JP5910349B2 - 空気液化分離設備の原料空気冷却方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮機で圧縮した原料空気を冷却水で冷却した後、吸着器に導入して精製し、次いで冷却して精留を行い、酸素や窒素等を分離する空気液化分離設備における、原料空気の冷却方法及び装置に関するものである。
製鉄所等で使用する酸素、窒素、アルゴンといった空気中の成分ガスの製造技術としては、圧縮機で圧縮した原料空気を冷却水で冷却した後、吸着器に導入して精製し、次いで冷却して液化した後、精留を行い、酸素や窒素等を分離する空気液化分離技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
図２は、一般的な空気液化分離設備（例えば、１時間当たり２００００〜３００００Ｎｍ３の酸素を製造する空気液化分離設備）の概念図である。空気圧縮機６で圧縮された原料空気は、水冷塔２において、冷却塔５で常温まで冷やされた冷却水により冷却され、更に冷水塔４で冷却された冷水を冷水ポンプ７で送水して冷凍機３により約５℃まで冷却した冷水により約７℃まで冷却された後、吸着器８において水分及び二酸化炭素を吸着除去された後、コールドボックス１２の内部に導入される。コールドボックス１２の内部では、原料空気は蒸留塔１１で分離された液体酸素や液体窒素等と熱交換器１０により熱交換されて一層冷却されると共に、膨張タービン９により液化され、蒸留塔１１において酸素や窒素等に分離される。
このような空気液化分離設備においては、原料空気を水冷塔２で如何に冷やすかがエネルギー効率（電力効率）に大きく影響することになる。
図３は、図２において原料空気を水冷塔２で冷却する部分をより詳細に示した部分拡大図である。空気圧縮機６で圧縮された原料空気は、断熱圧縮により夏場であれば約７０℃まで上昇する。水冷塔２の内部は２段水冷スプレー２ａ、２ｂが設置されており、原料空気は、先ず１段目の水冷スプレー２ａにより、冷却塔５で２８℃まで冷やされた冷却水を用いて冷却され、更に、２段目の水冷スプレー２ｂにより、冷水塔４では製品にならない約１０℃の粗窒素により１６℃前後まで冷却された冷水を冷水ポンプ７で送水して冷凍機３により約５℃まで冷却した冷水を用いて、約７℃まで冷却される。
なお、冷凍機３は、通常、故障等による停止を想定して２台以上設置し、稼働冷凍機と予備冷凍機を設けることが一般的である。図２では、３ａが稼働冷凍機、３ｂが予備冷凍機である。
特開昭５９−３８５７３号公報 特開平３−６３４９０号公報
しかしながら、上記のような、１時間当たり２００００〜３００００Ｎｍ３の酸素を製造する一般的な空気液化分離設備の場合、１６℃前後まで冷却された原料空気冷却用冷却水を更に約５℃まで冷却するための冷凍機が数百ｋＷの電力を使用していて、空気液化分離設備の製造コストの大きな部分を占めることが問題となっている。しかも、空気液化分離設備は常時稼働しており、夏季昼間などの気温が高く、一般的な電力需要が大きい時間帯に多くの電力を必要とするといった問題がある。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、空気液化分離設備において、原料空気を冷却する冷却水（原料空気冷却用冷却水）を効率的に冷却して電力使用量を削減することができる空気液化分離設備の原料空気冷却方法及び装置を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
［１］圧縮機で圧縮した原料空気を冷却水で冷却した後、吸着器に導入して精製し、次いで液化して精留を行い、酸素及び窒素等を分離する空気液化分離設備において、
夜間は原料空気を冷却する冷却水を冷凍機で冷却すると共に、その冷熱の一部を蓄熱器に蓄熱し、昼間は原料空気を冷却する冷却水を前記蓄熱器に蓄熱した冷熱で冷却することを特徴とする空気液化分離設備の原料空気冷却方法。
［２］稼動冷凍機と予備冷凍機を備えた既設の空気液化分離設備に前記蓄熱器を設置する場合には、夜間に前記予備冷凍機を用いて前記蓄熱器に冷熱を蓄熱することを特徴とする前記［１］に記載の空気液化分離設備の原料空気冷却方法。
［３］原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮した原料空気を冷却水で冷却する水冷手段と、該水冷手段で冷却された原料空気を精製する吸着器と、該吸着器で精製された原料空気を液化して精留を行い、酸素及び窒素等を分離する精留手段とを備えた空気液化分離設備において、
原料空気を冷却する冷却水を夜間に冷却する冷凍機と、該冷凍機での冷熱の一部を夜間に蓄熱し、原料空気を冷却する冷却水を前記夜間に蓄熱した冷熱で昼間に冷却する蓄熱器とを備えたことを特徴とする空気液化分離設備の原料空気冷却装置。
［４］稼動冷凍機と予備冷凍機を備えた既設の空気液化分離設備に前記蓄熱器を設置する場合には、夜間に前記予備冷凍機を用いて前記蓄熱器に冷熱を蓄熱することを特徴とする前記［３］に記載の空気液化分離設備の原料空気冷却装置。
本発明によれば、空気液化分離設備において、夜間は原料空気冷却用冷却水を冷凍機で冷却すると共に、その冷熱の一部を蓄熱器に蓄熱し、昼間は原料空気冷却用冷却水を前記蓄熱器に蓄えた冷熱で冷却するようにしているので、原料空気冷却用冷却水を効率的に冷却することにより、昼間のように気温が高く、一般的に電力需要が大きい時間帯の電力使用量を削減することができる。
本発明の一実施形態を示す図である。 一般的な空気液化分離設備の概念図である。 図２の部分拡大図である。
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態における空気液化分離設備の原料空気冷却システムを示す図である。
図１に示すように、この実施形態においては、夜間に原料空気冷却用冷却水を冷凍機３ａ、３ｂで冷却すると共に、その冷熱の一部を蓄熱槽（蓄熱器）１に蓄熱し、昼間は原料空気冷却用冷却水を蓄熱槽（蓄熱器）１に蓄熱した冷熱にて冷却するようにしている。
すなわち、まず、図１（ａ）に示すように、夜間は、空気圧縮機６で圧縮された原料空気は、水冷塔２において、冷却塔５で常温まで冷やされた冷却水により冷却され、更に冷水塔４で冷却された冷水を冷水ポンプ７で送水して稼動冷凍機３ａにより約５℃まで冷却した冷水により約７℃まで冷却される。それと同時に、予備冷凍機３ｂにより冷却された冷水は蓄熱体を内蔵した蓄熱槽１に送られ、その冷熱が蓄熱体に蓄熱される。そして、蓄熱槽１を通過した冷水は、その後、冷却塔５に送られる。
次に、図１（ｂ）に示すように、昼間は、稼動冷凍機３ａと予備冷凍機３ｂのいずれもが停止し、冷水塔４で冷却された冷水は冷水ポンプ７により蓄熱槽１に送水されて、蓄熱槽１に蓄熱された冷熱により約５℃まで冷却された後、水冷塔２へ送られる。
なお、図１（ａ）と図１（ｂ）の間の切り替えは、制御装置（図示せず）からの指示に基づいて、開閉弁２１、２２ａ、２２ｂ、２３、２４を開閉することによって行われる。
これによって、この実施形態では、昼間は、冷凍機３ａ、３ｂがいずれも停止しているため、昼間の冷凍機の電力使用量は０となる。
なお、図１（ａ）、（ｂ）において、約７℃まで冷却された原料空気は、その後、図２に示したように、吸着器８において水分及び二酸化炭素を吸着除去された後、コールドボックス１２の内部に導入される。コールドボックス１２の内部では、原料空気は蒸留塔１１で分離された液体酸素や液体窒素等と熱交換器１０により熱交換されて一層冷却されると共に、膨張タービン９により液化され、蒸留塔１１において酸素や窒素等に分離される。
このようにして、この実施形態においては、夜間は原料空気冷却用冷却水を冷凍機３ａ、３ｂで冷却すると共に、その冷熱の一部を蓄熱槽１に蓄熱し、昼間は原料空気冷却用冷却水を蓄熱槽１に蓄えた冷熱で冷却するようにしているので、昼間の冷凍機の電力使用量を０にして、空気液化分離を行うことが可能である。
この場合、例えば、３００００Ｎｍ３／ｈの酸素プラントで、昼間を８：００〜２２：００とし、昼夜の電力単価差５円/ｋＷｈとすると、年間５百万円の電力コスト削減となる。
なお、蓄熱槽１の蓄熱体としては、約５℃に相変化点を持つ水和物スラリー蓄熱材を使用することにより、蓄熱密度を上げて、蓄熱体の容積を少なくし、建設コストを抑えることができる。
また、この実施形態においては、稼動冷凍機３ａと予備冷凍機３ｂを備えた既設の空気液化分離設備を念頭において、複数台設置している予備冷凍機３ｂを夜間の冷熱の蓄熱用に利用するようにしているので、実施開始時の設備投資費用の負担も軽減される。
もちろん、予備冷凍機を備えていない空気液化分離設備においても、本発明の趣旨に基づいて同様に実施することが可能である。
１ 蓄熱槽（蓄熱器）
２ 水冷塔
２ａ １段目の水冷スプレー
２ｂ ２段目の水冷スプレー
３ 冷凍機
３ａ 稼動冷凍機
３ｂ 予備冷凍機
４ 冷水塔
５ 冷却塔
６ 空気圧縮機
７ 冷水ポンプ
８ 吸着器
９ 膨張タービン
１０ 熱交換器
１１ 蒸留塔
１２ コールドボックス
２１ 開閉弁
２２ａ 開閉弁
２２ｂ 開閉弁
２３ 開閉弁
２４ 開閉弁

Claims (4)

  1. 圧縮機で圧縮した原料空気を冷却水で冷却した後、吸着器に導入して精製し、次いで液化して精留を行い、酸素及び窒素等を分離する空気液化分離設備において、
    夜間は原料空気を冷却する冷却水を冷凍機で冷却すると共に、冷凍機で冷却された冷水の一部を蓄熱器に送ることにより、その冷熱の一部を蓄熱器に蓄熱し、昼間は原料空気を冷却する冷却水を前記蓄熱器に蓄熱した冷熱で冷却することを特徴とする空気液化分離設備の原料空気冷却方法。
  2. 稼動冷凍機と予備冷凍機を備えた既設の空気液化分離設備に前記蓄熱器を設置する場合には、夜間に前記予備冷凍機を用いて前記蓄熱器に冷熱を蓄熱することを特徴とする請求項１に記載の空気液化分離設備の原料空気冷却方法。
  3. 原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮した原料空気を冷却水で冷却する水冷手段と、該水冷手段で冷却された原料空気を精製する吸着器と、該吸着器で精製された原料空気を液化して精留を行い、酸素及び窒素等を分離する精留手段とを備えた空気液化分離設備において、
    原料空気を冷却する冷却水を夜間に冷却する冷凍機と、冷凍機で冷却された冷水の一部を蓄熱器に送ることにより、該冷凍機での冷熱の一部を夜間に蓄熱し、原料空気を冷却する冷却水を前記夜間に蓄熱した冷熱で昼間に冷却する蓄熱器とを備えたことを特徴とする空気液化分離設備の原料空気冷却装置。
  4. 稼動冷凍機と予備冷凍機を備えた既設の空気液化分離設備に前記蓄熱器を設置する場合には、夜間に前記予備冷凍機を用いて前記蓄熱器に冷熱を蓄熱することを特徴とする請求項３に記載の空気液化分離設備の原料空気冷却装置。
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