JP2023155545A - 窒素および酸素の供給設備、ならびに、窒素および酸素の供給方法 - Google Patents

窒素および酸素の供給設備、ならびに、窒素および酸素の供給方法 Download PDF

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Abstract

【課題】設備稼働率の変化にかかわらず、エネルギー使用量を低減した、窒素および酸素の供給技術を提供する。【解決手段】原料空気を深冷分離する空気分離装置と、製造した窒素および酸素を使用設備に供給する供給手段と、を備え、空気分離装置は、原料空気を冷却する冷却部と、窒素の一部を冷却部の冷媒に供給する冷媒用窒素ガス配管と、窒素の一部を液体窒素として貯蔵する液体窒素貯槽と、液体窒素貯槽を冷却部および供給手段に接続する液体窒素用配管と、外部冷媒を冷却部に供給する外部冷媒供給管と、冷却部の冷媒を選択する制御手段と、を有し、空気分離装置は、酸素使用設備の需要量に合わせて酸素供給量を調整し、制御手段は、窒素使用設備の需要量と空気分離装置の窒素供給量とを比較して、空気分離装置の使用エネルギーが低減するように、冷却部に用いる冷媒の種類と量とを調整する、窒素および酸素の供給設備である。【選択図】図１

Description

本発明は、窒素および酸素の使用設備に、原料空気を深冷分離することで窒素および酸素を供給する設備とその方法に関する。
大量、かつ高純度の窒素および酸素を製造する設備として、たとえば、特許文献１に記載のような深冷分離方式がある。深冷分離方式の電力使用量の大部分は原料空気圧縮機で消費されている。そのため、処理する原料空気量によって、窒素および酸素の供給設備での電力使用量はほぼ決まっている。そのため、余剰な原料空気の処理は電力使用量の損失となる。深冷分離方式の原料は空気であり、空気の組成上から処理する原料空気量に対して一定比率の酸素および窒素を製造することになる。一般的には、酸素需要量と等しい酸素供給量を得るために原料空気の処理量を調整する運用を行っている。
酸素需要量に応じた原料空気量で製造できる窒素供給量は、窒素需要量に対して余剰であることが多く、冷媒等として用いて窒素および酸素の供給設備の電力使用量の削減に寄与している。
たとえば、特許文献２には、需給予測の経時変化および再起動時間を考慮した、複数の窒素および酸素の供給設備の稼働台数調整によって供給量を調整する窒素および酸素の供給方法が開示されている。
さらに、特許文献３には、酸素需要量に応じて、窒素および酸素の供給設備の減量限界まで原料空気の処理量を調整することに加えて、一時貯蔵する設備を備えた運用方法が開示されている。
特許第６０８６２７２号公報 特開平８－１８９７５９号公報 特許第５４０７６６１号公報
上記従来技術には、以下のような問題があった。
特許文献１～３の技術では、窒素および酸素の製造に要する電力使用量を低減するため、酸素需要量に応じて原料空気の処理量を増減する運用が行われている。酸素使用設備の稼働率低下に伴い、原料空気の処理量を減少させると窒素供給量も減少することとなる。従来の原料空気の処理量決定方法では、酸素使用設備の稼働率が低下しても、窒素需要量に見合う窒素供給量が律速となって、原料空気の処理量を減少させることができない問題があった。この理由は、酸素使用設備の酸素需要量が設備稼働率に比例するのに対し、窒素需要量は設備の稼働率に比例しないためである。窒素は、酸化防止の封入用や配管内等のガス置換用の不活性ガスとして、設備稼働率に関係なく一定量の需要があることによる。
また、通常は空気分離装置の運転電力を低減化する目的で、窒素を冷媒に用いることが多い。その点でも、設備稼働率の低下時には、冷媒に用いていた窒素も需要に回さざるを得ず、省エネルギーとは逆行することになる。
一方、窒素ガスは緊急時にガス置換用の不活性ガスとしての用途がある。通常の定常的窒素需要量だけでなく、緊急時の使用量も考慮して窒素の需要量を算出している。緊急時の窒素の使用は、ガス置換用であることから、短時間である。しかし、窒素使用設備の急激な需要増減に対しても安定した供給が必要となる。なぜなら、ガス置換用の窒素の供給に支障があると、爆発などの危険が伴うためである。
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、設備稼働率の変化にかかわらず、エネルギー使用量を低減した、窒素および酸素の供給設備ならびに窒素および酸素の供給方法を提供することを目的とする。くわえて、窒素需要量の急激な増減にあっても安定して窒素を供給することのできる装置および方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決し、上記目的を達成する本発明にかかる窒素および酸素の供給設備は、原料空気を深冷分離することで窒素および酸素を製造する空気分離装置と、製造した窒素および酸素を使用設備に供給する供給手段と、を備え、前記空気分離装置は、前記原料空気を冷却する冷却部と、製造した窒素の一部を前記冷却部の冷媒として供給する冷媒用窒素ガス配管と、余剰の窒素の一部を液体窒素として貯蔵する液体窒素貯槽と、前記液体窒素貯槽を前記冷却部および前記供給手段に接続する液体窒素用配管と、外部冷媒を前記冷却部に供給する外部冷媒供給管と、前記冷却部の冷媒を選択する制御手段と、を有し、前記空気分離装置は、酸素使用設備の需要量に合わせて酸素供給量を調整するように構成されており、前記制御手段は、窒素使用設備の需要量と前記空気分離装置の窒素供給量とを比較して、前記空気分離装置の使用エネルギーが低減するように、前記冷却部に用いる冷媒の種類と量とを調整するように構成されていることを特徴とする。
なお、本発明にかかる窒素および酸素の供給設備は、
（ア）前記供給手段が複数の環状配管で前記使用設備に接続されていること、
（イ）前記環状配管のそれぞれにアキュムレーターが設置されていること、
などが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。
上記課題を解決し、上記目的を達成する本発明にかかる窒素および酸素の供給方法は、原料空気を深冷分離することで窒素および酸素を製造し、使用設備に供給するにあたり、製造した窒素の一部を前記原料空気の冷却用冷媒として用い、または、用いずに、酸素使用設備の需要量に合わせて酸素供給量を調整し、窒素使用設備の需要量と窒素供給量とを比較して、使用エネルギーが低減するように、
（ａ）余剰窒素を液体窒素として貯蔵すること、
（ｂ）貯蔵した液体窒素を窒素使用設備に供給すること、
（ｃ）貯蔵した液体窒素を前記原料空気の冷却用冷媒として用いること、
（ｄ）外部で冷却した冷媒で原料空気を冷却すること、
のうちから選ばれる１以上を選択することを特徴とする。
なお、本発明にかかる窒素および酸素の供給方法は、
（ウ）窒素使用設備および酸素使用設備それぞれを複数の環状配管で接続して窒素および酸素を供給すること、
（エ）前記環状配管のそれぞれにアキュムレーターを設置し、所定の圧力変動に調整すること、
などが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。
本発明にかかる窒素および酸素の供給設備ならびに窒素および酸素の供給方法によれば、設備稼働率が高いときは、余剰の窒素を空気を冷却する冷媒として用い、また、液体窒素として貯え、設備稼働率が低いときは、窒素の不足を蓄えた液体窒素から供給し、空気を冷却する冷媒を使用エネルギーが低減するように選択したので、設備稼働率にかかわらず使用エネルギーを低く抑えることが可能となり、産業上極めて有用である。
また、窒素や酸素の供給手段を複数の環状配管としたり、アキュムレータを設置したりすることで、一時的な需要の急増、急減にあっても、安定的に窒素や酸素を供給することが可能となる。
本発明の一実施形態にかかる窒素および酸素の供給設備を模式的に表す設備構成概念図である。 窒素および酸素使用設備の操業指数と窒素および酸素それぞれの需要量、酸素需要量に合わせた空気分離装置の窒素および酸素の供給量を概念的に表すグラフである。 空気分離装置の構成を模式的に表す概念図である。
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための設備や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
図１は、本発明の一実施形態にかかる窒素および酸素供給設備を模式的に表す設備構成概念図である。本実施形態の窒素および酸素供給設備は、原料空気を深冷分離することで窒素および酸素を製造する空気分離装置１００と、製造した窒素および酸素を使用設備１６に供給する供給手段２００と、を備える。空気分離装置１００は、空気圧縮機１で圧縮した原料空気を冷却するための冷却部２と、窒素、酸素、アルゴンなどに分離する各ガス分離部３と、製造した窒素を冷却部２の冷媒として用いるための冷媒用窒素ガス供給弁４および配管５と、製造した窒素を窒素供給手段２００に接続する配管と、余剰の窒素の一部を液体窒素ＬＮ２として貯蔵する液体窒素貯槽９と、液体窒素ＬＮ２を液体窒素貯槽９から供給するため液体窒素供給ポンプ１０、液体窒素切替弁１１および液体窒素蒸発器１２を介して窒素供給手段２００に接続する配管と、液体窒素切替弁１１から冷媒として液体窒素ＬＮ２を冷却部２に送給する液体窒素用配管と、外部で冷却した冷媒を冷却部２に供給するための外部冷媒供給弁８および配管７と、を有する。さらに、冷却部２に供給する冷媒を選択し供給量を調整するため制御手段としての冷媒供給調整器１３を有する。冷媒供給調整器１３は、冷媒用窒素ガス供給弁４、外部冷媒供給弁８および液体窒素切替弁１１を制御し、冷却部２に流す冷媒を選択する。窒素供給手段２００は、製造した窒素ガスを圧縮する窒素ガス圧縮機６と、窒素使用設備１６に窒素ガスを配分する、互いに接続された複数の環状配管１４と、液体窒素ＬＮ２を供給するための配管と、を有する。加えて、図１の例では、それぞれの環状配管１４に圧力調整用の窒素ガスアキュムレーター１５を有する。
図３には、空気分離装置１００の具体例を概略図で示す。空気分離装置１００は、空気ろ過機１０１、原料空気圧縮機１、水洗冷却塔１０３、前処理吸着器１０６（ＭＳ吸着器）、ならびに、外槽１１２（ガス分離部）内に主熱交換器１２１や下部塔１２２および上部塔１２３などの精留塔を有する。原料空気圧縮機１は空気ろ過機１０１を介して原料空気である大気を吸引して圧縮する。空気ろ過機１０１はたとえば大気中の粉塵などを除去する。圧縮した原料空気はたとえば６０℃程度になっている。
水洗冷却塔１０３は、原料空気圧縮機１が圧縮した原料空気を導入し、その原料空気に対し冷却水を塔上部から散水して、水洗し、冷却する。この水洗冷却塔１０３での冷却によって、原料空気はたとえば１０℃程度となる。水洗冷却塔１０３で散水する冷却水は、冷却塔１１０や各種熱交換器１３１を経由し、水ポンプ１１１にて冷水塔１０４やフロン冷凍機１０５などを循環し冷却される。
前処理吸着器１０６は、冷却された原料空気の水分や二酸化炭素を除去する。前処理吸着器１０６は通常２組用意される。一方の前処理吸着器１０６で水分や二酸化炭素を吸着しているとき、他方の前処理吸着器１０６内の吸着剤は、前処理吸着剤再生ヒーター１０７によって加熱窒素を供給されて、吸着成分（水分や二酸化炭素）が大気に放出され、除去される。乾燥し、清浄となり、昇圧された原料空気は、外槽１１２（ガス分離部）に導入される。
そして、主熱交換器１２１は、不純物が除去された原料空気と製品ガスとの間で熱交換させることで、原料空気を所定温度になるように冷却する。たとえば、主熱交換器１２１は、空気を－２００℃近くまで冷却する。冷却された原料空気は下部塔１２２の下部に導入される。下部塔１２２は、主熱交換器１２１で冷却された原料空気を低温蒸留することで、下部塔１２２の塔頂部に濃縮される窒素ガスと塔底部に濃縮される酸素富化液体とに分離される。
上部塔１２３は、集合したガスや液体を低温蒸留することで、塔頂部に濃縮される窒素ガスと塔底部に濃縮される液体酸素とに分離される。粗アルゴン塔１２４は、上部塔１２３中部から抽出したガスを低温蒸留し、Ａｒガスと塔頂部から窒素ガスと、塔底部から酸素富化液体とを分離する。
各ガスの沸点の差を利用して分離された原料空気中の窒素、酸素およびアルゴンはガスとして、または液化して取り出される。分離された酸素、窒素およびアルゴンガスは、それぞれ個別の供給路によって取り出される。各供給路は、主熱交換器１２１を介してそれぞれの供給先に向けて延在している。つまり、分離された酸素ＧＯ２、窒素ＧＮ２およびアルゴンガスＧＡｒは、熱交換される低温の製品ガスとなる。ここで、余剰の窒素ガスＧＮ２は、たとえば、冷水塔１０４に送られ、原料空気を冷却する冷却水の冷却に用いられる。
本実施形態では、余剰の製品ガスは、液化（ＬＮ２，ＬＯ２）して、たとえば、液体窒素ＬＮ２は液体窒素貯槽９に貯えられるように構成している。
つぎに、本実施形態の窒素および酸素の供給設備を用いた、窒素および酸素の供給方法について説明する。上記実施形態の窒素および酸素の供給設備は、使用設備の通常操業時の窒素および酸素の需要量と、長期的かつ大幅な操業低下時の窒素および酸素の需要量を算定し、使用設備の稼働率の増減に応じて運用変更することが可能である。つまり、原料空気を深冷分離することで窒素および酸素を製造し、使用設備に供給するにあたり、製造した窒素の一部を前記原料空気の冷却用冷媒として用い、または、用いずに、酸素使用設備の需要量に合わせて酸素供給量を調整し、窒素使用設備１６の需要量と空気分離装置１００の窒素供給量とを比較して、使用エネルギーが低減するように運用するものである。窒素および酸素の供給運用にあたり、（ａ）余剰窒素を液体窒素として貯蔵すること、（ｂ）貯蔵した液体窒素を窒素使用設備に供給すること、（ｃ）貯蔵した液体窒素を前記原料空気の冷却用冷媒として用いること、（ｄ）外部で冷却した冷媒で原料空気を冷却すること、から選ばれる１以上を選択するものである。
図２に窒素および酸素使用設備の操業指数と窒素および酸素の需要量、ならびに、酸素需要量に酸素供給量を併せた場合の窒素供給量を示す。操業指数は、たとえば複数の使用設備がある場合、稼働している使用設備の数や生産量にかかる稼働率に相当する。酸素ガスの需要量は図２に示すように、使用設備の操業指数にほぼ比例する。ところが、窒素ガスの需要量は、操業指数に比例しない。これは、窒素ガスの需要が、酸化防止の封入用や配管内等のガス置換用の不活性ガスとして、設備稼働率に関係なく一定量の需要があることによる。
本実施形態では、たとえば、酸素使用設備の稼働率が通常時より高くなると、余剰窒素は、原料空気の冷却用冷媒として必要とする以上に生産されることになる。その部分を液体窒素ＬＮ２として液体窒素貯槽９に貯えることができる。液体窒素貯槽９に貯えた液体窒素ＬＮ２は、酸素使用設備の稼働率が通常時より低くなった場合に、液体窒素蒸発器１２を介して所定圧力の窒素ガスとし、窒素ガスの供給手段に導入することができる。これにより、原料空気の冷却用冷媒として必要とする製品窒素ガスＧＮ２を減少させることなく、酸素供給量を減少させることができる。したがって、原料空気の使用量を削減できて、原料空気圧縮機の電力量を削減することができる。
また、製品窒素ガスＧＮ２を原料空気の冷却用冷媒に用いずに、液体窒素ＬＮ２を原料空気の冷却用冷媒とすることもできる。これにより、窒素および酸素の需要量を満足する窒素および酸素の供給量を確保しつつ、原料空気の使用量を削減できて、原料空気圧縮機の電力量を削減することができる。
さらに、液体窒素ＬＮ２が不足したなどの事情があれば、たとえば、フロン冷凍機などを用い、外部で冷却した冷媒を原料空気の冷却に用いることもできる。これにより、原料空気の使用量を削減できて、原料空気圧縮機の電力量を削減することができる。
上記のように、原料空気の冷却用冷媒を選択するにあたっては、冷媒供給調整器１３が、窒素および酸素供給設備の使用エネルギー全体を低減させるように冷媒の選択と量を調整する。冷媒供給調整器１３はコンピュータやシークェンサなどで構成することができる。窒素および酸素使用設備の長期的な需要動向の予測に基づき、所定期間の合計消費エネルギーが低減するように調整してもよい。エネルギーの使用量を最小化することが好ましい。
本実施形態の窒素および酸素供給方法では、窒素使用設備および酸素使用設備それぞれを複数の環状配管で接続して窒素および酸素を供給することが好ましい。図１の例では窒素ガスの供給手段に二重の環状配管を用い、窒素使用設備１６に供給している。窒素使用設備を直列に接続して供給した場合、上流側（窒素製造設備に近い側）で窒素使用量が急増した場合、下流側（窒素製造設備から遠い側）で圧力が低下し、必要な需要量を供給できなくなる場合がある。環状とし、複数とすることで、窒素の供給圧力を安定させることができる。酸素の供給手段も同様である。
本実施形態の窒素および酸素供給方法では、窒素および酸素を供給する環状配管のそれぞれにアキュムレーターを設置し、所定の圧力変動に調整することが好ましい。これにより、使用設備の需要量の急変があっても、窒素および酸素の供給圧力の変動を抑えることができる。たとえば、窒素ガスの供給手段に用いるアキュムレータの容量、能力は、緊急時に必要となる窒素量として、窒素置換する必要のある設備や配管の合計容積と最終的な窒素の要求濃度により算出することが好ましい。
なお、窒素および酸素供給設備が、複数の空気分離装置を有していてもよい。その場合、使用設備の稼働状況に応じて、空気分離装置の稼働数を減少させた方が使用エネルギーの低減になる場合には、空気分離装置の稼働数を減少させることが好ましい。
図１の構成の窒素および酸素供給設備を用い、窒素および酸素を供給する試験を行った。表１の試験Ｎｏ．１に通常操業時の空気処理量を基準として指数１００とおいた。あわせて、酸素ガス供給量と窒素ガス供給量とを体積基準で指数で示す。表１の試験Ｎｏ．２従来の運用方法に基づき、製品窒素ガスを所定量だけ原料空気の冷却用冷媒として用い、使用電力量が最小化するように運用した。表１の試験Ｎｏ．３は上記実施形態に基づき、原料空気を冷却する冷媒とその量を、使用電力量が最小化するように運用した。試験Ｎｏ．２は操業指数が７０に下がったにもかかわらず、窒素ガスの需要量を満足する窒素ガス供給量指数を２２とする原料空気処理を指数８０だけの必要とした。試験Ｎｏ．３は操業指数７０に比例して、原料空気処理量を指数７０に低減できた。
Figure 2023155545000002
本発明にかかる窒素および酸素の供給設備ならびに窒素および酸素の供給方法によれば、窒素および酸素を使用する設備の稼働率にかかわらず使用エネルギーを低く抑えることが可能となり、産業上極めて有用である。
１ 原料空気圧縮機
２ 冷却部
３ 各ガス分離部
４ 冷媒用窒素ガス供給弁
５ 冷媒用窒素ガス供給配管
６ 窒素ガス圧縮機
７ 外部冷媒供給配管
８ 外部冷媒供給弁
９ 液体窒素貯槽
１０ 液体窒素供給ポンプ
１１ 液体窒素切替弁
１２ 液体窒素蒸発器
１３ 冷媒供給調整器
１４ 環状配管
１５ 窒素ガスアキュムレータ
１６ 窒素使用設備
１００ 空気分離装置
１０１ 空気ろ過機
１０３ 水洗冷却塔
１０４ 冷水塔
１０５ フロン冷凍機
１０６ 前処理吸着器
１０７ 前処理吸着剤再生ヒーター
１１０ 冷却塔
１１１ 水ポンプ
１１２ 外槽（ガス分離部）
１２１ 主熱交換器
１２２ 下部塔
１２３ 上部塔
１２４ 粗アルゴン塔
１３１ 熱交換器
２００ 供給手段
ＬＮ２ 液体窒素
ＬＯ２ 液体酸素
ＧＮ２ 窒素ガス
ＧＯ２ 酸素ガス
ＧＡｒ アルゴンガス

Claims (6)

  1. 原料空気を深冷分離することで窒素および酸素を製造する空気分離装置と、
    製造した窒素および酸素を使用設備に供給する供給手段と、を備え、
    前記空気分離装置は、前記原料空気を冷却する冷却部と、製造した窒素の一部を前記冷却部の冷媒として供給する冷媒用窒素ガス配管と、余剰の窒素の一部を液体窒素として貯蔵する液体窒素貯槽と、前記液体窒素貯槽を前記冷却部および前記供給手段に接続する液体窒素用配管と、外部冷媒を前記冷却部に供給する外部冷媒供給管と、前記冷却部の冷媒を選択する制御手段と、を有し、
    前記空気分離装置は、酸素使用設備の需要量に合わせて酸素供給量を調整するように構成されており、
    前記制御手段は、窒素使用設備の需要量と前記空気分離装置の窒素供給量とを比較して、前記空気分離装置の使用エネルギーが低減するように、前記冷却部に用いる冷媒の種類と量とを調整するように構成されている、窒素および酸素の供給設備。
  2. 前記供給手段が複数の環状配管で前記使用設備に接続されている、請求項１に記載の窒素および酸素の供給設備。
  3. 前記環状配管のそれぞれにアキュムレーターが設置されている、請求項２に記載の窒素および酸素の供給設備。
  4. 原料空気を深冷分離することで窒素および酸素を製造し、使用設備に供給するにあたり、
    製造した窒素の一部を前記原料空気の冷却用冷媒として用い、または、用いずに、
    酸素使用設備の需要量に合わせて酸素供給量を調整し、
    窒素使用設備の需要量と窒素供給量とを比較して、使用エネルギーが低減するように、
    （ａ）余剰窒素を液体窒素として貯蔵すること、
    （ｂ）貯蔵した液体窒素を窒素使用設備に供給すること、
    （ｃ）貯蔵した液体窒素を前記原料空気の冷却用冷媒として用いること、
    （ｄ）外部で冷却した冷媒で原料空気を冷却すること、
    のうちから選ばれる１以上を選択する、窒素および酸素の供給方法。
  5. 窒素使用設備および酸素使用設備それぞれを複数の環状配管で接続して窒素および酸素を供給する、請求項４に記載の窒素および酸素の供給方法。
  6. 前記環状配管のそれぞれにアキュムレーターを設置し、所定の圧力変動に調整する、請求項５に記載の窒素および酸素の供給方法。
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