(57)【要約】【課題】  電動機・スチームタービン駆動併用型圧縮機を窒素製造装置に効果的に適用することにより、動力費を大幅に削減できる窒素製造装置を提供する。【解決手段】  窒素製造装置で使用する原料空気圧縮機１１の駆動源として電動機１６とスチームタービン１７とを一体に備えた圧縮機を単独で使用するとともに、精製器（前処理吸着器１２）で原料空気を精製した精製空気及び精留塔１４から抜き出されて熱交換器１３で昇温した製品窒素ガスの内の少なくとも一部を、前記スチームタービンのタービン軸１７ａにシールガスとして供給するシールガス経路１８を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料空気圧縮機で昇圧した原料空気を精製器で精製し、熱交換器で冷却して精留塔に導入し、液化精留分離を行うことにより窒素を製造する窒素製造装置において、前記原料空気圧縮機の駆動源として電動機とスチームタービンとを一体に備えた圧縮機を単独で使用するとともに、前記精製器で原料空気を精製した精製空気及び前記精留塔から抜き出されて前記熱交換器で昇温した製品窒素ガスのいずれか少なくとも一方の一部を、前記スチームタービンのタービン軸にシールガスとして供給する経路を備えていることを特徴とする窒素製造装置。
【請求項２】
窒素製造装置に設置されているバックアップ設備から得られる窒素ガスを前記スチームタービンのタービン軸にシールガスとして供給する経路を備えていることを特徴とする請求項１記載の窒素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素製造装置に関し、詳しくは、圧縮、精製、冷却した原料空気を精留塔に導入し、精留分離することによって製品窒素（窒素ガス及び／又は液化窒素）を製造するための窒素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業的に窒素を製造する方法として、原料となる空気を圧縮して冷却・液化し、精留分離する空気液化分離方法が多く採用されている。この空気液化分離方法を採用した窒素製造装置における窒素の製造コストは、設備費と共に電力等のユーティリティ費で構成され、原料である空気を圧縮する動力がユーティリティ費の大部分を占めている。
【０００３】
窒素製造装置での空気の圧縮には、そのほとんどが電動機で駆動する圧縮機が使用されている。電動機駆動型以外の大型圧縮機としては、スチームタービンで駆動する圧縮機が知られている。一般的に、スチームタービン駆動型の圧縮機と同敷地内において多量の余剰スチームが得られる場合には、スチームタービン駆動型の採用による動力節約のメリットは大きい。しかし、スチームタービン駆動型の場合、スチームを安定的に連続供給しなければならないという問題があり、常に一定のスチームを供給し続けることは、一般的に困難である。このため、スチームタービン駆動型圧縮機を採用する場合には、電動機駆動型圧縮機との並列使用といった対策が必要だった。
【０００４】
また、その他の圧縮機として、電動機駆動とスチームタービン駆動とを組み合わせた併用型の圧縮機がある。このような併用型圧縮機は、ＰＳＡ式酸素製造装置の真空ポンプ（原理は圧縮機と同じ）として使用されたり（例えば、特許文献１参照。）、作業用の圧縮空気や計装空気等の圧縮に使用されたりすることがあった。
【０００５】
上述の併用型圧縮機の場合、スチーム供給の安定性が多少損なわれても、電動機駆動で圧縮を継続できるメリットがある。しかし、併用型圧縮機の場合でも、スチームが途絶えるとタービン側が圧縮機として作動し、その圧縮熱によってタービンが過熱してしまうという問題がある。このため、併用型圧縮機でも、最低限のスチーム供給がないと安定した運転ができない。
【０００６】
また、スチームタービン駆動型は、軸受けの潤滑油にスチームが混入しやすいという問題点があり、タービンと軸受との間にシールガスを導入し、スチームと潤滑油とが混合することを避ける必要がある。シールガスは、一般に乾燥空気が用いられるが、タービン軸にシールガスを供給し続けるためには、乾燥空気供給設備等を併設する必要があり、イニシャルコストが高くなるうえ、設置面積が増加するなどの問題がある。したがって、併用型圧縮機も、一般的にあまり普及していなかった。
【０００７】
特に、空気液化分離装置では、ＰＳＡ式酸素製造装置等とは異なり、原料空気の供給が不安定になって精留塔内の精留状態が崩れると、再度、正常な状態に戻すのに、極めて長時間を要する装置である。したがって、原料空気圧縮機には、信頼性と運転の安定した継続性とが要求されるため、これまで電動機駆動・スチームタービン駆動併用型の圧縮機を、単独で空気液化分離装置に採用する例はなかった。
【０００８】
近年、空気液化分離装置からの大量の高純度窒素需要がある半導体製造工場において、高い経済性と省エネ効果に注目し、工場内の電力供給に、コ・ジェネレーションシステムを採用する例が出てきている。コ・ジェネレーションシステムでは、発電の際に生じる排熱の利用により、高い圧力のスチームを得ることができる。
【特許文献１】特開２００２−２１０３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
発明者らは、このコ・ジェネレーションシステムで発生するスチームに着目し、複数台の併用型圧縮機や、他の電動機駆動の圧縮機と並列使用することなしに、電動機駆動とスチームタービン駆動併用型の圧縮機を空気液化分離方法による窒素製造装置に用いることを検討した。
【００１０】
その結果、気液化分離方法による窒素製造装置に、電動機・スチームタービン駆動併用型圧縮機を単独で使用するとともに、窒素製造装置内で発生した水分を含まないガスを、タービンのシールガスとして用いることにより、動力削減を実現できることを見出した。
【００１１】
本発明は、電動機・スチームタービン駆動併用型圧縮機を窒素製造装置に効果的に適用することにより、動力費を大幅に削減できる窒素製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の窒素製造装置は、原料空気圧縮機で昇圧した原料空気を精製器で精製し、熱交換器で冷却して精留塔に導入し、液化精留分離を行うことにより窒素を製造する窒素製造装置において、前記原料空気圧縮機の駆動源として電動機とスチームタービンとを一体に備えた圧縮機を単独で使用するとともに、前記精製器で原料空気を精製した精製空気及び前記精留塔から抜き出されて前記熱交換器で昇温した製品窒素ガスのいずれか少なくとも一方の一部を、前記スチームタービンのタービン軸にシールガスとして供給する経路を備えていることを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明の窒素製造装置は、窒素製造装置に設置されているバックアップ設備から得られる窒素ガスを前記スチームタービンのタービン軸にシールガスとして供給する経路を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の窒素製造装置によれば、原料空気圧縮機の駆動源の一部をスチームタービンで賄うようにしているので、電動機の電力消費量を削減して製品窒素の動力原単位を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明の一形態例を示す窒素製造装置の系統図である。この窒素製造装置は、原料空気を昇圧する原料空気圧縮機１１と、昇圧された原料空気を精製する精製器としての前処理吸着器１２と、精製された原料空気を冷却する主熱交換器１３と、冷却された原料空気を窒素と酸素富化空気とに精留分離する精留塔１４と、バックアップ設備として設けられた液化窒素貯槽１５とを備えている。
【００１６】
原料空気圧縮機１１は、駆動源として電動機１６とスチームタービン１７とを有する電動機駆動・スチームタービン駆動併用型圧縮機を単独で使用している。スチームタービン１７のタービン軸１７ａには、窒素製造装置内で発生する水分を含まないガスが、シールガス経路１８を通って供給されている。
【００１７】
濾過器２１を通して吸入された所定量の原料空気は、電動機１６及びスチームタービン１７で駆動される各圧縮段１１ａ，１１ｂ，１１ｃで圧縮されるとともに、インタークーラー１１ｄ，１１ｅ及びアフタークーラー１１ｆで冷却され、所定圧力、所定温度の昇圧原料空気となる。
【００１８】
昇圧原料空気は、前処理吸着器１２の一方の吸着筒１２ａに導入され、水分、二酸化炭素等の不純物が吸着除去されて精製原料空気となる。この精製原料空気は、主熱交換器１３に導入され、戻りガスと熱交換することによって液化点付近まで冷却される。冷却された原料空気は、精留塔１４の下部に導入され、この精留塔１４内での精留操作によって塔上部の高純度窒素ガスと塔底部の酸素富化液化空気とに分離する。
【００１９】
このとき、精留塔１４の内部では、上昇ガス及び下降液において、塔下部の大気組成（酸素約２１％）から塔上部の製品窒素純度（酸素約１ｐｐｍ）までの組成分布が発生している。装置の運転を停止すると、全ての液が塔底部に流下して塔内部の組成分布が解消されてしまうので、これを正常な組成分布に戻すためには極めて長時間を必要とする。また、原料空気の導入量や導入圧力が変化しても、塔内の組成分布が変動するので原料空気の供給は、安定していることが望まれる。
【００２０】
塔底部の酸素富化液化空気は、精留塔１４の底部から抜き出され、減圧弁２２で減圧され、凝縮器２３で気化し、一部が膨張タービン２４で断熱膨張した後、前記主熱交換器１３で原料空気と熱交換し、常温に昇温して廃ガスとして抜き出される。この廃ガスの一部は加熱器２５を有する再生経路を通り、前処理吸着器１２の他方の吸着筒１２ｂの再生ガスとして用いられる。
【００２１】
塔上部の高純度窒素ガスは一部が凝縮器２３で液化して精留塔１４の下降液となり、残部の高純度窒素ガスが、主熱交換器１３で原料空気と熱交換し、常温に昇温してから弁２６を通って製品窒素ガスとして採取される。装置の起動時には、液化窒素貯槽１５内の液化窒素を蒸発器２７で気化させて窒素ガスとした後、弁２８を通って装置系内に導入される。
【００２２】
また、前記シールガス経路１８には、前記前処理吸着器１２で精製された精製原料空気の一部、前記弁２６を通って採取される製品窒素ガスの一部、液化窒素貯槽１５内の液化窒素を蒸発器２７で気化して弁２８から装置系内に導入される窒素ガス（導入窒素ガス）の一部の３種のガスを導入できるようにしている。すなわち、弁３１を有する経路３２から精製原料空気の一部、あるいは、弁３３を有する経路３４から製品窒素ガスの一部又は導入窒素ガスの一部を装置の運転状況等に応じてシールガス経路１８に供給し、タービン軸１７ａのシールガスとして供給できるように形成している。
【００２３】
なお、精製原料空気の一部と製品窒素ガスの一部とは、いずれか一方のみを供給できるようにしてもよいが、精製原料空気や製品窒素ガスが十分に得られない装置起動時にもタービン軸１７ａのシールガスを供給するため、前記導入窒素ガスをシールガスとして供給する経路は設置しておくべきである。また、装置の運転状態に関係なく得ることが可能な導入窒素ガスのみをシールガスとして供給するように形成し、他の経路は設けないようにしてもよい。さらに、シールガスとして用いるのに適当な圧力を有していれば、精留塔１４の適当な位置から抜き出したガス（抜き出した液を気化させたものを含む）をシールガスとして供給することが可能である。
【００２４】
このように形成した窒素製造装置は、原料空気圧縮機１１として電動機駆動とスチームタービン駆動とを併用した圧縮機を単独で使用しているので、電動機駆動の従来の原料空気圧縮機に比べて電動機の電力消費量を大幅に削減することができる。また、電動機駆動とスチームタービン駆動とを併用することにより、スチーム供給量が変動するような場合でも、電動機によって所定の原料空気圧縮能力を得ることができるので、製品窒素の製造に必要な圧力及び流量の圧縮空気を安定して得ることができる。
【００２５】
さらに、装置運転中は、装置内で安定した状態で発生する精製原料空気の一部や製品窒素ガスの一部、あるいは、バックアップ設備からの窒素ガスをタービン軸１７ａのシールガスとして供給することにより、従来のように乾燥空気供給設備等を併設する必要がなく、イニシャルコストを削減できるとともに、設置面積が増加することもない。
【００２６】
加えて、電力やスチームの発生源としてコ・ジェネレーションシステムを組み合わせることにより、より効果的な運転を行うことができ、動力費のさらなる低減を図ることができる。
【実施例１】
【００２７】
図１に示す系統を有する窒素製造装置において、原料空気圧縮機で３８００Ｎｍ３／ｈの原料空気を７６０ｋＰａ（７．６ｂａｒ）まで昇圧し、シールガスとして精製原料空気の一部２０Ｎｍ３／ｈを使用し、製品窒素ガスを１５３０Ｎｍ３／ｈ生産する場合、原料空気圧縮機の所要圧縮動力は４４０ｋＷとなる。
【００２８】
原料空気圧縮機の駆動源として、定格５００ｋＷの電動機と定格４００ｋＷのスチームタービンとを一体に備えた圧縮機を単独で使用し、スチームタービンに１８００ｋＰａ（１８ｂａｒ）、２７３℃のスチームを供給すると、スチームタービンで膨張し、８００ｋＰａ（８ｂａｒ）に減圧して返送される状態となった。定格運転点において、スチームタービンに約１４ｔｏｎ／ｈのスチームを供給すると、このスチームタービンで約３９６ｋＷの動力が発生し、不足する約４４ｋＷが電動機からの動力となる。
【００２９】
したがって、３８００Ｎｍ３／ｈの原料空気を７６０ｋＰａ（７．６ｂａｒ）まで昇圧するのに、電動機のみを駆動源としたときは、その電力消費量が４４０ｋＷであるのに対し、スチームタービンを併用することにより、電動機の電力消費量を４４ｋＷにまで大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一形態例を示す窒素製造装置の系統図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１…原料空気圧縮機、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…圧縮段、１１ｄ，１１ｅ…インタークーラー、１１ｆ…アフタークーラー、１２…前処理吸着器、１２ａ，１２ｂ…吸着筒、１３…主熱交換器、１４…精留塔、１５…液化窒素貯槽、１６…電動機、１７…スチームタービン、１７ａ…タービン軸、１８…シールガス経路、２１…濾過器、２２…減圧弁、２３…凝縮器、２４…膨張タービン、２５…加熱器、２７…蒸発器、２６，２８，３１，３３…弁、３２，３４…経路
【図１】
2005221092.tif 000003