(57)【要約】【課題】原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムとして、原料空気圧縮機の消費動力を的確に低減し、消費動力原単位の向上を図ることができるガス深冷分離システムを提供する。【解決手段】原料空気圧縮機１１の上流側に、深冷分離工程からの未利用排ガスと原料空気を全熱交換させるための全熱交換器１２を備えているとともに、その全熱交換器１２に原料空気を導入する経路上に、導入する原料空気を昇圧するための昇圧装置１３を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムにおいて、
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機の上流側に、製品として利用されないで大気放散される未利用排ガスと原料空気を全熱交換させる全熱交換器を備えているとともに、その全熱交換器に原料空気を導入する経路上に、導入する原料空気を昇圧するための昇圧装置を備えていることを特徴とするガス深冷分離システム。
【請求項２】
原料空気の一部が昇圧装置で昇圧されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のガス深冷分離システム。
【請求項３】
昇圧装置が圧縮機とエジェクタの組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス深冷分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素や窒素を製造するガス深冷分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気（大気）を原料とし、その原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムでは、例えば、原料空気が原料空気圧縮機で圧縮・昇圧された後、水洗塔で冷却され、分子篩吸着器で二酸化炭素と水分を除去される。そして、熱交換器で製品酸素および製品窒素と熱交換して冷却・液化された後、精留塔に送られる。そして、精留塔で窒素と酸素が抽出される。
【０００３】
その際に、原料空気圧縮機の製品ガス量当たりの動力は、原料空気の温度・湿度が低いほど（すなわち、原料空気の密度が高いほど、水分量が少ないほど）少なくなる。そのため、高温・高湿となる夏季には圧縮機の動力が大きくなって、ガス深冷分離システムの消費動力原単位が大きくなることが問題となっている。
【０００４】
一方、ガス深冷分離システムにおいて、液化精留分離された後に製品として利用しない成分ガス（非製品ガス）は、その冷熱を回収してはいるが、その非製品ガスの量はガス深冷分離システムの操業条件やガス需要によって変動するため、非製品ガス量が増大した場合等には、十分に冷熱回収されることなく、原料空気（大気）よりも低温、低湿の状態で未利用排ガスとして大気放散されていた。
【０００５】
そこで、特許文献１には、この低温、低湿の未利用排ガスを利用して、原料空気を冷却、除湿し、ガス深冷分離システムの消費動力原単位を低減する技術が開示されている。すなわち、未利用排ガスと原料空気を全熱交換器に導入し、原料空気の熱量と湿分を未利用排ガスに移行させるようにしている。
【特許文献１】特開平１０−２６７５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の技術のように全熱交換器を用いた場合、未利用排ガスから原料空気側へのリーク（混入）が不可避である。そのようなリーク（混入）があると、折角分離した成分ガス（非製品ガス）が再度液化精留分離工程（深冷分離工程）に流入することになり、製品ガスの収率が低下し、製品ガス量あたりの消費動力の増大を来たす。
【０００７】
また、上記のリークを完全に防止するためには、全熱交換器に替えて、顕熱交換器を用いて顕熱のみを熱交換する方法があるが、この場合、未利用排ガスの低湿度という利点を有効に利用できず、原料空気圧縮機の消費動力の低減効果が限られる。
【０００８】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムとして、原料空気圧縮機の消費動力を的確に低減し、消費動力原単位の向上を図ることができるガス深冷分離システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００１０】
［１］原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムにおいて、
原料空気を圧縮する原料空気圧縮機の上流側に、製品として利用されないで大気放散される未利用排ガスと原料空気を全熱交換させる全熱交換器を備えているとともに、その全熱交換器に原料空気を導入する経路上に、導入する原料空気を昇圧するための昇圧装置を備えていることを特徴とするガス深冷分離システム。
【００１１】
［２］原料空気の一部が昇圧装置で昇圧されるようになっていることを特徴とする前記［１］に記載のガス深冷分離システム。
【００１２】
［３］昇圧装置が圧縮機とエジェクタの組み合わせで構成されていることを特徴とする前記［１］または［２］に記載のガス深冷分離システム。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、未利用排ガスの低温で低湿という両利点を有効に活かしつつ、原料空気への未利用排ガスのリーク（混入）を抑制して、原料空気を適切に低温まで冷却・除湿することができ、それによって、原料空気圧縮機の消費動力を的確に低減し、消費動力原単位の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
まず、本発明の基本的な考え方を説明する。
【００１５】
原料空気を圧縮、不純物除去、冷却・液化し、精留分離を行って酸素または／および窒素を製品ガスとして製造するガス深冷分離システムにおいて、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機の上流側に、製品として利用されないで大気放散される未利用排ガスと原料空気を全熱交換させる全熱交換器を設置した際に、この全熱交換器におけるリーク量は、熱交換に供される原料空気と未利用排ガスの圧力差（静圧の差）に起因する。そこで、原料空気側の静圧を未利用排ガス側の静圧より高く維持すれば、未利用排ガスが原料空気へリークするのを抑制することができる。
【００１６】
原料空気側の静圧を未利用排ガス側の静圧より相対的に高くするには、原料空気を昇圧するか、未利用排ガスを減圧すればよい。その際に、原料空気を昇圧する場合は、原料空気がもともとその後の液化精留分離工程（深冷分離工程）で圧縮・昇圧されるので、ここでの原料空気を昇圧するエネルギーは無駄にはならない。一方、未利用排ガスを減圧する場合は、原料空気が大気圧なので未利用排ガスを大気圧以下まで減圧することになるが、その後、未利用排ガスは大気放散されるので、この減圧に要するエネルギーは無駄になる。
【００１７】
したがって、本発明においては、全熱交換器に供給する原料空気を昇圧することによって、原料空気側の静圧を未利用排ガス側の静圧より相対的に高くすることで、未利用排ガスが原料空気へリークするのを抑制するようにしている。
【００１８】
なお、製鉄所のガス深冷分離システム（酸素製造プラント）等では、原料空気は流量が膨大であり、その昇圧装置も非常に大きなものとなるが、原料空気全量を全熱交換器に供する必要はなく、その一部を分岐して全熱交換器で冷却・除湿し、再び残りの原料空気と合流させても同等の効果が得られる。この場合、昇圧装置および全熱交換器の容量削減が可能となり、コンパクト化、低コスト化が図られる。
【００１９】
上記のような基本的な考え方に基づいた本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態を示すものである。
【００２１】
図１に示すように、この実施形態に係るガス深冷分離システムでは、原料空気圧縮機１１の上流側に、深冷分離工程からの未利用排ガス（例えば、製品として利用されない窒素ガス）と原料空気を全熱交換させるための全熱交換器１２を備えているとともに、その全熱交換器１２に原料空気を導入する経路上に、導入する原料空気を昇圧するための昇圧装置（例えば、圧縮機）１３を備えている。
【００２２】
そして、原料空気を原料空気Ａと原料空気Ｂに分け、その内の原料空気Ｂを昇圧装置１３で所定の圧力に昇圧した後、全熱交換器１２に導入して未利用排ガスと全熱交換させている。未利用排ガスとの全熱交換によって冷却・除湿された原料空気Ｂは、再び原料空気Ａと合流して、一緒に原料空気圧縮機１１に供給される。原料空気Ａと原料空気Ｂを合流する際に、図１に示すように、合流部にエジェクタ１６を設置に、原料空気Ａをエジェクタ１６に導入し、原料空気Ｂを駆動流体としてエジェクタ１６に吹き込み原料空気Ａを昇圧するようにすると、なお望ましい。
【００２３】
ここで、図３に、全熱交換器における原料空気側静圧（空気ｉｎ）と未利用排ガス側静圧（窒素ｉｎ）の差圧と、リーク流量の関係を実験的に求めたものを示す。なお、原料空気の流量と未利用排ガス（窒素ガス）の流量は同じにしている。
【００２４】
図３からも明らかなように、リークを抑制するには、差圧（空気ｉｎ−窒素ｉｎ）を高くすればよいが、その値は０．２ｋＰａ〜０．５ｋＰａ程度でよい。あまり差圧を大きくしすぎると、今度は逆に原料空気側から未利用排ガス側へのリークが大きくなり、昇圧装置で処理する原料空気流量が多くなるので不経済だからである。
【００２５】
また、ガス深冷分離プラントでは、原料空気より未利用排ガスの方が小流量である。したがって、この実施形態のように、原料空気の全量ではなく、一部を全熱交換器へ供するようにし、その分だけを昇圧するようにすれば、昇圧装置の容量を低減できる。全熱交換器へ供する原料空気量（原料空気Ｂ）は、未利用排ガスと等量以下、望ましくは、流量比（＝原料空気Ｂの流量／未利用排ガスの流量）は０．２５〜１．０の範囲がよい。
【００２６】
なお、上記において、全熱交換器１２に未利用排ガスを導入する経路上に、未利用排ガスを減圧するための減圧装置を追加して、昇圧装置１３による原料空気の昇圧を前記減圧装置による未利用排ガスの減圧で補助することによって、所定の差圧（空気ｉｎ−窒素ｉｎ）を得るようにしてもよい。
【００２７】
このようにして、この実施形態においては、未利用排ガスの低温で低湿という両利点を有効に活かしつつ、原料空気への未利用排ガスのリーク（混入）を抑制して、原料空気を適切に低温まで冷却・除湿することができ、それによって、原料空気圧縮機の消費動力を的確に低減し、消費動力原単位の向上を図ることが可能となる。
【００２８】
図２は、本発明の第２の実施形態に示すものである。
【００２９】
図２に示すように、この第２の実施形態においては、図１に示した第１の実施形態における昇圧装置１３が、圧縮機（駆動空気圧縮機）１４とエジェクタ１５の組み合わせで構成されている。
【００３０】
そして、原料空気を原料空気Ａ、原料空気Ｂ、原料空気Ｃの三つに分け、その内の原料空気Ｂをエジェクタ１５に導入するとともに、原料空気Ｃを駆動空気圧縮機１４で圧縮して駆動流体としてエジェクタ１５に吹き込むことにより、原料空気Ｂも昇圧させている。その後、昇圧した原料空気（原料空気Ｂと原料空気Ｃ）を全熱交換器１２に導入して未利用排ガスと全熱交換させ、未利用排ガスとの全熱交換によって冷却・除湿された原料空気（原料空気Ｂと原料空気Ｃ）は、再び原料空気Ａと合流して、一緒に原料空気圧縮機１１に供給される。
【００３１】
このようにして、この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、未利用排ガスの低温で低湿という両利点を有効に活かしつつ、原料空気への未利用排ガスのリーク（混入）を抑制して、原料空気を適切に低温まで冷却・除湿することができ、それによって、原料空気圧縮機の消費動力を的確に低減し、消費動力原単位の向上を図ることが可能となる。しかも、昇圧装置を圧縮機とエジェクタの組み合わせとしているので、昇圧装置のさらなる小容量化が可能になる。
【００３２】
ちなみに、上記において、原料空気Ｃと原料空気Ｂの流量比（＝原料空気Ｃの流量／原料空気Ｂの流量）は、必要昇圧幅に対して任意に設計できるが、０．５以下とすることで、昇圧装置（特に、駆動空気圧縮機）の小容量化効果が享受できる。
【００３３】
なお、上述した第１の実施形態および第２の実施形態は、主製品が酸素であるガス深冷分離システム、主製品が窒素であるガス深冷分離システム、主製品が酸素と窒素の両方であるガス深冷分離システムのいずれにおいても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図３】全熱交換器における差圧とリーク流量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１  原料空気圧縮機
１２  全熱交換器
１３  昇圧装置
１４  駆動空気圧縮機
１５  エジェクタ
１６  エジェクタ
【図１】
2008196806.tif 000003
【図２】
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【図３】
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