够作为高纯度的二氧化碳气体进行再利用。

如此，图2～图6所示的燃烧系统中，在燃烧部15中，可以将通过甲烷的燃烧反应所生成的排气中的水蒸气气体或二氧化碳气体进行再利用。

特别是，在图4～图6所示的燃烧系统中，可以设为以下的构成：将通过燃烧所产生的二氧化碳气体经由分离膜13或33回收，使二氧化碳不会释出至外部环境，从而能够减轻环境负荷。

以下，具体说明分离膜13(33)的构成及制造方法。

<膜结构>

分离膜13及33是CO₂促进输送膜，并如上述那样，为在凝胶膜中含有与CO₂选择性地反应的载体的结构。作为CO₂载体，可举出例如碳酸铯或碳酸氢铯、或者碳酸铷或碳酸氢铷等碱金属的碳酸化物或碳酸氢化物。同样地，因氢氧化铯或氢氧化铷等碱金属的氢氧化物也会与二氧化碳反应而生成碳酸化物或碳酸氢化物，因此可谓等价物。另外，已知有2，3-二氨基丙酸盐(DAPA)、甘氨酸等氨基酸也显示高的CO₂选择透过性能。

更具体而言，CO₂促进输送膜可以是将使上述的载体包含于凝胶膜内所构成的凝胶层担载于亲水性或疏水性的多孔膜而成的膜。作为构成凝胶膜的膜材料，例如可列举出聚乙烯醇(PVA)膜、聚丙烯酸(PAA)膜、或聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA/PAA)盐共聚物膜。此处，本领域技术人员有时也会将聚乙烯醇-聚丙烯酸盐共聚物称为聚乙烯醇-聚丙烯酸共聚物。

已知上述构成的CO₂促进输送膜显示了高的CO₂选择透过性能。

还有，该CO₂促进输送膜在膜内没有水分时，二氧化碳的透过速度非常小，为了获得高透过速度，膜内的水分不可或缺。因此，凝胶膜优选为水凝胶膜。通过将凝胶膜以保水性高的水凝胶膜构成，即使在凝胶膜内的水分减少的环境下(例如，100℃以上的高温)，也能够尽可能将水分保持于膜内，也能够实现高的CO₂渗透率。在上述的例子中，聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA/PAA)盐共聚物膜及聚丙烯酸膜为水凝胶膜。

需要说明的是，水凝胶是亲水性聚合物通过化学交联或物理交联进行交联而形成的三维网状结构物，具有通过吸收水而溶胀的性质。

此外，也可在膜内含有加快CO₂载体与CO₂的反应的催化剂。作为这样的催化剂，优选含有碳酸酐酶或含氧酸化合物，特别是优选含有选自第14族元素、第15族元素、及第16族元素中的至少1个元素的含氧酸化合物而构成。或者，优选该催化剂含有亚碲酸化合物、亚硒酸化合物、亚砷酸化合物、以及原硅酸化合物中的至少任一种而构成。

本实施方式中，CO₂促进输送膜13(33)由以下的物质构成：含有二氧化碳载体的水凝胶所构成的凝胶膜、和将其担载的多孔膜。需要说明的是，作为CO₂促进输送膜的膜结构，不限于该具体例。也可以例如在圆筒形状的多孔支承体的外周侧面或内周侧面形成含有载体的凝胶膜而得的膜。

<膜的制造方法>

以下，对于CO₂促进输送膜(分离膜13及33)的制造方法进行说明。

首先，制作由含有PVA/PAA盐共聚物、CO₂载体(此处为Cs₂CO₃)、及CO₂水合反应催化剂的水溶液形成的浇注溶液(工序1)。更详细而言，将2g的聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA/PAA)盐共聚物(例如，住友精化制的SS凝胶)、4.67g的碳酸铯、以及相对于碳酸铯为0.025倍的摩尔数的亚碲酸钙添加于80g水，搅拌至溶解而获得浇注溶液。接着，将在工序1中获得的浇注溶液用涂布器在PTFE多孔膜上进行浇注(工序2)。之后，通过干燥使浇注溶液凝胶化而形成凝胶层(工序3)。

<性能评价结果>

以下，针对以上述制造方法所制膜的CO₂促进输送膜，示出二氧化碳的选择透过性的评价结果。

作为构成CO₂促进输送膜的CO₂载体，使用上述的Cs₂CO₃，并将在以PVA/PAA盐共聚物为主成分的水凝胶中添加CO₂载体的膜作为水凝胶膜，担载于疏水性的PTFE多孔膜，制成分离膜13。

需要说明的是，下述的评价结果中，为了方便评价实验，替代评价CO₂相对于CH₄的选择透过性能，将甲烷以氮代替，并对于含有氮及二氧化碳的混合气体，评价CO₂相对于N₂的选择透过性能。如上述所示，CH₄、及N₂不与CO₂促进输送膜中的载体反应，因此与CO₂相比的透过性均极小。实际上，对于上述的分离膜而言，进行了使用含有CH₄、N₂、及蒸气(H₂O)的三成分的混合气体的实验时，CH₄渗透率相对于N₂渗透率的比为0.74。因此，在下述的模拟例中，将N₂渗透率的0.74倍的值用作该膜的评价条件中的CH₄渗透率。

针对上述的膜，示出以使温度及供给侧(处理室11侧)压力(总压)为恒定，并改变被处理气体及吹扫气体的相对湿度的3个条件下进行分离膜13的评价的结果。

首先，被处理气体如上述那样，为含有(替代甲烷)氮、二氧化碳、及水蒸气的混合气体。此时，使处理温度为110℃、被处理气体的总压为900kPa而恒定，并使供给至处理室11的水蒸气气体的分压改变。另一方面，不考虑水蒸气的二氧化碳与氮的组成比(分压比)选定为通常的生物气的组成(CO₂∶CH₄＝4∶6)，并以维持CO₂∶N₂＝4∶6的方式，分别使氮及二氧化碳的分压变化。吹扫气体是水蒸气气体或水蒸气与Ar的混合气体，并使水蒸气气体的分压与被处理气体相同，在条件1及2中，以使总压为100kPa(大气压)的方式，在吹扫气体中加入Ar气体。

图7中表示在各评价条件下的温度、被处理气体及吹扫气体的压力、组成比(分压比)及相对湿度、CO₂渗透率及N₂的渗透率的评价结果。需要说明的是，在评价条件1中，所谓N₂渗透率为“GC检测极限以下”，是指透过分离膜13的第2分离气体中的N₂的浓度过低，利用气相色谱仪无法检测出N₂，无法算出渗透率。此时的N₂渗透率，估计至多是1.37×10^-8[mol/m²s·kPa]。

CO₂相对于N₂(CH₄)的选择性，可以按照CO₂渗透率相对于N₂(CH₄)渗透率的比的形式来表示。根据图7，可知CO₂促进输送膜具有超过500的CO₂/N₂选择性。因此，对于CO₂/CH₄选择性而言，也具有相同程度的选择性能。

作为应关注的方面，在评价条件1～3中，相对湿度越高则CO₂渗透率越高。可认为这种湿度依赖性为促进输送膜的特征。促进输送膜特别是在高湿度区域中，与其他分离膜(基于溶解扩散机理的分离膜等)相比，具有非常高的CO₂渗透率及选择性。

<必要膜面积>

示出了依据上述评价条件1～3的膜性能评价结果，计算为使第1分离气体的出口(气体流路23附近)侧甲烷浓度(纯度)成为90％以上所必需的膜面积的结果。在必要膜面积的评价时，将在上述评价条件1或3中的被处理气体组成、吹扫气体组成、及膜透过性能代入至模拟器，并一边改变膜面积及吹扫气体的流量，一边求出使甲烷浓度(纯度)成为90％以上的最小膜面积。对于CH₄渗透率而言，如上述那样，采用N₂渗透率的0.74倍的值。然而，在评价条件1中，N₂渗透率为GC检测极限以下，因此将评价条件3中的N₂渗透率的0.74倍的值用作评价条件1中的CH₄渗透率(因此，可认为实际的CH₄渗透率是比此更低的值)。另外，供给至处理室11的被处理气体的流量(除了水蒸气)设定为330Nm³/h。

另外，CO₂渗透率不取决于膜的区域而为恒定值(图7所示的值)。然而，促进输送膜有供给侧(处理室11侧)与透过侧(处理室12侧)的CO₂分压差越低则CO₂渗透率越高的特征(例如参照日本特愿2015-223893号)。因此，实际上，根据处理室11内CO₂分压在膜上的分布，从膜的入口侧(流路21的附近)越接近膜的出口侧(流路23的附近)则CO₂渗透率越高。因此，在使用促进输送膜的情况下，可认为实际上所必要的膜面积比计算出的值更少即可。

计算的结果是，必要的膜面积在评价条件1的情况下为575m²，在评价条件3的情况下为250m²。虽为较大的面积，但通过组合多个膜模块，能够充分实现作为用于生物气燃烧的燃烧系统。

因此，依据本发明的燃烧系统，将生物气所含的二氧化碳经由CO₂分离膜去除，并将去除后的高纯度的甲烷气体供给至燃烧室，从而能够实现可最大限度享有使用生物气所带来的环境优点，且节能并能够获得稳定的输出的燃烧系统。

<其他实施方式>

以下，针对其他实施方式进行说明。

<1>在上述实施方式的燃烧系统1～6中，使分离膜(CO₂促进输送膜)13、33为平膜，但并不一定限于此，可以为在圆筒形的多孔膜的内侧面或外侧面担载有含有载体的凝胶层的曲面形状或中空丝状的膜。同样地，本发明不依赖于各处理部内的处理室的配置，也可考虑为设为相同轴心的圆筒形的多个处理室被CO₂促进输送膜或透过膜分离的构成、或在轴心的延长方向将各处理室串联配置的构成。

<2>另外，在上述实施方式中，虽然利用由聚乙烯醇-聚丙烯酸盐共聚物所构成的凝胶膜作为CO₂促进输送膜的材料，然而此为一例，也可以采用发挥CO₂选择分离能力的同样的亲水性聚合物。另外，对于CO₂载体而言，不限于实施方式所列举的材料，只要是具有所期望的CO₂选择透过性能，也可以采用其他的材料膜。

<3>在上述实施方式中，虽然使用水蒸气作为吹扫气体，然而作为在分离部14的处理室12内、分离部34的处理室32内、或分离部35的处理室37内流动的吹扫气体不限于水蒸气。例如，吹扫气体也可以含有氮气或氩气等气体成分。然而，因会使第2分离气体中含有该气体成分，因此设想将第2分离气体中的二氧化碳气体进行再利用时，会另外需要将该气体成分进行分离的工序。另外，在图5所示的燃烧系统5中，作为供给至处理室32的吹扫气体，虽然也可以设为含有水蒸气以外的气体成分的混合气体，但该气体成分会混合至生物气，并在处理室11内进行循环供给，因此在比燃烧部15更前段处必须有去除该气体成分的工序。

对于这一点而言，若考虑到第2分离气体中的二氧化碳气体的再利用，则处理室12、32(图4)、37内流动的吹扫气体优选能够从二氧化碳气体中容易地分离的气体，水蒸气气体是适宜的。同样地，在图5的处理室32内流动的吹扫气体优选为能够从甲烷气体及二氧化碳气体中容易地分离的气体，水蒸气气体是适宜的。也可以在处理室12、37内的第2分离气体的一部分、处理室32内的透过气体的一部分、或甲烷燃烧后的排气的一部分中混合水蒸气气体，并将混合气体作为吹扫气体进行再利用。然而，由于混合气体中含有二氧化碳，因此需要以使吹扫气体的二氧化碳的分压低于被处理气体的二氧化碳分压的方式，调整水蒸气气体的混合比率。

<4>另外，在上述实施方式中，作为燃烧系统的构成例，举出了图1～6中分别示出的燃烧系统1～6，但本发明不限于这些具体的构成，本领域技术人员在作为整体不矛盾的范围内，将燃烧系统1～6的构成的一部分或全部进行适当组合，可以容易地构成其他的燃烧系统。可以说这种由燃烧系统1～6所提示的构成也公开于本说明书中。

产业上的可利用性

本发明可用于将通过有机物的甲烷发酵所获得的生物气这样的、可燃性气体中包含二氧化碳气体的混合气体作为燃料使用的燃烧系统，能够用作通过将利用分离膜去除了二氧化碳的混合气体供给至燃烧室，从而能够最大限度地享有使用生物气所带来的环境优点，且节能并能够获得稳定的输出的燃烧系统。

附图标记說明

1～6：燃烧系统

14：分离部

11：第1处理室

12：第2处理室

13：分离膜

15：燃烧部

16：水蒸气去除部

17：水蒸气供给部

18：水蒸气分离部

19：排气供给部

21～26：气体流路

34、35：分离部

31、32、36～38：处理室

33：分离膜

Claims

1.一种燃烧系统，其特征在于，具备：分离部，从以甲烷为主成分并含有二氧化碳的混合气体作为成分的被处理气体中去除二氧化碳，并获得至少二氧化碳的含量降低的高纯度甲烷气体；以及燃烧部，使甲烷气体燃烧，

所述分离部具有经由分离膜所分隔的第1处理室及第2处理室，

所述分离膜是以下的构成：使被供给至所述第1处理室的所述被处理气体中的二氧化碳选择性地向所述第2处理室透过，而获得甲烷纯度比所述被处理气体高的所述第1处理室内的第1分离气体、以及含有所述被处理气体中的二氧化碳的所述第2处理室内的第2分离气体。

2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述分离膜为添加有与二氧化碳选择性地反应的载体的促进输送膜。

3.根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，具备：水蒸气供给部，向所述第1处理室供给水蒸气，

含有由所述水蒸气供给部所供给的水蒸气的所述混合气体作为所述被处理气体被供给至所述第1处理室。

4.根据权利要求3所述的燃烧系统，其特征在于，所述水蒸气供给部将水蒸气供给至所述第1处理室，所述水蒸气是通过与所述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的高温排气的热交换将水加热而生成的。

5.根据权利要求3或4所述的燃烧系统，其特征在于，所述水蒸气供给部将所述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的排气所含的水蒸气供给至所述第1处理室。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的燃烧系统，其特征在于，还具备：排气供给部，将含有所述燃烧部中的甲烧燃烧所生成的二氧化碳及水蒸气的排气的至少一部分与所述混合气体混合，并作为所述被处理气体供给至所述第1处理室。

7.根据权利要求3～6中任一项所述的燃烧系统，其特征在于，还具备：水蒸气去除部，从所述第1分离气体将水蒸气去除，并将去除了水蒸气的所述第1分离气体供给至所述燃烧部。

8.根据权利要求7所述的燃烧系统，其特征在于，所述水蒸气供给部将由所述水蒸气去除部所去除的水蒸气供给至所述第1处理室。

9.根据权利要求2～8中任一项所述的燃烧系统，其特征在于，还具备：吹扫气体供给部，向所述第2处理室供给吹扫气体。

10.根据权利要求9所述的燃烧系统，其特征在于，所述吹扫气体含有水蒸气，

所述水蒸气供给部将所述吹扫气体所含的水蒸气供给至所述吹扫气体供给部。

11.根据权利要求7所述的燃烧系统，其特征在于，具备：吹扫气体供给部，向所述第2处理室供给含有水蒸气的吹扫气体；

所述吹扫气体供给部将含有由所述水蒸气去除部去除的水蒸气的所述吹扫气体供给至所述第2处理室。

12.根据权利要求9～11中任一项所述的燃烧系统，其特征在于，所述吹扫气体供给部将水蒸气供给至所述第2处理室，所述水蒸气是通过与所述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的高温排气的热交换将水加热而生成的。

13.根据权利要求9～12中任一项所述的燃烧系统，其特征在于，所述吹扫气体供给部将所述燃烧部中的甲烷燃烧所生成的排气所含的水蒸气供给至所述第2处理室。

14.根据权利要求1～13中任一项所述的燃烧系统，其特征在于，所述混合气体包含源自有机物的甲烷发酵所生成的生物气的气体。

15.根据权利要求14所述的燃烧系统，其特征在于，所述分离膜为添加有与二氧化碳选择性地反应的载体的促进输送膜，

具备将源自所述生物气的气体中所含的硫成分去除的、使用超高次脱硫催化剂的脱硫装置。