(57)【要約】      （修正有）【課題】装置の起動時における電力ロスを低減させる空気分離設備を提供する。【解決手段】空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機１１と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器１５１と、液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔１５２とを備えた第１の空気分離装置１および第２の空気分離装置２と、第１の空気分離装置または第２の空気分離装置の原料空気圧縮機２１から供給された原料空気を乾燥させてコールドボックスに供給する乾燥器３１とを備えた空気分離設備の起動方法で、第１の空気分離装置を稼動した状態で、第２の空気分離装置の起動する際に、第２の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、起動中の第１の空気分離装置の原料空気圧縮機からの原料空気から二酸化炭素および水を除去したものを、第２の空気分離装置の熱交換器２５１、精留塔２５２、および配管系統に通気させて含まれている水および二酸化炭素を排出する。【選択図】図２
2015190718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第１の空気分離装置および第２の空気分離装置と、
第１の空気分離装置または第２の空気分離装置の原料空気圧縮機から供給された原料空気を乾燥させて、第１の空気分離装置または第２の空気分離装置の熱交換器に供給する乾燥器と、を備えた空気分離設備の起動方法であって、
第１の空気分離装置を稼動した状態で、第２の空気分離装置の起動する際に、
第２の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、起動中の第１の空気分離装置の原料空気圧縮機から抜き取った原料空気から水および二酸化炭素を除去したものを、第２の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出する空気分離設備の起動方法。
【請求項２】
空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第１の空気分離装置および第２の空気分離装置とを備えた空気分離設備の起動方法であって、
第１の空気分離装置を稼動した状態で、第２の空気分離装置の起動する際に、
第２の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、起動中の第１の空気分離装置によって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を、第２の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出する空気分離設備の起動方法。
【請求項３】
空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第１の空気分離装置および第２の空気分離装置と、
入側が、第１調節弁を介して第１の空気分離装置の原料空気圧縮機に接続されると共に、第２調節弁を介して第２の空気分離装置の原料空気圧縮機に接続され、出側が、第３調節弁を介して第１の空気分離装置の熱交換器に接続されると共に、第４調節弁を介して第２の空気分離装置の熱交換器に接続された乾燥器とを備える空気分離設備。
【請求項４】
空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第１の空気分離装置および第２の空気分離装置と、
第１の空気分離装置および第２の空気分離装置のいずれかによって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を、他方の第１の空気分離装置または第２の空気分離装置の熱交換器に供給する配管を備える空気分離設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気分離設備および空気分離設備の起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気分離装置は、空気を圧縮した原料空気を冷却して液体空気とし、沸点の違いを用いて酸素、窒素、またはさらに、アルゴンに分離する。
【０００３】
図１は、従来の空気分離装置の起動時の状態を示す図である。空気分離装置は、空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機１１と、原料空気圧縮機１１から供給された原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器１５１と、熱交換器１５１から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔１５２を備えている。熱交換器１５１と精留塔１５２は、保冷槽であるコールドボックス１５に収容されている。
【０００４】
熱交換器１５１は、２基１組となっており、稼動時においては、原料空気の冷却と、分離された低温の酸素および窒素の気化とを一定時間毎に交互に行うことで、連続的に処理を行っている。
【０００５】
冷却時には、常温の原料空気が充填される。原料空気は、蓄冷体により冷却されて液体空気となる。液体空気は、精留塔１５２に供給され、酸素および窒素が精製分離される。
【０００６】
再生時では、精留塔１５２によって分離された低温の酸素および窒素が充填され、低温の酸素および窒素が常温まで昇温される。
【０００７】
また、熱交換器１５１では、冷却と再生を交互に繰り返す中で、原料空気に含まれる水と二酸化炭素を除去する。具体的には、冷却時に、原料空気に含まれる水と二酸化炭素を蓄冷体の表面に析出させる。そして、冷却時と再生時の間に、分離精製昇温された窒素の一部を、排ガスとして熱交換器１５１に通すことで、表面析出した水と二酸化炭素を昇華させて外部に排出する。
【０００８】
空気分離装置の起動時（稼動前）では、コールドボックス１５内に大気が浸入する。大気には、水と二酸化炭素が含まれるため、除去せずに空気分離装置を起動した場合には、それらが凍る。そのため、空気分離装置の起動時では、熱交換器１５１内の気体に含まれる水と二酸化炭素を除去する必要がある。しかしながら、空気分離装置の起動時では、分離精製された窒素等が存在せず、熱交換器１５１内の気体に含まれる水と二酸化炭素を排出することができない。そこで、従来では、空気分離装置の起動時においては、原料空気圧縮機１１から供給される原料空気を、脱水および脱炭機能を有する乾燥器９を介して熱交換器１５１に供給し、熱交換器１５１内の大気に含まれる水と二酸化炭素を排出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１９９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の空気分離装置では、乾燥器の能力、熱源などの制約により、起動時に、原料空気圧縮機１１より供給される原料空気の一部しか熱交換器１５１に供給することができず、残りの原料空気は、排気口１２から放風されることとなる。原料空気圧縮機１１は、空気分離装置の中でも大きな電力を要しており、放風された原料空気の分は電力ロスとなる。
【００１１】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、空気分離装置の起動時における電力ロスを低減させることができる空気分離設備および空気分離装置の起動方法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】
【００１２】
本発明は、上記のような目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］  空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第１の空気分離装置および第２の空気分離装置と、
第１の空気分離装置または第２の空気分離装置の原料空気圧縮機から供給された原料空気を乾燥させて、第１の空気分離装置または第２の空気分離装置の熱交換器に供給する乾燥器と、を備えた空気分離設備の起動方法であって、
第１の空気分離装置を稼動した状態で、第２の空気分離装置の起動する際に、
第２の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、起動中の第１の空気分離装置の原料空気圧縮機から抜き取った原料空気から水および二酸化炭素を除去したものを、第２の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出する空気分離設備の起動方法。
［２］  空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第１の空気分離装置および第２の空気分離装置とを備えた空気分離設備の起動方法であって、
第１の空気分離装置を稼動した状態で、第２の空気分離装置の起動する際に、
第２の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、起動中の第１の空気分離装置によって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を、第２の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出する空気分離設備の起動方法。
［３］  空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第１の空気分離装置および第２の空気分離装置と、
入側が、第１調節弁を介して第１の空気分離装置の原料空気圧縮機に接続されると共に、第２調節弁を介して第２の空気分離装置の原料空気圧縮機に接続され、出側が、第３調節弁を介して第１の空気分離装置の熱交換器に接続されると共に、第４調節弁を介して第２の空気分離装置の熱交換器に接続された乾燥器とを備える空気分離設備。
［４］  空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第１の空気分離装置および第２の空気分離装置と、
第１の空気分離装置および第２の空気分離装置のいずれかによって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を、他方の第１の空気分離装置または第２の空気分離装置の熱交換器に供給する配管を備える空気分離設備。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、空気分離装置の起動時における電力ロスを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の空気分離装置の起動時の状態を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る空気分離設備の起動時の状態を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る空気分離設備の起動時の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
製鉄所などの工場においては、空気分離装置が複数設置されている。本発明は、複数の空気分離装置を備えた空気分離設備において、２以上の空気分離装置を連携させることで、１つの空気分離装置の起動時の電力ロスを低減させるものである。
【００１７】
［実施の形態１］
図２は、本発明の実施の形態１に係る空気分離設備の構成を示す図である。実施の形態１に係る空気分離設備は、第１の空気分離装置１、第２の空気分離装置２、乾燥器３１、酸素圧縮機３２、窒素圧縮機３３を有している。乾燥器３１、酸素圧縮機３２、窒素圧縮機３３は、第１の空気分離装置１と第２の空気分離装置２によって共有されている。
【００１８】
第１の空気分離装置１は、空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機１１と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器１５１と、熱交換器１５１から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔１５２を備えている。熱交換器１５１および精留塔１５２は、保冷槽であるコールドボックス１５に収容されている。
【００１９】
第２の空気分離装置２は、空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機２１と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器２５１と、熱交換器２５１から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔２５２を備えている。熱交換器２５１および精留塔２５２は、コールドボックス２５に収容されている。
【００２０】
第１の空気分離装置１のコールドボックス１５と第２の空気分離装置２のコールドボックス２５の出側には、酸素圧縮機３２、窒素圧縮機３３がそれぞれ接続されている。
【００２１】
乾燥器３１は、水および二酸化炭素を除去することができるシリカゲル乾燥器である。
【００２２】
乾燥器３１の入側は、調節弁１０を介して第１の空気分離装置１の原料空気圧縮機１１に接続されると共に、調節弁２０を介して第２の空気分離装置２の原料空気圧縮機２１に接続されている。調節弁１０には、流量計１３が設けられ、調節弁２０には、流量計２３が設けられている。
【００２３】
また、乾燥器３１の出側は、調節弁１７を介して第１の空気分離装置１のコールドボックス１５の熱交換器１５１に接続されると共に、調節弁２７を介して第２の空気分離装置２のコールドボックス２５の熱交換器２５１に接続されている。
【００２４】
次に、このように構成された実施の形態１に係る空気分離設備の動作について説明する。この説明では、第１の空気分離装置１が稼動中であり、第２の空気分離装置２が起動する場合の動作について説明する。
【００２５】
第１の空気分離装置１では、原料空気圧縮機１１からコールドボックス１５の熱交換器１５１に原料空気が供給され、精留塔１５２において酸素と窒素が分離精製されている。
【００２６】
精留塔１５２において分離精製された酸素は、熱交換器１５１によって昇温された後、酸素圧縮機３２によって圧縮され、酸素ガスとして排出される。同様に、精留塔１５２において分離精製された窒素は、熱交換器１５１によって昇温された後、窒素圧縮機３３によって圧縮され、窒素ガスとして排出される。
【００２７】
第２の空気分離装置２の起動時には、熱交換器２５１内に浸入した外気に、水と二酸化炭素が含まれるため、水と二酸化炭素を含まない気体を熱交換器２５１に通気させて、水と二酸化炭素を排出させる必要がある（以下、この処理を加熱という）。実施の形態１では、この水と二酸化炭素を含まない気体として、稼働中の第１の空気分離装置１より抜き取った原料空気を、水を二酸化炭素を除去する機能を有する乾燥器３１を介して第２の空気分離装置２の熱交換機２５１、精留塔１５２、および配管系統に供給する。
【００２８】
第２の空気分離装置２の起動時では、原料空気圧縮機２１を停止した状態とする。そして、調節弁２４を閉じて、第２の空気分離装置２の原料空気圧縮機２１からの圧縮空気の供給経路を閉じる。調節弁１０、２７を開いて、稼働中の第１の空気分離装置１より原料空気を抜取り、乾燥器３１にて原料空気の水および二酸化炭素を除去する。このとき、第１の空気分離装置１より抜き取る原料空気の量は、乾燥器３１の能力の範囲内とする。その後、水および二酸化炭素を除去した原料空気を、起動中の第２の空気分離装置２の熱交換器２５１へ供給する。
【００２９】
第２の空気分離装置２の熱交換器２５１の加熱が終了したら、調節弁１０、２７を閉じて、調節弁２４を開く。そして、原料空気圧縮機２１を起動し、原料空気圧縮機２１から熱交換器２５１に原料空気を供給する。これにより、第２の空気分離装置２が稼動する。
【００３０】
実施の形態１に係る空気分離設備および空気分離設備の起動方法によれば、起動中の第２の空気分離装置２に対して、乾燥器３１の定格流量を超えない範囲で、第１の空気分離装置１から原料空気を供給する。そのため、従来のように排出口２２からの放風は発生せず、電力ロスを低減させることができる。ただし、実施の形態１では、原料空気を供給する側の第１の空気分離装置１の窒素および酸素の精製量が低下することとなる。
【００３１】
なお、上述の説明では、稼働中の第１の空気分離装置１から、起動中の第２の空気分離装置２に原料空気を供給したが、稼働中の第２の空気分離装置２から、起動中の第１の空気分離装置１に原料空気を供給するようにしてもよい。
【００３２】
また、上述では、２つの空気分離装置を連携させた例について説明したが、本発明は、３以上の空気分離装置に適用してもよい。
【００３３】
また、上述では、乾燥器３１が水および二酸化炭素を除去する機能を有しているとして説明したが、水を除去する装置と二酸化炭素を除去する装置をそれぞれ設け、稼働中の第１の空気分離装置１から抜き取った原料空気を、水を除去する装置と二酸化炭素を除去する装置を介して、起動中の第２の空気分離装置２に供給するようにしてもよい。
【００３４】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る空気分離設備の構成を示す図である。実施の形態２に係る空気分離設備は、実施の形態１と同様に、第１の空気分離装置１、第２の空気分離装置２を備えている。
【００３５】
実施の形態１との差異は、実施の形態２では、窒素圧縮機３３の出側から、調節弁３４を介して第２の空気分離装置２の入側に接続された配管が設けられている点にある。また、調節弁３４には、流量計３５が設けられている。
【００３６】
図３では、第１の空気分離装置１と第２の空気分離装置２によって共有された乾燥器３１が図示されているが、実施の形態２においては、乾燥器３１は設置してもしなくてもよい。なお、他の構成要素については、実施の形態１と略同様であるため、同一符号を付すことによりその説明を省略する。
【００３７】
次に、このように構成された実施の形態２に係る空気分離設備の動作について説明する。ここでは、第１の空気分離装置１が稼動中であり、第２の空気分離装置２が起動する場合の動作について説明する。
【００３８】
第１の空気分離装置１では、原料空気圧縮機１１からコールドボックス１５内の熱交換器１５１に原料空気が供給され、精留塔１５２において酸素と窒素が分離精製されている。
【００３９】
精留塔１５２において分離精製された酸素は、熱交換器１５１によって昇温された後、酸素圧縮機３２によって圧縮され、酸素ガスとして排出される。同様に、熱交換器１５１において分離精製された窒素は、熱交換器１５１によって昇温された後、窒素圧縮機３３によって圧縮され、窒素ガスとして排出される。
【００４０】
第２の空気分離装置２の起動時には、原料空気圧縮機２１を停止した状態とする。そして、調節弁２４を閉じて、第２の空気分離装置２の原料空気圧縮機２１からの圧縮空気の供給経路を閉じる。なお、実施の形態２では、乾燥器３１による乾燥は不要であるため、調節弁１０、２０、１７、２７は閉じた状態とする。
【００４１】
そして、調節弁３４を開いて、窒素圧縮機３３より昇圧された窒素ガスを起動中の第２の空気分離装置２の熱交換機２５１、精留塔１５２、および配管系統へ供給する。第２の空気分離装置２の加熱が終了したら、調節弁３４を閉じる。第２の空気分離装置２の原料空気圧縮機２１を起動し、調節弁２４を開き、第２の空気分離装置２を起動状態とする。
【００４２】
実施の形態２では、起動時の第２の空気分離装置２の熱交換器２５１の加熱を、乾燥した原料空気から生成された窒素ガスを熱交換器２５１に通気させることにより行う。これによって、実施の形態１と同様に、第２の空気分離装置２の起動時の電力ロスを低減させることができる。
【００４３】
なお、稼動中の第１の空気分離装置１から第２の空気分離装置２に供給する気体は、酸素圧縮機３２から精製された酸素ガスでもよいが、製鉄所において需要が高いのは、酸素であり、窒素は副産物として余剰傾向にあるため、酸素需給の逼迫した状況でも供給が可能な窒素ガスを用いることが好ましい。
【００４４】
また、上述の説明では、稼働中の第１の空気分離装置１から、起動中の第２の空気分離装置２に窒素ガスを供給する場合を例として説明したが、稼働中の第２の空気分離装置２から、起動中の第１の空気分離装置１に窒素ガスを供給するようにしてもよい。
【実施例１】
【００４５】
実施の形態１の空気分離設備を用いた場合の効果について検討する。図１に示すように、従来の空気分離設備において、原料空気圧縮機１１の減量下限の風量を100,000Nm3/hとし、乾燥器３１の能力を15,000Nm3/hとすると、排気口２２からは、100,000Nm3/h−15,000Nm3/h=85,000Nm3/hの放風が発生する。ここで、原料空気圧縮機１１によって原料空気を生成するための電力原単位を0.08kW/Nm3とし、コールドボックス１５の加熱時間を36時間とすれば、排気口２２からの放風により、以下の電力ロスが発生する。
（100,000Nm3/h−15,000Nm3/h）×0.08kW/Nm3×36h＝244,800kWh
これに対し、実施の形態１に係る空気分離設備を用いた場合では、第２の空気分離設備２の起動中において、第２の空気分離設備２の原料空気圧縮機２１を停止させて、乾燥器３１の能力を超えない範囲で、第１の空気分離設備１から第２の空気分離設備２へ原料空気を供給するため、上記の電力ロスを削減することができる。
【実施例２】
【００４６】
実施の形態２の空気分離設備を用いた場合の効果について検討する。図１に示すように、従来の空気分離設備において、原料空気圧縮機１１の減量下限の風量を100,000Nm3/hとし、乾燥器３１の能力を15,000Nm3/hとすると、排気口２２からは、100,000Nm3/h−15,000Nm3/h=85,000Nm3/hの放風が発生し、以下の電力ロスが発生する。
（100,000Nm3/h−15,000Nm3/h）×0.08kW/Nm3×36h＝244,800kWh
これに対し、実施の形態２に係る空気分離設備を用いた場合では、第２の空気分離設備２の起動中において、第２の空気分離設備２の原料空気圧縮機２１を停止させて、窒素圧縮機３３から窒素ガスを第２の空気分離設備２へ供給する。窒素ガスを生成するための電力原単位を0.08kW/Nm3、窒素圧縮機３２の電力原単位を0.1kW/Nm3、加熱時間を36時間とすると、実施の形態２を適用することで以下の電力ロスを削減することができる。
（100,000Nm3/h×0.08kW/Nm3−15,000Nm3/h×0.1kW/Nm3）×36h＝234,000kWh
【符号の説明】
【００４７】
１  第１の空気分離装置
２  第２の空気分離装置
１１、２１  原料空気圧縮機
２２  排気口
１３、２３、２５  流量計
１０、１４、１７、２０、２４、２７、３４  調節弁
１５、２５  コールドボックス
１５１、２５１  熱交換器
１５２、２５２  精留塔
１６、２６  排気口
３１  乾燥器
３２  酸素圧縮機
３３  窒素圧縮機
【図１】
2015190718.tif 000003
【図２】
2015190718.tif 000004
【図３】
2015190718.tif 000005