JP5278356B2 - 空気分離装置の冷間待機方法 - Google Patents

Description

本発明は、深冷分離法によって少なくとも酸素を分離・精留する空気分離装置に関する技術であって、その空気分離装置を冷間待機状態で停止する方法に関する。

空気分離装置により酸素・窒素・アルゴンを分離・精留し、その酸素・窒素・アルゴンを圧送供給するプラントにおいては、定期整備や液製品の要求が無い場合に、プラントの運転を停止する場合がある。
プラントの停止に伴い空気分離装置を完全に停止させた場合には、空気分離装置を再起動する際に、まず、空気分離装置の全加熱を行うことで精留塔や各種配管内の水分を蒸発させてから、精留を開始する。上記全加熱は、原料となる圧縮空気を、蒸気を用いて熱交換することによって加熱が実施される。また、空気分離装置を完全停止する場合も、内部の液製品を外部に放出して、且つ全加熱を実施する必要がある。上記全加熱には、原料空気を圧縮する空気圧縮機を４０時間以上動かす必要があり、その分、精留の開始が遅れると共に、大量の電力を消費することとなる。

そこで、プラントの運転を停止する際に、空気分離装置を完全停止させないで、上記全加熱を回避する方法を採用する場合がある。空気分離装置を完全停止させない場合には、特許文献１に記載のように、空気分離装置の精留塔内部に液製品を残したまま停止して、精留塔を冷間待機の状態とする。これによって、プラントの再起動時に、上記全加熱の工程を省略できるようになる。

特許第２７８２３５５号公報

上記空気分離装置のうち少なくとも精留塔は、コールドボックスで保冷されている。しかし、外部からのコールドボックス内への熱の侵入を完全には防止できないため、冷間待機中は、精留塔内部の液製品が蒸発し続ける。このため、液製品中にごく僅かに含まれる炭化水素が、精留塔内部で徐々に濃縮していく。したがって、上記濃縮した炭化水素が所定閾値を越えることを回避する観点から、上記冷間待機状態での停止期間は、通常２週間程度未満と短期間の場合に限定されているのが現状である。

本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、空気分離装置の冷間待機状態を大幅に長くすることを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、精留塔内部に液製品を残したまま空気分離装置の運転を停止する冷間待機の際に、上記精留塔内部の炭化水素濃度が予め設定した設定閾値以上になったと判定すると、上記精留塔内部に液酸を注入することを特徴とするものである。液酸とは液体酸素のことを指す。
次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記精留塔内から採取した液酸中の炭化水素濃度に基づき、上記精留塔内部の炭化水素濃度が上記設定閾値以上になったか否かを判定することを特徴とするものである。

本発明によれば、精留塔内部に液酸を注入することで、冷間待機中でも炭化水素の濃縮を抑えることができる。この結果、長期間に亘って冷間待機状態の維持が可能になる。
これによって、全加熱を実施することなく空気分離装置の起動及び停止を行うことができる結果、空気分離装置の再起動を要求に応じて早期に開始可能になると共に、電力コストの削減を図ることができる。

本発明に基づく実施形態に係る空気分離装置の模式的な構成図である。

次に、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
（空気分離装置の構成）
本実施形態の空気分離装置１は、模式図である図１に示すように、深冷分離方式によって原料空気から少なくとも酸素を分離する空気分離装置である。空気分離装置１は、エアフィルタ１０、原料空気圧縮機１１、水洗冷却塔、ＭＳ吸着ユニット１３、熱交換器１４、及び精留塔１５を備える。

原料空気圧縮機１１は、エアフィルタ１０を介して原料空気である大気を吸引して圧縮する。なお、エアフィルタ１０は、吸引した大気中の粉塵を除去する。圧縮した空気は例えば６０℃程度になっている。
水冷冷却塔１２は、原料空気圧縮機１１が圧縮した空気を入力し、その空気に対し冷却水を塔上部から散水して水洗及び冷却を実施する。この水冷冷却塔１２での冷却によって、空気は例えば１０℃程度まで冷却される。

ＭＳ吸着ユニット１３は、空気から水分や二酸化炭素を除去する。なお、このＭＳ吸着ユニット１３は、通常２筒式であって、１筒で水分・二酸化炭素を吸着しているときに、もう１筒で吸着した水分・二酸化炭素を大気に放出する。
熱交換器１４は、供給される空気と低温の製品ガスとの間で熱交換させることで、当該空気を低温に冷却する。熱交換器１４は、空気を例えば−２００℃近くまで冷却する。

精留塔１５は、各ガスの沸点の差を利用して、空気中の酸素、窒素、及びアルゴンガスを分離する。なお、上記熱交換器１４及び精留塔１５が空気液化分離器を構成する。上記空気液化分離器を構成する熱交換器１４及び精留塔１５は、コールドボックスＣＢ内に配置されている。

上記精留塔１５で分離された酸素、窒素、アルゴンガスは、それぞれ個別の供給路によって製品酸素、製品窒素、製品アルゴンとして取り出される。各供給路は、上記熱交換器１４を介してそれぞれの供給先に向けて延在している。すなわち、精留塔１５で分離された酸素、窒素、アルゴンガスは、熱交換された低温の製品ガスとなる。

上記精留塔１５における精留塔下部１５ａには液酸が貯留している。精留塔下部１５ａに貯留する液酸は、適宜、過冷却器１６及び低温吸着器１７を介して精留塔上部１５ｂに供給される。符号１８は粗アルゴン塔、符号１９は主凝縮器、符号２０は副凝縮器である。副凝縮器２０を通じて液酸が適宜取り出される。
なお、上記精留塔１５で分離されて取り出された製品酸素は、不図示の酸素供給路を通じて酸素使用設備に供給可能となっている。製鉄設備であれば、酸素使用設備として高炉、転炉、連続鋳造設備などが例示出来る。

また、上記空気分離装置若しくは他の空気分離装置で分離した液酸を貯蔵する液酸タンク３０を備える。上記液酸タンク３０は、液酸供給用配管３１を通じて精留塔下部１５ａに接続し、液酸タンク３０内の液酸を精留塔１５内部に注入可能となっている。上記液酸供給用配管３１には、液酸ポンプ３２及び開閉弁３３が設けられている。
また、上記精留塔下部１５ａの底部には、液酸取出用の酸液採取用配管３４が接続されている。その酸液採取用配管３４に介挿する開閉弁３５を開くことで、精留塔下部１５ａに貯留している液酸から液酸のサンプルを採取可能となっている。

（冷間待機での処理について）
上記空気分離装置を含むプラントの運転を停止する際に、精留塔１５の内部など、コールドボックスＣＢ内の設備に液製品を残したまま空気分離装置の稼働を停止して、冷間待機の状態とする。
この冷間待機の状態のときに、定期的に、酸液採取用配管３４を通じて、精留塔１５内に貯留している液酸のサンプルを採取する。そして、採取した液酸のサンプルをガスクロマトグラフィにかけて、サンプル中の炭化水素の濃度を測定する。

そして、定期的に測定する炭化水素の濃度に基づき、精留塔１５内部の炭化水素の濃度が、予め設定した保安管理上の設定閾値以上となったと判定したら、開閉弁３３を開状態とし且つ液酸ポンプ３２を駆動して、予め設定した量の液酸を精留塔１５内に注入する。上記設定閾値は、例えば保安管理上で危険と判断される閾値よりも安全代分だけ低い値に設定しておく。

また、一回当たりに注入する液酸の量は、例えば６０ｋＮｍ³とする。この注入する量は、実験や経験値などから、注入することで上記ガスクロマトグラフィの測定で炭化水素の濃度が測定不能になると推定される液酸の量を求めておきし、その求めた値とすればよい。なお、液酸の注入量は、上記ガスクロマトグラフィの測定で炭化水素の濃度が測定不能となる量よりも少なく設定しても良い。

また、液酸の注入は、順次、液酸のサンプルを採取して炭化水素の濃度を測定しながら、炭化水素の濃度が測定不能になるなど、目的の低濃度となるまで、順次、液酸を注入するように処理しても良い。

ここで、上記説明では、測定した測定値自体が保安管理上の設定閾値以上となった場合に、精留塔１５内部の炭化水素の濃度が、予め設定した保安管理上の設定閾値以上になったと判定している。これに代えて若しくは併用して、今まで測定した測定濃度の推移から、炭化水素の濃度が保安管理上の設定閾値以上となる時期を推定し、その推定した時期が、炭化水素の濃度が保安管理上の設定閾値以上なる時期と判定して液酸の注入を実施しても良い。

また、液酸のサンプルの採取は、一定の時間間隔で実施しても良いし、測定値の濃度推移に基づき、保安管理上の設定閾値に近づくほど、採取時期の間隔を小さくするようにしても良い。
以上のように、冷間待機中に、精留塔１５内の炭化水素の濃度に基づき、適宜、液酸を精留塔１５内に注入することで、冷間待機中でも精留塔１５内部での炭化水素の濃縮を抑えることができる。この結果、長期の期間に亘って冷間待機状態の維持が可能になる。

実際に行ってみたところ、半年以上、冷間待機状態を維持可能であることを確認している。
以上のように、本実施形態では、空気分離装置の起動・停止時に全加熱が不要になることから、空気分離装置の再起動による精留を早期に実施可能となる。また、全加熱を行うことなく、空気分離装置の起動・停止ができることから、電力コストを削減することができる。ここで、酸素を製造する際の製造コストの大半が電気代であって、空気分離装置は電力を多く消費するため、電力消費量を減らすことが要望されていた。

さらに、製鉄所所内の需要に応じて、複数の空気分離装置からの使用する空気分離装置の選択が行いやすくなり、適時適用の運用ができるようになる。すなわち、複数の空気分離装置の選択自由度が向上する。

１ 空気分離装置
１０ エアフィルタ
１１ 原料空気圧縮機
１２ 水冷冷却塔
１３ 吸着ユニット
１４ 熱交換器
１５ 精留塔
１５ａ 精留塔下部
１５ｂ 精留塔上部
１６ 過冷却器
１７ 低温吸着器
１８ 粗アルゴン塔
１９ 主凝縮器
２０ 副凝縮器
２０ 主凝縮器
３０ 液酸タンク
３１ 液酸供給用配管
３２ 液酸ポンプ
３３ 開閉弁
３４ 酸液採取用配管
３５ 開閉弁
ＣＢ コールドボックス

Claims (2)

1. 精留塔内部に液製品を残したまま空気分離装置の運転を停止する冷間待機の際に、
   上記精留塔内部の炭化水素濃度が予め設定した設定閾値以上になったと判定すると、上記精留塔内部に液酸を注入することを特徴とする空気分離装置の冷間待機方法。
2. 上記精留塔内から採取した液酸中の炭化水素濃度に基づき、上記精留塔内部の炭化水素濃度が上記設定閾値以上になったか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載した空気分離装置の冷間待機方法。

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