JP2004163098A - 統合空気分離方法及び装置 - Google Patents

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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

【課題】統合空気分離方法を提供する。
【解決手段】コンプレッサ（１）、燃焼器（５）及びエキスパンダ（１７）を含むガスタービンを備えるシステム内で、前記エキスパンダはコンプレッサ、天然ガス転換ユニット（２３）及び空気分離ユニット（２０）と繋げられ、空気がコンプレッサ内で圧縮され、空気の第１の部分（３）が燃焼器に送られ、空気の第２の部分（７）が空気分離ユニットに送られ、酸素富化ガス（２１）が空気分離ユニットから天然ガス転換ユニットに送られ、圧縮された窒素富化ガス（１６）がエキスパンダの上流に送られ、第１の天然ガス流（３３）が天然ガス転換ユニットに送られ、第２の天然ガス流（３５）が天然ガス液化ユニットに送られ、エキスパンダにより生じる仕事が天然ガス液化ユニットの冷却サイクルのサイクルコンプレッサ（２２，２７，４１）を作動させるために用いられる空気を分離するための方法である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、統合空気分離方法及び装置に関し、特に、ガスタービンプロセス及び天然ガス液化プロセスと統合された空気分離方法に関する。
ガスタービンコンプレッサから圧縮空気を除去し、これを空気分離ユニット（ＡＳＵ）に送り、ＡＳＵからガスタービンのエキスパンダの上流に窒素富化ガスを送ることにより、空気分離ユニット（ＡＳＵ）をガスタービンと統合することが特許文献１により知られている。この場合、ガスタービンのエキスパンダは、ガスタービンコンプレッサに繋げられる。
２つのガスタービンのコンプレッサを天然ガス液化プロセスの多成分冷媒（ＭＣＲ）を用いた冷却サイクルのサイクルコンプレッサと繋げることが特許文献２及び特許文献３により知られている。
一定の場所で、天然ガスの第１のガス流を液化天然ガスに変換し、さらに、天然ガスの第２のガス流をメタノール、ＤＭＥまたはフィッシャー−トロプシュ反応（Fischer Tropsch reaction）の生成物のような少なくとも１つの天然ガスの転換生成物に変換することが要望されている。転換反応は、しばしば大量のガス状酸素の供給を必要とする。この反応により発生する熱は、通常、電気を発生させるために蒸気タービン内で膨張される蒸気を上昇させるために使用される。
米国特許第ＵＳ−Ａ−３７３１４９５号 米国特許第ＵＳ−Ａ−４５６６８８５号 米国特許第ＵＳ−Ａ−５１３９５４８号
本発明は、空気分離ユニット、ガスタービン、天然ガス転換ユニット及び天然ガス液化ユニットを統合することにより、同一の天然ガス源から液化天然ガス、及び、メタノール、ジメチルエーテルまたはフィッシャー−トロプシュ生成物（Fischer Tropsch product）のような天然ガスの転換生成物の両者を同時に生成する生成合成物のコストを削減することを目的とするものである。
先行技術において、所要電力は、米国特許第ＵＳ−Ａ−３８６８８１７号、米国特許第ＵＳ−Ａ−４０９９３８３号及び米国特許第ＵＳ−Ａ−４１８４３２２号に示されるＡＳＵのＭＡＣコンプレッサに動力を供給する蒸気タービン、及び、前述した天然ガス液化の多成分冷却サイクル及びプロパンサイクルに動力を供給する２つのガスタービンにより提供される。
本発明の統合方法は、単一のガスタービンのみを使用する。
本発明のある１つの面に従えば、コンプレッサ（１）、燃焼器（５）及びエキスパンダ（１７）を含むガスタービンを備えるシステム内で行われ、前記エキスパンダは、前記コンプレッサ、天然ガス転換ユニット（２３）、天然ガス液化ユニット及び空気分離ユニット（２０）と繋がっており、
ａ）前記コンプレッサ（１）内で空気を圧縮し、前記空気の第１の部分（３）を前記燃焼器（５）に送り、前記空気の第２の部分（７）を前記空気分離ユニットに送る工程と、
ｂ）前記空気分離ユニット内で前記空気の少なくとも前記第２の部分を分離し、少なくとも酸素富化ガス（２１）及び窒素富化ガス（１６）を形成する工程と、
ｃ）天然ガスの第１のガス流（３３）を天然ガス源（２５）から前記天然ガス転換ユニット（２３）に送り、前記酸素富化ガスの少なくとも一部を前記天然ガス転換ユニットに送る工程と、
ｄ）前記窒素富化ガスの少なくとも一部を圧縮し、圧縮された前記窒素富化ガスの少なくとも一部を前記エキスパンダの上流に送る工程と、
ｅ）天然ガスの第２のガス流（３５）を前記天然ガス源から前記天然ガス液化ユニットに送り込む工程と
を含み、
前記エキスパンダにより生じる仕事は、前記天然ガス液化ユニットの冷却サイクルのサイクルコンプレッサ（２２，２７，４１）を作動させるために用いられる空気を分離するための方法を提供することができる。
「酸素富化」、「窒素富化」及び「アルゴン富化」という用語は、空気に関して富化されたという意味である。
本発明のさらなる任意の面に従えば、
前記空気の第２の部分（７）は、前記コンプレッサ（１）内で圧力Ｐまで圧縮され、前記空気分離ユニットに送られ、実質的に圧力Ｐで分離され、
前記エキスパンダは、冷却サイクルのサイクルコンプレッサに繋げられ、
前記天然ガス転換ユニット（２３）は、蒸気タービン（３１）内で膨張される蒸気を発生させ、
前記空気分離ユニット（２０）は、少なくとも２つの段（カラム）を備え、前記段の少なくともいずれか一方は、少なくとも８バール絶対（ｂａｒ ａｂｓ．）の圧力で機能する。
この方法はまた、以下の工程を含んでもよい。すなわち、
燃料ガス（４）を前記天然ガス転換ユニット（２３）から前記燃焼器に送る工程、
前記天然ガス転換プロセスから蒸気を得て、タービン（３１）内で前記蒸気を膨張させ、生じたエネルギーを用いて、前記空気分離ユニットの専用主空気コンプレッサ（１１）、前記空気分離ユニットのブースタ（１４）、窒素富化ガスを圧縮する前記空気分離ユニットのコンプレッサ（１９）、酸素富化ガスを圧縮する前記空気分離ユニットのコンプレッサ及び前記天然ガス液化ユニットのプロパンサイクルのコンプレッサ（４１）を含む群から選択される少なくとも１つのコンプレッサを駆動させる工程、及び／または、
前記蒸気タービン（３１）により生じた電気を前記空気分離ユニットの専用主空気コンプレッサ（１１）、前記空気分離ユニットのブースタ（１４）、窒素富化ガスを圧縮する前記空気分離ユニットのコンプレッサ（１９）、酸素富化ガスを圧縮する前記空気分離ユニットのコンプレッサ及び前記天然ガス液化ユニットのプロパンサイクルのコンプレッサ（４１）を含む群から選択される少なくとも１つのコンプレッサのためのそれぞれのモータに動力を供給するために用いる工程である。
前記サイクルコンプレッサ（２２）は、多成分冷却流体コンプレッサまたはプロパンサイクルコンプレッサである。
本発明のさらなる面に従えば、空気分離ユニット（２０）と、空気コンプレッサ（１）、燃焼器（５）及びエキスパンダ（１７）を有するガスタービンと、天然ガス転換ユニット（２３）と、天然ガス液化ユニットとを備え、
ａ）空気を前記空気コンプレッサから前記燃焼器及び前記空気分離ユニットに送るための複数の導管と、
ｂ）窒素富化ガス（１６）を前記空気分離ユニットから前記エキスパンダの上流ポイント（ｐｏｉｎｔ ｕｐｓｔｒｅａｍ）に送るための導管と、
ｃ）酸素富化ガス（２１）を前記空気分離ユニットから前記天然ガス転換ユニットに送るための導管と、
ｄ）天然ガス源（２５）から天然ガスの第１のガス流（３３）を前記天然ガス転換ユニットに送るための導管と、
ｅ）前記天然ガス源から天然ガスの第２のガス流（３５）を前記天然ガス液化ユニットに送るための導管と、
ｆ）前記エキスパンダからの仕事を前記空気コンプレッサ及び前記天然ガス液化ユニットの冷却サイクルのコンプレッサ（２２，２７，４１）に伝達するための手段と
を有する統合装置を提供することができる。
加えて、前記エキスパンダ（１７）は、前記空気コンプレッサ（１）に繋げられていてもよい。
この装置は、天然ガスを天然ガス転換ユニットに送るための導管及び酸素富化ガスを前記空気分離ユニットから前記転換ユニットに送るための導管を備えていてもよい。好ましくは、前記エキスパンダは、前記冷却サイクルのコンプレッサに繋げられている。
本発明に従えば、空気分離ユニット、ガスタービン、天然ガス転換ユニット及び天然ガス液化ユニットを統合することにより、同一の天然ガス源から液化天然ガス、及び、メタノール、ジメチルエーテルまたはフィッシャー−トロプシュ生成物のような天然ガスの転換生成物の両者を同時に生成する生成合成物のコストを削減することができる。
図面は、本発明に従う統合装置を構成するガスタービン（ＧＴ）、天然ガス転換ユニット及び天然ガス液化ユニットとこれらに統合された空気分離ユニット（ＡＳＵ）を示している。
ガスタービンのコンプレッサ１は、燃焼器５に送られる圧縮空気の第１の部分３を生成する。この燃焼器５には、天然ガス源２５からの天然ガスである（あるいは、天然ガスを含む）燃料４も送り込まれる。残りの圧縮空気７は、専用主空気コンプレッサ（ＭＡＣ）１１からの圧縮空気９と混合され、その後、冷却され、浄化される（図示せず）。この専用主空気コンプレッサは、本発明の装置の本質的な部分ではない。この空気１３の１０％から３０％は、例えば、液体酸素を気化させるために必要な圧力にまでブースタ空気コンプレッサ（ＢＡＣ）１４内でさらに圧縮されてもよい。ある空気分離方法では単一の高い空気圧を用いるため、このブースタもまた、本発明の装置の本質的な部分ではない。さらに圧縮された空気１３は、主熱交換ライン内で冷却され、液化され、ＡＳＵ２０の段に送られる。空気流７及び９の部分の混合物１５は、最高圧（あるいは、より高い圧力）で作動するＡＳＵ２０の段に送られ、この圧力は８バール絶対を超え、しばしば１２バール絶対を超え、これに続いて主熱交換ライン内で冷却される。
このＡＳＵは、例えばヨーロッパ特許第ＥＰ−Ａ−０５０４０２９号及び第ＥＰ−Ａ−５３８８５７号に記載されている２段または３段のシステムを備えていてもよい。
より低い圧力で作動するＡＳＵ２０の段から、窒素富化ガス流１６が引き出される。このガス流は、主熱交換ライン内で暖められ、その後、窒素コンプレッサ１９内で圧縮され、エキスパンダ１７の上流ポイントへ向かうガスタービンに送られる。例えば、窒素は、燃焼チャンバの下流部に送られるが、その代わりに、燃焼チャンバに送られてもよい。
少なくとも９９％モルの酸素を含有する酸素富化ガス流２１は、液体としてＡＳＵの段から除去され、２５バール絶対から５０バール絶対までの間にまで加圧され、主熱交換ライン内で気化され、フィッシャー−トロプシュユニット（Fischer Tropsch unit）のような天然ガス転換ユニット２３に送られ、ここで、天然ガス源２５からの天然ガスの第１のガス流３３がその他の生成物に転換される。
天然ガス源は、パイプラインによりメインランドもしくはオフショア処理プラント、または、メタンタンカーに連結されたガス田であってもよい。
ＡＳＵ２０はまた、液状の最終製品２４またはアルゴン富化製品２６を生成することができる。
エキスパンダ１７は、燃焼器５から燃焼ガス１９が送り込まれ、コンプレッサ１と繋がっている。ＭＡＣコンプレッサ１１及びＢＡＣコンプレッサ１４のそれぞれは、窒素コンプレッサ１９と同様に、それぞれのモータと繋がっている。外部ネットワークからの電気の持ち込みを必要としないモータのうちの少なくとも１つに電気を提供するために、ユニット２３からの蒸気が、発電機と繋がっている蒸気タービン３１内で膨張されてもよい。
エキスパンダ１７はまた、天然ガス源２５からの第２の天然ガス流３５を液化するために使用される多成分冷却サイクルのコンプレッサ２２と繋がっている。このサイクルの他のコンプレッサ２７は、電気モータで駆動され、これには、好ましくは蒸気タービン３１により生じる電気が送り込まれる。この天然ガスはコンプレッサ２２，２７内で圧縮された圧縮多成分冷媒に間接的及び直接的に接触することにより容器２８内で冷却され、これにより液化され、液化天然ガス２９を形成する。
図１の場合には、天然ガス液化プラントは、最も簡単な表現に省略されている。事実、このような液化プラントは一般的に、プロパン閉サイクルを含むより複雑なものである。
図２は、本発明に従う統合方法において作動させるために改良された天然ガス液化ユニットを示している。
第２の天然ガス流３５は、プロパン閉サイクル３７を用いて冷却され、液化機２８に送られ、液化天然ガス２９が生成される。多成分冷却サイクル３９は、この天然ガスを液化するために使用される。サイクルのコンプレッサ２２の１つは、ガスタービンエキスパンダ１７に繋げられており、一方で、この他のコンプレッサ２７は、蒸気タービン３１により発生された電気が送り込まれるモータを有する。プロパンサイクルのコンプレッサ４１もまた、蒸気タービン３１により発生された電気が送り込まれるモータを有する。
離れた場所にあるものへ電気を持ち込むのを避けるために、ガスタービンエキスパンダを、好ましくはＭＣＲコンプレッサ２２，２７のような天然ガス液化プラントのコンプレッサ、または、プロパンサイクルが行われるところであるプロパンコンプレッサ４１に繋げることがわかる。ガスタービンコンプレッサからの空気は、ＡＳＵに送られることから、残りのコンプレッサには、蒸気タービンにより発生される電気を用いて動力が供給されてもよい。
天然ガス液化プラントを含む本発明に従う装置を説明するための模式図。 改良された天然ガス液化ユニットを示す模式図。
符号の説明
１…空気コンプレッサ、
３…空気の第１の部分、４…燃料ガス（燃料）、５…燃焼器、
７…空気の第２の部分（圧縮空気、空気流）、
９…圧縮空気（空気流）、
１１…専用主空気コンプレッサ（ＭＡＣ）、
１３…圧縮空気、
１４…ブースタ（ブースタ空気コンプレッサ（ＢＡＣ））、
１５…空気流の混合物、１６…窒素富化ガス（窒素富化ガス流）、
１７…エキスパンダ（ガスタービンエキスパンダ）、
１９…窒素コンプレッサ（空気分離ユニットコンプレッサ）、１９…燃焼ガス、
２０…空気分離ユニット（ＡＳＵ）、２１…酸素富化ガス（酸素富化ガス流）、
２２，２７…サイクルコンプレッサ（多成分冷却サイクルコンプレッサ、ＭＣＲコンプレッサ）、２３…天然ガス転換ユニット、２４…液状最終製品、
２５…天然ガス源、２６…アルゴン富化製品、
２８…容器（液化機）、２９…液化天然ガス、
３１…蒸気タービン、
３３…天然ガスの第１のガス流、
３５…天然ガスの第２のガス流、
３７…プロパン閉サイクル、
３９…多成分冷却サイクル、
４１…サイクルコンプレッサ（プロパンサイクルコンプレッサ）。

Claims (12)

  1. コンプレッサ、燃焼器及びエキスパンダを含むガスタービンを備えるシステム内で行われ、前記エキスパンダは、前記コンプレッサ、天然ガス転換ユニット、天然ガス液化ユニット及び空気分離ユニットと繋がっており、
    ａ）前記コンプレッサ内で空気を圧縮し、前記空気の第１の部分を前記燃焼器に送り、前記空気の第２の部分を前記空気分離ユニットに送る工程と、
    ｂ）前記空気分離ユニット内で前記空気の少なくとも前記第２の部分を分離し、少なくとも酸素富化ガス及び窒素富化ガスを形成する工程と、
    ｃ）天然ガスの第１のガス流を天然ガス源から前記天然ガス転換ユニットに送り、前記酸素富化ガスの少なくとも一部を前記天然ガス転換ユニットに送る工程と、
    ｄ）前記窒素富化ガスの少なくとも一部を圧縮し、圧縮された前記窒素富化ガスの少なくとも一部を前記エキスパンダの上流に送る工程と、
    ｅ）天然ガスの第２のガス流を前記天然ガス源から前記天然ガス液化ユニットに送り込む工程と
    を含み、
    前記エキスパンダにより生じる仕事は、前記天然ガス液化ユニットの冷却サイクルのサイクルコンプレッサを作動させるために用いられることを特徴とする空気分離方法。
  2. 前記空気の第２の部分は、前記コンプレッサ内で圧力Ｐまで圧縮され、前記空気分離ユニットに送られ、実質的に圧力Ｐで分離されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 前記エキスパンダは、前記冷却サイクルの前記サイクルコンプレッサと繋がっていることを特徴とする請求項１または２のいずれか一方記載の方法。
  4. 前記天然ガス転換ユニットは、蒸気タービン内で膨張される蒸気を発生させることを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項記載の方法。
  5. 前記空気分離ユニットは、少なくとも２つの段を備え、前記段の少なくともいずれか一方は、少なくとも８バール絶対の圧力で機能することを特徴とする請求項１ないし４のうちのいずれか１項記載の方法。
  6. 前記天然ガス転換ユニットからの燃料ガスは、前記燃焼器に送られることを特徴とする請求項１ないし５のうちのいずれか１項記載の方法。
  7. 前記天然ガス転換プロセスから蒸気を得て、前記蒸気タービン内で前記蒸気を膨張させ、生じたエネルギーを用いて、前記空気分離ユニットの専用主空気コンプレッサ、前記空気分離ユニットのブースタ、窒素富化ガスを圧縮する前記空気分離ユニットのコンプレッサ、酸素富化ガスを圧縮する前記空気分離ユニットのコンプレッサ及び前記天然ガス液化ユニットのプロパンサイクルのサイクルコンプレッサを含む群から選択される少なくとも１つのコンプレッサを駆動させることを含むことを特徴とする請求項１ないし６のうちのいずれか１項記載の方法。
  8. 前記蒸気タービンにより生じた電気は、前記空気分離ユニットの専用主空気コンプレッサ、前記空気分離ユニットのブースタ、窒素富化ガスを圧縮する前記空気分離ユニットのコンプレッサ、酸素富化ガスを圧縮する前記空気分離ユニットのコンプレッサ及び前記天然ガス液化ユニットのプロパンサイクルのサイクルコンプレッサを含む群から選択される少なくとも１つのコンプレッサのためのそれぞれのモータに動力を供給するために用いられることを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 前記サイクルコンプレッサは、多成分冷却流体コンプレッサであることを特徴とする請求項１ないし８のうちのいずれか１項記載の方法。
  10. 前記サイクルコンプレッサは、プロパンサイクルコンプレッサであることを特徴とする請求項１ないし９のうちのいずれか１項記載の方法。
  11. 空気分離ユニットと、空気コンプレッサ、燃焼器及びエキスパンダを有するガスタービンと、天然ガス転換ユニットと、天然ガス液化ユニットとを備え、空気を前記空気コンプレッサから前記燃焼器及び前記空気分離ユニットに送るための複数の導管と、
    ａ）窒素富化ガスを前記空気分離ユニットから前記エキスパンダの上流ポイントに送るための導管と、
    ｂ）酸素富化ガスを前記空気分離ユニットから前記天然ガス転換ユニットに送るための導管と、
    ｃ）天然ガス源から天然ガスの第１のガス流を前記天然ガス転換ユニットに送るための導管と、
    ｄ）前記天然ガス源から天然ガスの第２のガス流を前記天然ガス液化ユニットに送るための導管と、
    ｅ）前記エキスパンダからの仕事を前記空気コンプレッサ及び前記天然ガス液化ユニットの冷却サイクルのコンプレッサに伝達するための手段と
    を有することを特徴とする統合装置。
  12. 前記エキスパンダは、前記空気コンプレッサと繋がっていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
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