JPH10184388A - Method and device for obtaining work from high-pressure gas flow abundant in nitrogen - Google Patents

Method and device for obtaining work from high-pressure gas flow abundant in nitrogen

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JPH10184388A
JPH10184388A JP9326123A JP32612397A JPH10184388A JP H10184388 A JPH10184388 A JP H10184388A JP 9326123 A JP9326123 A JP 9326123A JP 32612397 A JP32612397 A JP 32612397A JP H10184388 A JPH10184388 A JP H10184388A
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stream
rich
gas
fuel
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ナット ジェームズ トファム アンソニー
Rodney John Allam
ジョン アラム ロドニー
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Air Products and Chemicals Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the process efficiency in the case where a blast furnace gas of a low calorific value or the like is utilized by indirectly heating the gas flow abundant in nitrogen obtained by a low-temperature air separator by using the heat obtained by the combustion of a fuel so as to produce a high-pressure low, and by expanding the high-pressure flow to perform external work. SOLUTION: The nitrogen flow coming from an inlet 10 is introduced into a heat exchanger 14 through a pipeline 12, and then it is introduced into a second heat exchanger 18 with which a fuel burner 20 is combined so as to be successively heated. The heated nitrogen flow is sent to the inlet of an axial flow turbine 24 through a pipeline 22 from the heat exchanger 18, herein the nitrogen flow is expanded to perform external work. The nitrogen flow after completion of work passes through the opposite side of the heat exchanger 14 through a pipeline 26, and is discharged through an outlet 28. On the other hand, both the air to be used for combustion that is introduced through an inlet 30, and the fuel gas from an inlet 32 after heated through a third heat exchanger 36 are supplied to the burner 20 and burnt, and the combustion gas is discharged from an outlet 46 through the heat exchangers 18 and 36.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、低温(cryog
enic)空気分離装置又は工場からの窒素に富む高圧
ガス流から仕事を得るための方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
enic) a process for obtaining work from a nitrogen-rich high-pressure gas stream from an air separation unit or a factory.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】低温空
気分離工場は、空気を分離することにより得られる窒素
分が蒸留塔の圧力から配管や高温の排出条件にするため
の熱交換器を通って圧力低下を生じ、大気に近い圧力で
生産されるように設計することができる。あるいはま
た、窒素流は、空気分離装置からの生産物の全部を大気
より実質的に高い圧力で生産するのを可能にするよう意
図的に背圧をかけられることもある。高圧の工場は、分
離される空気の大部分が高圧の製品として必要とされる
用途向けに使用されている。そのような高圧の工場は、
熱交換器、塔そして前処理吸着器がより小さいため、最
低限の圧力で運転する工場よりも資本費が安く、そして
また建設費が安い。
2. Description of the Related Art In a low-temperature air separation plant, a nitrogen component obtained by separating air passes through a distillation column from a pressure of a distillation column to a pipe or a heat exchanger for high-temperature discharge conditions. Can be designed to produce pressure drop near atmospheric pressure. Alternatively, the nitrogen stream may be intentionally back-pressured to allow all of the product from the air separation unit to be produced at a substantially higher pressure than the atmosphere. High pressure plants are used for applications where the majority of the air to be separated is required as a high pressure product. Such high-pressure factories
Due to the smaller heat exchangers, towers and pretreatment adsorbers, they have lower capital costs and also lower construction costs than factories operating at minimum pressure.

【0003】過去において、そのような低温空気分離工
場を生産される昇圧した窒素から仕事が得られるように
その他の工業プロセスと組み合わせるための提案がなさ
れており、そしてまた低圧の窒素を生産するよう運転す
る空気分離装置に関しても同様の提案がなされている。
[0003] In the past, proposals have been made to combine such cryogenic air separation plants with other industrial processes to gain work from the pressurized nitrogen produced, and also to produce low pressure nitrogen. Similar proposals have been made for operating air separation devices.

【0004】米国特許第2520862号明細書には、
通常の最小限圧力の空気分離装置の高圧塔から窒素を取
り出してそれをいくらかの酸素と混合することが記載さ
れている。次いで、この高圧ガス混合物でもって燃料を
燃焼させ、そして約500℃の燃焼生成物を高温ガス膨
張器で大気圧まで膨張させる。随意に、膨張器の排気か
ら熱を回収して燃焼前の高圧の窒素/酸素混合物を予熱
するためエコノマイザー熱交換器が使用される。
US Pat. No. 2,520,862 states that
It is described to take nitrogen from the high pressure column of a normal minimum pressure air separation unit and mix it with some oxygen. The fuel is then burned with this high pressure gas mixture and the combustion products at about 500 ° C. are expanded to atmospheric pressure with a hot gas expander. Optionally, an economizer heat exchanger is used to recover heat from the expander exhaust and preheat the high pressure nitrogen / oxygen mixture prior to combustion.

【0005】米国特許第3731495号明細書には、
高圧空気分離装置から窒素を取り出し、この窒素を昇圧
した空気/燃料流の燃焼生成物と混合してから、この高
温混合ガスを大気圧まで膨張させることが記載されてい
る。作りだされる軸動力は、空気を圧縮して、空気分離
装置と燃焼工程とで使用するため分割される昇圧空気を
作るのに使用される。
[0005] US Pat. No. 3,731,495 describes:
It is described that nitrogen is removed from the high pressure air separation unit, mixed with the combustion products of the pressurized air / fuel stream, and then the hot gas mixture is expanded to atmospheric pressure. The shaft power created is used to compress the air to create pressurized air that is split for use in the air separation unit and the combustion process.

【0006】米国特許第5040370号明細書には、
2〜7bara(200〜700kPa)の圧力の空気
分離工場から抜き出した窒素を、熱源としてのプロセス
からの相変化しない高温流体流を使って間接熱交換する
ことが記載されている。最高600℃までの温度のこの
高温流体流を生産するプロセスは、空気分離装置からの
酸素を使用するものであり、高温の窒素はタービンで膨
張させられて外部仕事を行う。
US Pat. No. 5,040,370 discloses that
It is described that the nitrogen extracted from an air separation plant at a pressure of 2 to 7 bara (200 to 700 kPa) is subjected to indirect heat exchange using a phase-change high temperature fluid stream from the process as a heat source. The process of producing this hot fluid stream at temperatures up to 600 ° C. uses oxygen from an air separation unit, where the hot nitrogen is expanded in a turbine to perform external work.

【0007】米国特許第5076837号明細書には、
加熱した窒素流が少なくとも5bara(500kP
a)の圧力で且つ少なくとも700℃の温度であること
を除いて、本質的に同様のプロセスが開示されている。
[0007] US Pat. No. 5,078,837 describes:
The heated nitrogen stream is at least 5 bara (500 kP
An essentially similar process is disclosed, except at a) pressure and at a temperature of at least 700 ° C.

【0008】米国特許第5268019号明細書には、
昇圧した燃料ガスを燃焼させ、燃焼生成物をタービンで
膨張させて仕事を発生させることが開示されている。空
気分離装置からの一部の窒素を昇圧して、タービンで膨
張させる前の燃焼生成物へ供給する。別の窒素を、膨張
させた燃焼生成物との間接熱交換により400℃の温度
に加熱し、次いでほかのタービンで膨張させて更に別の
仕事を発生させる。窒素を生産する空気分離装置からの
酸素は、気体燃料を製造するプロセスで、例えば高炉の
運転で、使用される。
[0008] US Pat. No. 5,268,019 discloses:
It is disclosed that the pressurized fuel gas is burned, and the combustion products are expanded by a turbine to generate work. A portion of the nitrogen from the air separation unit is pressurized and supplied to the combustion products before expansion by the turbine. Another nitrogen is heated to a temperature of 400 ° C. by indirect heat exchange with the expanded combustion products and then expanded in another turbine to produce further work. Oxygen from an air separation unit that produces nitrogen is used in processes to produce gaseous fuels, for example, in blast furnace operation.

【0009】英国特許出願公開第2266343号明細
書には、高炉で製造された低グレードの燃料ガスを使っ
て窒素の流れを間接的に加熱することが開示されてい
る。しかし、その明細書では、燃料ガスをバーナーへ供
給する前に圧縮している。
[0009] GB-A-2266343 discloses the indirect heating of a stream of nitrogen with a low-grade fuel gas produced in a blast furnace. However, in that specification, the fuel gas is compressed before being supplied to the burner.

【0010】英国特許出願公開第2210455号明細
書には、高グレードの燃料ガスを燃焼させて、仕事を引
き出すため膨張させる典型的にはヘリウム、アルゴン、
水素、又は水素とメタンとの混合物である作動流体を、
閉じた系において間接的に加熱することが記載されてい
る。燃焼生成物は1〜100bar(100〜10,0
00kPa)の圧力である。空気分離装置からの圧縮窒
素を加熱する概念は開示されていない。
[0010] GB-A-2 210 455 discloses that high grade fuel gas is burned and expanded to extract work, typically helium, argon,
A working fluid, which is hydrogen or a mixture of hydrogen and methane,
Indirect heating in a closed system is described. The products of combustion are 1-100 bar (100-10,0
00 kPa). The concept of heating the compressed nitrogen from the air separation unit is not disclosed.

【0011】英国特許出願公開第1560096号明細
書には、天然ガスを再ガス化することが記載されてい
る。作動流体としての窒素を加熱することにより熱を供
給するが、窒素は閉じた系で再循環し、空気分離装置か
らの圧縮ガス流ではない。用いられる加熱器と燃料の種
類は明らかでない。
[0011] UK Patent Application Publication No. 156,096 describes the regasification of natural gas. Heat is supplied by heating nitrogen as the working fluid, but the nitrogen recirculates in a closed system and is not a compressed gas stream from the air separation unit. The type of heater and fuel used is not clear.

【0012】国際公開第95/05529号パンフレッ
トでは、間接的に加熱される作動流体としてヘリウム、
アルゴン又はネオンといったような不活性ガスを閉じた
系において使用している。
In WO 95/05529, helium is used as a working fluid to be heated indirectly.
Inert gases such as argon or neon are used in closed systems.

【0013】ヨーロッパ特許出願公開第0208162
号明細書には、ガスタービンで燃料を燃焼させ、そして
その排気を使って、好ましくは空気である圧縮ガスを加
熱することが教示されている。
EP-A-0 208 162
The specification teaches burning a fuel in a gas turbine and using the exhaust to heat a compressed gas, preferably air.

【0014】米国特許第4228659号明細書には、
閉じた系中の作動流体を燃焼器で間接的に加熱すること
が記載されている。空気分離装置からの窒素を使用し、
それを使用後に排出するという概念は開示されていな
い。
US Pat. No. 4,228,659 describes:
It is described that the working fluid in a closed system is indirectly heated by a combustor. Using nitrogen from the air separation unit,
The concept of discharging it after use is not disclosed.

【0015】空気分離装置からの窒素を使用することに
関連する場合、これらの開示は窒素のための熱源に関し
て二つのカテゴリーに入れられる。一つのカテゴリーで
は、燃料を、窒素を加えた高圧の空気とともに燃焼させ
てガス混合物を生じさせ、次にこれをタービンで膨張さ
せ、随意に窒素の間接加熱も行う。本発明の発明者ら
は、これは多数の不都合を生じさせることを見きわめ
た。膨張器におけるガスの品質は、燃料の燃焼生成物が
存在するためそれほど望ましくない。工場の資本費は、
燃料ガスとそれを燃焼させる空気とを圧縮する必要性に
より増大する。燃焼のためにガスタービンを使用する場
合には、かなりの資本費を必要とする。また、燃焼生成
物と混合するために供給される窒素の純度の制約は、窒
素と混合されるかなりの量の酸素を安全に加える可能性
を排除しよう。発熱量が少ない可燃性ガスは、たいてい
は、空気分離装置で生産される酸素を消費するプロセス
から大気圧近くで入手できるに過ぎない。従って、その
ような燃料ガスはこのタイプのプロセスで使用する前に
かなり圧縮することが必要である。
[0015] In the context of using nitrogen from an air separation unit, these disclosures fall into two categories with respect to heat sources for nitrogen. In one category, the fuel is combusted with high pressure air to which nitrogen has been added to form a gas mixture, which is then expanded in a turbine and optionally also indirectly heating the nitrogen. The inventors of the present invention have found that this creates a number of disadvantages. The quality of the gas in the expander is less desirable due to the presence of fuel combustion products. The capital cost of the factory is
Increased by the need to compress the fuel gas and the air that burns it. The use of gas turbines for combustion requires significant capital costs. Also, the restriction on the purity of the nitrogen supplied for mixing with the combustion products would eliminate the possibility of safely adding significant amounts of oxygen mixed with the nitrogen. Flammable gases with low calorific values are often only available at near atmospheric pressure from oxygen consuming processes produced in air separation units. Therefore, such fuel gases need to be significantly compressed before use in this type of process.

【0016】他方の開示のカテゴリーは、窒素を別のプ
ロセスで製造された高温ガスとの間接の伝熱により加熱
することを必要とする。ここでは、加熱用ガス流の顕熱
含量のみが伝えられ、燃焼プロセスのその他の流れから
の化学エネルギーは利用されない。これは、高温流の流
量と温度が必要とされる全ての熱を供給するのに十分で
なければならないことを意味する。実際には、これは非
常に大きな表面積の間接熱交換器と多くの資本費を必要
とする。
The other category of disclosure requires that the nitrogen be heated by indirect heat transfer with hot gas produced in another process. Here, only the sensible heat content of the heating gas stream is transmitted, and no chemical energy from other streams of the combustion process is utilized. This means that the flow rate and temperature of the hot stream must be sufficient to supply all the heat required. In practice, this requires very large surface area indirect heat exchangers and high capital costs.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明の第一の側面によ
れば、低温空気分離装置から得られる窒素に富んだ高圧
のガス流から仕事を得るための方法であって、低温空気
分離を行って窒素に富んだ高圧のガスの流れを製造し、
燃焼帯域へ、燃料ガスを最高5bara(500kP
a)までの圧力で供給しあるいは液体又は固体燃料を供
給し、当該燃料を燃焼させ、この燃料の燃焼から得られ
た熱を使って上記の窒素に富んだ流れを間接的に加熱し
て窒素に富んだ加熱された高圧流を生じさせ、この窒素
に富んだ加熱された高圧流を膨張させて外部仕事を行わ
せ、そしてその窒素に富んだ流れを排出することを含む
方法が提供される。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for obtaining work from a nitrogen-rich, high-pressure gas stream obtained from a cryogenic air separation device, comprising: To produce a high-pressure gas stream rich in nitrogen,
Fuel gas up to 5 bara (500 kP
a) supplying a liquid or solid fuel at a pressure up to a), burning said fuel, and indirectly heating said nitrogen-rich stream using the heat obtained from the combustion of said fuel to produce nitrogen Providing a heated high-pressure stream rich in nitrogen, expanding the heated high-pressure stream rich in nitrogen to perform external work, and discharging the nitrogen-rich stream. .

【0018】「窒素に富んだ流れ」は、下記で更に説明
されるように窒素以外のガスを含有してもよいことを認
識すべきである。
It should be appreciated that "nitrogen-rich streams" may contain gases other than nitrogen, as described further below.

【0019】好ましくは、燃料は燃料ガスであり、バー
ナーへ最高で3bara(300kPa)まで、より好
ましくは1.1〜2.5bara(110〜250kP
a)、より一層好ましくは1.1〜2bara(110
〜200kPa)、例えば1.1〜1.2bara(1
10〜120kPa)の圧力で供給される。
Preferably, the fuel is fuel gas and up to 3 bara (300 kPa) to the burner, more preferably 1.1 to 2.5 bara (110 to 250 kP).
a), even more preferably 1.1 to 2 bara (110
To 200 kPa), for example, 1.1 to 1.2 bara (1
10 to 120 kPa).

【0020】好ましくは、燃料ガスは、燃料ガスを製造
するプロセスから得られ、そして圧縮機で昇圧せずにバ
ーナーへ供給されるが、とは言え燃料ガスの燃焼用に使
用されるバーナーへそれを申し分なく流すのを促進する
ために送風機を用いることが望ましいことがある。
Preferably, the fuel gas is obtained from a process for producing the fuel gas and supplied to the burner without pressurization with a compressor, but to the burner used for combustion of the fuel gas. It may be desirable to use a blower to facilitate satisfactory flushing.

【0021】適切には、燃料ガスは少なくとも主として
は、熱含量が2.5〜16MJ/Nm3 、好ましくは
2.5〜12MJ/Nm3 である燃料ガスの供給源から
供給され、すなわち主として低発熱量の燃料ガスから構
成される。そのような低熱含量の燃料ガスはバーナーで
燃焼するのが困難である。低熱含量の燃料ガスの燃焼を
支援するためには、ほかにより高い発熱量のガスを例え
ば最高で10容量%までのより少ない量でもって使用し
てもよい。適切には、この追加の高熱含量のガスは、最
高で低熱含量ガスの熱含量を2倍にする量までの量でも
って供給される。例えば、低発熱量の燃料ガスの熱含量
が2.5〜4MJ/Nm3 である場合、このガスを熱含
量が実質的により高い十分なガスと混合してその結果得
られた混合物の熱含量を4〜6MJ/Nm3 に上昇させ
ることができる。
Suitably, the fuel gas is supplied at least mainly from a source of fuel gas having a heat content of from 2.5 to 16 MJ / Nm 3 , preferably from 2.5 to 12 MJ / Nm 3 , ie mainly low It is composed of calorific value fuel gas. Such low heat content fuel gases are difficult to burn in burners. To support the combustion of low heat content fuel gases, other higher calorific value gases may be used, for example, in smaller amounts, up to 10% by volume. Suitably, this additional high heat content gas is provided in an amount up to double the heat content of the low heat content gas. For example, the heat content in the case the heat content of the low calorific value of the fuel gas is 2.5~4MJ / Nm 3, the resulting mixture the gas heat content is mixed with substantially higher sufficient gas Can be increased to 4 to 6 MJ / Nm 3 .

【0022】高熱含量のガスは、いろいろなやり方で使
用して低熱含量の燃焼を促進することができる。それを
単純に低熱含量のガスと混合して、より高熱含量の混合
物を作ってもよい。それをバーナーのそれ自身のパイロ
ットジェットへ供給してもよく、あるいはそれを燃焼さ
せて、燃焼を促進するためバーナーへ供給することがで
きる残留酸素含有の加熱されたガスを作ってもよい。
The high heat content gas can be used in various ways to promote low heat content combustion. It may simply be mixed with a low heat content gas to make a higher heat content mixture. It may be fed to the burner's own pilot jet, or it may be burned to create a heated gas containing residual oxygen that can be fed to the burner to promote combustion.

【0023】本発明で主として使用される低熱含量燃料
ガスの適切な供給源は、熱含量が典型的に2.5〜6M
J/Nm3 である高炉からの廃ガス、熱含量が典型的に
約8MJ/Nm3 であるコレックス(COREX)の廃
ガス、あるいは典型的には重油又は石炭であるがことに
よっては例えば廃棄物といったようなその他の物質でも
ある固体又は液体燃料の部分酸化により製造された合成
ガスである。そのようなガスは、IGCC(統合ガス化
複合サイクル(integrated gasific
ation combined cycle))におい
て適切に製造され、そして典型的にほぼ10〜16MJ
/Nm3 の発熱量を有する。
Suitable sources of low heat content fuel gas used primarily in the present invention are those having a heat content typically between 2.5 and 6M
Waste gas from a blast furnace at J / Nm 3 , waste gas from COREX having a heat content of typically about 8 MJ / Nm 3 , or typically heavy oil or coal, but possibly waste And other substances such as synthetic gas produced by partial oxidation of solid or liquid fuels. Such gases are available from IGCC (integrated gasification combined cycle).
production cycle)) and is typically around 10-16 MJ
/ Nm 3 .

【0024】一般的に言えば、燃料ガスの熱含量が4〜
6MJ/Nm3 を上回る場合にはそれを増大させる必要
はない。
Generally speaking, the heat content of the fuel gas is between 4 and
If it exceeds 6 MJ / Nm 3 , there is no need to increase it.

【0025】とは言うものの、高発熱量の燃料、例とし
て天然ガス、LPG、燃料油及び固体燃料等を含めて、
いずれの燃料を使用することも本発明の範囲内である。
However, including high calorific value fuels such as natural gas, LPG, fuel oil and solid fuels,
The use of any fuel is within the scope of the present invention.

【0026】燃料は、大気圧に近い圧力で、適切には排
気をバーナーから大気へ排出する経路が昇圧されずに済
むように、好ましく燃焼される。これは、排気がそれを
膨張させることにより仕事を引き出すことができるよう
に加圧下で製造されないという点で、ガスタービンを使
用する以前の提案と異なる。
The fuel is preferably combusted at a pressure close to the atmospheric pressure, suitably so that the path for discharging exhaust gas from the burner to the atmosphere does not have to be pressurized. This differs from previous proposals using gas turbines in that the exhaust is not manufactured under pressure so that it can extract work by expanding it.

【0027】本発明で使用される窒素に富んだ高圧流
は、低温空気分離装置から得られる。この窒素に富んだ
流れは、窒素のほかに、当該空気分離装置からの少なく
とも1種の他のガスを含有してもよい。好ましくは、空
気分離装置で分離された酸素は上記の燃料ガスを、ある
いは少なくとも燃料ガスの低熱含量成分を製造するプロ
セスへ供給される。そのようなプロセスは、例えば、高
炉を運転するものでよく、あるいは先に記載した種類の
その他の燃料ガス製造プロセスでよい。空気分離装置か
らの酸素製品は全部が燃料ガス製造プロセスで消費でき
なくてもよく、その場合には、分離された酸素のうちの
一部分を分離された窒素へ加え戻して、仕事を引き出す
ことができるガスの量を増加させることが有利なことが
ある。
[0027] The high nitrogen-rich stream used in the present invention is obtained from a cryogenic air separation unit. This nitrogen-rich stream may contain, in addition to nitrogen, at least one other gas from the air separation unit. Preferably, the oxygen separated in the air separation unit is supplied to the above-mentioned fuel gas or at least to a process for producing a low heat content component of the fuel gas. Such a process may, for example, operate a blast furnace or may be another fuel gas production process of the type described above. The oxygen product from the air separation unit may not all be available for consumption in the fuel gas production process, in which case some of the separated oxygen can be added back to the separated nitrogen to extract work. It may be advantageous to increase the amount of gas available.

【0028】あるいはまた、空気分離装置からの圧縮空
気を窒素流に加え、こうして酸素とその他の空気ガス類
とを含有している窒素流を製造してもよい。
Alternatively, the compressed air from the air separation unit may be added to the nitrogen stream, thus producing a nitrogen stream containing oxygen and other air gases.

【0029】更に、空気分離装置を、酸素と窒素の完全
な分離を行わないように運転してもよい。一般には、窒
素に富んだガスの窒素含有量は空気のそれから最高で純
粋窒素まで、例えば80〜100容量%のN2 まで、例
えば約90%でよい。
Further, the air separation device may be operated so as not to completely separate oxygen and nitrogen. In general, the nitrogen content of the rich gas to the nitrogen then up with pure nitrogen in the air, for example up to 80 to 100 volume% of N 2, for example about 90%.

【0030】窒素に富んだ加熱された高圧流の膨張によ
り得られる仕事は、圧縮トレインに動力を供給して空気
分離装置内での圧縮、例えば空気分離装置への流入空気
の圧縮、空気分離装置内での窒素の圧縮、あるいは空気
分離装置内での酸素の圧縮を提供することができる。そ
れは、上述の動力供給目的のために使用することができ
る発電機を運転するために使用してもよく、あるいは一
般的に電気を供給するために使用してもよい。
The work gained by the expansion of the heated, nitrogen-rich, high-pressure stream powers the compression train to compress in the air separator, for example, the compression of the air entering the air separator, the air separator. Compression of nitrogen in the air or compression of oxygen in the air separation unit can be provided. It may be used to operate a generator that can be used for the powering purposes described above, or may generally be used to supply electricity.

【0031】加熱工程前の窒素に富んだ流れは、好まし
くは2〜20bara(200〜2000kPa)の圧
力である。より好ましくは、窒素に富んだ流れは2〜7
bara(200〜700kPa)の圧力である。一般
には、それは、空気分離装置から更に圧縮することなく
取り出される場合には2〜5bara(200〜500
kPa)の圧力、例えば3bara(300kPa)で
あり、あるいは更に圧縮される場合には5〜7bara
(500〜700kPa)の圧力である。
The nitrogen-rich stream before the heating step is preferably at a pressure of 2 to 20 bara (200 to 2000 kPa). More preferably, the nitrogen-rich stream is 2-7
bara (200-700 kPa) pressure. Generally, it is 2-5 bara (200-500 bara) when removed from the air separation unit without further compression.
kPa) pressure, for example 3 bara (300 kPa), or 5-7 bara if further compressed
(500-700 kPa).

【0032】それは、適切には400〜1,000℃の
温度であり、より好ましくは600〜800℃である。
It is suitably at a temperature between 400 and 1,000 ° C., more preferably between 600 and 800 ° C.

【0033】窒素に富んだ流れは、タービンで膨張させ
て上述の外部仕事を行わせてもよく、そしてそのタービ
ンは軸流タービンでもあるいは半径流タービンでもよ
い。
The nitrogen-rich stream may be expanded in a turbine to perform the external work described above, and the turbine may be an axial or radial turbine.

【0034】上述の膨張工程で外部仕事を行った後の窒
素に富んだ流れから熱を回収すべきこと、そしてその熱
を、燃料ガスを燃焼させることにより窒素に富んだ流れ
を主として加熱する前の流入してくる窒素に富んだ流れ
に伝えるべきことが、特に好ましい。これは、出てゆく
窒素に富んだ流れとやって来る窒素に富んだ流れとの熱
交換により、簡単に行うことができる。あるいはまた、
出てゆく窒素に富んだ流れを、やって来る窒素に富んだ
流れを加熱する燃料ガスの燃焼生成物に加えてもよい。
更に別の方法では、出てゆく燃焼廃ガスと窒素に富んだ
流れからの熱を使って、やって来る窒素に富んだ流れ中
に液体、例えば水の如きものを気化させて質量流量を増
加させ、こうしてやって来る窒素に富んだ流れの温度を
上昇させ又は上昇させずに、その流れの回収可能なエネ
ルギーを増加させてもよい。
The heat should be recovered from the nitrogen-rich stream after performing the external work in the expansion step described above, and that heat is used to primarily heat the nitrogen-rich stream by burning the fuel gas. It is particularly preferred that this be passed to the incoming nitrogen-rich stream. This can be done simply by heat exchange between the outgoing nitrogen-rich stream and the incoming nitrogen-rich stream. Alternatively,
The outgoing nitrogen-rich stream may be added to the combustion products of the fuel gas that heats the incoming nitrogen-rich stream.
Still another method uses the heat from the emerging flue gas and the nitrogen-rich stream to vaporize a liquid, such as water, in the incoming nitrogen-rich stream to increase the mass flow rate, With or without increasing the temperature of the incoming nitrogen-rich stream, the recoverable energy of the stream may be increased.

【0035】燃料の燃焼から窒素に富んだ流れへの動力
の供給量は、好ましくは0.75〜9kW/kg−mo
lN2 /h、例えば2〜4kW/kg−molN2 /h
でよい。
The power supply from the combustion of the fuel to the nitrogen-rich stream is preferably between 0.75 and 9 kW / kg-mo.
1 N 2 / h, for example, 2 to 4 kW / kg-mol N 2 / h
Is fine.

【0036】窒素に富んだ流れは、使用後に大気へ、あ
るいは別のプロセスで使用するために、排出される。
The nitrogen-rich stream is discharged to the atmosphere after use or for use in another process.

【0037】本発明の上述の第一の側面は、窒素に富ん
だ高圧ガス流から仕事を得るための装置であって、最高
で5bara(500kPa)までの圧力の可燃性燃料
ガスの供給源、又は液体もしくは固体燃料の供給源と、
当該燃料ガス又は当該液体もしくは固体燃料を燃焼させ
るための手段と、上記の窒素に富んだ高圧流の供給源と
しての低温空気分離装置と、燃焼する燃料からの熱を使
用して上記の窒素に富んだ流れを間接的に加熱して窒素
に富んだ加熱された高圧流を生じさせるための手段と、
この窒素に富んだ加熱された高圧流を膨張させて外部仕
事を行わせるための手段と、そして当該窒素に富んだ流
れを当該装置から排出するための手段とを含む装置を包
含する。
The first aspect of the invention is an apparatus for obtaining work from a nitrogen-rich high-pressure gas stream, comprising a source of a combustible fuel gas at a pressure of up to 5 bara (500 kPa); Or a source of liquid or solid fuel;
Means for burning the fuel gas or the liquid or solid fuel, a cryogenic air separation device as a source of the nitrogen-rich high-pressure stream, and the heat from the burning fuel to convert the nitrogen Means for indirectly heating the rich stream to produce a heated, high pressure stream rich in nitrogen;
Includes an apparatus that includes means for expanding the nitrogen-rich heated high pressure stream to perform external work, and for discharging the nitrogen-rich stream from the apparatus.

【0038】上記可燃性燃料ガスの供給源は、高炉へつ
ながるものを含めて、先に説明したもののいずれでもよ
い。この装置は更に、上述の高発熱量燃料ガスの供給源
を、単独の加熱用燃料源としてかあるいは低発熱量燃料
の供給源に対して調節するものとして、含んでもよい。
The source of the combustible fuel gas may be any of those described above, including those connected to the blast furnace. The apparatus may further include a source of high calorific value fuel gas as described above, either as a sole heating fuel source or as a regulator for a low calorific value fuel source.

【0039】先に示したように、この装置は、上記の窒
素に富んだ流れの供給源として空気分離装置を含むもの
であり、そして更に、その空気分離装置へ分離のために
供給される空気を圧縮するための手段と、上記の窒素に
富んだ加熱された高圧流の膨張により得られる仕事を当
該圧縮手段に動力を供給するために使用するための手段
を含んでもよい。
As indicated above, the apparatus includes an air separation unit as a source of the nitrogen-rich stream, and further includes air supplied to the air separation unit for separation. And means for using the work gained by the expansion of the nitrogen-enriched heated high pressure stream to power the compression means.

【0040】上記の窒素に富んだ加熱された高圧流の膨
張により得られた仕事を空気分離装置のその他の圧縮要
求機器へ動力を供給するため又は発電機を運転するため
に利用するための手段を、別にあるいは追加して備えて
もよい。
Means for utilizing the work gained by the expansion of the above-described nitrogen-rich heated high-pressure stream to power other compression-requiring equipment of the air separation unit or to operate a generator. May be provided separately or additionally.

【0041】上記の空気分離装置で分離された酸素を上
記の燃料ガス又はその主たる低熱含量成分を製造する装
置へ供給する接続系を備えてもよい。
A connection system may be provided for supplying the oxygen separated by the above-mentioned air separation device to the above-mentioned fuel gas or a device for producing the main low heat content component thereof.

【0042】この装置は、上記の窒素に富んだ加熱され
た高圧流を膨張させて仕事を得るための手段としてター
ビンを含んでもよく、またこの膨張工程後の窒素に富ん
だ流れからエネルギーを引き出すための手段とこれをや
って来る窒素に富んだ流れに伝えるための手段とを含ん
でもよい。
The apparatus may include a turbine as a means for expanding the nitrogen-rich heated high-pressure stream to obtain work, and extracting energy from the nitrogen-rich stream after the expansion step. And means for delivering it to the incoming nitrogen-rich stream.

【0043】別の側面において、本発明は、窒素に富ん
だ高圧の流れから仕事を得る方法であって、燃料を燃焼
帯域へ供給しこの燃料を燃焼させて当該燃焼帯域におい
て実質的に昇圧されていない排ガス流を作り、この燃焼
で生じた熱を空気分離装置から得られた窒素に富んだ高
圧の流れに当該窒素に富んだ流れ及び排ガス流を混合す
ることなく伝えてそれを加熱し、それにより窒素に富ん
だ加熱された高圧流を作り、この窒素に富んだ加熱され
た高圧流を膨張させて外部仕事を行わせ、そして当該窒
素に富んだ流れを排出することを含む方法を包含する。
In another aspect, the invention is a method of obtaining work from a high pressure stream rich in nitrogen, comprising supplying fuel to a combustion zone and burning the fuel to substantially increase pressure in the combustion zone. Producing an untreated exhaust gas stream and transferring the heat generated by this combustion to the nitrogen-rich high-pressure stream obtained from the air separation unit without mixing the nitrogen-rich stream and the exhaust gas stream, thereby heating it. Thereby producing a nitrogen-rich heated high-pressure stream, expanding the nitrogen-rich heated high-pressure stream to perform external work, and discharging the nitrogen-rich stream. I do.

【0044】排ガス流は一般に、排ガス流を装置を通し
て流動させて周囲へ排出できるようにするのに必要な周
囲圧力を上回る過剰圧力を除いて、周囲圧力にある。こ
の流動は一般に、排ガス流をそれから有効な仕事を引き
出す装置で膨張させることなくなされる。
The exhaust gas stream is generally at ambient pressure, except for any excess pressure above the ambient pressure required to allow the exhaust gas stream to flow through the device and exhaust to the environment. This flow is generally achieved without expanding the exhaust gas stream with devices that extract useful work therefrom.

【0045】本発明のこの側面によれば、窒素に富んだ
高圧の流れから仕事を得るための装置であって、窒素に
富んだ高圧のガス流を作るための空気分離装置と、燃料
を燃焼帯域へ供給するための手段と、この燃焼帯域を画
定し燃料を燃焼させて当該燃焼帯域において実質的に昇
圧されていない排ガス流を作るための手段と、この燃焼
で生じた熱を上記の窒素に富んだ高圧の流れに当該窒素
に富んだ流れ及び排ガス流を混合することなく伝えてそ
れを加熱し、それにより窒素に富んだ加熱された高圧流
を作るための熱交換手段と、この窒素に富んだ加熱され
た高圧流を膨張させて外部仕事を行わせるための手段
と、そして当該窒素に富んだ流れを当該装置から排出す
るための手段とを含む装置も提供される。
According to this aspect of the invention, there is provided an apparatus for obtaining work from a nitrogen-rich, high-pressure stream, comprising: an air separation unit for producing a nitrogen-rich, high-pressure gas stream; Means for supplying to the zone, means for defining the combustion zone and burning the fuel to produce a substantially non-pressurized exhaust gas stream in the combustion zone, and transferring the heat generated by the combustion to the nitrogen Heat exchange means for conveying the nitrogen-rich stream and the exhaust gas stream to the high-pressure rich stream without mixing and heating it, thereby producing a heated high-pressure stream rich in nitrogen; and An apparatus is also provided that includes means for expanding the heated, high pressure stream to perform external work, and for discharging the nitrogen rich stream from the apparatus.

【0046】本発明のこの別の側面の好ましい特徴は、
本発明の第一の側面に関連して説明したとおりである。
Preferred features of this alternative aspect of the invention include:
As described in relation to the first aspect of the present invention.

【0047】本発明は、添付の図面を参照して更に説明
及び例示される。
The present invention is further described and illustrated with reference to the accompanying drawings.

【0048】[0048]

【発明の実施の形態】図1に示した装置は、管路12に
より熱交換器14につながりそして燃料バーナー20を
組み合わせた第二の熱交換器18に管路16によりつな
がる空気分離装置からの昇圧した窒素のための入口10
を有する。窒素流は熱交換器18から管路22を経由し
て軸流タービン24の入口へ進み、この軸流タービンで
もって窒素流を膨張させて外部仕事を行わせ、そしてこ
のタービンから軸動力を供給する。その後、窒素は管路
26を経て熱交換器14の反対側へ進んで、そこから出
口28を経由して放出される。燃焼を持続させる空気の
ための入口30が設けられ、そして可燃性燃料ガスのた
めの入口32が設けられる。入口32は、典型的には、
高炉からの廃ガスのための出口につながれる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The apparatus shown in FIG. 1 is connected to a heat exchanger 14 by a line 12 and from an air separation unit to a second heat exchanger 18 combined with a fuel burner 20 by a line 16. Inlet 10 for pressurized nitrogen
Having. The nitrogen flow passes from heat exchanger 18 via line 22 to the inlet of axial turbine 24, where it expands the nitrogen flow to perform external work and provides shaft power from the turbine. I do. Thereafter, the nitrogen travels via line 26 to the opposite side of heat exchanger 14 and is discharged therefrom via outlet 28. An inlet 30 is provided for air to sustain combustion, and an inlet 32 for combustible fuel gas. The inlet 32 is typically
An outlet for waste gas from the blast furnace is connected.

【0049】空気は、入口30から管路34を経て第三
の熱交換器36へ進む。燃料ガスは、入口32から管路
38を経てやはり熱交換器36へ進み、そこで両方とも
後述のように熱交換により加温される。空気は、熱交換
器36から管路40を経てバーナー20へ供給され、燃
料ガスは管路42を経て供給される。バーナー20にお
いて作られた燃料ガスと空気との燃焼の生成物は、熱交
換器18で窒素流と熱交換しながら進み、そして熱交換
器36において熱交換しながら進んで供給空気と供給燃
料ガスを予熱する。燃焼生成物は、熱交換器36から出
口46を通して排出される。
The air passes from inlet 30 via line 34 to a third heat exchanger 36. The fuel gas also travels from inlet 32 via line 38 to heat exchanger 36, where both are heated by heat exchange as described below. Air is supplied from the heat exchanger 36 to the burner 20 via a line 40, and fuel gas is supplied via a line 42. The products of combustion of the fuel gas and air produced in burner 20 travel in heat exchanger 18 in heat exchange with the nitrogen stream, and travel in heat exchanger 36 in heat exchange to supply air and fuel gas. To preheat. The products of combustion are discharged from heat exchanger 36 through outlet 46.

【0050】使用に際しては、入口10から流入してく
る窒素流は、タービン24での窒素流の膨張後の流出し
てゆく窒素流により熱交換器14で予熱され、そして次
にバーナー20での燃料ガスと空気との燃焼により熱交
換器18で更に加熱される。一般に、窒素は最初に、伝
熱が大部分は対流による帯域を進み、そして次に伝熱が
大部分は輻射によるバーナーの火炎に近い帯域へ移る。
In use, the nitrogen stream coming from the inlet 10 is preheated in the heat exchanger 14 by the outgoing nitrogen stream after expansion of the nitrogen stream in the turbine 24 and then in the burner 20. The fuel gas is further heated in the heat exchanger 18 by the combustion of the air. In general, the nitrogen first travels in a zone where heat transfer is predominantly by convection, and then in a zone where heat transfer is predominantly by radiant burner flame.

【0051】バーナーは一般に、低熱含量燃料ガスの燃
焼用に特に設計された種類のものでよい。それは、バー
ナーへの供給空気及び/又は供給燃料を燃焼プロセスに
より加熱された媒体により再生式に予熱する再生バーナ
ー(regenerative burner)でよ
い。あるいはまた、それは、ほかの気体、液体又は固体
燃料を燃焼させるために設計されたバーナーでもよい。
The burner may generally be of the type specifically designed for combustion of low heat content fuel gases. It may be a regenerative burner that regeneratively preheats the supply air and / or fuel to the burner with a medium heated by the combustion process. Alternatively, it may be a burner designed to burn other gas, liquid or solid fuels.

【0052】図2に示した別の装置においては、熱交換
器14は省かれていて、タービン24から出てくる膨張
した窒素ガス流はバーナーからの燃焼生成物と、適切に
は熱交換器18aの輻射帯域と対流帯域との間の箇所
で、混合される。次いで、窒素と混合されたこの燃焼生
成物は、熱交換器18aの別の領域を通過して、熱交換
器18aへ直接進む流入してくる窒素流を加熱する。
In the alternative arrangement shown in FIG. 2, the heat exchanger 14 is omitted and the expanded nitrogen gas stream emerging from the turbine 24 is combined with the combustion products from the burners and, suitably, the heat exchanger. Mixing occurs between the radiation and convection zones of 18a. This combustion product, mixed with the nitrogen, then passes through another area of the heat exchanger 18a to heat the incoming nitrogen stream that goes directly to the heat exchanger 18a.

【0053】図3に示した別の装置においては、タービ
ンから出てくる膨張した窒素ガス流を熱交換器18bの
上流でバーナーからの燃焼生成物と混合する。この態様
では、熱交換器18bに輻射部はなく、伝熱は主として
対流による。
In another arrangement shown in FIG. 3, the expanded nitrogen gas stream emerging from the turbine is mixed with the products of combustion from the burner upstream of heat exchanger 18b. In this embodiment, the heat exchanger 18b has no radiating portion, and heat transfer is mainly by convection.

【0054】図4は、第三のやり方でもってエネルギー
を膨張窒素流から回収する更に別の装置の態様を示して
いて、これには空気と燃料ガスの予熱がない。この態様
では、空気と燃料ガスをバーナー20へ直接供給する。
入口10から導入された窒素は管路12を通って、加熱
された水のための入口管路52を有する水飽和器50へ
進み、窒素流はこの水を通り抜けて飽和されたものにな
る。水は、飽和器50から管路54を通して取り出され
て水を循環させるポンプ56へ送られ、管路58を通過
して熱交換器60へ進んで、そこでバーナー20からの
燃焼生成物により加熱される。加熱された水は弁62を
通過して管路52へ進み、それにより飽和器50へ再導
入される。補給水を、ポンプ56の手前で管路64を経
由して導入する。
FIG. 4 shows yet another embodiment of an apparatus for recovering energy from an expanding nitrogen stream in a third manner, which does not have preheating of air and fuel gas. In this embodiment, air and fuel gas are supplied directly to the burner 20.
Nitrogen introduced from inlet 10 passes through line 12 to a water saturator 50 having an inlet line 52 for the heated water, through which the nitrogen stream becomes saturated. Water is withdrawn from saturator 50 through line 54 and sent to a pump 56 that circulates water and passes through line 58 to heat exchanger 60 where it is heated by the products of combustion from burner 20. You. The heated water passes through valve 62 to line 52, thereby being reintroduced into saturator 50. Make-up water is introduced via line 64 before the pump 56.

【0055】飽和した窒素は飽和器50から管路65を
通って出てきて、熱交換器14で膨張器の排気との熱交
換により加熱される。それは更に、熱交換器18で加熱
されてからタービン24で膨張させられ、そして次に膨
張した窒素流が熱交換器14の反対側に供給されて流入
してくる窒素流に更に熱を供給する。
The saturated nitrogen exits the saturator 50 through line 65 and is heated in the heat exchanger 14 by heat exchange with the exhaust of the expander. It is further heated in heat exchanger 18 and then expanded in turbine 24, and the expanded nitrogen stream is then fed to the opposite side of heat exchanger 14 to provide additional heat to the incoming nitrogen stream. .

【0056】[0056]

【実施例】図1に示した装置の代表的な運転パラメータ
ーを下記の表1に示し、また、図2と4に示した装置に
ついての代表的な運転パラメーターを下記の表2と表3
に示す。なお、これらの表中の圧力の単位barは10
5 パスカル(Pa)に相当する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Typical operating parameters of the apparatus shown in FIG. 1 are shown in Table 1 below, and typical operating parameters of the apparatus shown in FIGS. 2 and 4 are shown in Tables 2 and 3 below.
Shown in The unit of pressure bar in these tables is 10
It corresponds to 5 Pascal (Pa).

【0057】[0057]

【表1】 [Table 1]

【0058】[0058]

【表2】 [Table 2]

【0059】[0059]

【表3】 [Table 3]

【0060】〔例1〕図1に示した装置を使用する本発
明の運転の代表的な例においては、窒素を70℃で6b
ara(600kPa)の圧力で供給し、そして熱交換
器14において、400℃から122℃まで冷却される
タービンから出てくる窒素流との間接熱交換により35
0℃に加熱する。この予熱された窒素はバーナー20と
熱交換器18とを備えた加熱器の対流部へ入り、次に輻
射伝熱部に入って、700℃に加熱される。
EXAMPLE 1 In a typical example of the operation of the present invention using the apparatus shown in FIG.
ara (600 kPa) and 35 in heat exchanger 14 by indirect heat exchange with a nitrogen stream exiting the turbine cooled from 400 ° C. to 122 ° C.
Heat to 0 ° C. This preheated nitrogen enters the convection section of the heater with burner 20 and heat exchanger 18 and then enters the radiant heat transfer section where it is heated to 700 ° C.

【0061】次に、この高温窒素流を軸流タービン24
へ送って、そこで空気分離装置の空気圧縮機により必要
とされるエネルギーの一部を供給するために用いられる
軸動力を発生させる。
Next, the high-temperature nitrogen flow is transferred to the axial turbine 24.
To generate the shaft power used to supply some of the energy required by the air compressor of the air separation unit.

【0062】バーナーで用いられる燃料ガスは、4.4
MJ/Nm3 の真発熱量の燃料ガス、例えば高炉ガスで
あって、ことによっては燃焼を促進するため少量のコー
クス炉ガスか又は天然ガス、あるいはLPGと混合され
る。初めは両方とも20℃の燃料ガス流と燃焼空気流
は、バーナー20に入る前に熱交換器36で303℃に
予熱される。バーナーからの煙道ガスは120℃で熱交
換器36から出てきて、大気へ放出される。この装置に
おいて達成される性能は次のとおりである。
The fuel gas used in the burner is 4.4
A fuel gas with a true calorific value of MJ / Nm 3 , for example blast furnace gas, possibly mixed with a small amount of coke oven gas or natural gas or LPG to promote combustion. The fuel gas stream and the combustion air stream, both initially at 20 ° C., are preheated to 303 ° C. in heat exchanger 36 before entering burner 20. Flue gas from the burner exits the heat exchanger 36 at 120 ° C. and is released to the atmosphere. The performance achieved in this device is as follows.

【0063】窒素流量=4747.6kgmol/h 窒素入口圧力=6bara(600kPa) 窒素入口温度=700℃ 発生軸動力=12.2MW 燃料ガス発熱量(LHV)=15.83MWNitrogen flow rate = 4747.6 kgmol / h Nitrogen inlet pressure = 6 bara (600 kPa) Nitrogen inlet temperature = 700 ° C. Generation shaft power = 12.2 MW Fuel gas calorific value (LHV) = 15.83 MW

【0064】例示した上記の具体的態様を参照して本発
明を説明してはいるが、本発明の範囲内において本発明
の多くの変更や改変が可能であることを認識すべきであ
る。
Although the invention has been described with reference to the above illustrated specific embodiments, it should be recognized that many changes and modifications of the invention are possible within the scope of the invention.

【0065】例示した発明の利点は、断熱効率の高い膨
張器での窒素の膨張が高圧で利用可能である空気分離装
置の廃窒素から内部エネルギーを効率よく回収すること
である。膨張器により許容することができる最高の温度
まで窒素を予熱することは、製造される軸動力の量を最
大にする。窒素を最初は低圧の膨張器排気と熱交換し
て、二番目には火炎加熱の加熱器で、間接的に加熱する
ことにより、熱から軸エネルギーへの変換の効率が最大
限になる。これは、燃焼空気と燃料ガスを火炎加熱の加
熱器の煙道ガスとの熱交換で予熱することにより促進さ
れる。火炎加熱の加熱器を窒素の間接加熱手段とともに
使用することは、燃料ガス又は燃焼空気の圧縮が必要と
されず、かくしてプロセスの効率が最大限になることを
意味する。これは、高炉ガスといったような発熱量の非
常に小さい燃料を利用する場合に特に重要である。
An advantage of the illustrated invention is that the expansion of nitrogen in an expander with high adiabatic efficiency efficiently recovers internal energy from waste nitrogen in an air separation unit that is available at high pressure. Preheating the nitrogen to the highest temperature that can be tolerated by the expander maximizes the amount of shaft power produced. Heat exchange of nitrogen first with the low-pressure expander exhaust and secondly with a flame-heated heater maximizes the efficiency of heat-to-axial energy conversion by indirect heating. This is facilitated by preheating the combustion air and fuel gas with heat exchange with the flue gas of a flame heated heater. The use of a flame-heated heater with indirect nitrogen heating means that compression of the fuel gas or combustion air is not required, thus maximizing the efficiency of the process. This is particularly important when utilizing very low calorific value fuels such as blast furnace gas.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による第一の態様の概要説明図である。FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a first embodiment according to the present invention.

【図2】本発明による第二の態様の概要説明図である。FIG. 2 is a schematic explanatory view of a second embodiment according to the present invention.

【図3】本発明による第三の態様の概要説明図である。FIG. 3 is a schematic explanatory view of a third embodiment according to the present invention.

【図4】本発明による第四の態様の概要説明図である。FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of a fourth embodiment according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…窒素入口 14、18、18a、18b、36、60…熱交換器 20…燃焼バーナー 24…軸流タービン 30…空気入口 32…燃料ガス入口 50…飽和器 56…ポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Nitrogen inlet 14, 18, 18a, 18b, 36, 60 ... Heat exchanger 20 ... Combustion burner 24 ... Axial flow turbine 30 ... Air inlet 32 ... Fuel gas inlet 50 ... Saturator 56 ... Pump

フロントページの続き (72)発明者 アンソニー ナット ジェームズ トファ ム イギリス国,スレイ ケーティー12 2キ ューエー,ワルトン オン テムズ,マヨ ロード 30 (72)発明者 ロドニー ジョン アラム イギリス国,スレイ ジーユー2 5イー ユー,ギルドフォード,ギルダウン ロー ド 33,ウェステイカーContinuation of the front page (72) Inventor Anthony Nat James Topham, UK, Slay Katy 12 2 Queue, Walton on Thames, Mayo Road 30 (72) Inventor Rodney John Alam, UK, Slay GU 25 EE, Guild Ford, Gildown Road 33, Westerker

Claims (30)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 低温空気分離装置から得られる窒素に富
んだ高圧のガス流から仕事を得るための方法であって、
低温空気分離を行って窒素に富んだ高圧のガス流を製造
し、燃焼帯域へ燃料ガスを最高5bara(500kP
a)までの圧力で供給しあるいは液体又は固体燃料を供
給し、当該燃料を燃焼させ、この燃料の燃焼から得られ
た熱を使って上記の窒素に富んだ流れを間接的に加熱し
て窒素に富んだ加熱された高圧流を生じさせ、この窒素
に富んだ加熱された高圧流を膨張させて外部仕事を行わ
せ、そしてその窒素に富んだ流れを排出することを含
む、窒素に富んだ高圧ガス流から仕事を得るための方
法。
1. A method for obtaining work from a nitrogen-rich, high-pressure gas stream obtained from a cryogenic air separation unit, comprising:
A low-temperature air separation is performed to produce a nitrogen-rich, high-pressure gas stream and up to 5 bara (500 kP
a) supplying a liquid or solid fuel at a pressure up to a), burning said fuel, and indirectly heating said nitrogen-rich stream using the heat obtained from the combustion of said fuel to produce nitrogen Producing a heated, high-pressure stream rich in nitrogen, expanding the heated, high-pressure stream rich in nitrogen to perform external work, and discharging the nitrogen-rich stream, A way to get work from a high pressure gas stream.
【請求項2】 前記燃料が最高で3bara(300k
Pa)までの圧力で前記燃焼帯域へ供給される燃料ガス
である、請求項1記載の方法。
2. When the fuel has a maximum of 3 bara (300 k
2. The method according to claim 1, wherein the fuel gas is supplied to the combustion zone at a pressure up to Pa).
【請求項3】 前記燃料ガスの圧力が1.1〜2.5b
ara(110〜250kPa)である、請求項2記載
の方法。
3. The pressure of the fuel gas is 1.1 to 2.5 b.
3. The method according to claim 2, wherein the ara is from 110 to 250 kPa.
【請求項4】 前記燃料ガスの圧力が1.1〜1.2b
ara(110〜120kPa)である、請求項2記載
の方法。
4. The fuel gas has a pressure of 1.1 to 1.2 b.
3. The method of claim 2, wherein said ara is from 110 to 120 kPa.
【請求項5】 前記燃料ガスを熱含量が2.5〜16M
J/Nm3 である燃料ガスの供給源から少なくとも主と
して供給する、請求項1から4までのいずれか一つに記
載の方法。
5. The fuel gas having a heat content of 2.5 to 16M.
At least mainly supplied, The method according to any one of claims 1 to 4 from a source of fuel gas which is J / Nm 3.
【請求項6】 前記熱含量を有する燃料ガスが高炉から
の廃ガス、コレックス(COREX)の廃ガス、又は固
体燃料もしくは液体燃料の部分酸化からの合成ガスであ
る、請求項5記載の方法。
6. The method according to claim 5, wherein the fuel gas having a heat content is waste gas from a blast furnace, waste gas of COREX, or synthesis gas from partial oxidation of a solid or liquid fuel.
【請求項7】 前記ガスを圧縮せずに燃焼させる、請求
項6記載の方法。
7. The method of claim 6, wherein the gas is burned without compression.
【請求項8】 前記熱含量を有する燃料ガスを熱含量が
実質的により高いより少ない量のガスと混合する、請求
項6又は7記載の方法。
8. The method according to claim 6, wherein the fuel gas having a heat content is mixed with a smaller amount of gas having a substantially higher heat content.
【請求項9】 熱含量がより高い前記ガスがコークス炉
ガス、天然ガス又はLPGである、請求項8記載の方
法。
9. The method of claim 8, wherein the higher heat content gas is coke oven gas, natural gas, or LPG.
【請求項10】 前記熱含量が2.5〜16MJ/Nm
3 である前記燃料ガスの熱含量が2.5〜4MJ/Nm
3 であり、そしてこのガスを熱含量が実質的により高い
十分なガスと混合してその結果得られた混合物の熱含量
を4〜6MJ/Nm3 に上昇させる、請求項8又は9記
載の方法。
10. The heat content is 2.5 to 16 MJ / Nm.
3 , the fuel gas has a heat content of 2.5 to 4 MJ / Nm
3 a and and the gas heat content to raise the heat content of the resulting mixture is mixed with substantially higher sufficient gas to 4~6MJ / Nm 3, The method of claim 8 or 9, wherein .
【請求項11】 前記より少ない量が最高で前記熱含量
の高いガスを加える燃料ガスの熱含量を2倍にするのに
十分な量である、請求項8から10までのいずれか一つ
に記載の方法。
11. The method according to claim 8, wherein the lower amount is at most an amount sufficient to double the heat content of the fuel gas to which the higher heat content gas is added. The described method.
【請求項12】 前記燃料が天然ガス、LPG、燃料油
又は固体燃料である、請求項1から3までのいずれか一
つに記載の方法。
12. The method according to claim 1, wherein the fuel is natural gas, LPG, fuel oil or solid fuel.
【請求項13】 前記窒素に富んだ流れが窒素のほかに
前記空気分離装置からの少なくとも1種のその他のガス
を含有している、請求項1から12までのいずれか一つ
に記載の方法。
13. The method according to claim 1, wherein the nitrogen-rich stream contains, besides nitrogen, at least one other gas from the air separation unit. .
【請求項14】 前記窒素に富んだ加熱された高圧流の
膨張により得られる仕事を使用して前記空気分離装置に
おけるガスの圧縮に動力を供給する、請求項1から13
までのいずれか一つに記載の方法。
14. The process of claim 1, wherein the work obtained by expansion of the nitrogen-rich heated high pressure stream is used to power the compression of gas in the air separation unit.
The method according to any one of the above.
【請求項15】 前記空気分離装置で分離された酸素を
前記燃料を製造するプロセスへ供給する、請求項1から
14までのいずれか一つに記載の方法。
15. The method according to claim 1, wherein oxygen separated in the air separation device is supplied to a process for producing the fuel.
【請求項16】 前記加熱を行う工程の前において前記
窒素に富んだ流れが2〜20bara(200〜200
0kPa)の圧力である、請求項1から15までのいず
れか一つに記載の方法。
16. Prior to the step of performing the heating, the nitrogen-rich stream is provided with 2 to 20 bara (200 to 200 bara).
16. The method according to claim 1, wherein the pressure is 0 kPa).
【請求項17】 前記加熱を行う工程の前において前記
窒素に富んだ流れが2〜7bara(200〜700k
Pa)の圧力である、請求項16記載の方法。
17. The method according to claim 1, wherein the nitrogen-rich stream has a flow of 2 to 7 bara (200 to 700 k
17. The method according to claim 16, wherein the pressure is Pa).
【請求項18】 前記窒素に富んだ流れが前記膨張の前
において400〜1000℃の温度である、請求項1か
ら17までのいずれか一つに記載の方法。
18. The method according to claim 1, wherein the nitrogen-rich stream is at a temperature between 400 and 1000 ° C. before the expansion.
【請求項19】 前記窒素に富んだ流れが600〜80
0°Cの温度である、請求項18記載の方法。
19. The method according to claim 19, wherein the nitrogen-rich stream is between 600 and 80.
19. The method of claim 18, wherein the temperature is 0C.
【請求項20】 前記窒素に富んだ加熱された高圧流を
タービンで膨張させて前記外部仕事を行わせる、請求項
1から19までのいずれか一つに記載の方法。
20. The method according to any one of the preceding claims, wherein the nitrogen-rich heated high pressure stream is expanded in a turbine to perform the external work.
【請求項21】 前記膨張の工程において前記外部仕事
を行わせた後の窒素に富んだ流れに残っている熱を前記
窒素に富んだ高圧の流れに伝えてから、当該窒素に富ん
だ流れを前記燃料ガスの燃焼からの熱を使って加熱す
る、請求項1から20までのいずれか一つに記載の方
法。
21. Transferring heat remaining in the nitrogen-rich stream after performing the external work in the expansion step to the nitrogen-rich high-pressure stream, and then removing the nitrogen-rich stream. 21. The method according to any one of the preceding claims, wherein heating is performed using heat from the combustion of the fuel gas.
【請求項22】 前記燃料の燃焼から得られる動力が
0.75〜9kW/kg−molN2 /hである、請求
項1から21までのいずれか一つに記載の方法。
22. The method according to claim 1, wherein the power obtained from the combustion of the fuel is 0.75 to 9 kW / kg-mol N 2 / h.
【請求項23】 窒素に富んだ高圧流から仕事を得るた
めの装置であって、最高で5bara(500kPa)
までの圧力の可燃性燃料ガスの供給源(32)、又は液
体もしくは固体燃料の供給源と、当該燃料ガス又は当該
液体もしくは固体燃料を燃焼させるための手段(20)
と、上記の窒素に富んだ高圧流の供給源としての低温空
気分離装置と、燃焼する燃料からの熱を使用して上記の
窒素に富んだ流れを間接的に加熱して窒素に富んだ加熱
された高圧流を生じさせるための手段(18)と、この
窒素に富んだ加熱された高圧流を膨張させて外部仕事を
行わせるための手段(24)と、そして当該窒素に富ん
だ流れを当該装置から排出するための手段(28)とを
含む装置。
23. An apparatus for obtaining work from a nitrogen-rich high-pressure stream, comprising up to 5 bara (500 kPa).
A source of combustible fuel gas at a pressure of up to 32 or a source of liquid or solid fuel and means for burning said fuel gas or said liquid or solid fuel (20)
And a cryogenic air separation unit as a source of the nitrogen-rich high pressure stream, and indirectly heating the nitrogen-rich stream using heat from the burning fuel to heat the nitrogen-rich stream Means (18) for producing a regulated high-pressure stream, means (24) for expanding the nitrogen-rich heated high-pressure stream to perform external work, and Means (28) for discharging from said device.
【請求項24】 熱含量が実質的に4MJ/Nm3 より
大きいガスの別の供給源を更に含む、請求項23記載の
装置。
24. The apparatus of claim 23, further comprising another source of a gas having a heat content substantially greater than 4 MJ / Nm 3 .
【請求項25】 前記空気分離装置で分離するため供給
される空気を圧縮するための手段と、前記窒素に富んだ
加熱された高圧の流れの膨張により得られた仕事を当該
圧縮手段に動力を供給するために使用するための手段を
更に含む、請求項23又は24記載の装置。
25. A means for compressing the air supplied for separation in said air separation device and powering the work obtained by expansion of said nitrogen rich heated high pressure stream to said compression means. 25. Apparatus according to claim 23 or claim 24, further comprising means for using to supply.
【請求項26】 前記空気分離装置で分離された酸素を
前記燃料ガスを製造する装置へ供給する、請求項23か
ら25までのいずれか一つに記載の装置。
26. The apparatus according to claim 23, wherein the oxygen separated by the air separation apparatus is supplied to an apparatus for producing the fuel gas.
【請求項27】 前記窒素に富んだ加熱された高圧の流
れを膨張させるための前記手段(24)がタービンを含
む、請求項23から26までのいずれか一つに記載の装
置。
27. Apparatus according to any one of claims 23 to 26, wherein said means (24) for expanding said nitrogen-rich heated high pressure stream comprises a turbine.
【請求項28】 前記膨張の工程後に前記窒素に富んだ
流れからエネルギーを引き出し、そしてこのエネルギー
を流入してくる前記窒素に富んだ流れに伝えるための手
段(14)を含む、請求項23から27までのいずれか
一つに記載の装置。
28. The method according to claim 23, comprising means for extracting energy from the nitrogen-rich stream after the step of expanding and transferring this energy to the incoming nitrogen-rich stream. 28. The apparatus according to any one of the preceding claims.
【請求項29】 窒素に富んだ高圧の流れから仕事を得
る方法であって、燃料を燃焼帯域へ供給しこの燃料を燃
焼させて当該燃焼帯域において実質的に昇圧されていな
い排ガス流を作り、この燃焼で生じた熱を空気分離装置
から得られた窒素に富んだ高圧の流れに当該窒素に富ん
だ流れ及び排ガス流を混合することなく伝えてそれを加
熱し、それにより窒素に富んだ加熱された高圧流を作
り、この窒素に富んだ加熱された高圧流を膨張させて外
部仕事を行わせ、そして当該窒素に富んだ流れを排出す
ることを含む方法。
29. A method of obtaining work from a nitrogen-rich, high-pressure stream comprising feeding fuel to a combustion zone and burning the fuel to produce a substantially unpressurized exhaust gas stream in the combustion zone. The heat generated by this combustion is transferred to the nitrogen-rich high pressure stream obtained from the air separation unit without mixing the nitrogen-rich stream and the exhaust gas stream to heat it, thereby heating the nitrogen-rich heating. Producing a controlled high pressure stream, expanding the nitrogen rich heated high pressure stream to perform external work, and discharging the nitrogen rich stream.
【請求項30】 窒素に富んだ高圧の流れから仕事を得
るための装置であって、窒素に富んだ高圧のガス流を作
るための空気分離装置と、燃料を燃焼帯域へ供給するた
めの手段と、この燃焼帯域を画定し燃料を燃焼させて当
該燃焼帯域において実質的に昇圧されていない排ガス流
を作るための手段(20)と、この燃焼で生じた熱を上
記の窒素に富んだ流れに当該窒素に富んだ流れ及び排ガ
ス流を混合することなく伝えてそれを加熱し、それによ
り窒素に富んだ加熱された高圧流を作るための熱交換手
段(18)と、この窒素に富んだ加熱された高圧流を膨
張させて外部仕事を行わせるための手段(24)と、そ
して当該窒素に富んだ流れを当該装置から排出するため
の手段(28)とを含む装置。
30. An apparatus for obtaining work from a nitrogen-rich, high-pressure stream, comprising: an air separation unit for producing a nitrogen-rich, high-pressure gas stream; and means for supplying fuel to a combustion zone. Means for defining the combustion zone and burning the fuel to produce a substantially non-pressurized exhaust gas stream in the combustion zone; and transferring the heat generated by the combustion to the nitrogen-rich stream. Heat exchange means (18) for conveying the nitrogen-rich stream and the exhaust gas stream without mixing to heat it, thereby producing a nitrogen-rich heated high pressure stream; and An apparatus comprising: means (24) for expanding the heated high pressure stream to perform external work; and means (28) for discharging the nitrogen-rich stream from the apparatus.
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