(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を加圧供給する圧縮機と、該圧縮機にその一端が連設された吸着剤が充填してなる吸着筒を少なくとも一筒と、該吸着筒の他端に配設された酸素導出管路と、前記吸着筒の一端側に配設した再生工程の排気用の真空ポンプ、及びこれらを連結する管路、弁等を配設してなり、吸着工程、再生工程の工程の切換えの弁操作と圧力を調整して、空気を吸着筒に導入して酸素を精製分離する圧力変動吸着式酸素製造装置であって、前記再生工程の排気用の真空ポンプが、スチームにより回転駆動するスチームタービンと電気入出力切換可能な誘導電動機との併用で回転駆動せしめるタンデム型動力供給装置と連結してなることを特徴とする圧力変動吸着式酸素製造装置。
【請求項２】
前記圧力変動吸着式酸素製造装置が、酸素発生能力が等しくした複数組の圧力変動吸着式酸素製造装置を配設してなるとともに、複数組の圧力変動吸着式酸素製造装置のそれぞれに付設される真空ポンプに対して共用する１台の前記タンデム型動力供給装置とを備えたことを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着式酸素製造装置。
【請求項３】
原料空気を加圧し、少なくとも１筒からなる吸着筒に導入し、該吸着筒に充填された吸着剤により、主に水、炭酸ガス、及び窒素等の易吸着性成分を吸着除去し、難吸着性の酸素を製品とするとともに、吸着剤に吸着された易吸着性成分の前記吸着物質を脱着するための真空ポンプを、スチームタービンによる回転駆動と電気入出力切換可能な誘導電動機による回転駆動との併用によるタンデム型動力供給方法により駆動することを特徴とする圧力変動吸着式酸素製造方法。
【請求項４】
前記圧力変動吸着式酸素製造装置として、酸素発生能力が等しくした圧力変動吸着式酸素製造装置を複数組配設し、該複数組の圧力変動吸着式酸素製造装置の各真空ポンプに、前記タンデム型動力供給方法を使った１台の動力供給設備を使って駆動動力を供給することを特徴とする請求項３記載の圧力変動吸着式酸素製造方法。
【請求項５】
前記真空ポンプを駆動するタンデム型動力供給方法が、需要変動による動力変動が及ばない範囲にスチームによるスチームタービンでの回転駆動を使用し、需要変動による動力変動が生じる範囲に電気入出力切り換え可能な誘導電動機を使用することを特徴とする請求項３又は４記載の圧力変動吸着式酸素製造方法。
【請求項６】
酸素発生能力が等しくなるように分割した複数の前記圧力変動吸着式酸素製造装置に対して前記タンデム型動力供給方法による１台の動力供給設備で動力供給するに際して、複数の前記圧力変動吸着式酸素製造装置それぞれに付設された真空ポンプを、吸着工程−再生工程の運転周期を複数装置数分の１だけずらした周期に合わせて、それぞれ運転することを特徴とする請求項４記載の圧力変動吸着式酸素製造方法。
【請求項７】
スチームタービンと誘導電動機との併用によるタンデム型動力供給方法にて駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置と、電気にて駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置を同時に運転する方法であって、前記タンデム型動力供給方法によって駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置のスチームタービンによる真空ポンプの最大駆動力発生時と、電気で駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置の真空ポンプ最大負荷発生時とを同期させて運転することを特徴とした圧力変動吸着式酸素製造方法。
【請求項８】
スチームタービンと誘導電動機との併用によるタンデム型動力供給方法にて駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置と、電気にて駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置を同時に運転する方法であって、前記タンデム型動力供給方法によって駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置は常に１００％定格で運転を行い、需要変動による製品酸素の製造量の増減を電気駆動による真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置にて調整して運転を行うことを特徴とする圧力変動吸着式酸素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気を原料とし、酸素と窒素とを分離して酸素富化ガス又は窒素を製品として取り出す圧力変動吸着式酸素製造装置に関し、特に、酸素製造装置のエネルギーの消費を削減する方法及び装置に関する。更に、エネルギー系の循環によるトータル省エネルギーを達成せしめる酸素製造装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力変動吸着式（Ｐressure Ｓwing Ａdsorption、以下「ＰＳＡ式」と略記する）ガス分離方法が混合ガスの分離に広く使用されている。空気から酸素に富むガスを分離するＰＳＡ式ガス分離方法は、一般に加圧した空気を吸着剤と接触せしめて、酸素以外の易吸着性成分を選択的に吸着させ、比較的吸着し難い酸素に富むガスを製品ガスとして取り出す吸着工程と、酸素以外易吸着性成分を吸着した吸着剤を大気圧又は大気圧以下に減圧し、酸素以外の易吸着性成分を吸着剤から脱着させて吸着剤を再生する再生工程とを主要な工程として繰り返して運転操作して酸素富化ガス（以下これを含めて「酸素」と称す）を分離採取する方法である。吸着筒は、製品酸素ガスを連続的に発生させるために複数個とするのが一般的であり、吸着剤としては、合成ゼオライトが用いられる。
【０００３】
又、近年、省エネルギーおよび地球環境問題の観点から酸素燃焼技術に関する関心が高まり、酸素の有効活用に伴いこの分野への酸素ガスの供給需要が増大してきている。一方、酸素ガスの供給設備もまた深冷分離や吸着分離の技術革新が進み、以前より安価な酸素が供給可能になり工業的にも導入が進みつつある。しかし、酸素製造装置における圧力変動吸着式分離方法の場合、吸着剤の再生のために真空ポンプが使用され、その駆動のために必要な電力消費原単位は０.３８kＷｈ／Ｎｍ3程度である。したがって、電気代は依然として酸素製造コストの大部分をしめ、電気代のコスト寄与率が大きいために酸素ガスのコスト低減を阻害していた。
【０００４】
また、燃焼に純酸素を使用する場合、空気燃焼に比べて燃焼に寄与しない窒素含まれないため燃焼プロセスから持ち出されるエネルギー損失がなく、有効熱利用率が高いため、従来は廃熱回収設備を設置していなかった。しかし、プロセス全体の省エネルギーの観点から酸素燃焼設備の下流に廃熱回収設備を設置し、そこで発生させたスチームを利用する方法が考えられる。例えば、ＥＰ−０８６４３５１Ａ2公報には、圧力変動吸着分離法の吸着筒の再生に使用する真空ポンプに代えて、スチームエジェクターを利用した方式が開示されている。
【０００５】
しかしながら、このＥＰ−０８６４３５１Ａ2公報に開示された方式の場合、酸素燃焼設備で使用する酸素量を供給するための酸素供給設備の吸着筒の再生に必要な所要仕事量を、下流の廃熱回収設備で発生するスチーム条件によって満足させられない場合には、付加的にスチームを発生させねばならず、そのための設備および燃料が必要であり、結果として酸素コスト低減およびプロセス全体の省エネルギーに結びつかない場合があった。更に又、下流プロセスでスチームを使用する場合にも、ＥＰ−０８６４３５１Ａ2公報に開示された方式の方法では、酸素供給設備の吸着筒の再生に必要な所要仕事量を、下流の廃熱回収設備で発生するスチーム条件によって満足させられない場合が生じる等の不都合があった。
【０００６】
又、現在、ＰＳＡ式酸素製造装置としては、吸着筒を２筒設備した方式が主流となり、真空ポンプを使用して吸着再生をする場合、吸着工程より排気再生工程への切換時における真空ポンプの負荷変動が非常に大きく、しかもその富化変動が数十秒で変動するためにエジェクター方式の場合にはそれに追従させることが非常に困難であった。更に、酸素燃焼設備の負荷変動が存在する場合、発生するスチーム条件はそれに伴って変動し、その条件で酸素製造装置に追従させなければならず、上記したＥＰ−０８６４３５１Ａ2公報に開示された方法では追従性に問題があった。
なお、燃焼装置での廃熱利用として、ボイラーにより発生せしめたスチームで、スチームタービンを駆動して発電機にて電気に変換することは知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、ＰＳＡ式気体分離装置用の真空ポンプの如き回転機をスチームタービンで直接駆動すること、特に負荷変動の大きい真空ポンプをスチームタービンで直接駆動することは、回転数制御機器部が追従できないという不都合があった。又一方、ＰＳＡ式による酸素製造装置において動力消費変動を見極めて、有効利用する方法として、酸素供給側と酸素使用側とで相互にエネルギー技術を有効に活用し合う試みもなかった。更に、ＰＳＡが加圧吸着工程−減圧再生工程と、その工程の切換による動力変動が激しく（約１分毎に起こる）、この激しい動力変動はＰＳＡ装置の本質的な欠点と考えられ、これを解決するための改善策はないという認識があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、酸素ガスを有効活用する酸素燃焼装置等に支燃性ガスとして供給する、酸素又は酸素富化空気を用いた燃焼により発生する廃熱を有効利用する廃熱ボイラーにより発生させた安価なスチームの利用と、通常の電力を結合併用せしめることによって、酸素ガス製造供給側のＰＳＡ式酸素製造装置に使用される真空ポンプの負荷変動に良く追従させて、消費電力を削減することを可能にしたＰＳＡ式酸素製造装置及びその方法を提供することを課題としたものである。そして、ＰＳＡ式酸素製造装置にて製造した酸素を燃焼効率の高い酸素燃焼設備に供給することによりトータルのエネルギーを削減するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するため、以下に記載する如き手段を講じた。
請求項１に係わる発明は、空気を加圧供給する圧縮機と、該圧縮機にその一端が連設された吸着剤が充填してなる吸着筒を少なくとも一筒と、該吸着筒の他端に配設された酸素導出管路と、前記吸着筒の一端側に配設した再生工程の排気用の真空ポンプ、及びこれらを連結する管路、弁等を配設してなり、吸着工程、再生工程の工程の切換えの弁操作と圧力を調整して、空気を吸着筒に導入して酸素を精製分離する圧力変動吸着式酸素製造装置であって、前記再生工程の排気用の真空ポンプが、スチームにより回転駆動するスチームタービンと電気入出力切換可能な誘導電動機との併用で回転駆動せしめるタンデム型動力供給装置と連結してなることを特徴とする圧力変動吸着式酸素製造装置としたものである。
請求項２に係わる発明として、前記圧力変動吸着式酸素製造装置が、酸素発生能力が等しくした複数組の圧力変動吸着式酸素製造装置を配設してなるとともに、複数組の圧力変動吸着式酸素製造装置のそれぞれに付設される真空ポンプに対して共用する１台の前記タンデム型動力供給装置とを備えたことを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着式酸素製造装置としたものである。
【００１０】
請求項３に係わる発明は、原料空気を加圧し、少なくとも１筒からなる吸着筒に導入し、該吸着筒に充填された吸着剤により、主に水、炭酸ガス、及び窒素等の易吸着性成分を吸着除去し、難吸着性の酸素を製品とするとともに、吸着剤に吸着された易吸着性成分の前記吸着物質を脱着するための真空ポンプを、スチームタービンによる回転駆動と電気入出力切換可能な誘導電動機による回転駆動との併用によるタンデム型動力供給方法により駆動することを特徴とする圧力変動吸着式酸素製造方法としたものである。
請求項４に係わる発明は、前記圧力変動吸着式酸素製造装置として、酸素発生能力が等しくした圧力変動吸着式酸素製造装置を複数組配設し、該複数組の圧力変動吸着式酸素製造装置の各真空ポンプに、前記タンデム型動力供給方法を使った１台の動力供給設備を使って駆動動力を供給することを特徴とする請求項３記載の圧力変動吸着式酸素製造方法としたものである。
請求項５に係わる発明として、前記請求項３又は４における真空ポンプを駆動するタンデム型動力供給方法が、需要変動による動力変動が及ばない範囲にスチームによるスチームタービンでの回転駆動を使用し、需要変動による動力変動が生じる範囲に電気入出力切り換え可能な誘導電動機を使用するようにしたことを特徴と圧力変動吸着式酸素製造方法としたものである。
請求項６に係わる発明として、酸素発生能力が等しくなるように分割した複数の前記圧力変動吸着式酸素製造装置に対して前記タンデム型動力供給方法による１台の動力供給設備で動力供給するに際して、複数の前記圧力変動吸着式酸素製造装置それぞれに付設された真空ポンプを、吸着工程−再生工程の運転周期を複数装置数分の１だけずらした周期に合わせて、それぞれ運転することを特徴とする請求項４記載の圧力変動吸着式酸素製造方法としたものである。
【００１１】
請求項７に係わる発明として、スチームタービンと誘導電動機との併用によるタンデム型動力供給方法にて駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置と、電気にて駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置を同時に運転する方法であって、前記タンデム型動力供給方法によって駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置のスチームタービンによる真空ポンプの最大駆動力発生時と、電気で駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置の真空ポンプ最大負荷発生時とを同期させて運転することを特徴とした圧力変動吸着式酸素製造方法としたものである。
請求項８に係わる発明として、スチームタービンと誘導電動機との併用によるタンデム型動力供給方法にて駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置と、電気にて駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置を同時に運転する方法であって、前記タンデム型動力供給方法によって駆動する真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置は常に１００％定格で運転を行い、需要変動による製品酸素の製造量の増減を電気駆動による真空ポンプを備えた圧力変動吸着式酸素製造装置にて調整して運転を行うことを特徴とする圧力変動吸着式酸素製造方法としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の圧力変動吸着式（ＰＳＡ式）酸素製造装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は本発明のＰＳＡ式酸素製造装置の第１の実施の形態を説明するための系統概略図である。図１においては、吸着剤が充填されている吸着筒Ａ及びＢの２筒が設備されているＰＳＡ式酸素製造装置装置の例について説明する。
【００１３】
まず、この第１の実施形態のＰＳＡ式酸素製造装置装置１０１では、吸着筒Ａが吸着工程にあって、吸着筒がＢが再生工程にある状態とする。吸着工程にある吸着筒Ａには、弁２ａ、弁３ａを開いて、原料空気Ｒを圧縮機１で所定の圧力ｐに加圧し、管路Ｌ0、管路Ｌ1aより弁２ａを経て管路Ｌ2aより吸着筒Ａ内に供給される。原料空気中の窒素（Ｎ2）は、吸着筒Ａ内に充填された吸着剤Ｘに優先的に吸着され、吸着筒Ａの導出口Ａ2に向かって難吸着成分である酸素（Ｏ2）が濃縮されて流れる。そして酸素（Ｏ2）に富むガスは導出管Ｌ3a、弁３ａを経て管路Ｌ4aより管路Ｌ5を介して製品貯槽４に充填され貯えられる。そして、適宜調節弁５を介して供給管路Ｌ6によって使用先へ送られる（吸着筒Ａの吸着工程）。
【００１４】
又同時に、前工程で吸着工程にあった他方の吸着筒Ｂは再生工程にあって、製品酸素ガス（Ｏ2）の一部が製品貯槽４より管路Ｌ5より分岐した管路Ｌ7、弁６、弁７、流量計８を通って、管路Ｌ8bより弁９ｂを介して導出管Ｌ3bを流通して吸着筒Ｂの導出口Ｂ2から吸着筒Ｂに導入される。そして製品酸素ガス（Ｏ2）の一部は、吸着筒Ｂを吸着工程時の原料空気Ｒの流れと対向流方向に流通し、吸着筒Ｂの導入口Ｂ１より流出し管路Ｌ2b、管路Ｌ9bを介して弁１０ｂを通り管路Ｌ10から真空ポンプ１１により吸引され、管路Ｌ11より排出される。この間吸着筒Ｂからは、前工程の吸着工程で吸着剤Ｘに吸着された易吸着成分窒素（Ｎ2）を脱着して、これを同伴して排出される（吸着筒Ｂのパージ排気工程）。そして吸着筒Ｂ内の窒素が所定の値以下に排除されたら、弁９ｂ及び弁１０ｂを閉じて、吸着筒Ｂのパージ排気工程を終了する。
【００１５】
そして、この間、前記吸着筒Ａでは吸着工程の進行に従い、吸着筒Ａでの窒素の吸着前線が吸着筒Ａの導出口Ａ2に向かって進み、該導出口Ａ2より導出される製品酸素（Ｏ2）の濃度が決められた値より低下し始めたら、弁２ａ、弁３ａを閉じて、原料空気Ｒの供給を絶ち、吸着工程が打ち切られる。そして、吸着筒Ａの導出口Ａ2端と吸着筒Ｂの導出口Ｂ2端とを連結している弁１２ａ、弁１２ｂを開状態にして、管路Ｌ12を介して吸着筒Ａと吸着筒Ｂとを連結し、吸着筒Ａの高圧な酸素含有気体を低い圧力状態にある吸着筒Ｂに流入せしめて、吸着筒Ａと吸着筒Ｂとを等圧にする均圧操作が行われる（均圧工程）。
【００１６】
引き続き、吸着筒Ａでは、吸着筒Ａの導入口Ａ1側の弁１０ａを開状態にして、ほぼ大気圧まで自然放出する排気工程が開始される。そして更に、吸着筒Ａ内の吸着剤に吸着した易吸着性成分の窒素ガスは、弁１０ａ、管路Ｌ9a、管路Ｌ10を介して真空ポンプ１１により吸引排気され、減圧により吸着剤に吸着されていた窒素が脱着して大気に放出される（吸着筒Ａの再生工程）。
【００１７】
続いて吸着筒Ａは、製品酸素ガス（Ｏ2）の一部が製品貯槽４より管路Ｌ5より分岐した管路Ｌ7、弁６、弁７、流量計８を通って、管路Ｌ8aより弁９ａを介して導出管Ｌ3aを流通して吸着筒Ａの導出口Ａ2から吸着筒Ａに導入される。そして製品酸素ガス（Ｏ2）の一部は、吸着筒Ａを吸着工程時の原料空気Ｒの流れと対向流方向に流通し、吸着筒Ａの導入口Ａ１より流出し管路Ｌ2a、管路Ｌ9aを介して弁１０ａを通り管路Ｌ10から真空ポンプ１１により吸引され、管路Ｌ11より排出される。この間吸着筒Ｂからは、前工程の吸着工程で吸着剤Ｘに吸着された易吸着成分窒素（Ｎ2）を脱着して、これを同伴して排出される（吸着筒Ａのパージ排気工程）。そして吸着筒Ｂ内の窒素が所定の値以下に排除されたら、弁９ｂ及び弁１０ｂを閉じて、吸着筒Ａのパージ排気工程を終了する。
【００１８】
この間、前記均圧工程を終了した他方の吸着筒Ｂは、筒下部の導入口Ｂ1から圧縮機１で所定の圧力に加圧された原料空気Ｒが、管路Ｌ0、管路Ｌ1b、弁２ｂを経て、管路Ｌ2bより吸着筒Ｂ内に供給すると共に、製品貯槽４から製品酸素ガス（Ｏ2）の一部を管路Ｌ7、弁６、弁７、流量計８を通って、管路Ｌ8bより弁９ｂを介して導出管Ｌ3bを流通して吸着筒Ｂの導出口Ｂ2から吸着筒Ｂに導入して、吸着筒Ｂの圧力を吸着工程に沿った圧力まで高める（吸着筒Ｂの加圧工程）。そして、所定の圧力に達したら弁６、弁７、弁９ｂを閉じて、製品酸素の一部の供給を停止する。そして、原料空気Ｒを、圧縮機１で加圧して、管路Ｌ0、管路Ｌ1b、弁２ｂ、管路Ｌ2bを経て導入口Ｂ1より吸着筒Ｂ内に供給し、導出口Ｂ2より酸素（Ｏ2）に富むガスを導出し、導出管Ｌ3a、弁３ｂを経て管路Ｌ4bより管路Ｌ5を介して製品貯槽４に供給して貯える。そして、適宜調節弁５を介して供給管路Ｌ6によって使用先へ送られる（吸着筒Ｂの吸着工程）。
【００１９】
このようにして、本発明のＰＳＡ式酸素製造装置は、以後これらの２筒の吸着筒Ａ及び吸着筒Ｂは、それぞれ［吸着工程］−［再生工程（排気工程−パージ工程−均圧化工程−加圧工程）］からなる工程の周期をずらすように弁の開閉操作をして、工程を順次切り換えて運転して、連続的に製品酸素を得るようにする方法である。
なお、各吸着筒Ａ、Ｂにおいて作用が共通する弁には、同一数字にａ，ｂの添字を付してこれらの説明は省略する。また、ここには２筒式の例を挙げて説明したが、３筒式でも、１筒式でも本法が適用できることは言うまでもない。
【００２０】
上記した如き装置系統と、工程を有するＰＳＡ式酸素製造装置での再生工程における排気、パージ工程で使用される真空ポンプ１１の運転状態を調査確認すると、図２に示すような動力負荷変動曲線が得られる。図２中横軸に経時時間（秒）、縦軸に相対的動力負荷（−）を示すものである。
図２で明らかなように、このような動力負荷の変動が激しく、これに追従して真空ポンプ１１を運転可能にするため、本発明の第１の実施の形態では、真空ポンプ１１を駆動するための駆動装置とし、管路Ｌ13より供給されるスチームＳにより駆動するスチームタービン１３と連結せしめて、スチームタービン１３の回転駆動で真空ポンプ１１を直接駆度せしめるような機構にすると共に、電気による誘導電動機１４での駆動機構の回転軸を共軸にして結合せしめたタンデム型動力供給装置１６を採用したものである。
【００２１】
これを図１に基づいて説明する。即ち、管路Ｌ13より供給されるスチームＳで回転動力を発生させる例えば復水式のスチームタービン１３の回転軸を真空ポンプ１１の回転軸に連結すると共に、電気誘導電動機１４の回転軸を前記スチームタービン１３の回転軸にクラッチ機構１５を介して結合せしめたタンデム型動力供給装置１６を真空ポンプ１１の駆動手段としたものである。
【００２２】
そして、真空ポンプ１１を駆動するための動力が、スチームタービン１３による発生回転動力を上回り、動力不足が発生した場合には、電気動力のハイブリット駆動が可能な誘導電動機１４を補充駆動せしめるようにする。一方スチームタービン１３の発生回転動力が、真空ポンプ１１を駆動せしめるのに必要な動力以上の動力発生して、余剰動力が発生した場合には余剰動力で誘導電動機１４を回転せしめて、電気として発電せしめて、電力を他の設備に供給するようにして、供給動力の安定化と、余剰動力の有効利用を図ることができる。
【００２３】
なお、上記該スチームタービン１３と電気入出力可能な誘導電動機１４とを結合しているクラッチ機構１５は省略することもできる。
又、ＰＳＡ式酸素製造装置の需要変動に対して、需要変動による動力変動が及ばない範囲を定常状態として、これをベースロードとして真空ポンプ１１の駆動をスチームタービン１３による駆動範囲とし、需要変動による動力変動が及ぶ範囲の真空ポンプ１１の駆動を、負荷調節が容易な誘導電動機１４による駆動範囲とすることにより、極めて効率的、かつ安定した状態で真空ポンプ１１を駆動することが出来る。
【００２４】
［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態を図３にその系統概略図を図示して説明する。この第２の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置２０１は、上記した第１の実施の形態で説明したＰＳＡ式酸素製造装置１０１を１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）と複数基を並列にして連結して設けたものである。なお、図３中の符号は、図１に付した符号と共通する符号はいずれも同一機能を有する機器を示し、詳細な説明は省略する。そして、同一機能を有する機器のうち、並設された酸素製造装置のいずれかに設備されている機器であるかを明確にする必要がある場合は、同一符号に下付数字-1、-2を付して区別して、理解を容易にするようにした。
【００２５】
この第２の実施の形態においては、複数のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）に対して、それぞれに設備した真空ポンプ１１-1、１１-2を駆動するための駆動源として、１台のスチームタービン１３と電気入出力可能な誘導電動機１４との併用によるタンデム型動力供給装置１６を使って駆動するように構成したものである。この図３には２基のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）を並設した例を示したが、並設する台数の制限はなく、何台でも組み合わせてもよい。
【００２６】
このような、第２の実施形態のような２台のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）を並設する場合は、酸素製品の発生能力が等しくなるように２分し、ＰＳＡ式酸素製造装置の運転周期を２分の１だけ周期をずらして運転すると、図４に示す如き各真空ポンプの動力負荷変動となる。即ち、図中横軸に経時時間（秒）、縦軸に相対的な動力負荷変動（−）を示したものであり、そして符号（イ）は真空ポンプ１１-1の動力負荷変動であり、符号（ロ）は１／２周期運転をずらした他方のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-2（Ｎo.2装置）の真空ポンプ１１-2の動力負荷変動であり、それぞれのＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）に設けられた真空ポンプ１１-1、11-2による動力負荷変動の総合的な動力負荷変動［（イ）＋（ロ）］は軽減され、スチームタービン１３をベース動力にする部分が増えるとともに、電気で駆動する範囲を減少させることができる。従って、需要変動に対する動力源の追従性が向上し、動力の無駄がなくなる。
【００２７】
［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態を、図５にその系統概略図を図示して説明する。図５において図４と共通する符号はいずれも同一機能を有する機器を示し、詳細な説明は省略する。そして、同一機能を有する機器のうち、並設された酸素製造装置のいずれかに設備されている機器であるかを明確にする必要がある場合は、同一符号に下付数字-1、-2を付して区別して、理解を容易にするようにした。
【００２８】
この第３の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置３０１は、図５で明らかなように、上記した図４に図示した第２の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置２０１と同様に、複数のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）を並列にして連結して設けた点で、上記第２の実施の形態と共通する。しかし、第２の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置２０１との大きな差異は、並設されたＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）のそれぞれに配設された真空ポンプ１１-1、１１-2を駆動するための駆動源を、一方の真空ポンプ１１-1をスチームタービン１３と誘導電動機１４とが共軸にして連結されるタンデム型動力供給装置１６にて駆動し、他方の真空ポンプ１１-2を電気による電動機３１で駆動するようにしたものであり、この点に第３の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置３０１の大きな特徴がある。
【００２９】
そして、この第３の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置３０１での運転方法においては、タンデム型動力供給装置１６を備えるＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）の最大電力発生時と、電気電動機３１で駆動するＰＳＡ式酸素製造装置１０１-2（Ｎo.2装置）の真空ポンプ１１-2の最大負荷発生時とを同期させて運転することにより、その動力のピークを相殺し、軽減し、動力活用消費を安定化することができる。
又、減量運転を行う際にタンデム型動力供給装置１６を備えるＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）は常に１００％定格運転を行わしめ、電気電動機３１で駆動する真空ポンプ１１-2を備えるＰＳＡ式酸素製造装置１０１-2（Ｎo.2装置）にて不足製品量に対応した減量運転を行うことにより、スチーム消費を安定化するとともに、発電した電力を有効に消費することができる。
【００３０】
［第４の実施の形態］
更に、本発明のＰＳＡ式酸素製造装置の第４の実施形態を、図６に図示した系統概略図を参照して説明する。
この第４の実施の形態では、ＰＳＡ式酸素製造装置４０１で製造された酸素ガス（Ｏ2）を酸素燃焼装置４００に供給して使用し、この使用で発生する廃熱を利用してスチームタービンを駆動して、これにより前記ＰＳＡ式酸素製造装置４０１に付設されている真空ポンプ５５を駆動操作する実施の形態の一例を説明するものである。
【００３１】
図６において、ＰＳＡ式酸素製造装置４０１は窒素を選択的に吸着する吸着材Ｘを充填した吸着筒Ａ及びＢの２筒よりなり、これらの吸着筒Ａ、Ｂは一方が吸着筒が吸着工程にあり、他方は再生工程にあるよう、順次管路に備えられている弁を切り換え操作して運転される。例えば吸着筒Ａが吸着工程にあって、吸着筒Ｂが再生工程にある例について説明する。
【００３２】
吸着工程にある吸着筒Ａには原料空気Ｒが圧縮機４１で加圧して供給導入されている。そして吸着筒Ａに導入された空気は、該吸着筒Ａに充填されている吸着剤Ｘに易吸着成分である窒素が選択的に吸着され、難吸着成分である酸素富化ガス（Ｏ2）が管路４２より導出され酸素圧縮機４３に導入される。そして、該酸素圧縮機４３に導入された酸素富化ガス（Ｏ2）は、該圧縮機４３で使用に供せられる所定の圧力に圧縮した後、アキュムレーター４４を経て管路４５から酸素燃焼装置４００に支燃性ガスとして供給される。そして、酸素燃焼装置４００に別途燃料タンク４６から管路４７を介して供給される重油等の燃料Ｆの燃焼を支燃して、高燃焼エネルギーを発生して、難燃物を効率的に燃焼せしめたり、高溶融温度の物質を効率よく溶融せしめたりするために有効に使用される。
【００３３】
更に、酸素燃焼装置４００からの高温の廃ガスＥGは廃ガスボイラー４８に送られスチームＳを発生させた後、管路４９から導出される。一方廃ガスボイラー４８で発生せしめたスチームＳは管路５０により例えば復水式のスチームタービン５１に導入され、動力を発生した後復水し、管路５２を経て純水タンク５３に返送される。スチーム用の純水Ｗは純水タンク５３から管路５４にて廃ガスボイラー４８に供給される。そして、前記スチームタービン５１を駆動して発生した回転動力は、再生工程にある吸着筒Ｂの排気に使用する真空ポンプ５５の回転駆動に供せられる。なお、符号５６はスチームタービン５１と共軸に連結している誘導電動機であり、これらでタンデム型動力供給装置を形成している。
【００３４】
このように、第４の実施の形態の如く本発明のＰＳＡ式酸素製造装置４０１を酸素燃焼装置４００とを有機的に結合することにより、より合理的な、より効率的なシステムとすることができる。なお、この実施の形態では復水式のスチームタービンを使用した例について説明したが、背圧式のスチームタービンを使用してもよい。背圧式のスチームタービンを使用した場合には、背圧式のスチームタービンを出たスチームは他の用途に使用することもできる。
【００３５】
【実施例】
本発明のＰＳＡ式酸素製造装置について、酸素燃焼装置に関連して操業した実施例を例示して説明する。
［実施例１］
酸素量３２００Ｎｍ3／ｈを使用するガラス溶解炉（３５０ｔｏｎ／ｄａｙ）に、２系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）を並設する図３に図示した第２の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置２０１を使用して酸素富化ガス（９３vol％Ｏ2）を供給した。
【００３６】
そして、ガラス溶解炉からの排ガス（３９９３Ｍｃａｌ／ｈ）により、廃熱ボイラーで２.４５ＭＰa、３２０℃の過熱スチーム（７２９Ｍｃａｌ／ｔｏｎ）を５.１ｔｏｎ／ｈの量を発生させた。この発生スチームの全量を復水スチームタービンに供給し、さらにその発生動力と電気で誘導電動機を駆動し、再生工程にある吸着筒を排気脱着するために、２基の真空ポンプ（出力５９０ｋＷ×２）１１-1と１１-2を駆動させた。この場合、スチームタービンはトリップすることなく安定して稼働し、消費した電力は４９０ｋＷであり、５８％以上の電力の大幅な削減が図れた。
【００３７】
［実施例２］
実施例２として、酸素量３２００Ｎｍ3／ｈを使用するガラス溶解炉（３５０ｔｏｎ／ｄａｙ）に、２系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）を並設する図５に図示した第３の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置３０１を使用して酸素富化ガス（９３vol％Ｏ2）を供給した。
そして、ガラス溶解炉からの排ガス（３９９３Ｍｃａｌ／ｈ）により、廃熱ボイラーで２.４５ＭＰa、３２０℃の過熱スチーム（７２９Ｍｃａｌ／ｔｏｎ）を５.１ｔｏｎ／ｈの量を発生させた。
【００３８】
この発生スチームの全量を復水スチームタービン１３に供給し、クラッチを介して誘導電動機１４に接続された一方の系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）に設備した真空ポンプ（出力５９０ｋＷ）１１-1を駆動させた。そして、他方の系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-2（Ｎo.2装置）に設備した通常の電気電動機３１で駆動せしめる真空ポンプに（出力５９０ｋＷ）１１-2を、その運転周期での真空ポンプ最大負荷時に前記一方の系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）でのスチームタービン駆動におけるの最大電力発生時を同期させるようにして、余剰電力を有効利用した。この場合、スチームタービン１３はトリップすることなく安定して稼働し、消費した電力は４９０ｋＷであって、５７％以上の電力の大幅な削減が図れた。
【００３９】
［実施例３］
更に、実施例３として、定格酸素量３２００Ｎｍ3／ｈを使用するガラス溶解炉（３５０ｔｏｎ／ｄａｙ）に、２系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）、１０１-2（Ｎo.2装置）を並設した図５に示す第３の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置３０１を使用して酸素富化ガス（９３vol％Ｏ2）を供給した。そして溶解炉を７５％減量操業を行った場合、溶解炉からの排ガス（３０００Ｍｃａｌ／ｈ）により、廃熱ボイラーで２.４５ＭＰa、３２０℃の過熱スチーム（７２９Ｍｃａｌ／ｔｏｎ）を３.８ｔｏｎ／ｈの量を発生させた。
【００４０】
この発生スチームの全量を復水式のスチームタービン１３に供給し、クラッチを介して誘導電動機１４に接続された一方の系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）に設備した真空ポンプ（出力５９０ｋＷ）１１-1を駆動させた。そして、他方の系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-2（Ｎo.2装置）に設備した通常の電気電動機３１で駆動せしめる真空ポンプに（出力５９０ｋＷ）１１-2を、その運転周期での真空ポンプ最大負荷時に前記一方の系列のＰＳＡ式酸素製造装置１０１-1（Ｎo.1装置）でのスチームタービン駆動におけるの最大電力発生時を同期させるようにして、余剰電力を有効利用した。この場合、スチームタービン１３で発生した動力と電気入出力可能な誘導電動機１４との併用により駆動する真空ポンプを備えたＰＳＡ式酸素製造装置は１００％の定格運転を行い、他方の系列の通常の電気電動機３１で駆動する真空ポンプ１１-2を設備したＰＳＡ式酸素製造装置１０１-2（Ｎo.2装置）は５０％減量運転モードで稼働させた。これにより、消費した電力の削減が図れた。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のＰＳＡ式酸素製造装置及びその方法は、上記した如き態様で実施され、以下に記載する如き効果を奏する。
即ち、本発明のＰＳＡ式酸素製造装置では吸着筒の再生工程で、吸着剤に吸着されている易吸着成分の脱着排気に使用するために付設される真空ポンプの駆動に、スチームタービンによる回転駆動力と電力による誘導電動機とを併用した動力供給装置を使用するようにしたことにより、動力変動を安定させ、動力消費を低減することができる。
【００４２】
又、誘導電動機をＰＳＡ式酸素製造装置の操業サイクルに合わせ、駆動機としての動作と発電機としての動作を周期的に繰り返えすことによって、動力の変動を押さえるとともに、発電部分を有効利用して動力消費を削減することを可能としたものである。
【００４３】
更に、複数のＰＳＡ式酸素製造装置を並設して同時に運転する際には、各ＰＳＡ式酸素製造装置のそれぞれに設備した真空ポンプの駆動状態の変動特性を利用して、相互に変動を補償するよう組み合わせて駆動せしめて動力の変動を押さえるとともに、動力消費を低減し、かつ、安定した動力の供給による設備の安定した操業をすることを可能とする効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置の系統概略図。
【図２】  真空ポンプの動力負荷変動特性
【図３】  本発明の第２の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置の系統概略図。
【図４】  駆動周期を１／２ずらした複数の真空ポンプの動力負荷変動特性。
【図５】  本発明の第３の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置の系統概略図。
【図６】  本発明の第４の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置の系統概略図。
【符号の説明】
１０１…第１の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置、
２０１…第２の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置、
３０１…第３の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置、
４０１…第４の実施の形態のＰＳＡ式酸素製造装置、
４００…酸素燃焼装置、  １、４１…圧縮機、  ２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、５、６、７、９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂ…弁、
４…製品貯槽、  ８…流量計、  １１、５５…真空ポンプ、
１３、５１…スチームタービン、  １４、５６…誘導電動機、
１５…クラッチ、  １６…タンデム型動力供給装置 、  ３１…電動機、
４３…酸素圧縮機、  ４４…アキュムレータ、  ４６…燃料タンク、
４８…廃ガスボイラー、  ５３…純水タンク、
Ｌ0、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4、Ｌ5、Ｌ6、Ｌ7、Ｌ8、Ｌ9、Ｌ10、Ｌ11、Ｌ12、Ｌ13、４２、４５、４７、４９、５０、５２、５４…管路
Ａ、Ｂ…吸着筒、   Ｘ …吸着剤、  Ｒ…原料空気、  Ｏ2…酸素、
Ｓ…スチーム、  Ｗ…水、  Ｆ…燃料、  ＥG…廃ガス
【図１】
0004495356.tif 000002
【図２】
0004495356.tif 000003
【図３】
0004495356.tif 000004
【図４】
0004495356.tif 000005
【図５】
0004495356.tif 000006
【図６】
0004495356.tif 000007