(57)【要約】【課題】原料空気から酸素と窒素を分離する空気分離設備で発生する蒸気を回収し、その熱エネルギーを利用する空気分離設備の廃熱回収方法および空気分離設備の廃熱回収システムを提供する。【解決手段】通過する空気中の不純物を除去する吸着塔に、空気圧縮機で圧縮された原料空気を供給し、清浄するＭＳ吸着工程と、ＭＳ吸着工程で清浄された原料空気から窒素および酸素を精留し、分離する精留工程と、を有する空気分離設備の廃熱回収方法であって、空気分離設備から排出される窒素ガスの一部を排出経路中に配置される熱交換器に供給し、熱交換を行う熱交換工程と、熱交換器で窒素ガスを加熱して再生ガスを生成し、再生ガス供給経路に生成された再生ガスを流して吸着塔に供給する再生ガス供給工程と、熱交換器の出口側に設けたドレン供給経路に、再生ガスの生成で発生した蒸気ドレンを流して他の設備に供給するドレン供給工程と、を含み、発生した蒸気ドレンを回収し、熱源として利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過する空気中の不純物を除去する吸着塔に、空気圧縮機で圧縮された原料空気を供給し、清浄するＭＳ吸着工程と、
前記ＭＳ吸着工程で清浄された原料空気から窒素および酸素を精留し、分離する精留工程と、を有する空気分離設備の廃熱回収方法であって、
前記空気分離設備から排出される窒素ガスの一部を排出経路中に配置される熱交換器に供給し、熱交換を行う熱交換工程と、
前記熱交換器で窒素ガスを加熱して再生ガスを生成し、生成された前記再生ガスを再生ガス供給経路に流して前記吸着塔に供給する再生ガス供給工程と、
前記熱交換器の出口側に設けたドレン供給経路に、前記再生ガスの生成で発生した蒸気ドレンを流して他の設備に供給するドレン供給工程と、を含み、
発生した前記蒸気ドレンを回収し、熱源として利用することを特徴とする空気分離設備の廃熱回収方法。
【請求項２】
前記ドレン供給経路中に、蒸気で駆動するメカニカルポンプを配置して前記蒸気ドレンの回収を行うことを特徴とする請求項１に記載の空気分離設備の廃熱回収方法。
【請求項３】
前記他の設備が、タンクから供給される液体を前記蒸気ドレンで加熱する液体気化送給設備であることを特徴とする請求項１または２に記載の空気分離設備の廃熱回収方法。
【請求項４】
通過する空気中の不純物を除去する吸着塔を有し、空気圧縮機で圧縮された原料空気を前記吸着塔に供給して清浄するＭＳ吸着器と、
前記ＭＳ吸着器で清浄された原料空気から窒素および酸素を精留分離する精留塔と、を備える空気分離設備の廃熱回収システムであって、
前記空気分離設備から排出される窒素ガスの一部を供給する排出経路中に配置される熱交換器と、
前記熱交換器で加熱して生成された再生ガスを、前記吸着塔に供給する再生ガス供給経路と、
前記熱交換器の出口側に、前記再生ガスの生成により発生する蒸気ドレンを他の設備に供給するドレン供給経路と、を設け、
発生した前記蒸気ドレンを回収し、熱源として利用することを特徴とする空気分離設備の廃熱回収システム。
【請求項５】
前記ドレン供給経路中に、蒸気で駆動するメカニカルポンプを配置したことを特徴とする請求項４に記載の空気分離設備の廃熱回収システム。
【請求項６】
前記他の設備が、タンクから供給される液体を前記蒸気ドレンで加熱する液体気化送給設備であることを特徴とする請求項４または５に記載の空気分離設備の廃熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料空気から酸素と窒素を分離する空気分離設備で排出される廃蒸気を回収して、その熱エネルギーを利用する空気分離設備の廃熱回収方法および空気分離設備の廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所の高炉や転炉などの設備では、大量の酸素を消費する。このように大量の酸素を必要とする場所では、一般に、製鉄所内に酸素製造設備を設置し、酸素製造設備で生成した酸素を高炉等の設備に供給している。
【０００３】
この酸素製造設備の一つとして、沸点差を利用して空気を分離する深冷分離型の空気分離設備を用い、酸素を製造するものがある。例えば、特許文献１には、原料空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮されて昇温した原料空気を冷却する空冷又は水冷のアフタークーラーと、該アフタークーラーで冷却された原料空気中に含まれる不純物である水分および二酸化炭素を吸着除去する吸着器（以下、前処理設備とも称する場合がある。）と、該吸着器で精製された原料空気を冷却する空冷又は水冷の冷却器と、該冷却器で冷却された原料空気の深冷液化分離を行う空気分離部とを有する空気液化分離装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５６９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献１の技術は、空気液化分離装置の前処理設備で吸着除去した水分および二酸化炭素の不純物に、加熱した再生ガス（加熱ガス）を導入して前処理設備の加熱再生を行う再生工程を有する。しかしながら、この再生工程で必要とされる加熱ガスを得る際に発生する廃蒸気は、空気中に放出されるだけであり、有効に活用されていないため、エネルギー効率が悪かったという問題がある。
【０００６】
また、近年では、地球温暖化防止の観点より、より一層の省エネルギー化やＣＯ２排出削減が求められる。製鉄所等の施設においても、施設内で発生する廃蒸気などの熱エネルギーを回収し、鉄鋼製造プロセスのエネルギー源として再利用する新たな技術の開発も要求されている。
【０００７】
本発明は係る問題に鑑み、原料空気から酸素と窒素を分離する空気分離設備で発生する廃蒸気を回収し、その熱エネルギーを利用する空気分離設備の廃熱回収方法および空気分離設備の廃熱回収システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意検討した結果、空気分離設備から排出される窒素ガスの一部を加熱する際に発生する廃蒸気を回収し、その熱エネルギーを他の設備に供給することで、上記した目的を達成できることを見出した。
【０００９】
本発明は上述の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。
［１］  通過する空気中の不純物を除去する吸着塔に、空気圧縮機で圧縮された原料空気を供給し、清浄するＭＳ吸着工程と、
前記ＭＳ吸着工程で清浄された原料空気から窒素および酸素を精留し、分離する精留工程と、を有する空気分離設備の廃熱回収方法であって、
前記空気分離設備から排出される窒素ガスの一部を排出経路中に配置される熱交換器に供給し、熱交換を行う熱交換工程と、
前記熱交換器で窒素ガスを加熱して再生ガスを生成し、生成された前記再生ガスを再生ガス供給経路に流して前記吸着塔に供給する再生ガス供給工程と、
前記熱交換器の出口側に設けたドレン供給経路に、前記再生ガスの生成で発生した蒸気ドレンを流して他の設備に供給するドレン供給工程と、を含み、
発生した前記蒸気ドレンを回収し、熱源として利用することを特徴とする空気分離設備の廃熱回収方法。
［２］  前記ドレン供給経路中に、蒸気で駆動するメカニカルポンプを配置して前記蒸気ドレンの回収を行うことを特徴とする［１］に記載の空気分離設備の廃熱回収方法。
［３］  前記他の設備が、タンクから供給される液体を前記蒸気ドレンで加熱する液体気化送給設備であることを特徴とする［１］または［２］に記載の空気分離設備の廃熱回収方法。
［４］  通過する空気中の不純物を除去する吸着塔を有し、空気圧縮機で圧縮された原料空気を前記吸着塔に供給して清浄するＭＳ吸着器と、
前記ＭＳ吸着器で清浄された原料空気から窒素および酸素を精留分離する精留塔と、を備える空気分離設備の廃熱回収システムであって、
前記空気分離設備から排出される窒素ガスの一部を供給する排出経路中に配置される熱交換器と、
前記熱交換器で加熱して生成された再生ガスを、前記吸着塔に供給する再生ガス供給経路と、
前記熱交換器の出口側に、前記再生ガスの生成により発生する蒸気ドレンを他の設備に供給するドレン供給経路と、を設け、
発生した前記蒸気ドレンを回収し、熱源として利用することを特徴とする空気分離設備の廃熱回収システム。
［５］  前記ドレン供給経路中に、蒸気で駆動するメカニカルポンプを配置したことを特徴とする［４］に記載の空気分離設備の廃熱回収システム。
［６］  前記他の設備が、タンクから供給される液体を前記蒸気ドレンで加熱する液体気化送給設備であることを特徴とする［４］または［５］に記載の空気分離設備の廃熱回収システム。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鉄鋼製造プロセスで使用される設備が空気中に排出していた廃蒸気を効率的に回収し、その熱エネルギーを有効に利用できるため、エネルギー効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態における空気分離設備の廃熱回収システムを説明する構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態における空気分離設備の廃熱回収方法を説明するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について詳細に説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
まず、図１を参照して、本発明の空気分離設備の廃熱回収システムについて説明する。図１には、本発明の一実施形態における空気分離設備の廃熱回収システム（以下、廃熱回収システムと称する）の構成図を示す。ここでは、一例として、製鉄所の高炉や転炉等の設備に供給する酸素を製造する酸素製造設備に本発明の廃熱回収システムを適用する場合について説明する。図１では「他の設備５」として、例えば液体気化送給設備を示す。液体気化送給設備とは、貯留した液体酸素を熱交換して気体酸素として送給を行う設備である。
【００１４】
本発明は、通過する空気中の不純物を除去する吸着塔を有し、空気圧縮機で圧縮された原料空気を吸着塔に供給して清浄するＭＳ吸着器と、ＭＳ吸着器で清浄された原料空気から窒素および酸素を精留分離する精留塔と、を備える空気分離設備の廃熱回収システムである。本発明の廃熱回収システムでは、空気分離設備から排出される窒素ガスの一部を供給する排出経路中に配置される熱交換器と、熱交換器で加熱して生成された再生ガスを、吸着塔に供給する再生ガス供給経路と、熱交換器の出口側に、再生ガスの生成により発生する蒸気ドレンを他の設備に供給するドレン供給経路と、を設けることにより、発生した蒸気ドレンを回収し、熱源として利用するものである。
【００１５】
図１に示すように、空気分離設備１は、空気圧縮器１０、ＭＳ吸着器１１、精留塔１２、および図示しない制御装置を備える。また、空気分離設備１の廃熱回収システムとして、ＭＳ吸着器１１の再生の処理に用いる再生ガスを生成する熱交換器２および再生ガス供給経路３と、発生する蒸気ドレンを他の設備に供給するドレン供給経路４が設けられる。
【００１６】
空気圧縮器１０では、フィルタを介して取り込んだ空気を圧縮した後、アフタークーラーなどの冷却器（図示せず）で冷却し、原料空気としてＭＳ吸着器１１へ供給する。
【００１７】
ＭＳ吸着器１１では、空気圧縮機１０より供給された圧縮した原料空気を吸着塔へ供給し、清浄する。吸着塔では、通過する原料空気中の水および炭化水素、二酸化炭素などの不純物を、吸着剤に吸着させて除去する。清浄した原料空気は、ＭＳ吸着器１１の出口側に設けた熱交換器（図示せず）で露点付近まで冷却した後、精留塔１２へ供給する。
【００１８】
図１に示す例では、２つの吸着塔１１ａ、１１ｂを配置し、これらを交互に切り替えて使用する。具体的には、一方の吸着塔（例えば、図１の吸着塔１１ａ）を使用して上記した不純物の吸着除去を行っている間、他方の吸着塔（例えば、図１の吸着塔１１ｂ）を再生する。この再生の処理では、後述する再生ガスを対象の吸着塔に供給して、使用済の吸着剤の再生を行う。このように交互に切り替えて吸着塔１１ａ、１１ｂを使用することにより、連続して原料空気の清浄を行うことが可能となる。なお、吸着塔は３つ以上を切り替えて使用してもよい。
【００１９】
精留塔１２では、ＭＳ吸着器１１より供給された洗浄した原料空気をさらに冷却（深冷）し、液化温度の差を利用して窒素、酸素およびアルゴンに精留分離する。精留塔１２で分離された酸素（製品酸素）や窒素（製品窒素）は、各製品ガス送給経路を経由して使用先の工場、例えば酸素の場合には高炉および転炉等の使用先工場へ供給される。
【００２０】
図１に示す例では、精留塔１２は、上塔１２ａ、下塔１２ｂおよび主凝縮器１２ｃを有する。
【００２１】
上記した清浄後に露点付近まで冷却した原料空気は、下塔１２ｂの底部へ導入される。下塔１２ｂは、導入された原料空気を精留して、窒素ガスと酸素に富む液化空気（以下、酸素富化液化空気と称する）とに分離する。窒素ガスは下塔１２ｂの頂部に溜まり、酸素富化液化空気は下塔１２ｂの底部に溜まる。窒素ガスは、主凝縮器１２ｃで凝縮されて液化窒素となり、液化窒素の一部は、図示しない配管等を介して上塔１２ａの上段に環流液として導入される。下塔１２ｂの底部にある酸素富化液化空気の一部は、図示しない配管塔を介して上塔１２ａの中段に気液混合状態で導入される。
【００２２】
上塔１２ａ内では、導入された液化窒素および酸素富化液化空気の下降および上昇により精留され、酸素および窒素の分離が行われる。窒素ガス（製品窒素）は上塔１２ａの上部に溜まり、酸素ガス（製品酸素）は上塔１２ａの下部に溜まる。窒素ガスは、上塔１２ａの上部に設けた図示しない窒素抽出管を介して熱交換器に送られ、常温まで昇温される。酸素ガスは、上塔１２ａの下部に設けた図示しない酸素抽出管を介して熱交換器に送られ、常温まで昇温される。この熱交換後の製品窒素および製品酸素は、各製品ガス送給経路により製鉄所内の使用先工場へ供給される。
【００２３】
なお、上塔１２ａに溜まる窒素ガスの純度は、上塔１２ａの上部に近づくほど高い。そこで、本発明では、上塔１２ａの窒素抽出管の下方側に、製品窒素より純度の低い窒素（廃窒素）を取り出して排出する排出経路１３を設け、抽出した廃窒素を排出経路１３で供給することによりＭＳ吸着器１１の再生の処理に用いる。
【００２４】
熱交換器２では、ＭＳ吸着器１１の再生に用いる再生ガスを生成する。熱交換器２は、排出経路１３中に配置される。空気分離設備１から排出される窒素ガスの一部、すなわち精留塔１２の上塔１２ａから抽出する廃窒素は、排出経路１３を介して熱交換器２に供給され、加熱して再生ガスとなる。生成された再生ガスは、再生ガス供給経路３を経由して再生処理を行う吸着塔に供給され、使用済の吸着剤に吸着した二酸化炭素や水分を除去する。
【００２５】
図１に示す例では、再生ガス供給経路３により吸着塔１１ｂに再生ガスを供給し、使用済の吸着剤に吸着した二酸化炭素や水分を除去する再生を行う。なお、上記した吸着塔１１ａ、１１ｂを交互に切り替えるタイミングで、再生ガス供給経路３も交互に切り替えを行い、再生ガスの供給と停止を行なえばよい。
【００２６】
ドレン供給経路４では、再生ガスの生成により発生した蒸気ドレンを回収するとともに、経路内に蒸気ドレンを流して他の設備へ供給を行う。ドレン供給経路４は、蒸気ドレン（廃蒸気）が廃出される熱交換器２の出口側に設ける。なお、蒸気ドレンを効率的に回収するために、ドレン供給経路４中に蒸気で駆動するメカニカルポンプ４ａを配置することが好ましい。メカニカルポンプに替えて、例えば配管のみの輸送も使用することができる。
【００２７】
図１に示す例では、蒸気ドレンをメカニカルポンプ４ａで回収し、ドレン供給経路４により液体気化送給設備５の温水槽へ供給する。これにより、蒸気ドレンを液体気化送給設備２の熱源として再利用することが可能となる。
【００２８】
なお、本発明の廃熱回収システムは、図示しない制御装置を設けてもよい。制御装置は、例えばＣＰＵやメモリなどを備えたコンピュータにより構成され、各装置や機器の制御を行うことができる。例えば、廃熱回収量を監視することにより温水槽への本来の熱源供給量を制御するようにしてもよい。
【００２９】
次に、図２を参照して、本発明の空気分離設備の廃熱回収方法について説明する。図２には、本発明の一実施形態における空気分離設備の廃熱回収方法（以下、廃熱回収方法と称する）のフロー図を示す。本発明の廃熱回収方法は、例えば上述した図１の構成を有する廃熱回収システムに好適に用いることができる。以下には、図１の廃熱回収システムに本発明の廃熱回収方法を適用した場合について説明する。
【００３０】
本発明の廃熱回収方法は、空気圧縮機１０、ＭＳ吸着器１１、精留塔１２、熱交換器２、再生ガス供給経路３、ドレン供給経路４、および図示しない開閉弁や機器などを制御する処理装置により実行される。なお、各機器等の説明は、上述と同様のため省略する。
【００３１】
図２に示すように、まず、ＭＳ吸着工程では、フィルタを介して取り込んだ空気を空気圧縮機１０で圧縮した後、圧縮された原料空気をＭＳ吸着器１１の吸着塔１１ａ、１１ｂに供給し、清浄する（ステップｓ１）。吸着塔１１ａ、１１ｂでは、通過する空気中の不純物の除去を行う。上述のように、２つの吸着塔１１ａ、１１ｂは交互に切り替え使用する。ＭＳ吸着工程は、ＭＳ吸着器１１で清浄した原料空気を、図示しない熱交換器で露点付近まで冷却した後、精留塔１２に供給する。
【００３２】
次に、精留工程では、精留塔１２に供給された清浄した原料空気をさらに冷却（深冷）した後、液化温度の差を利用して窒素および酸素を精留し、分離する（ステップｓ２）。精留工程は、精留塔１２で分離した酸素（製品酸素）や窒素（製品窒素）を各製品ガス送給経路に送り出し、使用先の工場へ供給する。
【００３３】
次に、熱交換工程では、空気分離設備１から排出される窒素ガスの一部を抽出し、排出経路１３中に配置される熱交換器２に供給して熱交換を行う（ステップｓ３）。抽出された窒素ガス（廃窒素ガス）は熱交換器２により加熱され、再生ガスが生成される。再生ガスは再生ガス供給経路３に供給される。
【００３４】
その後、再生ガス供給工程により、供給された再生ガスを再生ガス供給経路３に流して吸着塔に供給する（ステップｓ４）。再生の処理を行う吸着塔は、再生ガスにより使用済の吸着剤に吸着した二酸化炭素や水分を除去する。なお、図１に示す例では、吸着塔１１ｂが再生の処理を行う。
【００３５】
次に、ドレン供給工程では、上記ステップｓ３における再生ガスの生成で発生した蒸気ドレン（廃蒸気）を、ドレン供給経路４に流して他の設備５（ここでは、液体気化送給設備）へ供給する（ステップｓ５）。ドレン供給経路４は、蒸気ドレンが廃出される熱交換器２の出口側に設けられる。なお、蒸気ドレンを効率的に回収するために、上記したメカニカルポンプ４ａを設けてもよい。
【００３６】
なお、上記の通り、図示しない制御装置で熱源供給量等の制御を行うことができる。例えば、熱源供給量の制御を行う場合には、ステップｓ５の後で行えばよい。
【００３７】
以上に説明した各処理は、空気分離設備を稼働中繰り返される。空気分離設備の稼働で発生した蒸気ドレンを効果的に回収することにより、熱源として利用することができる。すなわち、本発明によれば、廃熱エネルギーを利用することで、蒸気使用量が低減されるので、エネルギー効率を向上できる。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
【００３９】
製鉄所内の液体気化送給設備２では、温水槽に蒸気を供給して加熱し、温水を介して液化ガスを気化させて、使用先工場へ供給している。この時に供給される蒸気は、一般に、ボイラーを用いて生成する。
【００４０】
本発明例として、上記した構成を有する酸素製造工場に本発明の廃熱回収システムおよび方法を適用して、４つの設備で操業を行った。空気分離設備１から回収した蒸気ドレンの熱源は、ドレン供給経路４を介して液体気化送給設備５の温水槽へ供給した。すなわち、温水槽の加熱には、通常供給されるボイラーで生成した蒸気に加えて、空気分離設備１から供給される蒸気ドレン（廃蒸気）も用いた。この時に使用した各設備（Ａ号機〜Ｄ号機）における蒸気ドレン量を表１に示す。
【００４１】
なお、操業における温度条件は、回収する蒸気ドレンの温度を６０〜１００℃、液体気化送給設備５に供給される液化ガスの温度を約−２００℃、温水槽内の温度を６０℃、液体気化送給設備５から使用先工場へ供給される製品ガスの温度を約１０〜２５℃とした。
【００４２】
一方、従来例として、上記構成の廃熱回収システムを有さない従来の設備を用いて操業を行った。液体気化送給設備５の温水槽の加熱には、通常供給されるボイラーで生成した蒸気のみを用いた。なお、その他の条件は本発明例と同じとした。この時に使用した従来の設備（Ｘ号機）における蒸気ドレン量を表１に示す。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
表１より、従来例の場合には廃蒸気の使用量がゼロであったのに対し、本発明例の場合にはＡ号：１．３ｔ／ｈ、Ｂ号：１．５ｔ／ｈ、Ｃ号：１．５ｔ／ｈ、Ｄ号：１．５ｔ／ｈであった。本発明によれば、液体気化送給器の蒸気使用量が平均して０．０４ｔ／ｈ削減したため、従来例と比較してエネルギー効率が５％上昇した。これにより、廃蒸気ドレン１.０ｔ／ｈ以上を有効活用できることが分かった。また、蒸気使用量の低減により約８百万円のコスト削減効果も得られた。
【符号の説明】
【００４５】
１                空気分離設備
１０              空気圧縮機
１１              ＭＳ吸着器
１１ａ、１１ｂ    吸着塔
１２              精留塔
１２ａ            上塔
１２ｂ            下塔
１２ｃ            主凝縮器
１３              排出経路
２                熱交換器
３                再生ガス供給経路
４                ドレン供給経路
５                他の設備
【図１】
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【図２】
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