JP2014088982A - 酸素富化空気製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】酸素富化空気の生産量を変更することができると共に、生産量に関わらず酸素富化空気を安価に製造できる酸素富化空気製造システムを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係る酸素富化空気製造システム１０は、天然ガスを燃焼させる施設５５に供給される液化天然ガスと空気とを熱交換させる第１の熱交換器１４と、第１の熱交換器１４において熱交換された空気を所定の圧力まで圧縮する圧縮機１５と、圧縮された空気と液化天然ガスとを熱交換させる第２の熱交換器１６と、第２の熱交換器１６において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張弁１８と、断熱膨張させた空気の気液分離を行う気液分離装置１９と、を備え、圧縮機１５の圧縮比及び膨張弁１８の開度は、断熱膨張後の空気の温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下となるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、投入された空気から当該空気よりも酸素濃度の高い空気である酸素富化空気を製造する酸素富化空気製造システムに関する。

近年、地球環境問題からＣＯ_２の排出削減のため、高炉や発電等の燃焼熱源を使う施設（設備）では、燃焼させたときのＣＯ_２の排出量が比較的少ないＮＧ（天然ガス）を燃料として使用している。このＮＧを燃焼させる際に、燃費削減等のために、大気（空気）の代わりに酸素（純酸素）や、大気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気を吹き込んで燃やすことでＮＧをより高温で燃焼させ、大気中窒素に持っていかれる熱を抑制することによって熱効率を向上させる方法がある。このような、ＮＧのより高温の燃焼に用いられる純酸素を比較的大量に、また生産性よく製造する装置としては、特許文献１に記載の深冷分離方式の空気分離装置が一般に知られている。

この空気分離装置（深冷分離方式）は、空気を極低温まで冷却して液化した後、精留塔において酸素と窒素との沸点の違いを利用して前記空気から酸素を分留する。このとき、前記空気分離装置において、空気を液化する際の低温源としてＬＮＧ（液化したＮＧ）の冷熱を利用して酸素の製造コストを抑える提案やその試みはあるが、それほど一般的ではない。詳しくは、ＮＧを燃料とする燃焼熱源を使う施設では、通常、ＮＧを液化してその体積を小さくした（約１／６００にした）状態、即ち、ＬＮＧ（液化天然ガス）の状態でタンク等に貯蔵しており、このタンクに貯蔵されているＬＮＧの温度がその沸点である−１６２°以下の極低温状態に保たれている。このため、原理的には、前記空気分離装置では、このＬＮＧの冷熱を利用して空気の液化を行って酸素の冷却の際の電力等の消費を抑えることができる。

このような空気分離装置（深冷分離方式）によれば、純度が９９．６ｖｏｌ．％以上の高純度な酸素（純酸素）が得られる。

特開平６−１１２５４号公報

ＮＧのより高温の燃焼のために供給される空気は、上述のように、純酸素のような純度の高い酸素でなく、通常の空気（酸素濃度が２１％）よりも酸素濃度の高い酸素富化空気（酸素濃度が例えば３０％〜５０％程度）であってもよい（酸素富化燃焼と呼ばれる。）。空気分離装置は、そもそも工業用原料としての高純度酸素及び高純度窒素を製造するために設計された装置であり、前記のように、ＬＮＧの貯蔵設備に併設されるのであればＬＮＧの冷熱を利用してコストを抑えることができるが、酸素富化燃焼を目的とする場合には、必要以上の純度の酸素を製造することによって余分な電力等のエネルギーを消費しており、余分なコストが生じてしまう。

ここで、この純度の高い酸素と通常の空気とを混ぜて酸素富化空気を製造することも考えられるが、上記のような深冷分離方式による酸素の製造方法では、３０ｔ／日を超えるような大規模生産を行わなければ経済的でないため、少量の酸素富化空気が必要な場合には、コストが大幅に上昇して酸素富化空気を安価に製造することができない。

また、上記の空気分離装置では、深冷分離方式の作動原理及び分子熱流体の特性から、負荷変動量の制限と負荷変動速度の制限とが存在するため、極力一定した運転（即ち、単位時間当たりの酸素の生産量が一定になるような運転）を行わなければならず、単位時間当たりの酸素の生産量を変更することができない。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、酸素富化空気の生産量を変更することができると共に、生産量に関わらず酸素富化空気を安価に製造できる酸素富化空気製造システムを提供することを課題とする。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明の一態様である酸素富化空気製造システムは、投入された空気から当該空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気を製造する酸素富化空気製造システムであって、天然ガスを燃焼させる施設に供給される液化天然ガスと前記投入された空気とを熱交換させる第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器において熱交換された空気を所定の圧力まで圧縮する圧縮機と、前記圧縮された空気と前記液化天然ガスとを熱交換させる第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張弁と、前記断熱膨張させた空気の気液分離を行う気液分離装置と、を備える。そして、前記圧縮機の圧縮比及び前記膨張弁の開度は、前記断熱膨張後の空気の温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下となるようにそれぞれ設定されている。

本発明によれば、酸素富化空気を製造することによって純酸素を製造する場合に比べて製造コストを抑えることができる。

しかも、第１の熱交換器と第２の熱交換器とにおいて液化天然ガスの冷熱を利用して空気を冷却すると共に、この冷却後の空気を圧縮機によって圧縮することで、生産量に関わらず酸素富化空気を安価に製造することができる。

具体的には、気化させて使用する液化天然ガスの冷熱を利用して空気を冷却することによって、酸素富化空気の生産量に関わりなく、空気の冷却のための消費電力等のコストを抑えることができる。また、酸素富化空気の生産量に関わりなく、冷却後の空気を圧縮することによって圧縮機による昇圧の幅（圧縮比）を小さくしても断熱膨張後の空気の温度を酸素の沸点以下にすることができるため、圧縮機における消費電力を抑えることができる。よって、生産量に関わりなく酸素富化空気を安価に製造することができる。

また、上述の構成によれば、深冷分離方式のような液化させた空気から酸素のみを気化させるといった準静的な平衡プロセスではなく、空気中の酸素を液化させてこの空気を気液分離装置によって強制的に気液分離して酸素の濃縮を行う構成であるため、気液分離装置に供給される空気の量等が変動しても酸素の濃縮が連続的に行われる。このため、酸素富化空気の生産量（単位時間当たりの生産量）を変更することができる。

また、上述の酸素富化空気製造システムにおいて、前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスと、前記圧縮された空気と、を熱交換させる構成が好ましい。

かかる構成によれば、第１の熱交換器において空気との熱交換によって温度の上昇した液化天然ガスを、第２の熱交換器においてさらに昇温又は気化させることができる。即ち、第１の交換器から排出された空気は、圧縮機での圧縮によって第１の熱交換器から排出された直後よりも温度が上昇しているため、第２の熱交換器では、この熱によって液化天然ガスをさらに加熱して（熱交換させて）昇温又は気化させることができる。これにより、タンクに貯留された液化天然ガスを、前記施設において燃焼させるために気化させる際のエネルギー（例えば電力等）のコストをより抑えることができる。

また、上述の酸素富化空気製造システムにおいて、前記気液分離装置は、上下に延びる分離筒を備え、且つ供給された空気を前記分離筒内で旋回させるサイクロン式気液分離装置であることが好ましい。

かかる構成によれば、分離筒内において供給された空気の旋回流を生じさせるといった簡単な構造の装置であるため、極低温（空気に含まれる酸素が液化する温度）の空気の気液分離を行っても故障等が生じ難い。しかも、分離筒内で空気を旋回させる構成であるため、空気中に生じたミスト状の酸素（液化した酸素）を遠心力を利用して連続的に分離することができる。

上述の酸素富化空気製造システムでは、第１の熱交換器において液化天然ガスと熱交換したあとの空気は、非常に低い温度にまで冷却されている。このため、第１の熱交換器において熱交換された後の空気を圧縮する圧縮機は、低温雰囲気下においても摩擦なく連続的な圧縮動作が可能な構成でなければならず、例えば、回転軸が平行となるように配置された一対のスクリューロータを備え、これら一対のスクリューロータの回転によって空気を圧縮するスクリュー式圧縮機であることが好ましい。

また、上述の酸素富化空気製造システムにおいて、前記第１の熱交換器は、熱交換のために前記液化天然ガス又は前記空気が流れる流路を複数有し、これら複数の流路のうち外部に最も近い外側流路を前記空気が流れるように構成されることが好ましい。

かかる構成によれば、外部から第１の熱交換器の内部に向かって温度勾配が単調になり、即ち、温度が上下に変動せずに外部から第１の熱交換器の内部に向かって大気、空気の流れる流路、液化天然ガスの流れる流路の順に温度が下がるような温度勾配となるため、断熱性が向上すると共に当該第１の熱交換器における熱歪みを抑えることができる。

この場合、前記第１の熱交換器は、所定のゼオライトによって構成され、且つ前記外側流路内、又は当該第１の熱交換器内に設けられて前記外側流路と連通する空間内に配置される吸着材を有することが好ましい。

かかる構成によれば、第１の熱交換器内を空気が通過することによって、この空気に含まれる水蒸気やＣＯ_２、メタン、有機溶媒等が吸着剤によって吸着され、これにより、空気にこれらの物質が含まれていることに起因する気液分離装置での気液分離効率の低下を防ぐことができる。

また、上述の酸素富化空気製造システムにおいて、前記第２の熱交換器は、熱交換のために前記液化天然ガス又は前記空気が流れる流路を複数有し、これら複数の流路のうち当該第２の熱交換器の外部に最も近い外側流路を前記液化天然ガスが流れるように構成されることが好ましい。

熱交換器では、一般に、外側流路の断面積は、その内側に設けられ且つ前記外側流路を流れる流体と熱交換する流体の流れる内側流路の断面積よりも大きい。このため、上述の構成によれば、流路の断面積の大きな外側流路に液化天然ガスを流すと共に、流路の断面積の小さな内側流路に圧縮されて体積の小さくなった空気を流すことで、第２の熱交換器における液化天然ガスと空気（圧縮後の空気）との流速の差が抑えられ、これにより、熱交換効率の低下を抑えることができる。

さらに、圧縮機での圧縮に伴う発熱によって温度の上昇した空気との熱交換によって液化天然ガスの全部又は一部が気化することによる体積膨張を前記断面積の差によって吸収させることにより、前記膨張に基づいて熱交換器に発生する応力を低減することができる。

この場合、内側流路を流れる空気の温度よりも外側流路を流れる液化天然ガスの温度の方が低いため、第２の熱交換器における外部（外気）との温度差に起因する熱歪みの発生を防ぐために、前記第２の熱交換器は、前記複数の流路全体を外側から囲う断熱部を有することが好ましい。

また、上述の酸素富化空気製造システムでは、前記第１の熱交換器において熱交換された液化天然ガス又は前記第２の熱交換器において熱交換された液化天然ガス、及び、前記気液分離装置における分離した液体を排出する排出部から排出された前記空気と、前記天然ガスを燃焼させる施設から排気された排ガスと、を熱交換させる第３の熱交換器をさらに備えてもよい。

かかる構成によれば、天然ガスを燃焼させる施設において生じた排ガス（廃熱）を利用して、当該施設に供給される液化天然ガス（一部ガス化している場合も含む）と、当該酸素富化空気製造システムによって製造される酸素富化空気とを確実に気化（ガス化）することができる。しかも、前記液化天然ガスを燃焼させる施設から排気される排ガスは、天然ガス（気化させた液化天然ガス）を酸素富化空気を供給した状態で燃焼（高カロリー燃焼）させた後の排ガスであるためその温度が十分高く、このため、前記施設に供給される液化天然ガス（一部ガス化している場合も含む）と酸素富化空気との両方を確実にガス化することができる。

このように、前記施設に供給される液化天然ガスと酸素富化空気とが確実に気化される構成の酸素富化空気製造システムでは、前記第３の熱交換器において熱交換した空気、又は前記第３の熱交換器において熱交換することによって気化した液化天然ガスである天然ガスの流れる流路に配置されて前記空気又は前記天然ガスの流れ又は圧力を利用して発電する発電機をさらに備え、前記発電機は、前記圧縮機に接続され、当該発電機において生成した電力を前記圧縮機に供給することが好ましい。

かかる構成によれば、外部から酸素富化空気製造システムに供給される電力を抑えることができ、これにより、当該酸素富化空気製造システムの省電力化を図ることができる。

また、上述の酸素富化空気製造システムにおいて、前記気液分離装置における分離した気体を排気する排気部に接続されると共に、前記施設に供給される前の液化天然ガスが貯蔵されるタンクとこのタンクの外側を囲う断熱部との間に設けられるタンク冷却流路をさらに備えることが好ましい。

かかる構成によれば、気液分離装置の排気部から排気される極低温（酸素の沸点以下）の窒素又は窒素リッチな空気の冷熱を利用してタンクを冷却することができ、これにより、タンクに貯蔵する液化天然ガスを冷却して液相のままで維持するための電力等を抑えることができる。

また、上述の酸素富化空気製造システムにおいて、当該酸素富化空気製造システムに投入される空気を前記第１の熱交換器まで案内する案内流路をさらに備え、前記案内流路は、その内部を流れる空気と、前記施設に供給される前の液化天然ガスが貯蔵されるタンク内の液化天然ガスとの間で熱交換可能に当該タンクに沿って配置されることが好ましい。

かかる構成によれば、タンクに貯蔵された極低温の液化天然ガスの冷熱を利用して、第１の熱交換器に供給される前の空気を冷やして結露させることにより、後段（空気の流れにおける下流側）の気液分離装置での気液分離効率の低下の原因となる空気中の水分を除去することができる。

また、第１の熱交換器に供給される前の空気をタンクに貯蔵された液化天然ガスの冷熱を利用して冷却することにより、第１の熱交換器の小型化を図ることも可能となる。

以上より、本発明によれば、酸素富化空気の生産量を変更することができると共に、生産量に関わらず酸素富化空気を安価に製造できる酸素富化空気製造システムを提供することができる。

本実施形態に係る酸素富化空気製造システムと、この酸素富化製造システムが併設されている施設の概略構成を示す図である。 第１の熱交換器の斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ位置の断面図である。 図４（Ａ）はスクリュー圧縮機の横断面図であり、図４（Ｂ）はスクリュー圧縮機の縦断面図であり、図４（Ｃ）は図４（Ａ）のＩＶ（Ｃ）―ＩＶ（Ｃ）位置の断面図である。 膨張弁の前後の空気の圧力と、膨張後の空気の温度との関係を示す図である。 第２の熱交換器の横断面図である。 図７（Ａ）はサイクロン式気液分離装置の平面図であり、図７（Ｂ）はサイクロン式気液分離装置の正面図である。 第３の熱交換器の横断面図である。 他実施形態に係る酸素富化空気製造システムの概略構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図８を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る酸素富化空気製造システムと、この酸素富化製造システムが併設されている施設の概略構成を示す図である。図２は、第１の熱交換器の斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ位置の断面図である。図４は、スクリュー圧縮機を説明するための図である。図５は、膨張弁の前後の空気の圧力と、膨張後の空気の温度との関係を示す図である。図６は、第２の熱交換器の横断面図である。図７（Ａ）は、サイクロン式気液分離装置の平面図であり、図７（Ｂ）は、サイクロン式気液分離装置の正面図である。図８は、第３の熱交換器の横断面図である。

本実施形態に係る酸素富化空気製造システム（以下、単に「製造システム」とも称する。）は、例えば、高炉や発電等において天然ガス（以下、単に「ＮＧ」とも称する。）を燃焼させるときに熱効率の向上及び排出ガス（ＣＯ_２ガス等）の削減を目的として吹き込ませる酸素濃度の高い空気（酸素富化空気）を製造するためのものである。尚、酸素富化空気は、大気に比べて酸素濃度の高い空気のことであり、本実施形態の製造システム１０では、酸素濃度が３０％程度の酸素富化空気が製造される。また、本実施形態において、ＮＧは、液化天然ガス（以下、単に「ＬＮＧ」とも称する。）を気化させたガス（気体）である。

本実施形態の製造システムは、図１に示されるように、ＬＮＧをタンク５０に貯蔵すると共に、このＬＮＧを気化させたガス（ＮＧ）を燃料として燃焼させる例えば高炉や発電等の施設５５（以下、単に「施設」とも称する。）に併設され、投入された空気から当該空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気を前記ＬＮＧの冷熱を利用して製造し、この製造した酸素富化空気を施設５５に供給する。

この製造システム１０は、送風装置１１と、予冷部１２と、圧縮機１５と、第２の熱交換器１６と、膨張弁１８と、気液分離装置１９と、第３の熱交換器２０と、発電機２１と、を備える。

送風装置１１は、外部の空気（大気）を投入空気として予冷部１２に送り込む（送風する）。

予冷部１２は、除湿案内部（案内流路）１３と第１の熱交換器１４とを有し、送風装置１１によって送られた空気を冷却したあと圧縮機１５に供給する。

除湿案内部１３は、送風装置１１によって当該製造システム１０に投入された空気を第１の熱交換器１４まで案内する。この除湿案内部１３は、その内部を流れる空気と、タンク５０に貯蔵されたＬＮＧとの間で熱交換可能にタンク５０に沿って配置されている。このように、タンク５０に貯蔵された極低温（本実施形態では１１３Ｋ）のＬＮＧの冷熱を利用して第１の熱交換器１４に供給される前の空気を除湿案内部１３内で結露させて除湿することにより、後段の気液分離装置１９において気液分離効率の低下の原因となる空気中の水分を除去することができる。また、第１の熱交換器１４に供給される前の空気を冷却することにより、第１の熱交換器１４の小型化を図ることも可能となる。

具体的に、除湿案内部１３は、送風装置１１と第１の熱交換器１４とに接続されている。そして、除湿案内部１３は、送風装置１１から供給された空気（投入空気）を断熱壁５２内を通過させたあと、第１の熱交換器１４まで案内する。この断熱壁５２は、ＬＮＧが貯蔵されたタンク５０を囲み且つ厚さ方向に複数層に区分けされた壁であり、除湿案内部１３は、前記空気をこの断熱壁５２の最外層を通過させたあと、第１の熱交換器１４まで案内する。

尚、除湿案内部１３は、投入された空気を断熱壁５２の最外層を通過させる構成に限定されず、断熱壁５２の他の層（最外層以外の層）を通過させるように構成されてもよい。また、図１では、複数層の断熱壁５２を簡略化して一層の壁として記載している。

第１の熱交換器１４は、除湿案内部１３を通過した空気と、タンク５０から供給されたＬＮＧとを熱交換させる。本実施形態の第１の熱交換器１４は、例えば図２及び図３に示されるような、アルミ製のプレートフィン式熱交換器（詳しくは、アルミ部材をロウ付けすることによって形成された熱交換器）である。

この第１の熱交換器１４は、箱型形状のケーシング１４０と、このケーシング１４０の中央部に内装されると共に、空気が流れる第１流路１４１ａとＬＮＧが流れる第２流路１４１ｂとが交互に配置される熱交換部１４１とを備える。

ケーシング１４０は、下端部及び上端部にＬＮＧ用の下部ヘッダ１４２及び上部ヘッダ１４３を有する。また、ケーシング１４０は、上側部及び下側部に空気用の上側部ヘッダ１４４及び下側部ヘッダ１４５を有する。

このケーシング１４０は、その内部の上下方向の中央位置に熱交換部１４１を有する。この熱交換部１４１の上端部に上部分配部１４６が設けられ、熱交換部１４１の下端部に下部分配部１４７が設けられている。

上部分配部１４６は、除湿案内部１３から上側部ヘッダ１４４に供給された空気を熱交換部１４１の各第１流路１４１ａに案内すると共に熱交換部１４１の各第２流路１４１ｂを通過したＬＮＧを上部ヘッダ１４３に案内する。一方、下部分配部１４７は、タンク５０から下部ヘッダ１４２に供給されたＬＮＧを熱交換部１４１の各第２流路１４１ｂへ案内すると共に、熱交換部１４１の各第１流路１４１ａを通過した空気を下側部ヘッダ１４５に案内する。

このように構成されることにより、第１の熱交換器１４に供給される空気は、上側部ヘッダ１４４及び上部分配部１４６を順に通過して熱交換部１４１の各第１流路１４１ａ内に導入される。そして、この空気は、これら各第１流路１４１ａを通過した後、下部分配部１４７及び下側部ヘッダ１４５を順に通過して外部に排出される。一方、第１の熱交換器１４に供給されるＬＮＧは、下部ヘッダ１４２及び下部分配部１４７を順に通過して熱交換部１４１の各第２流路１４１ｂ内に導入される。そして、このＬＮＧは、これら各第２流路１４１ｂを通過した後、上部分配部１４６及び上部ヘッダ１４３を順に通過して外部に排出される。このようにＬＮＧが上方に向かって流れると共に空気が下方に向かって流れることにより、各流路１４１ａ、１４１ｂを仕切っているアルミ製のプレートを介してＬＮＧと空気との熱交換が行われる。

熱交換部１４１は、第１流路１４１ａと第２流路１４１ｂとが交互に配置されることによって、多数の流路（第１流路１４１ａと第２流路１４１ｂと）が層状に並ぶ。本実施形態の熱交換部１４１（第１の熱交換器１４）は、外部に最も近い外側流路（図３における右端の第１流路１４１ａ及び左端の第１流路１４１ａ）を空気が流れるように構成されている。かかる構成によれば、各流路１４１ａ、１４１ｂの積層方向（図３の左右方向）における第１の熱交換器１４の外周部及びその近傍において、外部から第１の熱交換器１４の内部に向かって温度勾配が単調になる。具体的に、温度が上下に変動せずに外部から第１の熱交換器１４の内部に向かって大気、空気の流れる第１流路１４１ａ、ＬＮＧの流れる第２流路１４１ｂの順に温度が下がるような温度勾配となる。このため、第１の熱交換器１４では、外部との断熱性が向上すると共に当該第１の熱交換器１４の前記外周部における熱歪みを抑えることができる。

尚、熱交換部１４１において、外側に最も近い流路である第１流路１４１ａは、第２流路１４１ｂよりも１層多いことから、各第１流路１４１ａの断面積の合計の方が、各第２流路１４１ｂの断面積の合計よりも大きくなっている。

また、第１の熱交換器１４の第１流路１４１ａ内又は第１流路１４１ａと連通する上側部ヘッダ１４４及び下側部ヘッダ１４５内に、吸着剤（図示省略）が配置されている。本実施形態の吸着剤は、例えば、モレキュラーシーブ等のゼオライトである。この吸着剤は、第１の熱交換器１４内を空気が通過したときに、この空気に含まれる水蒸気やＣＯ_２、メタン、有機溶媒等を吸着する。これにより、空気にこれらの物質が含まれていることに起因する気液分離装置１９での気液分離効率の低下を防ぐことができる。

圧縮機１５は、第１の熱交換器１４と第２の熱交換器１６とに接続されている。この圧縮機１５は、第１の熱交換器１４において熱交換された後の空気を所定の圧力まで圧縮し、第２の熱交換器１６に向けて送り出す。本実施形態の圧縮機１５は、容積型圧縮機の一種である、スクリュー式圧縮機である。具体的に、スクリュー圧縮機１５は、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示されるように、回転軸１５１が平行となるように配置された一対のスクリューロータ（雌ロータと雄ロータ）１５２、１５３と、これを囲むケーシング１５４とを備える。このスクリュー圧縮機１５は、ケーシング１５４に設けられた導入口１５５から供給された空気を、一対のスクリューロータ１５２、１５３が互いに逆方向に回転する（図４（Ｃ）においてスクリューロータ１５２は時計周りに回転し、スクリューロータ１５３は反時計周りに回転する）ことによって空気を圧縮し、この圧縮した空気を排出口１５６から排出（排気）する。

本実施形態の圧縮機１５は、第１の熱交換器１４から供給された大気圧（１気圧）の空気を７気圧まで圧縮する。即ち、本実施形態の圧縮機の圧縮比は７である。

この圧縮比（圧縮後の空気圧）は、膨張弁１８によって断熱膨張された後の空気の温度が窒素の沸点より高く且つ酸素の沸点以下となるように設定される。具体的には、以下の通りである。

膨張弁１８の前後の空気の圧力Ｐ１、Ｐ２、及び膨張弁１８の前後の温度Ｔ１、Ｔ２の関係は、ジュール・トムソン関係式より以下の式（１）によって表される。

また、Ｃｐは定圧比熱であり、Ｃｖは定積比熱である。尚、本実施形態においてＴ１（断熱膨張前の空気の温度）は、１１３Ｋである。

図５は、この関係をグラフ化したものである。当該製造システム１０では、膨張弁１８から気液分離装置１９に対して空気を高速のガス流として供給する必要から、断熱膨張後の空気の圧力として３気圧を確保する必要がある。そこで、図５を参照すると、断熱膨張前の空気の圧力（即ち、膨張弁の直前の空気の圧力）が７気圧以上であれば、断熱膨張後の空気の温度を窒素の沸点より高く且つ酸素の沸点以下とすることができる。また、断熱膨張後の空気において３気圧を確保することが可能であることがわかる。

第２の熱交換器１６は、圧縮機１５から供給された空気（圧縮された後の空気）と、第１の熱交換器１４から供給されたＬＮＧ（第１の熱交換器１４において熱交換された後のＬＮＧであって一部が気化してＮＧとなっている状態も含む）とを熱交換させる。本実施形態の第２の熱交換器１６はアルミ製のプレートフィン式熱交換器である。

この第２の熱交換器１６は、図６に示されるように、ケーシング１４０の外側に断熱部１６０を有する以外は第１の熱交換器１４と同様の構成である。この断熱部１６０は、真空断熱構造を有する。

この第２の熱交換器１６は、ＬＮＧが第１流路１４１ａを流れ、且つ空気が第２流路１４１ｂを流れるように、第１の熱交換器１４と圧縮機１５とに接続されている。このように最も外側の流路（外側流路）に温度の低いＬＮＧが流れるため、断熱部１６０を設け、これにより、第２の熱交換器１６の外周部における外部（外気）と内部（第１流路１４１ａを流れるＬＮＧ）との温度差に起因する熱歪みの発生を防いでいる。

また、第２の熱交換器１６では、第１の熱交換器１４と同様に、各第１流路１４１ａの断面積（流れ方向と直交する断面の断面積）の合計が、各第２流路１４１ｂの断面積（流れ方向と直交する断面の断面積）の合計よりも大きい。このため、当該第２の熱交換器１６のように、各流路の断面積の合計の大きな第１流路１４１ａにＬＮＧを流すと共に、各流路の断面積の合計の小さな第２流路１４１ｂに圧縮されて体積の小さくなった空気を流すことで、第２の熱交換器１６内を流れるＬＮＧと空気（圧縮後の空気）との流速の差が抑えられる。これにより、第２の熱交換器１６における熱交換効率の低下が抑えられる。

さらに、圧縮機１５での圧縮に伴う発熱によって温度の上昇した空気との熱交換によってＬＮＧの全部又は一部が気化することによる体積膨張を前記断面積の差によって吸収させることにより、第２の熱交換器１６において発生する前記膨張に基づく応力を低減することができる。

膨張弁１８は、第２の熱交換器１６から供給された空気を断熱膨張させて気液分離装置１９に供給する。この膨張弁１８は、供給された空気を断熱膨張させて当該空気の温度が窒素の沸点（７７Ｋ）よりも高く且つ酸素の沸点（９０Ｋ）以下にする。即ち、膨張弁１８の開度は、断熱膨張させた空気の温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下となるように設定されている（又は調整される）。これにより、膨張弁１８を通過した空気では、酸素が液化した状態（具体的には、ミスト状の酸素を含んだ空気）となる。

尚、膨張弁１８の開度は、断熱膨張前の空気の圧力及び温度によって適宜設定される。

本実施形態の膨張弁１８は、気液分離装置１９に所定の値以上の流速（気液分離装置１９において気液分離可能な旋回流が形成されるような流速）で空気を供給できるように、断熱膨張させた後の空気の圧力が３気圧となるような開度に設定されている。

気液分離装置１９は、断熱膨張させて温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下になった空気（本実施形態では、酸素がミスト状になっている空気）の気液分離を行う。本実施形態では、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示されるようなサイクロン式気液分離装置１９が用いられる。

この気液分離装置１９は、上下に延びる分離筒１９０を備え、且つ供給された空気を前記分離筒１９０内で旋回させる。即ち、本実施形態の気液分離装置１９は、供給された空気の旋回流を分離筒１９０内に形成し、この旋回流における遠心力を利用して気液分離を行う、いわゆるサイクロン式の気液分離装置である。

分離筒１９０は、上下方向に延びる軸ｃを中心とする円筒状の円筒上部１９１と、円筒上部１９１の下側に設けられた円錐状の円筒下部１９２と、を有する。円筒上部１９１は、圧縮機１５に接続され且つ円筒上部１９１の上端部に設けられる導入口１９３と、前記円筒上部１９１の天壁の中心部を貫通するように上下に延びる排出筒１９４と、を有する。

この分離筒１９０では、導入口１９３からミスト状の酸素を含む空気が円筒上部１９１内へ接線方向に導入される。導入された空気は、円筒上部１９１の内周面１９１ａに沿って旋回しつつ下方へ向かう旋回流となる。この旋回流における遠心力によって分離筒１９０の内周面１９１ａ、１９２ａに液化した酸素（ミスト状の酸素）が付着し、内周面１９１ａ、１９２ａに沿って下方へ流れ落ちる。

円筒上部１９１から円筒下部１９２まで旋回しつつ降下し、この間に遠心力によってミスト状の（液化した）酸素が取り除かれた空気（即ち、窒素又は窒素リッチになった空気）の流れは、円筒下部１９２において上方へ向かう流れとなり、円筒上部１９１の中央に設けられた排出筒１９４から外部に排出される。尚、円筒下部１９２の内周面１９２ａの中心軸（垂直軸）ｃに対する傾斜角が大き過ぎると、ミストごと空気が巻き上げられて排出筒１９４から排出される一方、前記傾斜角が小さ過ぎると、分離筒１９０の上下方向の長さ寸法が大きくなってしまう。このため、前記傾斜角は、７５°〜８５°が好ましい。

円筒下部１９２の下端には、当該気液分離装置１９において分離した液体（ミスト状の酸素）を排出する排出部１９５が設けられている。この排出部１９５は、液化酸素受け部（図示省略）と、排水ポンプ１９６（図１参照）とを有する。液化酸素受け部は、分離筒１９０の内周面１９１ａ、１９２ａに沿って流れ落ちてきたミスト状の酸素を溜める。また、排水ポンプ１９６は、前記液化酸素受け部に溜まった液体（ミスト状の酸素）を連続的又は断続的に外部に排出する。本実施形態では、排水ポンプが液化酸素受け部に泡状になって溜まった空気を外部に排出する。この排水ポンプによって排出される泡状の空気は、酸素が濃縮された酸素富化空気である。

尚、液化酸素受け部に溜まった液化した酸素（泡状の空気）を断続的に外部に排出させる場合には、排水ポンプ１９６の代わりに電磁弁が設けられてもよい。

分離筒１９０は、内部で旋回する空気をその温度が窒素の沸点（７７Ｋ）よりも高く且つ酸素の沸点（９０Ｋ）以下となるように保持する必要があるため、周壁は、真空断熱構造となっている。また、空気の旋回流と内周面１９１ａ、１９２ａとの間の摩擦を抑えるため、内周面１９１ａ、１９２ａは、鏡面仕上げとなっている。

排出筒１９４は、タンク５０とこのタンク５０の外側を囲う断熱壁５２との間に設けられたタンク冷却流路５４に接続されている。これにより、排出筒１９４から排出された窒素（又は窒素リッチな空気）がタンク冷却流路５４に供給される。この窒素は、酸素の沸点以下の極低温であるため、この窒素の冷熱によってタンク５０内に貯蔵されたＬＮＧを冷却することによって、タンク５０内のＬＮＧの温度を維持するための電力等を抑えることができる。尚、本実施形態では、タンク５０を冷却した後の窒素は、大気中に放出される。

第３の熱交換器２０は、気液分離装置１９の排出部１９５から排出された酸素富化空気及び第２の熱交換器１６を通過したＬＮＧ（ＮＧを含む気液二相状態のＬＮＧ）又はＮＧと、施設５５から排気された排ガスと、を熱交換させる。本実施形態の第３の熱交換器２０はアルミ製のプレートフィン式熱交換器である。この第３の熱交換器２０は、図８に示されるように、第１の熱交換器１４と同様の構成である。

この第３の熱交換器２０は、排ガスが第１流路１４１ａを流れ、酸素富化空気とＬＮＧ（又はＮＧ）とが第２流路１４１ｂ（１４１ｃ）を交互に流れるように構成されている。尚、図８においては、酸素富化空気が流れる第２流路の符号を１４１ｂとし、ＬＮＧ（又はＮＧ）が流れる第２流路の符号を１４１ｃとしている。

施設５５では、酸素富化空気を供給しつつＮＧを燃焼させている（高カロリー燃焼させている）ため、高温の排ガスが排出されている。第３の熱交換器２０では、この高温の排ガスと熱交換させることによって酸素富化空気及びＮＧを完全に気化させる。

発電機２１は、第３の熱交換器２０の下流に配置され、第３の熱交換器２０から排出される空気を利用して発電する。詳しくは、発電機２１は、タービンを備えたタービン式の発電機であり、第３の熱交換器２０から施設５５へ供給される酸素富化空気の流路に配置されている。そして、発電機２１は、施設５５へ向かう酸素富化空気の流れによってタービンが回転することによって発電する。この発電機２１は、圧縮機１５に送電可能に接続され、発電した電力を圧縮機１５に供給する。これにより、外部から当該製造システム１０に供給される電力を抑えることができ、その結果、当該製造システム１０の省電力化を図ることができる。

尚、発電機２１は、酸素富化空気の流れを利用して発電するタービン式発電機等に限定されず、酸素富化空気の圧力を利用して発電する発電機（例えば、いわゆるスクリュー式発電機等）であってもよい。

また、第２の熱交換器１６において空気（圧縮後の空気）と熱交換したＬＮＧが完全に気化した状態（ＮＧの状態）で第２の熱交換器１６から排出される場合には、発電機２１は、第２の熱交換器１６と第３の熱交換器２０とを繋ぐ流路上に配置されてもよい。

以上の製造システム１０によれば、酸素富化空気を製造することによって純酸素を製造する場合に比べて製造コストを抑えることができる。

しかも、第１の熱交換器１４と第２の熱交換器１６とにおいてＬＮＧの冷熱を利用して空気を冷却すると共に、この冷却後の空気を圧縮機１５によって圧縮することで、生産量に関わらず酸素富化空気を安価に製造することができる。

具体的には、ＬＮＧ（気化させて使用するＬＮＧ）の冷熱を利用して空気を冷却することによって、酸素富化空気の生産量に関わりなく、空気の冷却のための消費電力等のコストを抑えることができる。また、酸素富化空気の生産量に関わりなく、冷却後の空気を圧縮することによって圧縮機１５による昇圧の幅（圧縮比）を小さくしても断熱膨張後の空気の温度を酸素の沸点以下にすることができる。このため、圧縮機１５における消費電力を抑えることができる。従って、当該製造システム１０によれば、生産量に関わりなく酸素富化空気を安価に製造することができる。

また、本実施形態の製造システム１０では、深冷分離方式のような液化させた空気から酸素のみを気化させるといった準静的な平衡プロセスではなく、空気中の酸素を液化させてこの空気を気液分離装置１９によって強制的に気液分離して酸素の濃縮を行う構成である。このため、当該製造システム１０では、気液分離装置１９に供給される空気の量等が変動しても酸素の濃縮が連続的に行われる。よって、酸素富化空気の生産量（単位時間当たりの生産量）を変更することができる。

また、本実施形態の製造システム１０によれば、分離筒１９０内において供給された空気の旋回流を生じさせるといった簡単な構造の装置であるため、極低温（空気に含まれる酸素が液化する温度：９０Ｋ以下）の空気の気液分離を行っても故障等が生じ難い。しかも、分離筒１９０内で空気を旋回させる構成であるため、空気中に生じたミスト状の酸素（液化した酸素）を、遠心力を利用して連続的に分離させることができる。

尚、本発明の酸素富化空気製造システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

上記実施形態の製造システム１０では、圧縮機１５の駆動に必要な電力を発電機２１から得ているが、この構成に限定されず、外部からの電力を用いる構成でもよい。この場合、発電機２１が設けられていなくてもよい。

また、気液分離装置の具体的構成は限定されない。上記実施形態の気液分離装置１９は、いわゆるサイクロン式の気液分離装置であるが、極低温の雰囲気下（酸素の沸点（９０Ｋ）以下の雰囲気下）で気液分離可能な装置であれば気液分離の方法は限定されず、例えば、図９に示される遠心式分留器６０等の他の方式（サイクロン式と異なる方式）の気液分離装置であってもよい。

図９に示される製造システム１０Ａの遠心式分留器６０は、すり鉢状の回転体（ローター）６２と、この回転体６２を回転駆動する駆動部（モータ）６４と、その内部空間内に回転体６２を回転可能に収容するケーシング６６と、を備える。この遠心式分留器６０は、膨張弁１８によって断熱膨張された空気が回転体６２の内側面６３に噴射され、内側面６３に付着した酸素（断熱膨張によって液化した酸素）が回転体６２の回転による遠心力によって回転体６２の外周縁を囲むように設けられた受け部６７によって集められる。一方、断熱膨張によって液化しなかった窒素又は窒素リッチな空気は、ケーシング６６に設けられた排気部６８から外部に排出される。このようにして、遠心式分留器６０では、気液分離が行われる。

また、上記実施形態の製造システム１０では除湿案内部１３が設けられているが、無くてもよい（図９参照）。この場合、例えば、図９に示されるように、第１の熱交換器１４に供給される空気と、気液分離装置１９、６０から排気される窒素又は窒素リッチな空気とを熱交換させる第４の熱交換器１７が設けられてもよい。即ち、第１の熱交換器１４に供給される空気の除湿及び予冷（予備冷却）を、気液分離装置１９、６０から排気される極低温（窒素の沸点より高く且つ酸素の沸点以下）の窒素又は窒素リッチな空気の冷熱を利用して行ってもよい。

また、上記実施形態の製造システム１０ではタンク冷却流路５４が設けられているが、無くてもよい。

また、上記実施形態の第３の熱交換器２０は、気液分離装置１９から排出される酸素富化空気及び第２の熱交換器１６から排出されるＬＮＧと、施設５５からの排ガスとを熱交換させる構成であるが、前記酸素富化空気と前記ＬＮＧのいずれか一方と、施設５５からの排ガスとを熱交換させるように構成されてもよい。

また、上記実施形態の製造システム１０では、第１の熱交換器１４において熱交換された後のＬＮＧが第２の熱交換器１６に供給されているが、例えば、第２の熱交換器１６にタンク５０からＬＮＧが直接供給される構成であってもよい。

１０、１０Ａ 酸素富化空気製造システム
１３ 除湿案内部（案内流路）
１４ 第１の熱交換器
１４１ａ 第１流路（外側流路）
１４１ｂ 第２流路（内側流路）
１５ 圧縮機
１５１ 回転軸
１５２、１５３ スクリューロータ
１６ 第２の熱交換器
１６０ 断熱部
１８ 膨張弁
１９、６０ 気液分離装置
１９０ 分離筒
１９４ 排出筒（排出部）
１９５ 排出部
２０ 第３の熱交換器
２１ 発電機
５０ タンク
５２ 断熱壁
５４ タンク冷却流路
５５ 施設

Claims (12)

1. 投入された空気から当該空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気を製造する酸素富化空気製造システムであって、
   天然ガスを燃焼させる施設に供給される液化天然ガスと前記投入された空気とを熱交換させる第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器において熱交換された空気を所定の圧力まで圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮された空気と前記液化天然ガスとを熱交換させる第２の熱交換器と、
   前記第２の熱交換器において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張弁と、
   前記断熱膨張させた空気の気液分離を行う気液分離装置と、を備え、
   前記圧縮機の圧縮比及び前記膨張弁の開度は、前記断熱膨張後の空気の温度が窒素の沸点よりも高く且つ酸素の沸点以下となるようにそれぞれ設定されている、酸素富化空気製造システム。
2. 前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスと、前記圧縮された空気と、を熱交換させる、請求項１に記載の酸素富化空気製造システム。
3. 前記気液分離装置は、上下に延びる分離筒を備え、且つ供給された空気を前記分離筒内で旋回させるサイクロン式気液分離装置である、請求項１又は２に記載の酸素富化空気製造システム。
4. 前記圧縮機は、回転軸が平行となるように配置された一対のスクリューロータを備え、これら一対のスクリューロータの回転によって空気を圧縮するスクリュー式圧縮機である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の酸素富化空気製造システム。
5. 前記第１の熱交換器は、熱交換のために前記液化天然ガス又は前記空気が流れる流路を複数有し、これら複数の流路のうち外部に最も近い外側流路を前記空気が流れるように構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸素富化空気製造システム。
6. 前記第１の熱交換器は、所定のゼオライトによって構成され、且つ前記外側流路内、又は当該第１の熱交換器内に設けられて前記外側流路と連通する空間内に配置される吸着材を有する、請求項５に記載の酸素富化空気製造システム。
7. 前記第２の熱交換器は、熱交換のために前記液化天然ガス又は前記空気が流れる流路を複数有し、これら複数の流路のうち当該第２の熱交換器の外部に最も近い外側流路を前記液化天然ガスが流れるように構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の酸素富化空気製造システム。
8. 前記第２の熱交換器は、前記複数の流路全体を外側から囲う断熱部を有する、請求項７に記載の酸素富化空気製造システム。
9. 前記第１の熱交換器において熱交換された液化天然ガス又は前記第２の熱交換器において熱交換された液化天然ガス、及び、前記気液分離装置における分離した液体を排出する排出部から排出された前記空気と、前記天然ガスを燃焼させる施設から排気された排ガスと、を熱交換させる第３の熱交換器をさらに備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の酸素富化空気製造システム。
10. 前記第３の熱交換器において熱交換した空気、又は前記第３の熱交換器において熱交換することによって気化した液化天然ガスである天然ガスの流れる流路に配置されて前記空気又は前記天然ガスの流れ又は圧力を利用して発電する発電機をさらに備え、
    前記発電機は、前記圧縮機に接続され、当該発電機において生成した電力を前記圧縮機に供給する、請求項９に記載の酸素富化空気製造システム。
11. 前記気液分離装置における分離した気体を排気する排気部に接続されると共に、前記施設に供給される前の液化天然ガスが貯蔵されるタンクとこのタンクの外側を囲う断熱部との間に設けられるタンク冷却流路をさらに備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の酸素富化空気製造システム。
12. 当該酸素富化空気製造システムに投入される空気を前記第１の熱交換器まで案内する案内流路をさらに備え、
    前記案内流路は、その内部を流れる空気と、前記施設に供給される前の液化天然ガスが貯蔵されるタンク内の液化天然ガスとの間で熱交換可能に当該タンクに沿って配置される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の酸素富化空気製造システム。
    

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