JP2004176622A - Gas turbine power generation system - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently and inexpensively recover carbon dioxide component in a gas phase and to further effectively utilize the same. <P>SOLUTION: A gas turbine power generation system includes a methane concentrating means 2 for obtaining a gas containing much methane by removing the carbon dioxide component in a sludge digestion gas in a sludge digestion tank 1, and the gas turbine 3 to which the methane concentrated gas obtained by the methane concentrating means 2 is supplied as a fuel gas. The methane concentrating means 2 has an electrolyte film made of a polymer having a sodium ion exchange function, an anode which is provided on the electrolyte film and to which the aqueous solution of a sodium compound is supplied, and a cathode which is provided on the electrolyte film and to which the sludge digestion gas is supplied. A DC voltage is applied between both the electrodes, and the carbon dioxide in the sludge digestion gas is separated and removed as a carbonate at the cathode side. It is preferred that the gas to be treated is brought into contact with liquid droplets of sodium hydroxide aqueous solution, etc. It is preferable that the generated carbonate aqueous solution is provided for a nitrifying step of the water treating system as a pH regulator. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相に含まれる温室効果ガス、特に汚泥消化槽から排出された汚泥消化ガスに含まれるメタン及び炭酸ガス等の温室効果ガス、を分離回収し、有効利用するためのガスタービン発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９９８年１２月、京都市で、２０００年以降における地球温暖化防止のための新たな国際的枠組みを決定する気候変動枠条約第３回締約国会議（地球温暖化防止会議、ＣＯＰ３）が開催された。京都会議では、先進国全体の温室効果ガスを２００８〜２０１２年において１９９０年比５％強削減する数値目標などを含む「京都議定書」が採択され、この中で我が国についての数値目標は１９９０年比６％削減とされている。
【０００３】
温室効果ガスの人為的排出の多くを占めるのが、エネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素（ＣＯ_２）である。我が国は、石油危機以降積極的な省エネルギー努力を行った結果、産業部門のエネルギー利用効率は世界最高水準にあり、ＧＤＰ当りの一次エネルギー消費も米国の約３分の１、ドイツの約２分の１と他の先進国と比較して低い水準にある。
【０００４】
しかし、近年の運輸、民生部門を中心としたエネルギー消費の著しい伸びに伴い、エネルギー起因の二酸化炭素排出量は１９９５年度には１９９０比８％強の大幅な増加となっている。このことから、京都議定書の目標の達成に向けては、直ちに最大限の対策に着手していく必要がある。
【０００５】
京都議定書において、温室効果ガスは二酸化炭素（ＣＯ_２）、メタンガス（ＣＨ_４）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）の６種類とされているが、我が国における温室効果ガスの排出量は１９９５年度において１９９０年度比８．６％増加している。このうち、全体の９割近くを占めるとともに、経済社会活動全体と密接な関わりを持つのがエネルギーの燃焼に伴って発生する二酸化炭素である。
【０００６】
我が国におけるこれらのエネルギー起因の二酸化炭素排出量は１９８０年代後半から急激な増加傾向にあり、特に近年は運輸、民生部門の伸びが著しく、１９９５年度には１９９０年度比８．１％の大幅な増加となっている。したがって、我が国で今後国内の温室効果ガス対策を考える際の中心的課題となるのが、運輸、民生部門での対策強化をはじめとしたエネルギー起因の二酸化炭素削減対策である。
【０００７】
尚、二酸化炭素については、正確な量の把握は難しいものの森林等の働きによって吸収されるといわれており、また二酸化炭素固定技術に関する研究開発も進められている。さらに、代替フロン類（ＨＦＣ，ＰＦＣ及びＳＦ_６）については半導体洗浄や製品の中の冷媒として使われ、市中に残存しているものを回収し、分解するための技術開発等が進められている。
【０００８】
このように、温室効果ガス対策の全体において、ガスの排出削減対策を進める一方で、森林・農地の保全・整備や代替フロン類の回収に係る装置創りなど、ガスの吸収・固定や回収・分離等に係る各種の対策を進めることも極めて重要である。
【０００９】
排ガスのＣＯ_２排出濃度としては、排ガス中でディーゼルエンジンが約１０％、ボイラーで約１３％、下水処理場、食品工場の消化ガスで約４０％である。
【００１０】
現在、多くの分野で二酸化炭素を分解・回収するための方法及び装置等の開発が進められている。特に、室温付近においてはゼオライト触媒などを用いて吸着・脱着する圧力スイング法（非特許文献１）、高分子膜を用いた膜分離法（特許文献１）、水及びアルカリ水溶液などへ溶解する方法（非特許文献２）などが開発され、これらが主流となっている。
【００１１】
【非特許文献１】
長倉三郎他編「理化学辞典」、岩波書店
【００１２】
【特許文献１】
特許第２５２１８８４号公報（第２〜４頁）
【００１３】
【非特許文献２】
化学大辞典編集委員会編「化学大辞典」、共立出版
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
圧力スイング法は、ゼオライトなどの二酸化炭素吸着性物質を充填し、二酸化炭素を吸着させている。そして、吸着が飽和した後は、低圧若しくは高温状態に保持し、吸着した二酸化炭素を放出している。しかしながら、この方法を用いる場合、二酸化炭素以外に水成分も吸着されるため、前段に脱水装置を設ける必要がある。また、連続処理が不可能であり、処理塔を最低２つ必要、加温設備、真空装置設備などの付加設備が必要で大規模な設備となる。
【００１５】
高分子膜を用いた膜分離法は、二酸化炭素選択透過性の膜（ポリ（［１−トリメチルシリル］）プロピレン、ポリジメチルシロキサン等）の一方に加圧ガスを導入し、二酸化炭素を選択的に透過させ、二酸化炭素濃度を高める方法である。しかしながら、かかる方法では、膜自身に受けるガス圧力・二酸化炭素透過性を最適化するのが難しく高価となる。また、一般に、二酸化炭素の他に窒素、酸素などの気体も透過するため、完全な分離は困難となる。さらに、ガス加圧装置などの付加設備も大型となる。
【００１６】
水及びアルカリ水溶液などへ溶解する方法は、大きく二つの方法がある。第一の方法は、水酸化ナトリウム水溶液に二酸化炭素を吸収させて炭酸塩（Ｎａ_２ＣＯ_３）となる現象を用いたものである。
【００１７】
２ＮａＯＨ ＋ ＣＯ_２ → Ｎａ_２ＣＯ_３ ＋ Ｈ_２Ｏ
かかる手段は非常に簡単な方法であるが、生成した炭酸塩（Ｎａ_２ＣＯ_３）の後処理が困難であり（塩酸による中和）、これまでは加熱・乾燥後廃棄処分されているのが現状である。
【００１８】
また、第二の方法は、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）の熱分解・吸収法を利用している。
【００１９】
２ＮａＨＣＯ_３ → Ｎａ_２ＣＯ_３ ＋ ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ （６５℃以上）
Ｎａ_２ＣＯ_３ ＋ ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ → ２ＮａＨＣＯ_３ （室温〜５０℃）
かかる方法では、炭酸水素ナトリウムの二酸化炭素に対する吸収量及び吸収速度が水酸化ナトリウム水溶液に対して非常に遅いため非効率となる。
【００２０】
このように、上記二酸化炭素の除去技術は大掛かりな装置が必要であること、また前記膜分離法はイニシャルコスト及びランニングコストが高く、さらに除去率が低いという問題がある。特に、温室効果ガスの大部分を占める二酸化炭素の排出源のほとんどは、下水処理場や工場であることからも、これら施設のランニングコストも考慮した二酸化炭素固定装置の構築が必要となる。
【００２１】
また、下水処理場や食品工場における汚泥処理施設の汚泥消化工程から排出された汚泥消化ガスの組成は、およそメタン６０％、二酸化炭素４０％程度となっている。そこで、この汚泥消化ガスに含まれているメタンガスは、ガスタービン発電システムの燃料として有効利用が期待されている。
【００２２】
ところが、汚泥消化ガス中のメタン濃度が低いために、ガスタービン発電システムの発電効率が低くなるという欠点がある。
【００２３】
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その課題は、気相中の二酸化炭素成分を効率的かつ低廉に回収し、さらに有効利用させることが可能な、ガスタービン発電システムの提供にある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は以下のことを特徴とする。
【００２５】
請求項１記載の発明は、汚泥消化ガス中の二酸化炭素成分を除去してメタンに富むガスを得るメタン濃縮手段と、メタン濃縮手段で得たメタン濃縮ガスが燃料ガスとして供給されるガスタービンと、を備えたガスタービン発電システムであって、
メタン濃縮手段は、ナトリウムイオン交換機能を有するポリマーからなる電解質膜と、
前記電解質膜に設けられ、ナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、
前記電解質膜に設けられ、汚泥消化ガスが供されるカソードと、を備え、
この両極間に直流電圧を印加してカソード側において汚泥消化ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去することを特徴とする。
【００２６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスタービン発電システムにおいて、ナトリウムイオンを透過する電解質膜を設置してアノード室とカソード室を形成すると共に、アノード室に前記炭酸塩の水溶液を供給する経路と、カソード室に水を供給する経路と、を備え、前記両室の液相間に直流電圧を印加してカソード室において水酸化ナトリウムを生成する再生槽と、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液を前記メタン濃縮手段に供給する経路と、を具備したことを特徴とする。
【００２７】
請求項３記載の発明は、請求項１記載のガスタービン発電システムにおいて、前記カソードで生成した炭酸塩に強酸の水溶液を供する酸供給経路と、
ナトリウムイオンを透過する電解質膜を設置してアノード室とカソード室を形成すると共に、アノード室に炭酸塩と塩酸水溶液との反応によって生じた塩の水溶液を供給する経路と、カソード室に水を供給する経路と、を備え、前記両室の液相間に直流電圧を印加してカソード室において水酸化ナトリウムを生成する再生槽と、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液を前記メタン濃縮手段に供給する経路と、を具備したことを特徴とする。
【００２８】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液が供給され、この水溶液のナトリウムイオン濃度及び前記メタン濃縮手段のアノードへの供給量を一定に制御する調整槽とを備えたことを特徴とする。
【００２９】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、直流電圧を印加する電源は、電流密度が可変であることを特徴とする。
【００３０】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、前記メタン濃縮手段は、被処理ガスに、水蒸気を供給するための経路を設けたことを特徴とする。
【００３１】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、水蒸気は、ガスタービンから得た熱によって得たことを特徴とする。
【００３２】
請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、都市ガス等を導入するための混合器を備えたことを特徴とする。
【００３３】
請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載のガスタービンガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、メタン濃縮手段で得たメタン濃縮ガスを一時的に貯留するためのガスホルダーを備えたことを特徴とする。
【００３４】
請求項１０記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の発電システムにおいて、前記炭酸ガスを含んだガスを一時的に貯留し、その後、メタン濃縮手段に供給するためのガスホルダーを備え、
該ガスホルダーは、該メタン濃縮手段で得たガスを導入するための経路と、ホルダー内のガスをガスタービンに供給するための経路と、を具備したことを特徴とする。
【００３５】
請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段のアノードに供される被処理ガスを水若しくは水酸化ナトリウム水溶液の液滴と接触させるスクラバーとを備えたことを特徴とする。
【００３６】
請求項１２記載の発明は、請求項１から１１のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段から排出された炭酸塩水溶液をｐＨ調整剤として水処理システムにおける硝化工程に供することを特徴とする。
【００３７】
請求項１３記載の発明は、請求項１から１２のいずれか１項に記載のガスタービン発電システムにおいて、被処理ガスは汚泥消化ガスであることを特徴とする。
【００３８】
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載のガスタービン発電システムにおいて、前記ポリマーからなる電解質膜は、塩化ビニル樹脂またはフッ素樹脂を基材とすることを特徴とする。
【００３９】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載のガスタービン発電システムにおいて、
前記電解質膜は、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物を母体とするスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、フェノールスルホン酸樹脂のいずれかを含んで形成したを特徴とする。
【００４０】
請求項１から１５記載の発明におけるメタン濃縮処理は、ナトリウムイオン源が導入されるアノードに直流電源の陽極が導通され、被処理ガスが導入されるカソードに同電源の陰極が導通され、両極間に直流電圧を印加することによって行われる。このとき、アノード側で遊離した電子は当該直流電源を介してカソードに移行し、また同アノードで遊離したナトリウムイオンは固体電解質を介して移動する。ここで、カソード側に滞留している二酸化炭素成分は、該カソード表面に接触すると、その表面において、炭酸塩（炭酸ナトリウムまたは炭酸水素ナトリウム）の形態で分離除去される。したがって、被処理ガス中のメタンガスを濃縮させることが可能となり、ガスタービンの発電効率が向上する。二酸化炭素の除去量は電流密度に依存するので、被処理ガスの負荷量に応じた電流密度で設定すれば、より低廉なメタン濃縮が可能となる。尚、電流密度を調節する一つの手段として、印加電圧の調整がある。
【００４１】
また、請求項５記載の発明のように、被処理ガス中に酸素または水蒸気を含ませると、カソード側における脱炭酸ガス反応はより促進され且つ連続的な炭酸ガスの除去が可能となる。さらに、得られた炭酸塩はナトリウムイオン源として再利用でき、ランニングコストの削減も可能となる。
【００４２】
さらに、請求項６記載の発明のように、メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、都市ガス等を導入するための混合器を備えることで、消化ガスを都市ガスあるいはＬＰＧとデュアルフェール化させることできるので、有料燃料の消費量の低減が可能となる。
【００４３】
さらに、請求項７記載の発明によれば、被処理ガス供給量の変動に影響を受けることなく、ガスタービンの運転状況に対応して高カロリー燃料の供給を行うので、ガスタービンにおける発電効率が維持される。
【００４４】
また、請求項１１記載の発明のように、被処理ガスをアソードに供する前に、スクラバーにおいて、水若しくは水酸化ナトリウム水溶液の液滴と接触させてやれば、ガス中のおおまかな二酸化炭素成分は前記微細液体粒子に捕捉されるので、カソードに対する負荷が軽減され、二酸化炭素除去時及び水素ガス生成時の省電力化及び装置システムの小型化が図れる。そして、スクラバーから供給された被処理ガスはより水分を含んでいるので、より多くの水素ガスの生成が可能となると同時に、吸蔵させた炭酸塩を容易に水溶液化させることができる。このことは、連続的な二酸化炭素の除去及び水素ガスの生成も可能となる。
【００４５】
さらに、前記炭酸塩はｐＨ調整剤として使用できるので、請求項１２記載の発明のように水処理システムに供すれば、同システムにおける硝化脱窒作用を安定させることができる。
【００４６】
そして、請求項１３記載の発明のように、汚泥消化ガスを被処理ガスとすれば、ガス中のメタンガスを高濃度に濃縮できるので、水処理システム等から排出された汚泥消化化ガスを燃料電池、ガスタービン等の燃料や、燃料として売却するなどの有効利用に供することができる。
【００４７】
尚、ガスタービンとしては、発電機用に用いられるガスタービン例えば３００ｋＷ以下の一軸式再生サイクル形ガスタービン等が挙げられる。
【００４８】
また、ナトリウムを含んだ化合物の水溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）水溶液、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）水溶液、リン酸三ナトリウム（Ｎａ_３ＰＯ_４）水溶液、リン酸水素二ナトリウム（Ｎａ_３ＨＰＯ_４）またはリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ_３ＰＯ_４）等がある。
【００４９】
【発明の実施の形態】
発明者らは、本発明に係るガスタービン発電システムの創出にあたり、以下のガス処理処理システムを発案した。図６は、そのガス処理システムの概略図である。
【００５０】
ガス処理装置２０は、ナトリウム化合物の水溶液が供給されるアノード２０１と被処理ガスが供給されるカソード２０２とを設けた電解質膜２００と、この両極間に直流電圧を印加する電源２０３と、を備えている。
【００５１】
電解質膜２００は、ナトリウムイオンの導電体からなるものが用いられる。ナトリウムイオン導電体には、例えばナトリウムイオン交換機能を有するポリマー製電解質膜が採用される。前記電解質膜としては、フッ素樹脂または塩化ビニル樹脂を基材とするものがある。さらには、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物を母体とするスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、またはフェノールスルホン酸樹脂等を含ませて形成したものがある。
【００５２】
ナトリウム化合物水溶液には、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）水溶液または炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）水溶液等が採用される。
【００５３】
アノード２０１とカソード２０２としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉ、若しくはこれらの酸化物等が例示され、多孔質性の電極が用いられる。当該電極は、電解質膜２００において、スクリーン印刷、はけ塗り、蒸着、溶射、ディップコーティング等によって形成される。
【００５４】
電源２０３は、直流電圧を印加する機能を有するものが採用され、既知のものでよい。電圧を印加するための電源は、一般の定電位電源（ポテンションスタット等）を用いることができるが、電流密度が可変であるものを用いるとよい。尚、電流密度を調節する一つの手段として、印加電圧の調整がある。
【００５５】
ここで、図７及び図８にガス処理装置２０の実施形態例を示した。
【００５６】
図７（ａ）に示したガス処理装置は、アノード２０１とカソード２０２を備えた電解質膜２００を、アノード側枠体７１とカソード側枠体７２とで挟み込んで構成されるセル７０となっている。このとき、アノード側枠体７１には、ナトリウム化合物水溶液（図においてはＮａ^＋源と呼称）を一時的に滞留させる流路が設けられ、この水溶液を供給するための供給管２０４と、この水溶液を排出するための排出管２０５と、が接続される。同様に、カソード側枠体７２には、被処理ガスを一時的に滞留させる流路が設けられ、被処理ガスを供給するための供給管２０６と、処理ガスを排出するための排出管２０７と、が接続される。また、アノード側枠体７１及びカソード側枠体７２の流路において、迂流板７２３が設けられている。図７（ａ）に開示されたカソード側枠体においては、迂流板７２３は一枚設置されているが、これに限定されず、図７（ｂ）に示した枠体７１，７２のように、複数備えてもよい。かかる構成により、被処理ガス及びナトリウム化合物水溶液を電解質膜２００のアノード面及びカソード面に対し均一に供給することができるので、二酸化炭素除去効率が高まる。
【００５７】
また、セル構造を成したガス処理装置は、図７（ｃ）に示したように、被処理ガスの負荷量等に応じて複数設置される。当該形態に係るガス処理装置は、セル７０が３枚設置された構成となっている。このとき、装置の側面には、マニホールド７３，７４，７５，７６が設置される。マニホールド７３には、被処理ガスを供給するための供給管２０６が接続されている。マニホールド７４には、処理ガスを排出するための排出管２０７が接続されている。マニホールド７５には、ナトリウム化合物水溶液を供給するための供給管２０４が接続されている。マニホールド７６には、ナトリウム化合物水溶液を排出するための排出管２０５が接続されている。
【００５８】
図８（ａ）は、二枚の電解質膜２００を積層した場合の構成例である。積層枚数は被処理ガスの負荷量等によって定まる。図示されたように、２枚の電解質膜２００が、セパレータ８２を介して、積層され、上下からそれぞれプレート８１，８３が設けられている。このとき、プレート８１には、ナトリウム化合物水溶液（図においてはＮａ^＋源）の流路が設けられている。セパレータ８２の上面には、被処理ガスの流路が設けられ、また下面には、ナトリウム化合物水溶液の流路が設けられている。セパレータ４３には、被処理ガスの流路が設けられている。そして、図８（ｃ）に示されたように、被処理ガスの流入側には供給管２０６を設けたマニホールド８４が、処理ガスの排出側には排出管２０７を設けたマニホールド８５が設置される。また、ナトリウム化合物水溶液の流入側には、流入管２０４を設けたマニホールド８６が、さらに排出側には、排出管２０５を設けたマニホールド８７が設置される。尚、図８（ｂ）に示したように、プレート８１，８３及びセパレータ８２に設けられた流路には、複数の仕切板８２１を設けるとよい。かかる構成により、被処理ガス及びナトリウム化合物水溶液を電解質膜２００のアノード面及びカソード面に対し均一に供給することができるので、二酸化炭素除去効率が高まる。
【００５９】
図６において、ナトリウム化合物の水溶液（Ｎａ^＋源）は、調整槽２４から循環ポンプによって経路２４２を介して供給管２０４から供給される。余剰のナトリウム化合物水溶液は、排出管２０５から経路２４１を介して返送される。
【００６０】
調整槽２４は、アノード２０１に供給するためのナトリウム化合物水溶液を一時的に貯留するためのタンク２４を備える。このとき、タンク２４０内液相のナトリウムイオン濃度は一定に調整される。そのために、調整槽２４は、ナトリウムイオン濃度を測定するためのイオン濃度測定手段２４４と、高濃度ナトリウムイオン源や水を供給するための経路２４３とを備え、さらに、経路２４３には、タンク２４０内液相のイオン濃度に基づき開閉動作するバルブ手段を設けている。イオン濃度測定手段としては、例えば、ｐＨ測定機能を備え、ｐＨ値に基づきナトリウムイオンの濃度を算出している。
【００６１】
被処理ガスは、図示省略されたブロアーまたはファン等の移送手段によって経路２１０を介して供給管２０６からガス処理装置２０内に供給される。二酸化炭素が除去されたガスは、排出管２０７から経路２３１を介して気液分離槽２３を経た後、経路２３２を介して系外移送される。気液分離槽２３は、炭酸塩の水溶液を滞留させて導入したガスを洗浄する。
【００６２】
また、本実施形態では、経路２１０に、被処理ガスに水（水蒸気でもよい）を供給する水供給手段２１を具備させている。水供給手段２１は、被処理ガスに水分を供給できるものであれば既知のものよい。例えば、スプレー式のもの等が採用される。水供給手段２１によって、カソード２０１で生成した炭酸塩を容易に水溶液化させることができるので、炭酸塩を系外除去しやすくなり、連続的な二酸化炭素の除去ができる。炭酸塩水溶液は、気液分離槽２３に捕集され、ナトリウムイオン源として再利用できる。
【００６３】
さらに、本実施形態においては、吸蔵させた炭酸塩から水酸化ナトリウムの水溶液を得るための再生槽２５を具備している。
【００６４】
再生槽２５の実施形態例の概略を図５に示した。図９（ａ）は炭酸塩水溶液が供された場合、図９（ｂ）は炭酸水素水溶液が供された場合の形態例である。
【００６５】
再生槽２５は、炭酸塩水溶液が供給される槽２５０がイオン導電体２５４で仕切られた２槽構造となっている。そして、炭酸塩水溶液が供給される槽には直流電源２５３の陽極と導通可能なアノード２５１が設置され、また他方の槽には、純水が供給され、同電源２５３の陰極と導通可能なカソード２５２が設置されている。イオン導電体２５４は、ナトリウムイオンと水素イオンとを通過させることができるものであれば公知のものでよい。また、イオン導電体２５４は、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と水素イオン（Ｈ^＋）が同時に透過するものまたはそれぞれイオンが透過する２つのイオン導電体の組み合わせたものが採用される。イオン導電体としては、例えば、ＮＡＳＩＣＯＮ、β−アルミナなどの、ナトリウムイオン導電性セラミックや、ナフィオンに代表されるナトリウムイオン透過性の電解質膜がある。また、その他の電解質膜としては、先で述べたフッ素樹脂、塩化ビニル樹脂またはスルホン酸樹脂等を含ませて形成したものがある。
【００６６】
次に、図６及び図９を参照しながら、当該ガス処理システムの動作例について説明する。ここでは、ナトリウムイオン源が水酸化ナトリウム水溶液（以下、ＮａＯＨ水溶液）で、被処理ガスがＣＨ_４とＣＯ_２とを含んだガスである場合について述べる。
【００６７】
当該ガス処理システムにおける二酸化炭素ガス除去は、アノード２０１とカソード２０２のと間に直流電圧を印加することによって行われる。
【００６８】
すなわち、図６において、アノード２０１側には供給管２０４からＮａＯＨ水溶液が供給され、アノード２０１はこのナトリウムイオン源によって浸漬された状態となる。また、カソード２０２側には、供給管２０６から被処理ガスが供給される。ここでは、被処理ガスには、水供給手段２１から水または水蒸気が注入される。そして、アノード２０１とカソード２０２の両極間には電源２０３から直流電圧が印加される。このとき、先ずＮａＯＨが接触したアノード２０１表面においては、以下の反応が起こる。
【００６９】
ＮａＯＨ → Ｎａ^＋＋ＯＨ⁻ …（１）
２ＯＨ⁻ → １／２Ｏ_２ ＋Ｈ_２Ｏ＋ ２ｅ⁻ …（２）
そして、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）は、アノード２０１を通過し、電解質膜２００を泳動し、カソード２０２に達する。一方、アノード２０１側で遊離した電子（ｅ⁻）は、電源２０３を経由して、カソード２０２に達する。
【００７０】
ここで、気相中の二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水分（Ｈ_２Ｏ）がカソード２０２表面に接触すると、以下の反応が起こる。
【００７１】
Ｎａ^＋＋ｅ⁻＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ → ＮａＨＣＯ_３ ＋ １／２Ｈ_２ …（３）
２Ｎａ^＋＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → Ｎａ_２ＣＯ_３ ＋ Ｈ_２ …（４）
このようにして、被処理ガス中に含まれる二酸化炭素は、炭酸塩の形態でカソード２０２表面に固定されることで、分離除去される。そして、この反応に伴い水素ガスが生成される。このとき、生成した炭酸塩は、水に溶けた状態で存在し、生成と同時に電極表面から洗い落とされる。そして、生成した炭酸塩水溶液は気液分離槽２３にてガスと分離される。このようにして、二酸化炭素の除去を連続的に行うことができる。
【００７２】
ここで、図示されたように、経路２１０には、被処理ガスに液滴を接触させるスクラバー１５を備えるとなおよい。スクレバー２２は、例えばスプレー方式を採用している。液滴となる洗浄水としては、水または水酸化ナトリウム水溶液等がある。
【００７３】
被処理ガスをスクラバー２２に供すると、ガス中の二酸化炭素成分は、液滴と接触し、これに捕捉される。これにより、被処理ガス中のおおまかな二酸化炭素成分が除去される。また、これに伴い、ガス中に含まれたその他の成分、例えば硫化水素や硫黄酸化物または微細なホコリ成分等が除去されるので、被処理ガスがガス処理装置２０に導入されたとき、二酸化炭素成分とカソード２０２との接触効率が高まる。スクラバー２２を通過したガスは、直ちにガス処理装置２０に供され、残留した二酸化炭素成分が除去される。スクラバー２２にて処理されたガスは水成分をより含んでいるので、カソード２０２で生じた炭酸塩を容易に水溶液化させると共に、前記（３）及び（４）の反応を促進させることができる。このように、スクラバー２２を設けることで、ガス処理装置２０に対する二酸化炭素負荷量が軽減されるばかりか、より効率的に二酸炭素を除去できるばかりでなく、水素も生成させることができる。
【００７４】
一方、炭酸塩水溶液は、再生槽２５に供されると、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示したように、水酸化ナトリウム水溶液に変換される。
【００７５】
炭酸ナトリウムが供された場合、図９（ａ）に示したように、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）に、水は若干の水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化物イオン（ＯＨ⁻）に電離している。この状態で、炭酸ナトリウム水溶液側をアノード（＋）、純水側をカソード（−）として電位をかけると、ナトリウムイオンと水素イオンはイオン導電体膜を透過していく。このとき、アノード（＋）側では、炭酸イオンと水酸化物イオンが平衡分圧・電位の影響により電子を放出して、炭酸イオンが二酸化炭素と酸素に、水酸化物イオンは酸素となって、大気中に放出される。反対に、カソード（−）側へ透過したナトリウムイオンは電極から電子を受け取り金属ナトリウムとなるが、水（Ｈ_２Ｏ）と作用し、ＮａＯＨとＨ_２が生成される。透過した水素イオンも電極から電子を受け取り水素ガスとなる。そして、十分時間が透過した後の、カソード（−）側は高濃度の水酸化ナトリウム水溶液となっており、炭酸ナトリウム水溶液を水酸化ナトリウム水溶液として分離・回収できる。また、この方式は水の電気分解も兼ね備えているため、水素の供給源としても利用できる。このようにして得られた水酸化ナトリウム溶液は、図示省略されたポンプ等の移送手段によって、調整槽２４に供給され、ナトリウムイオンの濃度が所定濃度（例えば５〜１０ｍｏｌ／ｌ）に調整された後に、ガス処理装置２０のアノード２０１に適宜供給される。ＮａＯＨ再生に係る反応を以下にまとめた。
【００７６】

２Ｎａ^＋と２Ｈ^＋は、イオン導電体６４を介してカソード側へ移動する。
【００７７】

また、ガス処理装置２０のカソード２０２において、十分な水（Ｈ_２Ｏ）が存在した場合、温度が低いときは完全に炭酸ナトリウム水溶液とならず、炭酸水素ナトリウム水溶液となる場合がある。
【００７８】
図９（ｂ）は、この炭酸水素ナトリウムから水酸化ナトリウム水溶液を再生する場合の実施形態である。水酸化ナトリウム水溶液の再生の原理は図９（ａ）と同様である。すなわち、アノード２５１側の炭酸水素ナトリウム水溶液はナトリウムイオンと炭酸イオンとに電離し電極へ電子を放出して二酸化炭素及び酸素を放出する。分離したナトリウムイオンと水素イオンは、イオン導電体２５４を通って、カソード２５２側に移動し、水と反応して水素を発生しながら、水酸化ナトリウムとなる。得られた水素ガスは燃料ガスとして利用できる。このようにして得られた水酸化ナトリウム水溶液は、調整槽２４に供給され、ナトリウムイオンの濃度が所定濃度（例えば５〜１０ｍｏｌ／ｌ）に調整された後に、ガス処理装置２０のアノード２０１に適宜供給される。ＮａＯＨ再生に係る反応を以下にまとめた。
【００７９】

２Ｎａ^＋と２Ｈ^＋は、イオン導電体６４を介してカソード側へ移動する。
【００８０】

また、図１０（ａ）に、二酸化炭素除去する工程でカソード２０２に吸蔵した二酸化炭素成分を強酸によって遊離し放出する工程と、この工程で生成した塩から水酸化ナトリウムを再生する工程とを有するガス処理システムの概略を示した。
【００８１】
図１０（ａ）に示したように、当該ガス処理システムにおいて、被処理ガスを導入するための経路には、三方バルブＶ１（以下Ｖ１とする）を介して、強酸水溶液を供給するための経路が接続されている。また、ガス処理装置２０と気液分離槽２３とを連絡する経路には、三方バルブＶ２（以下Ｖ２とする）を介して、カソード２０２側で生成した塩化ナトリウム水溶液を再生槽２６に移送するための経路が接続されている。尚、強酸としては例えば塩酸が用いられる。
【００８２】
再生槽２６は、図１０（ｂ）に示されたように、塩化ナトリウム水溶液が供給される槽２６０がイオン導電体２６４で仕切られた２槽構造となっている。そして、塩化ナトリウム水溶液が供給される槽には直流電源２６３の陽極と導通可能なアノード２６１が設置され、また他方の槽には、水が供給され、同電源２６３の陰極と導通可能なカソード２６２が設置されている。ナトリウムイオンを通過させることができるものであれば公知のものでよい。例えば、先で述べたフッ素樹脂、塩化ビニル樹脂またはスルホン酸樹脂等を含ませて形成した電解質膜がある。
【００８３】
上記ガス処理システムの動作例について図１０及び図１１に基づき説明する。
【００８４】
二酸化炭素除去工程においては、図１１（ａ）に示されたように、Ｖ１は、被処理ガスをガス処理装置１に供給するように制御される。Ｖ２は、処理ガスを気液分離槽２３に供給するように制御される。当該工程におけるカソード１２での作用の説明は実施形態１に譲る。
【００８５】
二酸化炭素放出工程においては、図１１（ｂ）に示されたように、Ｖ１は、強酸水溶液をガス処理装置１に供給するように制御される。Ｖ２は、処理ガスを気液分離槽２３に供給するように制御される。当該工程は、二酸化炭素除去工程において被処理ガス中に含まれる二酸化炭素成分を捕獲して得た炭酸ナトリウムは弱酸と強塩基の化合物であることに着目し、弱酸の二酸化炭素の取出しを行っている。すなわち、当該炭酸塩に強酸ここでは塩酸水溶液を噴霧することで以下の反応を起こさせ、二酸化炭素の取出し系外に移送させている。
【００８６】
Ｎａ_２ＣＯ_３ ＋ ２ＨＣｌ → ２ＮａＣｌ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ＣＯ_２
また、炭酸水素ナトリウムを得ている場合には、これに強酸（例えば塩酸水溶液等）を噴霧することで以下の反応を起こさせ、二酸化炭素を取り出し系外に移送させる。
【００８７】
ＮａＨＣＯ_３ ＋ ＨＣｌ → ＮａＣｌ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ＣＯ_２
かかる反応により上記炭酸塩は直ちに分解し、二酸化炭素が遊離される。このとき、副生されたナトリウム塩であるところの塩化ナトリウム水溶液はナトリウムイオン源再生工程に供される。
【００８８】
次いで、水酸化ナトリウムの再生工程では、図１０（ｂ）に示したように、アノード２６１には直流電源２６３の陽極が導通し、カソード２６２には同電源２６３の陰極と導通し、直流電圧が印加される。このとき、電気分解が進行し、カソード６２側の液相において水成分は水酸化物イオンと水素ガスに分解される。ここで、副生された水素ガスは、燃料ガスとして利用が可能となるばかりでなく、共に生成した塩素ガス共に塩酸の原料となり得るので、系外に移送され二酸化炭素放出工程に用いられる塩酸の生成に供することができる。一方、ナトリウムイオンはイオン導電体２６４を経て、カソード２５２側の水槽に移行し、該水槽内の液相は水酸化ナトリウムの水溶液となる。このようにして得られた水酸化ナトリウム水溶液は、適時濃度調整（例えば５〜１０ｍｏｌ／ｌに調整）された後、ガス処理装置２のアノード２０１に適時供給される。当該工程における反応を以下にまとめた。
【００８９】

【００９０】

以下に、ガス処理システムの実施例を示した。
【００９１】
図１２は、電流密度と二酸化炭素濃度及び水素濃度との関係を示した特性図である。
【００９２】
当該実験に係るガス処理システムは、図６記載のシステムにおいて図７記載のガス処理装置を用いたものを採用した。ここでは、セルサイズ２００ｍｍ×２００ｍｍの電解質を二枚積層（有効電極面積：６００ｃｍ^２）したガス処理装置に、被処理ガス（ガス成分 二酸化炭素：４０％、窒素：６０％）を１ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。このとき、被処理ガスはスクラバーを介さないでガス処理装置のカソードに供給したまた、印加直流電圧は２．５Ｖに設定した。さらに、電解質はフッ素樹脂系のものを、ナトリウム化合物の水溶液には水酸化ナトリウム水溶液を、電極にはニッケルからなるものを採用した。
【００９３】
図示された結果から明らかなように、電流密度の上昇に伴い、二酸化炭素濃度が減少していくことが確認できる。また、当該実施例においては、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２時において二酸化炭素は完全に除去できたことも確認された。
【００９４】
ここで、当該実施例の結果に基づき算出した二酸化炭素除去に必要な電力、使用電力による二酸化炭素発生量（１分間）、二酸化炭素固定量（１分間）、水素発生量（１分間）を以下に示した。
【００９５】
二酸化炭素除去に必要な電力：２．５［Ｖ］×６０［Ａ］＝１５０［Ｗ］
使用電力による二酸化炭素発生量（１分間）：１５０×１／１０００×１／６０×０．１２／４４＝０．００７［ｍｏｌ］ 尚、０．１２は、石油火力を電源として用いた時の二酸化炭素排出量を示す。
【００９６】
二酸化炭素固定量（１分間）：０．４［ｌ／分］×１［分］／２２．４［ｌ］＝０．０１８［ｍｏｌ］
水素発生量（１分間）：０．０１８［ｍｏｌ］
かかる計算結果から明らかなように、わずかな電力で二酸化炭素を効率的に除去でき、かつ固定した二酸化炭素と等モルの水素が発生することが確認できる。
【００９７】
また、表１に、被処理ガスをスクラバーに供した後にガス処理装置に供給した場合の各処理工程から排出されたガス、すなわちスクラバーを通過したガス（以下、第一処理ガス）及びガス処理装置から排出されたガス（以下、第二処理ガス）の組成を被処理ガスのガス組成と共に開示した。ここでは、被処理ガスの組成をメタン：二酸化炭素＝６０：４０としたこと以外は図１２記載の実施例と同様の条件でガスを処理した。
【００９８】
【表１】

【００９９】
表に示された通り、第一処理ガスのメタンガス濃度は８５％、また二酸化炭素濃度は１５％となっていることが確認された。さらに、第二処理ガスにおいては、二酸化炭素が検出されず、可燃性ガスの濃度は１００％となっていることが確認された。このことは、スクラバーを本発明のガス処理装置と組み合わせることで、ガス処理装置に対する二酸化炭素負荷量が軽減され、二酸化炭素除去における省電力化及び装置システムの小型化が図れることを示唆するものである。尚、第二処理ガスは、そのメタンガス濃度から明らかなように、燃料電池、ガスタービン等の燃料や、燃料として売却するなどの有効利用に供することができるがわかる。
【０１００】
図１３は、本発明の実施例によるＩ−Ｖ特性を示した特性図である。
【０１０１】
実施例１に係るガス処理装置は電解質に塩化ビニル系の樹脂からなる電解質膜を、比較例に係るガス処理装置はセラミックス系の電解質を採用した。実施例１及び比較例は、ナトリウム化合物水溶液に５ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム水溶液を採用し、動作温度は室温の２０℃とした。図示された結果から明らかなように、電解質に塩化ビニル系樹脂の電解質膜を採用した実施例１においては、反応が始まってから電流の立ち上がりがよくなり、セラミックス系の電解質よりも、大幅な省電力化が可能であることが確認できる。
【０１０２】
また、図１４に実施例１による二酸化炭素の除去特性を示した。当該特性試験は、１００ｍＡ／ｃｍ^２の定格電流方式で行った。電極面積は３００ｃｍ^２に設定した。図から明らかなように、初期濃度約２０％の二酸化炭素は電流が流れ始めると同時に除去が始まり、約２０分で０．６％程度までに低減させることができることが確認できる。このとき、電流を停止すると、二酸化炭素濃度は上昇し始めることが確認された。そして、当該試験においては、二酸化炭素の除去率は９７％となることが確認された。また、二酸化炭素の除去率は電流が流れている間はほぼ一定に保持することも確認された。さらに、ナトリウムイオン供給源を供給続ければ、連続的に二酸化炭素を吸蔵することも確認されている。
【０１０３】
図１５は、本発明の実施例によるＩ−Ｖ特性を示した特性図である。
【０１０４】
実施例２に係るガス処理装置は電解質にフッ素樹脂系の電解質膜を、比較例に係るガス処理装置はセラミックス系の電解質を採用した。実施例２及び比較例は、ナトリウム化合物水溶液に５ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム水溶液を採用し、動作温度は８６℃とした。図示された結果から明らかなように、電解質にフッ素樹脂系電解質膜を採用した実施例２においては、反応が始まってから電流の立ち上がりがよくなり、セラミックス系の電解質よりも、大幅な省電力化が可能であることが確認できる。
【０１０５】
以上のように、本実施形態に係るガス処理システムによれば、ナトリウムイオン源の回収・再利用を行え、低廉に二酸化炭素を除去することができる。
【０１０６】
また、被処理ガスがメタンを含んだガス例えば汚泥消化ガスのようなガスである場合、このガスを本実施形態のガス処理システムに供することで、効率的に濃縮メタンガスを得ることができる。この濃縮メタンガスは、燃料電池やガスタービン等の燃料またはその他の燃料として売却するなどの有効利用が可能となる。
【０１０７】
以下に、本発明のガスタービン発電システムの実施形態例について述べる。
（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態例を示した概略図である。
【０１０８】
本実施形態のガスタービン発電システムは、例えば、有機性汚泥を嫌気的に処理する汚泥消化槽１を備えた汚泥処理施設に設置され、汚泥消化槽１から排出された汚泥消化ガスを導入し、該ガスから二酸化炭素を除去してメタンに富むガスを得るメタン濃縮手段２と、該メタン濃縮手段から排出されたメタン濃縮ガスが燃料として導入されるガスタービン３とを備える。当該システムにおいては、低発熱量ガスである汚泥消化ガスをメタン濃縮手段２により高発熱量ガスへ変換し利用している。
【０１０９】
メタン濃縮手段２としては、図６記載のガス処理システムが採用される。メタン濃縮手段の構成及び動作例の詳細な説明は、前述の図６〜図１１に基づく説明に譲る。
【０１１０】
ガスタービン３としては、例えば３００ｋＷ以下の一軸式再生サイクル形ガスタービンが用いられ、当該システムによって、汚泥消化ガスを非常用電源の燃料としての利用が可能となる。
【０１１１】
表２に、本発明に係るガスタービン発電システムにおける発熱量を、比較例と共に、開示した。ここでは、定格運転する場合必要な燃料流量が４４０ＭＪ／時である一軸式再生サイクル形ガスタービンを運転する場合の発熱量（ＭＪ／ｍ^３）の結果を開示している。尚、試料ガスである汚泥消化ガスにおけるガス組成は、体積比でメタンが６０％で二酸化炭素が４０％であった。
【０１１２】
【表２】

【０１１３】
比較例は、メタン濃縮手段を介さないで、直接、試料ガスをガスタービンの燃料供給系に供給した場合の該ガスタービンの発熱量を開示している。同表の結果によると、ガスタービンの発熱量は２４．１ＭＪ／ｍ^３となり、ガスタービンの運転に必要なガス流量は、４４０（ＭＪ／時）／発熱量（ＭＪ／ｍ^３）の計算によって、１８．３ｍ^３／時となり、必要な試料ガスの流量は１８．３ｍ^３／時であることがわかる。
【０１１４】
実施例１は、試料ガスを、メタン濃縮手段を介して、ガスタービンの燃料供給系に供給した場合の該ガスタービンの発熱量を開示している。このとき、該メタン濃縮手段から排出されたガス組成は、体積比でメタンが６０％で水素が４０％であった。同表の結果によると、ガスタービンの発熱量は２９．２ＭＪ／ｍ^３となり、ガスタービンの運転に必要なガス流量は、先と同様の計算によって、１５．１ｍ^３／時となり、必要な試料ガスの流量は１５．１ｍ^３／時であることがわかる。
【０１１５】
実施例２も、試料ガスを、メタン濃縮手段を介して、ガスタービンの燃料供給系に供給した場合の該ガスタービンの発熱量を開示している。このとき、該メタン濃縮手段から排出されたガス組成は、体積比でメタンが１００％であった。同表の結果によると、ガスタービンの発熱量は４０．１ＭＪ／ｍ^３となり、ガスタービンの運転に必要なガス流量は、先と同様の計算によって、１１．１ｍ^３／時となり、このとき必要な試料ガスの流量は１８．３ｍ^３／時であることがわかる。
【０１１６】
以上のことから、本発明に係るガスタービン発電システムは、比較例に係るガスタービン発電システムよりも、発熱量が高くなり、発電効率に優れることが確認できる。
【０１１７】
特に、メタン濃縮手段２に水蒸気等の水分が供給された場合、当該手段から得られたガスはメタンと水素の混合ガスとなるので、このガスを改質することで、高濃度の水素ガスが得られ、燃料電池発電にも有効となる。
【０１１８】
また、メタン濃縮手段２に酸素が供給される場合、当該手段から得られたガスは、ほぼ１００％のメタンガスが得られるため、その用途は売却用燃料ガスとなり得る。
（実施形態２）
図２は、本発明の第２の実施形態例を示した概略図である。
【０１１９】
本実施形態に係るガスタービン発電システムは、実施形態１に係るガスタービン発電システムにおいて、メタン濃縮手段２とガスタービン３とを連絡する経路に、都市ガス等を導入するための混合器４が具備されている。このとき、混合器４は、メタン濃縮ガスと都市ガスのいずれかの導入切り替えをも可能とするものを採用するとよい。
【０１２０】
メタン濃縮手段２は、先の表１の結果から明らかなように、被処理ガス（例えば、汚泥消化ガス）中のメタンを濃縮することで、単位体積当りの発熱量を上げることにより都市ガス、あるいはＬＰＧなどとの発熱量の差を小さくすることができる。したがって、本実施形態に係るガスタービン発電システムの構成とすることで、実施形態１の作用効果に加え、消化ガスと都市ガスあるいはＬＰＧとの燃料切り替えが可能となり、いわゆるデュアルフューエルとすることができ、有料燃料の消費量の低減が可能となる。
（実施形態３）
図３は、本発明の第３の実施形態例を示した概略図である。
【０１２１】
本実施形態に係るガスタービン発電システムは、実施形態１に係るガスタービン発電システムにおいて、汚泥消化槽１とメタン濃縮手段２とを連絡する経路に消化ガスホルダー５を、またメタン濃縮手段２とガスタービン３とを連絡する経路にメタン濃縮ガスホルダー６を、備えている。尚、図示省略されているが、ガスホルダー５，６には、ホルダー内のガスを各々メタン濃縮手段２及びガスタービン３に供給するための流量調整可能のファンやブロワー等が適宜付帯される。当該実施形態においては、メタンガス濃縮手段２で炭酸ガスを除去して得たガス（たとえばメタン約１００％）をガスホルダー６に濃縮メタンを一旦貯留し、ガスタービン３の運転状況等に応じて高カロリーであるメタン濃縮ガスを供給している。
【０１２２】
本実施形態のシステムによれば、メタン濃縮ガスホルダー６に濃縮メタンを貯留しておくので、実施形態１の作用効果に加え、ガスタービンの運転状況に対応して高カロリー燃料の安定供給が可能である。また、消化ガスの発生量は、時間帯（夜昼等）によって異なるため、メタン濃縮ガスホルダー６に濃縮メタンガスを貯留しておくことで、これをバッファー設備として作用させ、消化ガスの発生量に影響を受けることなく、ガスタービンに高カロリー燃料を安定供給することが可能である。
（実施形態４）
図４は、本発明の第４の実施形態例を示した概略図である。
【０１２３】
本実施形態に係るガスタービン発電システムは、実施形態１に係るガスタービン発電システムにおいて、汚泥消化槽１とメタン濃縮手段２とを連絡する経路に消化ガスホルダー５を備えている。ここで、消化ガスホルダー５は、メタン濃縮手段２で得たメタン濃縮ガスを導入するための経路５０１と、ホルダー５内のガスを燃料ガスとしてガスタービン３に供給するための経路５０２と、を備えている。尚、図示省略されているが、経路５０１には、メタン濃縮手段３で得たメタン濃縮ガスを消化ガスホルダー５に供給するための、また経路５０２にはホルダー内のガスをガスタービン３に供給するための、流量調整可能のファンやブロワー等が、適宜付帯される。
【０１２４】
本実施形態においては、メタン濃縮手段２で炭酸ガスを除去して得たガス（メタン約１００％）を消化ガスホルダー５に返送して、ホルダー５内のメタンガスの濃度を順次高くしていき、ガスタービン３の運転状況等に応じて１００％濃度ではないものの高濃度（例えば８０％程度）の高カロリー燃料である濃縮ガスをガスタービン３に供給している。
【０１２５】
このように、本実施形態によれば、実施形態３と同様に、消化ガスホルダー５内の濃度を高くしつつメタンガスを貯留しておくので、実施形態１の作用効果に加え、ガスタービン３の運転状態若しくは消化ガスの発生状態に影響を受けることなく高カロリー燃料の安定供給が可能である。尚、ガスタービン３はメタン６０％（二酸化炭素４０％）の消化ガスでも運転は可能であることが確認されており、本実施形態は消化ガスを直接使用する場合と比較してメタン濃度が高く（高カロリー）、発電効率を向上させることが可能である。
（実施形態５）
図５は、本発明の第５の実施形態例を示した概略図である。
【０１２６】
下水処理場で発生する汚泥の消化ガスや家畜糞尿設備で発生するバイオガスは有用なエネルギー源として活用が可能であるが、従来の技術においては特に中小容量の処理場において熱源としての用途しか見出すことができなかった。その一つの理由としては、メタンガス濃度が低いことが挙げられる。そこで、汚泥消化ガス中の二酸化炭素成分をメタン濃縮手段２で除去することで、前記ガス中のメタンガス濃度を高めることができ、汚泥消化ガスを高発熱量ガスに転換させることができる。
【０１２７】
そして、特に図５に示した下水処理システムにおいて、メタン濃縮手段２を具備させれば、汚泥消化ガスを有効利用することができる共に、水処理システムにおける硝化脱窒機能を安定化させることができる。
【０１２８】
図示された水処理システムは、汚泥消化ガスが得られる設備は主に下水処理施設で硝化工程さらには脱窒工程を有する。硝化工程及び脱窒工程の液相は最終沈殿池にて固液分離処理される。最終沈殿池で得られた上澄水は、さらに高度処理に供されるか若しくは放流される。ここで、最終沈殿池にて分離された汚泥の一部は活性汚泥として再利用するために硝化工程に返送される一方で、一部の汚泥は消化させるために汚泥消化工程に供される。汚泥消化工程では、汚泥を好気的または嫌気的に処理している。特に、嫌気処理の過程において、メタンガスを含んだガスが発生する。
【０１２９】
一般的に、下水処理では、先ず、硝化工程で下水中の窒素化合物（アンモニア性窒素）を硝化菌の作用で硝酸イオンなど（ＮＯ_２ ⁻、ＮＯ_３ ⁻）に変換し、次いで脱窒工程で脱窒菌の作用により窒素ガス（Ｎ_２）へ還元する必要がある。硝化工程における下水のｐＨは８〜９の範囲であるが、硝化反応が進行していくとアルカリ度が消費されてｐＨ値が低下する。ｐＨ値の低下が生じると処理効率が低下する落ちるばかりでなく、硝化菌が死滅する恐れがある。したがって、ｐＨ値を８〜９に調整するために、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）_２）、ソーダ灰（Ｎａ_２Ｃｏ_３）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）といったアルカリ剤（ｐＨ調整剤）を投入しなければならない。
【０１３０】
メタン濃縮手段２におけるガス処理装置２０のカソード側から排出される炭酸塩水溶液（廃液）は、そのｐＨ値は８〜１０程度であり（尚、二酸化炭素を完全に吸収していない場合は、ＮａＯＨ成分が高くなるためそれ以上のｐＨ値となる）、アルカリ剤として利用できる。
【０１３１】
このように、本実施形態では、ガス処理装置２０を備えたを下水処理システムに具備させたことで、高発熱量ガスの生産が可能となるばかりでなく、下水処理における硝化脱窒機能を安定化させることができる。
【０１３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項に示した本発明のガスタービン発電システムによれば、汚泥消化ガス等の炭酸ガスを含んだガスから二酸化炭素を炭酸塩として分離除去しているので、該ガス中のメタン濃度が高まり、これにより、ガスタービン発電におけるエネルギー変換効率が向上し、炭酸ガス及びメタンを回収しながらの新たな電気エネルギー及び熱エネルギーの生産が可能となる。ゆえに、本発明は、汚泥消化ガス等の炭酸ガスを含んだ気相を効率的かつ低廉に回収し有効利用することを可能とさせ、温室効果ガス削減対策及び地球温暖化対策に大いに寄与する。
【０１３３】
また、本発明においては、アノード側におけるナトリウム化合物水溶液のナトリウムイオン濃度を一定に保持させているので、二酸化炭素の除去性能は安定する。
【０１３４】
さらに、二酸化炭素成分の除去に伴い吸蔵した炭酸塩を水酸化ナトリウムの水溶液に変換し、これを二酸化炭素除去に供するナトリウム化合物水溶液として利用しているので、大幅なランニングコストの削減が可能となる。
【０１３５】
また、メタン濃縮手段において、被処理ガスをアソードに供する前に、スクラバーにおいて、水若しくは水酸化ナトリウム水溶液の液滴と接触させることで、ガス中のおおまかな二酸化炭素成分は前記微細液体粒子に捕捉されるので、カソードに対する負荷が軽減され、二酸化炭素除去時及び水素ガス生成時の省電力化が可能となり、これによりシステムの小型化が図れる。さらに、スクラバーから供給された被処理ガスはより水分を含んでいるので、より多くの水素ガスの生成が可能となると同時に、吸蔵させた炭酸塩を容易に水溶液化させることができるので、連続的な二酸化炭素の除去及び水素ガスの生成も可能となる。
【０１３６】
そして、メタン濃縮手段から排出された炭酸塩水溶液は、ｐＨ調整剤として使用できるので、水処理システムに供することで、このシステムにおける硝化脱窒作用を安定させることができる。
【０１３７】
また、被処理ガスが例えば汚泥消化ガスのようなメタンを含んだガスである場合には、本発明によって、該ガスから効率的に濃縮メタンガス（高熱量ガス）を生産することができ、このガスは燃料電池やガスタービンまたはその他の燃料として売却及び利用ができるので、温室効果ガスの有効利用が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態例を示した概略図。
【図２】本発明の第２の実施形態例を示した概略図。
【図３】本発明の第３の実施形態例を示した概略図。
【図４】本発明の第４の実施形態例を示した概略図。
【図５】本発明の第５の実施形態例を示した概略図。
【図６】メタン濃縮手段の実施形態例の概略図。
【図７】ガス処理装置の実施形態例の概略図。
【図８】ガス処理装置の実施形態例の概略図。
【図９】（ａ）炭酸ナトリウム水溶液が供給される再生槽の概略説明図、（ｂ）炭酸水素ナトリウム水溶液が供給される再生槽の概略説明図。
【図１０】（ａ）本発明に係るガス処理システムの実施形態例を示す概略図、（ｂ）塩化ナトリウム水溶液が供給される再生槽の概略説明図。
【図１１】（ａ）二酸化炭素除去工程の概略説明図、（ｂ）二酸化炭素放出の概略説明図。
【図１２】電流密度と二酸化炭素濃度及び水素濃度との関係を示した特性図。
【図１３】本発明（実施例１）と比較例におけるＩ−Ｖ特性図。
【図１４】本発明による二酸化炭素の除去特性図。
【図１５】本発明（実施例２）と比較例におけるＩ−Ｖ特性図。
【符号の説明】
１…汚泥消化槽
２…メタン濃縮手段、２０…炭酸ガス除去装置、２００…電解質膜、２０１…アノード、２０２…カソード、２０３…電源、２１…水供給手段、２２…スクラバー、２３…気液分離槽
３…ガスタービン
４…混合器
５…消化ガスホルダー
６…メタン濃縮ガスホルダー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine generator for separating and recovering greenhouse gases contained in a gas phase, particularly greenhouse gases such as methane and carbon dioxide contained in a sludge digestion gas discharged from a sludge digestion tank. It is about the system.
[0002]
[Prior art]
In December 1998, the 3rd Conference of the Parties to the United Nations Framework Convention on Climate Change (COP3) was held in Kyoto City to determine a new international framework for preventing global warming since 2000. Was. At the Kyoto Conference, the Kyoto Protocol was adopted, including a numerical target to reduce greenhouse gases in developed countries as a whole by more than 5% from 2008 to 2012, among which the numerical targets for Japan were It is said to be reduced by 6%.
[0003]
Most of the anthropogenic emissions of greenhouse gases are due to the carbon dioxide (CO2) generated by the combustion of energy.₂). As a result of Japan's proactive energy conservation efforts since the oil crisis, the energy use efficiency of the industrial sector is at the highest level in the world, and primary energy consumption per GDP is about one-third of that of the United States and about one-half of that of Germany. 1 and low levels compared to other developed countries.
[0004]
However, with the remarkable growth of energy consumption mainly in the transportation and consumer sectors in recent years, the amount of carbon dioxide emissions caused by energy has increased by more than 8% in 1995 compared to 1990. For this reason, it is necessary to immediately start maximal measures to achieve the goals of the Kyoto Protocol.
[0005]
In the Kyoto Protocol, greenhouse gases are carbon dioxide (CO₂), Methane gas (CH₄), Nitrous oxide (N₂O), hydrofluorocarbon (HFC), perfluorocarbon (PFC), sulfur hexafluoride (SF)₆The emission of greenhouse gases in Japan increased by 8.6% in 1995 compared to 1990. Of these, carbon dioxide generated by the burning of energy accounts for nearly 90% of the total and has a close relationship with overall economic and social activities.
[0006]
In Japan, these energy-related carbon dioxide emissions have been increasing sharply since the latter half of the 1980s. In particular, the transport and consumer sectors have been growing remarkably in recent years. It has become. Therefore, the central issue in Japan's future consideration of greenhouse gas countermeasures is measures to reduce energy-related carbon dioxide, including strengthening measures in the transportation and consumer sectors.
[0007]
Although it is difficult to accurately determine the amount of carbon dioxide, it is said that it is absorbed by the action of forests and the like, and research and development on carbon dioxide fixation technology are also being advanced. Furthermore, alternative CFCs (HFC, PFC and SF)₆) Is being used as a refrigerant in semiconductor cleaning and products, and technology for collecting and decomposing substances remaining in the city is being developed.
[0008]
In this way, while taking measures to reduce gas emissions as a whole in greenhouse gas measures, gas absorption, fixation, collection and separation, such as the creation of equipment for preservation and maintenance of forests and agricultural lands and the collection of alternative fluorocarbons, etc. It is also extremely important to promote various countermeasures concerning such factors.
[0009]
Exhaust gas CO₂The emission concentration is about 10% for diesel engines, about 13% for boilers in exhaust gas, and about 40% for digestion gas in sewage treatment plants and food factories.
[0010]
At present, methods and apparatuses for decomposing and recovering carbon dioxide are being developed in many fields. In particular, at around room temperature, a pressure swing method for adsorption and desorption using a zeolite catalyst or the like (Non-Patent Document 1), a membrane separation method using a polymer membrane (Patent Document 1), a method of dissolving in water, an aqueous alkaline solution, or the like (Non-Patent Document 2) and the like have been developed, and these have become mainstream.
[0011]
[Non-patent document 1]
Saburo Nagakura et al. `` Dictionary of Physics and Chemistry '', Iwanami Shoten
[0012]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2521884 (pages 2 to 4)
[0013]
[Non-patent document 2]
`` Chemical University Dictionary '' edited by the Chemical University Dictionary Editing Committee, Kyoritsu Publishing
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
In the pressure swing method, carbon dioxide is adsorbed by filling a carbon dioxide-adsorbing substance such as zeolite. Then, after the adsorption is saturated, the pressure is maintained at a low pressure or a high temperature to release the adsorbed carbon dioxide. However, when this method is used, since a water component is also adsorbed in addition to carbon dioxide, it is necessary to provide a dehydration device in a preceding stage. Further, continuous processing is not possible, and at least two processing towers are required, and additional equipment such as heating equipment and vacuum equipment is required, which is a large-scale equipment.
[0015]
In a membrane separation method using a polymer membrane, a pressurized gas is introduced into one of carbon dioxide selective permeable membranes (poly ([1-trimethylsilyl]) propylene, polydimethylsiloxane, etc.) to selectively remove carbon dioxide. This is a method of increasing the concentration of carbon dioxide by permeating it. However, in such a method, it is difficult and expensive to optimize the gas pressure and carbon dioxide permeability applied to the membrane itself. In addition, in general, gases such as nitrogen and oxygen as well as carbon dioxide permeate, so that complete separation becomes difficult. Further, additional equipment such as a gas pressurizing device also becomes large.
[0016]
There are two major methods for dissolving in water, an aqueous alkaline solution, and the like. The first method is to absorb carbon dioxide in an aqueous sodium hydroxide solution to form a carbonate (Na₂CO₃).
[0017]
2NaOH + CO₂  → Na₂CO₃  + H₂O
Such a method is a very simple method, however, the carbonate (Na₂CO₃) Post-treatment is difficult (neutralization with hydrochloric acid), and until now it has been disposed of after heating and drying.
[0018]
The second method is to use sodium hydrogen carbonate (NaHCO₃) Is used.
[0019]
2NaHCO₃  → Na₂CO₃  + CO₂  + H₂O (65 ° C or higher)
Na₂CO₃  + CO₂  + H₂O → 2NaHCO₃  (Room temperature to 50 ° C)
In such a method, the absorption amount and the absorption rate of sodium hydrogencarbonate for carbon dioxide are extremely slow for an aqueous sodium hydroxide solution, resulting in inefficiency.
[0020]
As described above, the above-described carbon dioxide removal technique requires a large-scale apparatus, and the membrane separation method has a problem that initial cost and running cost are high and the removal rate is low. In particular, since most of the emission sources of carbon dioxide, which account for the majority of greenhouse gases, are sewage treatment plants and factories, it is necessary to construct a carbon dioxide fixing device in consideration of the running costs of these facilities.
[0021]
Further, the composition of the sludge digestion gas discharged from the sludge digestion process of the sludge treatment facility in a sewage treatment plant or a food factory is about 60% methane and 40% carbon dioxide. Therefore, the methane gas contained in the sludge digestion gas is expected to be effectively used as a fuel for the gas turbine power generation system.
[0022]
However, since the methane concentration in the sludge digestion gas is low, there is a disadvantage that the power generation efficiency of the gas turbine power generation system is low.
[0023]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a gas turbine power generation system capable of efficiently and inexpensively recovering a carbon dioxide component in a gaseous phase and further effectively utilizing the same. .
[0024]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is characterized by the following.
[0025]
The invention according to claim 1 includes a methane enrichment unit that removes a carbon dioxide component in a sludge digestion gas to obtain a methane-rich gas, a gas turbine in which the methane enriched gas obtained by the methane enrichment unit is supplied as fuel gas, A gas turbine power generation system comprising:
Methane concentrating means, an electrolyte membrane made of a polymer having a sodium ion exchange function,
An anode provided on the electrolyte membrane and provided with an aqueous solution of a sodium compound;
A cathode provided on the electrolyte membrane and provided with a sludge digestion gas,
A DC voltage is applied between the two electrodes to separate and remove carbon dioxide in the sludge digestion gas as a carbonate on the cathode side.
[0026]
According to a second aspect of the present invention, in the gas turbine power generation system according to the first aspect, an anode membrane and a cathode chamber are formed by installing an electrolyte membrane that transmits sodium ions, and the aqueous solution of the carbonate is supplied to the anode chamber. And a path for supplying water to the cathode chamber, a regeneration tank that applies a DC voltage between the liquid phases of the two chambers to generate sodium hydroxide in the cathode chamber,
And a path for supplying an aqueous solution of sodium hydroxide generated in the cathode chamber to the methane concentrating means.
[0027]
The invention according to claim 3 is the gas turbine power generation system according to claim 1, wherein an acid supply path for supplying an aqueous solution of a strong acid to the carbonate generated at the cathode;
An anode membrane and a cathode chamber are formed by installing an electrolyte membrane that allows sodium ions to pass through, and a path for supplying an aqueous solution of a salt generated by a reaction between a carbonate and a hydrochloric acid aqueous solution to the anode chamber, and supplying water to the cathode chamber. And a regeneration tank that applies a DC voltage between the liquid phases of the two chambers to generate sodium hydroxide in the cathode chamber.
And a path for supplying an aqueous solution of sodium hydroxide generated in the cathode chamber to the methane concentrating means.
[0028]
According to a fourth aspect of the present invention, in the gas turbine power generation system according to any one of the first to third aspects,
An aqueous solution of sodium hydroxide generated in the cathode chamber is supplied, and a regulating tank is provided for controlling the sodium ion concentration of the aqueous solution and the supply amount of the methane concentrating means to the anode at a constant level.
[0029]
According to a fifth aspect of the present invention, in the gas turbine power generation system according to any one of the first to fourth aspects, a power supply for applying a DC voltage has a variable current density.
[0030]
According to a sixth aspect of the present invention, in the gas turbine power generation system according to any one of the first to fifth aspects, the methane concentrating means has a path for supplying steam to the gas to be treated. Features.
[0031]
According to a seventh aspect of the invention, in the gas turbine power generation system according to any one of the first to sixth aspects, the steam is obtained by heat obtained from the gas turbine.
[0032]
According to an eighth aspect of the present invention, in the gas turbine power generation system according to any one of the first to seventh aspects, a mixer for introducing city gas or the like into a path connecting the methane enrichment means and the gas turbine. It is characterized by having.
[0033]
According to a ninth aspect of the present invention, in the gas turbine gas turbine power generation system according to any one of the first to eighth aspects, the methane enrichment obtained by the methane enrichment means is provided in a path connecting the methane enrichment means and the gas turbine. A gas holder for temporarily storing gas is provided.
[0034]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the power generation system according to any one of the first to ninth aspects, wherein the gas containing the carbon dioxide gas is temporarily stored and then supplied to the methane enrichment means. Equipped with a holder,
The gas holder includes a path for introducing the gas obtained by the methane concentrating means, and a path for supplying the gas in the holder to a gas turbine.
[0035]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the gas turbine power generation system according to any one of the first to tenth aspects, the gas to be treated supplied to the anode of the methane enrichment unit is formed of water or an aqueous solution of sodium hydroxide. And a scrubber to be brought into contact.
[0036]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the gas turbine power generation system according to any one of the first to eleventh aspects, the aqueous carbonate solution discharged from the methane enrichment means is provided as a pH adjuster to a nitrification step in a water treatment system. It is characterized by the following.
[0037]
According to a thirteenth aspect, in the gas turbine power generation system according to any one of the first to twelfth aspects, the gas to be treated is a sludge digestion gas.
[0038]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the gas turbine power generation system according to the thirteenth aspect, the polymer electrolyte membrane is formed of a vinyl chloride resin or a fluororesin as a base material.
[0039]
The invention according to claim 15 is the gas turbine power generation system according to claim 14,
The electrolyte membrane contains a sulfonic acid resin having a copolymer of styrene and divinylbenzene as a base, a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a polytrifluorostyrene sulfonic acid resin, a polystyrene sulfonic acid resin, or a phenol sulfonic acid resin. It is characterized by being formed.
[0040]
In the methane concentration treatment according to the present invention, the anode of the DC power supply is connected to the anode to which the sodium ion source is introduced, and the cathode of the same power supply is connected to the cathode to which the gas to be treated is introduced. Is performed by applying a DC voltage to the. At this time, electrons released on the anode side move to the cathode via the DC power supply, and sodium ions released on the anode move through the solid electrolyte. Here, when the carbon dioxide component remaining on the cathode side comes into contact with the cathode surface, the carbon dioxide component is separated and removed on the surface in the form of a carbonate (sodium carbonate or sodium hydrogen carbonate). Therefore, the methane gas in the gas to be treated can be concentrated, and the power generation efficiency of the gas turbine is improved. Since the removal amount of carbon dioxide depends on the current density, if the current density is set according to the load of the gas to be treated, methane concentration can be performed at lower cost. As one means for adjusting the current density, there is adjustment of the applied voltage.
[0041]
Further, when oxygen or water vapor is contained in the gas to be treated as in the invention according to claim 5, the decarbonation gas reaction on the cathode side is further promoted, and continuous removal of carbon dioxide gas becomes possible. Further, the obtained carbonate can be reused as a sodium ion source, and the running cost can be reduced.
[0042]
Further, as in the invention according to claim 6, a mixer for introducing city gas or the like is provided in a path connecting the methane enrichment means and the gas turbine, so that digestion gas can be mixed with city gas or LPG and dual-failure. Therefore, the consumption of the toll fuel can be reduced.
[0043]
Furthermore, according to the invention of claim 7, since the high calorie fuel is supplied in accordance with the operation state of the gas turbine without being affected by the fluctuation of the supply amount of the gas to be treated, the power generation efficiency in the gas turbine is reduced. Will be maintained.
[0044]
Further, as in the invention according to claim 11, if the gas to be treated is brought into contact with water or an aqueous solution of sodium hydroxide in a scrubber before being supplied to the asode, the approximate carbon dioxide component in the gas is reduced. Since the particles are captured by the fine liquid particles, the load on the cathode is reduced, and power saving and reduction in the size of the apparatus system can be achieved during carbon dioxide removal and hydrogen gas generation. Since the gas to be treated supplied from the scrubber contains more moisture, it is possible to generate more hydrogen gas and, at the same time, easily convert the occluded carbonate into an aqueous solution. This also enables continuous removal of carbon dioxide and generation of hydrogen gas.
[0045]
Further, since the carbonate can be used as a pH adjuster, if it is applied to a water treatment system as in the twelfth aspect, the nitrification and denitrification action in the system can be stabilized.
[0046]
Further, when the sludge digestion gas is used as the gas to be treated, the methane gas in the gas can be concentrated to a high concentration, so that the sludge digestion gas discharged from the water treatment system or the like can be used as a fuel cell. , For gas turbines and the like, and for effective use such as sale as fuel.
[0047]
As the gas turbine, a gas turbine used for a generator, for example, a single-shaft regeneration cycle gas turbine of 300 kW or less can be used.
[0048]
Examples of the aqueous solution of the compound containing sodium include an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) and an aqueous solution of sodium carbonate (Na₂CO₃) Aqueous solution, sodium bicarbonate (NaHCO₃) Aqueous solution, trisodium phosphate (Na₃PO₄) Aqueous solution, disodium hydrogen phosphate (Na₃HPO₄) Or sodium dihydrogen phosphate (NaH₃PO₄).
[0049]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The inventors have devised the following gas processing system when creating the gas turbine power generation system according to the present invention. FIG. 6 is a schematic diagram of the gas processing system.
[0050]
The gas treatment apparatus 20 includes an electrolyte membrane 200 provided with an anode 201 to which an aqueous solution of a sodium compound is supplied and a cathode 202 to which a gas to be treated is supplied, and a power supply 203 for applying a DC voltage between the two electrodes. ing.
[0051]
The electrolyte membrane 200 is made of a sodium ion conductor. As the sodium ion conductor, for example, a polymer electrolyte membrane having a sodium ion exchange function is employed. Examples of the electrolyte membrane include those based on a fluororesin or a vinyl chloride resin. Furthermore, a sulfonic acid resin having a copolymer of styrene and divinylbenzene as a base, a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a polytrifluorostyrene sulfonic acid resin, a polystyrene sulfonic acid resin, or a phenol sulfonic acid resin was formed. There is something.
[0052]
The aqueous sodium compound solution includes a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution, sodium carbonate (Na).₂CO₃) Aqueous solution or sodium bicarbonate (NaHCO)₃) An aqueous solution or the like is employed.
[0053]
Examples of the anode 201 and the cathode 202 include Pt, Au, Cr, Cu and Ni, and oxides thereof, and a porous electrode is used. The electrodes are formed on the electrolyte membrane 200 by screen printing, brushing, vapor deposition, thermal spraying, dip coating, or the like.
[0054]
The power supply 203 has a function of applying a DC voltage, and may be a known power supply. As a power supply for applying a voltage, a general constant-potential power supply (such as a potentiostat) can be used, but a power supply having a variable current density is preferably used. As one means for adjusting the current density, there is adjustment of the applied voltage.
[0055]
Here, FIG. 7 and FIG. 8 show an embodiment of the gas processing device 20.
[0056]
The gas processing apparatus shown in FIG. 7A is a cell 70 configured by sandwiching an electrolyte membrane 200 having an anode 201 and a cathode 202 between an anode-side frame 71 and a cathode-side frame 72. . At this time, a sodium compound aqueous solution (Na⁺(A source) is provided, and a supply pipe 204 for supplying the aqueous solution and a discharge pipe 205 for discharging the aqueous solution are connected. Similarly, the cathode-side frame 72 is provided with a flow path for temporarily storing the gas to be processed, a supply pipe 206 for supplying the gas to be processed, and a discharge pipe 207 for discharging the gas to be processed. , Are connected. In addition, a bypass plate 723 is provided in the flow path of the anode-side frame 71 and the cathode-side frame 72. In the cathode side frame body disclosed in FIG. 7A, one detour plate 723 is installed, but the present invention is not limited to this, and is similar to the frame bodies 71 and 72 shown in FIG. 7B. May be provided in plurality. With this configuration, the gas to be treated and the aqueous solution of the sodium compound can be uniformly supplied to the anode surface and the cathode surface of the electrolyte membrane 200, so that the carbon dioxide removal efficiency increases.
[0057]
Further, as shown in FIG. 7C, a plurality of gas treatment apparatuses having a cell structure are provided according to the load of the gas to be treated. The gas processing apparatus according to this embodiment has a configuration in which three cells 70 are installed. At this time, the manifolds 73, 74, 75, and 76 are provided on the side surfaces of the device. A supply pipe 206 for supplying the gas to be processed is connected to the manifold 73. A discharge pipe 207 for discharging the processing gas is connected to the manifold 74. A supply pipe 204 for supplying a sodium compound aqueous solution is connected to the manifold 75. A discharge pipe 205 for discharging the aqueous sodium compound solution is connected to the manifold 76.
[0058]
FIG. 8A is a configuration example in a case where two electrolyte membranes 200 are stacked. The number of layers is determined by the load of the gas to be processed and the like. As shown, two electrolyte membranes 200 are stacked with a separator 82 interposed therebetween, and plates 81 and 83 are provided from above and below, respectively. At this time, the plate 81 contains a sodium compound aqueous solution (Na in the figure).⁺Source). A flow path for the gas to be treated is provided on the upper surface of the separator 82, and a flow path for the aqueous solution of the sodium compound is provided on the lower surface. The separator 43 is provided with a passage for the gas to be treated. Then, as shown in FIG. 8C, a manifold 84 provided with a supply pipe 206 is provided on the inflow side of the gas to be processed, and a manifold 85 provided with a discharge pipe 207 is provided on the discharge side of the processing gas. You. A manifold 86 provided with an inflow pipe 204 is provided on the inflow side of the aqueous sodium compound solution, and a manifold 87 provided with a discharge pipe 205 is provided on the discharge side. As shown in FIG. 8B, a plurality of partition plates 821 may be provided in the channels provided in the plates 81 and 83 and the separator 82. With this configuration, the gas to be treated and the aqueous solution of the sodium compound can be uniformly supplied to the anode surface and the cathode surface of the electrolyte membrane 200, so that the carbon dioxide removal efficiency increases.
[0059]
In FIG. 6, an aqueous solution of a sodium compound (Na⁺The source is supplied from the supply tank 204 via the path 242 by the circulation pump from the regulating tank 24. The surplus sodium compound aqueous solution is returned from the discharge pipe 205 via the path 241.
[0060]
The adjustment tank 24 includes a tank 24 for temporarily storing an aqueous solution of a sodium compound to be supplied to the anode 201. At this time, the sodium ion concentration of the liquid phase in the tank 240 is adjusted to be constant. To this end, the adjustment tank 24 includes an ion concentration measuring unit 244 for measuring the sodium ion concentration, and a path 243 for supplying a high-concentration sodium ion source and water. Valve means for opening and closing based on the ion concentration of the inner liquid phase is provided. The ion concentration measuring means has, for example, a pH measuring function, and calculates the concentration of sodium ions based on the pH value.
[0061]
The gas to be processed is supplied into the gas processing apparatus 20 from the supply pipe 206 via the path 210 by a transfer means such as a blower or a fan (not shown). The gas from which carbon dioxide has been removed passes through the gas-liquid separation tank 23 from the discharge pipe 207 via the path 231, and is then transferred out of the system via the path 232. The gas-liquid separation tank 23 cleans gas introduced by retaining the aqueous solution of carbonate.
[0062]
In the present embodiment, the path 210 is provided with a water supply unit 21 that supplies water (or steam) to the gas to be treated. The water supply means 21 may be a known one as long as it can supply moisture to the gas to be treated. For example, a spray type is used. Since the carbonate generated at the cathode 201 can be easily converted to an aqueous solution by the water supply means 21, the carbonate can be easily removed from the system, and continuous carbon dioxide can be removed. The aqueous carbonate solution is collected in the gas-liquid separation tank 23 and can be reused as a sodium ion source.
[0063]
Further, in the present embodiment, a regeneration tank 25 for obtaining an aqueous solution of sodium hydroxide from the stored carbonate is provided.
[0064]
FIG. 5 schematically shows an embodiment of the regeneration tank 25. FIG. 9A shows an example of a configuration in which a carbonate aqueous solution is provided, and FIG. 9B shows an example of a configuration in which a hydrogen carbonate aqueous solution is provided.
[0065]
The regenerating tank 25 has a two-tank structure in which a tank 250 to which a carbonate aqueous solution is supplied is partitioned by an ion conductor 254. An anode 251 that can conduct with the anode of the DC power supply 253 is installed in a tank to which the aqueous carbonate solution is supplied, and a cathode that is supplied with pure water and can conduct with the cathode of the power supply 253 in the other tank. 252 are installed. The ion conductor 254 may be a known one as long as it can pass sodium ions and hydrogen ions. In addition, the ionic conductor 254 is a sodium ion (Na⁺) And hydrogen ions (H⁺) Are simultaneously transmitted or a combination of two ion conductors, each of which transmits ions. Examples of the ion conductor include a sodium ion conductive ceramic such as NASICON and β-alumina, and a sodium ion permeable electrolyte membrane represented by Nafion. Other electrolyte membranes include those formed by incorporating the above-mentioned fluorine resin, vinyl chloride resin, sulfonic acid resin, or the like.
[0066]
Next, an operation example of the gas processing system will be described with reference to FIGS. 6 and 9. Here, the sodium ion source is a sodium hydroxide aqueous solution (hereinafter, NaOH aqueous solution), and the gas to be treated is CH₄And CO₂The case where the gas contains the following will be described.
[0067]
The carbon dioxide gas removal in the gas processing system is performed by applying a DC voltage between the anode 201 and the cathode 202.
[0068]
That is, in FIG. 6, an NaOH aqueous solution is supplied from the supply pipe 204 to the anode 201 side, and the anode 201 is immersed in the sodium ion source. Further, a gas to be processed is supplied from the supply pipe 206 to the cathode 202 side. Here, water or steam is injected into the gas to be treated from the water supply means 21. Then, a DC voltage is applied from a power source 203 between the anode 201 and the cathode 202. At this time, first, the following reaction occurs on the surface of the anode 201 that has come into contact with NaOH.
[0069]
NaOH → Na⁺+ OH⁻  … (1)
2OH⁻  → 1 / 2O₂  + H₂O + 2e⁻  … (2)
And sodium ions (Na⁺) Passes through the anode 201, migrates through the electrolyte membrane 200, and reaches the cathode 202. On the other hand, electrons (e⁻) Reaches the cathode 202 via the power supply 203.
[0070]
Here, carbon dioxide in the gas phase (CO₂) And moisture (H₂When O) contacts the surface of cathode 202, the following reaction occurs.
[0071]
Na⁺+ E⁻+ CO₂+ H₂O → NaHCO₃  + 1 / 2H₂  … (3)
2Na⁺+ CO₂+ H₂O + 2e⁻  → Na₂CO₃  + H₂  … (4)
In this manner, the carbon dioxide contained in the gas to be treated is separated and removed by being fixed on the surface of the cathode 202 in the form of a carbonate. Then, hydrogen gas is generated with this reaction. At this time, the generated carbonate exists in a state of being dissolved in water, and is washed off from the electrode surface at the same time as the generation. Then, the generated aqueous carbonate solution is separated from the gas in the gas-liquid separation tank 23. In this way, carbon dioxide can be continuously removed.
[0072]
Here, as shown in the figure, it is more preferable that the path 210 includes the scrubber 15 for bringing the droplet into contact with the gas to be treated. The spray lever 22 employs, for example, a spray method. Examples of the washing water that becomes droplets include water and an aqueous sodium hydroxide solution.
[0073]
When the gas to be treated is supplied to the scrubber 22, the carbon dioxide component in the gas comes into contact with the droplets and is captured by the droplets. Thereby, a rough carbon dioxide component in the gas to be treated is removed. Further, along with this, other components contained in the gas, such as hydrogen sulfide and sulfur oxides or fine dust components, are removed. The contact efficiency between the carbon component and the cathode 202 increases. The gas that has passed through the scrubber 22 is immediately supplied to the gas processing device 20 to remove the remaining carbon dioxide component. Since the gas treated by the scrubber 22 contains more water components, the carbonate generated at the cathode 202 can be easily converted to an aqueous solution, and the reactions (3) and (4) can be promoted. By providing the scrubber 22 in this way, not only can the carbon dioxide load on the gas treatment device 20 be reduced, but also not only can the carbon dioxide can be removed more efficiently, but also hydrogen can be generated.
[0074]
On the other hand, when the carbonate aqueous solution is supplied to the regeneration tank 25, it is converted into a sodium hydroxide aqueous solution as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b).
[0075]
When sodium carbonate is provided, as shown in FIG. 9A, sodium ions (Na⁺) And carbonate ion (CO₃ ^2-), Water has some hydrogen ions (H⁺) And hydroxide ions (OH⁻). In this state, when a potential is applied with the sodium carbonate aqueous solution side as an anode (+) and the pure water side as a cathode (-), sodium ions and hydrogen ions permeate the ionic conductor membrane. At this time, on the anode (+) side, carbonate ions and hydroxide ions emit electrons under the influence of equilibrium partial pressure and potential, and carbonate ions become carbon dioxide and oxygen, and hydroxide ions become oxygen. Released into the atmosphere. Conversely, sodium ions transmitted to the cathode (-) side receive electrons from the electrode and become metallic sodium, but water (H₂O) and NaOH and H₂Is generated. The permeated hydrogen ions also receive electrons from the electrodes and become hydrogen gas. After passing for a sufficient time, the cathode (-) side is a high-concentration aqueous sodium hydroxide solution, and the aqueous sodium carbonate solution can be separated and recovered as an aqueous sodium hydroxide solution. In addition, since this method also has electrolysis of water, it can be used as a hydrogen supply source. The sodium hydroxide solution thus obtained is supplied to the adjusting tank 24 by a transfer means such as a pump (not shown), and the concentration of sodium ions is adjusted to a predetermined concentration (for example, 5 to 10 mol / l). Later, the gas is appropriately supplied to the anode 201 of the gas processing device 20. Reactions relating to NaOH regeneration are summarized below.
[0076]

2Na⁺And 2H⁺Move to the cathode side via the ionic conductor 64.
[0077]

Also, at the cathode 202 of the gas treatment device 20, sufficient water (H₂When O) is present, when the temperature is low, an aqueous solution of sodium bicarbonate may not be formed at all but an aqueous solution of sodium hydrogen carbonate.
[0078]
FIG. 9B shows an embodiment in the case of regenerating an aqueous sodium hydroxide solution from this sodium hydrogen carbonate. The principle of regeneration of the aqueous sodium hydroxide solution is the same as in FIG. That is, the aqueous sodium hydrogen carbonate solution on the anode 251 side is ionized into sodium ions and carbonate ions, and emits electrons to the electrode to release carbon dioxide and oxygen. The separated sodium ions and hydrogen ions move to the cathode 252 side through the ionic conductor 254, react with water to generate hydrogen, and become sodium hydroxide. The obtained hydrogen gas can be used as fuel gas. The aqueous sodium hydroxide solution thus obtained is supplied to the adjusting tank 24, and after the concentration of sodium ions is adjusted to a predetermined concentration (for example, 5 to 10 mol / l), the aqueous solution is appropriately supplied to the anode 201 of the gas processing device 20. Supplied. Reactions relating to NaOH regeneration are summarized below.
[0079]

2Na⁺And 2H⁺Move to the cathode side via the ionic conductor 64.
[0080]

FIG. 10A has a step of releasing and releasing the carbon dioxide component absorbed in the cathode 202 by a strong acid in the step of removing carbon dioxide, and a step of regenerating sodium hydroxide from the salt generated in this step. An outline of the gas processing system is shown.
[0081]
As shown in FIG. 10A, in the gas processing system, a path for introducing a gas to be processed is a path for supplying a strong acid aqueous solution via a three-way valve V1 (hereinafter referred to as V1). Is connected. In addition, a path connecting the gas processing device 20 and the gas-liquid separation tank 23 is provided for transferring the aqueous sodium chloride solution generated on the cathode 202 side to the regeneration tank 26 via a three-way valve V2 (hereinafter referred to as V2). Are connected. Incidentally, hydrochloric acid, for example, is used as the strong acid.
[0082]
As shown in FIG. 10B, the regenerating tank 26 has a two-tank structure in which a tank 260 to which an aqueous solution of sodium chloride is supplied is partitioned by an ionic conductor 264. An anode 261 capable of conducting with the anode of the DC power supply 263 is provided in a tank to which the aqueous sodium chloride solution is supplied, and a cathode 262 capable of supplying water and conducting with the cathode of the power supply 263 is provided in the other tank. Is installed. Any known materials can be used as long as they can pass sodium ions. For example, there is an electrolyte membrane formed by incorporating the above-mentioned fluorine resin, vinyl chloride resin, sulfonic acid resin, or the like.
[0083]
An operation example of the gas processing system will be described with reference to FIGS.
[0084]
In the carbon dioxide removing step, as shown in FIG. 11A, V1 is controlled so as to supply the gas to be processed to the gas processing apparatus 1. V2 is controlled so as to supply the processing gas to the gas-liquid separation tank 23. The operation of the cathode 12 in this step will be described in the first embodiment.
[0085]
In the carbon dioxide releasing step, as shown in FIG. 11B, V1 is controlled so as to supply a strong acid aqueous solution to the gas treatment device 1. V2 is controlled so as to supply the processing gas to the gas-liquid separation tank 23. The process focuses on the fact that sodium carbonate obtained by capturing the carbon dioxide component contained in the gas to be treated in the carbon dioxide removal process is a compound of a weak acid and a strong base, and the removal of the weak acid carbon dioxide is performed. I have. That is, the following reaction is caused by spraying a strong acid, here a hydrochloric acid aqueous solution, on the carbonate to transfer the carbon dioxide to the outside of the system for taking out carbon dioxide.
[0086]
Na₂CO₃  + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂
When sodium bicarbonate is obtained, the following reaction is caused by spraying a strong acid (for example, aqueous hydrochloric acid) to remove carbon dioxide and transfer it to the outside of the system.
[0087]
NaHCO₃  + HCl → NaCl + H₂O + CO₂
The carbonate is immediately decomposed by this reaction, and carbon dioxide is liberated. At this time, the aqueous sodium chloride solution which is a by-produced sodium salt is subjected to a sodium ion source regeneration step.
[0088]
Next, in the regeneration step of sodium hydroxide, as shown in FIG. 10B, the anode of the DC power supply 263 conducts to the anode 261, and the cathode of the power supply 263 conducts to the cathode 262. Applied. At this time, electrolysis proceeds, and the water component is decomposed into hydroxide ions and hydrogen gas in the liquid phase on the cathode 62 side. Here, the by-produced hydrogen gas can be used not only as a fuel gas but also as a raw material for hydrochloric acid together with the chlorine gas generated together, so that the hydrochloric acid used for the carbon dioxide releasing step is transported out of the system and used in the carbon dioxide releasing step. Can be subjected to generation. On the other hand, sodium ions move to the water tank on the cathode 252 side via the ion conductor 264, and the liquid phase in the water tank becomes an aqueous solution of sodium hydroxide. The aqueous sodium hydroxide solution thus obtained is adjusted to a suitable concentration (for example, adjusted to 5 to 10 mol / l) and then supplied to the anode 201 of the gas treatment device 2 as appropriate. The reactions in this step are summarized below.
[0089]

[0090]

An embodiment of the gas processing system is described below.
[0091]
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the current density and the concentrations of carbon dioxide and hydrogen.
[0092]
As the gas processing system according to the experiment, a system using the gas processing apparatus shown in FIG. 7 in the system shown in FIG. 6 was adopted. Here, two electrolytes each having a cell size of 200 mm × 200 mm are laminated (effective electrode area: 600 cm).²), A gas to be treated (gas component: carbon dioxide: 40%, nitrogen: 60%) was supplied at a flow rate of 1 l / min. At this time, the gas to be processed was supplied to the cathode of the gas processing apparatus without passing through a scrubber. The applied DC voltage was set to 2.5V. Further, a fluorine resin-based electrolyte was used, an aqueous sodium hydroxide solution was used for the aqueous solution of the sodium compound, and a nickel electrode was used for the electrode.
[0093]
As is clear from the results shown in the figure, it can be confirmed that the carbon dioxide concentration decreases as the current density increases. In this embodiment, the current density is 100 mA / cm.²At times, it was also confirmed that carbon dioxide was completely removed.
[0094]
Here, the power required for carbon dioxide removal, the amount of carbon dioxide generated by the power used (1 minute), the fixed amount of carbon dioxide (1 minute), and the amount of hydrogen generated (1 minute) calculated based on the results of the example are as follows. It was shown to.
[0095]
Electric power required for carbon dioxide removal: 2.5 [V] × 60 [A] = 150 [W]
Amount of carbon dioxide generated by electric power used (1 minute): 150 × 1/1000 × 1/60 × 0.12 / 44 = 0.007 [mol] Note that 0.12 represents the case where oil-fired power was used as a power source. Shows carbon dioxide emissions.
[0096]
Fixed amount of carbon dioxide (1 minute): 0.4 [l / min] x 1 [min] /22.4 [l] = 0.018 [mol]
Hydrogen generation amount (1 minute): 0.018 [mol]
As is apparent from the calculation results, it can be confirmed that carbon dioxide can be efficiently removed with a small amount of electric power, and hydrogen in an amount equivalent to the fixed carbon dioxide is generated.
[0097]
Further, Table 1 shows that the gas discharged from each processing step when the gas to be processed is supplied to the gas processing device after being supplied to the scrubber, that is, the gas that has passed through the scrubber (hereinafter, the first processing gas) and the gas processing device The composition of the gas (hereinafter, referred to as the second processing gas) discharged from the apparatus together with the gas composition of the gas to be processed is disclosed. Here, the gas was processed under the same conditions as in the example shown in FIG. 12 except that the composition of the gas to be processed was methane: carbon dioxide = 60: 40.
[0098]
[Table 1]

[0099]
As shown in the table, it was confirmed that the methane gas concentration of the first processing gas was 85% and the carbon dioxide concentration was 15%. Furthermore, in the second processing gas, no carbon dioxide was detected, and it was confirmed that the concentration of the combustible gas was 100%. This suggests that by combining the scrubber with the gas treatment device of the present invention, the carbon dioxide load on the gas treatment device can be reduced, thereby achieving power saving in carbon dioxide removal and downsizing of the device system. is there. As is apparent from the methane gas concentration, the second processing gas can be used for fuel such as a fuel cell, a gas turbine, and the like, and can be provided for effective use such as being sold as a fuel.
[0100]
FIG. 13 is a characteristic diagram showing an IV characteristic according to the embodiment of the present invention.
[0101]
The gas processing apparatus according to the first embodiment employs an electrolyte membrane made of a vinyl chloride resin as an electrolyte, and the gas processing apparatus according to the comparative example employs a ceramic electrolyte. In Example 1 and Comparative Example, a 5 mol / l aqueous solution of sodium hydroxide was used as the aqueous solution of the sodium compound, and the operating temperature was room temperature of 20 ° C. As is clear from the results shown in the figure, in Example 1 in which the electrolyte membrane of the vinyl chloride resin was used as the electrolyte, the rise of the current was improved after the reaction started, and the efficiency was significantly reduced as compared with the ceramic electrolyte. It can be confirmed that electric power is possible.
[0102]
FIG. 14 shows carbon dioxide removal characteristics according to the first embodiment. The characteristic test was performed at 100 mA / cm²The rated current method was used. Electrode area is 300cm²Set to. As is apparent from the figure, it can be confirmed that carbon dioxide having an initial concentration of about 20% starts to be removed at the same time as the current starts flowing, and can be reduced to about 0.6% in about 20 minutes. At this time, it was confirmed that when the current was stopped, the carbon dioxide concentration started to increase. And in this test, it was confirmed that the removal rate of carbon dioxide was 97%. It was also confirmed that the removal rate of carbon dioxide was kept almost constant while the current was flowing. Further, it has been confirmed that if the supply of the sodium ion supply source is continued, carbon dioxide is continuously stored.
[0103]
FIG. 15 is a characteristic diagram showing an IV characteristic according to the example of the present invention.
[0104]
The gas treatment apparatus according to Example 2 employed a fluororesin-based electrolyte membrane as an electrolyte, and the gas treatment apparatus according to Comparative Example employed a ceramics-based electrolyte. In Example 2 and Comparative Example, a 5 mol / l sodium hydroxide aqueous solution was employed as the sodium compound aqueous solution, and the operating temperature was 86 ° C. As is evident from the results shown, in Example 2 in which the fluororesin-based electrolyte membrane was employed as the electrolyte, the rise of current was improved after the reaction started, and the power consumption was significantly reduced compared to the ceramic-based electrolyte. It can be confirmed that is possible.
[0105]
As described above, according to the gas treatment system according to the present embodiment, the sodium ion source can be collected and reused, and the carbon dioxide can be removed at low cost.
[0106]
When the gas to be treated is a gas containing methane, for example, a gas such as a sludge digestion gas, by supplying this gas to the gas treatment system of the present embodiment, a concentrated methane gas can be obtained efficiently. This concentrated methane gas can be used effectively, for example, sold as fuel for a fuel cell or a gas turbine or other fuel.
[0107]
Hereinafter, embodiments of the gas turbine power generation system of the present invention will be described.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of the present invention.
[0108]
The gas turbine power generation system of the present embodiment is, for example, installed in a sludge treatment facility provided with a sludge digestion tank 1 for anaerobically treating organic sludge, and introduces sludge digestion gas discharged from the sludge digestion tank 1. The system includes a methane concentrating means 2 for removing carbon dioxide from the gas to obtain a methane-rich gas, and a gas turbine 3 into which the methane concentrated gas discharged from the methane concentrating means is introduced as a fuel. In this system, the sludge digestion gas, which is a low calorific value gas, is converted into a high calorific value gas by the methane concentrating means 2 and used.
[0109]
As the methane concentrating means 2, the gas processing system shown in FIG. 6 is employed. The detailed description of the configuration and operation example of the methane enrichment means will be given to the description based on FIGS. 6 to 11 described above.
[0110]
As the gas turbine 3, for example, a single-shaft regeneration cycle type gas turbine of 300 kW or less is used, and the sludge digestion gas can be used as a fuel for an emergency power supply by the system.
[0111]
Table 2 discloses the calorific value of the gas turbine power generation system according to the present invention together with comparative examples. Here, the calorific value (MJ / m) when operating a single-shaft regeneration cycle gas turbine in which the required fuel flow rate is 440 MJ / hour in rated operation.³) Are disclosed. The gas composition of the sludge digestion gas as a sample gas was such that methane was 60% and carbon dioxide was 40% by volume.
[0112]
[Table 2]

[0113]
The comparative example discloses the calorific value of the gas turbine when the sample gas is directly supplied to the fuel supply system of the gas turbine without passing through the methane concentrating means. According to the results in the table, the calorific value of the gas turbine is 24.1 MJ / m³And the gas flow rate required for the operation of the gas turbine is 440 (MJ / hour) / calorific value (MJ / m³) Is 18.3 m³/ Hour, and the required flow rate of the sample gas is 18.3 m³/ Hour.
[0114]
Example 1 discloses the calorific value of a gas turbine when a sample gas is supplied to a fuel supply system of the gas turbine via a methane concentrating unit. At this time, the gas composition discharged from the methane concentrating means was such that methane was 60% and hydrogen was 40% by volume ratio. According to the results in the table, the calorific value of the gas turbine is 29.2 MJ / m³The gas flow required for the operation of the gas turbine is 15.1 m by the same calculation as above.³/ Hour, and the required flow rate of the sample gas is 15.1 m³/ Hour.
[0115]
Embodiment 2 also discloses the calorific value of the gas turbine when the sample gas is supplied to the fuel supply system of the gas turbine via the methane concentrating means. At this time, the gas composition discharged from the methane enrichment means was 100% methane by volume. According to the results in the table, the calorific value of the gas turbine is 40.1 MJ / m³The gas flow required for the operation of the gas turbine is calculated as 11.1 m³/ Hour, and the required flow rate of the sample gas at this time is 18.3 m³/ Hour.
[0116]
From the above, it can be confirmed that the gas turbine power generation system according to the present invention has a higher calorific value and is more excellent in power generation efficiency than the gas turbine power generation system according to the comparative example.
[0117]
In particular, when water such as water vapor is supplied to the methane concentrating means 2, the gas obtained from the means becomes a mixed gas of methane and hydrogen. By reforming this gas, high-concentration hydrogen gas can be obtained. It is also effective for fuel cell power generation.
[0118]
Further, when oxygen is supplied to the methane enrichment means 2, the gas obtained from the means can provide almost 100% methane gas, and thus can be used as a fuel gas for sale.
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a schematic view showing a second embodiment of the present invention.
[0119]
The gas turbine power generation system according to the present embodiment includes a mixer 4 for introducing city gas or the like into a path connecting the methane enrichment means 2 and the gas turbine 3 in the gas turbine power generation system according to the first embodiment. Have been. At this time, it is preferable to adopt a mixer that can switch the introduction of either the methane concentrated gas or the city gas.
[0120]
As is clear from the results in Table 1 above, the methane concentrating means 2 condenses methane in the gas to be treated (for example, sludge digestion gas), thereby increasing the calorific value per unit volume, thereby increasing city gas, Alternatively, it is possible to reduce the difference in the amount of heat generated from LPG or the like. Therefore, with the configuration of the gas turbine power generation system according to the present embodiment, in addition to the operation and effect of the first embodiment, the fuel can be switched between the digestion gas and the city gas or LPG, and a so-called dual fuel can be obtained. Thus, it is possible to reduce the consumption of the pay fuel.
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a schematic view showing a third embodiment of the present invention.
[0121]
The gas turbine power generation system according to the present embodiment is the same as the gas turbine power generation system according to Embodiment 1, except that the digestion gas holder 5 is provided in a path connecting the sludge digestion tank 1 and the methane enrichment means 2, and the methane enrichment means 2 is connected to the gas. A methane-enriched gas holder 6 is provided on a path communicating with the turbine 3. Although not shown in the drawings, the gas holders 5 and 6 are provided with a flow-adjustable fan and a blower for supplying the gas in the holders to the methane concentrating means 2 and the gas turbine 3, respectively. In the present embodiment, a gas (for example, about 100% methane) obtained by removing carbon dioxide gas by the methane gas concentrating means 2 temporarily stores the concentrated methane in the gas holder 6, and the gas is stored in the gas holder 6. It supplies calorie-rich methane gas.
[0122]
According to the system of the present embodiment, since the concentrated methane is stored in the methane-enriched gas holder 6, in addition to the operation and effect of the first embodiment, a stable supply of high-calorie fuel according to the operation state of the gas turbine is possible. It is. In addition, since the amount of digested gas generated varies depending on the time of day (night, daytime, etc.), storing the concentrated methane gas in the methane concentrated gas holder 6 allows it to act as a buffer facility, thereby affecting the amount of digested gas generated. It is possible to stably supply high-calorie fuel to the gas turbine without receiving the heat.
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a schematic diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
[0123]
The gas turbine power generation system according to the present embodiment includes a digestion gas holder 5 in a path connecting the sludge digestion tank 1 and the methane enrichment means 2 in the gas turbine power generation system according to the first embodiment. Here, the digestion gas holder 5 includes a path 501 for introducing the methane-enriched gas obtained by the methane enrichment means 2 and a path 502 for supplying the gas in the holder 5 as a fuel gas to the gas turbine 3. Have. Although not shown, a path 501 supplies the methane-enriched gas obtained by the methane enrichment means 3 to the digestion gas holder 5, and a path 502 supplies the gas in the holder to the gas turbine 3. For this purpose, a flow-adjustable fan, blower, or the like is provided as appropriate.
[0124]
In the present embodiment, the gas (about 100% methane) obtained by removing the carbon dioxide gas by the methane concentrating means 2 is returned to the digestion gas holder 5, and the concentration of the methane gas in the holder 5 is gradually increased. The concentrated gas, which is not 100% concentration but is a high concentration (for example, about 80%) high calorie fuel, is supplied to the gas turbine 3 depending on the operation state of the gas turbine 3 and the like.
[0125]
As described above, according to the present embodiment, similar to the third embodiment, the methane gas is stored while the concentration in the digestion gas holder 5 is increased, so that the gas turbine 3 A stable supply of high-calorie fuel is possible without being affected by the operating state or the state of generation of digestive gas. It has been confirmed that the gas turbine 3 can be operated with digested gas of methane 60% (carbon dioxide 40%). In this embodiment, the methane concentration is higher than in the case of directly using digested gas. (High calorie), it is possible to improve the power generation efficiency.
(Embodiment 5)
FIG. 5 is a schematic view showing a fifth embodiment of the present invention.
[0126]
The digestive gas of sludge generated in sewage treatment plants and the biogas generated in livestock manure can be used as a useful energy source, but conventional technology finds use only as a heat source especially in small and medium capacity treatment plants. I couldn't do that. One reason is that the methane gas concentration is low. Then, by removing the carbon dioxide component in the sludge digestion gas by the methane concentrating means 2, the methane gas concentration in the gas can be increased, and the sludge digestion gas can be converted into a high calorific value gas.
[0127]
In particular, in the sewage treatment system shown in FIG. 5, if the methane concentration means 2 is provided, the sludge digestion gas can be effectively used, and the nitrification and denitrification function in the water treatment system can be stabilized. .
[0128]
In the illustrated water treatment system, a facility for obtaining sludge digestion gas is mainly a sewage treatment facility, and has a nitrification step and a denitrification step. The liquid phase in the nitrification step and the denitrification step is subjected to solid-liquid separation in the final sedimentation basin. The supernatant water obtained in the final sedimentation basin is subjected to further advanced treatment or discharged. Here, a part of the sludge separated in the final sedimentation basin is returned to the nitrification step for reuse as activated sludge, while a part of the sludge is subjected to a sludge digestion step for digestion. In the sludge digestion process, sludge is treated aerobically or anaerobically. Particularly, in the process of anaerobic treatment, gas containing methane gas is generated.
[0129]
Generally, in the sewage treatment, first, in a nitrification step, a nitrogen compound (ammonia nitrogen) in the sewage is converted into nitrate ions or the like (NO₂ ⁻, NO₃ ⁻), And in the denitrification step, nitrogen gas (N₂) Must be reduced to The pH of the sewage in the nitrification step is in the range of 8 to 9, but as the nitrification reaction proceeds, alkalinity is consumed and the pH value decreases. When the pH value decreases, not only does the treatment efficiency decrease, but also the nitrifying bacteria may die. Therefore, in order to adjust the pH value to 8-9, slaked lime (Ca (OH)₂), Soda ash (Na₂Co₃) And an alkali agent (pH adjuster) such as sodium hydroxide (NaOH).
[0130]
The pH value of the aqueous carbonate solution (waste liquid) discharged from the cathode side of the gas treatment device 20 in the methane concentrating means 2 is about 8 to 10 (when carbon dioxide is not completely absorbed, NaOH Since the component becomes higher, the pH value becomes higher), and it can be used as an alkali agent.
[0131]
As described above, in the present embodiment, the provision of the gas treatment device 20 in the sewage treatment system not only enables the production of a high calorific value gas, but also stabilizes the nitrification and denitrification function in the sewage treatment. Can be changed.
[0132]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the gas turbine power generation system of the present invention shown in the claims, since carbon dioxide is separated and removed from gas containing carbon dioxide such as sludge digestion gas, The methane concentration in the gas is increased, thereby improving the energy conversion efficiency in gas turbine power generation, and enabling the production of new electric energy and thermal energy while recovering carbon dioxide and methane. Therefore, the present invention makes it possible to efficiently and inexpensively recover and effectively utilize a gas phase containing carbon dioxide gas such as sludge digestion gas, and greatly contributes to measures to reduce greenhouse gases and measures against global warming.
[0133]
Further, in the present invention, since the sodium ion concentration of the aqueous sodium compound solution on the anode side is kept constant, the performance of removing carbon dioxide is stable.
[0134]
Further, since the occluded carbonate is converted into an aqueous solution of sodium hydroxide with the removal of the carbon dioxide component, and this is used as an aqueous solution of a sodium compound for use in removing carbon dioxide, a significant reduction in running costs can be achieved. .
[0135]
Further, in the methane concentrating means, before the gas to be treated is provided to the asode, the rough carbon dioxide component in the gas is captured by the fine liquid particles by contacting with a droplet of water or an aqueous solution of sodium hydroxide in a scrubber. As a result, the load on the cathode is reduced, and power savings can be made during carbon dioxide removal and hydrogen gas generation, whereby the size of the system can be reduced. Further, since the gas to be treated supplied from the scrubber contains more water, it is possible to generate more hydrogen gas, and at the same time, it is possible to easily convert the occluded carbonate into an aqueous solution. It is also possible to remove carbon dioxide and generate hydrogen gas.
[0136]
Since the aqueous carbonate solution discharged from the methane concentrating means can be used as a pH adjuster, by supplying it to a water treatment system, the nitrification and denitrification action in this system can be stabilized.
[0137]
When the gas to be treated is a gas containing methane, for example, a sludge digestion gas, the present invention can efficiently produce a concentrated methane gas (high calorific gas) from the gas. Can be sold and used as fuel cells, gas turbines, or other fuels, thus enabling effective use of greenhouse gases.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view of an example of an embodiment of a methane enrichment unit.
FIG. 7 is a schematic view of an embodiment of a gas processing apparatus.
FIG. 8 is a schematic view of an embodiment of a gas processing apparatus.
9A is a schematic explanatory view of a regeneration tank to which an aqueous sodium carbonate solution is supplied, and FIG. 9B is a schematic explanatory view of a regeneration tank to which an aqueous sodium hydrogen carbonate solution is supplied.
10A is a schematic diagram showing an embodiment of a gas processing system according to the present invention, and FIG. 10B is a schematic explanatory diagram of a regeneration tank to which an aqueous solution of sodium chloride is supplied.
11A is a schematic explanatory view of a carbon dioxide removing step, and FIG. 11B is a schematic explanatory view of carbon dioxide release.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing a relationship between a current density, a carbon dioxide concentration, and a hydrogen concentration.
FIG. 13 is an IV characteristic diagram in the present invention (Example 1) and a comparative example.
FIG. 14 is a characteristic diagram of carbon dioxide removal according to the present invention.
FIG. 15 is an IV characteristic diagram of the present invention (Example 2) and a comparative example.
[Explanation of symbols]
1. Sludge digester
2: Methane concentrating means, 20: Carbon dioxide gas removing device, 200: Electrolyte membrane, 201: Anode, 202: Cathode, 203: Power supply, 21: Water supply means, 22: Scrubber, 23: Gas-liquid separation tank
3 ... Gas turbine
4: Mixer
5. Digestion gas holder
6 ... Methane concentrated gas holder

Claims (15)

汚泥消化ガス中の二酸化炭素成分を除去してメタンに富むガスを得るメタン濃縮手段と、メタン濃縮手段で得たメタン濃縮ガスが燃料ガスとして供給されるガスタービンと、を備えたガスタービン発電システムであって、
メタン濃縮手段は、ナトリウムイオン交換機能を有するポリマーからなる電解質膜と、
前記電解質膜に設けられ、ナトリウム化合物の水溶液が供されるアノードと、
前記電解質膜に設けられ、汚泥消化ガスが供されるカソードと、を備え、
この両極間に直流電圧を印加してカソード側において汚泥消化ガス中の二酸化炭素を炭酸塩として分離除去すること
を特徴とするガスタービン発電システム。A gas turbine power generation system comprising: a methane enrichment means for removing a carbon dioxide component in sludge digestion gas to obtain a methane-rich gas; and a gas turbine for supplying the methane enriched gas obtained by the methane enrichment means as a fuel gas. And
Methane concentrating means, an electrolyte membrane made of a polymer having a sodium ion exchange function,
An anode provided on the electrolyte membrane and provided with an aqueous solution of a sodium compound;
A cathode provided on the electrolyte membrane and provided with a sludge digestion gas,
A gas turbine power generation system characterized in that a DC voltage is applied between the two electrodes to separate and remove carbon dioxide in sludge digestion gas as carbonate on the cathode side. ナトリウムイオンを透過する電解質膜を設置してアノード室とカソード室を形成すると共に、アノード室に前記炭酸塩の水溶液を供給する経路と、カソード室に水を供給する経路と、を備え、前記両室の液相間に直流電圧を印加してカソード室において水酸化ナトリウムを生成する再生槽と、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液を前記メタン濃縮手段に供給する経路と、を具備したこと
を特徴とする請求項１記載のガスタービン発電システム。An anode membrane and a cathode chamber are formed by installing an electrolyte membrane that transmits sodium ions, and a path for supplying an aqueous solution of the carbonate to the anode chamber and a path for supplying water to the cathode chamber are provided. A regeneration tank that applies a DC voltage between the liquid phases of the chamber to generate sodium hydroxide in the cathode chamber;
The gas turbine power generation system according to claim 1, further comprising a path for supplying an aqueous solution of sodium hydroxide generated in the cathode chamber to the methane concentrating means. 前記カソードで生成した炭酸塩に強酸の水溶液を供する酸供給経路と、
ナトリウムイオンを透過する電解質膜を設置してアノード室とカソード室を形成すると共に、アノード室に炭酸塩と塩酸水溶液との反応によって生じた塩の水溶液を供給する経路と、カソード室に水を供給する経路と、を備え、前記両室の液相間に直流電圧を印加してカソード室において水酸化ナトリウムを生成する再生槽と、
前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液を前記メタン濃縮手段に供給する経路と、を具備したこと
を特徴とする請求項１記載のガスタービン発電システム。An acid supply path for providing an aqueous solution of a strong acid to the carbonate generated at the cathode,
An anode membrane and a cathode chamber are formed by installing an electrolyte membrane that allows sodium ions to pass through, and a path for supplying an aqueous solution of a salt generated by a reaction between a carbonate and a hydrochloric acid aqueous solution to the anode chamber, and supplying water to the cathode chamber. And a regeneration tank that applies a DC voltage between the liquid phases of the two chambers to generate sodium hydroxide in the cathode chamber.
The gas turbine power generation system according to claim 1, further comprising a path for supplying an aqueous solution of sodium hydroxide generated in the cathode chamber to the methane concentrating means. 前記カソード室で生成した水酸化ナトリウムの水溶液が供給され、この水溶液のナトリウムイオン濃度及び前記メタン濃縮手段のアノードへの供給量を一定に制御する調整槽とを備えたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。An aqueous solution of sodium hydroxide generated in the cathode chamber is supplied, and a regulating tank is provided for controlling a sodium ion concentration of the aqueous solution and a supply amount of the methane concentrating means to the anode to be constant. The gas turbine power generation system according to any one of claims 1 to 3. 直流電圧を印加する電源は、電流密度が可変であること
を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。The gas turbine power generation system according to any one of claims 1 to 4, wherein the power supply that applies the DC voltage has a variable current density. 前記メタン濃縮手段は、被処理ガスに、水蒸気を供給するための経路を設けたこと
を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。The gas turbine power generation system according to any one of claims 1 to 5, wherein the methane concentrating unit has a path for supplying steam to the gas to be processed. 水蒸気は、ガスタービンから得た熱によって得たこと
を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。The gas turbine power generation system according to any one of claims 1 to 6, wherein the steam is obtained by heat obtained from the gas turbine. メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、都市ガス等を導入するための混合器を備えたこと
を特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。The gas turbine power generation system according to any one of claims 1 to 7, wherein a mixer for introducing city gas or the like is provided in a path connecting the methane enrichment means and the gas turbine. メタン濃縮手段とガスタービンとを連絡する経路に、メタン濃縮手段で得たメタン濃縮ガスを一時的に貯留するためのガスホルダーを備えたこと
を特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のガスタービンガスタービン発電システム。9. The gas supply device according to claim 1, further comprising a gas holder for temporarily storing the methane-enriched gas obtained by the methane enrichment means in a path connecting the methane enrichment means and the gas turbine. A gas turbine power generation system according to claim 1. 前記炭酸ガスを含んだガスを一時的に貯留し、その後、メタン濃縮手段に供給するためのガスホルダーを備え、
該ガスホルダーは、該メタン濃縮手段で得たガスを導入するための経路と、ホルダー内のガスをガスタービンに供給するための経路と、を具備したこと
を特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発電システム。A gas holder for temporarily storing the gas containing the carbon dioxide gas, and thereafter supplying the gas to the methane enrichment means,
10. The gas holder according to claim 1, wherein the gas holder includes a path for introducing the gas obtained by the methane concentrating means, and a path for supplying the gas in the holder to a gas turbine. The power generation system according to claim 1. メタン濃縮手段のアノードに供される被処理ガスを水若しくは水酸化ナトリウム水溶液の液滴と接触させるスクラバーとを備えたこと
を特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。The gas turbine according to any one of claims 1 to 10, further comprising: a scrubber for bringing a gas to be treated supplied to an anode of the methane concentrating means into contact with a droplet of water or an aqueous solution of sodium hydroxide. Power generation system. メタン濃縮手段から排出された炭酸塩水溶液をｐＨ調整剤として水処理システムにおける硝化工程に供すること
を特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。The gas turbine power generation system according to any one of claims 1 to 11, wherein the carbonate aqueous solution discharged from the methane concentrating means is supplied to a nitrification step in a water treatment system as a pH adjuster. 被処理ガスは汚泥消化ガスであること
を特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のガスタービン発電システム。13. The gas turbine power generation system according to claim 1, wherein the gas to be treated is a sludge digestion gas. 前記ポリマーからなる電解質膜は、塩化ビニル樹脂またはフッ素樹脂を基材とすること
を特徴とする請求項１３記載のガスタービン発電システム。The gas turbine power generation system according to claim 13, wherein the polymer electrolyte membrane is made of a vinyl chloride resin or a fluororesin as a base material. 前記電解質膜は、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物を母体とするスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、フェノールスルホン酸樹脂のいずれかを含んで形成した
を特徴とする請求項１４記載のガスタービン発電システム。The electrolyte membrane contains a sulfonic acid resin having a copolymer of styrene and divinylbenzene as a base, a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a polytrifluorostyrene sulfonic acid resin, a polystyrene sulfonic acid resin, or a phenol sulfonic acid resin. The gas turbine power generation system according to claim 14, wherein the gas turbine power generation system is formed.

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