CN103791691B - 富氧空气制造系统 - Google Patents

Abstract

一种能够变更富氧空气的生产量，且无论生产量如何都能够廉价地制造富氧空气的富氧空气制造系统，该富氧空气制造系统(10)具备：第一热交换器(14)，其使液化天然气与空气进行热交换，其中，该液化天然气向使天然气燃烧的设施(55)供给；压缩机(15)，其将在第一热交换器(14)中进行热交换后的空气压缩到规定的压力；第二热交换器(16)，其使压缩后的空气与液化天然气进行热交换；膨胀阀(18)，其使在第二热交换器(16)中进行热交换后的空气绝热膨胀；以及气液分离装置(19)，其进行绝热膨胀后的空气的气液分离，其中，压缩机(15)的压缩比及膨胀阀(18)的开度分别设定为使绝热膨胀后的空气的温度比氮的沸点高且为氧的沸点以下。

Description

富氧空气制造系统

技术领域

本发明涉及一种从投入的空气制造氧浓度比该空气高的空气即富氧空气的富氧空气制造系统。

背景技术

近些年，从地球环境问题出发，为了削减CO₂的排出，在使用高炉或发电设备等的燃烧热源的设施(设备)中，将燃烧时CO₂的排出量比较少的NG(天然气)作为燃料使用。在使该NG燃烧时，存在如下方法：为了削减燃料消耗率等，代替大气(空气)而吹入氧(纯氧)或氧浓度比大气高的富氧空气来进行燃烧，由此使NG以更高温燃烧，来抑制被大气中氮所带走的热量，由此使热效率提高。作为比较大量且生产率良好地制造这样的用于NG的更高温的燃烧的纯氧的装置，通常公知有专利文献1所记载的深冷分离方式的空气分离装置。

该空气分离装置(深冷分离方式)将空气冷却到极低温度而使其液化，之后在精馏塔中利用氧与氮的沸点的不同来从所述空气将氧分馏。此时，在所述空气分离装置中，存在利用LNG(液化后的NG)的冷能作为使空气液化时的低温源来抑制氧的制造成本的提案或尝试，但这不是通常的作法。详细而言，在使用以NG为燃料的燃烧热源的设施中，通常，将NG以液化而其体积减小后的(约为1/600)状态、即LNG(液化天然气)的状态贮藏在罐等中，贮藏在该罐中的LNG的温度保持为其沸点即-162°以下的极低温状态。因此，原理上在所述空气分离装置中，能够利用该LNG的冷能进行空气的液化来抑制氧的冷却时的电力等的消耗。

根据这样的空气分离装置(深冷分离方式)，能够得到纯度为99.6vol.％以上的高纯度的氧(纯氧)。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开平6-11254号公报

【发明的概要】

【发明要解决的课题】

如上所述，为了NG的更高温的燃烧而供给的空气可以不是纯氧那样纯度高的氧，而是氧浓度比通常的空气(氧浓度为21％)高的富氧空气(氧浓度例如为30％～50％左右)(被称为富氧燃烧。)。空气分离装置本来是为了制造作为工业用原料的高纯度氧及高纯度氮而设计的装置，如上所述，只要是与LNG的贮藏设备并设的装置，就能够利用LNG的冷能来抑制成本，但在以富氧燃烧为目的的情况下，因制造必要以上的纯度的氧而消耗额外的电力等能量，从而产生额外的成本。

在此，还考虑将该纯度高的氧和通常的空气混合来制造富氧空气，但在基于上述那样的深冷分离方式的氧的制造方法中，若不进行超过30t/日那样的大规模生产，则不经济，因此在需要少量的富氧空气的情况下，成本大幅上升而无法廉价地制造富氧空气。

另外，在上述的空气分离装置中，根据深冷分离方式的工作原理及分子热流体的特性可知，存在负载变动量的限制和负载变动速度的限制，因此必须尽量进行固定的运转(即，每单位时间的氧的生产量固定那样的运转)，从而无法变更每单位时间的氧的生产量。

发明内容

因此，本发明鉴于上述问题点，其课题在于提供一种能够变更富氧空气的生产量，且无论生产量如何都能够廉价地制造富氧空气的富氧空气制造系统。

【用于解决课题的手段】

本发明者进行各种研究的结果是，发现上述目的通过以下的本发明得以实现。即，作为本发明的一形态的富氧空气制造系统从投入的空气制造氧浓度比该空气高的富氧空气，其具备：第一热交换器，其使液化天然气与所述投入的空气进行热交换，其中，该液化天然气向使天然气燃烧的设施供给；压缩机，其将在所述第一热交换器中进行热交换后的空气压缩到规定的压力；第二热交换器，其使所述压缩后的空气与所述液化天然气进行热交换；膨胀阀，其使在所述第二热交换器中进行热交换后的空气绝热膨胀；以及气液分离装置，其进行所述绝热膨胀后的空气的气液分离。并且，所述压缩机的压缩比及所述膨胀阀的开度分别设定为使所述绝热膨胀后的空气的温度比氮的沸点高且为氧的沸点以下。

根据本发明，通过制造富氧空气，与制造纯氧的情况相比，能够抑制制造成本。

并且，在第一热交换器和第二热交换器中利用液化天然气的冷能来对空气进行冷却，并且通过压缩机对该冷却后的空气进行压缩，由此无论生产量如何，都能够廉价制造富氧空气。

具体而言，利用气化而使用的液化天然气的冷能来冷却空气，由此无论富氧空气的生产量如何，都能够抑制用于空气的冷却的消耗电力等的成本。另外，无论富氧空气的生产量如何，通过对冷却后的空气进行压缩，由此即使减小由压缩机进行升压的幅度(压缩比)，也能够使绝热膨胀后的空气的温度成为氧的沸点以下，因此，能够抑制压缩机中的消耗电力。因此，无论生产量如何，都能够廉价地制造富氧空气。

另外，根据上述的结构，不是像深冷分离方式那样的从液化后的空气仅将氧气化的准静态的平衡流程，而是使空气中的氧液化并通过气液分离装置对该空气强制地进行气液分离来进行氧的浓缩的结构，因此即使向气液分离装置供给的空气的量等变动，也能够连续地进行氧的浓缩。因此，能够变更富氧空气的生产量(每单位时间的生产量)。

另外，在上述的富氧空气制造系统中，优选所述第二热交换器使在所述第一热交换器中进行热交换后的液化天然气与所述压缩后的空气进行热交换。

根据这样的结构，能够使在第一热交换器中通过与空气的热交换而温度上升的液化天然气在第二热交换器中进一步升温或气化。即，从第一交换器排出的空气通过压缩机中的压缩而温度比刚从第一热交换器排出之后上升，因此在第二热交换器中通过该热量对液化天然气进一步加热(热交换)而能够使其升温或气化。由此，能够进一步抑制为了在所述设施中燃烧而使贮存在罐中的液化天然气气化时的能量(例如电力等)的成本。

另外，在上述的富氧空气制造系统中，优选所述气液分离装置为旋流式气液分离装置，其具备上下延伸的分离筒，且使供给的空气在所述分离筒内回旋。

根据这样的结构，由于是在分离筒内产生供给的空气的回旋流这样简单的结构的装置，因此即使进行极低温(空气中含有的氧液化的温度)的空气的气液分离，也难以产生故障等。并且，由于是在分离筒内使空气回旋的结构，因此能够利用离心力来使空气中产生的雾状的氧(液化后的氧)连续地分离。

在上述的富氧空气制造系统中，在第一热交换器中与液化天然气进行热交换后的空气被冷却到非常低的温度。因此，对在第一热交换器中进行热交换后的空气进行压缩的压缩机必须是即使在低温气氛下也能够无摩擦地进行连续的压缩动作的结构，例如，优选为螺杆式压缩机，其具备以旋转轴平行的方式配置有该旋转轴的一对螺杆转子，且通过所述一对螺杆转子的旋转来对空气进行压缩。

另外，在上述的富氧空气制造系统中，优选所述第一热交换器具有多个为了热交换而使所述液化天然气或所述空气流动的流路，且所述空气在所述多个流路中的最接近外部的外侧流路中流动。

根据这样的结构，从外部朝向第一热交换器的内部而温度梯度变得单调，即，成为温度不上下变动，且温度从外部朝向第一热交换器的内部而以大气、空气所流动的流路、液化天然气所流动的流路的顺序下降那样的温度梯度，因此能够提高隔热性，且能够抑制该第一热交换器中的热应变。

这种情况下，优选所述第一热交换器具有吸附材料，该吸附材料由规定的沸石构成，且该吸附材料在所述外侧流路内配置，或者在设置于该第一热交换器内且与所述外侧流路连通的空间内配置。

根据这样的结构，通过使空气在第一热交换器内通过，从而该空气中含有的水蒸气、CO₂、甲烷、有机溶剂等由吸附剂吸附，由此，能够防止空气中含有上述的物质引起的气液分离装置中的气液分离效率的降低。

另外，在上述的富氧空气制造系统中，优选所述第二热交换器具有多个为了热交换而使所述液化天然气或所述空气流动的流路，且所述液化天然气在所述多个流路中的最接近该第二热交换器的外部的外侧流路中流动。

在热交换器中，通常外侧流路的截面积比内侧流路的截面积大，其中，该内侧流路在外侧流路的内侧设置，且供与在所述外侧流路中流动的流体进行热交换的流体流动。因此，根据上述的结构，通过使液化天然气在流路的截面积大的外侧流路流动，且使被压缩而体积变小的空气在流路的截面积小的内侧流路中流动，从而能够抑制第二热交换器中的液化天然气与空气(压缩后的空气)的流速差，由此，能够抑制热交换效率的降低。

并且，通过所述截面积之差来吸收体积膨胀，其中，该体积膨胀是因与空气的热交换而使液化天然气的全部或一部分气化而引起的，该空气通过伴随压缩机中的压缩的发热而温度上升，由此能够降低基于所述膨胀而在热交换器中产生的应力。

这种情况下，由于在外侧流路中流动的液化天然气的温度比在内侧流路中流动的空气的温度低，因此为了防止第二热交换器中的与外部(外部气体)的温度差引起的热应变的产生，优选所述第二热交换器具有从外侧包围所述多个流路整体的隔热部。

另外，在上述的富氧空气制造系统中，还可以具备第三热交换器，该第三热交换器使在所述第一热交换器中进行热交换后的液化天然气或者在所述第二热交换器中进行热交换后的液化天然气、以及从排出部排出的所述空气与从使所述天然气燃烧的设施排出的排气进行热交换，其中，所述排出部是用于将所述气液分离装置中的分离后的液体排出的部分。

根据这样的结构，利用在使天然气燃烧的设施中产生的排气(废热)，能够使向该设施供给的液化天然气(也包括一部分气体化的情况)和通过该富氧空气制造系统制造的富氧空气可靠地气化(气体化)。并且，从使所述液化天然气燃烧的设施排出的排气为使天然气(气化后的液化天然气)在供给了富氧空气的状态下燃烧(高卡路里燃烧)后的排气，因此其温度十分高，因而，能够使向所述设施供给的液化天然气(也包括一部分气体化的情况)和富氧空气这两方可靠地气体化。

这样，在使向所述设施供给的液化天然气和富氧空气可靠地气化的结构的富氧空气制造系统中，优选还具备发电机，该发电机配置于在所述第三热交换器中进行热交换后的空气、或者在所述第三热交换器中通过进行热交换而气化后的液化天然气即天然气所流动的流路中，利用所述空气或所述天然气的流动或压力来进行发电，所述发电机与所述压缩机连接，且该发电机中生成的电力向所述压缩机供给。

根据这样的结构，能够抑制从外部向富氧空气制造系统供给的电力，由此，能够实现该富氧空气制造系统的节电。

另外，在上述的富氧空气制造系统中，优选所述富氧空气制造系统还具备罐冷却流路，该罐冷却流路与将所述气液分离装置中的分离后的气体排出的排气部连接，并且设置在罐和包围该罐的外侧的隔热部之间，其中，该罐贮藏向所述设施供给之前的液化天然气。

根据这样的结构，能够利用从气液分离装置的排气部排出的极低温(氧的沸点以下)的氮或富氮的空气的冷能来冷却罐，由此，能够抑制用于冷却贮藏在罐中的液化天然气而使其维持为液相的状态的电力等。

另外，在上述的富氧空气制造系统中，优选还具备将向该富氧空气制造系统投入的空气引导到所述第一热交换器的引导流路，所述引导流路沿着该罐配置成能够使在所述引导流路的内部流动的空气与贮藏有向所述设施供给之前的液化天然气的罐内的液化天然气之间进行热交换。

根据这样的结构，利用贮藏在罐中的极低温的液化天然气的冷能，来冷却向第一热交换器供给之前的空气而使其结露，由此能够除去成为后段(空气的流动的下游侧)的气液分离装置的气液分离效率的降低的原因的空气中的水分。

另外，通过利用贮藏在罐中的液化天然气的冷能来冷却向第一热交换器供给之前的空气，还能够实现第一热交换器的小型化。

【发明效果】

以上，根据本发明，可提供一种能够变更富氧空气的生产量，且无论生产量如何都能够廉价地制造富氧空气的富氧空气制造系统。

附图说明

图1是表示本实施方式的富氧空气制造系统和并设有该富氧制造系统的设施的简要结构的图。

图2是第一热交换器的立体图。

图3是图2的III-III位置的剖视图。

图4(A)是螺杆式压缩机的横剖视图，图4(B)是螺杆式压缩机的纵剖视图，图4(C)是图4(A)的IV(C)-IV(C)位置的剖视图。

图5是表示膨胀阀的前后的空气的压力与膨胀后的空气的温度的关系的图。

图6是第二热交换器的横剖视图。

图7(A)是旋流式气液分离装置的俯视图，图7(B)是旋流式气液分离装置的主视图。

图8是第三热交换器的横剖视图。

图9是表示另一实施方式的富氧空气制造系统的简要结构的图。

【符号说明】

10、10A富氧空气制造系统

13除湿引导部(引导流路)

14第一热交换器

141a第一流路(外侧流路)

141b第二流路(内侧流路)

15压缩机

151旋转轴

152、153螺杆转子

16第二热交换器

160隔热部

18膨胀阀

19、60气液分离装置

190分离筒

194排出筒(排出部)

195排出部

20第三热交换器

21发电机

50罐

52隔热壁

54罐冷却流路

55设施

具体实施方式

以下，参照图1～图8，说明本发明的一实施方式。图1是表示本实施方式的富氧空气制造系统和并设有该富氧制造系统的设施的简要结构的图。图2是第一热交换器的立体图，图3是图2的III-III位置的剖视图。图4是用于说明螺杆式压缩机的图。图5是表示膨胀阀的前后的空气的压力与膨胀后的空气的温度的关系的图。图6是第二热交换器的横剖视图。图7(A)是旋流式气液分离装置的俯视图，图7(B)是旋流式气液分离装置的主视图。图8是第三热交换器的横剖视图。

本实施方式的富氧空气制造系统(以下，也简称为“制造系统”。)是用于制造氧浓度高的空气(富氧空气)的系统，该氧浓度高的空气例如在高炉或发电设备等中，在使天然气(以下，也简称为“NG”。)燃烧时以热效率的提高及排出气体(CO₂气体等)的削减为目的而吹入。需要说明的是，富氧空气是氧浓度比大气高的空气，在本实施方式的制造系统10中，制造氧浓度为30％左右的富氧空气。另外，在本实施方式中，NG是使液化天然气(以下，也简称为“LNG”。)气化而得到的气体(gas)。

如图1所示，本实施方式的制造系统将LNG贮藏在罐50中，并且与例如高炉或发电设备等的设施55(以下，也简称为“设施”。)并设，其中，该高炉或发电设备等的设施55以使该LNG气化后的气体(NG)为燃料而进行燃烧，本实施方式的制造系统利用所述LNG的冷能来从投入的空气制造氧浓度比该空气高的富氧空气，并将该制造出的富氧空气向设施55供给。

该制造系统10具备送风装置11、预冷部12、压缩机15、第二热交换器16、膨胀阀18、气液分离装置19、第三热交换器20、发电机21。

送风装置11将外部的空气(大气)作为投入空气而向预冷部12送入(送风)。

预冷部12具有除湿引导部(引导流路)13和第一热交换器14，将由送风装置11送来的空气冷却后向压缩机15供给。

除湿引导部13将通过送风装置11投入到该制造系统10中的空气引导到第一热交换器14。该除湿引导部13沿着罐50配置成能够使在其内部流动的空气与贮藏在罐50中的LNG之间进行热交换。这样，利用贮藏在罐50中的极低温(在本实施方式中为113K)的LNG的冷能使向第一热交换器14供给之前的空气在除湿引导部13内结露而进行除湿，由此能够将在后段的气液分离装置19中成为气液分离效率的降低的原因的空气中的水分除去。另外，通过将向第一热交换器14供给之前的空气冷却，从而也能够实现第一热交换器14的小型化。

具体而言，除湿引导部13与送风装置11和第一热交换器14连接。并且，除湿引导部13使从送风装置11供给的空气(投入空气)通过隔热壁52内之后，将其引导到第一热交换器14。该隔热壁52是将贮藏有LNG的罐50包围且在厚度方向上划分为多层的壁，除湿引导部13在使所述空气通过该隔热壁52的最外层之后，将其引导到第一热交换器14。

需要说明的是，除湿引导部13没有限定为使投入的空气通过隔热壁52的最外层的结构，也可以使其通过隔热壁52的其它层(最外层以外的层)。另外，在图1中，将多层的隔热壁52简化而记载为一层的壁。

第一热交换器14使通过除湿引导部13后的空气与从罐50供给的LNG进行热交换。本实施方式的第一热交换器14例如为图2及图3所示那样的铝制的散热片式热交换器(详细而言，通过对铝构件进行钎焊而形成的热交换器)。

该第一热交换器14具备：箱型形状的壳体140；内装于该壳体140的中央部，并且交替配置有供空气流动的第一流路141a和供LNG流动的第二流路141b的热交换部141。

壳体140在下端部及上端部具有LNG用的下部集管142及上部集管143。另外，壳体140在上侧部及下侧部具有空气用的上侧部集管144及下侧部集管145。

该壳体140在其内部的上下方向的中央位置具有热交换部141。在该热交换部141的上端部设有上部分配部146，在热交换部141的下端部设有下部分配部147。

上部分配部146将从除湿引导部13供给到上侧部集管144的空气向热交换部141的各第一流路141a引导，并且将通过热交换部141的各第二流路141b后的LNG向上部集管143引导。另一方面，下部分配部147将从罐50供给到下部集管142的LNG向热交换部141的各第二流路141b引导，并且将通过热交换部141的各第一流路141a后的空气向下侧部集管145引导。

通过这样构成，向第一热交换器14供给的空气顺次通过上侧部集管144及上部分配部146而被向热交换部141的各第一流路141a内导入。然后，该空气通过上述各第一流路141a之后，顺次通过下部分配部147及下侧部集管145而被向外部排出。另一方面，向第一热交换器14供给的LNG顺次通过下部集管142及下部分配部147而被向热交换部141的各第二流路141b内导入。然后，该LNG通过上述各第二流路141b之后，顺次通过上部分配部146及上部集管143而被向外部排出。这样，通过使LNG朝向上方流动，并使空气朝向下方流动，从而经由将各流路141a、141b分隔的铝制的板来进行LNG与空气的热交换。

热交换部141通过将第一流路141a和第二流路141b交替配置，由此将多个流路(第一流路141a和第二流路141b)排列成层状。本实施方式的热交换部141(第一热交换器14)构成为使空气在最接近外部的外侧流路(图3中的右端的第一流路141a及左端的第一流路141a)中流动。根据这样的结构，在各流路141a、141b的层叠方向(图3的左右方向)上的第一热交换器14的外周部及其附近，从外部朝向第一热交换器14的内部而使温度梯度变得单调。具体而言，成为温度不上下变动，且温度从外部朝向第一热交换器14的内部而以大气、空气所流动的第一流路141a、LNG所流动的第二流路141b的顺序降低那样的温度梯度。因此，在第一热交换器14中，能够提高与外部的隔热性，且能够抑制该第一热交换器14的所述外周部处的热应变。

需要说明的是，在热交换部141中，由于最接近外侧的流路即第一流路141a比第二流路141b多一层，因此各第一流路141a的截面积的合计比各第二流路141b的截面积的合计大。

另外，在第一热交换器14的第一流路141a内或与第一流路141a连通的上侧部集管144及下侧部集管145内配置有吸附剂(图示省略)。本实施方式的吸附剂例如为分子筛等沸石。该吸附剂在空气通过第一热交换器14内时，吸附该空气中含有的水蒸气、CO₂、甲烷、有机溶剂等。由此，能够防止空气中含有上述物质引起的气液分离装置19中的气液分离效率的降低。

压缩机15与第一热交换器14和第二热交换器16连接。该压缩机15将在第一热交换器14中进行热交换后的空气压缩到规定的压力，并朝向第二热交换器16送出。本实施方式的压缩机15是作为容积型压缩机的一种的螺杆式压缩机。具体而言，如图4(A)～图4(C)所示，螺杆式压缩机15具备：以使旋转轴151平行的方式配置有该旋转轴151的一对螺杆转子(阴转子和阳转子)152、153；包围它们的壳体154。该螺杆式压缩机15通过使一对螺杆转子152、153相互向相反方向旋转(在图4(C)中，螺杆转子152绕顺时针旋转，螺杆转子153绕逆时针旋转)，来对从在壳体154上设置的导入口155供给的空气进行压缩，并将该压缩后的空气从排出口156排出(排气)。

本实施方式的压缩机15将从第一热交换器14供给的大气压(1个气压)的空气压缩到7个气压。即，本实施方式的压缩机的压缩比为7。

该压缩比(压缩后的空气压)设定为使通过膨胀阀18进行绝热膨胀后的空气的温度比氮的沸点高且为氧的沸点以下。具体而言，如以下这样。

膨胀阀18的前后的空气的压力P1、P2及膨胀阀18的前后的温度T1、T2的关系根据焦耳·汤姆孙关系式而由以下的式(1)表示。

【式1】

在此、 $\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{Cp}}{\mathrm{Cv}}\≈1.4$

其中，Cp为定压比热，Cv为定容比热。需要说明的是，在本实施方式中，T1(绝热膨胀前的空气的温度)为113K。

图5是将该关系图表化的图。在该制造系统10中，需要使空气成为高速的气体流而从膨胀阀18对气液分离装置19供给，因此作为绝热膨胀后的空气的压力，需要确保3个气压。在此，参照图5，若绝热膨胀前的空气的压力(即，紧邻膨胀阀且膨胀阀之前的空气的压力)为7个气压以上，则能够使绝热膨胀后的空气的温度比氮的沸点高且为氧的沸点以下。并且，可知在绝热膨胀后的空气中能够确保3个气压。

第二热交换器16使从压缩机15供给的空气(压缩后的空气)和从第一热交换器14供给的LNG(为在第一热交换器14中进行热交换后的LNG，也包括一部分气化而成为NG的状态)进行热交换。本实施方式的第二热交换器16为铝制的散热片式热交换器。

如图6所示，该第二热交换器16除了在壳体140的外侧具有隔热部160以外，为与第一热交换器14同样的结构。该隔热部160具有真空隔热结构。

该第二热交换器16以使LNG在第一流路141a中流动且使空气在第二流路141b中流动的方式与第一热交换器14和压缩机15连接。这样，由于温度低的LNG在最外侧的流路(外侧流路)中流动，因此通过设置隔热部160，来防止第二热交换器16的外周部的外部(外部气体)与内部(在第一流路141a中流动的LNG)的温度差引起的热应变的产生。

另外，在第二热交换器16中，与第一热交换器14同样，各第一流路141a的截面积(与流动方向正交的截面的截面积)的合计比各第二流路141b的截面积(与流动方向正交的截面的截面积)的合计大。因此，如该第二热交换器16那样，通过使LNG在各流路的截面积的合计大的第一流路141a中流动，并且使被压缩而体积变小的空气在各流路的截面积的合计小的第二流路141b中流动，从而能够抑制在第二热交换器16内流动的LNG与空气(压缩后的空气)的流速差。由此，能够抑制第二热交换器16中的热交换效率的降低。

并且，通过所述截面积之差来吸收体积膨胀，其中，该体积膨胀是因与空气的热交换而使LNG的全部或一部分气化而引起的，该空气通过伴随压缩机15中的压缩的发热而温度上升，由此能够降低在第二热交换器16中产生的所述膨胀引起的应力。

膨胀阀18使从第二热交换器16供给的空气绝热膨胀并将其向气液分离装置19供给。该膨胀阀18使供给的空气绝热膨胀，从而使该空气的温度比氮的沸点(77K)高且为氧的沸点(90K)以下。即，膨胀阀18的开度设定(或调整)为使绝热膨胀后的空气的温度比氮的沸点高且为氧的沸点以下。由此，在通过膨胀阀18后的空气中，氧成为液化了的状态(具体而言，含有雾状的氧的空气)。

需要说明的是，膨胀阀18的开度根据绝热膨胀前的空气的压力及温度而适当设定。

本实施方式的膨胀阀18设定为使绝热膨胀后的空气的压力成为3个气压那样的开度，从而能够以规定的值以上的流速(在气液分离装置19中形成能够气液分离的回旋流那样的流速)将空气向气液分离装置19供给。

气液分离装置19进行发生绝热膨胀而温度比氮的沸点高且为氧的沸点以下的空气(在本实施方式中，氧成为雾状的空气)的气液分离。在本实施方式中，使用图7(A)及图7(B)所示那样的旋流式气液分离装置19。

该气液分离装置19具备向上下延伸的分离筒190，且使供给的空气在所述分离筒190内回旋。即，本实施方式的气液分离装置19是所谓的旋流式的气液分离装置，其在分离筒190内形成供给的空气的回旋流，利用该回旋流的离心力来进行气液分离。

分离筒190具有以沿上下方向延伸的轴c为中心的圆筒状的圆筒上部191和在圆筒上部191的下侧设置的圆锥状的圆筒下部192。圆筒上部191具有：与压缩机15连接且在圆筒上部191的上端部设置的导入口193；以贯通所述圆筒上部191的顶壁的中心部的方式上下延伸的排出筒194。

在该分离筒190中，从导入口193将含有雾状的氧的空气向圆筒上部191内沿切线方向导入。导入后的空气成为沿着圆筒上部191的内周面191a进行回旋且同时朝向下方的回旋流。通过该回旋流的离心力使液化后的氧(雾状的氧)附着在分离筒190的内周面191a、192a，并沿着内周面191a、192a向下方流下。

从圆筒上部191到圆筒下部192进行回旋的同时下降，且在该期间通过离心力除去了雾状的(液化后的)氧的空气(即，氮或成为富氮的空气)的流动在圆筒下部192成为朝向上方的流动，并从在圆筒上部191的中央设置的排出筒194向外部排出。需要说明的是，当圆筒下部192的内周面192a相对于中心轴(垂直轴)c的倾斜角过大时，将雾和空气一起卷起而从排出筒194排出，另一方面，当所述倾斜角过于小时，分离筒190的上下方向的长度尺寸变大。因此，所述倾斜角优选为75°～85°。

在圆筒下部192的下端设有将在该气液分离装置19中分离出的液体(雾状的氧)排出的排出部195。该排出部195具有液化氧接受部(图示省略)和排水泵196(参照图1)。液化氧接受部积存沿着分离筒190的内周面191a、192a流下来的雾状的氧。另外，排水泵196将积存在所述液化氧接受部中的液体(雾状的氧)连续或断续地向外部排出。在本实施方式中，排水泵将在液化氧接受部中成为泡状而积存的空气向外部排出。通过该排水泵排出的泡状的空气为氧被浓缩的富氧空气。

需要说明的是，在将积存于液化氧接受部的液化后的氧(泡状的空气)断续地向外部排出的情况下，也可以代替排水泵196而设置电磁阀。

由于分离筒190需要将在内部回旋的空气以其温度比氮的沸点(77K)高且为氧的沸点(90K)以下的方式保持，因此周壁为真空隔热结构。另外，为了抑制空气的回旋流与内周面191a、192a之间的摩擦，内周面191a、192a为镜面加工。

排出筒194与罐冷却流路54连接，该罐冷却流路54设置在罐50与包围该罐50的外侧的隔热壁52之间。由此，将从排出筒194排出的氮(或富氮的空气)向罐冷却流路54供给。由于该氮为氧的沸点以下的极低温，因此通过该氮的冷能而将贮藏在罐50内的LNG冷却，由此能够抑制用于维持罐50内的LNG的温度的电力等。需要说明的是，在本实施方式中，冷却罐50后的氮向大气中放出。

第三热交换器20使从气液分离装置19的排出部195排出的富氧空气及通过第二热交换器16后的LNG(含有NG的气液二相状态的LNG)或NG与从设施55排出的排气进行热交换。本实施方式的第三热交换器20为铝制的散热片式热交换器。如图8所示，该第三热交换器20为与第一热交换器14同样的结构。

该第三热交换器20以使排气在第一流路141a中流动，且使富氧空气和LNG(或NG)在第二流路141b(141c)中交替流动的方式构成。需要说明的是，在图8中，供富氧空气流动的第二流路的符号为141b，供LNG(或NG)流动的第二流路的符号为141c。

在设施55中，由于供给富氧空气且同时使NG燃烧(高卡路里燃烧)，因此排出高温的排气。在第三热交换器20中，通过与该高温的排气进行热交换而使富氧空气及NG完全气化。

发电机21配置在第三热交换器20的下游，利用从第三热交换器20排出的空气进行发电。详细而言，发电机21为具备涡轮的涡轮式的发电机，配置在从第三热交换器20向设施55供给的富氧空气的流路中。并且，发电机21通过朝向设施55的富氧空气的流动使涡轮旋转而进行发电。该电机21以能够送电的方式与压缩机15连接，将发出的电力向压缩机15供给。由此，能够抑制从外部向该制造系统10供给的电力，其结果是，能够实现该制造系统10的节电。

需要说明的是，发电机21没有限定为利用富氧空气的流动来进行发电的涡轮式发电机等，也可以是利用富氧空气的压力来进行发电的发电机(例如，所谓的螺杆式发电机等)。

另外，当在第二热交换器16中与空气(压缩后的空气)进行热交换后的LNG以完全气化的状态(NG的状态)从第二热交换器16排出的情况下，发电机21也可以配置在将第二热交换器16和第三热交换器20相连的流路上。

根据以上的制造系统10，通过制造富氧空气，与制造纯氧的情况相比，能够抑制制造成本。

并且，在第一热交换器14和第二热交换器16中利用LNG的冷能来冷却空气，并且通过压缩机15来压缩该冷却后的空气，由此无论生产量如何都能够廉价地制造富氧空气。

具体而言，利用LNG(气化而使用的LNG)的冷能来冷却空气，由此无论富氧空气的生产量如何，都能够抑制用于空气的冷却的消耗电力等的成本。另外，无论富氧空气的生产量如何，通过对冷却后的空气进行压缩，由此即使减小由压缩机15进行升压的幅度(压缩比)，也能够使绝热膨胀后的空气的温度为氧的沸点以下。因此，能够抑制压缩机15中的消耗电力。因此，根据该制造系统10，无论生产量如何，都能够廉价地制造富氧空气。

另外，在本实施方式的制造系统10中，不是像深冷分离方式那样的从液化后的空气仅将氧气化的准静态的平衡流程，而是使空气中的氧液化并通过气液分离装置19对该空气强制地进行气液分离来进行氧的浓缩的结构。因此，在该制造系统10中，即使向气液分离装置19供给的空气的量等变动，也能连续地进行氧的浓缩。因此，能够变更富氧空气的生产量(每单位时间的生产量)。

另外，根据本实施方式的制造系统10，由于是在分离筒190内产生供给的空气的回旋流这样的简单的结构的装置，因此即使进行极低温(空气中含有的氧液化的温度：90K以下)的空气的气液分离，也难以产生故障等。并且，由于是在分离筒190内使空气回旋的结构，因此能够利用离心力使在空气中产生的雾状的氧(液化后的氧)连续地分离。

需要说明的是，本发明的富氧空气制造系统没有限定为上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够施加各种变更是不言而喻的。

在上述实施方式的制造系统10中，从发电机21得到压缩机15的驱动所需要的电力，但没有限定为该结构，也可以为使用来自外部的电力的结构。这种情况下，可以不设置发电机21。

另外，气液分离装置的具体的结构没有限定。上述实施方式的气液分离装置19为所谓的旋流式的气液分离装置，但只要是在极低温的气氛下(氧的沸点(90K)以下的气氛下)能够进行气液分离的装置即可，气液分离的方法没有限定，例如，也可以是图9所示的离心式分馏器60等其他方式(与旋流式不同的方式)的气液分离装置。

图9所示的制造系统10A的离心式分馏器60具备：研钵状的旋转体(转子)62；对该旋转体62进行旋转驱动的驱动部(电动机)64；在内部空间内将旋转体62以能够旋转的方式收容的壳体66。该离心式分馏器60将由膨胀阀18进行绝热膨胀后的空气向旋转体62的内侧面63喷射，并在旋转体62的旋转产生的离心力的作用下，将附着于内侧面63的氧(通过绝热膨胀而液化了的氧)通过以包围旋转体62的外周缘的方式设置的接受部67收集。另一方面，通过绝热膨胀而未液化的氮或富氮的空气从在壳体66上设置的排气部68向外部排出。这样，在离心式分馏器60中进行气液分离。

另外，在上述实施方式的制造系统10中设有除湿引导部13，但也可以没有除湿引导部13(参照图9)。这种情况下，例如图9所示，可以设置使向第一热交换器14供给的空气与从气液分离装置19、60排出的氮或富氮的空气进行热交换的第四热交换器17。即，可以利用从气液分离装置19、60排出的极低温(比氮的沸点高且为氧的沸点以下)的氮或富氮的空气的冷能来进行向第一热交换器14供给的空气的除湿及预冷(预备冷却)。

另外，在上述实施方式的制造系统10中设有罐冷却流路54，但也可以没有罐冷却流路54。

另外，上述实施方式的第三热交换器20是使从气液分离装置19排出的富氧空气及从第二热交换器16排出的LNG与来自设施55的排气进行热交换的结构，但也可以构成为使所述富氧空气和所述LNG中的任一方与来自设施55的排气进行热交换。

另外，在上述实施方式的制造系统10中，在第一热交换器14中进行热交换后的LNG向第二热交换器16供给，但也可以是例如从罐50向第二热交换器16直接供给LNG的结构。

Claims (12)

1.一种富氧空气制造系统，其从投入的空气制造氧浓度比该空气高的富氧空气，其具备：

第一热交换器，其使向使天然气燃烧的设施供给的液化天然气与所述投入的空气进行热交换；

压缩机，其将在所述第一热交换器中进行热交换后的空气压缩到规定的压力；

第二热交换器，其使所述压缩后的空气与所述液化天然气进行热交换；

膨胀阀，其使在所述第二热交换器中进行热交换后的空气绝热膨胀；以及

气液分离装置，其进行所述绝热膨胀后的空气的气液分离，

所述压缩机的压缩比及所述膨胀阀的开度分别设定为使所述绝热膨胀后的空气的温度比氮的沸点高且为氧的沸点以下。

2.根据权利要求1所述的富氧空气制造系统，其中，

所述第二热交换器使在所述第一热交换器中进行热交换后的液化天然气与所述压缩后的空气进行热交换。

3.根据权利要求1或2所述的富氧空气制造系统，其中，

所述气液分离装置为旋流式气液分离装置，其具备上下延伸的分离筒，且使供给的空气在所述分离筒内回旋。

4.根据权利要求1或2所述的富氧空气制造系统，其中，

所述压缩机为螺杆式压缩机，其具备以旋转轴平行的方式配置有该旋转轴的一对螺杆转子，且通过所述一对螺杆转子的旋转来对空气进行压缩。

5.根据权利要求1或2所述的富氧空气制造系统，其中，

所述第一热交换器具有多个为了热交换而供所述液化天然气流动的流路以及供所述空气流动的流路，且所述空气在所述多个流路中的最接近外部的外侧流路中流动。

6.根据权利要求5所述的富氧空气制造系统，其中，

所述第一热交换器具有吸附材料，该吸附材料由规定的沸石构成，且该吸附材料在所述外侧流路内配置，或者在设置于该第一热交换器内且与所述外侧流路连通的空间内配置。

7.根据权利要求1或2所述的富氧空气制造系统，其中，

所述第二热交换器具有多个为了热交换而供所述液化天然气流动的流路以及供所述空气流动的流路，且所述液化天然气在所述第二热交换器的所述多个流路中的最接近该第二热交换器的外部的外侧流路中流动。

8.根据权利要求7所述的富氧空气制造系统，其中，

所述第二热交换器具有从外侧包围所述多个流路整体的隔热部。

9.根据权利要求1或2所述的富氧空气制造系统，其中，

所述富氧空气制造系统还具备第三热交换器，该第三热交换器使在所述第一热交换器中进行热交换后的液化天然气或者在所述第二热交换器中进行热交换后的液化天然气、以及从排出部排出的所述空气与从使所述天然气燃烧的设施排出的排气进行热交换，其中，所述排出部是用于将所述气液分离装置中的分离后的液体排出的部分。

10.根据权利要求9所述的富氧空气制造系统，其中，

所述富氧空气制造系统还具备发电机，该发电机配置于在所述第三热交换器中进行热交换后的空气、或者在所述第三热交换器中通过进行热交换而气化后的液化天然气即天然气所流动的流路中，利用所述空气或所述天然气的流动或压力来进行发电，

所述发电机与所述压缩机连接，且该发电机中生成的电力向所述压缩机供给。

11.根据权利要求1或2所述的富氧空气制造系统，其中，

所述富氧空气制造系统还具备罐冷却流路，该罐冷却流路与将所述气液分离装置中的分离后的气体排出的排气部连接，并且设置在罐和包围该罐的外侧的隔热部之间，其中，该罐贮藏向所述设施供给之前的液化天然气。

12.根据权利要求1或2所述的富氧空气制造系统，其中，

所述富氧空气制造系统还具备将向该富氧空气制造系统投入的空气引导到所述第一热交换器的引导流路，

所述引导流路以使在所述引导流路的内部流动的空气与贮藏有向所述设施供给之前的液化天然气的罐内的液化天然气之间能够热交换的方式沿着该罐进行配置。