JP4684365B2 - 被分離ガスの分離装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼排ガスやプロセスガス等の被分離ガス中に含まれるある一種のガスを分離する分離装置及び方法に関するものである。

石炭火力発電やガス化複合発電（ＩＧＣＣ）等の発電システムや、鉄鋼プラント、セメントプラント等における燃焼排ガスやプロセスガス中に含まれる、ある一種のガス、例えば二酸化炭素（ＣＯ_２）を分離する技術としては、化学吸収法、ＰＳＡ法（物理吸着法）、膜分離法、物理吸収法、酸素燃焼法などが行われている。

化学吸収法および物理吸収法は、使用する薬剤が高価であり、更に前記薬剤の毒性が高く、当該薬剤の漏洩による環境汚染の問題がある。ＰＳＡ法（物理吸着法）や膜分離法では、高価な吸着剤（ゼオライト等）や分離膜（ゼオライト膜、有機膜）が必要であり、加えて、前記吸着剤や分離膜の定期的な交換が必要であるため、維持コストもかかる。また、酸素燃焼法は、燃焼空気の酸素分離設備を設ける必要がありコストがかかる上、高濃度酸素燃焼によるサーマルＮＯｘの増加などの問題がある。

ここで、燃焼排ガスやプロセスガス等のガス中のＣＯ_２をハイドレート化させることによって前記ガスからＣＯ_２を分離するハイドレート分離法は、水のみを利用してＣＯ_２の分離を行うことができるという点で最もクリーンな方法であり、注目されている。

しかしながら、ＣＯ_２ハイドレート等のガスハイドレートを生成する場合には加圧、冷却等の工程が必要であり、更に、分離したガスを利用するためガスハイドレートを分解（再ガス化）する場合には、比較的低い温度で加温する等のエネルギーが必要であるので、運転コストが比較的高くなる傾向がある。

特許文献１では、燃焼排ガス中のＣＯ_２をハイドレート化することによって分離し、その分離したＣＯ_２ハイドレートをＣＯ_２に再ガス化するときに発生するエネルギーをガスエキスパージョン等の動力回収装置によって回収し、工程全体の圧縮動力の低減が図られている。

米国公開特許第２００７／０２４８５２７号明細書

エネルギー問題およびそのエネルギー問題に起因する環境問題に鑑み、更なる省エネルギー化が求められている。本発明の目的は、燃焼排ガスやプロセスガス等の被分離ガスからＣＯ_２等のある一種のガスを分離する際にかかる消費エネルギーを低減させ、装置の運転コストを低減することができる被分離ガスの分離装置及び方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る被分離ガスの分離装置は、複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成部と、前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水部と、脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解部と、を備えた被分離ガスの分離装置であって、前記脱水部において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガスハイドレート分解部において前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成部に入れるように構成されたことを特徴とするものである。

ガスハイドレートの生成条件はガスハイドレート化されるガス種によって異なるが、一般的に高圧、低温の条件である。例えば、排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）の場合は、そのＣＯ_２濃度により異なるが５〜２０ＭＰａ、０〜４℃である。

前記ガスハイドレート生成部において被分離ガス中から分離された一種のガスは、再ガス化して利用することができる。その再ガス化の際、ガスハイドレートの分解によって生じた水は前記ガスハイドレート生成部に戻されて再利用される。ここで、ガスハイドレートの分解時には比較的低温の分解熱が必要であり、該分解によって生じた水は約１０〜１５℃程度になっている。このため、当該分解によって生じた水をガスハイドレート生成部に戻す場合には、前記ガスハイドレートの生成条件の低温にまで冷却する必要がある。

一方、ガスハイドレート生成部において生成されたガスハイドレートスラリーを前記脱水部において脱水し、前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水は、ガスハイドレート生成部とほぼ同じ程度の低温である。

本態様によれば、ガスハイドレート生成部とガスハイドレート分解部の間に脱水部を設け、前記脱水部において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水（ハイドレート生成部と同程度の低温）と、前記ガスハイドレート分解部において前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水（やや温度が高い）とを合一するので、合一した水の温度は、前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水よりも低温になり、ガスハイドレートを分解した際に生じる水のみをガスハイドレート生成部に戻す場合に比べ、該水（循環水）を冷却するためのエネルギーを低減することができる。また、脱水された高濃度のハイドレートスラリーが再ガス化されるので、再ガス化に必要な分解熱エネルギーも低減できる。

本発明の第２の態様に係る被分離ガスの分離装置は、複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成部と、前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水部と、脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解部と、前記ガスハイドレート分解部での前記再ガス化で得られる水を受けて該水に溶解している前記一種のガスを放散させるガス放散部と、を備え、前記脱水部において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガス放散部を経た水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成部に入れるように構成されたことを特徴とするものである。

前記ガスハイドレート分解部においてガスハイドレートを再ガス化して得られた水中には前記被分離ガスから分離されたガスが溶解している。一般的に、ガスの水への溶解度は圧力が高くなるほど、または温度が低くなるほど大きくなる傾向がある。特に、二酸化炭素は被分離ガス中に含まれる他のガス成分（例えば水素、窒素など）に比べて水への溶解度が非常に高いことが知られており、該水へのガスの溶け込みによってガスの分離効率が悪くなってしまう。

ここで、前記ガスハイドレート分解部におけるハイドレートの分解条件を高温にすれば、水中への前記ガスの溶け込みは少なくなるが、その高温にされた水をガスハイドレート生成部に戻す場合、該水（循環水）を冷却するための消費エネルギーが増大する。
一方、前記ガスハイドレート分解部におけるハイドレートの分解をより低圧で行えば、水中への前記ガスの溶け込みは少なくなるが、前記脱水部からガスハイドレートをガスハイドレート分解部に送る際には、当該ガスハイドレート分解部内をガスハイドレートが分解しない圧力（高圧）にする必要があり、該ガスハイドレート分解部４を再昇圧するためにかかる消費エネルギーが増大する。

本態様では、ガスハイドレート分解部とは別にガス放散部を設け、前記ガスハイドレート分解部における前記再ガス化で得られる水をガス放散部に送り、該ガス放散部において前記再ガス化で得られる水中に含まれるガス（被分離ガスから分離されたガス）を放散させた水を、前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と合一して循環水として前記ガスハイドレート生成部に入れるように構成されている。

本態様によれば、ガスハイドレート分解部とガス放散部とを別々に設けることによって、ガスハイドレート分解部の圧力をあまり下げず、温度を高く設定することによりガスハイドレートの分解条件とし、該ガスハイドレートの分解を行うことができる。例えば、二酸化炭素をハイドレート化する場合には、ガスハイドレート生成部および脱水部は６〜９ＭＰａ、２〜４℃、ガスハイドレート分解部は４ＭＰａ、１０℃程度に設定することができる。
すなわち、ハイドレート生成部または脱水部と、ガスハイドレート分解部との圧力条件および温度条件の差を小さくしてガスハイドレートの分解を行うことができる。

そして、ガスハイドレートを分解して得られた水をガス放散部に送り、該ガス放散部において前記水中に溶解しているガスを放散させる際には、ガス放散部の圧力を低く設定することにより、該ガス放散部の温度を低く抑えつつ前記水からのガスの放散を行うことができる。例えば、前述した二酸化炭素をハイドレート化する場合におけるガス放散部の圧力及び温度は０．２〜０．５ＭＰａ、１０℃程度に設定することができる。

前記ガス放散部内の圧力を低く設定すると、ガスハイドレート分解部からガス放散部へ水を移送する際に該ガスハイドレート分解部内の圧力は低下するが、該水の移送による圧力低下を補うだけの昇圧をガスハイドレート分解部に行うだけで足りる。
したがって、前述したガスハイドレート分解部を低圧にしてガスハイドレートの分解により得られる水中へのガスの溶け込みは少なくする場合よりも、ガスハイドレート分解部の再昇圧にかかる消費エネルギーを抑えることができる。

前記ガス放散部を経た水は、前記脱水部において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と合一し、循環水として前記ガスハイドレート生成部に入れる。前記ガス放散部は、ガスハイドレート分解部と別に設けられているので、圧力を下げることによってガスの放散を行うことができるため、ガスを放散させるために水を昇温させる必要がない。したがって、循環水としてガスハイドレート生成部に戻す水を冷却するためのエネルギーを抑えることができる。
尚、該ガス放散部では、水中からのガスの放散による放散熱を補う程度の加熱を行うことが好ましい。

以上のように、ガスハイドレート分解部におけるガスハイドレートの再ガス化によって得られた水中のガスを放散させて該ガスの分離効率の向上を図ると共に、被分離ガスの分離装置の運転に係るエネルギー消費を抑え、低コスト化を実現することができる。

本発明の第３の態様に係る被分離ガスの分離装置は、第１の態様または第２の態様において、前記ガスハイドレート生成部の上流側に前記被分離ガスを所定の圧力にする圧縮装置を備え、前記圧縮装置の動力として、前記ガスハイドレート生成部から放出される、ハイドレート化しない高圧ガスの圧力エネルギーを利用することを特徴とするものである。

前述のように、ガスハイドレートの生成条件は高圧、低温の条件であるので、前記被分離ガスは前記圧縮装置によって圧縮され、高圧にされてガスハイドレート生成部に供給される。

そして、前記ガスハイドレート生成部において、該被分離ガス中のある一種のガスのガスハイドレートを生成させた後の残りのガス（ハイドレート化しないガス）は、該高圧のままガスハイドレート生成部から放出されることになる。

本態様によれば、被分離ガス中の一種のガスをハイドレート化させて分離した後の高圧ガス、すなわち、ハイドレート化しない高圧ガスの圧力エネルギーを、前記圧縮装置の動力として利用することによって、該圧縮装置における消費エネルギーを低減させることができる。以って装置全体の運転コストを低減することができる。

本発明の第４の態様に係る被分離ガスの分離装置は、第３の態様において、前記高圧ガスが大気圧になるときに発生する冷熱によって、前記循環水を冷却する冷却部を備えていることを特徴とするものである。

本態様によれば、前記ハイドレート化しない高圧ガスの圧力エネルギーを前記圧縮装置の動力として利用する際、該高圧ガスが大気圧になるときに発生する冷熱によって前記循環水を冷却することができる。このことによって、前記循環水の冷却にかかる消費エネルギーを低減させることができる。以って装置全体の運転コストを低減することができる。

本発明の第５の態様に係る被分離ガスの分離装置は、第１の態様から第４の態様のいずれか一つにおいて、前記ハイドレート化されるガスは二酸化炭素であることを特徴とするものである。本態様によれば、第１の態様から第４の態様のいずれかと同様の作用効果を奏し、二酸化炭素をハイドレート化させることによって被分離ガスから分離することができる。

本発明の第６の態様に係る被分離ガスの分離装置は、第１の態様から第５の態様のいずれか一つにおいて、前記被分離ガスは、有用ガス成分と非有用ガス成分との混合ガスであり、前記ハイドレート化されるガスは、前記非有用ガス成分であることを特徴とするものである。

ここで、有用ガス成分とは、ある特定の用途に対して有用なガス成分を指すものである。また、非有用ガス成分とは、前記特定の用途に対して有用ではないガス成分のほか、当該非有用ガス成分が存在することによって前記有用なガス成分の用途が制限または阻害されるような成分も含む。

本態様によれば、第１の態様から第５の態様のいずれかと同様の作用効果を奏し、非有用ガス成分をハイドレート化させることによって被分離ガスから分離することができる。以って、有用ガス成分の濃縮、精製を行うことができる。

本発明の第７の態様に被分離ガスの分離方法は、複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成工程と、前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水工程と、脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解工程と、を含み、前記脱水工程において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガスハイドレート分解工程において前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成工程においてガスハイドレートを生成するための水として循環させることを特徴とするものである。本態様によれば、第１の態様と同様の作用効果を奏する。

本発明の第８の態様に被分離ガスの分離方法は、複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成工程と、前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水工程と、脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解工程と、前記ガスハイドレート分解工程での前記再ガス化で得られる水を受けて該水に溶解している前記一種のガスを放散させるガス放散工程と、を含み、前記脱水工程において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガス放散工程を経た水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成工程においてガスハイドレートを生成するための水として循環させることを特徴とするものである。本態様によれば、第２の態様と同様の作用効果を奏する。

本発明の第９の態様に被分離ガスの分離方法は、第７の態様または第８の態様において、前記ハイドレート化されるガスは二酸化炭素であることを特徴とするものである。

本態様によれば、第７の態様または第８の態様と同様の作用効果を奏し、二酸化炭素をハイドレート化させることによって被分離ガスから分離することができる。

本発明によれば、被分離ガス中に含まれる一種のガスをハイドレート化して分離する際にかかる消費エネルギーを低減させ、装置の運転コストを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る被分離ガスの分離装置を示す概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る被分離ガスの分離装置を示す概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る被分離ガスの分離装置を示す概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る被分離ガスの分離装置を示す概略構成図である。

以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
本発明に被分離ガスの分離装置の一実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る被分離ガスの分離装置を示す概略構成図である。

［実施例１］
本実施例に係る被分離ガスの分離装置１は、被分離ガスＧ_０中に含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成部２と、前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水部３と、脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解部４と、を備えている。

前記ガスハイドレート生成部２の上流側には、被分離ガスＧ_０を、前記一種のガスがハイドレート化する所定の圧力および温度にする遠心圧縮器等の圧縮装置５とガス冷却器６とを備えている。

また、燃焼排ガス、プロセスガス等の被分離ガスＧ_０は、通常４０〜２００℃程度の高温であり、水（水蒸気）、油、灰、ダスト等のドレン９を少量含んでいる。したがって、被分離ガスＧ_０は圧縮装置５に送られる前に、ガス冷却器７において所定の温度（例えば４０℃程度）に冷却され、ミストセパレーター、サイクロン、湿式洗浄装置等のドレン除去装置８によって前記ドレン９が除去された後に前記ガスハイドレート生成部２に供給されるように構成されている。

本実施例では、被分離ガスＧ_０中の二酸化炭素（ＣＯ_２）をハイドレート化して分離する場合について説明する。ＣＯ_２ハイドレートは、ＣＯ_２濃度により異なるが、例えば５〜２０ＭＰａ、０〜４℃の条件で生成することができる。被分離ガスＧ_０を前記圧縮装置５およびガス冷却器６において前記ＣＯ_２ハイドレートの生成条件にし、ガスハイドレート生成部２に供給する。被分離ガスＧ_０の温度は、ＣＯ_２ハイドレート生成時に生成熱が発生し、ガスハイドレート生成部２内の温度が上昇することを考慮し、例えばガス冷却器６で約０〜１℃に冷却し、約４℃に設定されたガスハイドレート生成部２に吹き込むことが望ましい。

前記ガスハイドレート生成部２におけるガスハイドレート生成工程は、水中に微細な気泡を吹き込むバブリング法、ガス中に水を噴霧する噴霧法等の公知の方法によって行うことができる。特にバブリング法は気液接触効率が良く、目的のガスハイドレートを効率よく生成させることができるので好ましい。

ＣＯ_２ハイドレート生成時には、ＣＯ_２、１ｍｏｌ当り６５．２ｋＪの生成熱が発生する。該生成熱によりガスハイドレート生成部２内の温度が上昇することを防ぎ、当該ガスハイドレート生成部２内を所定の温度（例えば約４℃）に保持するため、該ガスハイドレート生成部２内の水Ｗ_３を抜き出して循環させるライン１０を設け、前記水Ｗ_３を、例えば冷却器１１により約０〜１℃冷却するように構成されている。

ガスハイドレート生成部２において被分離ガスＧ_０中のＣＯ_２はハイドレート化され、ガスハイドレートスラリーを形成する。前記ガスハイドレートスラリーの水分量は５０〜９５ｗｔ％であることが好ましい。ＣＯ_２ハイドレートを形成することにより被分離ガスＧ_０中のＣＯ_２ガスの５０〜９５ｖｏｌ％を分離することができる。

また、前記ガスハイドレート生成部２において、該被分離ガスＧ_０中のある一種のガスのガスハイドレートを生成させた後の残りのガス（ハイドレート化しないガスＧ_１）は、ガスハイドレート生成部２から放出される。

次に、前記ガスハイドレートスラリーは脱水部３に送られ、例えば２５〜６０ｗｔ％程度の水分量にまで脱水される脱水工程が行われる。当該脱水部３において除かれた水Ｗ_１は、後述するガスハイドレート分解部４においてガスハイドレートを分解した際に生じる水Ｗ_２と合一し、循環水ＣＷとして前記ガスハイドレート生成部２に戻して循環させる。符号１６は循環水ＣＷを送るラインである。

脱水部３において脱水されたＣＯ_２ハイドレートは、ガスハイドレート分解部４において分解され、再ガス化される（ガスハイドレート分解工程）。ガスハイドレートの分解には分解熱が必要であり、ＣＯ_２ハイドレートの分解には１０℃程度の加温が必要である。ガスハイドレート分解部４には、例えば１０〜１５℃程度の海水や、化学プラントなどから発生する低温排熱等を循環させる加温部１２が設けられている。加温部１２には加温器１３を設けることができる。

前記加温器１３の熱源として、前記圧縮装置５における被分離ガスＧ_０の圧縮の際に生じる熱を利用する構成とすることもできる。このことによって、再ガス化に必要な分解熱エネルギーも低減できる。

ガスハイドレート分解部４においてＣＯ_２を再ガス化すると、ハイドレートが分解して水が生じる。ガスハイドレートの分解反応は吸熱反応であり、該分解によって生じた水は１０〜１５℃程度であるので、この分解によって生じた水をガスハイドレート生成部２に循環させて再利用する際には、前記ガスハイドレートの生成条件の低温にまで冷却する必要がある。

ここで、本実施例では、ガスハイドレート生成部２とガスハイドレート分解部４の間に脱水部３を設け、該脱水部３においてガスハイドレートスラリーから除かれた水Ｗ_１と、前記ガスハイドレート分解部４において前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水Ｗ_２とを合一した循環水ＣＷを冷却器１４によって冷却し、前記ガスハイドレート生成部２に入れるように構成されている。前記脱水部３においてガスハイドレートスラリーから除かれた水Ｗ_１は、ガスハイドレート生成部２とほぼ同じ程度の低温である。

前記脱水部３において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水Ｗ_１（ハイドレート生成部と同程度の低温）と、前記ガスハイドレート分解部４において前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水Ｗ_２（やや温度が高い）を合一した循環水ＣＷの温度は、前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水Ｗ_２よりも低温になるので、前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水Ｗ_２のみをガスハイドレート生成部２に戻す場合に比べ、循環水ＣＷを冷却するためのエネルギーを低減することができる。

また、脱水部３における脱水能力を高めれば、前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水Ｗ_１（低温）の量が増え、前記ガスハイドレートの分解によって生じる水Ｗ_２（やや温度が高い）は少なくなるので、更に循環水ＣＷの冷却に必要なエネルギーを低減することができる。加えて、再ガス化に必要な分解熱エネルギーも、スラリー濃度が高くなると減少する。

尚、本実施例では、ガスハイドレート生成部２から抜き出してライン１０を循環させる水Ｗ_３を冷却する冷却器１１と、前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水Ｗ_１と前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水Ｗ_２とを合一した循環水ＣＷを冷却する冷却器１４とを別々に設けた構成となっているが、ガスハイドレート生成部２から水Ｗ_３を抜き出し、冷却器１１により冷却し循環させる構成を省略し（図２を参照）、循環水ＣＷによって、ＣＯ_２ハイドレートの生成熱によるガスハイドレート生成部２内の温度上昇を防ぐ構成とすることもできる。

ＣＯ_２ハイドレートの生成熱を除去し、ガスハイドレート生成部２内をＣＯ_２ハイドレートの生成に適した所定の温度（約４℃）に保持するため、前記循環水ＣＷは冷却器１４によって約０〜１℃程度まで冷却されることが望ましい。

前記ガスハイドレート分解部４において再ガス化したＣＯ_２は、分解時の圧力が約３〜４ＭＰａであるので、ガス圧縮器１５によってパイプライン輸送に必要な圧力（例えば１０〜１５ＭＰａ）にまで昇圧されて輸送される。また再ガス化したＣＯ_２を冷却して液体ＣＯ_２を回収することも可能である。

被分離ガスＧ_０から分離される一種のガスは、上記実施例に限定されるものではなく、メタン、エタン、プロパン、ブタン、硫化水素等、ハイドレート化によって被分離ガスＧ_０から分離することができるガス成分を選択することができる。分離されるガス成分に応じて、ガスハイドレート生成部２、脱水部３、ガスハイドレート分解部４等の圧力および温度を変えることは言うまでもない。

［実施例２］
本発明に係る被分離ガスの分離装置の他の実施形態を図２に基づいて説明する。
本実施例に係る被分離ガスの分離装置２１において、実施例１と同様の部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。また実施例１と同様、被分離ガスＧ_０中の二酸化炭素（ＣＯ_２）をハイドレート化して分離する場合について説明する。

前記ガスハイドレート生成部２において、ＣＯ_２ガスハイドレートを生成させた後の残りのガス（ハイドレート化しないガスＧ_１）は、該ＣＯ_２ガスハイドレート生成条件の５〜２０ＭＰａの高圧のまま、該ガスハイドレート生成部２から放出される。

本実施例に係る被分離ガスの分離装置２１は、前記圧縮装置５の動力軸に公知のガスエキスパンダー（軸流タービン）等の動力回収部２２を設け、該動力回収部２２に前記ガスハイドレート生成部２から放出される前記高圧ガス（ハイドレート化しないガスＧ_１）を送り、該圧縮装置５の補助動力として該高圧ガスの圧力エネルギーを利用する構成である。本実施例のように、前記ガスエキスパンダー等の動力回収部２２を圧縮装置５の動力軸に直結する構成の他に、例えば、前記ガスエキスパンダー等を発電機に繋げて発電し、その電力をモーター駆動の圧縮装置５に用いることもできる。

このことによって、被分離ガスＧ_０中の一種のガスをハイドレート化させて分離した後の高圧ガスＧ_１の圧力エネルギーを、前記圧縮装置５の動力として利用し、該圧縮装置５における消費エネルギーを低減させることができる。５〜２０ＭＰａの高圧ガスＧ_１の動力回収によって、該圧縮装置５にかかる消費エネルギーの５０％以上の低減が期待できる。以って装置全体の運転コストを低減することができる。

［実施例３］
本発明に係る被分離ガスの分離装置の更に他の実施形態を図３に基づいて説明する。
本実施例に係る被分離ガスの分離装置３１において、実施例１および２と同様の部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。また実施例１と同様、被分離ガスＧ_０中の二酸化炭素（ＣＯ_２）をハイドレート化して分離する場合について説明する。

実施例２において説明したように、前記ガスハイドレート生成部２から放出される高圧ガスＧ_１は、前記圧縮装置５に設けられた動力回収部２２に送られて大気圧に戻され、その圧力エネルギーが回収される。ここで、前記高圧ガスＧ_１が大気圧になる際には、ガスの膨張により冷熱が発生する。本実施例に係る被分離ガスの分離装置３１は、前記冷熱を利用した熱交換器等の冷却部３２を設け、該冷却部３２によって前記循環水ＣＷを冷却するように構成されている。本実施例では、ガスハイドレート生成部２内の温度保持（ＣＯ_２ハイドレートの生成熱による温度上昇防止）は、該循環水ＣＷによって行われている。

このことによって、前記ハイドレート化しない高圧ガスＧ_１の圧力エネルギーを前記圧縮装置５の動力として利用する際、該高圧ガスＧ_１が大気圧になるときに発生する冷熱によって前記循環水ＣＷを冷却することができる。従って、前記循環水ＣＷの冷却にかかる消費エネルギーを低減することができる。５〜２０ＭＰａの高圧ガスＧ_１を大気圧に戻す際の冷熱を利用することにより、循環水ＣＷの冷却にかかる消費エネルギーの約４０％の低減が期待できる。以って装置全体の運転コストを低減することができる。

尚、図３中の分岐部３３には三方バルブ等（図示せず）を設け、ガスハイドレート生成部内の温度上昇の加減に応じ、適宜冷却器１４を用いることができるように構成することが望ましい。

［実施例４］
化学プラントやガス化複合発電等の発電システムにおけるプロセスガス中には二酸化炭素（ＣＯ_２）が含まれており、該プロセスガス中からＣＯ_２を除去する工程を行う必要がある場合がある。ここでは、ガス化複合発電（以下、ＩＧＣＣと称する）のプロセスガスに本発明に係る被分離ガスの分離装置を用いる場合について説明する。

ＩＧＣＣは、石炭をガス化させてガスタービンと蒸気タービンを組み合わせて発電を行い、石炭を高効率にエネルギー化できる発電方法として注目されている。その工程を以下に説明する。

まず、石炭をガス化して二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等の混合ガスを生成させる。次に、前記混合ガス中に含まれるＣＯは水性ガスシフト反応によってＨ_２とＣＯ_２に変換され、ＣＯ_２とＨ_２を含むプロセスガスを生成させる。尚、このプロセスガスのＣＯ_２とＨ_２の混合比は、一般的に約４：６程度である。

前記プロセスガスからＣＯ_２を分離し、Ｈ_２ガスをガスタービンにおいて燃焼させて発電するとともに、前記ガスタービンにおいてＨ_２ガスが燃焼する際に発生した蒸気を用いて蒸気タービンによる発電を行う。

ここで、前記プロセスガスにおいて、水素（Ｈ_２）はガスタービンによる燃焼発電に用いることができる有用ガス成分であり、二酸化炭素（ＣＯ_２）は前記ガスタービンによる燃焼発電には利用しない非有用ガス成分である。

ＣＯ_２とＨ_２を含む前記プロセスガスからのＣＯ_２の分離は、現状は物理吸収法を用いて行われているが、使用する薬剤（吸収液）の漏洩による環境汚染の問題や薬剤コストの問題がある。

本発明に係る被分離ガスの分離装置は、水のみを用いてＣＯ_２を分離し、Ｈ_２ガスを濃縮して高純度にすることができるので、前記薬剤（吸収液）の使用による環境に対する影響を少なくすることができ、また必要なエネルギーが小さい点で有用である。

さらに、各種化学プロセスガスは、ＩＧＣＣのプロセスガスと組成、圧力が似ており、同様に本発明に係る被分離ガスの分離装置を用いたＣＯ_２の分離が可能である。

また、前記プロセスガスは、圧力が３〜５ＭＰａであるため、被分離ガスＧ_０としてのプロセスガスをＣＯ_２ガスハイドレートの生成条件の圧力にまで高めるためのエネルギーが少なくてすみ、被分離ガスＧ_０からのＣＯ_２分離にかかる全体の消費エネルギーも少なくて足りると考えられ、コスト面でのメリットも期待できる。

尚、ガスタービンによる燃焼発電を行う際に、前記プロセスガスから非有用ガス成分として分離されたＣＯ_２は、他の用途に有効利用することが可能である。

［実施例５］
次に、本発明に係る被分離ガスの分離装置の更に他の例について説明する。図４は、実施例５に係る被分離ガスの分離装置４１を示す概略構成図である。尚、実施例１の被分離ガスの分離装置と同様の部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。また、本実施例も実施例１と同様、被分離ガスＧ_０中の二酸化炭素（ＣＯ_２）をハイドレート化して分離する場合について説明する。

本実施例に係る被分離ガスの分離装置４１は、前記実施例１と同様、ガスハイドレート生成部２と、脱水部３と、ガスハイドレート分解部４とを備え、更にガス放散部４２を備えている。
被分離ガスＧ_０中の二酸化炭素をハイドレート化する場合、ガスハイドレート生成部２は例えば圧力が５〜２０ＭＰａ、より好ましくは６〜９ＭＰａ、温度が０〜４℃、より好ましくは２〜４℃に、ガスハイドレート分解部４は例えば圧力が１〜５ＭＰａ、温度が１０〜１５℃に設定されている。

前記ガス放散部４２には、前記ガスハイドレート分解部４におけるガスハイドレートの再ガス化で得られる水Ｗ_２が送られるように構成されている。符号４３は水Ｗ_２を送るライン、符号４４および符号５１はバルブを示す。尚、各構成部を繋ぐ他のラインにも適宜バルブを設けることができる（図においては省略されている）。

前記ガス放散部４２について更に詳細に説明する。前記ガス放散部４２は、前記ガスハイドレート分解部４での前記再ガス化で得られる前記水Ｗ_２に溶解しているガスを放散させるガス放散工程を行う構成部である。前記ガス放散部４２は加温器４６を備えた加温部４５を有し、ガス放散部４２内を所定圧力および所定温度にすることで、前記再ガス化で得られる水中に溶解しているガスを放散させることができる。
被分離ガスから二酸化炭素を分離する本実施例では、ガス放散部４２内は、例えば圧力が０．２〜０．５ＭＰａ、温度が約１０℃に設定されている。

尚、水中に含まれる二酸化炭素を放散させる際には二酸化炭素１ｍｏｌあたり約２０ｋＪの放散熱が必要であるので、前記加温器４６として、例えば１０〜１５℃程度の海水や、化学プラントなどから発生する低温排熱等を循環させる構成のものを用いてもよい。
また、前記ガス放散部４２において放散されたガス（二酸化炭素）は、例えばガス圧縮器５０によりパイプライン輸送に必要な圧力（例えば１０〜１５ＭＰａ）にまで昇圧されて輸送される。また再ガス化したＣＯ_２を冷却して液体ＣＯ_２を回収することも可能である。

前記ガス放散部４２を経た水Ｗ_４（二酸化炭素を放散させて除いた水Ｗ_４）は、該ガス放散部４２から排出され、脱水部３において除かれた水Ｗ_１と合一し、循環水ＣＷとして前記ガスハイドレート生成部２に戻して循環させる。
符号４７は水Ｗ_３を送るラインであり、符号４９は水Ｗ_１と水Ｗ_３を合一した循環水ＣＷを送るラインである。ライン４７にはポンプ４８が設けられている。尚、各構成部を繋ぐ他のラインにも適宜ポンプを設けることができる。

次に、本実施例の被分離ガスの分離装置４１の作用について説明する。
前記ガスハイドレート分解部４においてガスハイドレートを再ガス化して得られた水中には前記被分離ガスから分離されたガス（本実施例では二酸化炭素）が溶解している。一般的に、ガスの水への溶解度は圧力が高くなるほど、または温度が低くなるほど大きくなる傾向がある。特に、前記二酸化炭素は被分離ガス中に含まれる他のガス成分（例えば水素、窒素など）に比べて水への溶解度が非常に高いことが知られており、該水へのガスの溶け込みによってガスの分離効率が悪くなってしまう。

ここで、前記ガスハイドレート分解部４におけるハイドレートの分解条件を高温にすれば、水中への前記ガスの溶け込みは少なくなるが、その高温にされた水をガスハイドレート生成部２に戻す場合、該水（循環水ＣＷ）を冷却するための消費エネルギーが増大する。
一方、前記ガスハイドレート分解部４におけるハイドレートの分解をより低圧で行えば、水中への前記ガスの溶け込みは少なくなるが、前記脱水部３からガスハイドレートをガスハイドレート分解部４に送る際には、当該ガスハイドレート分解部４内をガスハイドレートが分解しない圧力（脱水部３と同程度の高圧）にする必要があり、該ガスハイドレート分解部４を再昇圧するためにかかる消費エネルギーが増大する。

本実施例では、ガスハイドレート分解部４とは別にガス放散部４２を設けられている。このことによって、ガスハイドレート分解部４においては、圧力をあまり下げないで温度を高めることによってガスハイドレートの分解条件とし、その分解を行うことができる。これにより、脱水部３とガスハイドレート分解部４との圧力条件の差を小さくすることができる。
そして、ガスハイドレートを分解して得られた水Ｗ_２をガス放散部４２に送り、該ガス放散部４２において前記水Ｗ_２中に溶解しているガス（ＣＯ_２）を放散させる際には、ガス放散部４２の圧力を低く設定することによって前記水Ｗ_２からのガス放散を行うことにより、該ガス放散部４２内の設定温度を低く抑えることができる。

前記ガス放散部４２内の圧力を低く設定すると、ガスハイドレート分解部４からガス放散部４２へ水Ｗ_２を移送する際に該ガスハイドレート分解部４内の圧力は低下するが、該水Ｗ_２の移送による圧力低下を補うだけの昇圧をガスハイドレート分解部４に行うだけで足りる。
したがって、前述したガスハイドレート分解部４を低圧にしてガスハイドレートの分解により得られる水Ｗ_２中へのガスの溶け込みは少なくする場合よりも、ガスハイドレート分解部４の再昇圧にかかる消費エネルギーを抑えることができる。

前記ガス放散部４２を経た水Ｗ_３は、前記脱水部３において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水Ｗ_１と合一し、循環水ＣＷとして前記ガスハイドレート生成部２に入れる。前記ガス放散部４２は、ガスハイドレート分解部４と別に設けられているので、圧力を下げることによってガスの放散を行うことができるため、ガスを放散させるために水を昇温させる必要がない。したがって、循環水ＣＷとしてガスハイドレート生成部２に戻す水を冷却するためのエネルギーを抑えることができる。
尚、該ガス放散部４２では、水Ｗ_２中からのガスの放散による放散熱を補う程度の加熱を行うことが好ましい。

以上のように、ガスハイドレート分解部４におけるガスハイドレートの再ガス化によって得られた水Ｗ_２中のガスを放散させて該ガスの分離効率の向上を図ると共に、被分離ガスの分離装置４１の運転に係るエネルギー消費を抑え、低コスト化を実現することができる。本実施例は、二酸化炭素、酸素、硫化水素、二酸化硫黄（亜硫酸ガス）等の水への溶解度が高いガスをハイドレート化して被分離ガスから分離する場合に特に有効である。

更に、実施例２のようにガスハイドレート生成部２から放出される前記高圧ガス（ハイドレート化しないガスＧ_１）のエネルギーを圧縮装置５の補助動力として利用する構成や、実施例３のように前記ハイドレート化しない高圧ガスＧ_１の圧力エネルギーを前記圧縮装置５の動力として利用する際、該高圧ガスＧ_１が大気圧になるときに発生する冷熱によって前記循環水ＣＷを冷却する構成にすれば、一層エネルギー効率の高い被分離ガスの分離装置とすることができる。

本発明は、複数のガス成分が混ざった被分離ガス中に含まれる一種のガスを分離する分離装置及び方法に利用可能である。

Claims (11)

1. 複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成部と、
   前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水部と、
   脱水して得たガスハイドレートを、温度を高めることにより分解して再ガス化するガスハイドレート分解部と、
   前記ガスハイドレート分解部での前記再ガス化で得られる水を受けて、圧力を下げることにより該水に溶解している前記一種のガスを放散させるガス放散部と、を備え、
   前記脱水部において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガス放散部を経た水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成部に入れるように構成されたことを特徴とする被分離ガスの分離装置。
2. 複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成部と、
   前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水部と、
   脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解部と、を備えた被分離ガスの分離装置であって、
   前記脱水部において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガスハイドレート分解部において前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成部に入れるように構成され、
   前記ガスハイドレート生成部の上流側に前記被分離ガスを所定の圧力にする圧縮装置を備え、
   前記圧縮装置の動力として、前記ガスハイドレート生成部から放出される、ハイドレート化しない高圧ガスの圧力エネルギーを利用することを特徴とする被分離ガスの分離装置。
3. 複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成部と、
   前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水部と、
   脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解部と、
   前記ガスハイドレート分解部での前記再ガス化で得られる水を受けて該水に溶解している前記一種のガスを放散させるガス放散部と、を備え、
   前記脱水部において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガス放散部を経た水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成部に入れるように構成され、
   前記ガスハイドレート生成部の上流側に前記被分離ガスを所定の圧力にする圧縮装置を備え、
   前記圧縮装置の動力として、前記ガスハイドレート生成部から放出される、ハイドレート化しない高圧ガスの圧力エネルギーを利用することを特徴とする被分離ガスの分離装置。
4. 請求項２または３に記載された被分離ガスの分離装置において、前記高圧ガスが大気圧になるときに発生する冷熱によって、前記循環水を冷却する冷却部を備えていることを特徴とする被分離ガスの分離装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された被分離ガスの分離装置において、前記ハイドレート化されるガスは二酸化炭素であることを特徴とする被分離ガスの分離装置。
6. 請求項５に記載された被分離ガスの分離装置において、前記被分離ガスは、少なくとも水素を含む混合ガスであることを特徴とする被分離ガスの分離装置。
7. 複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成工程と、
   前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水工程と、
   脱水して得たガスハイドレートを、温度を高めることにより分解して再ガス化するガスハイドレート分解工程と、
   前記ガスハイドレート分解工程での前記再ガス化で得られる水を受けて、圧力を下げることにより該水に溶解している前記一種のガスを放散させるガス放散工程と、を含み、
   前記脱水工程において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガス放散工程を経た水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成工程においてガスハイドレートを生成するための水として循環させることを特徴とする被分離ガスの分離方法。
8. 複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成工程と、
   前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水工程と、
   脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解工程と、を含み、
   前記脱水工程において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガスハイドレート分解工程において前記ガスハイドレートを分解した際に生じる水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成工程においてガスハイドレートを生成するための水として循環させるとともに、
   前記ガスハイドレート生成工程においてハイドレート化しない高圧ガスの圧力エネルギーを動力とする圧縮装置を用いて、前記ガスハイドレート生成工程に送る前記被分離ガスを所定の圧力にすることを特徴とする被分離ガスの分離方法。
9. 複数のガス成分が混ざった被分離ガスに含まれる一種のガスをハイドレート化し、ガスハイドレートスラリーを形成するガスハイドレート生成工程と、
   前記ガスハイドレートスラリーを脱水する脱水工程と、
   脱水して得たガスハイドレートを分解して再ガス化するガスハイドレート分解工程と、
   前記ガスハイドレート分解工程での前記再ガス化で得られる水を受けて該水に溶解している前記一種のガスを放散させるガス放散工程と、を含み、
   前記脱水工程において前記ガスハイドレートスラリーから除かれた水と、前記ガス放散工程を経た水とを合一した循環水を、前記ガスハイドレート生成工程においてガスハイドレートを生成するための水として循環させるとともに、
   前記ガスハイドレート生成工程においてハイドレート化しない高圧ガスの圧力エネルギーを動力とする圧縮装置を用いて、前記ガスハイドレート生成工程に送る前記被分離ガスを所定の圧力にすることを特徴とする被分離ガスの分離方法。
10. 請求項８または９に記載された被分離ガスの分離方法において、前記高圧ガスが大気圧になるときに発生する冷熱によって、前記循環水を冷却することを特徴とする被分離ガスの分離方法。
11. 請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載された被分離ガスの分離方法において、前記ハイドレート化されるガスは二酸化炭素であることを特徴とする被分離ガスの分離方法。

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