JP2001133143A - 空気分離設備 - Google Patents

空気分離設備

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JP2001133143A JP31332899A JP31332899A JP2001133143A JP 2001133143 A JP2001133143 A JP 2001133143A JP 31332899 A JP31332899 A JP 31332899A JP 31332899 A JP31332899 A JP 31332899A JP 2001133143 A JP2001133143 A JP 2001133143A
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cold heat
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和太郎 篠原
Tetsuya Funatsu
徹也 船津
Masafumi Fukuda
雅文 福田
Tomoko Ogata
朋子 尾形
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素燃焼を行うガスタービン燃焼器への酸素
ガスの酸素製造効率を向上できる空気分離設備を得るこ
とである。 【解決手段】 ＬＮＧの寒冷熱を利用する主熱交換器で
原料空気を所定温度まで冷却し、窒素及び酸素の沸点の
差を利用して分離を行なう。また、分離精製された酸素
及び窒素ガスの残留寒冷熱を主熱交換器で回収し原料空
気を冷却する。また、主熱交換器から排出されるＬＮＧ
の残留寒冷熱を主空気圧縮機の中間冷却器に供給して冷
却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液化天然ガスの寒
冷熱を利用し、液化天然ガスを燃料とし酸素燃焼するガ
スタービン燃焼器用の酸素を大気中の空気を原料として
製造する空気分離設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ジュール・トムソン効果を利用
した圧縮・冷却・断熱膨張サイクルからなる寒冷熱発生
装置を寒冷熱源とした空気中の窒素、酸素等の成分の沸
点差を利用する空気分離装置が知られている。又、その
改良技術として、圧縮・冷却・断熱膨張サイクルからな
る寒冷熱発生装置と液化天然ガス（以下、ＬＮＧとい
う）の寒冷熱を併用する空気分離装置が開示されてい
る。以下に従来技術について、図を用いて説明する。
【０００３】図２に圧縮・冷却・断熱膨張サイクルから
なる寒冷熱発生装置１１を用いた基本的な空気分離設備
の構成図を示す。ここでは、２段の主空気圧縮機及び２
機の精留塔を有する事例について説明する。この空気分
離装置は、原料空気１０１を大気からエアフィルタ１を
介して取り込み、所定圧力に昇圧する主空気圧縮機２
ａ，２ｂ、その圧縮空気を浄化する水洗冷却塔４及びモ
リキュラーシーブ塔５、清浄空気１０２を寒冷する主熱
交換器６、主熱交換器６の寒冷熱源を発生する圧縮・冷
却・断熱膨張サイクルからなる寒冷熱発生装置１１及び
主熱交換器６で寒冷された高圧精留塔フィード空気１０
３を精留分離する高圧精留塔８及び低圧精留塔９から構
成されている。
【０００４】大気中の塵や埃がフィルター１により除去
されて得られた原料空気１０１は、主空気圧縮機２ａ、
２ｂにより所要圧力まで昇圧される。主空気圧縮機２ａ
の出口には中間冷却器３が装備されており、圧縮による
発熱分を冷却して所定の温度範囲に維持している。主空
気圧縮機２ｂで再圧縮された原料空気１０１は、水洗冷
却塔４で冷却・浄化され、モリキュラーシーブ塔５に送
られ、後工程で凍結・固化する怖れのある水分、ＣＯ２
および炭化水素系成分などが除去され、清浄空気１０２
となって図中に点線枠で示したコールドボックス１３に
供給される。
【０００５】コールドボックス１３は、外部から熱的に
遮断された極低温ゾーンであり、主熱交換器６や高圧精
留塔８及び低圧精留塔９はこの中に装備されている。コ
ールドボックス１３と外部との境界領域には、圧縮機１
１ａはコールドボックス１３の外側に配置し、エキスパ
ンダー１１ｂはコールドボックス１３の内側に配置し、
それぞれが同軸上で連結されており、かつ圧縮機１１ａ
とエキスパンダー１１ｂの間に寒冷熱発生装置圧縮機出
口冷却器１２が配置されている寒冷熱発生装置１１が装
備されている。
【０００６】寒冷熱発生装置１１は、清浄空気１０２の
一部を寒冷熱発生用空気１０４として抜き出して圧縮機
１１ａ、寒冷熱発生装置圧縮機出口冷却器１２、エキス
パンダー１１ｂを経由して圧縮・冷却・断熱膨張させる
ことで寒冷熱を発生させ、低圧精留塔の上部に供給する
ことにより、コールドボックス内の極低温性を維持する
働きをなしている。
【０００７】一方、残りの主たる清浄空気１０２は、主
熱交換器６により低圧精留塔９からの製品酸素ガス１０
７や低純度窒素ガス１０８と熱交換され-175℃程度まで
冷却され、一部は酸素リッチな液体空気となる。その液
体空気は、多段層からなる高圧精留塔８の下段に高圧精
留塔フィード空気１０３として供給される。高圧精留塔
８の上部に進むに従って沸点の違いにより分離が進み、
沸点の低い窒素分が多くなり、塔頂段近辺から高純度窒
素ガス１０６ａとして抜き取られる。高圧精留塔９の塔
頂部から引出された高純度窒素ガス１０６ａは、低圧精
留塔８の底部に位置するリボイラ・コンデンサ１０に供
給され、低圧精留塔９の下部に溜まる液体酸素と熱交換
され、その液体酸素を気化する一方で自らは液化され
る。液化窒素の一部１０６ｂは高圧精留塔８へ還流さ
れ、残りの液化窒素１０６は低圧精留塔９の上部に供給
される。
【０００８】リボイラ・コンデンサ１０は、低圧精留塔
９に対しては塔底部における液体酸素の気化量をコント
ロールするリボイラとして機能し、高圧精留塔８に対し
ては塔頂部の高純度窒素ガスの抜出しガスを液化するコ
ンデンサとして機能することから、リボイラ・コンデン
サの名がある。
【０００９】酸素リッチ液体空気１０５は、高圧精留塔
８の底部から低圧精留塔９の上部に引出され、途中の過
冷却器７において低圧精留塔９から引出される低純度窒
素１０８と熱交換されて更に冷却され、低圧精留塔９の
上部からフィード液として供給される。低圧精留塔９の
内部では、液化温度の高い酸素は、多段層を下方に移動
分離されて液体酸素として底部に溜まる。液体酸素は、
リボイラ・コンデンサ１０により気化して製品酸素ガス
１０７として低圧精留塔９から引出され、主熱交換器６
で清浄空気１０２と熱交換されて、製品酸素ガス１０７
ａとして利用に供される。同様に、低純窒素ガス１０８
も、最終的に主熱交換器６で清浄空気１０２と熱交換さ
れて常温レベルの温度まで加熱された後、コールドボッ
クス１３外部に送られ、各種用途への利用に供される。
【００１０】以上説明したように、図２に示した空気分
離設備は、寒冷発生のために利用された空気の一部が低
圧精留塔９に直接フィードされるため、酸素の分離が悪
くなり、酸素収率は良いシステムではない。また、寒冷
熱発生装置を採用しており、複雑な構成となっている。
【００１１】次に、酸素収率を考慮した空気分離設備の
別の従来例について図３に示す。図２に同じ構成要素に
は同じ符号を付し、説明を省略する。図２と異なるとこ
ろは、清浄空気１０２を寒冷熱発生装置１１に分配しな
いで全て主熱交換器６で冷却してそのまま高圧精留塔フ
ィード空気１０３として用いる。清浄空気１０２の一部
に代えて、低圧精留塔９から引出された低純度窒素ガス
１０８の一部を引出し、寒冷熱発生装置１１に圧縮前循
環窒素ガス１１０として循環して寒冷熱を発生さる構成
としている。また、寒冷熱発生装置１１のエキスパンダ
ー１１ｂで断熱膨張して寒冷された膨張循環窒素１１１
は低純度窒素１０８のフローに合流し、主熱交換器６を
経由して再び圧縮機１１ａに循環され、ループとしては
閉じた寒冷発生機構を形成している。現在、空気分離設
備として実用的に稼動しているものは、この図３に示さ
れたフローに準ずる構成を持つものが多い。
【００１２】その他、ＬＮＧ、液化水素などをはじめと
する外部寒冷熱源が利用可能な場合には、その寒冷熱を
利用することによって空気分離設備の酸素製造原単位を
改善できることが期待される。特開平4-126988号公報や
計装1997年Vol.40,No5,pp22〜27に開示されているＬＮ
Ｇの寒冷熱を利用した空気分離設備は、図３で示した窒
素循環が基本となっている。すなわち、ＬＮＧの冷熱を
不活性ガスである窒素を媒介としてコールドボックスや
精留塔の冷熱保持に生かす、という考え方である。
【００１３】図４は、そのようなＬＮＧ冷熱を利用した
場合のシステム構成の一例を示したものである。図３と
同じ構成要素には同じ符号を付け説明を省略する。図４
の構成の特徴は、寒冷熱発生装置１１のＬＮＧ・窒素熱
交換器１４の冷媒にＬＮＧ２０１等を用い、ＬＮＧ２０
１等の寒冷熱で冷却し、その一部を高圧精留塔８の上部
に供給する構成としたこと、及び高圧精留塔８の上部か
ら引出される高純度窒素の一部である高純度窒素ガス１
１２と低圧精留塔９の上部から引出される低純度窒素ガ
ス１０８の混合ガスの一部を寒冷熱発生装置１１に再循
環する構成としたことである。
【００１４】ＬＮＧ２０１の寒冷熱を与えられた窒素１
１０は、その一部がエキスパンダー１１ｂにより膨張し
て寒冷発生に用いられ、他は精留塔への冷熱供給として
用いられることで、精留塔で生成される液体窒素、液体
酸素が系外に排出されることにり失われる寒冷熱分を補
償することが可能となる。しかし、寒冷熱発生装置の負
荷の調整は難しく、液体酸素等を系外に排出する量を抑
制することはできなかった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の空気分離設備は、システムが複雑であり、寒冷熱
発生量と製品酸素の製造量のバランスを調節することが
困難で、系外への寒冷熱放出量が多くなり、酸素収率
や、寒冷熱発生効率が悪く、酸素製造原単位が高価とな
る等の問題があった。特に、ガスタービンでの燃焼用酸
素ガスやＮＯX生成抑止を意図したガスタービン燃料希
釈用窒素ガスの製造など、ガス状の酸素及び窒素の大量
製造が主目的となる空気分離設備の場合には、窒素圧縮
・冷却・膨張サイクル等の使い回しは構成的に複雑なだけ
ではなく酸素製造原単位の向上と言う観点からも効率的
ではない。
【００１６】本発明の目的は、酸素燃焼を行うガスター
ビン燃焼器への酸素ガスの酸素製造効率を向上できる空
気分離設備を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係わる
空気分離設備は、原料空気を所定温度まで寒冷する主熱
交換器と窒素及び酸素の沸点の差を利用して分離を行な
う精留塔とを有し外気から熱的に遮断されているコール
ドボックスと、原料空気を大気中から前記コールドボッ
クスに供給し所定圧力まで昇圧する主空気圧縮機と、原
料空気を冷却浄化する水洗冷却塔と、極低温下で固化す
る水分、炭酸ガス及び炭化水素などの成分を除去するモ
レキュラーシーブ塔とを備えた空気分離設備において、
前記主熱交換器の寒冷熱源として液化天然ガスの寒冷熱
を用いたことを特徴とする。
【００１８】請求項１の発明に係わる空気分離設備で
は、主熱交換機の寒冷熱源として従来の寒冷熱発生装置
に代えて、ＬＮＧの寒冷熱を用いた単純な構成となり、
かつ、原料空気を全て高圧精留塔８及び低圧精留塔９に
送って精留するので酸素の収率を向上させることが可能
となる。
【００１９】請求項２の発明に係わる空気分離設備は、
請求項１の発明において、複数段の前記主空気圧縮機を
設け、前記コールドボックスの主熱交換器で原料空気を
寒冷して排出される残留寒冷熱を有する天然ガスを冷媒
として用いるＬＮＧ中間冷却器を複数段の前記主空気圧
縮器の中間冷却器として具備したことを特徴とする。
【００２０】請求項２の発明に係わる空気分離設備で
は、コールドボックスの寒冷保持のために主熱交換機の
冷媒として働いたＬＮＧを主空気圧縮機のＬＮＧ中間冷
却器に供給し、主熱交換器に入る清浄空気を冷却するこ
とによって後段の主空気圧縮機に入るガスの体積流量を
低減することが可能となり、圧縮動力は低減され、酸素
製造効率は更に改善される。
【００２１】請求項３の発明に係わる空気分離設備は、
請求項２の発明において、複数段のうち２段目あるいは
それ以降の主空気圧縮機を前記モレキュラシーブ塔の下
流に配し、前記モレキュラシーブ塔と後段の主空気圧縮
機の間にＬＮＧ中間冷却器を配備したことを特徴とす
る。
【００２２】請求項３の発明に係わる空気分離設備で
は、ＬＮＧ中間冷却塔で凍結の可能性のある原料空気中
の水蒸気、炭酸ガス及び炭化水素系成分を、ＬＮＧ中間
冷却器の上流に配備されているモレキュラシーブ塔で予
め除去するので、ＬＮＧ中間冷却器で冷却されても凍結
することなく、従って、寒冷熱を有効に利用することが
できる。また、凍結成分が除去され、かつＬＮＧ中間冷
却器でより低い温度まで冷却されるので、その下流の主
空気圧縮機に供給されるガスの体積流量は減少し、圧縮
動力は削減できる。
【００２３】請求項４の発明に係わる空気分離設備は、
請求項１の発明において、前記精留塔として高圧精留塔
と低圧精留塔とを有した複式精留塔を設け、前記低圧精
留塔からの液体酸素の生成量を最小化し、前記低圧精留
塔からの寒冷熱抜き出し量を抑制することを特徴とす
る。
【００２４】請求項４の発明に係わる空気分離設備で
は、製品酸素ガス及び製品窒素ガスをより多く製造する
ことによって、精留塔から排出される液体酸素量を極力
抑えることができ、系外への寒冷熱放出は抑制すること
が可能となり、ＬＮＧの持つ寒冷熱をコールドボックス
の寒冷維持のために有効に利用しうる。
【００２５】請求項５の発明に係わる空気分離設備は、
請求項１の発明において、前記寒冷熱源として、液化天
然ガスの寒冷熱に加え、製品酸素ガス及び低純度窒素ガ
スの寒冷熱を併用することを特徴とする。
【００２６】請求項５の発明に係わる空気分離設備で
は、利用可能なＬＮＧの寒冷熱が不足する場合でも、製
品液体酸素及び低純度窒素ガスである製品窒素ガスの有
する寒冷熱を主熱交換器で回収することが可能となり、
コールドボックスを寒冷維持することが可能となり、か
つ利用形態の常温に近い酸素ガス及び窒素ガスを得るこ
とができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】図１を参照して本発明の実施の形
態を詳細に説明する。なお図４に示した従来例と同一構
成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略す
る。
【００２８】主空気圧縮機２ａ及び２ｂは、大気中の空
気をエアフィルター１を介して原料空気１０１を空気分
離設備に取り込み所定の圧力まで昇圧する。原料空気１
０１中の凍結の恐れのある成分、例えば、水分、炭酸ガ
ス、炭化水素成分塔を除去する水洗冷却塔４及びモリキ
ュラーシーブ塔５が、主空気圧縮機２ａと２ｂの間に配
備されている。第一段の主空気圧縮機２ａで加熱された
原料空気を冷却するために、圧縮機２ａと２ｂの間に中
間冷却器３が配備されている。モリキュラーシーブ塔５
と主空気圧縮機２ｂの間には、清浄空気１０２を冷却す
るＬＮＧ中間冷却器２０が配備されている。主空気圧縮
機２ｂの下流には、清浄空気１０２ａを寒冷分離するコ
ールドボックス１３が配管で接続されている。コールド
ボックス１３の内部にはＬＮＧ２０１を寒冷熱源とする
主熱交換器６及び空気の成分である窒素と酸素をその沸
点の違いにより精留分離する複式精留塔である高圧精留
塔８及び低圧精留塔９が配備されている。低圧精留塔９
の底部にはリボイラ・コンデンサ１０が配備されてい
る。また、低圧精留塔９から取り出された製品酸素ガス
１０７及び低純度窒素ガス１０８は、主熱交換器６に送
られ、清浄空気を冷却する構成となっている。また、主
熱交換器６から排出される天然ガス２０２ａはＬＮＧ中
間冷却器２０に送られる配管構成となっている。
【００２９】所定の圧力に昇圧された清浄空気１０２ａ
は、主熱交換器６に供給され、寒冷熱源として主熱交換
器６に供給されたＬＮＧ２０１と熱交換され寒冷され
る。すなわち清浄空気１０２ａは、−１６０℃程度のＬ
ＮＧと熱交換され、かつ所定の圧力以上に昇圧されてい
るので、主熱交換器６から排出される高圧精留塔フィー
ド空気１０３は一部は液化する温度まで冷却される。そ
の結果、高圧精留塔８に供給された酸素リッチな液体空
気は高圧精留塔８を上昇しながら沸点の低い窒素を多く
含むガス成分となり、高圧精留塔８の塔頂部では高純度
窒素１０６ａとなる。高純度窒素１０６ａが高圧精留塔
８の塔頂部から引出され、低圧精留塔９の底部に配備さ
れているリボイラ・コンデンサ１０に送られ、リボイラ
・コンデンサ１０に接している液体酸素と熱交換され、
液体酸素を蒸発させて酸素ガスにするとともに、自らは
液体酸素の蒸発熱で冷され液体窒素１０６，１０６ａに
なる。その液体窒素の一部１０６ｂは高圧精留塔８の上
部から高圧精留塔８の酸素と窒素の分離プロセスに還流
される。
【００３０】一方、残りの液体窒素１０６は低圧精留塔
９の上部に供給され、また、酸素リッチ液体空気１０５
は、高圧精留塔８の底部から取り出され、過冷却器７で
低圧精留塔９の塔頂から抜き出された低純度窒素１０８
と熱交換され、更に冷却されて、低圧精留塔９の上部に
供給される。その結果、液体空気１０５と液体窒素１０
６は、低圧精留塔９の上部から下部に移動しなが更に分
離が進み、低圧精留塔９の下部には液体空気が溜まる。
【００３１】かくして、高圧精留塔から抜き出す高純度
窒素ガス１０６ａの抜き出し量を多くすると、液体酸素
の取り出し可能量は低減し、商品酸素ガス１０７及び低
純度窒素ガスの製造量を増やすことが可能となる。
【００３２】また、商品酸素ガス１０７ａ及び商品窒素
ガス１０８ａが常温で利用される場合は、商品酸素ガス
１０７及び低純度窒素ガス１０８が有する残留寒冷熱を
主熱交換器６により有効に回収し、かつ、商品酸素ガス
１０７ａ及び商品窒ガス１０８ａを、原料空気である清
浄空気１０２ａにより常温近くまで加熱することができ
る。
【００３３】また、主熱交換器６から排出され、まだ残
留寒冷熱を有するＮＧ２０２をＬＮＧ中間熱冷却器２０
の冷媒として供給するので、清浄空気１０２を低温まで
冷却可能となり、従って、主空気圧縮機２ｂの圧縮動力
を低減できる。
【００３４】
【発明の効果】以上の説明したように、本発明によれば
ＬＮＧの寒冷熱を空気分離設備の寒冷熱源として利用す
ることにより、寒冷熱発生装置も不要となり、設備構成
の大幅な簡略化ができ、かつ、酸素製造効率も向上し、
更には、利用形態の常温に近い製品酸素ガス及び製品窒
素ガスを得ることができ、ガスタービンの効率向上効果
も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＬＮＧの寒冷熱を利用した空気
分離設備の一つの実施形態を示す構成図である。
【図２】空気を寒冷熱発生装置の循環ガスとして用いる
従来の空気分離設備の一例を示す構成図である。
【図３】窒素を寒冷熱発生装置の循環ガスとして用いる
従来の空気分離設備の一例を示す構成図である。
【図４】ＬＮＧの寒冷熱を利用した従来空気分離設備の
一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ エアフィルタ ２ａ、２ｂ 主空気圧縮機 ３ 中
間冷却器 ４ 水洗冷却塔 ５ モレキュラシーブ塔
６ 主熱交換器 ７ 過冷却器 ８ 高圧精留塔 ９
低圧精留塔 １０ リボイラ・コンデンサ １１ 寒冷
熱発生装置 １１ａ 圧縮機 １１ｂ エキスパンダー
１２ 寒冷熱発生装置圧縮機出口冷却器 １３ コー
ルドボックス １４ ＬＮＧ・窒素熱交換器 ２０ Ｌ
ＮＧ中間冷却器 １０１ 原料空気 １０２、１０２ａ
清浄空気 １０３ 高圧精留塔フィード空気 １０４
寒冷熱発生用空気 １０５ 酸素リッチ液体空気 １
０６、１０６ａ、１０６ｂ 液体窒素 １０７、１０７
ａ 製品酸素ガス １０８、１０８ａ 低純度窒素ガス
１０９ 液体酸素 １１０ 圧縮前循環窒素 １１１
膨張循環窒素 １１２ 高純度窒素ガス １１３ 高
圧精留塔フィード窒素 ２０１ ＬＮＧ ２０２、２０
２ａ NG（天然ガス）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 雅文 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 尾形 朋子 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 Ｆターム(参考） 3L044 AA03 CA02 DB03 FA04 KA05 4D047 AA08 AB01 AB02 BA03 BB03 CA04 CA07 DA06

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 原料空気を所定温度まで寒冷する主熱交
    換器と窒素及び酸素の沸点の差を利用して分離を行なう
    精留塔とを有し外気から熱的に遮断されているコールド
    ボックスと、原料空気を大気中から前記コールドボック
    スに供給し所定圧力まで昇圧する主空気圧縮機と、原料
    空気を冷却浄化する水洗冷却塔と、極低温下で固化する
    水分、炭酸ガス及び炭化水素などの成分を除去するモレ
    キュラーシーブ塔とを備えた空気分離設備において、前
    記主熱交換器の寒冷熱源として液化天然ガスの寒冷熱を
    用いたことを特徴とする空気分離設備。
  2. 【請求項２】 複数段の前記主空気圧縮機を設け、前記
    コールドボックスの主熱交換器で原料空気を寒冷して排
    出される残留寒冷熱を有する天然ガスを冷媒として用い
    るＬＮＧ中間冷却器を複数段の前記主空気圧縮器の中間
    冷却器として具備したことを特徴とする請求項１に記載
    の空気分離設備。
  3. 【請求項３】 複数段のうち２段目あるいはそれ以降の
    主空気圧縮機を前記モレキュラシーブ塔の下流に配し、
    前記モレキュラシーブ塔と後段の主空気圧縮機の間にＬ
    ＮＧ中間冷却器を配備したことを特徴とする請求項２に
    記載の空気分離設備。
  4. 【請求項４】 前記精留塔として高圧精留塔と低圧精留
    塔とを有した複式精留塔を設け、前記低圧精留塔からの
    液体酸素の生成量を最小化し、前記低圧精留塔からの寒
    冷熱抜き出し量を抑制することを特徴とする請求項１に
    記載の空気分離設備。
  5. 【請求項５】 前記寒冷熱源として、液化天然ガスの寒
    冷熱に加え、製品酸素ガス及び低純度窒素ガスの寒冷熱
    を併用することを特徴とする請求項１に記載の空気分離
    設備。
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