JP2015206476A - oxygen concentration system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素濃縮システムに関する。 The present invention relates to an oxygen enrichment system.
近年、地球環境問題からCO2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CO2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を燃料として用いる場合において燃料費の削減等のため、熱効率を向上させる方法として、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むことでNGをより高温で燃焼させ、大気中の窒素に持っていかれる熱量を抑制する方法がある。このような、より高温でのNG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、例えば下記特許文献1に記載された深冷分離方式の空気分離装置が一般に知られている。
In recent years, in order to reduce CO 2 emissions due to global environmental problems, facilities (equipment) that use combustion heat sources such as blast furnaces and power generation fuel NG (natural gas) that emits relatively little CO 2 when burned. It is used as As a method of improving thermal efficiency in order to reduce fuel costs when using this NG as fuel, oxygen (pure oxygen) or oxygen-enriched air having a higher oxygen concentration than the atmosphere is blown in place of the atmosphere (air). Thus, there is a method of burning NG at a higher temperature and suppressing the amount of heat taken by nitrogen in the atmosphere. As such an apparatus for producing pure oxygen used for combustion of NG at a higher temperature in a relatively large amount and with high productivity, for example, a cryogenic separation type air separation apparatus described in
この深冷分離方式の空気分離装置は、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液化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)の冷熱を利用することにより、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例えば約1/600に小さくした状態、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。 This cryogenic separation type air separation device cools air to a very low temperature and liquefies it, and then fractionates oxygen from the liquefied air in the rectification column using the difference in boiling point between oxygen and nitrogen. At this time, in the air separation device, there are proposals and attempts to reduce the production cost of oxygen by using the cold heat of LNG (liquefied NG) as a low temperature source when liquefying air, but it is not so common. Absent. Specifically, in a facility that uses a combustion heat source that uses NG as fuel, it is usually stored in a tank or the like in a state where NG is liquefied and its volume is reduced to, for example, about 1/600, ie, LNG (liquefied natural gas) The temperature of LNG stored in this tank is kept at an extremely low temperature of −162 ° C. or lower, which is the boiling point thereof. For this reason, in principle, in the air separation device, it is possible to liquefy the air using the cold heat of the LNG to suppress consumption of electric power or the like when cooling oxygen.
このような深冷分離方式の空気分離装置によれば、純度が99.6vol.%以上の高純度な酸素(純酸素)が得られる。 According to such a cryogenic separation type air separation device, the purity is 99.6 vol. % Or more of high-purity oxygen (pure oxygen) can be obtained.
より高温でのNGの燃焼のために供給される空気は、必ずしも純酸素のような純度の高い酸素ではなく、酸素濃度が21%である通常の空気よりも酸素濃度の高い酸素富化空気、例えば酸素濃度が30%〜50%程度の酸素富化空気であってもよい。このような酸素富化空気が供給されて行われる燃焼は、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る。このため、酸素富化燃焼に供給する酸素富化空気の製造を目的とする場合には、このような空気分離装置では、必要以上の純度の酸素を製造することになり、その結果、余分な電力等のエネルギを消費することになる。このため、余分なコストが生じてしまう。 The air supplied for NG combustion at a higher temperature is not necessarily high-purity oxygen such as pure oxygen, but oxygen-enriched air having a higher oxygen concentration than normal air having an oxygen concentration of 21%, For example, oxygen-enriched air having an oxygen concentration of about 30% to 50% may be used. Combustion performed by supplying such oxygen-enriched air is called oxygen-enriched combustion. The air separation apparatus is an apparatus designed to produce high-purity oxygen and high-purity nitrogen as industrial raw materials. For this reason, when the purpose is to produce oxygen-enriched air to be supplied to oxygen-enriched combustion, such an air separation device produces oxygen with an unnecessarily pure purity. Energy such as electric power is consumed. For this reason, extra cost will arise.
ここで、空気分離装置により製造される高純度の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な酸素の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。 Here, it is conceivable to produce oxygen-enriched air by mixing high-purity oxygen produced by an air separation device and normal air, but in the method for producing oxygen by the cryogenic separation method as described above, Since it is not economical unless large-scale oxygen production exceeding 30 t / day is performed, if a small amount of oxygen-enriched air is required, the cost is significantly increased and oxygen-enriched air is produced at a low cost. Can not do it.
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、単位時間当たりの酸素の生産量が一定になるような極力一定した運転を行わなければならない。このため、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。 Moreover, in the above air separation device, because of the operation principle of the cryogenic separation method and the characteristics of the molecular thermal fluid, there are a load fluctuation amount restriction and a load fluctuation speed restriction, so the amount of oxygen produced per unit time is low. The operation must be as constant as possible. For this reason, the production amount of oxygen per unit time cannot be changed.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、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濃縮システムを提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to change the production amount of oxygen-enriched air and to produce oxygen-enriched air at a low cost regardless of the production amount. It is to provide a possible oxygen enrichment system.
上記目的を達成するために、本発明の一態様である酸素濃縮システムは、投入された空気の酸素濃度を高める酸素濃縮システムであって、前記酸素濃縮システムに投入された空気を液化天然ガスとの間で熱交換させる第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後の空気を所定の圧力まで圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された後の空気を液化天然ガスとの間で熱交換させる第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機と、前記膨張機により断熱膨張された空気の気液分離を行う気液分離装置と、前記圧縮機及び前記膨張機を駆動する電動機と、を備え、前記圧縮機の圧縮比及び前記膨張機の膨張比は、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おり、前記圧縮機は、スクリュロータである圧縮雌ロータと、当該圧縮雌ロータに噛み合うスクリュロータである圧縮雄ロータとを有するスクリュ式圧縮機であり、前記膨張機は、スクリュロータである膨張雌ロータと、当該膨張雌ロータに噛み合うスクリュロータである膨張雄ロータとを有するスクリュ式膨張機であり、前記圧縮雌ロータと前記膨張雌ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、前記圧縮雄ロータと前記膨張雄ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、前記電動機は、前記圧縮雌ロータ及びそれに連結された前記膨張雌ロータを含む一方の回転体と、前記圧縮雄ロータ及びそれに連結された前記膨張雄ロータを含む他方の回転体とのうち少なくとも一方の回転体を回転させる。 In order to achieve the above object, an oxygen concentrating system according to one aspect of the present invention is an oxygen concentrating system for increasing the oxygen concentration of input air, wherein the air input to the oxygen concentrating system is liquefied natural gas. A first heat exchanger that exchanges heat between the first heat exchanger, a compressor that compresses air after heat exchange in the first heat exchanger to a predetermined pressure, and air that is compressed by the compressor A second heat exchanger that exchanges heat with liquefied natural gas, an expander that adiabatically expands the air heat-exchanged in the second heat exchanger, and an air that is adiabatically expanded by the expander A gas-liquid separation device that performs gas-liquid separation, and an electric motor that drives the compressor and the expander, and the compression ratio of the compressor and the expansion ratio of the expander are the temperatures of the air after the adiabatic expansion. Is higher than the boiling point of nitrogen and oxygen The compressor is a screw type compressor having a compression female rotor that is a screw rotor and a compression male rotor that is a screw rotor that meshes with the compression female rotor, The expander is a screw type expander having an expansion female rotor that is a screw rotor and an expansion male rotor that is a screw rotor meshing with the expansion female rotor, and the compression female rotor and the expansion female rotor are the same. The compression male rotor and the expansion male rotor are connected to each other so as to be integrally rotatable around an axis, and the electric motor is One rotating body including the compression female rotor and the expansion female rotor coupled thereto, the compression male rotor and the expansion male rotor coupled thereto Rotating at least one rotating body of a no other rotary member.
この酸素濃縮システムでは、純酸素ではなく、空気の酸素濃度を高めた酸素富化空気を製造できる。酸素富化空気は純酸素に比べれば酸素濃度が低いため、この酸素濃縮システムでの酸素富化空気の製造には、純酸素まで酸素濃度を高めるのに必要となる余分なコストが掛からない。このため、この酸素濃縮システムでは、酸素富化空気の製造コストを、純酸素を製造する場合の製造コストに比べて抑制することができる。 This oxygen enrichment system can produce oxygen-enriched air in which the oxygen concentration of the air is increased rather than pure oxygen. Since oxygen-enriched air has a lower oxygen concentration than pure oxygen, the production of oxygen-enriched air in this oxygen enrichment system does not take extra costs required to increase the oxygen concentration to pure oxygen. For this reason, in this oxygen concentration system, the manufacturing cost of oxygen-enriched air can be suppressed compared with the manufacturing cost in the case of manufacturing pure oxygen.
しかも、この酸素濃縮システムでは、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た熱交換により空気を冷却すると共に、第1の熱交換器で冷却された後の空気を圧縮機が圧縮することにより、酸素富化空気をその生産量に関わらず安価に製造することができる。 Moreover, in this oxygen concentrating system, the first heat exchanger and the second heat exchanger cooled the air by heat exchange using the cold heat of liquefied natural gas, and were cooled by the first heat exchanger. Oxygen-enriched air can be produced at low cost regardless of the production amount by compressing the subsequent air by the compressor.
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を抑えることができる。また、圧縮機が冷却後の空気を圧縮することにより、当該圧縮機による昇圧の幅(圧縮比)が小さく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、圧縮機を駆動する電動機の消費電力を抑えることができる。以上のように消費電力を抑制できることから、酸素富化空気の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。 Specifically, by cooling the air using the cold energy of the liquefied natural gas that is vaporized, the power consumption for cooling the air can be suppressed regardless of the amount of oxygen-enriched air produced. it can. Further, by compressing the air after cooling by the compressor, the temperature of the air after adiabatic expansion can be made equal to or lower than the boiling point of oxygen even if the range of pressure increase (compression ratio) by the compressor is small. For this reason, the power consumption of the electric motor which drives a compressor can be suppressed. Since power consumption can be suppressed as described above, oxygen-enriched air can be produced at low cost regardless of the amount of oxygen-enriched air produced.
また、この酸素濃縮システムでは、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によって強制的に気液分離することにより酸素の濃縮を行う構成を採用しているため、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。 In addition, this oxygen concentration system is not a quasi-static equilibrium process in which only oxygen is vaporized from liquefied air, such as a cryogenic separation system, but the oxygen in the air is liquefied and this air is separated into a gas-liquid separator Therefore, the oxygen concentration is continuously performed even if the amount of air supplied to the gas-liquid separation device fluctuates. For this reason, the production amount (production amount per unit time) of oxygen-enriched air can be changed.
さらに、この酸素濃縮システムでは、第2の熱交換器において熱交換された後の空気を断熱膨張させる手段としてスクリュ式膨張機を用いているため、例えば第2の熱交換器において熱交換された後の空気を断熱膨張させる手段として膨張弁が用いられるような場合に比べて、消費エネルギを削減できる。具体的に、膨張弁が設けられた箇所では流路が狭くなることから、断熱膨張の過程において空気と流路壁との間で摩擦熱が発生し、エネルギの散逸が生じる。これに対し、この酸素濃縮システムで用いているスクリュ式膨張機では、断熱膨張の過程における空気の摩擦熱の発生を抑制でき、エネルギの散逸を抑制できる。その結果、電動機の消費電力を抑制でき、この点からも酸素富化空気の安価な製造が可能となる。 Furthermore, in this oxygen concentration system, since a screw type expander is used as means for adiabatically expanding the air after heat exchange in the second heat exchanger, heat exchange is performed in the second heat exchanger, for example. Energy consumption can be reduced compared to the case where an expansion valve is used as means for adiabatically expanding the subsequent air. Specifically, since the flow path becomes narrow at the location where the expansion valve is provided, frictional heat is generated between the air and the flow path wall in the process of adiabatic expansion, resulting in energy dissipation. On the other hand, in the screw type expander used in this oxygen concentration system, generation of frictional heat of air in the process of adiabatic expansion can be suppressed, and energy dissipation can be suppressed. As a result, the power consumption of the electric motor can be suppressed, and from this point, it is possible to manufacture oxygen-enriched air at a low cost.
また、この酸素濃縮システムでは、圧縮機により圧縮された空気が第2の熱交換器で熱交換された後、膨張機で断熱膨張される際、当該圧縮空気の空圧エネルギ(圧力)が膨張雌ロータと膨張雄ロータを回転させるように作用する。ここで、当該酸素濃縮システムでは、膨張雌ロータと圧縮雌ロータとが一体的に回転可能となるように互いに連結されているとともに、膨張雄ロータと圧縮雄ロータとが一体的に回転可能となるように互いに連結されているため、前記空圧エネルギに起因する膨張雌ロータの回転力は圧縮雌ロータに伝達され、前記空圧エネルギに起因する膨張雄ロータの回転力は圧縮雄ロータに伝達される。このため、電動機が各ロータを回転させるために消費する電力を大幅に削減することができる。この点からも、酸素富化空気の安価な製造が可能となる。 Moreover, in this oxygen concentration system, when the air compressed by the compressor is heat-exchanged by the second heat exchanger and then adiabatically expanded by the expander, the pneumatic energy (pressure) of the compressed air is expanded. It acts to rotate the female rotor and the expanding male rotor. Here, in the oxygen concentration system, the expansion female rotor and the compression female rotor are connected to each other so as to be integrally rotatable, and the expansion male rotor and the compression male rotor are integrally rotatable. Thus, the rotational force of the expansion female rotor due to the pneumatic energy is transmitted to the compression female rotor, and the rotational force of the expansion male rotor due to the pneumatic energy is transmitted to the compression male rotor. The For this reason, the electric power consumed in order that an electric motor rotates each rotor can be reduced significantly. Also from this point, it is possible to manufacture oxygen-enriched air at a low cost.
なお、一般的には、スクリュ式膨張機以外の膨張機として、タービン羽根を回転させて対象となる気体を膨張させる形式のタービン膨張機が知られている。このようなタービン膨張機でも、断熱膨張の過程における空気の摩擦熱の発生を抑制できるため、酸素濃縮システムの膨張機としてタービン膨張機を適用することも理論的には想定される。この場合、タービン膨張機の回転軸をスクリュ式圧縮機のスクリュロータに連結すれば、圧縮空気の空圧エネルギをタービン膨張機からスクリュ式圧縮機へ回生することも理論的には可能である。 In general, as an expander other than the screw expander, a turbine expander of a type that expands a target gas by rotating a turbine blade is known. Even in such a turbine expander, the generation of frictional heat of air in the process of adiabatic expansion can be suppressed. Therefore, it is theoretically assumed that the turbine expander is applied as the expander of the oxygen concentration system. In this case, if the rotating shaft of the turbine expander is connected to the screw rotor of the screw compressor, it is theoretically possible to regenerate the pneumatic energy of the compressed air from the turbine expander to the screw compressor.
しかし、スクリュ式圧縮機とタービン膨張機とでは、それらを通って流れる空気の流量が同じ流量であっても、動作回転数が大幅に異なることから、タービン膨張機の回転軸をスクリュ式圧縮機のスクリュロータに直結することはできない。仮に、タービン膨張機の回転軸とスクリュ式圧縮機のスクリュロータとの間に変速機を介装して、相互間の動作回転数の差を解消することも考えられるが、この場合には、変速機において生じる摩擦によりエネルギが損失するため、エネルギの回生効果が失われる。 However, even if the flow rate of air flowing through the screw compressor and the turbine expander is the same, the rotational speed of the turbine expander is significantly different. It cannot be directly connected to the screw rotor. Temporarily, it may be possible to eliminate the difference in the number of operating revolutions between the rotating shaft of the turbine expander and the screw rotor of the screw compressor by eliminating the difference in the operating speed between them. Since energy is lost due to friction generated in the transmission, the energy regeneration effect is lost.
また、酸素濃縮システムの膨張機としてタービン膨張機を適用する場合に、スクリュ式圧縮機の方を、例えば自動車の内燃機関に付加されるターボチャージャで用いられるタービン圧縮機を模したタービン式に変更することにより、タービン膨張機とタービン圧縮機との間での動作回転数の差を解消することも考えられる。しかし、タービン圧縮機及びタービン膨張機では、それらを通って流れる空気の流速を上げて高速回転させないと、圧縮機において必要な圧縮比を得ることが難しい。仮に、必要な圧縮比の獲得のために電動機を高速回転させるとすれば、電動機の発熱量が過大となって冷却効果が損なわれることから、酸素富化空気の製造コストが増大する。また、仮に、膨張機に導入する空気の流速を上昇させる場合には、その空気の流れによる摩擦熱が増大する。この場合も、冷却効果が損なわれ、酸素富化空気の製造コストが増大する。従って、酸素濃縮システムにおいて、膨張機としてタービン膨張機を用いるとともに圧縮機としてタービン圧縮機を用いることは現実的ではない。 In addition, when a turbine expander is applied as an expander of an oxygen concentration system, the screw compressor is changed to a turbine model imitating a turbine compressor used in a turbocharger added to an internal combustion engine of an automobile, for example. It is also conceivable to eliminate the difference in the operating rotational speed between the turbine expander and the turbine compressor. However, in a turbine compressor and a turbine expander, it is difficult to obtain a necessary compression ratio in the compressor unless the flow velocity of the air flowing through them is increased to rotate at high speed. If the motor is rotated at a high speed in order to obtain a necessary compression ratio, the heat generation amount of the motor becomes excessive and the cooling effect is impaired, so that the production cost of oxygen-enriched air increases. Further, if the flow velocity of air introduced into the expander is increased, frictional heat due to the air flow increases. In this case as well, the cooling effect is impaired, and the production cost of the oxygen-enriched air increases. Therefore, it is not realistic to use a turbine expander as an expander and a turbine compressor as a compressor in an oxygen concentration system.
以上のように、スクリュ式圧縮機及びスクリュ式膨張機の代替手段が理論的には種々考えられるが、酸素濃縮システムに適用するにはそれぞれ問題点があるため、結果的に、本実施形態の酸素濃縮システムでは、スクリュ式圧縮機及びスクリュ式膨張機を用いることが最も好適である。 As described above, various alternative means for the screw compressor and the screw expander are theoretically conceivable, but there are problems in applying to the oxygen concentrating system. In the oxygen concentration system, it is most preferable to use a screw compressor and a screw expander.
上述の酸素濃縮システムにおいて、前記膨張雌ロータと前記膨張雄ロータは、それらのロータが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有することが好ましい。 In the above-described oxygen concentration system, it is preferable that the expanded female rotor and the expanded male rotor have tooth shapes that prevent mutual contact when the rotors rotate together.
かかる構成によれば、膨張雌ロータと膨張雄ロータが共に回転する時に膨張雌ロータと膨張雄ロータとの相互接触を回避してそれら両ロータ同士の接触に起因する摩擦抵抗の発生を防ぐことができる。その結果、膨張雌ロータと膨張雄ロータとの相互接触による摩擦抵抗に起因したエネルギの損失を防ぐことができ、電動機の消費電力をより削減できる。 According to such a configuration, when the expansion female rotor and the expansion male rotor rotate together, the mutual contact between the expansion female rotor and the expansion male rotor can be avoided to prevent the occurrence of frictional resistance due to the contact between the two rotors. it can. As a result, energy loss due to frictional resistance due to mutual contact between the expanded female rotor and the expanded male rotor can be prevented, and the power consumption of the motor can be further reduced.
この場合において、前記圧縮雌ロータと前記圧縮雄ロータは、それらのロータが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有することが好ましい。 In this case, it is preferable that the compression female rotor and the compression male rotor have tooth shapes that prevent mutual contact when the rotors rotate together.
かかる構成によれば、圧縮雌ロータと圧縮雄ロータが共に回転する時に圧縮雌ロータと圧縮雄ロータとの相互接触を回避してそれら両ロータ同士の接触に起因する摩擦抵抗の発生を防ぐことができる。その結果、圧縮雌ロータと圧縮雄ロータとの相互接触による摩擦抵抗に起因したエネルギの損失を防ぐことができ、電動機の消費電力をさらに削減できる。 According to such a configuration, when the compression female rotor and the compression male rotor rotate together, the mutual contact between the compression female rotor and the compression male rotor can be avoided to prevent the occurrence of frictional resistance due to the contact between the two rotors. it can. As a result, energy loss due to frictional resistance due to mutual contact between the compression female rotor and the compression male rotor can be prevented, and the power consumption of the motor can be further reduced.
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、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機により圧縮された後の空気との間で熱交換させる構成が好ましい。 Moreover, in the above-described oxygen concentration system, the second heat exchanger is between the liquefied natural gas after heat exchange in the first heat exchanger and the air compressed by the compressor. A configuration in which heat exchange is performed is preferable.
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の熱交換器から排出された空気は、圧縮機で圧縮されることにより第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、この空気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、液化天然ガスを、各種燃焼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。 According to such a configuration, the liquefied natural gas whose temperature has been increased by heat exchange with air in the first heat exchanger can be further heated or vaporized in the second heat exchanger. That is, the temperature of the air discharged from the first heat exchanger is higher than that immediately after it is discharged from the first heat exchanger by being compressed by the compressor, so that the second heat exchanger Then, the liquefied natural gas can be further heated (heat exchanged) by the heat of the air to be heated or vaporized. Thereby, the cost of the energy (for example, electric power etc.) at the time of vaporizing in order to burn liquefied natural gas in various combustion facilities can be suppressed more.
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、前記気液分離装置は、上下に延びる分離筒を備えていて、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。 Moreover, in the above-described oxygen concentration system, the gas-liquid separation device is preferably a cyclone gas-liquid separation device that includes a separation cylinder extending in the vertical direction and rotates the supplied air within the separation cylinder.
かかる構成によれば、気液分離装置が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となるため、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。 According to such a configuration, since the gas-liquid separation device has a simple structure in which the swirling flow of the air supplied in the separation cylinder is generated, the air at a very low temperature (temperature at which oxygen contained in the air is liquefied) Even if gas-liquid separation is performed, failure or the like hardly occurs. In addition, since the air is swirled in the separation cylinder, mist-like oxygen (liquefied oxygen) generated in the air can be continuously separated using centrifugal force.
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、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ていて、これら複数の流路のうち当該第1の熱交換器の外部に最も近い流路である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。 In the above-described oxygen concentration system, the first heat exchanger has a plurality of flow paths through which the liquefied natural gas or the air flows for heat exchange, and the first of the plurality of flow paths. It is preferable that the air flow in an outer flow path that is the flow path closest to the outside of one heat exchanger.
かかる構成によれば、第1の熱交換器の外部から内部に向かって温度勾配が単調になる。即ち、第1の熱交換器の外部から内部に向かって温度が上下に変動せずに大気、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っていくような温度勾配となる。このため、第1の熱交換器の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。 According to such a configuration, the temperature gradient becomes monotonous from the outside to the inside of the first heat exchanger. That is, a temperature gradient in which the temperature decreases in the order of air, air flow path, and liquefied natural gas flow path without the temperature changing up and down from the outside to the inside of the first heat exchanger. Become. For this reason, while the heat insulation of a 1st heat exchanger improves, the thermal distortion in the said 1st heat exchanger can be suppressed.
この場合、前記第1の熱交換器は、前記外側流路内又は当該第1の熱交換器内の前記外側流路と連通する空間内に配置されてゼオライトを含む吸着材を有することが好ましい。 In this case, it is preferable that the first heat exchanger has an adsorbent containing zeolite disposed in the outer flow path or in a space communicating with the outer flow path in the first heat exchanger. .
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CO2、メタン、有機溶媒等が吸着材によって吸着される。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での気液分離効率の低下を防ぐことができる。 According to such a configuration, when air passes through the first heat exchanger, water vapor, CO 2 , methane, an organic solvent, and the like contained in the air are adsorbed by the adsorbent. Thereby, the fall of the gas-liquid separation efficiency in the gas-liquid separation apparatus resulting from these substances being contained in air can be prevented.
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、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ていて、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流路である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。 Further, in the above-described oxygen concentration system, the second heat exchanger has a plurality of flow paths through which the liquefied natural gas or the air flows for heat exchange, and the second of the plurality of flow paths. It is preferable that the liquefied natural gas flows in an outer flow path that is the flow path closest to the outside of the second heat exchanger.
熱交換器では、一般に、外側流路の断面積は、その外側流路よりも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、断面積の大きな外側流路に液化天然ガスを流すと共に、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の流速と空気(圧縮後の空気)の流速との差が抑えられる。これにより、熱交換効率の低下を抑えることができる。 In the heat exchanger, generally, the cross-sectional area of the outer flow path is larger than the cross-sectional area of the inner flow path that is provided inside the outer flow path and through which the fluid that exchanges heat with the fluid that flows through the outer flow path. For this reason, according to the above-described configuration, the liquefied natural gas is allowed to flow through the outer passage having a large cross-sectional area, and the second air having a reduced volume is caused to flow through the inner passage having a small cross-sectional area. The difference between the flow rate of liquefied natural gas and the flow rate of air (compressed air) in the heat exchanger is suppressed. Thereby, the fall of heat exchange efficiency can be suppressed.
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第2の熱交換器に発生する応力を低減することができる。 Furthermore, the expansion is achieved by absorbing the volume expansion caused by the vaporization of all or part of the liquefied natural gas by the heat exchange with the air whose temperature is increased by the heat generated by the compression in the compressor, by the difference in the cross-sectional area. Therefore, the stress generated in the second heat exchanger can be reduced.
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)と内部との間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。 In this case, since the temperature of the liquefied natural gas flowing through the outer flow path is lower than the temperature of the air flowing through the inner flow path, it is caused by the temperature difference between the outside (outside air) and the inside of the second heat exchanger. In order to prevent the occurrence of thermal distortion, the second heat exchanger preferably has a heat insulating portion that surrounds the entire plurality of flow paths from the outside.
また、上述の酸素濃縮システムでは、前記第1の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスと前記第2の熱交換器において熱交換された後の液化天然ガスとのうちのいずれか一方の液化天然ガス及び前記気液分離装置において分離されてその気液分離装置から排出された液体を含む空気と、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いてもよい。 In the above-described oxygen concentration system, any one of the liquefied natural gas after heat exchange in the first heat exchanger and the liquefied natural gas after heat exchange in the second heat exchanger is provided. A third gas that exchanges heat between one liquefied natural gas and the air separated in the gas-liquid separator and discharged from the gas-liquid separator and the exhaust gas exhausted from the facility that burns the natural gas. The heat exchanger may be further provided.
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ものも含む)と、酸素濃縮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、天然ガスを燃焼させる施設から排気される排ガスは、酸素富化空気を供給した状態で天然ガスを燃焼(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い。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。 According to such a configuration, by using exhaust gas (waste heat) generated in a facility that burns natural gas, liquefied natural gas (including gas that is partially gasified) supplied to the facility, and an oxygen concentration system Thus, the oxygen-enriched air produced by the method can be reliably vaporized (gasified). Moreover, since the exhaust gas exhausted from the facility for burning natural gas is exhaust gas after burning natural gas (high calorie combustion) in a state where oxygen-enriched air is supplied, its temperature is sufficiently high. For this reason, it is possible to reliably gasify both the liquefied natural gas (including the case where it is partially gasified) and the oxygen-enriched air supplied to the facility.
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濃縮システムでは、前記第3の熱交換器において熱交換した後の空気が流れる流路、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が流れる流路に配置された発電機をさらに備え、前記発電機は、当該発電機が配置された流路を流れる空気又は天然ガスの流れ又は圧力を利用して発電し、その発電した電力を前記電動機に供給することが好ましい。 Thus, in the oxygen concentration system configured to reliably vaporize liquefied natural gas and oxygen-enriched air supplied to the facility, a flow path through which air after heat exchange is performed in the third heat exchanger Or a generator disposed in a flow path through which the natural gas, which is a liquefied natural gas vaporized by heat exchange in the third heat exchanger, flows, and the generator includes the generator. It is preferable that power is generated using the flow or pressure of air or natural gas flowing through the flow path, and the generated power is supplied to the electric motor.
かかる構成によれば、外部から酸素濃縮システムに供給される電力を削減でき、これにより、当該酸素濃縮システムの省電力化を図ることができる。 According to such a configuration, it is possible to reduce the power supplied from the outside to the oxygen concentration system, and thereby to save power in the oxygen concentration system.
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、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、前記気液分離装置は、分離した気体を排出する排気部を有し、当該排気部は、排出する気体が前記タンク冷却流路へ流れるように前記タンク冷却流路に接続されていることが好ましい。 The oxygen concentration system further includes a tank cooling flow path provided between a tank in which liquefied natural gas is stored and a heat insulating portion surrounding the outside of the tank, and the gas-liquid separation device includes the separated gas. Preferably, the exhaust part is connected to the tank cooling channel so that the gas to be exhausted flows to the tank cooling channel.
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る。その結果、タンクに貯蔵された液化天然ガスを液相のままで維持するための冷却に要する電力等を抑えることができる。 According to this configuration, the tank can be cooled by using the cold heat of nitrogen or nitrogen-rich air at a very low temperature (below the boiling point of oxygen) exhausted from the exhaust section of the gas-liquid separator. As a result, the electric power required for cooling to maintain the liquefied natural gas stored in the tank in the liquid phase can be suppressed.
また、上述の酸素濃縮システムにおいて、前記酸素濃縮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が前記タンク内の液化天然ガスとの間で熱交換可能となるように前記タンクに沿って配置されることが好ましい。 Further, in the above-described oxygen concentration system, the oxygen concentration system further includes a guide channel that guides air introduced into the oxygen concentration system to the first heat exchanger, and the guide channel includes air that flows through the tank. It is preferable to arrange | position along the said tank so that heat exchange is possible between liquefied natural gas inside.
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。 According to such a configuration, by using the cold heat of the cryogenic liquefied natural gas stored in the tank, the air before being supplied to the first heat exchanger is cooled and condensed to form a rear stage (air flow It is possible to remove moisture in the air that causes a reduction in the gas-liquid separation efficiency in the gas-liquid separation device on the downstream side in FIG.
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。 In addition, it is possible to reduce the size of the first heat exchanger by cooling the air before being supplied to the first heat exchanger using the cold energy of the liquefied natural gas stored in the tank. Become.
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濃縮システムを提供することができる。 As mentioned above, according to this invention, while being able to change the production amount of oxygen enriched air, the oxygen enrichment system which can manufacture oxygen enriched air cheaply irrespective of the production amount can be provided.
以下、本発明の一実施形態に係る酸素濃縮システムについて、図1〜図16を参照しつつ説明する。 Hereinafter, an oxygen concentration system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態に係る酸素濃縮システム(以下、単に「濃縮システム」とも称する)は、投入された空気中の酸素を濃縮してその空気の酸素濃度を高めるものである。例えば、本実施形態の酸素濃縮システムは、高炉や発電施設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(CO2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)を製造するために用いられる。なお、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る。本実施形態の濃縮システム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。
The oxygen concentration system according to the present embodiment (hereinafter also simply referred to as “concentration system”) concentrates oxygen in the input air to increase the oxygen concentration of the air. For example, the oxygen enrichment system of the present embodiment aims to improve thermal efficiency and reduce exhaust gas (CO 2 gas, etc.) when natural gas (hereinafter also simply referred to as “NG”) is burned in a blast furnace, a power generation facility, or the like. It is used to produce air with a high oxygen concentration (oxygen-enriched air) to be blown in as Note that oxygen-enriched air is air having a higher oxygen concentration than the atmosphere. In the
本実施形態の濃縮システム10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施設等の施設55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。
As shown in FIG. 1, the
この濃縮システム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、電動機17と、膨張機18と、気液分離装置19と、第3の熱交換器20と、発電機21と、駆動回路22とを備える。
The concentrating
送風装置11は、濃縮システム10の外部の空気(大気)を投入空気として予冷部12に送り込む(送風する)。 The blower 11 sends (blows) air outside the concentration system 10 (atmosphere) to the precooling unit 12 as input air.
予冷部12は、除湿案内部13と第1の熱交換器14とを有する。予冷部12は、送風装置11によって送られた空気を冷却する。除湿案内部13は、本発明による案内流路の一例である。
The precooling unit 12 includes a
除湿案内部13は、送風装置11によって当該濃縮システム10に投入された空気を第1の熱交換器14へ案内する。この除湿案内部13は、その内部を流れる空気がタンク50内に貯蔵されたLNGとの間で熱交換可能となるようにタンク50に沿って配置されている。このような除湿案内部13の構成により、タンク50内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中の水分を除湿案内部13内で結露させて除湿できる。その結果、後段の気液分離装置19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。
The
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内を通過させた後、第1の熱交換器14へ案内する。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る。除湿案内部13は、空気を断熱壁52の最外層を通過させた後、第1の熱交換器14まで案内する。
Specifically, the
なお、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。
In addition, the
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である。詳しくは、第1の熱交換器14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。
The
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熱交換部141とを備える。熱交換部141は、空気が流れる複数の第1流路141aとLNGが流れる複数の第2流路141bとを備える。これらの第1流路141aと第2流路141bは、熱交換部141において交互に配置されている。
The
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。
The
熱交換部141は、ケーシング140の内部の上下方向の中央位置に配置されている。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。
The
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。
The
このような構成により、第1の熱交換器14に供給される空気は、上側部ヘッダ144と上部分配部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、各第1流路141aを通過した後、下部分配部147と下側部ヘッダ145を順に通過して外部へ排出される。一方、第1の熱交換器14に供給されるLNGは、下部ヘッダ142と下部分配部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、各第2流路141bを通過した後、上部分配部146と上部ヘッダ143を順に通過して外部に排出される。このようにLNGが上方へ向かって流れると共に空気が下方へ向かって流れることにより、各流路141a、141b間を仕切っているアルミ製のプレートを介してLNGと空気との間での熱交換が行われる。
With such a configuration, the air supplied to the
熱交換部141では、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141a,141bが層状に並んでいる。第1の熱交換器14の熱交換部141は、外部に最も近い外側流路、具体的には図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。
In the
なお、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。
In the
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内及び下側部ヘッダ145内には、吸着材(図示省略)が配置されている。本実施形態の吸着材は、例えば、モレキュラーシーブ等のゼオライトからなる。この吸着材は、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CO2、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。
In addition, an adsorbent (not shown) is disposed in the
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。膨張機18は、第2の熱交換器16と気液分離装置19とに接続されている。膨張機18は、第2の熱交換器16を通過して当該膨張機18に導入された空気を断熱膨張させて気液分離装置19へ供給する。
The
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、圧縮機15の圧縮比は7である。
The
この圧縮比(圧縮後の空気圧)は、膨張機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。
The compression ratio (compressed air pressure) is set so that the temperature of air after adiabatic expansion by the
膨張機18の前後の空気の圧力P1、P2、及び膨張機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。
The relationship between the pressures P 1 and P 2 of the air before and after the
また、Cpは定圧比熱であり、Cvは定積比熱である。なお、本実施形態において断熱膨張前の空気の温度T1は、113Kである。 Cp is constant pressure specific heat, and Cv is constant volume specific heat. The temperature T 1 of the air before the adiabatic expansion in the present embodiment is 113K.
図4は、この関係をグラフ化したものである。当該濃縮システム10では、膨張機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4を参照すると、断熱膨張前の空気の圧力(即ち、膨張機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。
FIG. 4 is a graph showing this relationship. In the said
また、本実施形態の膨張機18は、供給された空気を断熱膨張させて当該空気の温度を窒素の沸点(77K)よりも高く且つ酸素の沸点(90K)以下にする。即ち、膨張機18の膨張比は、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る。これにより、膨張機18を通過した空気は、その空気中の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。
The
なお、本実施形態の膨張機18では、断熱膨張前の空気の圧力及び温度によってスクリュロータ182,183(後述)の歯182a,183aの巻数が設定される。また、本実施形態の膨張機18は、気液分離装置19に所定の値以上の流速で空気を供給できるように、具体的には気液分離装置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気液分離装置19に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気圧となるように設計されている。
In the
以下、圧縮機15と膨張機18の具体的な構造について説明する。
Hereinafter, specific structures of the
圧縮機15は、容積型圧縮機の一種であるスクリュ式圧縮機であり、膨張機18は、容積型膨張機の一種であるスクリュ式膨張機である。図5に示すように、圧縮機15は、互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータ156,157を備え、膨張機18は、互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータ182,183を備える。
The
また、圧縮機15と膨張機18は、共通の一体型ケーシング150を備える。このケーシング150内に、圧縮機15のスクリュロータ156,157と膨張機18のスクリュロータ182,183とがそれぞれ回転可能となるように収容されている。以下、圧縮機15の一対のスクリュロータ156,157のうちの一方のスクリュロータである雌ロータ156を圧縮雌ロータ156と称し、もう一方のスクリュロータである雄ロータ157を圧縮雄ロータ157と称する。また、膨張機18の一対のスクリュロータ182,183のうちの一方のスクリュロータである雌ロータ182を膨張雌ロータ182と称し、もう一方のスクリュロータである雄ロータ183を膨張雄ロータ183と称する。
The
圧縮雌ロータ156と膨張雌ロータ182は、それらの間の中間のロータ軸158を共有しており、圧縮雄ロータ157と膨張雄ロータ183は、それらの間の中間のロータ軸166を共有している。すなわち、圧縮雌ロータ156と膨張雌ロータ182は、同一の回転軸回りに一体的に回転可能となるように同軸に配置され且つロータ軸158を介して互いに連結されている。また、圧縮雄ロータ157と膨張雄ロータ183は、同一の回転軸回りに一体的に回転可能となるように同軸に配置され且つロータ軸166を介して互いに連結されている。このような構成により、本実施形態では、圧縮機15と膨張機18が、互いに独立して作動するものではなく、連動して作動するようになっている。
The compression
膨張雌ロータ182から圧縮雌ロータ156と反対側へ延びるようにロータ軸161が設けられ、圧縮雌ロータ156から膨張雌ロータ182と反対側へ延びるようにロータ軸163が設けられている。一方のロータ軸161は、ケーシング150内に設けられた対応する軸受162によって回転可能となるように支持され、他方のロータ軸163は、ケーシング150内に設けられた対応する軸受164によって回転可能となるように支持されている。
A
また、膨張雄ロータ183から圧縮雄ロータ157と反対側へ延びるようにロータ軸167が設けられ、圧縮雄ロータ157から膨張雄ロータ183と反対側へ延びるようにロータ軸169が設けられている。一方のロータ軸167は、ケーシング150内に設けられた対応する軸受168によって回転可能となるように支持され、他方のロータ軸169は、ケーシング150内に設けられた対応する軸受170によって回転可能となるように支持されている。圧縮雌ロータ156、膨張雌ロータ182及びロータ軸158,161,163からなる回転体と、圧縮雄ロータ157、膨張雄ロータ183及びロータ軸166,167,169からなる回転体とは、それらのロータ軸158,161,163とロータ軸166,167,169とが互いに平行となるように配置されている。
A
また、本実施形態では、ケーシング150内に、圧縮機15及び膨張機18を駆動する電動機17が設けられている。この電動機17は、圧縮雄ロータ157、膨張雄ロータ183及びロータ軸166,167,169からなる回転体を回転させる。電動機17は、回転部17aと、固定部17bとを有する。
In the present embodiment, an
回転部17aは、圧縮雄ロータ157と膨張雄ロータ183との間でそれらのロータ同士を連結するロータ軸166に設けられている。回転部17aは、圧縮雄ロータ157、膨張雄ロータ183及びロータ軸166,168,169と同軸となるように配置されている。
The rotating
固定部17bは、回転部17aの径方向外側を囲むように配置され、ケーシング150内に固定されている。回転部17aは、この固定部17bの内側でロータ軸166と一体的に回転可能となっている。
The fixed
電動機17は、駆動回路22と電気的に接続されている。電動機17は、駆動回路22から電力が供給されることによって固定部17bに対して回転部17aを回転させ、それによってロータ軸166を回転させる。これにより、圧縮雄ロータ157、膨張雄ロータ183及びロータ軸166,167,169からなる回転体が回転するようになっている。
The
電動機17には、その駆動に対する負荷として、圧縮機15の両ロータ156,157を回転させて空気を圧縮させるために必要な仕事から膨張機18で空気が膨張することにより回生される仕事を差し引いた値に相当する負荷が掛かる。仮に、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183が互いに接触する状態で噛み合っている場合には、前記負荷以外に、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183との間の摩擦に起因する散逸エネルギが電動機17に掛かる負荷の要因として無視できない。
In the
常温よりも高温の環境下であれば、膨張機に充填された潤滑油や、蒸気冷媒の一部が液化した液相分により、雄ロータと雌ロータとの間の摩擦が低減される。このため、膨張機の作動中に当該膨張機の雄ロータの歯と雌ロータの歯が相互接触する場合でも、その接触に伴う摩擦に起因する散逸エネルギが抑制される。 If the environment is higher than room temperature, the friction between the male rotor and the female rotor is reduced by the lubricating oil filled in the expander and the liquid phase part of the vapor refrigerant liquefied. For this reason, even when the teeth of the male rotor and the teeth of the female rotor of the expander are in contact with each other during the operation of the expander, the dissipated energy due to the friction caused by the contact is suppressed.
しかし、本実施形態の濃縮システム10では、極低温(113K)の環境下であるため、その環境下で潤滑性を発揮し得る潤滑油が存在しないとともに、膨張機18内に導入されるのが窒素と酸素の混合ガスである空気であるため、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183との間の潤滑性が期待できない。
However, in the
そこで、本実施形態では、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183は、それらのロータが噛み合いながら共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有する。すなわち、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183は、回転時に当該両ロータ182,183の歯面(外面)同士の間に微小な隙間が維持されるような歯形をそれぞれ有する。以下、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157の歯形及び膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183の歯形について詳述する。
Therefore, in this embodiment, the expansion
圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157は、図7に示すように噛み合っている。図7には、圧縮雌ロータ156及び圧縮雄ロータ157の軸方向に直交する断面が示されている。図8には、圧縮機15の定常運転中における圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157の噛み合い部が拡大して示されており、図9には、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157の逆回転時における両ロータ同士の噛み合い部が拡大して示されている。なお、図7〜図9において、O1は、圧縮雄ロータ157の回転中心(回転軸)を示し、O2は、圧縮雌ロータ156の回転中心(回転軸)を示す。
The compression
圧縮機15の定常運転中には、圧縮雄ロータ157の歯157aのうち当該ロータの回転方向(図8中の矢印方向)の前側の歯面が、圧縮雌ロータ156の歯156aの対向する歯面に接触し、その歯156aを押すようにして回転力を伝達する。すなわち、図8中のX部分において、圧縮雄ロータ157の歯157aから圧縮雌ロータ156の歯156aへ回転力の伝達が行われている。これにより、圧縮雄ロータ157と圧縮雌ロータ156とが同期して共に回転する。
During the steady operation of the
一方、例えば圧縮機15の駆動が停止された場合には、圧縮された空気の圧力により圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157が逆回転することがある。その場合、圧縮雄ロータ157の歯157aのうち当該ロータの逆回転方向(図9中の矢印方向)の前側の歯面が圧縮雌ロータ156の歯156aの対向する歯面に接触する可能性がある。すなわち、図9中のY部分において、圧縮雄ロータ157の歯157aが圧縮雌ロータ156の歯156aに接触する可能性がある。
On the other hand, for example, when the driving of the
また、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183は、図10に示すように噛み合っている。図10には、膨張雌ロータ182及び膨張雄ロータ183の軸方向に直交する断面が示されている。図11には、定常運転中における膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183の噛み合い部が拡大して示されており、図12には、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183の逆回転時における両ロータ同士の噛み合い部が拡大して示されている。なお、図10〜図12において、O3は、膨張雄ロータ183の回転中心(回転軸)を示し、O4は、膨張雌ロータ182の回転中心(回転軸)を示す。
Further, the expansion
本実施形態では、膨張雌ロータ182は、圧縮雌ロータ156と同じ歯形を有する。一方、膨張雄ロータ183の歯183aは、圧縮雄ロータ157の歯157aの上記X部分及び上記Y部分に相当する箇所を除去した形状に形成されている。
In this embodiment, the expansion
具体的に、膨張雄ロータ183の歯183aのうち定常運転中の回転方向(図11中の矢印方向)における前側の部分であって膨張雌ロータ182の対応する歯182aの対向する歯面に接触の可能性があるC1部分が除去されている。また、膨張雄ロータ183の歯183aのうち当該膨張雄ロータ183の逆回転方向(図12中の矢印方向)における前側の部分であって膨張雌ロータ182の対応する歯182aの対向する歯面に接触の可能性があるC2部分が除去されている。このような構成により、定常運転時及び逆回転時のいずれにおいても、膨張雄ロータ183の歯183aが膨張雌ロータ182に接触するのが回避されるようになっている。
Specifically, of the
ケーシング150は、圧縮雌ロータ156、膨張雌ロータ182及びロータ軸158,161,163からなる回転体と、圧縮雄ロータ157、膨張雄ロータ183及びロータ軸166,167,169からなる回転体とを囲んでいる。ケーシング150は、LNGにより冷却されてそのLNGの温度である113Kに保たれている。
The
なお、ケーシング150がこのような極低温(113K)に保たれていることに起因して、ケーシング150内の各軸受162,164,168,170の潤滑に潤滑油を用いることができない。これは、このような極低温で低粘度を維持可能な液体の潤滑油が一般的に存在しないためである。そこで、本実施形態では、各軸受162,164,168,170は、テフロン(登録商標)等の材質により形成されたすり合わせ式の軸受になっており、後述のように気液分離装置19の排出部195から液体酸素を含んだ酸素富化空気が供給されることにより、その酸素富化空気中の液体酸素が気化して各軸受162,164,168,170が一種のエアベアリングとして機能する。その結果、潤滑油を用いなくても、各軸受162,164,168,170での摩耗の発生が抑制される。
Note that the lubricating oil cannot be used for lubricating the
ケーシング150のうち圧縮機15に対応する部分には、図6に示すように、圧縮機吸込ポート151と圧縮機吐出ポート152が形成されている。また、ケーシング150のうち膨張機18に対応する部分には、膨張機吸込ポート153と膨張機吐出ポート154が形成されている。圧縮機吸込ポート151は、第1の熱交換器14の下側部ヘッダ145(図2参照)に接続されている。圧縮機吐出ポート152は、第2の熱交換器16(図1参照)に接続されている。膨張機吸込ポート153は、第2の熱交換器16(図1参照)に接続されている。膨張機吐出ポート154は、気液分離装置19(図1参照)に接続されている。
As shown in FIG. 6, a
第1の熱交換器14の下側部ヘッダ145から排出された空気は、圧縮機吸込ポート151を通って圧縮機15内に吸い込まれる。圧縮機15内に吸い込まれた空気は、圧縮雌ロータ156及び圧縮雄ロータ157とケーシング150の内面との間に形成されるガス閉じ込み空間に導入されるとともに、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157が互いに逆方向に回転してガス閉じ込み空間が縮小されるに従って圧縮される。この際、圧縮雄ロータ157は、図7における時計回りに回転し、圧縮雌ロータ156は、同図7における反時計回りに回転する。圧縮された空気は、圧縮機吐出ポート152(図6参照)から吐出され、第2の熱交換器16(図1参照)を通って膨張機吸込ポート153(図6参照)に供給される。
Air discharged from the
膨張機吸込ポート153を通って膨張機18内に吸い込まれた空気は、膨張雌ロータ182及び膨張雄ロータ183とケーシング150の内面との間に形成される空間に閉じ込められる。そして、電動機17により膨張雄ロータ183が圧縮雄ロータ157と一体的に回転されるとともに、膨張雌ロータ182が圧縮雌ロータ156と一体的に回転されることにより、膨張雄ロータ183と膨張雌ロータ182は互いに逆方向に回転する。この際、膨張雄ロータ183は、図10における時計回りに回転し、膨張雌ロータ182は、同図10における反時計回りに回転する。膨張雄ロータ183と膨張雌ロータ182の回転により、膨張雌ロータ182及び膨張雄ロータ183とケーシング150の内面との間の空間が拡大し、その空間に閉じ込められた空気が膨張される。膨張した空気は、膨張機吐出ポート154(図6参照)から吐出され、気液分離装置19(図1参照)へ供給される。
Air sucked into the
上記のように膨張雌ロータ182及び膨張雄ロータ183とケーシング150の内面との間の空間に閉じ込められる空気は、圧縮機15で圧縮された空気であるため、その空気の空圧エネルギ(圧力)が膨張雌ロータ182及び膨張雄ロータ183とケーシング150の内面との間の空間を拡大させる方向に作用する。このため、この空気から膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183にそれらのロータ182,183を互いに逆方向へ回転させる力が作用する。この力は、膨張雌ロータ182に連結された圧縮雌ロータ156と膨張雄ロータ183に連結された圧縮雄ロータ157に伝達されるため、圧縮雄ロータ157及び圧縮雌ロータ156を回転させるための動力として寄与する。このようにして、圧縮機15での空気の圧縮によって生成された空圧エネルギが回生され、電動機17の消費電力が大幅に削減される。例えば、このようなエネルギの回生が行われない場合に電動機17が圧縮雄ロータ157及び圧縮雌ロータ156を回転させる際の消費電力の50%以下に消費電力が削減される。
Since the air confined in the space between the expansion
第2の熱交換器16(図1参照)は、圧縮機15から供給された圧縮後の空気と、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。
The second heat exchanger 16 (see FIG. 1) is configured to exchange the compressed air supplied from the
この第2の熱交換器16は、図13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と同様に構成されている。この断熱部160は、真空断熱構造を有する。
As shown in FIG. 13, the
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を設けることにより、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。
The
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。
In the
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。
Furthermore, by absorbing the volume expansion due to the vaporization of all or part of the LNG by heat exchange with the air whose temperature has risen due to heat generated by the compression in the
気液分離装置19(図1参照)は、膨張機18で断熱膨張され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、気液分離装置19として、図14及び図15に示されるようなサイクロン式気液分離装置が用いられる。
The gas-liquid separator 19 (see FIG. 1) is air that has been adiabatically expanded by the
気液分離装置19は、上下に延びる分離筒190を備える。この気液分離装置19は、供給された空気を分離筒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を行う。
The gas-
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。
The
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。
In the
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。なお、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。
The flow of air from which the mist-like (liquefied) oxygen has been removed by centrifugal force during the rotation from the cylindrical
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196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196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。
A
なお、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。
In the case where liquefied oxygen (bubble air) accumulated in the liquefied oxygen receiver is intermittently discharged to the outside, an electromagnetic valve may be provided instead of the
排出部195は、第3の熱交換器20に接続されている。また、排出部195は、流路197を介して、圧縮雌ロータ156及び膨張雌ロータ182を含む回転体を支持する軸受162,164等と、圧縮雄ロータ157及び膨張雄ロータ183を含む回転体を支持する軸受168,170等とに接続されている。これらの構成により、排出部195から排出された酸素富化空気が第3の熱交換器20と各軸受162,164,168,170等とに供給される。
The
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。
Since the
排出筒194は、本発明の排気部の一例である。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。なお、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。
The
第3の熱交換器20(図1参照)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16に示されるように、第1の熱交換器14と同様に構成されている。
The third heat exchanger 20 (see FIG. 1) is configured to supply oxygen-enriched air discharged from the
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。なお、図16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。
The
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。
In the
発電機21(図1参照)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、駆動回路22に送電可能に接続され、発電した電力を駆動回路22へ供給する。
The generator 21 (see FIG. 1) is disposed downstream of the
駆動回路22は、電動機17への送電を制御することにより電動機17の駆動を制御するものである。従って、発電機21で発電された電力は、駆動回路22を介して電動機17へ供給される。これにより、外部から当該濃縮システム10に供給される電力を抑えることができ、その結果、当該濃縮システム10の省電力化を図ることができる。
The
なお、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、いわゆるスクリュ式発電機等)であってもよい。
The
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。
In addition, when the LNG that has exchanged heat with air (compressed air) in the
以上の本実施形態による濃縮システム10によれば、純酸素ではなく、空気の酸素濃度を高めた酸素富化空気を製造できる。酸素富化空気は純酸素に比べれば酸素濃度が低いため、酸素富化空気の製造には、純酸素まで酸素濃度を高めるのに必要となる余分なコストが掛からない。このため、本実施形態の濃縮システム10では、酸素富化空気の製造コストを、純酸素を製造する場合の製造コストに比べて抑制することができる。
According to the
しかも、本実施形態の濃縮システム10では、第1の熱交換器14と第2の熱交換器16とにおいてLNGの冷熱を利用した熱交換により空気を冷却すると共に、第1の熱交換器14で冷却された後の空気を圧縮機15が圧縮することにより、酸素富化空気をその生産量に関わらず安価に製造することができる。
Moreover, in the
具体的には、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を抑えることができる。また、圧縮機15が冷却後の空気を圧縮することにより、圧縮機15による昇圧の幅(圧縮比)が小さく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。以上のように消費電力を抑制できることから、酸素富化空気の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。
Specifically, by cooling the air using the cold heat of LNG used after being vaporized, power consumption for cooling the air can be suppressed regardless of the production amount of oxygen-enriched air. Further, the
また、本実施形態の濃縮システム10では、従来の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することにより酸素の濃縮を行う構成を採用しているため、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。
Further, in the
また、本実施形態の濃縮システム10では、気液分離装置19が、その分離筒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。
Further, in the
さらに、本実施形態の濃縮システム10では、第2の熱交換器16において熱交換された後の空気を断熱膨張させる手段としてスクリュ式膨張機18を用いているため、例えば第2の熱交換器16において熱交換された後の空気を断熱膨張させる手段として膨張弁が用いられるような場合に比べて、消費エネルギを削減できる。具体的に、膨張弁が設けられた箇所では流路が狭くなることから、断熱膨張の過程において空気と流路壁との間で摩擦熱が発生し、エネルギの散逸が生じる。これに対し、本実施形態の濃縮システム10で用いているスクリュ式膨張機18では、断熱膨張の過程における空気の摩擦熱の発生を抑制でき、エネルギの散逸を抑制できる。その結果、消費エネルギを削減できる。
Furthermore, in the
また、本実施形態の濃縮システム10では、圧縮機15により圧縮された空気が第2の熱交換器16で熱交換された後、膨張機18で断熱膨張される際、当該圧縮空気の空圧エネルギ(圧力)が膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183を回転させるように作用する。そして、本実施形態の濃縮システム10では、膨張雌ロータ182と圧縮雌ロータ156とが一体的に回転可能となるように互いに連結されているとともに、膨張雄ロータ183と圧縮雄ロータ157とが一体的に回転可能となるように互いに連結されているため、前記空圧エネルギに起因する膨張雌ロータ182の回転力は圧縮雌ロータ156に伝達され、前記空圧エネルギに起因する膨張雄ロータ183の回転力は圧縮雄ロータ157に伝達される。このため、電動機17が各ロータを回転させるために消費する電力を大幅に削減することができる。
In the
なお、一般的には、スクリュ式膨張機以外の膨張機として、タービン羽根を回転させて対象となる気体を膨張させる形式のタービン膨張機が知られている。このようなタービン膨張機でも、断熱膨張の過程における空気の摩擦熱の発生を抑制できるため、本実施形態による膨張機18としてタービン膨張機を適用することも理論的には想定される。この場合、タービン膨張機の回転軸を圧縮機15のスクリュロータにロータ軸を介して連結すれば、圧縮空気の空圧エネルギをタービン膨張機から圧縮機15へ回生することも理論的には可能である。
In general, as an expander other than the screw expander, a turbine expander of a type that expands a target gas by rotating a turbine blade is known. Even in such a turbine expander, generation of frictional heat of air in the process of adiabatic expansion can be suppressed, so that it is theoretically assumed that the turbine expander is applied as the
しかし、スクリュ式圧縮機15とタービン膨張機とでは、それらを通って流れる空気の流量が同じ流量であっても、動作回転数が大幅に異なることから、タービン膨張機の回転軸を圧縮機15のスクリュロータに直結することはできない。仮に、タービン膨張機の回転軸と圧縮機15のスクリュロータとの間に変速機を介装して、相互間の動作回転数の差を解消することも考えられるが、この場合には、変速機において生じる摩擦によりエネルギが損失するため、エネルギの回生効果が失われる。
However, the screw-
また、膨張機18としてタービン膨張機を適用する場合に、圧縮機15の方を、例えば自動車の内燃機関に付加される過給器(ターボチャージャ)で用いられるタービン圧縮機を模したタービン式に変更することにより、タービン膨張機とタービン圧縮機との間での動作回転数の差を解消することも考えられる。しかし、タービン圧縮機及びタービン膨張機では、それらを通って流れる空気の流速を上げて高速回転させないと、圧縮機において必要な圧縮比を得ることが難しい。
Further, when a turbine expander is applied as the
仮に、必要な圧縮比の獲得のために電動機17を高速回転させるとすれば、電動機17の発熱量が過大となって冷却効果が損なわれることから、酸素富化空気の製造コストが増大する。また、仮に、膨張機18に導入する空気の流速を上昇させる場合には、その空気の流れによる摩擦熱が増大する。この場合も、冷却効果が損なわれ、酸素富化空気の製造コストが増大する。従って、酸素濃縮システムにおいて、膨張機18としてタービン膨張機を用いるとともに圧縮機15としてタービン圧縮機を用いることは現実的ではない。
If the
以上のように、本実施形態によるスクリュ式の圧縮機15及び膨張機18の代替手段が理論的には種々考えられるが、酸素濃縮システムに適用するにはそれぞれ問題点があるため、結果的に、本実施形態の酸素濃縮システム10では、スクリュ式の圧縮機15及び膨張機18を用いることが最も好適である。
As described above, various alternative means for the screw-
また、本実施形態の濃縮システム10では、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183が、それらのロータが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形をそれぞれ有するため、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183との相互接触に起因する摩擦抵抗の発生を防ぐことができる。その結果、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183との相互接触による摩擦抵抗に起因したエネルギの損失を防ぐことができ、電動機17の消費電力をより削減できる。
Further, in the
(第1実施例)
次に、上記実施形態の酸素濃縮システムが適用される第1実施例として、LNG火力発電プラントについて説明する。この第1実施例によるLNG火力発電プラント(以下、単に「発電プラント」と称する)は、酸素濃縮システムでの酸素富化空気の製造に伴って生じるLNGのガス化による天然ガスを燃焼させ、その燃焼によって得られたエネルギを利用して発電を行う方式のものである。図17に、この第1実施例による発電プラントの模式的な系統図が示されている。
(First embodiment)
Next, an LNG thermal power plant will be described as a first example to which the oxygen concentration system of the above embodiment is applied. The LNG thermal power plant according to the first embodiment (hereinafter, simply referred to as “power plant”) combusts natural gas generated by gasification of LNG generated in the production of oxygen-enriched air in the oxygen enrichment system, This is a method of generating power by using energy obtained by combustion. FIG. 17 shows a schematic system diagram of the power plant according to the first embodiment.
この第1実施例による発電プラントは、超電導発電機25と、タービン26と、改質器27と、燃焼ボイラー28とを備える。
The power plant according to the first embodiment includes a superconducting generator 25, a
超電導発電機25は、タービン26の駆動軸に連結されており、そのタービン26の動力が伝達されることにより発電を行う。超電導発電機25は、液体窒素の温度で超電導転移するBi系やY系などの酸化物系の超電導線材を用いた超電導コイルを備える。超電導発電機は、駆動回路22と電気的に接続されており、発電した電力を駆動回路22へ供給する。駆動回路22は、超電導発電機25から供給された電力を電動機17へ供給する。
The superconducting generator 25 is connected to the drive shaft of the
改質器27は、第3の熱交換器20の下流に配置され、その第3の熱交換器20から排出される天然ガスの改質を行う。
The
燃焼ボイラー28は、天然ガスを燃焼させる施設に相当するものである。燃焼ボイラー28には、改質器27で改質された天然ガスと、第3の熱交換器20から排出される酸素富化空気とが供給される。燃焼ボイラー28は、供給された天然ガスと酸素富化空気を用いた燃焼により高温の蒸気を生成し、その生成した蒸気をタービン26へ供給する。この蒸気によりタービン26が駆動され、上述のように超電導発電機25による発電が行われる。
The combustion boiler 28 corresponds to a facility for burning natural gas. The combustion boiler 28 is supplied with natural gas reformed by the
また、第1実施例による発電プラントでは、上記実施形態の酸素濃縮システムの圧縮機15、第1の熱交換器16、膨張機18、電動機17及び気液分離装置19からなる構成が2段設けられている。1段目の気液分離装置19の排出筒194が2段目の圧縮機15の圧縮機吸込ポート151に接続されており、1段目の気液分離装置19の排出筒194から排出された90K以下の低温の窒素ガスが2段目の圧縮機15へ供給されるようになっている。すなわち、1段目の圧縮機15、熱交換器16、膨張機18及び気液分離装置19での酸素富化空気の生成の副産物として生成された窒素ガスが、2段目の圧縮機15へ供給される。
Further, in the power plant according to the first example, a configuration including the
2段目の圧縮機15に供給された窒素ガスは、2段目の圧縮機15での等温圧縮、2段目の熱交換器16での冷却、2段目の膨張機18での断熱膨張を経て、77K以下の窒素の液化温度まで冷却される。それによって、液体窒素が生成される。2段目の気液分離装置19では、2段目の膨張機18から供給された窒素ガスと液体窒素との混合流体を窒素ガスと液体窒素とに気液分離する。
The nitrogen gas supplied to the
2段目の気液分離装置19の排出部195は、超電導発電機25に接続されている。2段目の気液分離装置19で分離されてその排出部195から排出された液体窒素は、超電導発電機25へ当該超電導発電機25の超電導コイルを冷却するための冷却剤として供給される。
The
2段目の気液分離装置19の排出筒194は、2段目の熱交換器16に接続されている。2段目の気液分離装置19で分離されてその排出筒194から排出された窒素ガスは、2段目の熱交換器16へ供給され、その2段目の熱交換器16に2段目の圧縮機15から供給された圧縮後の窒素ガスを熱交換により冷却するための冷媒として用いられる。また、超電導発電機25で超電導コイルの冷却に使用された後の液体窒素も、2段目の熱交換器16に冷媒として供給されるようになっている。そして、2段目の熱交換器16で熱交換に用いられた後、その熱交換器16から排出された窒素ガスはタンク冷却流路54に供給され、タンク50内に貯蔵されたLNGを冷却する。
The
図17に示した第1実施例による発電プラントのうち図1に示した上記実施形態の濃縮システム10と同じ符号を付した部分は、その濃縮システム10の対応する部分と同様に構成されている。
In the power plant according to the first example shown in FIG. 17, the parts denoted by the same reference numerals as the
この第1実施例では、小型でありながら大電流を生成可能な超電導発電機25が用いられていることから、コンパクトで高効率な発電プラントを実現できる。 In the first embodiment, since the superconducting generator 25 that is small in size and can generate a large current is used, a compact and highly efficient power plant can be realized.
(第2実施例)
次に、上記実施形態の酸素濃縮システムが適用される第2実施例として、超電導LNGタンカーの推進システムについて説明する。この第2実施例による超電導LNGタンカー(以下、単に「タンカー」と称する)は、酸素濃縮システムでの酸素富化空気の製造に伴って生じるLNGのガス化による天然ガスを改質して水素富化ガスを得るとともに、燃料電池34がその水素富化ガスを用いて発電し、この燃料電池34によって発電された電力で超電導モータ30を駆動して海上を推進するものである。図18に、この第2実施例によるタンカーの推進システムの模式的な系統図が示されている。
(Second embodiment)
Next, a propulsion system for a superconducting LNG tanker will be described as a second example to which the oxygen concentration system of the above embodiment is applied. The superconducting LNG tanker (hereinafter simply referred to as “tanker”) according to the second embodiment reforms the natural gas produced by gasification of LNG generated by the production of oxygen-enriched air in the oxygen enrichment system, thereby enriching the hydrogen. The
この第2実施例によるタンカーの推進システムは、改質器27と、超電導モータ30と、推進スクリュ32と、燃料電池34とを備える。
The tanker propulsion system according to the second embodiment includes a
改質器27は、第3の熱交換器20の下流に配置され、その第3の熱交換器20から排出される天然ガスの改質により水素濃度を高めた水素富化ガスを生成する。
The
超電導モータ30は、推進スクリュ32に連結された駆動軸を有しており、燃料電池34から電力が供給されることにより作動して推進スクリュ32を回転させる。超電導モータ30は、液体窒素の温度で超電導転移するBi系やY系などの酸化物系の超電導線材を巻線することによって形成された超電導コイルを備える。
The
燃料電池34には、改質器27で生成された水素富化ガスと、第3の熱交換器20から排出される酸素富化空気とが供給される。燃料電池34は、水素富化ガス中の水素と酸素富化空気中の酸素とを反応させることにより電力を生成する。燃料電池34は、超電導モータ30及び駆動回路22と電気的に接続されており、当該燃料電池34により生成された電力は、超電導モータ30及び駆動回路22へ供給される。燃料電池34では、電力の生成に伴って熱が発生し、この発生した熱(廃熱)は、第3の熱交換器20及び改質器27へ供給されるようになっている。
The
この第2実施例のタンカーの推進システムでは、上記第1実施例の発電プラントと同様、酸素濃縮システムの圧縮機15、第1の熱交換器16、膨張機18、電動機17及び気液分離装置19からなる構成が2段設けられている。この構成の具体的な内容は、上記第1実施例の発電プラントの場合と同様である。
In the tanker propulsion system according to the second embodiment, the
そして、2段目の気液分離装置19の排出部195は、超電導モータ30に接続されている。2段目の気液分離装置19で分離されてその排出部195から排出された液体窒素は、超電導モータ30へ当該超電導モータ30の超電導コイルを冷却するための冷却剤として供給されるようになっている。
The
図18に示した第2実施例によるタンカーの推進システムのうち図1に示した上記実施形態の濃縮システム10及び図17に示した上記第1実施例の発電プラントと同じ符号を付した部分は、それら濃縮システム10及び発電プラントの対応する部分と同様に構成されている。
Of the tanker propulsion system according to the second example shown in FIG. 18, the parts denoted by the same reference numerals as those of the
この第2実施例では、小型でありながら大きなトルクを生成可能な超電導モータ30が用いられていることから、コンパクトで高効率なタンカーの推進システムを実現できる。
In the second embodiment, since the
一般的に、超電導を産業利用するためには、極低温の環境、具体的には高くても77K(−196℃)以下の液体窒素温度の環境が必要である。このような温度環境を作り出すために冷凍機を用いた場合には、その冷凍機は、理論的に最大でもカルノー効率34%、現実にはその半分以下という非効率な運転状態になる。このため、超電導を広く産業利用することは難しく、超電導の利用はMRI検査装置のような特殊な用途に限定される。 In general, in order to industrially use superconductivity, an extremely low temperature environment, specifically, an environment with a liquid nitrogen temperature of 77 K (−196 ° C.) or less is required. When a refrigerator is used to create such a temperature environment, the refrigerator is in an inefficient operation state where the theoretical maximum is Carnot efficiency of 34%, and in fact, less than half that. For this reason, it is difficult to make industrial use of superconductivity widely, and the use of superconductivity is limited to special applications such as an MRI inspection apparatus.
これに対し、上記第1実施例及び上記第2実施例のように、LNGを燃料として利用する各種施設や装置等においては、その燃料としてのLNGの冷熱を流用して超電導コイルの極低温への冷却を行えるため、超電導の効率的な産業利用が可能となる。 On the other hand, as in the first and second embodiments, in various facilities and devices that use LNG as fuel, the cold heat of LNG as the fuel is diverted to the cryogenic temperature of the superconducting coil. Therefore, efficient superconducting industrial use is possible.
なお、本発明の酸素濃縮システムは、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。 Note that the oxygen concentrating system of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
上記実施形態の濃縮システム10では、電動機17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。
In the
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、遠心式分留器等の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。
Moreover, the specific structure of a gas-liquid separator is not limited. The gas-
また、上記実施形態の濃縮システム10では除湿案内部13が設けられているが、この除湿案内部13は省略可能である。この場合、例えば、第1の熱交換器14に供給される空気と、気液分離装置19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。
Moreover, although the
また、上記実施形態の濃縮システム10ではタンク冷却流路54が設けられているが、このタンク冷却流路54は省略可能である。
Further, in the
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。
In addition, the
また、上記実施形態の濃縮システム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。
Moreover, in the
上記実施形態では、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157が、それらが共に回転するときに相互接触する歯形を有する一方、膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183が、それらが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形を有するように構成したが、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157についても、それらが共に回転するときに相互接触が回避されるような歯形を有していてもよい。すなわち、圧縮雌ロータ156が上述の膨張雌ロータ182と同様の歯形及び断面を有し、圧縮雄ロータ157が上述の膨張雄ロータ183と同様の歯形及び断面を有していてもよい。
In the above embodiment, the compression
この場合には、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157との相互接触に起因する摩擦抵抗の発生を防ぐことができる。その結果、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157との相互接触による摩擦抵抗に起因したエネルギの損失を防ぐことができ、電動機17の消費電力をさらに削減できる。
In this case, it is possible to prevent generation of frictional resistance due to mutual contact between the compression
ただし、この場合には、圧縮雄ロータ157の歯157aから圧縮雌ロータ156の歯156aへの回転力の伝達が行えない。この場合には、電動機17の回転部17aの回転力を雌ロータ側のロータ軸158へ伝達し、そのロータ軸158を雄ロータ側のロータ軸166と同期回転させる歯車機構等の伝達機構を設ければよい。
However, in this case, the rotational force cannot be transmitted from the
また、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157の回転時の相互接触が回避されるような歯形及び膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183の回転時の相互接触が回避されるような歯形を形成するには、必ずしも、各雄ロータ157,183の歯157a,183aのうち対応する雌ロータ156,182の歯156a,182aとの接触の可能性がある部分を除去するようなものに限定されない。例えば、各雌ロータ156,182の歯156a,182aのうち対応する雄ロータ157,183の歯157a,183aと接触の可能性がある部分を除去することによって、圧縮雌ロータ156と圧縮雄ロータ157の回転時の相互接触が回避されるような歯形及び膨張雌ロータ182と膨張雄ロータ183の回転時の相互接触が回避されるような歯形を形成してもよい。
Further, a tooth profile that avoids mutual contact during rotation of the compression
また、上記実施形態では、電動機17が圧縮雄ロータ157及び膨張雄ロータ183を含む回転体を回転駆動するように構成したが、必ずしもこの構成に限定されない。すなわち、圧縮雌ロータ156及び膨張雌ロータ182を含む回転体の方に電動機17を設けて、電動機17が圧縮雌ロータ156及び膨張雌ロータ182を含む回転体を回転駆動するようにしてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、電動機17をケーシング150内に設けて、その電動機17が圧縮雄ロータ157と膨張雄ロータ183との間の中間のロータ軸166を回転させるようにしたが、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、図19に示すように、電動機17をケーシング150の外側に配置するとともに、圧縮雄ロータ157から膨張雄ロータ183と反対側に延びるロータ軸169(図5参照)をケーシング150の外まで延出させ、そのロータ軸169のケーシング150外に延出した部分に電動機17を取り付けてもよい。そして、電動機17がこのロータ軸169を回転させることにより、圧縮雄ロータ157、膨張雄ロータ183及びロータ軸166,167,169からなる回転体を回転させるようにしてもよい。また、同様に、ロータ軸161,163又は167をケーシング150外に延出させて、電動機17が、ケーシング150の外側でその延出したロータ軸を回転させるようにしてもよい。
In the above embodiment, the
10 酸素濃縮システム
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
156 圧縮雌ロータ
157 圧縮雄ロータ
16 第2の熱交換器
160 断熱部
17 電動機
18 膨張機
182 膨張雌ロータ
183 膨張雄ロータ
19 気液分離装置
190 分離筒
194 排出筒(排気部)
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
10
14
141b Second channel (inner channel)
15
195
Claims (13)
前記酸素濃縮システムに投入された空気を液化天然ガスとの間で熱交換させる第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後の空気を所定の圧力まで圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された後の空気を液化天然ガスとの間で熱交換させる第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機と、
前記膨張機により断熱膨張された空気の気液分離を行う気液分離装置と、
前記圧縮機及び前記膨張機を駆動する電動機と、を備え、
前記圧縮機の圧縮比及び前記膨張機の膨張比は、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おり、
前記圧縮機は、スクリュロータである圧縮雌ロータと、当該圧縮雌ロータに噛み合うスクリュロータである圧縮雄ロータとを有するスクリュ式圧縮機であり、
前記膨張機は、スクリュロータである膨張雌ロータと、当該膨張雌ロータに噛み合うスクリュロータである膨張雄ロータとを有するスクリュ式膨張機であり、
前記圧縮雌ロータと前記膨張雌ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、
前記圧縮雄ロータと前記膨張雄ロータとは、同一の軸回りに一体的に回転可能となるように互いに連結され、
前記電動機は、前記圧縮雌ロータ及びそれに連結された前記膨張雌ロータを含む一方の回転体と、前記圧縮雄ロータ及びそれに連結された前記膨張雄ロータを含む他方の回転体とのうち少なくとも一方の回転体を回転させる、酸素濃縮システム。 An oxygen concentrating system for increasing the oxygen concentration of input air,
A first heat exchanger for exchanging heat with the liquefied natural gas from the air charged into the oxygen concentration system;
A compressor that compresses the air after heat exchange in the first heat exchanger to a predetermined pressure;
A second heat exchanger that exchanges heat between the air compressed by the compressor and liquefied natural gas;
An expander for adiabatically expanding the air heat-exchanged in the second heat exchanger;
A gas-liquid separation device that performs gas-liquid separation of air adiabatically expanded by the expander;
An electric motor that drives the compressor and the expander,
The compression ratio of the compressor and the expansion ratio of the expander are set so that the temperature of the air after the adiabatic expansion is higher than the boiling point of nitrogen and lower than the boiling point of oxygen, respectively.
The compressor is a screw type compressor having a compression female rotor that is a screw rotor and a compression male rotor that is a screw rotor meshing with the compression female rotor,
The expander is a screw type expander having an expansion female rotor that is a screw rotor and an expansion male rotor that is a screw rotor that meshes with the expansion female rotor,
The compression female rotor and the expansion female rotor are connected to each other so as to be integrally rotatable around the same axis,
The compression male rotor and the expansion male rotor are coupled to each other so as to be integrally rotatable about the same axis,
The electric motor includes at least one of the rotating female rotor including the compression female rotor and the expansion female rotor coupled thereto, and the other rotating body including the compression male rotor and the expansion male rotor coupled thereto. An oxygen concentration system that rotates a rotating body.
前記発電機は、当該発電機が配置された流路を流れる空気又は天然ガスの流れ又は圧力を利用して発電し、その発電した電力を前記電動機に供給する、請求項10に記載の酸素濃縮システム。 Arranged in a flow path through which air after heat exchange in the third heat exchanger flows or a flow path through which natural gas, which is liquefied natural gas vaporized by heat exchange in the third heat exchanger, flows. Further equipped with a generator,
The oxygen concentration according to claim 10, wherein the generator generates power using a flow or pressure of air or natural gas flowing through a flow path in which the generator is disposed, and supplies the generated power to the motor. system.
前記気液分離装置は、分離した気体を排出する排気部を有し、当該排気部は、排出する気体が前記タンク冷却流路へ流れるように前記タンク冷却流路に接続されている、請求項1〜11のいずれか1項に記載の酸素濃縮システム。 A tank cooling flow path provided between a tank in which liquefied natural gas is stored and a heat insulating portion surrounding the outside of the tank;
The gas-liquid separator has an exhaust part for discharging separated gas, and the exhaust part is connected to the tank cooling channel so that the exhausted gas flows to the tank cooling channel. The oxygen concentration system according to any one of 1 to 11.
前記案内流路は、その内部を流れる空気が前記タンク内の液化天然ガスとの間で熱交換可能となるように前記タンクに沿って配置される、請求項1〜12のいずれか1項に記載の酸素濃縮システム。 A guide channel for guiding the air introduced into the oxygen concentration system to the first heat exchanger;
The said guide flow path is arrange | positioned along the said tank so that the air which flows through the inside can exchange heat with the liquefied natural gas in the said tank. The oxygen enrichment system described.
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5486479A (en) * | 1977-12-22 | 1979-07-10 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | Method and apparatus for producing liquid air using cold source of liquefied natural gas |
JPS5634083A (en) * | 1979-08-23 | 1981-04-06 | Nippon Oxygen Co Ltd | Method of liquefying air by low temperature of liquefied natural gas |
JPS5929793A (en) * | 1982-08-11 | 1984-02-17 | Hitachi Ltd | Rotary compressor |
JPH02116691U (en) * | 1989-03-01 | 1990-09-18 | ||
JPH11142054A (en) * | 1997-11-04 | 1999-05-28 | Nippon Sanso Kk | Method and system for air liquefaction separation utilizing cold heat of liquefied natural gas |
CA2567586A1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-04-02 | Expansion Power Inc. | Method of re-gasification of liquid natural gas to generate liquid air |
JP2014088982A (en) * | 2012-10-30 | 2014-05-15 | Kobe Steel Ltd | Oxygen-enriched air producing system |
-
2014
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Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5486479A (en) * | 1977-12-22 | 1979-07-10 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | Method and apparatus for producing liquid air using cold source of liquefied natural gas |
JPS5634083A (en) * | 1979-08-23 | 1981-04-06 | Nippon Oxygen Co Ltd | Method of liquefying air by low temperature of liquefied natural gas |
JPS5929793A (en) * | 1982-08-11 | 1984-02-17 | Hitachi Ltd | Rotary compressor |
JPH02116691U (en) * | 1989-03-01 | 1990-09-18 | ||
JPH11142054A (en) * | 1997-11-04 | 1999-05-28 | Nippon Sanso Kk | Method and system for air liquefaction separation utilizing cold heat of liquefied natural gas |
CA2567586A1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-04-02 | Expansion Power Inc. | Method of re-gasification of liquid natural gas to generate liquid air |
JP2014088982A (en) * | 2012-10-30 | 2014-05-15 | Kobe Steel Ltd | Oxygen-enriched air producing system |
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