JP2000337767A - 空気分離方法及び空気分離設備 - Google Patents

空気分離方法及び空気分離設備

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亮 田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 例えばＩＧＣＣ設備に使用される高圧の窒素
ガスと酸素ガスをＬＮＧの冷熱を利用して低い動力費で
供給可能な空気分離方法及び空気分離設備を提供する。 【解決手段】 液化天然ガスを冷熱源として利用するた
めの熱交換器１１，２０と、予備精製された原料空気を
導いて空気分離を行う低温精留装置１０とを備え、その
低温精留装置１０で得られた製品ガスを外部へ供給する
空気分離設備において、前記液化天然ガスにより第１熱
交換器２０で冷却されて液化した熱媒体を、ポンプ２１
により第２熱交換器１１に導いて気化させた後、再び前
記第１熱交換器２０に導入するリサイクル経路を設ける
と共に、前記製品ガスを前記第２熱交換器１１に導い
て、前記熱媒体により冷却してから圧縮機１２で圧縮し
た後、加温器１３で加温して供給用の高圧ガスとするこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液化天然ガス（Ｌ
ＮＧ）を冷熱源として利用しつつ空気分離を行って得ら
れた製品ガスを外部へ供給する空気分離方法及び空気分
離設備に関し、特にガス化複合発電設備等へ高圧の酸素
及び窒素を供給するのに有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】液化天然ガス（ＬＮＧ）は、最終的にガ
スとして使用されるため、ガス化の際に発生する冷熱を
有効利用する技術が、従来より種々存在する。その一つ
として、空気を精留分離して窒素及び酸素を製造する空
気分離設備の冷熱源としてＬＮＧを利用するものが知ら
れている。
【０００３】例えば、特公昭４９−４５０５４号公報等
には、ＬＮＧの冷熱を直接、原料空気の冷却に利用する
方法が開示され、また、特公昭５２−４１２２４号公報
等には、常温まで戻され圧縮・リサイクルされる窒素の
冷却・液化にＬＮＧの冷熱を利用する方法が開示されて
いる。更に、特公昭４６−１６０８１号公報等には、リ
サイクル窒素と原料空気の両者の冷却にＬＮＧの冷熱を
直接利用する方法が開示されている。
【０００４】そして、空気分離に必要な冷熱を供給する
ための窒素サイクルを採用する場合、窒素の圧縮・液化
・膨張による冷熱の発生が行われるが、低温ガスを圧縮
する方が消費電力を低減できることが知られている。こ
のため、前記の公報のうち、特公昭４６−１６０８１号
公報では、ＬＮＧ又は空気分離装置で分離された低温ガ
ス等で冷却された低温窒素を圧縮する、いわゆる低温圧
縮を採用して動力費の節減を図っている。但し、この公
報に記載の発明は、低温窒素の圧縮・液化により、製品
窒素を液体で製造することを目的としている。
【０００５】一方、近年注目されているガス化複合発電
技術（ＩＧＣＣ）では、窒素及び酸素が高圧状態で大量
消費される。そして、通常の空気分離装置から供給され
る窒素や酸素では圧力が不足するため、それらのガスを
常温圧縮機により圧縮した後に、ＩＧＣＣ設備に供給す
るのが一般的であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＩＧＣ
Ｃ設備では窒素及び酸素の消費量が大きいため、前記従
来からの通常の空気分離技術においては、常温圧縮機に
よる動力費が大きくなり、それを低減するための改善が
求められていた。一方、前述のような空気分離装置で
は、空気分離に必要な寒冷を補給する目的や、製品を液
体で製造することを目的として、ＬＮＧの冷熱を利用し
ているため、製品圧を高める目的で前記の低温圧縮を採
用するという発想は、これまで存在しなかった。
【０００７】そこで、本発明の目的は、例えばＩＧＣＣ
設備に使用される高圧の窒素ガスと酸素ガスをＬＮＧの
冷熱を利用して低い動力費で供給可能な空気分離方法及
び空気分離設備を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、下記の如き
本発明により達成できる。即ち、本発明の空気分離方法
は、液化天然ガスを冷熱源として利用しつつ、予備精製
された原料空気を低温精留装置に導いて空気分離を行
い、得られた製品ガスを外部へ供給する空気分離方法に
おいて、前記液化天然ガスにより第１熱交換器で冷却さ
れて液化した熱媒体を第２熱交換器に導いて気化させた
後、再び前記第１熱交換器に導入しつつ、前記製品ガス
を前記第２熱交換器に導いて、前記熱媒体により冷却し
てから圧縮した後、供給用の高圧ガスとすることを特徴
とする。ここで、高圧ガスとは、従来の空気分離方法で
得られる製品ガスより高い圧力という相対的な意味を示
しており、例えば１０ｂａｒＡ以上の圧力を指すもので
ある。
【０００９】上記において、前記原料空気を前記第２熱
交換器に導いて、前記熱媒体により冷却してから圧縮し
た後、前記低温精留装置に導くことが好ましい。
【００１０】一方、本発明の空気分離設備は、液化天然
ガスを冷熱源として利用するための熱交換器と、予備精
製された原料空気を導いて空気分離を行う低温精留装置
とを備え、その低温精留装置で得られた製品ガスを外部
へ供給する空気分離設備において、前記液化天然ガスに
より第１熱交換器で冷却されて液化した熱媒体を、ポン
プにより第２熱交換器に導いて気化させた後、再び前記
第１熱交換器に導入するリサイクル経路を設けると共
に、前記製品ガスを前記第２熱交換器に導いて、前記熱
媒体により冷却してから圧縮機で圧縮した後、供給用の
高圧ガスとすることを特徴とする。
【００１１】上記において、前記原料空気を前記第２熱
交換器に導いて、前記熱媒体により冷却してから圧縮機
で圧縮した後、前記低温精留装置に導く経路を設けたこ
とが好ましい。
【００１２】［作用効果］本発明の空気分離方法による
と、液化天然ガスで冷却された熱媒体により製品ガスを
冷却してから圧縮して、高圧ガスとするため、低温にて
圧縮が行われるので、圧縮のための動力費を低減するこ
とができる。そして、必要により圧縮ガスを加温して供
給用の高圧ガスとするが、その加温には特に熱エネルギ
ーが必要なく（水等が使用可能）、従って、ＬＮＧの冷
熱を利用して低い動力費で高圧ガスの供給を行うことが
できる。また、熱媒体をリサイクルさせつつ、潜熱を利
用して冷熱を製品ガスに伝熱して冷却するため、ＬＮＧ
の冷熱により効率良く製品ガスを冷却することができ
る。その際、熱媒体として製品ガスや原料ガスとは独立
した熱媒体を使用できるため、不活性な熱媒体を選択す
ることにより、ＬＮＧの混入時にも安全性が確保でき
る。その結果、例えばＩＧＣＣ設備に使用される高圧の
窒素ガスと酸素ガスをＬＮＧの冷熱を利用して低い動力
費で供給することができる。
【００１３】前記原料空気を前記第２熱交換器に導い
て、前記熱媒体により冷却してから圧縮した後、前記低
温精留装置に導く場合、原料供給の際にも動力費を節減
することができ、トータルでより低い動力費で高圧の製
品ガスを供給することができる。
【００１４】一方、本発明の空気分離設備によると、上
記と同様の作用効果により、例えばＩＧＣＣ設備に使用
される高圧の窒素ガスと酸素ガスをＬＮＧの冷熱を利用
して低い動力費で供給することができる。
【００１５】前記原料空気を前記第２熱交換器に導い
て、前記熱媒体により冷却してから圧縮機で圧縮した
後、前記低温精留装置に導く経路を設けた場合、上記と
同様に、トータルでより低い動力費で高圧の製品ガスを
供給することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の空
気分離設備の概略構成図を示すものである。
【００１７】本発明の空気分離設備は、予備精製された
原料空気を導いて空気分離を行う低温精留分離装置
（Ａ．Ｓ．Ｕ）１０を備える。
【００１８】予備精製では、精留塔で除去しにくい成分
や、塵等の固体成分などの不純物を除去するための精製
操作が行われる。具体的には、フィルタ１から取り入れ
られ除塵等された原料空気は原料空気圧縮機２で圧縮さ
れた後、冷却器３にてブライン（海水等）で冷却され、
水分離器４で水溶解性成分等の除去が行われる。その
後、モレキュラーシーブ内蔵の吸着装置５に導かれ水分
と二酸化炭素の除去が行われ、その大部分が低温精留分
離装置１０に経路Ｌ１を経て例えば４ｂａｒＧで導入さ
れる。その残部については後述する。
【００１９】低温精留分離装置１０は、一般的に複数又
は単数の精留塔、熱交換器、及びそれらに付随する設備
で構成されるが（図示省略）、本発明では前述の如き従
来公知のものが何れも採用できる。低温精留分離装置１
０の具体的な構成は、本発明とは関連性が小さいため、
詳細な説明は省略する。但し、製品ガスを高圧で供給す
ることを目的とするため、液体酸素ポンプアップ方式を
採用した低温精留分離装置１０が好適に採用できる。こ
の低温精留分離装置１０では、製品酸素を蒸発させるた
めの原料空気（例えば３０ｂａｒＡ）が必要である。こ
のため、経路Ｌ２より第２熱交換器１１に前記の原料空
気を導いて、冷却した後（例えば−１４７℃まで冷
却）、低温空気昇圧器６で昇圧させ、その後、加温器７
にてブライン（海水等）で加温してから、経路Ｌ３より
低温精留分離装置１０に供給している。なお、この低温
圧縮も、トータルの動力費の節減に寄与している。
【００２０】低温精留分離装置１０から経路Ｌ４により
導出された製品窒素ガスは、その大部分が経路Ｌ５にて
第２熱交換器１１に導かれ、冷却した後（例えば−１４
７℃まで冷却）、低温窒素圧縮器１２で圧縮した後、加
温器１３にてブライン（海水等）で加温してから、経路
Ｌ６を経て例えば３０ｂａｒＡにて外部に供給される。
残部は、経路Ｌ７より吸着装置５に導かれ、その再生ガ
スとして使用された後、窒素圧縮機１４にて圧縮され、
経路Ｌ８を経て経路Ｌ６に合流した後、外部に供給され
る。
【００２１】一方、本発明では液化天然ガスを冷熱源と
して利用するために、リサイクル経路が設けられてい
る。このリサイクル経路は、液化天然ガスにより第１熱
交換器２０で冷却されて液化した熱媒体（例えば−１５
０℃）を、ポンプ２１により第２熱交換器１１に導いて
気化させた後、再び第１熱交換器２０に導入するもので
ある。使用される熱媒体としては、液化天然ガスが混入
しても安全性が確保できるように、窒素や、アルゴン等
の希ガスが好ましい。なお、ポンプ２１による昇温はわ
ずかである。
【００２２】具体的には、図１に示すように、液化天然
ガスは、経路Ｌ１０より高圧（例えば４０ｂａｒＡ）低
温（例えば−１５５℃）で第１熱交換器２０に導入さ
れ、経路Ｌ１６，Ｌ１８から導入された熱媒体との熱交
換で気化しつつ熱媒体を冷却する。気化した天然ガス
は、経路Ｌ１１又はＬ１２より異なる温度で導き出さ
れ、温水蒸発器（ＯＲＶ）２２や、冷却水と冷却用ブラ
インの冷却器２３に供給され、冷熱を回収したのち、外
部に供給される。なお、冷却水（ＣＷ）は経路Ｌ２１よ
り、冷却用ブライン（ＢＲ）は経路Ｌ２０より、冷却器
２３に供給される。
【００２３】第１熱交換器２０で冷却されて液化した熱
媒体は、経路Ｌ１５より高圧（例えば４５ｂａｒＡ）低
温（例えば−１５０℃）低温で導出され、ポンプ２１に
より第２熱交換器１１に導かれる。第２熱交換器１１で
は、熱媒体が経路Ｌ２，Ｌ５から導入された原料空気と
製品ガスと熱交換して気化しつつそれらの冷却を行う。
その後、気化した熱媒体は経路Ｌ１６により再び第１熱
交換器２０に導入されて冷却され、経路Ｌ１７（例えば
−１３０℃）にて第２熱交換器１１に導かれ、更に経路
Ｌ１８にて第１熱交換器２０に導かれてリサイクルす
る。
【００２４】上記のように、第１熱交換器２０と第２熱
交換器１１とを２往復させて、１つのサイクルを構成し
ているのは、液化天然ガスの冷熱を有効に利用するため
である。
【００２５】一方、製品酸素ガスは、低温精留分離装置
１０から経路Ｌ９により導出され、酸素圧縮機１５で圧
縮された後、高圧（例えば８０ｂａｒＡ）で外部に供給
される。なお、冷却器２３で冷却された冷却水と冷却用
ブラインは、本発明の空気分離設備やその他の設備にお
いて冷却用等に使用される。
【００２６】以上のような本発明の空気分離設備を用い
て、表１に示す条件で運転を行った場合の電力低減の効
果の概算例（従来技術を１００とする）を示す。なお、
後述の別実施形態の値も併せて示す。
【００２７】
【表１】 なお、以上の説明で記載した圧力、温度等の数値は、運
転条件の一例を示すものであり、本発明の技術的範囲
は、それらによって何ら制限を受けるものではない。
【００２８】以上の如き本発明の空気分離方法及び空気
分離設備は、特にガス化複合発電設備等へ高圧の酸素及
び窒素を供給するのに有用なものであるが、その他、高
圧の酸素又は窒素等の供給が必要な他の設備に対しても
何れも適用可能である。そのような設備としては、例え
ば、製鉄炉用等が挙げられる。
【００２９】［他の実施形態］以下、本発明の他の実施
形態について説明する。
【００３０】（１）前述の実施形態では、製品窒素ガス
と製品酸素蒸発用の原料空気とを低温圧縮する例を示し
たが、本発明では、更に精留用の原料空気を低温圧縮さ
せることが好ましい。以下、この実施形態について、図
２に基づき説明するが、図１の場合と異なる点のみ説明
する。
【００３１】モレキュラーシーブを内蔵する吸着装置５
からの原料空気は、経路Ｌ３０を経て第２熱交換器１１
に導かれ、前記熱媒体により例えば−１２０℃まで冷却
される。その後、低温空気圧縮機３０にて圧縮した後、
加温器３１にてブライン（海水等）で加温してから、経
路Ｌ１より低温精留分離装置１０に供給される。
【００３２】一方、リサイクル経路は、第１熱交換器２
０と第２熱交換器１１とを５往復させて、１つのサイク
ルを構成しており、これにより、液化天然ガスの冷熱利
用効率を高めている。なお、経路Ｌ１７は、例えば−１
３０℃で熱媒体を第２熱交換器１１に導入している。
【００３３】（２）本発明では、上記（１）と同様に、
製品酸素ガスを低温圧縮してもよい。その場合、例えば
製品窒素ガスと同様に、製品酸素ガスを第２熱交換器に
導いて、熱媒体により冷却してから圧縮した後、加温す
るなどすればよい。
【００３４】（３）前述の実施形態では、第１熱交換器
２０と第２熱交換器１１とを複数回往復させて１サイク
ルとしたリサイクル経路を構成する例を示したが、１往
復させて１サイクルとするリサイクル経路でもよいのは
当然である。また、同様に往復回数を変えてリサイクル
経路を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気分離設備の一例を示す概略構成図
【図２】別実施形態の空気分離設備の一例を示す概略構
成図
【符号の説明】
１０ 低温精留分離装置 １１ 第２熱交換器 １２ 低温窒素圧縮器（圧縮機） １３ 加温器 ２０ 第１熱交換器 ２１ ポンプ ３０ 低温空気圧縮機（圧縮機） ３１ 加温器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D047 AA08 AB01 AB02 CA06 CA07 CA09 CA11

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液化天然ガスを冷熱源として利用しつ
    つ、予備精製された原料空気を低温精留装置に導いて空
    気分離を行い、得られた製品ガスを外部へ供給する空気
    分離方法において、 前記液化天然ガスにより第１熱交換器で冷却されて液化
    した熱媒体を第２熱交換器に導いて気化させた後、再び
    前記第１熱交換器に導入しつつ、 前記製品ガスを前記第２熱交換器に導いて、前記熱媒体
    により冷却してから圧縮した後、供給用の高圧ガスとす
    ることを特徴とする空気分離方法。
  2. 【請求項２】 前記原料空気を前記第２熱交換器に導い
    て、前記熱媒体により冷却してから圧縮した後、前記低
    温精留装置に導く請求項１記載の空気分離方法。
  3. 【請求項３】 液化天然ガスを冷熱源として利用するた
    めの熱交換器と、予備精製された原料空気を導いて空気
    分離を行う低温精留装置とを備え、その低温精留装置で
    得られた製品ガスを外部へ供給する空気分離設備におい
    て、 前記液化天然ガスにより第１熱交換器で冷却されて液化
    した熱媒体を、ポンプにより第２熱交換器に導いて気化
    させた後、再び前記第１熱交換器に導入するリサイクル
    経路を設けると共に、 前記製品ガスを前記第２熱交換器に導いて、前記熱媒体
    により冷却してから圧縮機で圧縮した後、供給用の高圧
    ガスとすることを特徴とする空気分離設備。
  4. 【請求項４】 前記原料空気を前記第２熱交換器に導い
    て、前記熱媒体により冷却してから圧縮機で圧縮した
    後、前記低温精留装置に導く経路を設けた請求項３記載
    の空気分離設備。
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