ガス精製装置
【課題】可燃性ガスと不純物の混合ガスから、大気圧を越える圧力に加圧した液中に不純物を吸収分離するプロセスにおいて、可燃性ガスの濃度を高め、且つ該液の加圧圧力を低減可能なガス精製装置を提供する。
【解決手段】消化ガス精製装置２００は、水Ｗ１に原料ガスＧ１を微細気泡化して混合したガス混合液Ｗ２を生成し、そのガス混合液Ｗ２を加圧して水Ｗ１に原料ガスＧ１を溶解させ、原料ガスＧ１のうち、ガス混合液Ｗ２に未溶解の未溶解ガスＧ２をガス混合液Ｗ２から脱離させる。ガス混合液Ｗ２は、原料ガスＧ１の溶解圧力値よりも小さい液圧力で加圧される。そして、微細気泡の気泡径は、原料ガスＧ１の微細気泡の表面張力による気泡内圧力とガス混合液Ｗ２を加圧する液圧力との合計圧力が溶解圧力値以上になる気泡径とされる。
【解決手段】消化ガス精製装置２００は、水Ｗ１に原料ガスＧ１を微細気泡化して混合したガス混合液Ｗ２を生成し、そのガス混合液Ｗ２を加圧して水Ｗ１に原料ガスＧ１を溶解させ、原料ガスＧ１のうち、ガス混合液Ｗ２に未溶解の未溶解ガスＧ２をガス混合液Ｗ２から脱離させる。ガス混合液Ｗ２は、原料ガスＧ１の溶解圧力値よりも小さい液圧力で加圧される。そして、微細気泡の気泡径は、原料ガスＧ１の微細気泡の表面張力による気泡内圧力とガス混合液Ｗ２を加圧する液圧力との合計圧力が溶解圧力値以上になる気泡径とされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解度の異なる複数種のガスの混合物からの溶解度の低いガスの分離装置に係り、例えば下水汚泥を消化処理して得られたメタン混合ガス（消化ガス）から二酸化炭素を分離除去するのに好適なガス精製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水道分野の未利用エネルギーの回収、再資源化の一環として、非特許文献１に記載のように下水汚泥の燃料化が進められている。下水汚泥の燃料化の方式としては、汚泥の嫌気性消化反応によるメタンガスの回収が実用化されており、その利用法として非特許文献２に記載のように、消化ガス発電、消化ガス燃料電池、都市ガス代替・供給の他、非特許文献３に記載のように自動車燃料としての利用が試行されている。メタンガスを使用可能な自動車は天然ガス自動車であり、燃料は国内では１３Ａの都市ガス（組成例：メタン８９．６％、エタン・プロパン・ブタン１０．４％（体積％、以下同））と同等である。
【０００３】
一方、典型的な消化ガスの成分は、メタン６０〜６５％、二酸化炭素３３〜３５％、水素０〜２％、窒素０〜３％、硫化水素０．０２〜０．０８％であり、二酸化炭素をはじめ不純物が多いため、自動車燃料用ガスの約１／２の発熱量である。このため、消化ガスを精製して二酸化炭素を分離除去し、メタンの濃度を上げる必要がある。ここで、不純物の主要成分は、非特許文献４に記載のように二酸化炭素、窒素、酸素、硫化水素である。
【０００４】
下水汚泥からのメタンガス精製法の例として、非特許文献２に記載の「湿式吸収法」と特許文献１に記載の「高圧水吸収法」がある。「湿式吸収法」は大気圧に近い低圧の吸収塔内で消化ガスを水と接触させ、二酸化炭素を水に吸収させる方式であり、気液比（Ｌ／Ｇ）２．０以下の条件でメタンを体積割合で約９０％まで濃縮出来る。また、二酸化炭素以外の不純物は、第２の吸収塔でＮａＯＨと接触させて分離、除去する。「高圧水吸収法」で精製したメタンガスは、メタン９８％、窒素１．０％、二酸化炭素０．６％、酸素０．２％の組成であり、１２Ａの都市ガス（組成例：メタン９８．４％、窒素０．３％、二酸化炭素１．３％）に相当する。
【０００５】
「高圧水吸収法」は、メタンの水への溶解度が二酸化炭素等の不純物に対してはるかに小さく、且つ低圧から高圧まで溶解度の変化が少ないこと、及び二酸化炭素等の不純物の溶解度が圧力とともに増加する特性を利用している（非特許文献３参照）。消化ガスと水を圧力を高めた吸収塔内で接触させることによって、二酸化炭素の吸収能力を向上させ、圧力０．９ＭＰａの条件で体積割合約９８％までメタンを濃縮出来る。また、高圧条件を利用して同じ吸収塔内で二酸化炭素以外の不純物も分離、除去可能である。
【０００６】
本方式の気液接触のフローでは、吸収塔上部からポンプで給水し、下部から加圧した消化ガスを供給する。気液接触後に二酸化炭素等の不純物が溶解した水は減圧タンクに送られ、圧力が減じられて溶解した二酸化炭素やメタンの一部が減圧発泡し、水から分離される。さらに、放散塔において二酸化炭素等の不純物が溶解した水が空気泡と接触し、二酸化炭素等の不純物が空気泡中に移行することによって脱気される。補給水によって二酸化炭素等の不純物の濃度をさらに下げた水は、再び吸収塔に送られ循環する。減圧タンクで分離した二酸化炭素やメタンの一部は、消化ガスの原ガスに混合され、再利用される。
【０００７】
気液の接触における溶解効率を向上する方法として、特許文献２、及び特許文献３に記載の「微細気泡生成装置」がある。特許文献２の「微細気泡生成装置」は、ガスを混合した水を二相流ポンプで加圧溶解し、ノズルで減圧発泡する方式で、直径５０μｍ前後のマイクロバブルを生成する装置である。特許文献３の「微細気泡生成装置」は、単相流の圧力の掛かった水にエゼクタでガスを加圧溶解し、ノズルで減圧発泡する方式で、特許文献２と同様にマイクロバブルを生成する装置である。
【０００８】
生成された原料ガスのマイクロバブルは、接触槽内で水中に溶解するが、その際にマイクロバブルは比表面積が大きく、上昇速度が遅いため、高い溶解性を生じる。非特許文献５に記載のように、マイクロバブルはミリ径の気泡より数オーダーの短時間で急速に溶解し直径が加速度的に減少することや、液の圧力に対する飽和濃度を超える（過飽和）濃度までガスを溶解出来ることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４０８８６３２号公報
【特許文献２】特許第４５４７４４５号公報
【特許文献３】特許第４６４９５２９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】下水汚泥エネルギー利用調査委員会、「下水汚泥エネルギー利用調査の概要（その２）〜下水汚泥をエネルギー資源に〜」、再生と利用、ＶＯＬ．３２、Ｎｏ．１２１、７２−８０頁、２００８年
【非特許文献２】下水汚泥エネルギー利用調査委員会、「下水汚泥エネルギー利用調査の概要（その３）〜下水汚泥をエネルギー資源に〜」、再生と利用、ＶＯＬ．３３、Ｎｏ．１２２、９５−１０２頁、２００９年
【非特許文献３】豊久志朗、他、高圧水吸収法による消化ガスの精製と天然ガス自動車燃料としての活用、衛生工学シンポジウム論文集、ＶＯＬ．１３、１２３−１２６頁、２００５年
【非特許文献４】山本高弘、他、湿式吸収法による消化ガスの精製システム、第４３回下水道研究発表会講演集、４０７−４０９頁、２００６年
【非特許文献５】高橋正好、マイクロバブルの基礎と固体表面の洗浄、第７回微細気泡の応用技術講演会資料、化学工学会反応工学部会反応場の工学分科会、２０１０年１１月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
下水汚泥の消化ガスから精製したガスは１２Ａの都市ガス相当であるが、発熱量が１３Ａの都市ガスと比較して低いため、自動車の燃料に用いる場合はその低下分を供給量の増加によって補う必要がある。このため、従来の天然ガス自動車と同じ性能を得るために、燃料の搭載量増加や、エンジンの排気量増加が必要とされる。発熱量が低い原因は、自動車燃料に使われ高発熱量のガスを混合した１３Ａの都市ガスと比較して、高発熱量ガスの添加の差異があるだけでなく、ガス中の二酸化炭素、窒素等の不純物が残留し、精製ガスのメタン濃縮度が低いことも影響している。二酸化炭素等のメタン以外の不純物は燃焼に寄与しないため、燃料として使用するためには不純物を除去し、メタンの濃度を上げなければならない。この点で、「湿式吸収法」はメタンの体積割合が約９０％で、その他が不純物ガスであるため自動車燃料に適用に対しては発熱量が不足して実用性が低い。
【００１２】
また、１２Ａの都市ガス相当の生成ガスを得るために、「高圧水吸収法」では吸収塔に供給する水の圧力を大気圧から０．９ＭＰａ以上に高める必要があり、ポンプの消費電力が高い課題がある。また、高圧が掛かるため法令で吸収塔とポンプの循環ループを圧力容器としなければならず、設備コストが増加する。このように、「高圧水吸収法」は省エネルギーと経済性の観点で課題がある。
【００１３】
特許文献２、３の「微細気泡生成装置」は、ガスの溶解を目的としており、可燃性ガスと二酸化炭素等の不純物ガスとの混合と不純物ガスの分離、及び可燃性ガスの濃度を高める手法については考慮されていない。
【００１４】
本発明は、可燃性ガスと不純物の混合ガスから、大気圧を越える圧力に加圧した液中に不純物を吸収分離するプロセスにおいて、可燃性ガスの濃度を高め、且つ該液の加圧圧力を低減可能な消化ガス精製装置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】
【００１５】
上記課題を解決する本発明のガス精製装置は、可燃性ガスと不純物ガスとを含む原料ガスから前記可燃性ガスを分離して精製するガス精製装置であって、前記可燃性ガスよりも前記不純物ガスの溶解度が高い液体に前記原料ガスを微細気泡化して混合したガス混合液を生成するガス混合液生成手段と、該ガス混合液生成手段で生成されたガス混合液を加圧して前記原料ガスを溶解させ、該原料ガスのうち、前記ガス混合液に未溶解の未溶解ガスを前記ガス混合液から脱離させる溶解脱離手段とを有し、前記溶解脱離手段は、前記原料ガスの予め設定された溶解度が得られる溶解圧力値よりも小さい液圧力で前記ガス混合液を加圧し、前記ガス混合液生成手段は、前記原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と前記溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が前記溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明のガス精製装置によれば、原料ガスを微細気泡化して、その表面張力による気泡内圧力の増加を利用することによって、ガス混合液に加圧する液圧力をより小さくすることができる。したがって、圧力容器やポンプ等をより低圧用の簡易な構成のものにすることができ、設備コストを低減できる。そして、ポンプの消費電力を低減することができ、運転コストを低減できる。したがって、省エネルギー化を図ることができ、ガス精製装置の経済性を向上させることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図２】第１の実施形態の変形例に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図３】第２の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図４】第２の実施形態の変形例に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図５】第３の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図６】第４の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図７】第５の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１の実施形態＞
本実施の形態におけるガス精製装置は、下水処理場で発生した汚泥を処理する際に発生する消化ガス（原料ガス）から、メタンガス（可燃性ガス）を高濃度化して高熱量の燃料ガスを精製する消化ガス精製装置を対象としている。以下、本発明の第１の実施形態について、図１、図２を参照して詳細に説明する。
【００１９】
消化ガス精製装置２００は、消化ガス回収設備１から導入したメタンガスと二酸化炭素等の不純物ガスの混合した原料ガスを微細気泡化して循環水（液体）に溶解させ、溶解度の圧力依存性が大きく、且つ高圧条件で溶解度の高い二酸化炭素等の不純物ガスを循環水に加圧溶解して分離し、溶解度が低くその圧力依存性が小さいメタンガス（可燃性ガス）を気液分離して高濃度に精製する処理を行う。
【００２０】
消化ガス精製装置２００は、ガス混合液生成手段と、溶解脱離手段と、揮散手段と、循環手段を有する。ガス混合液生成手段は、可燃性ガスよりも不純物ガスの溶解度が高い液体に原料ガスを微細気泡化して混合したガス混合液を生成する処理を行う。溶解脱離手段は、ガス混合液生成手段で生成されたガス混合液を加圧して原料ガスを溶解させ、原料ガスのうち、ガス混合液に未溶解の未溶解ガスを前記ガス混合液から脱離させる処理を行う。
【００２１】
そして、溶解脱離手段は、原料ガスの予め設定された溶解度が得られる溶解圧力値よりも小さい液圧力で前記ガス混合液を加圧し、ガス混合液生成手段は、原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と前記溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が前記溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成する構成を有する。この気泡径は、後述するように微細気泡が溶解タンク内に留まる間に、溶解にともなって減少する気泡径に相当して気泡径が大きくても良い。
【００２２】
消化ガス精製装置２００は、二酸化炭素等の不純物ガスの除去と水の循環利用のために、循環水を減圧発泡させるとともに、不純物ガスを空気でパージし、そのパージした空気とともに不純物ガスを排気する構成を有している。精製したメタンガスについて、乾燥、昇圧等のユーティリティ向けの精製工程は、ここでは省略する。
【００２３】
消化ガス精製装置２００は、主要機器として循環水を加圧するポンプ２と、循環水中に原料ガスＧ１を溶解するための溶解タンク４（溶解脱離手段）と、原料ガスＧ１が溶解した循環水を減圧して気化分離するための揮散タンク５と、メタンと不純物の混合した原料ガスＧ１を供給する圧縮機３と、循環水に原料ガスＧ１を微細化して混合するエゼクタ６で構成される。
【００２４】
ポンプ２の吐出側はエゼクタ６の液入口に接続され、圧縮機３の吐出側がエゼクタ６のガス入口に接続され、エゼクタ６の気液出口が溶解タンク４に接続される。溶解タンク４の液面下と揮散タンク５が流動抵抗体４４で接続され、流動抵抗体４４での圧力損失によって、溶解タンク４の圧力が保持されるとともに、揮散タンク５が減圧される。
【００２５】
揮散タンク５の液面下とポンプ２の吸込側が揮散水流量調整弁４８を介して接続され、溶解タンク４の液面より上方がエアベント６１を通して精製ガス流路３３に繋がり、精製ガス流路３３には精製ガス流量調整弁４３が設けられる。揮散タンク５の液面より上方に不純物ガスＧ４を取り出すエアベント６２が設けられ、さらに、揮散タンク５とポンプ２の吸込側を連通する揮散水流路２３上に、補給水流量調整弁４６を介して補給水流路２５が接続される。揮散タンク５の液面下には、排水流量調整弁４７を介して排水流路２４が接続されるとともに、パージガス流量調整弁４５を介してブロワ７が接続される。
【００２６】
ポンプ２で加圧された循環水Ｗ１は、循環水流路２１を流れ、エゼクタ６の液入口に流入する。また、消化ガス回収設備１で回収された消化ガスの原料ガスＧ１が、原料ガス流路３１を通過して圧縮機３で圧縮され、原料ガス流路３２、原料ガス流量調整弁４２を介して、エゼクタ６のガス入口に供給され、エゼクタ６のガス入口から循環水Ｗ１の動圧で吸引される。循環水Ｗ１による原料ガスＧ１の吸引は、エゼクタ６の狭隘部での流速増加で得られ、その結果生じる圧力損失によって、原料ガスＧ１の混合ポイントでの圧力は循環水Ｗ１の元の圧力から低下する。このポンプ２と、圧縮機３と、エゼクタ６により、ガス混合液生成手段が構成される。
【００２７】
典型的な運転条件として、ポンプ２によって循環水Ｗ１に掛けられる圧力が０．７ＭＰａに対して、循環水Ｗ１に原料ガスＧ１を混合するポイント、及びエゼクタ６の出口での圧力は０．５ＭＰａとなる。原料ガスＧ１は、エゼクタ６で微細気泡化されて循環水Ｗ１と混合され、原料ガス混合水（ガス混合液）Ｗ２として溶解タンク４に流入する。
【００２８】
溶解タンク４内は、エゼクタ６の気液出口の圧力とほぼ同じ圧力であるため、原料ガスＧ１中の不純物成分（不純物ガス成分）の溶解度が高くなり、微細化された気泡の不純物成分は、原料ガス混合水Ｗ２に容易に溶解し、気泡径が減少する。微細気泡は、気泡径の減少にともなって、後述する式（１）に示した表面張力の効果で気泡内部が加圧され、さらに不純物成分の溶解度が高まる。
【００２９】
このとき、非特許文献３に示されたように、メタンガスは水に対する溶解度が低く、圧力依存性も小さいため、溶解量は少ない。このため、未溶解のメタンガスは、溶解タンク４の原料ガス混合水Ｗ２中を上昇し、水面から離脱してエアベント６１から精製ガス流路３３を通り、消化ガス精製装置２００から精製ガスＧ２として取り出される。
【００３０】
一方、不純物ガス溶解水（ガス溶解液）Ｗ３は、溶解水流路２２を通り、流動抵抗体４４で減圧され、揮散タンク５に流入する。このとき、不純物ガスＧ４は、溶解度の圧力依存性が大きいため減圧発泡し、揮散タンク５の水中を上昇して水面から離脱して、エアベント６２を通り消化ガス精製装置２００外に排出される（揮散手段）。
【００３１】
揮散タンク５では、下部からブロワ７で送気したパージ用空気Ｇ３が底部から供給される（エアパージ手段）。減圧発泡しなかった不純物ガスの溶解成分は、パージ用空気Ｇ３の気泡に接触し、気液の接触面から気相側に移行することによって、不純物揮散水（ガス揮散液）Ｗ４から分離され、減圧発泡成分と同様にエアベント６２を通り、消化ガス精製装置２００外に排出される。したがって、循環水への原料ガスＧ１からの不純物ガスの溶解量を増加させることができ、精製ガスの可燃性ガス濃度を増加させることができる。また、減圧発泡、及びパージ用空気に同伴しなかった不純物溶解成分の一部は、排水流路２４から排水Ｗ６とともに消化ガス精製装置２００外に排出される（排出手段）。
【００３２】
以上の不純物ガス成分の分離除去後に、不純物揮散水Ｗ４は揮散タンク５を出た後、揮散水流路２３を通ってポンプ２の吸込側に供給される（循環手段）。揮散タンク５からポンプ２に供給される過程で、不純物揮散水Ｗ４（排出手段により一部が排出された後の残りのガス揮散液）に、不純物ガスを含まない補給水（原料ガスの未混合の液体）Ｗ５が混合される（追加補給手段）。したがって、さらに不純物濃度が低下して、繰り返し循環水Ｗ１としてポンプ２によって送水される。
【００３３】
例えば、自動車燃料に使われる高発熱量のガスを実用的に精製するためには、「高圧水吸収法」でガス混合液の圧力を大気圧から０．９ＭＰａ以上に高める必要がある。本実施形態における消化ガス精製装置２００によれば、循環水Ｗ１に混合する原料ガスＧ１を微細気泡化することによって、下記の式（１）に示すように、液の圧力（Ｐ０）に加えて表面張力（σ）による加圧（４σ／Ｄ）が得られるので、気泡内の圧力（Ｐ）が高まる。例えば、気泡の溶解にしたがって気泡径が減少し、直径１μｍまで縮小した気泡の表面張力による圧力の増分は０．３ＭＰａに、直径０．７μｍまで縮小した気泡の圧力の増分は０．４ＭＰａに達する。
【００３４】
気泡径が１００μｍ未満で多くは気泡径５０μｍ前後のいわゆるマイクロバブルでは、非特許文献５に記載のように、大きな比表面積、低い上昇速度、表面張力による内圧上昇でヘンリーの法則に沿ってガスの溶解度が高まること、及び過飽和濃度までガスを溶解出来ることが知られている。これによって、特許文献１に示した従来技術と比較して、より低い液の圧力条件で等価に不純物ガスを溶解することができ、溶解性の低い可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプの消費電力を低減出来る効果がある。
【００３５】
溶解タンク４の圧力を０．５ＭＰａ以下とした場合に、気泡の直径が０．７μｍ以下になるまで溶解することによって、合計したガス圧力（気泡内圧力＋液圧力）は、表面張力の圧力増分０．４ＭＰａを加えて、０．９ＭＰａ以上に達する。また、溶解時の液の圧力を従来技術より低減できれば、ポンプ２から溶解タンク４、及び流動抵抗体４４までの循環ループの圧力を低減出来るので、配管の耐圧を下げることができ、設備コストの削減効果も得られる。本実施の形態では、溶解タンク４の圧力は、０．５５ＭＰａ未満が好ましい。
【００３６】
大気圧中のエゼクタ６による気泡生成では、平均的な気泡の直径はマイクロバブルの直径より数倍大きいが、エゼクタ６が生成した気泡を加圧場（溶解タンク４内）で溶解する場合には、前記ヘンリーの法則で溶解度が高まる。したがって、気泡径が減少してマイクロバブルの寸法の領域に短時間で移行する。
［数１］
Ｐ＝Ｐ０＋４σ／Ｄ ・・・・（１）
【００３７】
さらに、揮散タンク５とポンプ２の吸込側との間を連通する液流路に補給水ライン２５を接続することによって、揮散タンク５で不純物ガスを脱気した液に、不純物ガスが含まれない補給水Ｗ５を加えることになり、原料ガスＧ１を注入する液の初期の不純物ガスの濃度が低下し、原料ガスＧ１からの不純物ガスの溶解量が増加する。同様に、揮散タンク５から不純物ガスが高濃度に溶解した排水Ｗ６を排出することによって、揮散タンク５から出る不純物ガスが溶解した液の量が減少し、相対的に揮散タンク５からポンプ２に供給される液中の不純物ガス量が減少し、原料ガスＧ１からの不純物ガスの溶解量が増加する。
【００３８】
上記のように、本実施形態では原料ガスＧ１を微細気泡化して溶解タンク４内において加圧するので、原料ガスＧ１中の不純物ガス成分の溶解度が高くなり、微細化された気泡の不純物成分は、原料ガス混合水Ｗ２に容易に溶解し、気泡径が減少する。微細気泡は、気泡径の減少にともなって、上記式（１）に示した表面張力の効果で気泡内部が加圧され、さらに不純物成分の溶解度が高まる。したがって、従来よりも低い圧力条件で液中に不純物ガスを溶解可能であり、可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプ２の消費電力を低減でき、消化ガス精製装置の設備コストと運転コストを削減できる。これによって、消化ガス精製装置の経済性が向上する。
【００３９】
また、本実施形態の一部変形例として、図２に示すようにエアベント６１と圧縮機３の上流側を精製ガス戻り流路３５で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続する構成（未溶解ガス戻し手段）とし、精製ガスＧ２の一部を取り出す構成としても良い。
【００４０】
この構成によれば、溶解タンク４で分離した可燃性ガス濃度の高いガス（未溶解ガス）Ｇ２を圧縮機３の入口側に戻して、原料ガスＧ１に再混合するので、見かけ上の原料ガスＧ１中の可燃性ガスの濃度が高まる。したがって、溶解タンク４で液中に溶解し分離される不純物ガス量が等しければ、溶解タンク４で分離される精製ガス中の可燃性ガスの濃度がさらに高まり、ガス循環の相乗効果で、消化ガス精製装置２００から取り出される精製ガスの可燃性ガスＧ２の濃度を高めることができる。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
図３、図４を参照して、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、図１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。
【００４２】
本実施形態において特徴的なことは、主として、溶解脱離処理と揮散処理が二段に設定されており、各処理が二回繰り返して行われることである。本実施形態のガス精製装置は、第１の実施形態の構成に加えて、第２次ガス混合液生成手段と、第２次溶解脱離手段と、第２次揮散手段と、第２次未溶解ガス戻し手段を有する。
【００４３】
第２次ガス混合液生成手段は、揮散手段で生成されたガス揮散液に溶解脱離手段で脱離された未溶解ガスを第２次原料ガスとして微細気泡化して混合した第２次ガス混合液を生成する処理を行う。
【００４４】
第２次溶解脱離手段は、第２次ガス混合液生成手段で生成された第２次ガス混合液を加圧して前記第２次原料ガスを溶解させ、該第２次原料ガスのうち、第２次ガス混合液に未溶解の第２次未溶解ガスを前記第２次ガス混合液から脱離させる処理を行う。
【００４５】
そして、第２次溶解脱離手段は、溶解圧力値よりも小さい液圧力で第２次ガス混合液を加圧し、第２次ガス混合液生成手段は、第２次原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と第２次溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成する処理を行う。
【００４６】
第２次揮散手段は、第２次溶解脱離手段で生成された第２次ガス溶解液を減圧して、第２次ガス溶解液に溶解されている溶解ガスを発泡させて、第２次ガス溶解液から溶解ガスを脱離させる処理を行う。第２次未溶解ガス戻し手段は、第２次溶解脱離手段で脱離させた未溶解ガスの一部を第２次ガス混合液生成手段に供給する処理を行う。本実施形態における循環手段は、第２次揮散手段で生成された第２次ガス揮散液の少なくとも一部を液体としてガス混合液生成手段に供給する処理を行う。
【００４７】
消化ガス精製装置２０１は、図１の消化ガス精製装置２００において揮散タンク５から出て揮散水流路２３を流れる循環水を再加圧するポンプ１０２と、循環水中に精製ガス流路３３からの精製ガスを再溶解するための溶解タンク１０４と、精製ガスが再溶解した循環水を減圧して気化分離するための揮散タンク１０５と、循環水に精製ガスＧ２を微細気泡化して混合するエゼクタ１０６で構成される。
【００４８】
ポンプ１０２の吐出側はエゼクタ１０６の液入口に接続され、精製ガス流路３３がエゼクタ１０６のガス入口に接続され、エゼクタ１０６の気液出口が溶解タンク１０４に接続される。本実施の形態では、ポンプ１０２とエゼクタ１０６により、第２次ガス混合液生成手段が構成される。
【００４９】
溶解タンク１０４の液面下と揮散タンク１０５が流動抵抗体１４４（減圧手段）で接続され、流動抵抗体１４４での圧力損失によって、溶解タンク１０４の圧力が保持されるとともに、揮散タンク１０５が減圧される。揮散タンク１０５の液面下とポンプ２の吸込側が揮散水流量調整弁１４８を介して揮散水流路１２３で接続され、溶解タンク１０４の液面より上方がエアベント１６１を通して精製ガス流路１３３に繋がり、精製ガス流路１３３には精製ガス流量調整弁１４３が設けられる。揮散タンク１０５の液面より上方に不純物ガスを取り出すエアベント１６２が設けられ、揮散タンク１０５の液面下には、パージガス流量調整弁１４５を介してブロワ１０７が接続される。
【００５０】
揮散タンク５で不純物ガスがパージされた不純物揮散水（ガス揮散液）Ｗ４は、揮散水流路２３を流れポンプ１０２で再加圧されて、エゼクタ１０６の液入口に流入する。また、溶解タンク４で回収された精製ガス（未溶解ガス）Ｇ２が第２次原料ガスとしてエゼクタ１０６のガス入口から不純物揮散水Ｗ４の動圧で吸引される。不純物揮散水Ｗ４による精製ガスＧ２の吸引は、エゼクタ１０６の狭隘部での流速増加で得られ、その結果生じる圧力損失によって、精製ガスＧ２の混合ポイントでの圧力は不純物揮散水Ｗ４の元の圧力から低下する。
【００５１】
典型的な運転条件として、ポンプ１０２によって不純物揮散水Ｗ４に掛けられる圧力が０．５ＭＰａに対して、不純物揮散水Ｗ４に精製ガスＧ２を混合するポイント、及びエゼクタ１０６の出口での精製ガス混合水（第２次ガス混合液）の圧力は０．３ＭＰａとなる。精製ガスＧ２は、エゼクタ１０６で微細化され、溶解タンク１０４に流入する。溶解タンク１０４内は、エゼクタ１０６の気液出口の圧力とほぼ同じ圧力であるため、精製ガスＧ２中の不純物成分の溶解度が大気圧条件下より高くなり、微細化された気泡の不純物成分は容易に溶解し気泡径が減少する。
【００５２】
気泡径の減少にともなって、表面張力の効果で気泡内部が加圧され、さらに不純物成分の溶解度が高まる。メタンガスは水に対する溶解度が低く、圧力依存性も小さいため溶解量が少ない。したがって、溶解タンク１０４内で未溶解のメタンガス（第２次未溶解ガス）は、溶解タンク１０４内の精製ガス混合水（第２次ガス混合液）中を上昇し、水面から離脱してエアベント１６１から精製ガス流路１３３を通り、消化ガス精製装置２０１から精製ガスＧ５として取り出される（第２次溶解脱離手段）。
【００５３】
一方、不純物ガス溶解水（第２次ガス溶解液）Ｗ７は、溶解水流路１２２を通り、流動抵抗体１４４で減圧され、揮散タンク１０５に流入する。このとき、不純物成分（溶解ガス）は溶解度の圧力依存性が大きいため減圧発泡し、揮散タンク１０５の水中を上昇して水面から離脱して、エアベント１６２を通り消化ガス精製装置２０１外に排出される（第２次揮散手段）。揮散タンク１０５では、下部からブロワ１０７で送気したパージ用空気が底部から供給される。減圧発泡しなかった不純物の溶解成分は、パージ用空気の気泡に接触し、気液の接触面から気相側に移行することによって、不純物ガス溶解水Ｗ７から分離され、減圧発泡成分と同様にエアベント１６２を通り消化ガス精製装置２０１外に排出される。したがって、循環水への原料ガスＧ１からの不純物ガスの溶解量を増加させることができ、精製ガスの可燃性ガス濃度を増加させることができる。揮散タンク１０５で生成された不純物揮散水Ｗ８（第２次ガス揮散液）は、揮散水量調整弁１４８を介して揮散水流路１２３からポンプ２に供給される。
【００５４】
以上の過程で、二段階の不純物の溶解によって、消化ガス精製装置２０１から取り出される精製ガス中の可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。本実施形態では、溶解タンク１０４が第２次溶解脱離手段、揮散タンク１０５が第２次揮散手段に相当し、揮散水流路１２３が循環手段に相当する。
【００５５】
また、本実施形態の一部変形例として、図４に示すようにエアベント１６１とエゼクタ１０６のガス入口上流側に精製ガス戻り流路１３５で連通し、この精製ガス戻り流路１３５に精製ガス流路１３３を接続し精製ガスＧ５の一部を取り出しても良い（第２次未溶解ガス戻し手段）。この精製ガス流路構成では、エアベント１６１で分離された可燃性ガス濃度の高いガスをエゼクタ１０６のガス入口側に戻すことによって、エゼクタ１０６に入る精製ガスＧ２中の可燃性ガスの濃度が高まるため、溶解タンク１０４で分離される精製ガス中の可燃性ガスの濃度も高まり、消化ガス精製装置２０１から取り出される精製ガス中の可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。
【００５６】
なお、特に図示していないが本実施形態の一部変形例として、第１の実施形態と同様に、エアベント６１と圧縮機３の上流側を精製ガス戻り流路３５（図２を参照）で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続する構成（未溶解ガス戻し手段）としても良い。また、揮散タンク１０５とポンプ２との間の揮散水流路１２３に補給水ラインを接続して補給水を加えるとともに、揮散タンク１０５から不純物揮散水の一部を排出する構成としてもよい。
【００５７】
本実施の形態によれば、溶解脱離処理と揮散処理が二段に設定されており、各処理が二回繰り返して行われる。したがって、溶解タンク４から取り出した１段目の精製ガスに少量含まれる不純物ガスを２段目でさらに分離、除去でき、タンク１０４から取り出される精製ガス中の可燃性ガスの濃度をさらに高めることが出来る。
【００５８】
さらに、揮散タンク５と二段目のポンプ１０２の吸込側を連通する揮散水流路２３に補給水ライン２５を接続することによって、揮散タンク５で不純物ガスを脱気した液に、不純物ガスが含まれない補給水Ｗ５を加えることになり、二段目の溶解タンク１０４に一段目の精製ガスを注入する液の不純物ガスの濃度が低下し、一段目の精製ガスからの不純物ガスの溶解量が増加する。
【００５９】
そして、揮散タンク５から不純物ガスが高濃度に溶解した排水Ｗ６を排出することによって、揮散タンク５での不純物ガスの脱気量に対して不純物ガスが溶解した液量が減少し、相対的に揮散タンク５から二段目のポンプ１０２に供給される液中の不純物ガス量が減少し、一段目の精製ガスからの不純物ガスの溶解量を増加させることができる。
【００６０】
また、溶解タンク４で分離した可燃性ガスの濃度の高いガスを原料ガスに再混合してエゼクタ６に注入することにより、見かけ上の原料ガスの可燃性ガス濃度が増加する。これによって、溶解タンク４で液中に溶解し分離される不純物ガス量が等しければ、溶解タンク４で分離した可燃性ガスの濃度がさらに高まり、ガス循環の相乗効果で、再混合ラインから取り出される精製ガスの可燃性ガス濃度が増加する。
【００６１】
本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、さらに可燃性ガスの濃度を高めることができる。したがって、消化ガス精製装置の可燃性ガスの精製性能を向上させることができる。
【００６２】
＜第３の実施形態＞
次に、図５を参照して、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、図１、または図２と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。
【００６３】
本実施形態において特徴的なことは、加圧溶解方式により微細気泡を生成するガス混合液生成手段を用いたものである。消化ガス精製装置２０２は、ガス混合液生成手段として、加圧溶解型のマイクロバブル生成装置を備えている。マイクロバブル生成装置は、循環水Ｗ１と原料ガスＧ１とを混合して気液二相流体を生成する混合器１２と、気液二相流体を加圧して原料ガスを液体に溶解させるポンプ１１と、ポンプ１１で加圧溶解された気液二相流体を減圧発泡させるノズル１３とを有する。
【００６４】
混合器１２はエゼクタを用いてもよく、ポンプ１１は気液二相流体を送液可能なポンプを用いても良い。ポンプ１１の吸込み側は混合器１２に接続され、ポンプ１１の吐出側がノズル１３に接続され、ノズル１３の出口が溶解タンク４に接続される。また、エアベント６１と混合器１２を精製ガス戻り流路３５で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続し精製ガスＧ２を取り出す。
【００６５】
消化ガス回収設備１で回収された消化ガスの原料ガスＧ１が混合器１２から循環水Ｗ１に混合される。この気液二相流体をポンプ１１で加圧し、加圧溶解した原料ガス混合水Ｗ２をノズル１３で減圧し、溶解タンク４内の水中に減圧発泡作用で微細気泡を生成する。
【００６６】
加圧溶解方式で生成する例えば特許文献２に記載の装置で生成する気泡は、直径が５０μｍ前後のマイクロバブルである。非特許文献５に記載のように、マイクロバブルはミリ径の気泡より数オーダーの短時間で急速に溶解し直径が加速度的に減少することや、液の圧力に対する飽和濃度を超える（過飽和）濃度までガスを溶解出来ることが知られている。気泡径の減少にともなって、上述の式（１）に示した表面張力の効果で気泡内部が加圧され、さらに不純物成分の溶解度が高まる。
【００６７】
このとき、非特許文献３に示されたように、メタンは水に対する溶解度が低く、圧力依存性も小さいため溶解量は少ない。このため、未溶解のメタンガスは溶解タンク４の水中を上昇し、水面から離脱してエアベント６１から精製ガス流路３３を通り、消化ガス精製装置２０２から精製ガスとして取り出される。加圧溶解でより微細な気泡を生成することによって、第１の実施形態と比較して気泡の内圧が高まるため、溶解タンク４の圧力が低い場合においても、過飽和の溶解性が得られる。
【００６８】
本実施形態では、エアベント６１と混合器１２を精製ガス戻り流路３５で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続し精製ガスＧ２を取り出す構成を有している。この精製ガス流路構成では、エアベント６１で分離された可燃性ガス濃度の高いガスを混合器１２に戻すことによって、原料ガスＧ１中の可燃性ガスの濃度が高まるため、溶解タンク４で分離される精製ガス中の可燃性ガスの濃度も高まり、消化ガス精製装置２０２から取り出される精製ガス中の可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。
【００６９】
本実施形態によれば、従来よりも低い圧力条件で液中に不純物ガスを溶解可能であり、可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプの消費電力を低減出来るため、消化ガス精製装置の設備コストと運転コストを削減できる。これによって、消化ガス精製装置の経済性が向上するとともに、消化ガス精製装置から取り出される可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。
【００７０】
本実施の形態では、ガスの微細化に加圧溶解型のマイクロバブル生成装置を用いて、溶解タンク４の液中に混合ガスのマイクロバブルを生成する。マイクロバブルは、気泡内部の圧力が高く溶解し易いので、より低い圧力条件で液中に不純物ガスを溶解することができ、溶解性の低い可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプの消費電力を低減することができる。
【００７１】
また、溶解タンク４で分離した可燃性ガスの濃度の高いガスを原料ガスに再混合して混合器１２に注入することにより、見かけ上の原料ガスの可燃性ガス濃度が増加する。これによって、溶解タンク４で液中に溶解し分離される不純物ガス量が等しければ、溶解タンク４で分離した可燃性ガスの濃度がさらに高まり、ガス循環の相乗効果で、再混合ラインから取り出される精製ガスの可燃性ガス濃度が増加する。
【００７２】
＜第４の実施形態＞
図６を参照して、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、図３、または図４と同じ構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。
【００７３】
本実施形態において特徴的なことは、精製ガスの混合部と再混合部に、加圧溶解方式により微細気泡を生成するガス混合液生成手段を用いたものである。
【００７４】
消化ガス精製装置２０３は、ガス混合液生成手段として、２台の加圧溶解型のマイクロバブル生成装置を備えている。第１のマイクロバブル生成装置（第１次ガス混合液生成手段）は、循環水Ｗ１と原料ガスＧ１とを混合して気液二相流体を生成する混合器１２と、気液二相流体を加圧して原料ガスを液体に溶解させるポンプ１１と、ポンプ１１で加圧溶解された原料ガス加圧溶解水を減圧発泡させるノズル１３とを有する。
【００７５】
また、第２のマイクロバブル生成装置（第２次ガス混合液生成手段）は、不純物揮散水Ｗ４と精製ガスＧ２（第２次原料ガス）を再混合して気液二相流体を生成する混合器１５と、気液二相流体を加圧して精製ガスＧ２を不純物揮散水Ｗ４に溶解させるポンプ１４と、ポンプ１４で加圧溶解された精製ガス加圧溶解水を減圧発泡させるノズル１６とを有する。
【００７６】
混合器１２と混合器１５には、エゼクタを用いてもよく、ポンプ１１とポンプ１４は気液二相流を送液可能なポンプを用いても良い。ポンプ１１の吸込み側は混合器１２に接続され、ポンプ１１の吐出側がノズル１３に接続され、ノズル１３の出口が溶解タンク４に接続される。ポンプ１４の吸込み側は混合器１５に接続され、ポンプ１４の吐出側がノズル１６に接続され、ノズル１６の出口が溶解タンク１０４に接続される。
【００７７】
また、エアベント６１と混合器１２を精製ガス戻り流路３５で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続し精製ガスＧ２を取り出す。エアベント１６１と混合器１５を精製ガス戻り流路１３５で連通し、この精製ガス戻り流路１３５に精製ガス流路１３３を接続し精製ガスＧ５を取り出す。
【００７８】
消化ガス回収設備１で回収された消化ガスの原料ガスＧ１が混合器１２から循環水Ｗ１に混合される。この気液二相流をポンプ１１で加圧し、加圧溶解した原料ガス加圧溶解水Ｗ２をノズル１３で減圧し、溶解タンク４内の水中に減圧発泡作用で微細気泡を生成する。一方、溶解タンク４で回収された精製ガスＧ２が混合器１５から不純物揮散水Ｗ４に混合される。
【００７９】
加圧溶解でより微細な気泡（マイクロバブル）を生成することによって、第２の実施形態と比較して気泡の内圧が高まるため、溶解タンク４、及び溶解タンク１０４の圧力が低い場合においても、過飽和の溶解性が得られる。
【００８０】
本実施形態では、エアベント６１で分離された可燃性ガス濃度の高いガスを混合器１２に戻すことによって、原料ガスＧ１中の可燃性ガスの濃度が高まるため、溶解タンク４で分離される精製ガスＧ２中の可燃性ガスの濃度も高まる。そして、この精製ガスＧ２を溶解タンク１０４で再溶解して不純物ガスをさらに取り去ることにより、精製ガス流路１３３から出る精製ガスＧ５中の可燃性ガスの濃度が高まり、 消化ガス精製装置２０３から取り出される精製ガス中の可燃性ガス濃度を高めることができる。
【００８１】
本実施形態によれば、第３の実施形態と比較して、さらに可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。これによって、消化ガス精製装置の可燃性ガス精製性能が向上する。
本実施の形態によれば、ガスの微細化に加圧溶解型のマイクロバブル生成装置を用いて、溶解タンクの液中に混合ガスのマイクロバブルを生成する。マイクロバブルは、気泡内部の圧力が高く溶解し易いので、より低い圧力条件で液中に不純物ガスを溶解可能であり、溶解性の低い可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプの消費電力を低減できる。また、溶解タンクで分離した可燃性ガスの濃度の高いガスを原料ガスに再混合して混合器に注入することにより、見かけ上の原料ガスの可燃性ガス濃度が増加する。これによって、溶解タンクで液中に溶解し分離される不純物ガス量が等しければ、溶解タンクで分離した可燃性ガスの濃度がさらに高まり、ガス循環の相乗効果で、再混合ラインから取り出される精製ガスの可燃性ガスの濃度を増加させることができる。
【００８２】
なお、本実施形態では、マイクロバブルを生成する方法の一例として、加圧溶解により生成する方法を記載したが、これに限定されるものではなく、他の方法でマイクロバブルを生成してもよい。
【００８３】
＜第５の実施形態＞
図７を参照して、第５の実施形態について説明する。本実施形態では、図１から図６と同じ構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。
【００８４】
消化ガス精製装置２００と消化ガス精製装置２０２は、図１、図２、または図５に示した第１、または第３の実施形態において流動抵抗体４４を動力回収機構（動力回収手段）１７に置き換える。動力回収機構１７は、ペルトン水車等の水力機械からなり、溶解タンク４から揮散タンク５への不純物ガス溶解水Ｗ３の流れによって直接駆動し、あるいは電力に変換し、ポンプ１０２を補助駆動する構成としてもよい。動力回収機構１７は、溶解タンク４から揮散タンク５の間で流動抵抗体４４を用いる減圧作用のエネルギーを、水車の回転によって動力として取り出し、ポンプ１０２の補助駆動力として用いることができる。
【００８５】
また、同様に消化ガス精製装置２０１と消化ガス精製装置２０３は、図３、図４、または図６に示した第２、または第４の実施形態において流動抵抗体４４を動力回収機構１７に置き換え、動力回収機構１７を直接駆動、あるいは電力に変換し、ポンプ１０２を補助駆動する構成としてもよい。動力回収機構１７によって、溶解タンク４から揮散タンク５の間で流動抵抗体４４を用いる減圧作用のエネルギーを、水車の回転によって動力として取り出し、ポンプ１０２の補助駆動力として用いることができる。本実施形態によれば、ポンプの消費電力を低減できるため、消化ガス精製装置の運転コストを削減できる。これによって、消化ガス精製装置の経済性が向上する。
【００８６】
本実施形態によれば、溶解タンク４、または第２の溶解タンク１０４から揮散タンク５、または第２の揮散タンク１０５にバルブやノズル等の流動に対する抵抗体を介して減圧する際の圧力降下を動力として回収し、ポンプ２、または第２のポンプ１０２の駆動力として利用することにより、精製装置の消費電力を低減してコストを削減できる。
【００８７】
なお、上記した第１〜第４実施の形態では、溶解タンク４と揮散タンク５の間に流動抵抗体４４を設けて、不純物ガス溶解水Ｗ３を減圧させる構成について説明したが、揮散タンク５内に不純物ガス溶解水Ｗ３を噴霧する噴霧ノズルを設けて、噴霧ノズルから不純物ガス溶解水Ｗ３を噴霧して不純物ガスを脱離させる構成とし、不純物ガス溶解液Ｗ３の減圧を噴霧ノズルの圧力損失で行ってもよい。
【００８８】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 消化ガス回収設備
２ ポンプ
３ 圧縮機
４ 溶解タンク
５ 揮散タンク
６ エゼクタ
７ ブロワ
１１ ポンプ
１２ 混合器
１３ ノズル
１４ ポンプ
１５ 混合器
１６ ノズル
１７ 動力回収機構（動力回収手段）
２１ 循環水流路
２２ 溶解水流路
２３ 揮散水流路
２４ 排水流路
２５ 補給水流路
３１ 原料ガス流路
３２ 原料ガス流路
３３ 精製ガス流路
３４ パージガス流路
３５ 精製ガス戻り流路
４１ 循環流量調整弁
４２ 原料ガス流量調整弁
４３ 精製ガス流量調整弁
４４ 流動抵抗体
４５ パージガス流量調整弁
４６ 補給水流量調整弁
４７ 排水流量調整弁
４８ 揮散水流量調整弁
６１ エアベント
６２ エアベント
１０２ ポンプ
１０４ 溶解タンク
１０５ 揮散タンク
１０６ エゼクタ
１０７ ブロワ
１２１ 循環水流路
１２２ 溶解水流路
１２３ 揮散水流路
１２４ 排水流路
１２５ 補給水流路
１３１ 原料ガス流路
１３２ 原料ガス流路
１３３ 精製ガス流路
１３４ パージガス流路
１３５ 精製ガス戻り流路
１４１ 循環流量調整弁
１４２ 原料ガス流量調整弁
１４３ 精製ガス流量調整弁
１４４ 流動抵抗体
１４５ パージガス流量調整弁
１４６ 補給水流量調整弁
１４７ 排水流量調整弁
１４８ 揮散水流量調整弁
１４９ 精製ガス戻り流量調整弁
１６１ エアベント
１６２ エアベント
Ｇ１ 原料ガス
Ｇ２ 精製ガス
Ｇ３ パージ用空気
Ｇ４ 不純物ガス
Ｇ５ 精製ガス
Ｗ１ 循環水（液体）
Ｗ２ 原料ガス混合水（ガス混合液）
Ｗ３ 不純物ガス溶解水（ガス溶解液）
Ｗ４ 不純物揮散水（ガス揮散液）
Ｗ５ 補給水
Ｗ６ 排水
Ｗ７ 不純物ガス溶解水（第２次ガス溶解液）
Ｗ８ 不純物揮散水（第２次ガス揮散液）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解度の異なる複数種のガスの混合物からの溶解度の低いガスの分離装置に係り、例えば下水汚泥を消化処理して得られたメタン混合ガス（消化ガス）から二酸化炭素を分離除去するのに好適なガス精製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水道分野の未利用エネルギーの回収、再資源化の一環として、非特許文献１に記載のように下水汚泥の燃料化が進められている。下水汚泥の燃料化の方式としては、汚泥の嫌気性消化反応によるメタンガスの回収が実用化されており、その利用法として非特許文献２に記載のように、消化ガス発電、消化ガス燃料電池、都市ガス代替・供給の他、非特許文献３に記載のように自動車燃料としての利用が試行されている。メタンガスを使用可能な自動車は天然ガス自動車であり、燃料は国内では１３Ａの都市ガス（組成例：メタン８９．６％、エタン・プロパン・ブタン１０．４％（体積％、以下同））と同等である。
【０００３】
一方、典型的な消化ガスの成分は、メタン６０〜６５％、二酸化炭素３３〜３５％、水素０〜２％、窒素０〜３％、硫化水素０．０２〜０．０８％であり、二酸化炭素をはじめ不純物が多いため、自動車燃料用ガスの約１／２の発熱量である。このため、消化ガスを精製して二酸化炭素を分離除去し、メタンの濃度を上げる必要がある。ここで、不純物の主要成分は、非特許文献４に記載のように二酸化炭素、窒素、酸素、硫化水素である。
【０００４】
下水汚泥からのメタンガス精製法の例として、非特許文献２に記載の「湿式吸収法」と特許文献１に記載の「高圧水吸収法」がある。「湿式吸収法」は大気圧に近い低圧の吸収塔内で消化ガスを水と接触させ、二酸化炭素を水に吸収させる方式であり、気液比（Ｌ／Ｇ）２．０以下の条件でメタンを体積割合で約９０％まで濃縮出来る。また、二酸化炭素以外の不純物は、第２の吸収塔でＮａＯＨと接触させて分離、除去する。「高圧水吸収法」で精製したメタンガスは、メタン９８％、窒素１．０％、二酸化炭素０．６％、酸素０．２％の組成であり、１２Ａの都市ガス（組成例：メタン９８．４％、窒素０．３％、二酸化炭素１．３％）に相当する。
【０００５】
「高圧水吸収法」は、メタンの水への溶解度が二酸化炭素等の不純物に対してはるかに小さく、且つ低圧から高圧まで溶解度の変化が少ないこと、及び二酸化炭素等の不純物の溶解度が圧力とともに増加する特性を利用している（非特許文献３参照）。消化ガスと水を圧力を高めた吸収塔内で接触させることによって、二酸化炭素の吸収能力を向上させ、圧力０．９ＭＰａの条件で体積割合約９８％までメタンを濃縮出来る。また、高圧条件を利用して同じ吸収塔内で二酸化炭素以外の不純物も分離、除去可能である。
【０００６】
本方式の気液接触のフローでは、吸収塔上部からポンプで給水し、下部から加圧した消化ガスを供給する。気液接触後に二酸化炭素等の不純物が溶解した水は減圧タンクに送られ、圧力が減じられて溶解した二酸化炭素やメタンの一部が減圧発泡し、水から分離される。さらに、放散塔において二酸化炭素等の不純物が溶解した水が空気泡と接触し、二酸化炭素等の不純物が空気泡中に移行することによって脱気される。補給水によって二酸化炭素等の不純物の濃度をさらに下げた水は、再び吸収塔に送られ循環する。減圧タンクで分離した二酸化炭素やメタンの一部は、消化ガスの原ガスに混合され、再利用される。
【０００７】
気液の接触における溶解効率を向上する方法として、特許文献２、及び特許文献３に記載の「微細気泡生成装置」がある。特許文献２の「微細気泡生成装置」は、ガスを混合した水を二相流ポンプで加圧溶解し、ノズルで減圧発泡する方式で、直径５０μｍ前後のマイクロバブルを生成する装置である。特許文献３の「微細気泡生成装置」は、単相流の圧力の掛かった水にエゼクタでガスを加圧溶解し、ノズルで減圧発泡する方式で、特許文献２と同様にマイクロバブルを生成する装置である。
【０００８】
生成された原料ガスのマイクロバブルは、接触槽内で水中に溶解するが、その際にマイクロバブルは比表面積が大きく、上昇速度が遅いため、高い溶解性を生じる。非特許文献５に記載のように、マイクロバブルはミリ径の気泡より数オーダーの短時間で急速に溶解し直径が加速度的に減少することや、液の圧力に対する飽和濃度を超える（過飽和）濃度までガスを溶解出来ることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４０８８６３２号公報
【特許文献２】特許第４５４７４４５号公報
【特許文献３】特許第４６４９５２９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】下水汚泥エネルギー利用調査委員会、「下水汚泥エネルギー利用調査の概要（その２）〜下水汚泥をエネルギー資源に〜」、再生と利用、ＶＯＬ．３２、Ｎｏ．１２１、７２−８０頁、２００８年
【非特許文献２】下水汚泥エネルギー利用調査委員会、「下水汚泥エネルギー利用調査の概要（その３）〜下水汚泥をエネルギー資源に〜」、再生と利用、ＶＯＬ．３３、Ｎｏ．１２２、９５−１０２頁、２００９年
【非特許文献３】豊久志朗、他、高圧水吸収法による消化ガスの精製と天然ガス自動車燃料としての活用、衛生工学シンポジウム論文集、ＶＯＬ．１３、１２３−１２６頁、２００５年
【非特許文献４】山本高弘、他、湿式吸収法による消化ガスの精製システム、第４３回下水道研究発表会講演集、４０７−４０９頁、２００６年
【非特許文献５】高橋正好、マイクロバブルの基礎と固体表面の洗浄、第７回微細気泡の応用技術講演会資料、化学工学会反応工学部会反応場の工学分科会、２０１０年１１月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
下水汚泥の消化ガスから精製したガスは１２Ａの都市ガス相当であるが、発熱量が１３Ａの都市ガスと比較して低いため、自動車の燃料に用いる場合はその低下分を供給量の増加によって補う必要がある。このため、従来の天然ガス自動車と同じ性能を得るために、燃料の搭載量増加や、エンジンの排気量増加が必要とされる。発熱量が低い原因は、自動車燃料に使われ高発熱量のガスを混合した１３Ａの都市ガスと比較して、高発熱量ガスの添加の差異があるだけでなく、ガス中の二酸化炭素、窒素等の不純物が残留し、精製ガスのメタン濃縮度が低いことも影響している。二酸化炭素等のメタン以外の不純物は燃焼に寄与しないため、燃料として使用するためには不純物を除去し、メタンの濃度を上げなければならない。この点で、「湿式吸収法」はメタンの体積割合が約９０％で、その他が不純物ガスであるため自動車燃料に適用に対しては発熱量が不足して実用性が低い。
【００１２】
また、１２Ａの都市ガス相当の生成ガスを得るために、「高圧水吸収法」では吸収塔に供給する水の圧力を大気圧から０．９ＭＰａ以上に高める必要があり、ポンプの消費電力が高い課題がある。また、高圧が掛かるため法令で吸収塔とポンプの循環ループを圧力容器としなければならず、設備コストが増加する。このように、「高圧水吸収法」は省エネルギーと経済性の観点で課題がある。
【００１３】
特許文献２、３の「微細気泡生成装置」は、ガスの溶解を目的としており、可燃性ガスと二酸化炭素等の不純物ガスとの混合と不純物ガスの分離、及び可燃性ガスの濃度を高める手法については考慮されていない。
【００１４】
本発明は、可燃性ガスと不純物の混合ガスから、大気圧を越える圧力に加圧した液中に不純物を吸収分離するプロセスにおいて、可燃性ガスの濃度を高め、且つ該液の加圧圧力を低減可能な消化ガス精製装置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】
【００１５】
上記課題を解決する本発明のガス精製装置は、可燃性ガスと不純物ガスとを含む原料ガスから前記可燃性ガスを分離して精製するガス精製装置であって、前記可燃性ガスよりも前記不純物ガスの溶解度が高い液体に前記原料ガスを微細気泡化して混合したガス混合液を生成するガス混合液生成手段と、該ガス混合液生成手段で生成されたガス混合液を加圧して前記原料ガスを溶解させ、該原料ガスのうち、前記ガス混合液に未溶解の未溶解ガスを前記ガス混合液から脱離させる溶解脱離手段とを有し、前記溶解脱離手段は、前記原料ガスの予め設定された溶解度が得られる溶解圧力値よりも小さい液圧力で前記ガス混合液を加圧し、前記ガス混合液生成手段は、前記原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と前記溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が前記溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明のガス精製装置によれば、原料ガスを微細気泡化して、その表面張力による気泡内圧力の増加を利用することによって、ガス混合液に加圧する液圧力をより小さくすることができる。したがって、圧力容器やポンプ等をより低圧用の簡易な構成のものにすることができ、設備コストを低減できる。そして、ポンプの消費電力を低減することができ、運転コストを低減できる。したがって、省エネルギー化を図ることができ、ガス精製装置の経済性を向上させることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図２】第１の実施形態の変形例に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図３】第２の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図４】第２の実施形態の変形例に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図５】第３の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図６】第４の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【図７】第５の実施形態に係る消化ガス精製装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１の実施形態＞
本実施の形態におけるガス精製装置は、下水処理場で発生した汚泥を処理する際に発生する消化ガス（原料ガス）から、メタンガス（可燃性ガス）を高濃度化して高熱量の燃料ガスを精製する消化ガス精製装置を対象としている。以下、本発明の第１の実施形態について、図１、図２を参照して詳細に説明する。
【００１９】
消化ガス精製装置２００は、消化ガス回収設備１から導入したメタンガスと二酸化炭素等の不純物ガスの混合した原料ガスを微細気泡化して循環水（液体）に溶解させ、溶解度の圧力依存性が大きく、且つ高圧条件で溶解度の高い二酸化炭素等の不純物ガスを循環水に加圧溶解して分離し、溶解度が低くその圧力依存性が小さいメタンガス（可燃性ガス）を気液分離して高濃度に精製する処理を行う。
【００２０】
消化ガス精製装置２００は、ガス混合液生成手段と、溶解脱離手段と、揮散手段と、循環手段を有する。ガス混合液生成手段は、可燃性ガスよりも不純物ガスの溶解度が高い液体に原料ガスを微細気泡化して混合したガス混合液を生成する処理を行う。溶解脱離手段は、ガス混合液生成手段で生成されたガス混合液を加圧して原料ガスを溶解させ、原料ガスのうち、ガス混合液に未溶解の未溶解ガスを前記ガス混合液から脱離させる処理を行う。
【００２１】
そして、溶解脱離手段は、原料ガスの予め設定された溶解度が得られる溶解圧力値よりも小さい液圧力で前記ガス混合液を加圧し、ガス混合液生成手段は、原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と前記溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が前記溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成する構成を有する。この気泡径は、後述するように微細気泡が溶解タンク内に留まる間に、溶解にともなって減少する気泡径に相当して気泡径が大きくても良い。
【００２２】
消化ガス精製装置２００は、二酸化炭素等の不純物ガスの除去と水の循環利用のために、循環水を減圧発泡させるとともに、不純物ガスを空気でパージし、そのパージした空気とともに不純物ガスを排気する構成を有している。精製したメタンガスについて、乾燥、昇圧等のユーティリティ向けの精製工程は、ここでは省略する。
【００２３】
消化ガス精製装置２００は、主要機器として循環水を加圧するポンプ２と、循環水中に原料ガスＧ１を溶解するための溶解タンク４（溶解脱離手段）と、原料ガスＧ１が溶解した循環水を減圧して気化分離するための揮散タンク５と、メタンと不純物の混合した原料ガスＧ１を供給する圧縮機３と、循環水に原料ガスＧ１を微細化して混合するエゼクタ６で構成される。
【００２４】
ポンプ２の吐出側はエゼクタ６の液入口に接続され、圧縮機３の吐出側がエゼクタ６のガス入口に接続され、エゼクタ６の気液出口が溶解タンク４に接続される。溶解タンク４の液面下と揮散タンク５が流動抵抗体４４で接続され、流動抵抗体４４での圧力損失によって、溶解タンク４の圧力が保持されるとともに、揮散タンク５が減圧される。
【００２５】
揮散タンク５の液面下とポンプ２の吸込側が揮散水流量調整弁４８を介して接続され、溶解タンク４の液面より上方がエアベント６１を通して精製ガス流路３３に繋がり、精製ガス流路３３には精製ガス流量調整弁４３が設けられる。揮散タンク５の液面より上方に不純物ガスＧ４を取り出すエアベント６２が設けられ、さらに、揮散タンク５とポンプ２の吸込側を連通する揮散水流路２３上に、補給水流量調整弁４６を介して補給水流路２５が接続される。揮散タンク５の液面下には、排水流量調整弁４７を介して排水流路２４が接続されるとともに、パージガス流量調整弁４５を介してブロワ７が接続される。
【００２６】
ポンプ２で加圧された循環水Ｗ１は、循環水流路２１を流れ、エゼクタ６の液入口に流入する。また、消化ガス回収設備１で回収された消化ガスの原料ガスＧ１が、原料ガス流路３１を通過して圧縮機３で圧縮され、原料ガス流路３２、原料ガス流量調整弁４２を介して、エゼクタ６のガス入口に供給され、エゼクタ６のガス入口から循環水Ｗ１の動圧で吸引される。循環水Ｗ１による原料ガスＧ１の吸引は、エゼクタ６の狭隘部での流速増加で得られ、その結果生じる圧力損失によって、原料ガスＧ１の混合ポイントでの圧力は循環水Ｗ１の元の圧力から低下する。このポンプ２と、圧縮機３と、エゼクタ６により、ガス混合液生成手段が構成される。
【００２７】
典型的な運転条件として、ポンプ２によって循環水Ｗ１に掛けられる圧力が０．７ＭＰａに対して、循環水Ｗ１に原料ガスＧ１を混合するポイント、及びエゼクタ６の出口での圧力は０．５ＭＰａとなる。原料ガスＧ１は、エゼクタ６で微細気泡化されて循環水Ｗ１と混合され、原料ガス混合水（ガス混合液）Ｗ２として溶解タンク４に流入する。
【００２８】
溶解タンク４内は、エゼクタ６の気液出口の圧力とほぼ同じ圧力であるため、原料ガスＧ１中の不純物成分（不純物ガス成分）の溶解度が高くなり、微細化された気泡の不純物成分は、原料ガス混合水Ｗ２に容易に溶解し、気泡径が減少する。微細気泡は、気泡径の減少にともなって、後述する式（１）に示した表面張力の効果で気泡内部が加圧され、さらに不純物成分の溶解度が高まる。
【００２９】
このとき、非特許文献３に示されたように、メタンガスは水に対する溶解度が低く、圧力依存性も小さいため、溶解量は少ない。このため、未溶解のメタンガスは、溶解タンク４の原料ガス混合水Ｗ２中を上昇し、水面から離脱してエアベント６１から精製ガス流路３３を通り、消化ガス精製装置２００から精製ガスＧ２として取り出される。
【００３０】
一方、不純物ガス溶解水（ガス溶解液）Ｗ３は、溶解水流路２２を通り、流動抵抗体４４で減圧され、揮散タンク５に流入する。このとき、不純物ガスＧ４は、溶解度の圧力依存性が大きいため減圧発泡し、揮散タンク５の水中を上昇して水面から離脱して、エアベント６２を通り消化ガス精製装置２００外に排出される（揮散手段）。
【００３１】
揮散タンク５では、下部からブロワ７で送気したパージ用空気Ｇ３が底部から供給される（エアパージ手段）。減圧発泡しなかった不純物ガスの溶解成分は、パージ用空気Ｇ３の気泡に接触し、気液の接触面から気相側に移行することによって、不純物揮散水（ガス揮散液）Ｗ４から分離され、減圧発泡成分と同様にエアベント６２を通り、消化ガス精製装置２００外に排出される。したがって、循環水への原料ガスＧ１からの不純物ガスの溶解量を増加させることができ、精製ガスの可燃性ガス濃度を増加させることができる。また、減圧発泡、及びパージ用空気に同伴しなかった不純物溶解成分の一部は、排水流路２４から排水Ｗ６とともに消化ガス精製装置２００外に排出される（排出手段）。
【００３２】
以上の不純物ガス成分の分離除去後に、不純物揮散水Ｗ４は揮散タンク５を出た後、揮散水流路２３を通ってポンプ２の吸込側に供給される（循環手段）。揮散タンク５からポンプ２に供給される過程で、不純物揮散水Ｗ４（排出手段により一部が排出された後の残りのガス揮散液）に、不純物ガスを含まない補給水（原料ガスの未混合の液体）Ｗ５が混合される（追加補給手段）。したがって、さらに不純物濃度が低下して、繰り返し循環水Ｗ１としてポンプ２によって送水される。
【００３３】
例えば、自動車燃料に使われる高発熱量のガスを実用的に精製するためには、「高圧水吸収法」でガス混合液の圧力を大気圧から０．９ＭＰａ以上に高める必要がある。本実施形態における消化ガス精製装置２００によれば、循環水Ｗ１に混合する原料ガスＧ１を微細気泡化することによって、下記の式（１）に示すように、液の圧力（Ｐ０）に加えて表面張力（σ）による加圧（４σ／Ｄ）が得られるので、気泡内の圧力（Ｐ）が高まる。例えば、気泡の溶解にしたがって気泡径が減少し、直径１μｍまで縮小した気泡の表面張力による圧力の増分は０．３ＭＰａに、直径０．７μｍまで縮小した気泡の圧力の増分は０．４ＭＰａに達する。
【００３４】
気泡径が１００μｍ未満で多くは気泡径５０μｍ前後のいわゆるマイクロバブルでは、非特許文献５に記載のように、大きな比表面積、低い上昇速度、表面張力による内圧上昇でヘンリーの法則に沿ってガスの溶解度が高まること、及び過飽和濃度までガスを溶解出来ることが知られている。これによって、特許文献１に示した従来技術と比較して、より低い液の圧力条件で等価に不純物ガスを溶解することができ、溶解性の低い可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプの消費電力を低減出来る効果がある。
【００３５】
溶解タンク４の圧力を０．５ＭＰａ以下とした場合に、気泡の直径が０．７μｍ以下になるまで溶解することによって、合計したガス圧力（気泡内圧力＋液圧力）は、表面張力の圧力増分０．４ＭＰａを加えて、０．９ＭＰａ以上に達する。また、溶解時の液の圧力を従来技術より低減できれば、ポンプ２から溶解タンク４、及び流動抵抗体４４までの循環ループの圧力を低減出来るので、配管の耐圧を下げることができ、設備コストの削減効果も得られる。本実施の形態では、溶解タンク４の圧力は、０．５５ＭＰａ未満が好ましい。
【００３６】
大気圧中のエゼクタ６による気泡生成では、平均的な気泡の直径はマイクロバブルの直径より数倍大きいが、エゼクタ６が生成した気泡を加圧場（溶解タンク４内）で溶解する場合には、前記ヘンリーの法則で溶解度が高まる。したがって、気泡径が減少してマイクロバブルの寸法の領域に短時間で移行する。
［数１］
Ｐ＝Ｐ０＋４σ／Ｄ ・・・・（１）
【００３７】
さらに、揮散タンク５とポンプ２の吸込側との間を連通する液流路に補給水ライン２５を接続することによって、揮散タンク５で不純物ガスを脱気した液に、不純物ガスが含まれない補給水Ｗ５を加えることになり、原料ガスＧ１を注入する液の初期の不純物ガスの濃度が低下し、原料ガスＧ１からの不純物ガスの溶解量が増加する。同様に、揮散タンク５から不純物ガスが高濃度に溶解した排水Ｗ６を排出することによって、揮散タンク５から出る不純物ガスが溶解した液の量が減少し、相対的に揮散タンク５からポンプ２に供給される液中の不純物ガス量が減少し、原料ガスＧ１からの不純物ガスの溶解量が増加する。
【００３８】
上記のように、本実施形態では原料ガスＧ１を微細気泡化して溶解タンク４内において加圧するので、原料ガスＧ１中の不純物ガス成分の溶解度が高くなり、微細化された気泡の不純物成分は、原料ガス混合水Ｗ２に容易に溶解し、気泡径が減少する。微細気泡は、気泡径の減少にともなって、上記式（１）に示した表面張力の効果で気泡内部が加圧され、さらに不純物成分の溶解度が高まる。したがって、従来よりも低い圧力条件で液中に不純物ガスを溶解可能であり、可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプ２の消費電力を低減でき、消化ガス精製装置の設備コストと運転コストを削減できる。これによって、消化ガス精製装置の経済性が向上する。
【００３９】
また、本実施形態の一部変形例として、図２に示すようにエアベント６１と圧縮機３の上流側を精製ガス戻り流路３５で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続する構成（未溶解ガス戻し手段）とし、精製ガスＧ２の一部を取り出す構成としても良い。
【００４０】
この構成によれば、溶解タンク４で分離した可燃性ガス濃度の高いガス（未溶解ガス）Ｇ２を圧縮機３の入口側に戻して、原料ガスＧ１に再混合するので、見かけ上の原料ガスＧ１中の可燃性ガスの濃度が高まる。したがって、溶解タンク４で液中に溶解し分離される不純物ガス量が等しければ、溶解タンク４で分離される精製ガス中の可燃性ガスの濃度がさらに高まり、ガス循環の相乗効果で、消化ガス精製装置２００から取り出される精製ガスの可燃性ガスＧ２の濃度を高めることができる。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
図３、図４を参照して、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、図１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。
【００４２】
本実施形態において特徴的なことは、主として、溶解脱離処理と揮散処理が二段に設定されており、各処理が二回繰り返して行われることである。本実施形態のガス精製装置は、第１の実施形態の構成に加えて、第２次ガス混合液生成手段と、第２次溶解脱離手段と、第２次揮散手段と、第２次未溶解ガス戻し手段を有する。
【００４３】
第２次ガス混合液生成手段は、揮散手段で生成されたガス揮散液に溶解脱離手段で脱離された未溶解ガスを第２次原料ガスとして微細気泡化して混合した第２次ガス混合液を生成する処理を行う。
【００４４】
第２次溶解脱離手段は、第２次ガス混合液生成手段で生成された第２次ガス混合液を加圧して前記第２次原料ガスを溶解させ、該第２次原料ガスのうち、第２次ガス混合液に未溶解の第２次未溶解ガスを前記第２次ガス混合液から脱離させる処理を行う。
【００４５】
そして、第２次溶解脱離手段は、溶解圧力値よりも小さい液圧力で第２次ガス混合液を加圧し、第２次ガス混合液生成手段は、第２次原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と第２次溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成する処理を行う。
【００４６】
第２次揮散手段は、第２次溶解脱離手段で生成された第２次ガス溶解液を減圧して、第２次ガス溶解液に溶解されている溶解ガスを発泡させて、第２次ガス溶解液から溶解ガスを脱離させる処理を行う。第２次未溶解ガス戻し手段は、第２次溶解脱離手段で脱離させた未溶解ガスの一部を第２次ガス混合液生成手段に供給する処理を行う。本実施形態における循環手段は、第２次揮散手段で生成された第２次ガス揮散液の少なくとも一部を液体としてガス混合液生成手段に供給する処理を行う。
【００４７】
消化ガス精製装置２０１は、図１の消化ガス精製装置２００において揮散タンク５から出て揮散水流路２３を流れる循環水を再加圧するポンプ１０２と、循環水中に精製ガス流路３３からの精製ガスを再溶解するための溶解タンク１０４と、精製ガスが再溶解した循環水を減圧して気化分離するための揮散タンク１０５と、循環水に精製ガスＧ２を微細気泡化して混合するエゼクタ１０６で構成される。
【００４８】
ポンプ１０２の吐出側はエゼクタ１０６の液入口に接続され、精製ガス流路３３がエゼクタ１０６のガス入口に接続され、エゼクタ１０６の気液出口が溶解タンク１０４に接続される。本実施の形態では、ポンプ１０２とエゼクタ１０６により、第２次ガス混合液生成手段が構成される。
【００４９】
溶解タンク１０４の液面下と揮散タンク１０５が流動抵抗体１４４（減圧手段）で接続され、流動抵抗体１４４での圧力損失によって、溶解タンク１０４の圧力が保持されるとともに、揮散タンク１０５が減圧される。揮散タンク１０５の液面下とポンプ２の吸込側が揮散水流量調整弁１４８を介して揮散水流路１２３で接続され、溶解タンク１０４の液面より上方がエアベント１６１を通して精製ガス流路１３３に繋がり、精製ガス流路１３３には精製ガス流量調整弁１４３が設けられる。揮散タンク１０５の液面より上方に不純物ガスを取り出すエアベント１６２が設けられ、揮散タンク１０５の液面下には、パージガス流量調整弁１４５を介してブロワ１０７が接続される。
【００５０】
揮散タンク５で不純物ガスがパージされた不純物揮散水（ガス揮散液）Ｗ４は、揮散水流路２３を流れポンプ１０２で再加圧されて、エゼクタ１０６の液入口に流入する。また、溶解タンク４で回収された精製ガス（未溶解ガス）Ｇ２が第２次原料ガスとしてエゼクタ１０６のガス入口から不純物揮散水Ｗ４の動圧で吸引される。不純物揮散水Ｗ４による精製ガスＧ２の吸引は、エゼクタ１０６の狭隘部での流速増加で得られ、その結果生じる圧力損失によって、精製ガスＧ２の混合ポイントでの圧力は不純物揮散水Ｗ４の元の圧力から低下する。
【００５１】
典型的な運転条件として、ポンプ１０２によって不純物揮散水Ｗ４に掛けられる圧力が０．５ＭＰａに対して、不純物揮散水Ｗ４に精製ガスＧ２を混合するポイント、及びエゼクタ１０６の出口での精製ガス混合水（第２次ガス混合液）の圧力は０．３ＭＰａとなる。精製ガスＧ２は、エゼクタ１０６で微細化され、溶解タンク１０４に流入する。溶解タンク１０４内は、エゼクタ１０６の気液出口の圧力とほぼ同じ圧力であるため、精製ガスＧ２中の不純物成分の溶解度が大気圧条件下より高くなり、微細化された気泡の不純物成分は容易に溶解し気泡径が減少する。
【００５２】
気泡径の減少にともなって、表面張力の効果で気泡内部が加圧され、さらに不純物成分の溶解度が高まる。メタンガスは水に対する溶解度が低く、圧力依存性も小さいため溶解量が少ない。したがって、溶解タンク１０４内で未溶解のメタンガス（第２次未溶解ガス）は、溶解タンク１０４内の精製ガス混合水（第２次ガス混合液）中を上昇し、水面から離脱してエアベント１６１から精製ガス流路１３３を通り、消化ガス精製装置２０１から精製ガスＧ５として取り出される（第２次溶解脱離手段）。
【００５３】
一方、不純物ガス溶解水（第２次ガス溶解液）Ｗ７は、溶解水流路１２２を通り、流動抵抗体１４４で減圧され、揮散タンク１０５に流入する。このとき、不純物成分（溶解ガス）は溶解度の圧力依存性が大きいため減圧発泡し、揮散タンク１０５の水中を上昇して水面から離脱して、エアベント１６２を通り消化ガス精製装置２０１外に排出される（第２次揮散手段）。揮散タンク１０５では、下部からブロワ１０７で送気したパージ用空気が底部から供給される。減圧発泡しなかった不純物の溶解成分は、パージ用空気の気泡に接触し、気液の接触面から気相側に移行することによって、不純物ガス溶解水Ｗ７から分離され、減圧発泡成分と同様にエアベント１６２を通り消化ガス精製装置２０１外に排出される。したがって、循環水への原料ガスＧ１からの不純物ガスの溶解量を増加させることができ、精製ガスの可燃性ガス濃度を増加させることができる。揮散タンク１０５で生成された不純物揮散水Ｗ８（第２次ガス揮散液）は、揮散水量調整弁１４８を介して揮散水流路１２３からポンプ２に供給される。
【００５４】
以上の過程で、二段階の不純物の溶解によって、消化ガス精製装置２０１から取り出される精製ガス中の可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。本実施形態では、溶解タンク１０４が第２次溶解脱離手段、揮散タンク１０５が第２次揮散手段に相当し、揮散水流路１２３が循環手段に相当する。
【００５５】
また、本実施形態の一部変形例として、図４に示すようにエアベント１６１とエゼクタ１０６のガス入口上流側に精製ガス戻り流路１３５で連通し、この精製ガス戻り流路１３５に精製ガス流路１３３を接続し精製ガスＧ５の一部を取り出しても良い（第２次未溶解ガス戻し手段）。この精製ガス流路構成では、エアベント１６１で分離された可燃性ガス濃度の高いガスをエゼクタ１０６のガス入口側に戻すことによって、エゼクタ１０６に入る精製ガスＧ２中の可燃性ガスの濃度が高まるため、溶解タンク１０４で分離される精製ガス中の可燃性ガスの濃度も高まり、消化ガス精製装置２０１から取り出される精製ガス中の可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。
【００５６】
なお、特に図示していないが本実施形態の一部変形例として、第１の実施形態と同様に、エアベント６１と圧縮機３の上流側を精製ガス戻り流路３５（図２を参照）で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続する構成（未溶解ガス戻し手段）としても良い。また、揮散タンク１０５とポンプ２との間の揮散水流路１２３に補給水ラインを接続して補給水を加えるとともに、揮散タンク１０５から不純物揮散水の一部を排出する構成としてもよい。
【００５７】
本実施の形態によれば、溶解脱離処理と揮散処理が二段に設定されており、各処理が二回繰り返して行われる。したがって、溶解タンク４から取り出した１段目の精製ガスに少量含まれる不純物ガスを２段目でさらに分離、除去でき、タンク１０４から取り出される精製ガス中の可燃性ガスの濃度をさらに高めることが出来る。
【００５８】
さらに、揮散タンク５と二段目のポンプ１０２の吸込側を連通する揮散水流路２３に補給水ライン２５を接続することによって、揮散タンク５で不純物ガスを脱気した液に、不純物ガスが含まれない補給水Ｗ５を加えることになり、二段目の溶解タンク１０４に一段目の精製ガスを注入する液の不純物ガスの濃度が低下し、一段目の精製ガスからの不純物ガスの溶解量が増加する。
【００５９】
そして、揮散タンク５から不純物ガスが高濃度に溶解した排水Ｗ６を排出することによって、揮散タンク５での不純物ガスの脱気量に対して不純物ガスが溶解した液量が減少し、相対的に揮散タンク５から二段目のポンプ１０２に供給される液中の不純物ガス量が減少し、一段目の精製ガスからの不純物ガスの溶解量を増加させることができる。
【００６０】
また、溶解タンク４で分離した可燃性ガスの濃度の高いガスを原料ガスに再混合してエゼクタ６に注入することにより、見かけ上の原料ガスの可燃性ガス濃度が増加する。これによって、溶解タンク４で液中に溶解し分離される不純物ガス量が等しければ、溶解タンク４で分離した可燃性ガスの濃度がさらに高まり、ガス循環の相乗効果で、再混合ラインから取り出される精製ガスの可燃性ガス濃度が増加する。
【００６１】
本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、さらに可燃性ガスの濃度を高めることができる。したがって、消化ガス精製装置の可燃性ガスの精製性能を向上させることができる。
【００６２】
＜第３の実施形態＞
次に、図５を参照して、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、図１、または図２と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。
【００６３】
本実施形態において特徴的なことは、加圧溶解方式により微細気泡を生成するガス混合液生成手段を用いたものである。消化ガス精製装置２０２は、ガス混合液生成手段として、加圧溶解型のマイクロバブル生成装置を備えている。マイクロバブル生成装置は、循環水Ｗ１と原料ガスＧ１とを混合して気液二相流体を生成する混合器１２と、気液二相流体を加圧して原料ガスを液体に溶解させるポンプ１１と、ポンプ１１で加圧溶解された気液二相流体を減圧発泡させるノズル１３とを有する。
【００６４】
混合器１２はエゼクタを用いてもよく、ポンプ１１は気液二相流体を送液可能なポンプを用いても良い。ポンプ１１の吸込み側は混合器１２に接続され、ポンプ１１の吐出側がノズル１３に接続され、ノズル１３の出口が溶解タンク４に接続される。また、エアベント６１と混合器１２を精製ガス戻り流路３５で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続し精製ガスＧ２を取り出す。
【００６５】
消化ガス回収設備１で回収された消化ガスの原料ガスＧ１が混合器１２から循環水Ｗ１に混合される。この気液二相流体をポンプ１１で加圧し、加圧溶解した原料ガス混合水Ｗ２をノズル１３で減圧し、溶解タンク４内の水中に減圧発泡作用で微細気泡を生成する。
【００６６】
加圧溶解方式で生成する例えば特許文献２に記載の装置で生成する気泡は、直径が５０μｍ前後のマイクロバブルである。非特許文献５に記載のように、マイクロバブルはミリ径の気泡より数オーダーの短時間で急速に溶解し直径が加速度的に減少することや、液の圧力に対する飽和濃度を超える（過飽和）濃度までガスを溶解出来ることが知られている。気泡径の減少にともなって、上述の式（１）に示した表面張力の効果で気泡内部が加圧され、さらに不純物成分の溶解度が高まる。
【００６７】
このとき、非特許文献３に示されたように、メタンは水に対する溶解度が低く、圧力依存性も小さいため溶解量は少ない。このため、未溶解のメタンガスは溶解タンク４の水中を上昇し、水面から離脱してエアベント６１から精製ガス流路３３を通り、消化ガス精製装置２０２から精製ガスとして取り出される。加圧溶解でより微細な気泡を生成することによって、第１の実施形態と比較して気泡の内圧が高まるため、溶解タンク４の圧力が低い場合においても、過飽和の溶解性が得られる。
【００６８】
本実施形態では、エアベント６１と混合器１２を精製ガス戻り流路３５で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続し精製ガスＧ２を取り出す構成を有している。この精製ガス流路構成では、エアベント６１で分離された可燃性ガス濃度の高いガスを混合器１２に戻すことによって、原料ガスＧ１中の可燃性ガスの濃度が高まるため、溶解タンク４で分離される精製ガス中の可燃性ガスの濃度も高まり、消化ガス精製装置２０２から取り出される精製ガス中の可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。
【００６９】
本実施形態によれば、従来よりも低い圧力条件で液中に不純物ガスを溶解可能であり、可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプの消費電力を低減出来るため、消化ガス精製装置の設備コストと運転コストを削減できる。これによって、消化ガス精製装置の経済性が向上するとともに、消化ガス精製装置から取り出される可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。
【００７０】
本実施の形態では、ガスの微細化に加圧溶解型のマイクロバブル生成装置を用いて、溶解タンク４の液中に混合ガスのマイクロバブルを生成する。マイクロバブルは、気泡内部の圧力が高く溶解し易いので、より低い圧力条件で液中に不純物ガスを溶解することができ、溶解性の低い可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプの消費電力を低減することができる。
【００７１】
また、溶解タンク４で分離した可燃性ガスの濃度の高いガスを原料ガスに再混合して混合器１２に注入することにより、見かけ上の原料ガスの可燃性ガス濃度が増加する。これによって、溶解タンク４で液中に溶解し分離される不純物ガス量が等しければ、溶解タンク４で分離した可燃性ガスの濃度がさらに高まり、ガス循環の相乗効果で、再混合ラインから取り出される精製ガスの可燃性ガス濃度が増加する。
【００７２】
＜第４の実施形態＞
図６を参照して、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、図３、または図４と同じ構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。
【００７３】
本実施形態において特徴的なことは、精製ガスの混合部と再混合部に、加圧溶解方式により微細気泡を生成するガス混合液生成手段を用いたものである。
【００７４】
消化ガス精製装置２０３は、ガス混合液生成手段として、２台の加圧溶解型のマイクロバブル生成装置を備えている。第１のマイクロバブル生成装置（第１次ガス混合液生成手段）は、循環水Ｗ１と原料ガスＧ１とを混合して気液二相流体を生成する混合器１２と、気液二相流体を加圧して原料ガスを液体に溶解させるポンプ１１と、ポンプ１１で加圧溶解された原料ガス加圧溶解水を減圧発泡させるノズル１３とを有する。
【００７５】
また、第２のマイクロバブル生成装置（第２次ガス混合液生成手段）は、不純物揮散水Ｗ４と精製ガスＧ２（第２次原料ガス）を再混合して気液二相流体を生成する混合器１５と、気液二相流体を加圧して精製ガスＧ２を不純物揮散水Ｗ４に溶解させるポンプ１４と、ポンプ１４で加圧溶解された精製ガス加圧溶解水を減圧発泡させるノズル１６とを有する。
【００７６】
混合器１２と混合器１５には、エゼクタを用いてもよく、ポンプ１１とポンプ１４は気液二相流を送液可能なポンプを用いても良い。ポンプ１１の吸込み側は混合器１２に接続され、ポンプ１１の吐出側がノズル１３に接続され、ノズル１３の出口が溶解タンク４に接続される。ポンプ１４の吸込み側は混合器１５に接続され、ポンプ１４の吐出側がノズル１６に接続され、ノズル１６の出口が溶解タンク１０４に接続される。
【００７７】
また、エアベント６１と混合器１２を精製ガス戻り流路３５で連通し、この精製ガス戻り流路３５に精製ガス流路３３を接続し精製ガスＧ２を取り出す。エアベント１６１と混合器１５を精製ガス戻り流路１３５で連通し、この精製ガス戻り流路１３５に精製ガス流路１３３を接続し精製ガスＧ５を取り出す。
【００７８】
消化ガス回収設備１で回収された消化ガスの原料ガスＧ１が混合器１２から循環水Ｗ１に混合される。この気液二相流をポンプ１１で加圧し、加圧溶解した原料ガス加圧溶解水Ｗ２をノズル１３で減圧し、溶解タンク４内の水中に減圧発泡作用で微細気泡を生成する。一方、溶解タンク４で回収された精製ガスＧ２が混合器１５から不純物揮散水Ｗ４に混合される。
【００７９】
加圧溶解でより微細な気泡（マイクロバブル）を生成することによって、第２の実施形態と比較して気泡の内圧が高まるため、溶解タンク４、及び溶解タンク１０４の圧力が低い場合においても、過飽和の溶解性が得られる。
【００８０】
本実施形態では、エアベント６１で分離された可燃性ガス濃度の高いガスを混合器１２に戻すことによって、原料ガスＧ１中の可燃性ガスの濃度が高まるため、溶解タンク４で分離される精製ガスＧ２中の可燃性ガスの濃度も高まる。そして、この精製ガスＧ２を溶解タンク１０４で再溶解して不純物ガスをさらに取り去ることにより、精製ガス流路１３３から出る精製ガスＧ５中の可燃性ガスの濃度が高まり、 消化ガス精製装置２０３から取り出される精製ガス中の可燃性ガス濃度を高めることができる。
【００８１】
本実施形態によれば、第３の実施形態と比較して、さらに可燃性ガスの濃度を高めることが出来る。これによって、消化ガス精製装置の可燃性ガス精製性能が向上する。
本実施の形態によれば、ガスの微細化に加圧溶解型のマイクロバブル生成装置を用いて、溶解タンクの液中に混合ガスのマイクロバブルを生成する。マイクロバブルは、気泡内部の圧力が高く溶解し易いので、より低い圧力条件で液中に不純物ガスを溶解可能であり、溶解性の低い可燃性ガスの濃度を高めるとともにポンプの消費電力を低減できる。また、溶解タンクで分離した可燃性ガスの濃度の高いガスを原料ガスに再混合して混合器に注入することにより、見かけ上の原料ガスの可燃性ガス濃度が増加する。これによって、溶解タンクで液中に溶解し分離される不純物ガス量が等しければ、溶解タンクで分離した可燃性ガスの濃度がさらに高まり、ガス循環の相乗効果で、再混合ラインから取り出される精製ガスの可燃性ガスの濃度を増加させることができる。
【００８２】
なお、本実施形態では、マイクロバブルを生成する方法の一例として、加圧溶解により生成する方法を記載したが、これに限定されるものではなく、他の方法でマイクロバブルを生成してもよい。
【００８３】
＜第５の実施形態＞
図７を参照して、第５の実施形態について説明する。本実施形態では、図１から図６と同じ構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。
【００８４】
消化ガス精製装置２００と消化ガス精製装置２０２は、図１、図２、または図５に示した第１、または第３の実施形態において流動抵抗体４４を動力回収機構（動力回収手段）１７に置き換える。動力回収機構１７は、ペルトン水車等の水力機械からなり、溶解タンク４から揮散タンク５への不純物ガス溶解水Ｗ３の流れによって直接駆動し、あるいは電力に変換し、ポンプ１０２を補助駆動する構成としてもよい。動力回収機構１７は、溶解タンク４から揮散タンク５の間で流動抵抗体４４を用いる減圧作用のエネルギーを、水車の回転によって動力として取り出し、ポンプ１０２の補助駆動力として用いることができる。
【００８５】
また、同様に消化ガス精製装置２０１と消化ガス精製装置２０３は、図３、図４、または図６に示した第２、または第４の実施形態において流動抵抗体４４を動力回収機構１７に置き換え、動力回収機構１７を直接駆動、あるいは電力に変換し、ポンプ１０２を補助駆動する構成としてもよい。動力回収機構１７によって、溶解タンク４から揮散タンク５の間で流動抵抗体４４を用いる減圧作用のエネルギーを、水車の回転によって動力として取り出し、ポンプ１０２の補助駆動力として用いることができる。本実施形態によれば、ポンプの消費電力を低減できるため、消化ガス精製装置の運転コストを削減できる。これによって、消化ガス精製装置の経済性が向上する。
【００８６】
本実施形態によれば、溶解タンク４、または第２の溶解タンク１０４から揮散タンク５、または第２の揮散タンク１０５にバルブやノズル等の流動に対する抵抗体を介して減圧する際の圧力降下を動力として回収し、ポンプ２、または第２のポンプ１０２の駆動力として利用することにより、精製装置の消費電力を低減してコストを削減できる。
【００８７】
なお、上記した第１〜第４実施の形態では、溶解タンク４と揮散タンク５の間に流動抵抗体４４を設けて、不純物ガス溶解水Ｗ３を減圧させる構成について説明したが、揮散タンク５内に不純物ガス溶解水Ｗ３を噴霧する噴霧ノズルを設けて、噴霧ノズルから不純物ガス溶解水Ｗ３を噴霧して不純物ガスを脱離させる構成とし、不純物ガス溶解液Ｗ３の減圧を噴霧ノズルの圧力損失で行ってもよい。
【００８８】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 消化ガス回収設備
２ ポンプ
３ 圧縮機
４ 溶解タンク
５ 揮散タンク
６ エゼクタ
７ ブロワ
１１ ポンプ
１２ 混合器
１３ ノズル
１４ ポンプ
１５ 混合器
１６ ノズル
１７ 動力回収機構（動力回収手段）
２１ 循環水流路
２２ 溶解水流路
２３ 揮散水流路
２４ 排水流路
２５ 補給水流路
３１ 原料ガス流路
３２ 原料ガス流路
３３ 精製ガス流路
３４ パージガス流路
３５ 精製ガス戻り流路
４１ 循環流量調整弁
４２ 原料ガス流量調整弁
４３ 精製ガス流量調整弁
４４ 流動抵抗体
４５ パージガス流量調整弁
４６ 補給水流量調整弁
４７ 排水流量調整弁
４８ 揮散水流量調整弁
６１ エアベント
６２ エアベント
１０２ ポンプ
１０４ 溶解タンク
１０５ 揮散タンク
１０６ エゼクタ
１０７ ブロワ
１２１ 循環水流路
１２２ 溶解水流路
１２３ 揮散水流路
１２４ 排水流路
１２５ 補給水流路
１３１ 原料ガス流路
１３２ 原料ガス流路
１３３ 精製ガス流路
１３４ パージガス流路
１３５ 精製ガス戻り流路
１４１ 循環流量調整弁
１４２ 原料ガス流量調整弁
１４３ 精製ガス流量調整弁
１４４ 流動抵抗体
１４５ パージガス流量調整弁
１４６ 補給水流量調整弁
１４７ 排水流量調整弁
１４８ 揮散水流量調整弁
１４９ 精製ガス戻り流量調整弁
１６１ エアベント
１６２ エアベント
Ｇ１ 原料ガス
Ｇ２ 精製ガス
Ｇ３ パージ用空気
Ｇ４ 不純物ガス
Ｇ５ 精製ガス
Ｗ１ 循環水（液体）
Ｗ２ 原料ガス混合水（ガス混合液）
Ｗ３ 不純物ガス溶解水（ガス溶解液）
Ｗ４ 不純物揮散水（ガス揮散液）
Ｗ５ 補給水
Ｗ６ 排水
Ｗ７ 不純物ガス溶解水（第２次ガス溶解液）
Ｗ８ 不純物揮散水（第２次ガス揮散液）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性ガスと不純物ガスとを含む原料ガスから前記可燃性ガスを分離して精製するガス精製装置であって、
前記可燃性ガスよりも前記不純物ガスの溶解度が高い液体に前記原料ガスを微細気泡化して混合したガス混合液を生成するガス混合液生成手段と、
該ガス混合液生成手段で生成されたガス混合液を加圧して前記原料ガスを溶解させ、該原料ガスのうち、前記ガス混合液に未溶解の未溶解ガスを前記ガス混合液から脱離させる溶解脱離手段と、
を有し、
前記溶解脱離手段は、前記原料ガスの予め設定された溶解度が得られる溶解圧力値よりも小さい液圧力で前記ガス混合液を加圧し、
前記ガス混合液生成手段は、前記原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と前記溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が前記溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成することを特徴とするガス精製装置。
【請求項２】
前記溶解脱離手段で生成されたガス溶解液を減圧して、該ガス溶解液に溶解されている溶解ガスを発泡させて、前記ガス溶解液から前記溶解ガスを脱離させる揮散手段を有することを特徴とする請求項１に記載のガス精製装置。
【請求項３】
前記揮散手段で生成されたガス揮散液の少なくとも一部を前記液体として前記ガス混合液生成手段に供給する循環手段を有することを特徴とする請求項２に記載のガス精製装置。
【請求項４】
前記溶解脱離手段で脱離させた前記未溶解ガスの一部を前記ガス混合液生成手段に供給する未溶解ガス戻し手段を有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項５】
前記揮散手段は、前記ガス溶解液にパージ用空気を供給して前記ガス溶解液から前記溶解ガスを脱離させるエアパージ手段を有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項６】
前記循環手段は、前記ガス揮散液の一部を排出する排出手段と、該排出手段により一部が排出された後の残りの前記ガス揮散液に前記原料ガスの未混合の液体を追加補給する追加補給手段とを有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項７】
前記ガス混合液生成手段は、前記液体の動圧により前記原料ガスを吸引して前記ガス混合液を生成するエゼクタと、該エゼクタに前記液体を圧送するポンプと、前記エゼクタに前記原料ガスを供給する圧縮機とを有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項８】
前記ガス混合液生成手段は、前記液体と前記原料ガスとを混合して気液二相流体を生成する混合器と、該気液二相流体を加圧して前記原料ガスを前記液体に溶解させるポンプと、該ポンプで加圧溶解された混合液を減圧させるノズルとを有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項９】
前記ガス溶解液の減圧による圧力降下を動力として回収して前記ポンプを補助駆動する動力回収手段を有することを特徴とする請求項７又は８に記載のガス精製装置。
【請求項１０】
前記動力回収手段は、ペルトン水車であることを特徴とする請求項９に記載のガス精製装置。
【請求項１１】
前記揮散手段で生成されたガス揮散液に前記溶解脱離手段で脱離された前記未溶解ガスを第２次原料ガスとして微細気泡化して混合した第２次ガス混合液を生成する第２次ガス混合液生成手段と、
前記第２次ガス混合液生成手段で生成された第２次ガス混合液を加圧して前記第２次原料ガスを溶解させ、該第２次原料ガスのうち、前記第２次ガス混合液に未溶解の第２次未溶解ガスを前記第２次ガス混合液から脱離させる第２次溶解脱離手段と、を有し、
前記第２次溶解脱離手段は、前記溶解圧力値よりも小さい液圧力で前記第２次ガス混合液を加圧し、
前記第２次ガス混合液生成手段は、前記第２次原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と前記第２次溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が前記溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成することを特徴とする請求項２に記載のガス精製装置。
【請求項１２】
前記第２次溶解脱離手段で生成された第２次ガス溶解液を減圧して、該第２次ガス溶解液に溶解されている溶解ガスを発泡させて、前記第２次ガス溶解液から前記溶解ガスを脱離させる第２次揮散手段を有することを特徴とする請求項１１に記載のガス精製装置。
【請求項１３】
前記第２次揮散手段で生成された第２次ガス揮散液の少なくとも一部を前記液体として前記ガス混合液生成手段に供給する循環手段を有することを特徴とする請求項１２に記載のガス精製装置。
【請求項１４】
前記第２次溶解脱離手段で脱離させた前記第２次未溶解ガスの一部を前記第２次ガス混合液生成手段に供給する第２次未溶解ガス戻し手段を有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１５】
前記第２次揮散手段は、前記第２次ガス溶解液にパージ用空気を供給して前記第２次ガス溶解液から前記溶解ガスを脱離させるエアパージ手段を有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１６】
前記循環手段は、前記第２次ガス揮散液の一部を排出する排出手段と、該排出手段により一部が排出された後の残りの前記第２次ガス揮散液に前記第２次原料ガスの未混合の液体を追加補給する追加補給手段とを有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１７】
前記第２次ガス混合液生成手段は、前記ガス揮散液の動圧により前記第２次原料ガスを吸引して前記第２次ガス混合液を生成するエゼクタと、該エゼクタに前記ガス揮散液を圧送するポンプとを有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１８】
前記第２次ガス混合液生成手段は、前記ガス揮散液と前記第２次原料ガスとを混合して気液二相流体を生成する混合器と、該気液二相流体を加圧して前記第２次原料ガスを前記ガス揮散液に溶解させるポンプと、該ポンプで加圧溶解された混合液を減圧発泡させるノズルとを有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１９】
前記第２次揮散手段における前記ガス溶解液の減圧による圧力降下を動力として回収して前記ポンプを補助駆動する動力回収手段を有することを特徴とする請求項１７又は１８に記載のガス精製装置。
【請求項２０】
前記動力回収手段は、ペルトン水車であることを特徴とする請求項１９に記載のガス精製装置。
【請求項２１】
前記液圧力は、０．５５Ｍｐａ未満であることを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか一項に記載のガス精製装置。
【請求項２２】
前記ガス混合液生成手段は、原料ガスを微細気泡化したマイクロバブルを生成するマイクロバブル生成装置を有することを特徴とする請求項１から請求項２１のいずれか一項に記載のガス精製装置。
【請求項２３】
前記第２次ガス混合液生成手段は、原料ガスを微細気泡化したマイクロバブルを生成するマイクロバブル生成装置を有することを特徴とする請求項１１から請求項２２のいずれか一項に記載のガス精製装置。
【請求項１】
可燃性ガスと不純物ガスとを含む原料ガスから前記可燃性ガスを分離して精製するガス精製装置であって、
前記可燃性ガスよりも前記不純物ガスの溶解度が高い液体に前記原料ガスを微細気泡化して混合したガス混合液を生成するガス混合液生成手段と、
該ガス混合液生成手段で生成されたガス混合液を加圧して前記原料ガスを溶解させ、該原料ガスのうち、前記ガス混合液に未溶解の未溶解ガスを前記ガス混合液から脱離させる溶解脱離手段と、
を有し、
前記溶解脱離手段は、前記原料ガスの予め設定された溶解度が得られる溶解圧力値よりも小さい液圧力で前記ガス混合液を加圧し、
前記ガス混合液生成手段は、前記原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と前記溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が前記溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成することを特徴とするガス精製装置。
【請求項２】
前記溶解脱離手段で生成されたガス溶解液を減圧して、該ガス溶解液に溶解されている溶解ガスを発泡させて、前記ガス溶解液から前記溶解ガスを脱離させる揮散手段を有することを特徴とする請求項１に記載のガス精製装置。
【請求項３】
前記揮散手段で生成されたガス揮散液の少なくとも一部を前記液体として前記ガス混合液生成手段に供給する循環手段を有することを特徴とする請求項２に記載のガス精製装置。
【請求項４】
前記溶解脱離手段で脱離させた前記未溶解ガスの一部を前記ガス混合液生成手段に供給する未溶解ガス戻し手段を有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項５】
前記揮散手段は、前記ガス溶解液にパージ用空気を供給して前記ガス溶解液から前記溶解ガスを脱離させるエアパージ手段を有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項６】
前記循環手段は、前記ガス揮散液の一部を排出する排出手段と、該排出手段により一部が排出された後の残りの前記ガス揮散液に前記原料ガスの未混合の液体を追加補給する追加補給手段とを有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項７】
前記ガス混合液生成手段は、前記液体の動圧により前記原料ガスを吸引して前記ガス混合液を生成するエゼクタと、該エゼクタに前記液体を圧送するポンプと、前記エゼクタに前記原料ガスを供給する圧縮機とを有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項８】
前記ガス混合液生成手段は、前記液体と前記原料ガスとを混合して気液二相流体を生成する混合器と、該気液二相流体を加圧して前記原料ガスを前記液体に溶解させるポンプと、該ポンプで加圧溶解された混合液を減圧させるノズルとを有することを特徴とする請求項３に記載のガス精製装置。
【請求項９】
前記ガス溶解液の減圧による圧力降下を動力として回収して前記ポンプを補助駆動する動力回収手段を有することを特徴とする請求項７又は８に記載のガス精製装置。
【請求項１０】
前記動力回収手段は、ペルトン水車であることを特徴とする請求項９に記載のガス精製装置。
【請求項１１】
前記揮散手段で生成されたガス揮散液に前記溶解脱離手段で脱離された前記未溶解ガスを第２次原料ガスとして微細気泡化して混合した第２次ガス混合液を生成する第２次ガス混合液生成手段と、
前記第２次ガス混合液生成手段で生成された第２次ガス混合液を加圧して前記第２次原料ガスを溶解させ、該第２次原料ガスのうち、前記第２次ガス混合液に未溶解の第２次未溶解ガスを前記第２次ガス混合液から脱離させる第２次溶解脱離手段と、を有し、
前記第２次溶解脱離手段は、前記溶解圧力値よりも小さい液圧力で前記第２次ガス混合液を加圧し、
前記第２次ガス混合液生成手段は、前記第２次原料ガスの微細気泡の表面張力による気泡内圧力と前記第２次溶解脱離手段により加圧される液圧力との合計圧力が前記溶解圧力値以上になる気泡径を有する微細気泡を生成することを特徴とする請求項２に記載のガス精製装置。
【請求項１２】
前記第２次溶解脱離手段で生成された第２次ガス溶解液を減圧して、該第２次ガス溶解液に溶解されている溶解ガスを発泡させて、前記第２次ガス溶解液から前記溶解ガスを脱離させる第２次揮散手段を有することを特徴とする請求項１１に記載のガス精製装置。
【請求項１３】
前記第２次揮散手段で生成された第２次ガス揮散液の少なくとも一部を前記液体として前記ガス混合液生成手段に供給する循環手段を有することを特徴とする請求項１２に記載のガス精製装置。
【請求項１４】
前記第２次溶解脱離手段で脱離させた前記第２次未溶解ガスの一部を前記第２次ガス混合液生成手段に供給する第２次未溶解ガス戻し手段を有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１５】
前記第２次揮散手段は、前記第２次ガス溶解液にパージ用空気を供給して前記第２次ガス溶解液から前記溶解ガスを脱離させるエアパージ手段を有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１６】
前記循環手段は、前記第２次ガス揮散液の一部を排出する排出手段と、該排出手段により一部が排出された後の残りの前記第２次ガス揮散液に前記第２次原料ガスの未混合の液体を追加補給する追加補給手段とを有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１７】
前記第２次ガス混合液生成手段は、前記ガス揮散液の動圧により前記第２次原料ガスを吸引して前記第２次ガス混合液を生成するエゼクタと、該エゼクタに前記ガス揮散液を圧送するポンプとを有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１８】
前記第２次ガス混合液生成手段は、前記ガス揮散液と前記第２次原料ガスとを混合して気液二相流体を生成する混合器と、該気液二相流体を加圧して前記第２次原料ガスを前記ガス揮散液に溶解させるポンプと、該ポンプで加圧溶解された混合液を減圧発泡させるノズルとを有することを特徴とする請求項１３に記載のガス精製装置。
【請求項１９】
前記第２次揮散手段における前記ガス溶解液の減圧による圧力降下を動力として回収して前記ポンプを補助駆動する動力回収手段を有することを特徴とする請求項１７又は１８に記載のガス精製装置。
【請求項２０】
前記動力回収手段は、ペルトン水車であることを特徴とする請求項１９に記載のガス精製装置。
【請求項２１】
前記液圧力は、０．５５Ｍｐａ未満であることを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか一項に記載のガス精製装置。
【請求項２２】
前記ガス混合液生成手段は、原料ガスを微細気泡化したマイクロバブルを生成するマイクロバブル生成装置を有することを特徴とする請求項１から請求項２１のいずれか一項に記載のガス精製装置。
【請求項２３】
前記第２次ガス混合液生成手段は、原料ガスを微細気泡化したマイクロバブルを生成するマイクロバブル生成装置を有することを特徴とする請求項１１から請求項２２のいずれか一項に記載のガス精製装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０３９８５（Ｐ２０１３−１０３９８５Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８３１３（Ｐ２０１１−２４８３１３）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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