專利名稱：被分離氣體的分離裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對燃燒廢氣及生產(chǎn)氣體等被分離氣體中含有的某種氣體進行分離的分離裝置及方法。
背景技術：
作為對燃煤火力發(fā)電及整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)等發(fā)電系統(tǒng)、鋼鐵廠、水泥廠等的燃燒廢氣及生產(chǎn)氣體中包含的某種氣體、例如二氧化碳(CO2)進行分離的技術，實行化學吸收法、PSA法(物理吸附法)、膜分離法、物理吸收法、氧氣燃燒法等?；瘜W吸收法及物理吸收法使用的試劑昂貴，而且，上述藥劑的毒性高，該藥劑的泄漏會帶來環(huán)境污染的問題。PSA法(物理吸附法)及膜分離法中需要昂貴的吸附劑(沸石等)、分離膜(沸石膜、有機膜)，此外，上述吸附劑及分離膜需要定期更換，因此，也要耗費維護成本。另外，氧氣燃燒法需要設置燃燒空氣的氧氣分離設備而耗費成本，而且存在因高濃度氧氣燃燒導致的熱NOx增加等問題。在此，就通過將燃燒廢氣及生產(chǎn)氣體等氣體中的(X)2水化而從上述氣體分離(X)2的水合物分離法而言，在僅利用水就能進行(X)2的分離的方面來看是最清潔的方法，因而受到關注。但是，在生成CO2水合物等氣體水合物的情況下，需要加壓、冷卻等工序，而且，在為了利用分離后的氣體而對氣體水合物進行分解(再氣化)的情況下，由于在比較低的溫度下進行升溫等需要能量，因此運轉成本有變得比較高的傾向。專利文獻1中，通過水化對燃燒廢氣中的(X)2進行分離，通過氣體膨脹機等動力回收裝置，對將該分離的(X)2水合物再氣化為(X)2時產(chǎn)生的能量進行回收，實現(xiàn)了工序整體的壓縮動力的降低。專利文獻1 美國公開專利第2007/0M8527號說明書

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題鑒于能源問題及由該能源問題導致的環(huán)境問題，更加追求節(jié)能化。本發(fā)明的目的在于，提供能夠降低從燃燒廢氣及生產(chǎn)氣體等被分離氣體中分離(X)2等某一種氣體時需要的能量消耗、并且能夠降低裝置的運轉成本的被分離氣體的分離裝置及方法。用于解決問題的方法為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方式的被分離氣體的分離裝置，具備氣體水合物生成部，對混合有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿；脫水部，對所述氣體水合物漿進行脫水；和氣體水合物分解部，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化，所述被分離氣體的分離裝置的特征在于，其以如下方式構成將合并所述脫水部中從所述氣體水合物漿中除去的水和所述氣體水合物分解部中對所述氣體水合物進行分解時產(chǎn)生的水而成的循環(huán)水注入所述氣體水合物生成部中。
氣體水合物的生成條件根據(jù)被氣體水化的氣體種類而不同，但通常為高壓、低溫的條件。例如，在廢氣中的二氧化碳(CO2)的情況下，根據(jù)該CO2濃度而不同，為5 20MPa、 0 4°C。所述氣體水合物生成部中從被分離氣體中分離出的一種氣體能夠通過再氣化加以利用。其再氣化時，使由氣體水合物的分解產(chǎn)生的水返回所述氣體水合物生成部而被再利用。在此，氣體水合物分解時需要比較低溫的分解熱，由該分解產(chǎn)生的水為約10°C 約 15°C。因此，在使由該分解產(chǎn)生的水返回氣體水合物生成部的情況下，需要冷卻至所述氣體水合物的生成條件的低溫。另一方面，將氣體水合物生成部中生成的氣體水合物漿在所述脫水部中脫水，從所述氣體水合物漿中除去的水為與氣體水合物生成部大致相同程度的低溫。根據(jù)本方式，在氣體水合物生成部和氣體水合物分解部之間設置脫水部，由于將所述脫水部中從所述氣體水合物漿中除去的水(與水合物生成部同程度的低溫)和所述氣體水合物分解部中對所述氣體水合物進行分解后產(chǎn)生的水(溫度稍高)合并，因此，合并后的水的溫度變得比分解所述氣體水合物時產(chǎn)生的水的溫度更低，與僅使分解氣體水合物時產(chǎn)生的水返回氣體水合物生成部的情況相比，能夠降低用于冷卻該水(循環(huán)水)的能量。另外，由于脫水后的高濃度的水合物漿被再氣化，因此，也能夠降低再氣化所需的分解熱能。本發(fā)明的第二方式的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，具備氣體水合物生成部，對混合有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿； 脫水部，對所述氣體水合物漿進行脫水；氣體水合物分解部，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化；和氣體擴散部，接收所述氣體水合物分解部中由所述再氣化得到的水并使溶解于該水中的所述一種氣體擴散，所述被分離氣體的分離裝置以如下方式構成將合并所述脫水部中從所述氣體水合物漿中除去的水和經(jīng)過所述氣體擴散部的水而成的循環(huán)水注入所述氣體水合物生成部中。所述氣體水合物分解部中對氣體水合物進行再氣化得到的水中溶解有從所述被分離氣體分離的氣體。通常，壓力越高、或者溫度越低，氣體在水中的溶解度越大。特別的， 將二氧化碳與被分離氣體中包含的其他氣體成分(例如氫氣、氮氣等)相比較可知，二氧化碳在水中的溶解度非常高，由于該氣體在水中的溶解，導致氣體的分離效率變差。在此，如果將所述氣體水合物分解部中的水合物的分解條件設為高溫，則所述氣體在水中的溶解會變少，但是，在使該被設為高溫的水返回氣體水合物生成部的情況下，用于冷卻該水(循環(huán)水)的能量消耗會增大。另一方面，如果使所述氣體水合物分解部中的水合物的分解在較低的壓力下進行，則所述氣體在水中的溶解會變少，但是，在將氣體水合物從所述脫水部輸送到氣體水合物分解部時，需要將該氣體水合物分解部內(nèi)設為氣體水合物不分解的壓力(高壓)，因此用于將該氣體水合物分解部4再升壓所需的能量消耗增大。本方式中，以如下方式構成將氣體擴散部和氣體水合物分解部分開設置，將所述氣體水合物分解部中由所述再氣化得到的水輸送到氣體擴散部，將使該氣體擴散部中由所述再氣化得到的水中含有的氣體(從被分離氣體分離的氣體)擴散后的水、和從所述氣體水合物漿中除去的水合并，作為循環(huán)水注入所述氣體水合物生成部。根據(jù)本方式，通過將氣體水合物分解部和氣體擴散部分開設置，無需過多降低氣體水合物分解部的壓力，通過較高地設定溫度作為氣體水合物的分解條件，能夠進行該氣體水合物的分解。例如，在對二氧化碳進行水化的情況下，可以將氣體水合物生成部及脫水部設定為6 9MPa、2 4°C，可以將氣體水合物分解部設定為約4MPa、約10°C。S卩，通過減小水合物生成部或脫水部與氣體水合物分解部的壓力條件和溫度條件的差別，能夠進行氣體水合物的分解。然后，將分解氣體水合物而得到的水輸送到氣體擴散部，該氣體擴散部中，使溶解于所述水中的氣體擴散時，通過較低地設定氣體擴散部的壓力，能夠在較低地抑制該氣體擴散部的溫度的同時進行氣體從所述水中的擴散。例如，可以將對所述二氧化碳進行水化時的氣體擴散部的壓力及溫度設定為0. 2 0. 5MPa、10°C左右。較低地設定所述氣體擴散部內(nèi)的壓力時，從氣體水合物分解部向氣體擴散部轉移水時，該氣體水合物分解部內(nèi)的壓力會降低，但是，僅對氣體水合物分解部進行僅補充由該水的轉移引起的壓力降低的升壓即可。因此，與所述的通過降低氣體水合物分解部壓力來減少氣體在由氣體水合物的分解而得到的水中的溶解的情況相比，更能夠抑制氣體水合物分解部的再升壓所需要的能量消耗。經(jīng)過所述氣體擴散部的水和所述脫水部中從所述氣體水合物漿中除去的水合并， 作為循環(huán)水注入所述氣體水合物生成部。所述氣體擴散部由于和氣體水合物分解部分開設置，因此能夠通過降低壓力進行氣體的擴散，因此，為了使氣體擴散不需要使水升溫。因此， 能夠抑制用于冷卻作為循環(huán)水而返回氣體水合物生成部的水的能量。另外，優(yōu)選的是，在該氣體擴散部中進行補充氣體從水中擴散而產(chǎn)生的擴散熱的程度的加熱。如上所述，通過使氣體水合物分解部中的氣體水合物的再氣化而得到的水中的氣體擴散，能夠實現(xiàn)該氣體的分離效率的提高，并且，能夠抑制被分離氣體的分離裝置的運轉需要的能量消耗，從而實現(xiàn)低成本化。本發(fā)明的第三方式的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，在第一方式或第二方式的被分離氣體的分離裝置中，在所述氣體水合物生成部的上游側具備使所述被分離氣體為預定壓力的壓縮裝置，作為所述壓縮裝置的動力，利用從所述氣體水合物生成部排出的、 未水化的高壓氣體的壓力能。如上所述，由于氣體水合物的生成條件為高壓、低溫的條件，因此，所述被分離氣體被所述壓縮裝置壓縮，形成高壓并供給到氣體水合物生成部。而且，所述氣體水合物生成部中，生成該被分離氣體中的某種氣體的氣體水合物后殘余的氣體(未水化的氣體)，以高壓的狀態(tài)從氣體水合物生成部排出。根據(jù)本方式，通過將使被分離氣體中的一種氣體水化分離后的高壓氣體、即未水化的高壓氣體的壓力能，作為所述壓縮裝置的動力來利用，能夠降低該壓縮裝置中的能量消耗。因此，能夠降低裝置整體的運轉成本。本發(fā)明的第四方式的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，在第三方式的被分離氣體的分離裝置中，具備利用所述高壓氣體變?yōu)榇髿鈮簳r產(chǎn)生的冷能(冷熱)，對所述循環(huán)水進行冷卻的冷卻部。根據(jù)本方式，在將所述未水化的高壓氣體的壓力能作為所述壓縮裝置的動力來利用時，能夠利用該高壓氣體變?yōu)榇髿鈮簳r產(chǎn)生的冷能對所述循環(huán)水進行冷卻。由此，能夠降低所述循環(huán)水的冷卻所需消耗的能量。因此，能夠降低裝置整體的運轉成本。本發(fā)明的第五方式的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，在第一方式至第四方式的任一項中，所述被水化的氣體為二氧化碳。根據(jù)本方式，發(fā)揮了與第一方式至第四方式中任一項同樣的作用效果，能夠通過使二氧化碳水化來使其從被分離氣體分離。本發(fā)明的第六方式的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，在第一方式至第五方式任一項中，所述被分離氣體為有用氣體成分和無用氣體成分的混合氣體，所述被水化的氣體為所述無用氣體成分。在此，所謂有用氣體成分是指對某種特定的用途有用的氣體成分。另外，所謂無用氣體成分，除了對所述特定的用途沒有用的氣體成分外，還包含由于該無用氣體成分的存在而限制或阻礙所述有用氣體成分的用途的成分。根據(jù)本方式，發(fā)揮了與第一方式至第五方式中任一項同樣的作用效果，能夠通過使無用氣體成分水化而從被分離氣體分離。因此，能夠對有用氣體成分進行濃縮、純化。本發(fā)明的第七方式的被分離氣體的分離方法，其特征在于，包含氣體水合物生成工序，對混有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿； 脫水工序，對所述氣體水合物漿進行脫水；和氣體水合物分解工序，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化，并且，該方法使合并所述脫水工序中從所述氣體水合物漿中除去的水和所述氣體水合物分解工序中分解所述氣體水合物時生成的水而成的循環(huán)水循環(huán)， 從而作為所述氣體水合物生成工序中用于生成氣體水合物的水。根據(jù)本方式，發(fā)揮與第一方式同樣的作用效果。本發(fā)明的第八方式的被分離氣體的分離方法，其特征在于，包含氣體水合物生成工序，對混有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿； 脫水工序，對所述氣體水合物漿進行脫水；氣體水合物分解工序，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化；和氣體擴散工序，接收所述氣體水合物分解工序中由所述再氣化得到的水，并使溶解于該水中的所述一種氣體擴散，并且，該方法使合并所述脫水工序中從所述氣體水合物漿中除去的水和經(jīng)過所述氣體擴散工序的水而成的循環(huán)水循環(huán)，從而作為所述氣體水合物生成工序中用于生成氣體水合物的水。根據(jù)本方式，發(fā)揮與第二方式同樣的作用效果。本發(fā)明的第九方式的被分離氣體的分離方法，其特征在于，在第七方式或第八方式中，所述被水化的氣體為二氧化碳。根據(jù)本方式，發(fā)揮了與第七方式或第八方式同樣的作用效果，能夠通過使二氧化碳水化而從被分離氣體分離。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠降低對被分離氣體中含有的一種氣體進行水化并分離時所需的消耗能量，降低裝置的運轉成本。


圖1是表示本發(fā)明的一個實施方式的被分離氣體的分離裝置的概略構成圖；圖2是表示本發(fā)明的其他實施方式的被分離氣體的分離裝置的概略構成7
圖3是表示本發(fā)明的另一個實施方式的被分離氣體的分離裝置的概略構成圖；圖4是表示本發(fā)明的另一個實施方式的被分離氣體的分離裝置的概略構成圖。
具體實施例方式下面，根據(jù)實施例對本發(fā)明進行更詳細地說明，但是，本發(fā)明并不限于這些實施例。根據(jù)圖1對本發(fā)明的被分離氣體的分離裝置的一個實施方式進行說明。圖1是表示本發(fā)明的一個實施方式的被分離氣體的分離裝置的概略構成圖。實施例1本實施例的被分離氣體的分離裝置1具備氣體水合物生成部2，其對被分離氣體 G0中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿；脫水部3，其對上述氣體水合物漿進行脫水；氣體水合物分解部4，其對脫水而得到的氣體水合物進行分解并且再氣化。在上述氣體水合物生成部2的上游側具備使被分離氣體(^1為對上述一種氣體進行水化的預定的壓力及溫度的離心壓縮器等壓縮裝置5和氣體冷卻器6。另外，燃燒廢氣、生產(chǎn)氣體等被分離氣體通常為約40°C 約200°C的高溫，少量含有水(水蒸氣)、油、灰、粉塵等排出物9。因此，采取如下構成在將被分離氣體&輸送到壓縮裝置5前，在氣體冷卻器7中冷卻至預定的溫度(例如約40°C )，通過噴霧分離器、 旋風分離器、濕式凈化裝置等排出物清除裝置8除去上述排出物9，然后供給至上述氣體水合物生成部2。本實施例中，對水化分離被分離氣體中的二氧化碳(CO2)的情況進行說明。雖根據(jù)(X)2濃度不同而有不同的生產(chǎn)條件，但(X)2水合物能夠在例如5 20MPa、0 4°C的條件下生成。在上述壓縮裝置5及氣體冷卻器6中，將被分離氣體Gtl設為上述CO2水合物的生成條件，供給于氣體水合物生成部2?？紤]到(X)2水合物生成時會產(chǎn)生生成熱，氣體水合物生成部2內(nèi)的溫度會上升，優(yōu)選例如將被分離氣體的溫度通過氣體冷卻器6冷卻到約 0 約1°C，再吹入設定為約4°C的氣體水合物生成部2中。上述氣體水合物生成部2中的氣體水合物生成工序，可以通過向水中吹入微細的氣泡的鼓泡法、向氣體中噴霧水的噴霧法等公知的方法進行。特別而言，由于鼓泡法的氣液接觸效率好，能夠高效地生成目標氣體水合物，故而優(yōu)選。在(X)2水合物生成時，每Imol的(X)2產(chǎn)生65. 2kJ的生成熱。為了防止由于該生成熱導致的氣體水合物生成部2內(nèi)的溫度上升，使該氣體水合物生成部2內(nèi)保持在預定的溫度(例如約4°C )，以如下方式構成設置將該氣體水合物生成部2內(nèi)的水W3抽出并使其循環(huán)的管路10，將上述水W3例如通過冷卻器11冷卻到約0°C 約1°C。在氣體水合物生成部2中，被分離氣體中的(X)2被水化，形成氣體水合物漿。優(yōu)選上述氣體水合物漿的水分量為50 95重量％。通過形成(X)2水合物能夠對被分離氣體 G0中的50 95體積％的(X)2氣體進行分離。另外，在上述氣體水合物生成部2中，使該被分離氣體Gtl中的某種氣體生成氣體水合物后而殘留的氣體(未水化的氣體G1)被從氣體水合物生成部2排出。接著，將上述氣體水合物漿輸送到脫水部3，進行脫水到例如約25重量％ 60重量％的水分量的脫水工序。將該脫水部3中除去的水W1和在后述氣體水合物分解部4中分解氣體水合物時生成的水W2合并，作為循環(huán)水CW返回上述氣體水合物生成部2中使其循環(huán)。標記16為輸送循環(huán)水CW的管路。將在脫水部3中脫水后的CO2水合物在氣體水合物分解部4中進行分解、再氣化 (氣體水合物分解工序)。氣體水合物的分解中需要分解熱，(X)2水合物的分解需要約10°C 的升溫。氣體水合物分解部4中設置有升溫部12，其使從例如約10°C 15°C的海水或化工廠等產(chǎn)生的低溫排熱循環(huán)。升溫部12中可以設置升溫器13。也可以構成為，利用上述壓縮裝置5中的被分離氣體壓縮時產(chǎn)生的熱作為上述升溫器13的熱源。由此，也能夠降低再氣化需要的分解熱能。在氣體水合物分解部4中對(X)2進行再氣化時，水合物分解生成水。氣體水合物的分解反應為吸熱反應，由于由該分解生成的水為約10°C 約15°C，因此，在將由該分解生成的水循環(huán)到氣體水合物生成部2中再利用時，需要冷卻到上述氣體水合物的生成條件的低溫。在此，本實施例中，以如下方式構成氣體水合物生成部2和氣體水合物分解部4 之間設有脫水部3，通過冷卻器14，對將該脫水部3中從氣體水合物漿中除去的水W1和在上述氣體水合物分解部4中分解上述氣體水合物時生成的水W2合并而得的循環(huán)水CW進行冷卻，并且注入上述氣體水合物生成部2中。在上述脫水部3中，從氣體水合物漿中除去的水W1為與氣體水合物生成部2大致相同程度的低溫。將上述脫水部3中從上述氣體水合物漿中除去的水W1 (與水合物生成部同程度的低溫)和在上述氣體水合物分解部4中分解上述氣體水合物時生成的水W2 (溫度稍高)合并而得的循環(huán)水CW的溫度，比分解上述氣體水合物時生成的水W2的溫度更低，因此，與僅使分解上述氣體水合物時生成的水W2返回氣體水合物生成部2的情況相比，能夠降低用于冷卻循環(huán)水CW的能量。另外，如果提高脫水部3中的脫水能力，從上述氣體水合物漿中除去的水W1 (低溫)的量會增加，通過上述氣體水合物的分解生成的水W2 (溫度稍高)就會變少，因此，能夠進一步降低冷卻循環(huán)水CW所需的能量。此外，如果漿料濃度變高，再氣化需要的分解熱能也會減少。另外，本實施例中，為如下構成分別設置有，對從氣體水合物生成部2抽出并在管路10內(nèi)循環(huán)的水W3進行冷卻的冷卻器11、和對將從上述氣體水合物漿中除去的水W1和分解上述氣體水合物時生成的水W2合并而得的循環(huán)水CW進行冷卻的冷卻器14，但也可以為如下構成省略從氣體水合物生成部2抽出水W3,并通過冷卻器11將其冷卻并使其循環(huán)的構成(參照圖2)，通過循環(huán)水CW，可以防止由(X)2水合物的生成熱引起的氣體水合物生成部2內(nèi)的溫度的上升。為了除去(X)2水合物的生成熱，并使氣體水合物生成部2內(nèi)保持適合(X)2水合物的生成的預定的溫度(約4°C )，優(yōu)選通過冷卻器14將上述循環(huán)水CW冷卻到約0°C 約1°C。上述氣體水合物分解部4中再氣化的(X)2由于分解時的壓力約為3 4MPa，因此， 通過氣體壓縮器15使其升壓到管路輸送需要的壓力(例如10 15MPa)來進行輸送。另外也可以將再氣化的(X)2冷卻從而回收液體C02。從被分離氣體分離的一種氣體不受上述實施例的限定，可以選擇甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、硫化氫等能夠通過水化從被分離氣體(^l分離的氣體成分。當然，根據(jù)分離的氣體成分，可以改變氣體水合物生成部2、脫水部3、氣體水合物分解部4等的壓力及溫度。實施例2根據(jù)圖2對本發(fā)明的被分離氣體的分離裝置的其他實施方式進行說明。在本實施例的被分離氣體的分離裝置21中，對與實施例1相同的構件標記相同的標記，省略對其的說明。另外，和實施例1相同，對被分離氣體(^l中的二氧化碳(CO2)進行水化而分離的情況進行說明。在上述氣體水合物生成部2中，生成(X)2氣體水合物后殘留的氣體(未水化的氣體 G1)在該CO2氣體水合物生成條件、即5 20MPa的高壓下從該氣體水合物生成部2排出。本實施例的被分離氣體的分離裝置21構成如下在上述壓縮裝置5的動力軸設置公知的氣體膨脹器(軸流式透平機)等動力回收部22，向該動力回收部22輸入從上述氣體水合物生成部2排出的上述高壓氣體(未水化的氣體G1)，利用該高壓氣體的壓力能作為該壓縮裝置5的輔助動力。如本實施例，除使上述氣體膨脹器等動力回收部22直接連接壓縮裝置5的動力軸的構成外，例如也可以為將上述氣體膨脹器等與發(fā)電機連接而發(fā)電，并將該電力用于發(fā)動機驅動的壓縮裝置5的構成。由此，將使被分離氣體中的一種氣體水化分離后的高壓氣體&的壓力能作為上述壓縮裝置5的動力而利用，能夠降低該壓縮裝置5中的能量消耗。通過5 20MPa的高壓氣體G1的動力回收，可以期待降低該壓縮裝置5需要的能量消耗的50%以上。因此，能夠降低裝置整體的運轉成本。實施例3根據(jù)圖3對本發(fā)明的被分離氣體的分離裝置的另外一個實施方式進行說明。在本實施例的被分離氣體的分離裝置31中，對與實施例1及2相同的構件標記相同的標記，省略對其的說明。另外與實施例1相同，對將被分離氣體中的二氧化碳(CO2) 進行水化而分離的情況進行說明。如實施例2中的說明所示，將從上述氣體水合物生成部2排出的高壓氣體G1輸入設于上述壓縮裝置5的動力回收部22，恢復為大氣壓，回收該壓力能。在此，上述高壓氣體 G1變?yōu)榇髿鈮簳r，由于氣體的膨脹產(chǎn)生冷能。本實施例的被分離氣體的分離裝置31如下構成設置利用上述冷能的熱交換器等冷卻部32，通過該冷卻部32對上述循環(huán)水CW進行冷卻。本實施例中，氣體水合物生成部2內(nèi)的溫度保持(防止由(X)2水合物的生成熱導致溫度上升)，通過該循環(huán)水CW來進行。由此，在將上述未水化的高壓氣體G1的壓力能作為上述壓縮裝置5的動力利用時，能夠通過該高壓氣體G1在變?yōu)榇髿鈮簳r產(chǎn)生的冷能對上述循環(huán)水CW進行冷卻。因此， 能夠降低上述循環(huán)水CW的冷卻需要的能量消耗。通過利用使5 20MPa的高壓氣體G1恢復為大氣壓時的冷能，可以期待降低循環(huán)水CW的冷卻需要的能量消耗的約40%。因此，能夠降低裝置整體的運轉成本。需要說明的是，優(yōu)選構成為在圖3中的分支部33設置三通閥等(未圖示)，并能夠根據(jù)氣體水合物生成部內(nèi)的溫度上升的情況，適當?shù)厥褂美鋮s器14。實施例4化工廠、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等發(fā)電系統(tǒng)中的生產(chǎn)氣體中含有二氧化碳 (CO2),有時需要進行從該生產(chǎn)氣體中除去CO2的工序。在此，對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(以下稱為IGCC)的生產(chǎn)氣體使用本發(fā)明的被分離氣體的分離裝置的情況進行說明。IGCC是使煤炭氣化并將燃氣輪機和蒸汽輪機組合來進行發(fā)電，作為能夠高效地將煤炭轉化為能量的發(fā)電方法而受到關注。下面，對其工序進行說明。首先，將煤炭氣化，生成二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氫氣(H2)、水(H2O)等的混合氣體。接著，將上述混合氣體中含有的CO通過水煤氣變換反應變換成H2和CO2,生成含有0)2和吐的生產(chǎn)氣體。需要說明的是，該生產(chǎn)氣體的CO2和H2的混合比通常為約4 6。從上述生產(chǎn)氣體分離CO2，使吐氣體在燃氣輪機中燃燒發(fā)電，同時，使用在上述燃氣輪機中吐氣燃燒時產(chǎn)生的蒸汽，通過蒸汽輪機進行發(fā)電。在此，上述生產(chǎn)氣體中，氫氣(H2)為能夠用于利用燃氣輪機燃燒發(fā)電的有用氣體成分，二氧化碳(CO2)為未用于利用上述燃氣輪機燃燒發(fā)電的無用氣體成分。目前，從含有(X)2和吐的上述生產(chǎn)氣體分離CO2,使用物理吸收法來進行，但是，存在由使用的試劑(吸收液)的泄漏導致的環(huán)境污染的問題及試劑成本的問題。本發(fā)明的被分離氣體的分離裝置能夠僅用水分離CO2，濃縮H2氣體使其成為高純度，因此，能夠減小由上述試劑(吸收液)的使用導致的對環(huán)境的影響，另外，從需要的能量較小這方面來看，該裝置有用。而且，各種化學生產(chǎn)氣體的組成、壓力與IGCC的生產(chǎn)氣體相似，同樣能使用本發(fā)明的被分離氣體的分離裝置對(X)2進行分離。另外，上述生產(chǎn)氣體的壓力為3 5MPa，因此，用于將作為被分離氣體(^1的生產(chǎn)氣體升高到(X)2氣體水合物的生成條件的壓力的能量較少即可，而且，從被分離氣體(^l對CO2 進行分離需要的整體的能量消耗也較少即可，也可以期待成本方面的優(yōu)點。另外，通過燃氣輪機進行燃燒發(fā)電時，從上述生產(chǎn)氣體分離的作為無用氣體成分的CO2,可以有效利用于其他用途。實施例5下面，對本發(fā)明的被分離氣體的分離裝置的另外的其他例進行說明。圖4是表示實施例5的被分離氣體的分離裝置41的概略構成圖。需要說明的是，對與實施例1的被分離氣體的分離裝置相同的部件賦予相同的標記，且省略對其的說明。另外，本實施例與實施例1同樣，也對被分離氣體&中的二氧化碳(CO2)進行水化而分離的情況進行說明。本實施例的被分離氣體的分離裝置41，與上述實施例1同樣具備氣體水合物生成部2、脫水部3、氣體水合物分解部4，且還具備氣體擴散部42。在對被分離氣體中的二氧化碳進行水化的情況下，氣體水合物生成部2例如進行如下設定壓力為5 20MPa，更優(yōu)選為6 9MPa，溫度為0 4°C，更優(yōu)選為2 4°C，氣體水合物分解部4例如進行如下設定壓力為1 5MPa，溫度為10 15°C。在本實施方式中，以如下方式構成向上述氣體擴散部42中輸送上述氣體水合物分解部4中的氣體水合物的由再氣化得到的水W2。標記43表示輸送水W2的管路，標記44 及標記51表示閥。另外，連接各構成部的其他管路中也可以適當?shù)卦O置閥(圖中省略)。對上述氣體擴散部42更詳細地進行說明。上述氣體擴散部42為進行氣體擴散工序的構成部，該氣體擴散工序使在上述氣體水合物分解部4中由上述再氣化得到的上述水 W2中溶解的氣體擴散。上述氣體擴散部42具有具備升溫器46的升溫部45，通過將氣體擴散部42內(nèi)設為預定壓力及預定溫度，能夠使溶解于由上述再氣化得到的水中的氣體擴散。
11
在從被分離氣體中分離二氧化碳的本實施例中，氣體擴散部42內(nèi)例如進行如下設定壓力為0. 2 0. 5MPa，溫度為約10°C。另外，在使水中所含的二氧化碳擴散時，由于每Imol的二氧化碳需要約20kJ的擴散熱，因此，作為上述升溫器46，可以使用例如具有使由約10°C 約15°C的海水、化工廠等產(chǎn)生的低溫排熱等循環(huán)的構成的升溫器。另外，上述氣體擴散部42中擴散的氣體(二氧化碳)，例如通過氣體壓縮器50升壓到管路輸送所需的壓力(例如10 15MPa)后進行輸送。另外，也可以將再氣化的CO2冷卻而回收液體CO2。經(jīng)過上述氣體擴散部42的水W4 (使二氧化碳擴散而除去的水W4),從該氣體擴散部 42排出，在脫水部3中與除去的水W1合并，并作為循環(huán)水CW返回上述氣體水合物生成部2 中而進行循環(huán)。標記47為輸送水W3的管路，標記49為輸送合并水W1和水W3而成的循環(huán)水CW的管路。管路47中設有泵48。另外，連接各構成部的其他管路中也可以適當?shù)卦O置泵。下面，對本實施例的被分離氣體的分離裝置41的作用進行說明。在上述氣體水合物分解部4中，在對氣體水合物進行再氣化而得到的水中溶解有從上述被分離氣體中分離的氣體(本實施例中為二氧化碳)。通常，壓力越高或溫度越低， 氣體在水中的溶解度越大。特別是，已知上述二氧化碳與被分離氣體中含有的其他氣體成分(例如氫氣、氮氣等)相比在水中的溶解度非常高，因此，由于該氣體在水中的溶解，氣體的分離效率變差。在此，如果將上述氣體水合物分解部4中的水合物的分解條件設為高溫，則上述氣體在水中的溶解會變少，但是，在使該設為高溫的水返回氣體水合物生成部2中時，用于冷卻該水(循環(huán)水CW)的能量消耗增大。另一方面，如果使上述氣體水合物分解部4中的水合物的分解在更低壓力下進行，則上述氣體在水中的溶解會變少，但是，在將氣體水合物從上述脫水部3輸送到氣體水合物分解部4中時，需要將該氣體水合物分解部4內(nèi)設為氣體水合物不分解的壓力(與脫水部3相同程度的高壓)，因而用于使該氣體水合物分解部4再升壓所需的能量消耗增大。本實施例中，氣體水合物分解部4與氣體擴散部42分開設置。由此，在氣體水合物分解部4中，可以通過不過多降低壓力而提高溫度作為氣體水合物的分解條件進行該分解。由此，能夠減小脫水部3與氣體水合物分解部4的壓力條件的差異。而且，將對氣體水合物進行分解而得到的水W2輸送到氣體擴散部42，并在該氣體擴散部42中使溶解于上述水W2中的氣體(CO2)擴散時，通過將氣體擴散部42的壓力設定得較低，進行來自上述水W2的氣體擴散，由此，能夠將該氣體擴散部42內(nèi)的設定溫度抑制得較低。如果將上述氣體擴散部42內(nèi)的壓力設定得較低，則從氣體水合物分解部4向氣體擴散部42轉移水W2時，該氣體水合物分解部4內(nèi)的壓力下降，但是，僅在氣體水合物分解部4進行僅補充由該水W2的轉移導致的壓力下降的升壓即可。因此，與通過將上述氣體水合物分解部4設為低壓、氣體向由氣體水合物的分解而得到的水W2中的溶解變少的情況相比，更能抑制氣體水合物分解部4的再升壓所需的能
量消耗。
經(jīng)過上述氣體擴散部42的水W3,在上述脫水部3中與從上述氣體水合物漿中除去的水W1合并，并作為循環(huán)水CW注入上述氣體水合物生成部2中。上述氣體擴散部42由于與氣體水合物分解部4分開設置，因而能夠通過降低壓力進行氣體的擴散，因此，不需要使水升溫來使氣體擴散。因此，能夠抑制用于冷卻作為循環(huán)水CW返回氣體水合物生成部2的水的能量。另外，優(yōu)選的是，在該氣體擴散部42中進行補充氣體從水W2中擴散而產(chǎn)生的擴散熱的程度的加熱。如上所述，通過使氣體水合物分解部4中的氣體水合物的再氣化所得到的水W2中的氣體擴散，能夠實現(xiàn)該氣體的分離效率的提高，并且，能夠抑制被分離氣體的分離裝置41 的運轉所需的能量消耗，實現(xiàn)低成本化。本實施例在對二氧化碳、氧氣、硫化氫、二氧化硫 (亞硫酸氣)等在水中的溶解度高的氣體進行水化而從被分離氣體中分離的情況下特別有效。另外，如果如實施例2那樣構成將從氣體水合物生成部2排出的上述高壓氣體 (未水化的氣體G1)的能量作為壓縮裝置5的輔助動力來利用；或者如實施例3那樣構成 將上述未水化的高壓氣體G1的壓力能作為上述壓縮裝置5的動力來利用時，利用該高壓氣體&變?yōu)榇髿鈮簳r產(chǎn)生的冷能對上述循環(huán)水CW進行冷卻，則能夠形成能量效率更高的被分離氣體的分離裝置。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明可利用于對混合有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行分離的分離裝置及方法。
權利要求
1.一種被分離氣體的分離裝置，具備氣體水合物生成部，對混合有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿；脫水部，對所述氣體水合物漿進行脫水；和氣體水合物分解部，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化， 所述被分離氣體的分離裝置的特征在于，其以如下方式構成將合并所述脫水部中從所述氣體水合物漿中除去的水和所述氣體水合物分解部中對所述氣體水合物進行分解時產(chǎn)生的水而成的循環(huán)水注入所述氣體水合物生成部中。
2.一種被分離氣體的分離裝置，其特征在于，具備氣體水合物生成部，對混合有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿；脫水部，對所述氣體水合物漿進行脫水；氣體水合物分解部，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化；和氣體擴散部，接收所述氣體水合物分解部中由所述再氣化得到的水，并使溶解于該水中的所述一種氣體擴散，所述被分離氣體的分離裝置以如下方式構成將合并所述脫水部中從所述氣體水合物漿中除去的水和經(jīng)過所述氣體擴散部的水而成的循環(huán)水注入所述氣體水合物生成部中。
3.如權利要求1或2所述的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，在所述氣體水合物生成部的上游側具備使所述被分離氣體為預定壓力的壓縮裝置， 作為所述壓縮裝置的動力，利用從所述氣體水合物生成部排出的、未水化的高壓氣體的壓力能。
4.如權利要求3所述的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，具備利用所述高壓氣體變?yōu)榇髿鈮簳r產(chǎn)生的冷能對所述循環(huán)水進行冷卻的冷卻部。
5.如權利要求1 4中任一項所述的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，所述被水化的氣體為二氧化碳。
6.如權利要求1 5中任一項所述的被分離氣體的分離裝置，其特征在于，所述被分離氣體為有用氣體成分和無用氣體成分的混合氣體，所述被水化的氣體為所述無用氣體成分。
7.一種被分離氣體的分離方法，其特征在于，包括氣體水合物生成工序，對混有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿；脫水工序，對所述氣體水合物漿進行脫水；和氣體水合物分解工序，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化， 并且，所述被分離氣體的分離方法使合并所述脫水工序中從所述氣體水合物漿中除去的水和所述氣體水合物分解工序中分解所述氣體水合物時生成的水而成的循環(huán)水循環(huán)，從而作為所述氣體水合物生成工序中用于生成氣體水合物的水。
8.一種被分離氣體的分離方法，其特征在于，包括氣體水合物生成工序，對混有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿；脫水工序，對所述氣體水合物漿進行脫水；氣體水合物分解工序，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化；和氣體擴散工序，接收所述氣體水合物分解工序中由所述再氣化得到的水，并使溶解于該水中的所述一種氣體擴散，并且，所述被分離氣體的分離方法使合并所述脫水工序中從所述氣體水合物漿中除去的水和經(jīng)過所述氣體擴散工序的水而成的循環(huán)水循環(huán)，從而作為所述氣體水合物生成工序中用于生成氣體水合物的水。
9.如權利要求7或8所述的被分離氣體的分離方法，其特征在于，所述被水化的氣體為二氧化碳。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠降低從燃燒廢氣及生產(chǎn)氣體等被分離氣體中分離CO2等某一種氣體時需要的能量消耗、并且能夠降低裝置的運轉成本的被分離氣體的分離裝置及方法。一種被分離氣體的分離裝置，具備氣體水合物生成部，對混合有多種氣體成分的被分離氣體中含有的一種氣體進行水化，形成氣體水合物漿；脫水部，對所述氣體水合物漿進行脫水；和氣體水合物分解部，對脫水得到的氣體水合物進行分解并進行再氣化，所述被分離氣體的分離裝置的特征在于，其以如下方式構成將合并所述脫水部中從所述氣體水合物漿中除去的水和所述氣體水合物分解部中對所述氣體水合物進行分解時產(chǎn)生的水而成的循環(huán)水注入所述氣體水合物生成部中。
文檔編號B01D53/14GK102448579SQ20108002249
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權日2009年5月26日
發(fā)明者宮川滿, 木戶口晃, 松尾和芳, 櫻井聰一郎, 酒井正和 申請人:三井造船株式會社