JPH09228852A - 燃焼タービンを統合した空気分離方法 - Google Patents

燃焼タービンを統合した空気分離方法

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JPH09228852A
JPH09228852A JP9017092A JP1709297A JPH09228852A JP H09228852 A JPH09228852 A JP H09228852A JP 9017092 A JP9017092 A JP 9017092A JP 1709297 A JP1709297 A JP 1709297A JP H09228852 A JPH09228852 A JP H09228852A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高圧燃焼タービンを低温空気分離装置と統合
した空気分離法を提供する。 【解決手段】 燃焼タービン１０９からの精製圧縮空気
１５を冷却して得られた冷却空気のうちの第一の部分１
７を仕事膨張させて低圧蒸留塔１１９へ導入し、冷却空
気の第二の部分２１を更に冷却し、減圧してから高圧蒸
留塔１２３へ導入し、高圧蒸留塔１２３から酸素に富む
塔底液流３３を抜き出して冷却及び減圧してから低圧蒸
留塔１１９へ導入し、低圧蒸留塔１１９から窒素に富む
製品３５を抜き出す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高圧燃焼タービン
を低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ）空気分離装置と統合した
操作に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】燃焼タ
ービンは、空気分離装置と容易に統合して大気ガス製品
と電力を製造することができる。燃焼タービン空気圧縮
機は、タービン燃焼器のために圧縮空気を供給するもの
であり、そしてまた空気分離装置への圧縮空気原料の一
部あるいは全部を供給することができる。典型的に、燃
焼タービンは酸素及び／又は窒素製品を提供するための
低温空気分離装置と統合され、この燃焼タービンと空気
分離装置はガス化を組み合わせたサイクルの発電装置の
ガス化プロセスと統合することができる。
【０００３】先進的なガス化を組み合わせたサイクルの
発電装置による発電は、発電費用の低減及び標準的な石
炭焚き発電所よりも環境への影響が少なくなる可能性を
もたらす。これらの先進的な装置では、石炭あるいはそ
の他の炭素質物質を酸素でガス化させ、そして製造され
たガスを清浄にして低硫黄の燃料ガスを得る。この燃料
ガスは、環境への放出を減らして電力を生産するためガ
スタービン発電装置で利用される。空気分離装置で製造
された窒素の一部又は全部は好ましくは、窒素酸化物の
生成を減らしそして統合された燃焼タービン／低温空気
分離装置の効率を向上させるため燃焼器へ戻される。
【０００４】近年のガス化を組み合わせた燃焼サイクル
（ＧＣＣ）技術において高まりつつある関心は、統合さ
れたガス化を組み合わせたサイクル（ＩＧＣＣ）装置で
利用される先進的なガスタービン、ガス化プロセス及び
空気分離装置のより高い効率と実証された信頼性に刺激
されている。ＩＧＣＣ装置のこれら三つの主要な構成要
素の適切な統合は、最大限の運転効率と最小限の発電経
費を得るのに欠くことができない。
【０００５】ＧＣＣ及びＩＧＣＣ発電装置における現行
の技術の一般的な検討が、ＧＥ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｓｔ
ａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−Ａｒｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｓｅｍｉｎａｒ， ｐｐ．１−１８（１９９３年７
月）に提示されたＤ．Ｍ．Ｔｏｄｄの論文“Ｃｌｅａｎ
Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｇａ
ｓ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ”でなされている。Ａ．Ｋ．Ａｎ
ａｎｄらは、１９９５年６月５〜８日に米国テキサス州
ヒューストンで開催された国際ガスタービン及び空気エ
ンジン会議及び展示会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ Ａｅｒｏｅｎｇｉｎ
ｅ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）で提出された論文“Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ＩＧＣＣ Ｓｙｓｔｅｍ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ”において、ＩＧＣＣ装置の
設計で必要とされるファクターの検討を提示している。
種々の統合技術とそれらのＧＣＣの経済的側面への影響
は、１９９４年１０月１９〜２１日に米国カリフォルニ
ア州サンフランシスコで開催された第１３回ＥＰＲＩガ
ス化発電所会議（ＥＰＲＩ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏ
ｎ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎ
ｔｓ）で提出されたＡ．Ｄ．Ｒａｏらの論文“Ｉｎｔｅ
ｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｘａｃｏ ＴＱ Ｇａｓｉ
ｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈ Ｅｌｅｖａｔｅｄ Ｐｒｅ
ｓｓｕｒｅ ＡＳＵ”で検討されている。
【０００６】１９９４年１０月１９〜２１日に米国カリ
フォルニア州サンフランシスコで開催された第１３回Ｅ
ＰＲＩガス化発電所会議で提出された論文“Ｉｍｐｒｏ
ｖｅｄ ＩＧＣＣ Ｐｏｗｅｒ Ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ
Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ
ａ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉ
ｎｅ”では、Ａ．Ｒ．Ｓｍｉｔｈらにより、ＩＧＣＣプ
ロセスにおけるガスタービンと空気分離装置との統合の
いくつかの方式が検討されている。一つの様式では、空
気分離装置の原料空気は独立した圧縮機により供給さ
れ、そしてこの空気分離装置からの窒素生成物の一部が
圧縮されてガスタービン圧縮機へ導入される。この窒素
を導入して統合する方式は、ＩＧＣＣ装置を上昇したガ
スタービン出力で運転しＮＯx の生成を減らすのを可能
にする。別の運転方式では、窒素の統合を、空気分離装
置への原料空気の一部をガスタービン圧縮機からの抽出
空気により供給する空気の統合と組み合わせる。空気と
窒素の統合として定義される、この別の方式は、運転の
融通性をより大きくし、そして部分負荷条件でのＩＧＣ
Ｃ装置の運転時の最適化の度合いをより高くする。
【０００７】ＩＧＣＣ装置を含めた、燃焼を基にした発
電装置には、周囲空気温度及び／又は電力の周期的需要
の変化のために装置の設計能力より低い運転期間があ
る。これらの期間中は、そのような装置は設計効率未満
で運転される。従って、ＩＧＣＣ装置の機器の選定とプ
ロセス設計は、設計能力での定常状態の運転も、また部
分負荷あるいはターンダウン条件での運転も考慮しなく
てはならない。上記の空気及び窒素を統合してのＩＧＣ
Ｃ装置は、特にそのような装置をかなりの期間部分負荷
又はターンダウン条件で運転する場合には、その装置を
最高の総合効率で運転する可能性のために好ましいオプ
ションである。
【０００８】低温空気分離プロセスは、殊に燃焼タービ
ン又はガスタービンを統合するために設計することがで
き、そして空気と窒素の両方を燃焼タービンと統合した
空気分離装置が特に有用なものである。この用途におけ
る大抵の空気分離プロセスは、酸素製品と窒素製品の効
率的回収のために周知の二塔式蒸留装置を利用する。
【０００９】米国特許第３７３１４９５号明細書には、
ガスタービン圧縮機からの空気の一部を更に圧縮し、気
体不純物を除去するため処理し、冷却し、そして全体を
二塔式蒸留装置の高圧塔へ導入する空気及び窒素を統合
した燃焼タービン系が開示されている。
【００１０】米国特許第４０１９３１４号明細書には、
ガスタービン圧縮機からの空気の一部を更に圧縮して空
気分離装置へ導入する空気及び窒素を統合したスチーム
発生／燃焼タービン系が記載されている。酸素製品は、
燃焼タービンのための燃料を発生させる石炭ガス化装置
で使用される。
【００１１】米国特許第４２２４０４５号明細書には、
燃焼タービン圧縮機からの空気の一部を逆転（ｒｅｖｅ
ｒｓｉｎｇ）熱交換器で冷却及び精製する空気及び窒素
を統合した燃焼タービン系が開示されている。冷却され
精製された空気は、第一の部分と第二の部分に分けら
れ、第一の部分は二塔式蒸留装置の高圧塔へ導入され、
そして第二の部分は加温され、仕事膨張させられて、低
圧塔へ導入される。任意的に、燃焼タービン圧縮機から
の空気の当該一部を更に圧縮してから冷却及び精製す
る。任意的に、燃焼タービン圧縮機からの空気の当該一
部を、（１）仕事膨張させてから冷却及び精製するか、
あるいは（２）冷却及び精製後ではあるが空気を低圧塔
と高圧塔へ導入のため分割するより前に仕事膨張させ
る。
【００１２】米国特許第４５５７７３５号明細書には、
燃焼タービン圧縮機からの空気の一部を吸着により精製
しそして冷却して、二塔式蒸留装置への単一の供給原料
を高圧塔を経由して供給する、空気及び窒素を統合した
燃焼タービン系が記載されている。高圧塔からの窒素生
成物を膨張させて寒冷を供給し、供給原料の吸着装置を
再生するために利用し、圧縮し、そして燃焼タービン系
の燃焼用に導入する。
【００１３】空気及び窒素と統合され、燃焼タービンの
ために燃料を供給する石炭ガス化装置と更に統合された
燃焼タービン系が、米国特許第４６９７４１５号明細書
に記載されている。燃焼タービン圧縮機からの抽出空気
は、膨張させることも更に圧縮することもなく空気分離
装置へ直接導入される。
【００１４】米国特許第５３８６６８６号明細書には、
燃焼器への一緒にされた原料空気と戻し窒素の酸素含有
量を抽出空気又は戻し窒素の流量を制御することで制御
する空気及び窒素を統合した燃焼タービン系が記載され
ている。
【００１５】米国特許第５４０６７８６号明細書には、
原料空気と酸素製品の圧縮で発生された熱を利用して燃
焼タービン系の燃焼器への圧縮空気を増湿する空気及び
窒素を統合した燃焼タービン系が記載されている。燃焼
タービン圧縮機から抽出された空気の一部は任意的に、
仕事膨張させられてから空気分離装置へ導入される。
【００１６】窒素を統合した燃焼タービン系は、米国特
許第５０８１８４５号、第５４１０８６９号及び第５４
５９９９４号、そして英国特許出願公開第２０６７６６
８号各明細書に記載されている。
【００１７】低温空気分離装置において製品需要が少な
い間に１種以上の低温液体を貯蔵することは、米国特許
第５０８２４８２号、第５０８４０８１号及び第５２２
４３３６号各明細書に記載されている。製品需要が多い
間は、貯蔵された液を追加の製品として抜き出し、ある
いは空気分離装置内で塔間原料又は還流として利用す
る。
【００１８】代表的である米国特許第５０９８４５７
号、第５１４８６８０号、第５３０３５５６号及び第５
３５５６８２号各明細書に記載されたように、低温空気
分離装置から抜き出した液をポンプで昇圧しそしてこの
昇圧された液を冷却する原料空気流との熱移動により気
化させることで、高圧の酸素製品及び／又は窒素製品を
得ることができる。
【００１９】現在運転される燃焼タービン系は典型的
に、燃焼空気を最高で２００ｐｓｉａ（１３８０ｋＰａ
（絶対圧））までの圧力で供給する。最近では、より高
い圧力で運転する新しい燃焼タービン系が導入されてお
り、それでは燃焼空気は２４０〜４４０ｐｓｉａ（１６
５０〜３０３０ｋＰａ（絶対圧））の範囲で供給され
る。これらの新しい高圧タービン系はより低圧の現在運
転される系よりも高い効率で運転され、そして低温空気
分離装置との統合を改善する可能性を提供する。そのよ
うな高圧燃焼タービンを低温空気分離装置と統合するた
めの改良された方法が、以下に開示された本発明の説明
に記載されており、且つ特許請求の範囲に明確に示され
ている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】従来技術による燃焼ター
ビンと統合された空気分離法は、ガスタービン空気圧縮
機で空気を圧縮する工程、得られた圧縮空気のうちの第
一の部分をガスタービン燃焼器において燃料とともに燃
焼させて高温の燃焼生成物を生じさせる工程、得られた
高温燃焼生成物を、当該ガスタービン空気圧縮機を駆動
しそして任意的に発電機を駆動するガスタービンエキス
パンダーで膨張させる工程、得られた冷却された圧縮空
気から不純物を除去する工程、そして得られた精製され
た圧縮空気を１又は２以上の製品に分ける工程を含む。
本発明によれば、この精製された圧縮空気の分離を、精
製された圧縮空気を冷却し、得られた冷却空気の第一の
部分を仕事膨張させ、そしてその結果得られた冷却され
仕事膨張させられた空気を低圧の蒸留塔へ導入すること
により実施する。得られた冷却空気の第二の部分は更に
冷却し圧力を低下させ、そして得られた減圧冷却空気を
高圧蒸留塔へ、燃焼タービン空気圧縮機からの圧縮空気
の絶対圧力の典型的に約２０％〜約８５％である絶対圧
力で導入する。この高圧蒸留塔は、１２０〜３８０ｐｓ
ｉａ（８３０〜２４８０ｋＰａ（絶対圧））、好ましく
は１９０〜２８０ｐｓｉａ（１３１０〜１９３０ｋＰａ
（絶対圧））の絶対圧力で運転される。この高圧蒸留塔
から酸素に富んだ塔底液流を抜き出して、冷却及び減圧
し、そして得られた冷却減圧流を低圧蒸留塔へ導入す
る。この低圧蒸留塔からは窒素に富む生成物を抜き出
す。
【００２１】好ましくは、低圧蒸留塔からの窒素に富む
生成物のうちの少なくとも一部を加温し、圧縮して、燃
焼器へ導入する。典型的に、この窒素に富む生成物は酸
素を４モル％未満含有する。任意的に、この方法は、加
温され圧縮された窒素に富む流れの一部分を冷却し、得
られた冷却流を減圧し、得られた減圧冷却流を高圧蒸留
塔へ導入することを更に含む。
【００２２】上記の冷却して得られた空気の第二の部分
を更に冷却することで空気を完全に凝縮させることがで
き、この凝縮空気の圧力は高圧蒸留塔への導入の前に等
エンタルピーの絞り操作（ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ）又は
仕事膨張により低下させられる。あるいは、上記の冷却
して得られた空気を部分的に凝縮させ、この部分的に凝
縮させた空気を蒸気と液とに分離して、この液を等エン
タルピーの絞り操作又は仕事膨張により減圧して高圧蒸
留塔へ導入し、そして蒸気は仕事膨張させてやはり高圧
蒸留塔へ導入する。
【００２３】必要ならば、追加の原料空気を圧縮し、精
製し、冷却して、この冷却した精製空気を燃焼タービン
圧縮機からの精製された圧縮空気原料を補うため高圧蒸
留塔へ導入する。
【００２４】先に説明した空気分離法においては、酸素
に富む液体流が低圧蒸留塔から任意的に抜き出され、ポ
ンプで高圧にされ、精製された圧縮空気との、そして随
意にその他のプロセス流との、間接熱交換により加温さ
れる。これは、精製圧縮空気を冷却し、そして液を気化
させて高圧の酸素に富むガス製品を提供する。この昇圧
した、低圧塔からの液体酸素の一部分は、高圧の酸素に
富むガス製品の需要が少ない間と周囲温度が低い間（例
えば夜間）は貯蔵しておくことができる。高圧の酸素に
富むガス製品の需要が多い間と周囲温度が高い間（例え
ば日中）は、貯蔵された液体酸素を取り出して、液体酸
素ポンプへ導入する前の酸素に富む液体流と一緒にす
る。
【００２５】この高圧の酸素に富むガス製品は、統合さ
れたガス化を組み合わせたサイクル（ＩＧＣＣ）の発電
装置におけるガスタービン燃焼器のための燃料を製造す
るために炭素質物質をガス化するのに利用することがで
きる。
【００２６】先に説明した空気分離法においては、酸素
に富む塔底液が高圧蒸留塔から抜き出され、冷却され、
減圧されて、低圧塔へ導入される。高圧の酸素に富むガ
ス製品と窒素に富むガス製品の需要が少なく、周囲温度
が低い間（例えば夜間）は、この塔底液の一部分を貯蔵
しておく。高圧の酸素に富むガス製品と窒素に富むガス
製品の需要が多く、周囲温度が高い間（例えば日中）
は、この貯蔵した液を低圧蒸留塔へ導入する前の酸素に
富む塔底液と一緒にする。
【００２７】窒素に富む蒸気流を随意に高圧蒸留塔から
抜き出して、凝縮させ、ポンプで昇圧し、蒸留塔への精
製された圧縮空気原料との、そして任意的に他のプロセ
ス流との、間接熱交換により加温して、それにより精製
圧縮空気を冷却し、且つ液を気化させて高圧の窒素に富
むガス製品を供給する。窒素に富む液が高圧蒸留塔から
抜き出され、冷却され、減圧されて、低圧蒸留塔へ還流
として導入される。高圧の窒素に富むガス製品の需要が
少ない間と周囲温度が低い間（例えば夜間）は、高圧蒸
留塔からの窒素に富む液の一部分を貯蔵する。高圧の窒
素に富むガス製品の需要が多い間と周囲温度が高い間
（例えば日中）は、この貯蔵された窒素に富む液を還流
として低圧蒸留塔へ導入される前の窒素に富む液と一緒
にする。
【００２８】別の態様においては、得られた冷却圧縮空
気の一部分を仕事膨張させ、冷却し、精製し、更に冷却
し、そして高圧蒸留塔へ導入する。仕事膨張工程で発生
された仕事は、低圧蒸留塔からの窒素に富む製品を圧縮
してその結果得られた加温された窒素に富む圧縮流をタ
ービン燃焼器へ導入するために必要とされる仕事の一部
分を提供する。補充用の空気原料が必要とされる場合に
は、空気の追加の流れを圧縮し、燃焼タービン圧縮機か
らの冷却された圧縮空気と一緒にしてから、膨張させそ
してそれから不純物を除去する。任意的に、この追加の
圧縮空気を冷却し膨張させた圧縮空気と一緒にしてから
不純物を除去する。あるいはまた、中間段のより低圧の
空気流と最終段のより高圧の空気流を提供する多段圧縮
機を利用することにより、補助の圧縮空気を低圧蒸留塔
と高圧蒸留塔の両方へ供給することができる。これらの
低圧及び高圧の補充空気流は、冷却及び精製の前にそれ
ぞれ高圧空気原料流及び低圧空気原料流と一緒にされ
る。
【００２９】燃焼タービンと統合された空気分離装置に
ついての従来技術の教示とは違って、本発明の精製され
た抽出空気は、流れ全体を中間の温度まで冷却し、低圧
塔へ仕事膨張させて導入するための一部分を抜き出し、
そして残りの空気を更に冷却し減圧して高圧塔へ導入す
ることにより、空気分離の蒸留塔へ導入される。高圧塔
への冷却された精製原料空気の減圧は本発明の特有な特
徴であって、これは低圧塔への供給原料圧力と高圧塔へ
の供給原料圧力の独立した制御を可能にする。その上
に、両方の塔への供給原料圧力は、燃焼タービン圧縮機
からの抽出空気の圧力未満で、とは言えほかの点ではそ
れとは独立して、定めることができる。これらの蒸留塔
は、抽出空気圧力の変化にかかわりなく一定の圧力で運
転することができ、これは空気分離装置を安定なやり方
で運転するのを可能にする。
【００３０】
【発明の実施の形態】現在運転されている通常の重負荷
燃焼タービン系（空気から得られたもの（ａｅｒｏ−ｄ
ｅｒｉｖａｔｉｖｅ）のタービンを除く）は、最高で約
２００ｐｓｉａ（１３８０ｋＰａ（絶対圧））までの圧
力で燃焼器へ圧縮空気を供給する。最近では、もっと高
圧で運転する新しい燃焼タービン系が導入されており、
それにおいては燃焼空気は最高で４００ｐｓｉａ（２７
６０ｋＰａ（絶対圧））以上までの圧力で供給される。
これらの新しい高圧タービン系は、現在運転されている
低圧系よりも高い効率で運転され、低温空気分離装置と
の向上した統合の可能性を提供する。これらの燃焼ター
ビン系は標準的に、周囲温度がより低いとき及び酸素製
品の需要が最低の場合（例えば夜間）に利用可能な抽出
空気がより多くなり、そして周囲温度がより高いとき及
び酸素製品の需要が最大の場合（例えば日中）に利用可
能な抽出空気がより少なくなる。
【００３１】本発明は、これらの新しい高圧燃焼タービ
ンを低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ）空気分離装置と統合す
るためのいくつかの別法を提供する。これらの新しい統
合方法は、燃焼タービン圧縮機からの高圧抽出空気を効
率的に使用して装置費を低減するのと、空気分離装置の
運転のために必要とされる寄生動力を減少させるのと、
そして燃焼タービンの負荷が変動する際安定な運転をも
たらすのとを可能にする。
【００３２】本発明の第一の態様を、図１の燃焼タービ
ンと統合した空気分離装置で説明する。燃料１を随意に
窒素３（後に明らかにされる）と一緒にし、そしてこの
一緒にした流れ５を燃焼器１０１で圧縮空気７とともに
燃焼させる。燃料１は好ましくは天然ガス、あるいは炭
素質物質のガス化により製造される合成ガスであるが、
このほかの気体燃料あるいは液体燃料を使用してもよ
い。圧縮空気７は圧縮機１０５によって１５０ｐｓｉａ
（１０３０ｋＰａ（絶対圧））より高い圧力で、好まし
くは２４０〜４４０ｐｓｉａ（１６５０〜３０３０ｋＰ
ａ（絶対圧））の圧力で供給される。２０００〜２６０
０°Ｆ（１０９０〜１４３０℃）及び２４０〜４４０ｐ
ｓｉａ（１６５０〜３０３０ｋＰａ（絶対圧））の高温
の燃焼ガス９を高温ガスエキスパンダー１０３により膨
張させて、圧縮機１０５と任意的に発電機１０７とを駆
動する軸仕事を発生させる。統合された燃焼器１０１、
高温ガスエキスパンダー１０３及び圧縮機１０５を、こ
こでは燃焼タービン１０９と定義する。高圧燃焼タービ
ン１０９は、新しい商業的に入手可能な装置の代表的な
もの、例えばジェネラル・エレクトリック社製のＧシリ
ーズ及びＨシリーズといったものや、ＡＢＢ社製のＧＴ
２４／２６といったものである。
【００３３】「抽出空気（ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ａｉ
ｒ）」なる用語で定義される圧縮空気１１は、圧縮機１
０５からの圧縮空気６の一部分として６００°Ｆ（３１
６℃）より高い温度で抜き出される。抽出空気１１は熱
交換器１１１で窒素１３（後に明らかにされる）との熱
交換で冷却され、冷却された空気１４は冷却器１１３で
更に冷却されて、低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｔｅｍｐ
ｅｒａｔｕｒｅ）で凍結しかねない水、二酸化炭素及び
そのほかの成分を除去するため精製装置１１５で処理さ
れる。精製装置１１５は好ましくは、当該技術において
知られたタイプの温度スイング及び／又は圧力スイング
吸着装置である。
【００３４】精製された空気１５は熱交換器１１７で低
温プロセス流（後に明らかにされる）との熱交換で冷却
し、一部分１７を−１５０〜−２００°Ｆ（−１０１〜
−１２９℃）の温度で抜き出して、エキスパンダー１１
８でもって仕事膨張させる。冷却された空気１９が−２
７５〜−２９０°Ｆ（−１７１〜−１７９℃）の温度及
び５０〜１００ｐｓｉａ（３４５〜６９０ｋＰａ（絶対
圧））の圧力で低圧蒸留塔１１９へ導入される。残りの
精製空気２１は更に冷却され、そして典型的には少なく
とも部分的に凝縮されて、冷却空気２２は絞り弁１２１
を通して減圧され、その結果得られた温度が−２４０〜
−２６０°Ｆ（−１５１〜−１６２℃）及び圧力が１５
０〜２７５ｐｓｉａ（１０３０〜１９００ｋＰａ（絶対
圧））の空気流２３が高圧蒸留塔１２３へ導入される。
あるいは、処理条件に応じて、冷却空気２２の圧力は膨
張タービンで低下させることができる。高圧蒸留塔１２
３は好ましくは、燃焼タービン空気圧縮機１０５からの
抽出空気１１の絶対圧力の約２０〜約８５％の絶対圧力
で運転される。
【００３５】低圧塔１１９と高圧塔１２３は、低温空気
分離のための周知の二塔式蒸留装置におけるリボイラー
−コンデンサー１２５によって熱的に統合される。抽出
空気１１が二塔式蒸留装置へ十分な空気原料を供給しな
い場合には、空気２５を主空気圧縮機１２７で圧縮し、
この圧縮空気を冷却器１２９及び精製装置１３１でそれ
ぞれ冷却及び精製し、そして更にこの精製空気２６を熱
交換器１１７で冷却して、補充空気を供給する。精製装
置１３１は好ましくは、当該技術において知られたタイ
プの温度スイング及び／又は圧力スイング吸着装置であ
る。冷却された空気２７は高圧塔１２３の塔底部又はそ
の付近から導入される。任意的に、窒素に富む低温の再
循環流２９（後に明らかにされる）を絞り弁１３３を通
して減圧して追加の寒冷を生じさせ、そして冷却し膨張
させた窒素に富む流れ３１を高圧塔１２３へ導入する。
【００３６】粗液体酸素３３を熱交換器１３５で低温窒
素３５（後に明らかにされる）との熱交換で冷却し、絞
り弁１３７を通して減圧し、そして低圧塔１１９へ導入
する。高圧塔１２３から窒素に富む液３７を中間の箇所
で抜き出し、熱交換器１３５で冷却し、絞り弁１３９を
通して減圧して、低圧塔１１９の上部から還流として導
入する。典型的に０．１〜４．０モル％酸素を含有して
いる低温窒素３５を低圧塔１１９の上部で抜き出し、熱
交換器１３５で加温し、熱交換器１１７で更に加温し
て、それにより空気原料流１５と２６を冷却するための
寒冷を供給する。加温された窒素３９は好ましくは、圧
縮機１４１で圧縮され、そして得られた圧縮窒素１２の
一部分は熱交換器１１１でもって抽出圧縮空気１１との
熱交換で加温される。その結果得られた窒素３は、燃料
１と一緒にして燃焼器１０１へ導入される。
【００３７】この窒素３の燃焼器１０１への戻しは、燃
焼中に窒素酸化物が生成するのを減らす好ましい運転の
様式であり、統合された燃焼タービンと低温空気分離装
置の最も効率的な運転を可能にする。任意的に、加温し
た窒素３９を燃焼器１０１へ戻すよりも別の目的のため
に使用してもよく、このオプションは例えば、燃料１が
石炭ガス化装置からの増湿された低熱量の合成ガスであ
る場合に利用することができよう。任意的に且つ好まし
くは、圧縮機１４１からの窒素の一部分４１を冷却器１
４３で冷却し、そして熱交換器１１７での加温流との熱
交換で更に冷却して窒素に富む低温の再循環流２９を供
給し、これを先に説明したように絞り弁で減圧して高圧
塔１２３へ導入する。
【００３８】高圧蒸留塔１２３から含有する酸素が０．
２モル％未満である高純度窒素４３を抜き出し、リボイ
ラー−コンデンサー１２５で低圧塔１１９の塔底の沸騰
する液体酸素との熱交換で凝縮させる。その結果得られ
た液体窒素の一部は高圧塔１２３への還流を供給し、そ
して残りの液体窒素４５は随意にポンプ１４５で５０〜
４９０ｐｓｉａ（３４５〜３３８０ｋＰａ（絶対圧））
の圧力に昇圧される。昇圧された液体窒素４７は熱交換
器１１７での冷却流との熱交換で加温及び気化されて、
高圧窒素製品４９を提供する。好ましい運転の様式で
は、高圧の窒素製品が必要とされる場合、液体窒素４５
をポンプ１４５により超臨界圧に昇圧し、超臨界圧の流
体４７を熱交換器１１７で加温して高圧窒素製品４９を
４９０ｐｓｉａ（３３８０ｋＰａ（絶対圧））以上で供
給する。
【００３９】低圧塔１１９の塔底部からは含有する窒素
が１５モル％未満である液体酸素５１を抜き出し、そし
て随意にポンプ１４７で８０〜２５０ｐｓｉａ（５５２
〜１７２０ｋＰａ（絶対圧））の圧力まで昇圧する。昇
圧された液体酸素５３は熱交換器１１７での冷却流との
熱交換で加温及び気化されて気体酸素製品５４をもたら
し、そしてこれは随意に圧縮機１４９で１２０〜２００
０ｐｓｉａ（８２７〜１３８００ｋＰａ（絶対圧））に
圧縮されて高圧酸素製品５５を提供する。
【００４０】液体窒素４５を加温及び昇圧することに対
する別法は、窒素を高圧塔１２３の上部から蒸気及び／
又は液として、流れ４５としてあるいは蒸気流４３の一
部として、抜き出し、この抜き出した流れを熱交換器１
１７で加温することである。図１の窒素製品４９に相当
する高圧窒素製品を提供するために、窒素製品圧縮機
（図示せず）が必要とされよう。もう一つの別法では、
酸素を低圧塔の塔底部から蒸気として抜き出し（図示せ
ず）、この抜き出した蒸気を熱交換器１１７で加温し、
そして必要なら圧縮機１４９で圧縮する。この別法にお
いては、圧縮機１４９は、高圧の酸素製品５５を供給す
るのに、液体酸素を抜き出してポンプ１４７で昇圧して
から気化させる先に説明した様式におけるよりも多くの
段数を必要とし且つ多くの動力を消費しよう。これらの
二つの別法と対照的に、本発明の好ましい態様は上述の
ように液体酸素と液体窒素の両方を随意に昇圧すること
を利用する。これらの液体製品を昇圧することには、高
温製品の圧縮をなくしあるいは減らし、これが一定の場
合に空気分離の総動力消費量を低下させるという利点が
あり、また全製品を圧縮するのと比較して向上した作業
安定性を維持するという利点がある。
【００４１】一定の運転条件下では、冷却した空気２２
を部分的に凝縮させ、そしてこの二相流は膨張の前に蒸
気と液とに分離するのが望ましい。この別法は図２に、
図１の態様と同じように示され、冷却及び精製された空
気１５のうちの一部分１７はエキスパンダー１１８で仕
事膨張させて、得られた膨張され冷却された流れ１９を
低圧塔１１９へ供給する。しかし、残りの分２１は熱交
換器１１７で部分的に凝縮させるだけであり、結果とし
て得られた二相流２２を分離器２０３で分離する。液２
０５は絞り弁２０７を通して減圧される。蒸気２０９は
わずかに加温し、エキスパンダー２１１で仕事膨張させ
て、得られた仕事膨張され冷却された流れ２１３を絞り
弁２０７からの減圧流と一緒にし、この一緒にした流れ
２１５を高圧塔１２３へ導入する。
【００４２】この別法は、精製空気１５の流量が時間を
かけてかなり及び／又は定期的に変動する場合に有用で
ある。この態様は、酸素製品５５を石炭ガス化装置で使
用して燃焼タービン系１０９を運転するための燃料を作
る、ガス化と組み合わせたサイクル（ＧＣＣ）の発電装
置において特に有用である。ＧＣＣ装置においては、抽
出空気１１の利用可能な流量は典型的に、発電機１０７
からの電力の需要が増加している間と周囲温度が上昇し
ている間は減少する。このような状況では、流れ２２は
すっかり凝縮されて、蒸気２０９をエキスパンダー２１
１のために利用できず、従ってこのエキスパンダーは運
転されないであろう。あるいは、抽出空気１１の利用で
きる流量は、発電機１０７からの電力の需要が低下して
いる間及び／又は周囲温度が低下している間は増加す
る。このような状況においては、流れ２２は部分的に凝
縮され、蒸気２０９がエキスパンダー２１１で仕事膨張
させられて、それにより高圧塔１２３のための追加の寒
冷を発生させよう。そしてこれが、下記で説明されるよ
うに液体製品の生産増加を可能にする。
【００４３】抽出空気１１の利用可能性が増大している
間にエキスパンダー２１１を運転するオプションは、本
発明の重要な特徴であり、そして好ましくは、図３に例
示された態様の追加の特徴とともに利用される。典型的
に夜間に起こる、周囲温度が低く電力需要が減少してい
る間は、先に説明したように、空気流２２は部分的に凝
縮されるだけであり、そして蒸気２０９はエキスパンダ
ー２１１で仕事膨張させられる。この間は、得られた増
加した寒冷が液体酸素の貯蔵を可能にし、これは液体流
５１として抜き出されて、昇圧液体酸素５３とするため
昇圧される。この液のうちの一部分３０１を抜き出し
て、貯蔵容器３０３に貯蔵する。続いて、電力需要が増
加した（従って酸素製品５５の需要が増加し抽出空気１
１の利用可能性が低下した）間は、液体酸素３０５を貯
蔵容器３０３から抜き出し、絞り弁３０７を通して減圧
し、ポンプ１４７の吸込み側へ導入する。液体酸素３０
５の一部は、所望ならば液体製品（図示せず）として抜
き出すことができる。この間は、先に説明したように、
エキスパンダー２１１は運転せず、その上にエキスパン
ダー１１８の運転は必要ないことがあり、そして空気分
離装置への全部の空気原料は流れ２７と２１５により供
給されよう。
【００４４】酸素の生産と電力の需要が少ない間に液体
を貯蔵する別の方法では、粗液体酸素３３の一部３０９
を抜き出し、貯蔵容器３１１に貯蔵する。続いて、電力
需要が増加した（従って酸素製品５４又は５５の需要が
増加し抽出空気１１の利用可能性が低下した）間は、貯
蔵容器３１１から粗液体酸素３１３を抜き出し、粗液体
酸素３３と一緒にし、熱交換器１３５で冷却し、弁１３
７を通して減圧して、低圧塔１１９へ導入する。この時
には、それから追加の液体酸素５１を抜き出すことがで
きる。この別法は、製品酸素５５の戻し窒素１３に対す
る比が一定のままでなければならない場合に特に有効で
ある。
【００４５】酸素の生産と電力の需要が少ない間に液体
を貯蔵するもう一つの別法においては、液体窒素３８の
一部分３１５を抜き出して貯蔵容器３１７に貯蔵する。
続いて、電力需要が増加した（従って戻し窒素製品１３
の需要が増加し抽出空気１１の利用可能性が低下した）
間は、粗液体窒素を貯蔵容器３１７から抜き出し、絞り
弁３１９を通して減圧し、減圧した液３２１を絞り弁１
３９からの液体窒素と一緒にし、この一緒にした窒素流
を低圧塔１１９へ導入する。低圧塔１１９へ供給される
この追加の窒素は、低圧塔１１９から追加の窒素３５を
抜き出してそれにより戻し窒素１３の流量を増加させる
ことを可能にする。この別法は、空気分離装置の規模を
酸素の生産よりもむしろ窒素の生産に合わせる場合に特
に有効である。
【００４６】貯蔵した低温液体（高純度酸素、粗酸素、
あるいは窒素）を循環使用することは、酸素又は窒素の
需要が多い間空気分離装置をより少ない動力消費量で運
転するのを可能にする。と言うのは、装置（特に主空気
圧縮機１２７）の大きさをピークの生産量よりもむしろ
平均のガス生産量に合わせることができるからである。
これは圧縮機の資本費と空気分離装置の総体的且つ最大
の動力消費量とを低下させ、そしてピーク動力が常態の
（平均の）動力よりもかなり多いと見積もられる場合に
特に有効である。
【００４７】本発明の別の態様を図４に例示する。この
態様においては、熱交換器１１１からの冷却した抽出空
気１２の一部分４０１をエキスパンダー４０３で仕事膨
張させ、冷却器１２９で更に冷却し、そして精製装置１
３１で処理して、低温で凍結しかねない水、二酸化炭素
及びその他の成分を取り除く。精製した空気２６は熱交
換器１１７での加温する流体との熱交換で更に冷却し
て、冷却した精製空気流２７を高圧蒸留塔１２３へ導入
する。抽出空気１２のうちの残りの部分１４は、先に説
明したように蒸留塔１１９と１２３へ原料を供給する。
この別態様は、冷却器１２９への空気を主空気圧縮機１
２７（図１）からの空気によるよりもエキスパンダー４
０３（図４）からの膨張した抽出空気により供給するこ
とを除き、図１の態様と同様である。
【００４８】膨張タービン４０３は圧縮機４０５と連結
されてそれを駆動し、この圧縮機は戻し窒素３６を１０
０〜２００ｐｓｉａ（６９０〜１３８０ｋＰａ（絶対
圧））の中間圧力まで圧縮し、そしてそれは圧縮機４０
７で更に圧縮されて圧縮した戻し窒素１３をもたらし、
これを先に説明したように熱交換器１１１で加温し、燃
料１と一緒にして、燃焼器１０１へ導入する。圧縮機４
０７から中間段の窒素流４０９を抜き出し、冷却器１４
３と熱交換器１１７で冷却し、絞り弁１３３を通して減
圧して高圧蒸留塔１２３へ低温窒素循環流３１を供給す
る。そしてこれが、高圧塔１２３から抜き出される窒素
製品流４５の純度をより高くする。この態様は、再循環
窒素４０９（図１の窒素４１に相当）を圧縮する動力の
一部を圧縮機４０５を作動させるエキスパンダー４０３
により供給することを除いて、図１〜３の態様と同様で
ある。本発明のこの態様は、本発明の基本的な特徴のた
めに、すなわち高圧蒸留塔１２３が抽出空気１２又は４
０１の圧力より低い圧力で運転することのために可能な
ものである。このように、エキスパンダー４０３は絞り
弁１２１と組み合わせて運転されて、高圧蒸留塔１２３
への原料空気流２３と２７を供給する。その上、エキス
パンダー４０３により回収される仕事が戻し窒素１３と
再循環窒素４０９のために必要とされる圧縮の仕事を減
少させ、そのため図４の圧縮機４０７により消費される
動力は図１の圧縮機１４１のそれより有意に少なくな
る。
【００４９】上述の図４の態様では、空気分離装置のた
めの全部の原料空気は抽出空気１２により供給される。
一定の設計条件下では、燃焼器１０１において圧縮空気
７の流量がよりたくさん必要とされる場合に抽出空気１
２を補うために追加の原料空気が必要とされる。これ
は、図５に掲げた別の様式でもって達成することがで
き、それでは補充用空気５０１を圧縮機５０３で圧縮
し、そして得られた補充用の圧縮空気５０５を抽出空気
１２と一緒にしてから空気原料流１４と４０１に分割す
る。この場合の圧縮機５０３は、好ましくは断熱圧縮機
であるが、とは言え所望ならば中間冷却のある圧縮機を
使用することができる。あるいは、空気５０１をより低
い圧力まで流れ５０７として圧縮して、エキスパンダー
４０３からの膨張した空気４０４と一緒にしてから冷却
器１２９へ送ることができる。この様式では、補充用の
空気は原料流２７として高圧蒸留塔１２３へのみ供給さ
れる。もう一つの別の様式を図６に示し、ここでは空気
５０１を多段圧縮機６０１で圧縮し、中間段の圧縮空気
６０３を中間圧力で抜き出して、エキスパンダー４０３
からの吐出空気流４０４と一緒にする。一緒にした空気
流は先に説明したように処理して、高圧蒸留塔１２３へ
の空気原料２７を供給する。圧縮機６０１の最終段から
別の圧縮空気６０５を抜き出し、そして抽出空気１４と
一緒にして、先に説明したように冷却し、膨張させて蒸
留塔１１９と１２３へ導入するための空気原料１５を供
給する。圧縮機６０１は、断熱圧縮機かあるいは中間冷
却される圧縮機のどちらでもよい。
【００５０】図１〜６を参照して説明した上記の態様で
は、冷却器１１３、１２９及び１４３を使用して圧縮後
のガス流を冷却している。これらの冷却器における冷却
の負荷は、典型的には水との間接熱交換によりまかなわ
れる。これらの冷却器から排出される水に回収された熱
は、燃焼タービン／空気分離プロセスのそのほかのとこ
ろで利用することができる。そのような利用には、燃焼
器１０１へ導入する前の戻し窒素３及び／又は燃料ガス
１の増湿、ボイラー給水の予熱、そしてガス精製装置１
１５と１３１のための吸着器再生ガスの加熱が含まれ
る。
【００５１】
【実施例】
〔例１〕高圧燃焼タービン１０９からの抽出空気１１を
３４８ｐｓｉａ（２４００ｋＰａ（絶対圧））及び７５
０°Ｆ（３９９℃）で利用することができ、３３８ｐｓ
ｉａ（２３３０ｋＰａ（絶対圧））で精製空気原料１５
を供給する、図１でもって説明された本発明の態様につ
いて、プロセス熱収支と物質収支を作成した。高圧蒸留
塔１２３と低圧蒸留塔１１９は、それぞれ１８５ｐｓｉ
ａ（１２８０ｋＰａ（絶対圧））と６３ｐｓｉａ（４３
４ｋＰａ（絶対圧））の平均圧力で運転する。液体酸素
５１は、１５２ｐｓｉａ（１０５０ｋＰａ（絶対圧））
に昇圧し、気化させて、酸素製品５５を得るため７４３
ｐｓｉａ（５１２０ｋＰａ（絶対圧））に圧縮する。液
体窒素４５は、窒素製品４９を９９１ｐｓｉａ（６８３
０ｋＰａ（絶対圧））で供給するため９９８ｐｓｉａ
（６８８０ｋＰａ（絶対圧））に昇圧して気化させる。
戻し窒素３９は酸素を０．８６モル％含有する。流れに
ついての熱収支と物質収支の概要を要約して表１に示
す。以下の各表において、流量はポンド−モル／ｈで表
されているが、１ポンド−モル／ｈは０．４５４ｋｇ−
モル／ｈに相当する。
【００５２】図７は、従来技術で知られているいくつか
の特徴を利用するようにして燃焼タービンと統合した二
塔式空気分離装置を例示している。燃焼タービン７０１
は図１の燃焼タービン１０９と同じであって、抽出空気
７０３を３４８ｐｓｉａ（２４００ｋＰａ（絶対圧））
で供給する。図７の従来の空気分離装置においては、冷
却した抽出空気７０５を膨張させ、圧縮機７００からの
圧縮した補充用の空気７０９と一緒にし、冷却器７１１
で冷却し、精製装置７２３で精製して凝縮性の汚染物を
除去する。精製した１９０ｐｓｉａ（１３１０ｋＰａ
（絶対圧））の空気７１３を熱交換器７２５で更に冷却
し、冷却空気７２９の一部分７２７をエキスパンダー７
３１で仕事膨張させて低圧蒸留塔７３３へ直接導入す
る。原料空気の残りは更に冷却して、高圧蒸留塔７３７
へ導入される低温原料空気７３５が得られる。低圧塔７
３３からは窒素７３９を抜き出し、熱交換器７４１と７
２５で加温し、圧縮機７４７で圧縮して戻し窒素７４９
を得る。そのうちの一部分は熱交換器７０４での抽出空
気との熱交換で加温して、燃焼タービン７０１の燃焼器
へ導入する。戻し窒素７４９の残り７５１は、冷却器７
５３と熱交換器７２５で冷却し、冷却した窒素７５５は
絞り弁７５７を通して減圧して高圧蒸留塔７３７へ導入
する。液体酸素７６３を抜き出し、熱交換器７２５で気
化させて、気化した酸素７６４を圧縮機７６５で圧縮し
て７４３ｐｓｉａ（５１２０ｋＰａ（絶対圧））の酸素
製品７６７を得る。窒素蒸気７６１を抜き出し、熱交換
器７２５で加温し、そして加温した窒素７６２を圧縮機
７６９で圧縮して９９３ｐｓｉａ（６８５０ｋＰａ（絶
対圧））の窒素製品７７１を得る。
【００５３】
【表１】
【００５４】図７に関連して上で説明したプロセスを説
明するため熱及び物質収支を作成した。結果を表２に示
す。図７の従来の空気分離装置は、図１の本発明の態様
と同じ酸素及び窒素製品を生産する。
【００５５】図１と図７による分離プロセスの相対的な
動力消費量を計算した。それらを、周囲空気温度が９５
°Ｆ（３５℃）そして燃焼タービンと空気分離装置が最
高の設計負荷にある場合について表１で比較する。相対
動力は各個々の圧縮機とエキスパンダーについて計算し
て標準化した。総合相対動力消費量の値は、圧縮機とエ
キスパンダーの実際の総動力消費量を基にして標準化し
た。これらの結果は、図１の本発明の空気分離方法はこ
れらの条件では図７の従来の方法よりも１．３％少ない
平均総動力を使用するということを示している。
【００５６】
【表２】
【００５７】
【表３】
【００５８】更に、最高の燃焼タービン設計負荷と設計
値の８６．８％のターンダウン条件の両方について４１
°Ｆ（５℃）というより低い周囲温度について相対動力
計算を行った。結果を要約して表４に示す。
【００５９】
【表４】
【００６０】本発明と従来の方法の動力消費量はターン
ダウン時にはほぼ等しい一方で、最高の設計負荷時には
本発明は動力的に１．２７％不利であることが分かる。
図７の従来の方法を凌ぐ本発明の有意の利点は、空気エ
キスパンダー７０７と窒素圧縮機７６９がないことであ
る。その上、図１の酸素圧縮機１４９は圧縮比が図７の
圧縮機７６５より低いより単純な機械である。図１の発
明は二つの空気精製装置１１５と１３１を必要とすると
は言え、複数の並列の精製装置は大きな統合燃焼タービ
ン／空気分離装置については一般的に必要とされるもの
であるから、重大な不都合ではない。
【００６１】〔例２〕図３の態様を、日中の周囲温度を
変動させ、また電力需要を変動させて、ガス化を組み合
わせたサイクルの発電装置で運転する。酸素５５は燃料
１を発生させるため石炭ガス化装置（図示せず）で使用
される。夜間の運転中は、周囲空気温度はより低くて、
発電機１０７からの電力の需要は低下する。この例の目
的のために、１０時間４１°Ｆ（５℃）の夜間温度を仮
定し、そしてこれらの条件で３４３ｐｓｉａ（２３６０
ｋＰａ（絶対圧））の抽出空気１１が空気分離装置のた
めに必要とされる原料空気の４１．３％を供給し、残り
は主空気圧縮機１２７によって供給される。この空気分
離装置は、２０００トン／日の酸素５１を９５モル％の
純度で生産する。１９６０トン／日の酸素を含有してい
る７４３ｐｓｉａ（５１２０ｋＰａ（絶対圧））の酸素
ガス５５を石炭ガス化装置（図示せず）で利用し、残り
の４０トン／日は貯蔵容器３０３に１０時間貯蔵され
る。抽出空気の一部１７をエキスパンダー１１８で膨張
させて低圧蒸留塔１１９へ供給し、そして残りの部分２
２は部分的に凝縮させて液２０５と蒸気２０９に分離す
る。液２０５は絞り弁で減圧して高圧塔１２３へ供給
し、蒸気２０９は部分的に加温し、エキスパンダー２１
１で膨張させ、そして高圧蒸留塔１２３へ供給する。エ
キスパンダー２１１により発生された寒冷は、上記のよ
うに貯蔵のための夜間の運転中に追加の液体酸素の凝縮
を可能にする。
【００６２】図３に従って説明した本発明の夜間運転
（４１°Ｆ（５℃））について、熱及び物質収支を作成
した。この結果を要約して表５に示す。比較を目的とし
て、夜間運転の間に液体酸素が貯蔵されない図２の態様
を使用する同一の製品要件について熱及び物質収支を作
成した。この結果を要約して表６に示す。
【００６３】
【表５】
【００６４】
【表６】
【００６５】日中は、周囲温度も電力需要も上昇する。
空気分離装置の動力消費量は、この間は最高値にあり、
利用できる抽出空気１１の量は減少する。この例では、
図３の態様を７０°Ｆ（２１℃）で５時間運転し、その
間抽出空気１１は空気分離装置によって要求される空気
原料の２７．４％を供給し、そして残りは主空気圧縮機
１２７により供給される。運転圧力は夜間の運転につい
て上で説明したものと同じである。液体酸素５１を１９
２０トン／日の流量で低圧塔１１９から抜き出し、そし
て貯蔵された液体酸素３０５を８０トン／日の流量で抜
き出して全酸素製品５５を２０００トン／日の流量とす
る。この間は、原料空気１５の利用可能な量が減少しそ
して熱交換器１１７で気化する追加の液体酸素が十分な
寒冷を提供するので、エキスパンダー１１８と２１１は
無負荷運転することができる。これらの条件では、抽出
空気１５は完全に凝縮されて、高圧塔１２３へ液体供給
原料２１５として供給される。
【００６６】図３に従って説明した本発明の日中運転
（７０°Ｆ（２１℃））について、熱及び物質収支を作
成した。この結果を要約して表７に示す。比較のため
に、夜間運転の間に液体酸素が貯蔵されない図１の態様
を使用する同一の製品要件について熱及び物質収支を作
成した。この結果を要約して表８に示す。
【００６７】
【表７】
【００６８】
【表８】
【００６９】図１と図３の空気分離プロセスの相対的な
動力消費量を計算した。それらを、周囲空気温度が４１
°Ｆ（５℃）及び７０°Ｆ（２１℃）での運転について
表９で比較する。相対動力は各個々の圧縮機とエキスパ
ンダーについて計算して標準化した。総合相対動力消費
量の値は、圧縮機とエキスパンダーの実際の総動力消費
量を基にして標準化した。日中の運転が主空気圧縮機１
２７についての必要設計容量を決めるので、図３の態様
はより小さな圧縮機（設計容量が５．４％小さい）の使
用を可能にし、こうして日中の運転での総動力消費量が
低下する。表９より、図３の夜間の酸素の貯蔵を利用す
ると上記の二つの運転期間中の空気分離の動力消費量が
減少することがわかる。２４時間について計算された全
体の総平均動力は、図３の液体酸素を貯蔵する態様を使
用すれば図１に示したこの特徴を採用しない運転と比べ
て１．４％少なくなる。
【００７０】上述のように電力需要が少ない間（例えば
夜間）に低温の液を貯蔵することは、本質的にはエネル
ギーを貯蔵することである。電力需要が多い間（例えば
日中）にこの貯蔵エネルギーを使用することは、そのよ
うな期間中の電力の値は低電力需要の間の値よりも大き
いので、殊に有利である。
【００７１】
【表９】
【００７２】〔例３〕本発明の一つの態様を、液体酸素
ポンプ１４７と高圧の凝縮空気２２を使用しない図４の
方法により例示する。この態様では、抽出空気１５の全
部を冷却し、エキスパンダー１１８により膨張させて低
圧塔１１９へ導入する。高圧蒸留塔１２３は約２４５ｐ
ｓｉａ（１６９０ｋＰａ（絶対圧））の最適な原料供給
圧力で運転され、酸素製品５５は圧縮機１４９により８
５５ｐｓｉａ（５９００ｋＰａ（絶対圧））で供給され
る。気体の窒素製品４９は、液体窒素４５を超臨界圧力
に昇圧しそして得られた昇圧流体４７を熱交換器１１７
で加温することにより、１１００ｐｓｉａ（７５８０ｋ
Ｐａ（絶対圧））で供給される。窒素４７を超臨界流体
として熱交換器１１７へ導入することにより、この熱交
換器について得られる冷却曲線はこの熱交換器で臨界未
満の液体窒素を気化させた場合に得られるよりも平行に
なるので、この熱交換器においてより効率的な熱交換が
実現される。本発明のこの態様についての熱及び物質収
支を作成した。得られた結果を要約して表１０に示す。
【００７３】
【表１０】
【００７４】〔例４〕例１のサイクル及びプロセス条件
を使い、空気分離プロセスについての総合相対動力への
効果を求めるため戻し窒素３９（図１）の酸素濃度を約
０．４８モル％から約１．０５モル％まで変動させた物
質及びエネルギー収支を計算した。１．０５モル％での
実際の動力を標準化し、そしてこれを基準にしてより低
濃度での総合相対動力を求めた。
【００７５】結果を図８に示し、これは、相対動力は窒
素純度を関数として、最小値をとって変化するという思
いがけない結果を説明している。この例のサイクル及び
運転条件については、プロセスは好ましくは戻し窒素が
約０．５〜０．８モル％の酸素を含有するように運転さ
れる。この発見は、典型的な組み合わせられたサイクル
の発電所では運転員は戻し窒素中の酸素を最高で１〜２
モル％に規定するものであり、そして一般に、より高い
純度の戻し窒素は空気分離装置の動力消費量をより多く
することを必要とするであろうと信じられることから、
極めて予想外のことである。本発明のサイクルでは、高
圧塔１２３への再循環窒素４１の流量のわずかな増加が
戻し窒素３９の純度にかなりの影響を及ぼす。戻し窒素
３９の純度を上昇させると、酸素製品５５の要求生産速
度について総酸素回収率が上昇し、主空気圧縮機１２７
の動力が低下する。図８による相対動力は、戻し窒素純
度が約０．６５モル％の酸素という最適値へ向かうにつ
れて低下する。
【００７６】〔例５〕例１のサイクル及びプロセス条件
を使い、高圧塔１２３（図１）への空気原料の圧力を約
１５５ｐｓｉａ（１０７０ｋＰａ（絶対圧））から約２
７５ｐｓｉａ（１９００ｋＰａ（絶対圧））まで変化さ
せて空気分離プロセスについての総動力に及ぼすこの圧
力の効果を求めることにより、物質及びエネルギー収支
を計算した。空気原料２３と再循環窒素３１の圧力はそ
れに応じて調整する。総動力をこの範囲内のいくつかの
選ばれた空気原料圧力で計算して、約２４５ｐｓｉａ
（１６９０ｋＰａ（絶対圧））において供給原料圧力に
対して動力が思いもよらないことに最小になることが分
かった。計算された動力の値を最小の値に対して標準化
した。得られた結果を図９に示す。これは、相対動力は
高圧塔への空気供給圧力の関数として最小値をとるとい
う思いもよらない発見を例示している。この例のサイク
ル及び運転のパラメーターについては、プロセスは好ま
しくは、約１９０〜約２８０ｐｓｉａ（約１３１０〜約
１９３０ｋＰａ（絶対圧））の範囲の高圧塔への最適供
給圧力で運転される。この発見は、高圧塔の最適圧力が
もっとはるかに低い圧力となる従来技術の燃焼タービン
−空気分離サイクルとは異なるものであり、例えば米国
特許第４２２４０４５号明細書のサイクルにあっては、
この最適な圧力は約１５０ｐｓｉａ（１０３０ｋＰａ
（絶対圧））である。
【００７７】本発明により高圧塔をこの最適な圧力で運
転すると、燃焼タービンを統合した空気分離装置につい
て下記の利点がもたらされる。 （１）蒸留の操作線が平衡曲線により近く接近して、こ
れは分離プロセスの熱力学的可逆性と効率を増加させる
のに役立つ。 （２）配管寸法と弁類がより小さくなり、これは資本投
下を減少させる。 （３）製品の圧縮に消費されるエネルギーが少ない。 （４）燃焼タービン発電機からの電気の総合経費が減少
する。
【００７８】上記の全ての態様における本発明の基本的
な特徴は、高圧蒸留塔１２３を抽出空気１１の圧力より
もかなり低い供給圧力で、好ましくは原料空気２３を燃
焼タービン空気圧縮機１０５からの抽出空気１１の絶対
圧力の約２０〜約８５％である絶対圧力で高圧蒸留塔１
２３へ導入するように、運転することである。この重要
な特徴は、高圧蒸留塔の圧力が燃焼タービン１０９の部
分負荷運転の間はかなり変動しかねない燃焼タービン圧
縮機１０５からの抽出空気１１の最低の利用可能な圧力
より低い空気分離装置を、一定の圧力で安定に運転する
のを可能にする。その上に、空気分離装置の一定圧力で
の運転は、酸素製品圧縮機１４９と戻し窒素圧縮機１４
１（あるいは任意的に戻し窒素圧縮機４０５と４０７）
をほぼ一定の吸込み圧力で運転するのを保証し、そして
このことはこれらの圧縮機をより狭くてより効率的な運
転範囲について設計することを可能にする。
【００７９】燃焼タービンと統合した空気圧縮装置につ
いての従来技術の教示とは異なり、本発明の精製された
抽出空気１５は、流れ全体を中間の温度まで冷却し、仕
事膨張用の一部分を抜き出して低圧塔１１９へ導入し、
そして残りの空気を更に冷却して高圧塔１２３への圧力
を低下させることにより、これらの空気分離蒸留塔へ導
入される。高圧塔１２３への冷却した精製原料空気２２
の圧力を低下させることは、本発明の特有の特徴であっ
て、低圧塔１１９と高圧塔１２３への供給圧力の独立し
た制御を可能にする。その上に、両方の塔への供給圧力
は抽出空気１１の圧力未満で、そのほかの点ではそれと
無関係に、運転することができる。
【００８０】本発明の重要な態様は、周囲温度が低く及
び／又は製品需要が少ない間に選ばれた低温液体を貯蔵
することである。この態様は好ましくは、高圧の気体製
品を得るために加温又は気化させる前に液体酸素及び／
又は液体窒素を昇圧することと組み合わせて利用され
る。この態様と上述の基本的な態様との組み合わせは、
燃焼タービンの運転の変動性にかかわりなく空気分離と
燃焼タービンとを統合した装置を非常に効率的に運転す
るのを可能にする。これらの態様の組み合わせは、１９
０ｐｓｉａ（１３１０ｋＰａ（絶対圧））より高く、好
ましくは２４０〜４４０ｐｓｉａ（１６５０〜３０３０
ｋＰａ（絶対圧））の範囲の圧縮機吐出圧力で運転する
新しい高圧燃焼タービン系にあって特に有効である。
【００８１】本発明は、二塔式空気分離法を用いること
に限定されずに、変動しやすい製品需要と周囲温度の条
件で運転するそのほかのサイクルで利用することができ
る。例えば、本発明は単一塔、分縮器、低温圧縮、及び
そのほかのタイプの空気分離法に適用することができよ
う。本発明の上記の態様も、例えば米国特許第４０２２
０３０号、第５２９１７３７号及び第５２３１８３７号
や、係属中の米国特許出願第０８／３７５９２７号や、
ヨーロッパ特許出願公開第０６３６８４５号の各明細書
に記載されたもののような、三塔式蒸留装置を使用し、
第三の塔を低圧塔と高圧塔の中間の圧力で運転する空気
分離法に適用することができる。
【００８２】本発明の本質的な特徴は、この明細書に完
全に記載されている。当業者は本発明を理解し、そして
本発明の基本的精神から逸脱することなく、且つ特許請
求の範囲の記載の精神と同等のものとから逸れることな
しに、様々な変更を加えるこができる。語句の定義を明
らかにするため、特許請求の範囲には図面にも見られる
参照番号が含まれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの態様の概略フローシートであ
る。
【図２】本発明の第二の態様の概略フローシートであ
る。
【図３】本発明の第三の態様の概略フローシートであ
る。
【図４】本発明の第四の態様の概略フローシートであ
る。
【図５】本発明の第四の態様のための補充用空気の供給
を説明する概略フローシートである。
【図６】本発明の第四の態様のための別の補充用空気の
供給を説明する概略フローシートである。
【図７】燃焼タービンと空気分離装置とを統合する従来
の方法を説明する概略フローシートである。
【図８】例４の結果を示すグラフである。
【図９】例５の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１…燃焼器 １０３…エキスパンダー １０５…燃焼タービン圧縮機 １０７…発電機 １０９…燃焼タービン １１１、１１７、１３５…熱交換器 １１３、１２９、１４３…冷却器 １１５、１３１…精製装置 １１８…エキスパンダー １１９…低圧蒸留塔 １２３…高圧蒸留塔 １２７…主空気圧縮機 １４５、１４７…ポンプ １４９…圧縮機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドナルド ウィンストン ウッドワード アメリカ合衆国，ペンシルバニア 18066, ニュー トリポリ，ホルベンズ バレー ロード 8324

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼タービン空気圧縮機（１０５）で空
    気を圧縮し、得られた圧縮空気（６）のうちの第一の部
    分（７）を燃料（１）とともに燃焼器（１０１）で燃焼
    させて高温燃焼生成物を生成させ、この高温燃焼生成物
    （９）を上記燃焼タービン空気圧縮機（１０５）を駆動
    しそして随意に発電機（１０７）を駆動する高温ガスエ
    キスパンダー（１０３）で膨張させ、上記圧縮空気のう
    ちの第二の部分（１１）を冷却し、得られた冷却圧縮空
    気（１４）から不純物を取り除き、そして得られた精製
    圧縮空気（１５）を分離して１又は２以上の製品にす
    る、燃焼タービンを統合した空気分離方法であって、当
    該精製圧縮空気（１５）の分離を下記の（ａ）〜（ｄ）
    を含む方法により行う燃焼タービンを統合した空気分離
    方法。 （ａ）上記の精製圧縮空気（１５）を冷却し、得られた
    冷却空気のうちの第一の部分（１７）を仕事膨張させ、
    そして得られた冷却し仕事膨張させた空気（１９）を低
    圧蒸留塔（１１９）へ導入する工程 （ｂ）上記得られた冷却空気のうちの第二の部分（２
    １）を更に冷却し、この更に冷却した空気（２２）を減
    圧し、そして得られた減圧冷却空気（２３）を高圧蒸留
    塔（１２３）へ導入する工程 （ｃ）上記高圧蒸留塔（１２３）から酸素に富む塔底液
    流（３３）を抜き出し、この流れを冷却及び減圧し、そ
    して得られた冷却し減圧した流れを上記低圧蒸留塔（１
    １９）へ導入する工程 （ｄ）上記低圧蒸留塔（１１９）から窒素に富む製品
    （３５）を抜き出す工程
  2. 【請求項２】 前記低圧蒸留塔から酸素に富む製品を抜
    き出すことを更に含む、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記高圧蒸留塔から窒素に富む製品を抜
    き出すことを更に含む、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 下記の（ｅ）を更に含む、請求項１記載
    の方法。 （ｅ）前記低圧蒸留塔（１１９）からの前記窒素に富む
    製品（３５）のうちの少なくとも一部分を加温及び圧縮
    し、得られた窒素に富む加温圧縮流（１２）のうちの少
    なくとも一部分（１３）を更に加温し、そして更に加温
    した窒素（３）を前記燃焼器（１０１）へ導入する工程
  5. 【請求項５】 前記窒素に富む加温圧縮流（１２）のう
    ちの一部分（４１）を冷却し、得られた冷却流（２９）
    を減圧し、そして得れれた冷却減圧流（３１）を前記高
    圧蒸留塔（１２３）へ導入することを更に含む、請求項
    ４記載の方法。
  6. 【請求項６】 工程（ｂ）で得られた減圧冷却空気（２
    ３）を、前記燃焼タービン空気圧縮機からの圧縮空気
    （１１）の絶対圧力の約２０〜約８５％である絶対圧力
    で前記高圧蒸留塔（１２３）へ導入する、請求項１記載
    の方法。
  7. 【請求項７】 工程（ｂ）で得られた冷却空気のうちの
    前記第二の部分（２１）を部分的に凝縮させ、部分凝縮
    した空気（２２）を蒸気（２０９）と液（２０５）に分
    離し、当該液（２０５）を等エンタルピーの絞り操作に
    より減圧して前記高圧蒸留塔（１２３）へ導入し、そし
    て当該蒸気（２０９）を仕事膨張させて前記高圧蒸留塔
    （１２３）へ導入する、請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 追加の空気（２５）を圧縮し、この圧縮
    した追加の空気から不純物を取り除き、得られた精製空
    気（２６）を冷却し、そして当該精製空気（２７）を前
    記高圧蒸留塔（１２３）へ導入することを更に含む、請
    求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記低圧蒸留塔（１１９）から酸素に富
    む液体流（５１）を抜き出し、この液体流（５１）を昇
    圧して高圧にし、得られた昇圧液（５３）を工程（ａ）
    の精製圧縮空気（１５）との、及び随意にそのほかのプ
    ロセス流との間接熱交換により加温し、それにより当該
    精製圧縮空気を冷却し、そして当該液（５３）を気化さ
    せて酸素に富む高圧のガス製品（５４）を供給すること
    を更に含む、請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記酸素に富む高圧のガス製品（５
    ４）の需要が少ない間に前記高圧蒸留塔（１２３）から
    の前記昇圧液（５３）のうちの一部分（３０１）を貯蔵
    し、そして得られた貯蔵液（３０５）のうちの少なくと
    も一部分を前記酸素に富む高圧のガス製品（５４）の需
    要が多い間前記酸素に富む液体流（５１）と一緒にする
    ことを更に含む、請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記酸素に富む高圧のガス製品（５
    ４）と戻し窒素（１３）の需要が少ない間に前記高圧蒸
    留塔（１２３）からの前記酸素に富む塔底液（３３）の
    うちの一部分（３０９）を貯蔵し、そして得られた貯蔵
    液のうちの少なくとも一部分（３１３）を前記酸素に富
    む高圧のガス製品（５４）と戻し窒素（１３）の需要が
    多い間前記酸素に富む塔底液（３３）と一緒にすること
    を更に含む、請求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記高圧蒸留塔（１２３）の上部から
    窒素に富む蒸気流（４３）を抜き出し、この流れを凝縮
    させ、得られた凝縮液のうちの一部分（４５）を昇圧し
    て高圧にし、得られた昇圧液（４７）を工程（ａ）の精
    製圧縮空気（１５）との、そして随意にそのほかのプロ
    セス流との間接熱交換により加温して、それにより当該
    精製圧縮空気（１５）を冷却し、そして窒素に富む高圧
    のガス製品（４９）を供給することを更に含む、請求項
    １記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記高圧蒸留塔（１２３）の中間の箇
    所から窒素に富む流れ（３７）を抜き出し、この流れを
    冷却して窒素に富む液（３８）を得、この窒素に富む液
    を減圧し、そして得られた窒素に富む減圧液（４０）を
    前記低圧蒸留塔（１１９）へ還流として導入することを
    更に含む、請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記戻し窒素（１３）の需要が少ない
    間に前記高圧蒸留塔（１２３）からの前記窒素に富む液
    （３８）の一部分を貯蔵し、そして前記戻し窒素（１
    ３）の需要が多い間は、得られた窒素に富む貯蔵液（３
    ２１）を前記低圧蒸留塔（１１９）へ還流として導入す
    る前の前記窒素に富む減圧液（４０）のうちの少なくと
    も一部分と一緒にすることを更に含む、請求項１３記載
    の方法。
  15. 【請求項１５】 下記の（ｆ）〜（ｉ）を更に含む、請
    求項４記載の方法。 （ｆ）冷却した圧縮空気（１２）のうちの一部分を仕事
    膨張させる工程 （ｇ）工程（ｆ）の結果得られた冷却し膨張させた圧縮
    空気（４０４）を冷却してそれから不純物を取り除く工
    程 （ｈ）工程（ｇ）の結果得られた精製圧縮空気（２６）
    を更に冷却する工程 （ｉ）工程（ｈ）の結果得られた更に冷却した空気（２
    ７）を前記高圧蒸留塔（１２３）へ導入する工程
  16. 【請求項１６】 前記冷却圧縮空気（１２）を前記燃焼
    タービン圧縮機（１０５）からの圧縮空気（６）のうち
    の前記第二の部分（１１）を冷却することにより得る、
    請求項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 工程（ｆ）の仕事膨張で発生された仕
    事を、前記低圧蒸留塔（１１９）からの窒素に富む製品
    のうちの少なくとも一部分（３６）を圧縮してから前記
    燃焼器（１０１）へ前記更に加温した窒素（３）を導入
    するために工程（ｅ）において必要とされる仕事の一部
    分を供給するのに利用することを更に含む、請求項１５
    記載の方法。
  18. 【請求項１８】 追加の空気流（５０１）を圧縮し、そ
    して得られた追加の圧縮空気（５０５）を前記冷却圧縮
    空気（１２）と一緒にすることを更に含む、請求項１７
    記載の方法。
  19. 【請求項１９】 追加の空気流（５０１）を圧縮し、そ
    して得られた追加の圧縮空気（５０７）を不純物を取り
    除く前の前記冷却し膨張させた圧縮空気（４０４）と一
    緒にすることを更に含む、請求項１７記載の方法。
  20. 【請求項２０】 追加の空気流（５０１）を第一の圧縮
    段で圧縮し、この第一の圧縮段から当該空気の一部分
    （６０３）を抜き出してこの一部分（６０３）を不純物
    を取り除く前の前記冷却し膨張させた圧縮空気（４０
    ４）と一緒にし、上記第一の圧縮段からの残りの空気を
    更に圧縮して、得られた更に圧縮した空気（６０５）を
    不純物を取り除く前の冷却圧縮空気（１４）と一緒にす
    ることを更に含む、請求項１７記載の方法。
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