(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着工程と再生工程とに切換使用する吸着塔に、大気からの原料空気を空気ブロワにより吸着工程にある吸着塔に供給し、大気中の酸素と他の成分とを吸着分離して製品酸素を製造する方法において、前記工程の切換えに伴う前記空気ブロワの電力変動速度を、前記空気ブロワの吐出側に設けた調節弁で吐出圧を調節することにより工程切換直前の電力に対して毎秒２０％以下にすることを特徴とする圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項２】
前記調節弁は、工程切換時に、その二次圧が約大気圧であるとき、工程切換直前の空気ブロワの吐出圧の±２０％を維持して所定空気流量を流すことができ、工程切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項３】
吸着工程と減圧再生工程とに切換使用する吸着塔に、大気からの原料空気を空気ブロワにより吸着工程にある吸着塔に供給し、大気中の酸素と他の成分とを吸着分離して製品酸素を製造するとともに、減圧再生工程にある吸着塔を真空ポンプにより減圧排気する圧力変動吸着酸素製造方法において、前記工程の切換えに伴う前記真空ポンプの電力変動速度を、前記真空ポンプの吐出側に設けた調節弁で吐出圧を調節することにより工程切換直前の電力に対して毎秒２０％以下にすることを特徴とする圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項４】
前記調節弁は、工程切換時に、真空ポンプの吐出圧を大気圧より３０〜６０ｋＰａ高くする開度となり、工程切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴とする請求項３記載の圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項５】
前記真空ポンプが二段式であり、前記調節弁を、一段目真空ポンプ吐出側と大気との間及び二段目真空ポンプ吐出側と大気との間の配管にそれぞれ設け、各調節弁は、工程切換時に、一段目真空ポンプの吐出圧を大気圧より２０〜４０ｋＰａ高くし、二段目真空ポンプの吐出圧を大気圧より３０〜６０ｋＰａ高くする開度となり、工程切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴とする請求項３記載の圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項６】
前記真空ポンプが二段式であり、前記調節弁を、一段目真空ポンプ吐出側と大気との間及び二段目真空ポンプ吐出側と大気との間並びに一段目真空ポンプ吸入側と吸着塔との間の配管にそれぞれ設け、各調節弁は、工程切換時に、一段目真空ポンプの吸入圧を大気圧より１０〜３０ｋＰａ低く、一段目真空ポンプの吐出圧を大気圧より１０〜３０ｋＰａ高く、二段目真空ポンプの吐出圧を大気圧より２０〜５０ｋＰａ高くする開度となり、吸着塔切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴とする請求項３記載の圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項７】
前記調節弁は、工程切換直後の真空ポンプの電力を、切換直前の電力の±２０％の範囲に維持するように調節されることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項記載の圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項８】
吸着工程と減圧再生工程とに切換使用する一つの吸着塔と、吸着工程では該吸着塔に大気からの原料空気を供給するために用いられるとともに、減圧再生工程では該吸着塔を減圧排気するための真空ポンプとして用いられる空気ブロワとを備えた圧力変動吸着酸素製造装置により大気中の酸素と他の成分とを吸着分離して製品酸素を製造する方法において、前記工程の切換えに伴う前記空気ブロワの電力変動速度を、前記空気ブロワの吐出側と大気との間の配管に設けた調節弁で吐出圧を調節することにより切換直前の電力に対して毎秒２０％以下にすることを特徴とする圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項９】
前記調節弁は、吸着工程から減圧再生工程への切換時に、該調節弁の二次圧が約大気圧であるとき、工程切換直前の空気ブロワの吐出圧の±２０％を維持して所定空気流量を流すことができ、工程切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴とする請求項８記載の圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項１０】
前記空気ブロワの吐出側と大気との間の配管に設けた調節弁に代えて、前記空気ブロワの吐出側と吸着塔との間の配管に調節弁を設け、該調節弁は、減圧再生工程から吸着工程への切換時に、空気ブロワの吐出圧を大気圧より３０〜６０ｋＰａ高くする開度で所定空気流量を流すことができ、工程切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴とする請求項８記載の圧力変動吸着酸素製造方法。
【請求項１１】
請求項１又は８記載の圧力変動吸着酸素製造方法を実施するための装置であって、弁体が開閉の２位置動作駆動装置で作動し、閉位置はストッパーにより全閉乃至所定の開度に開いた状態に設定可能で、動作速度が、前記駆動装置に供給する駆動空気の供給ライン及び／又は放出ラインに設けた絞り機構により制御可能な弁、弁体が開−中間−閉の３位置動作駆動装置で作動し、中間位置はストッパーにより調整可能で、動作速度が、前記駆動装置に供給する駆動空気の供給ライン及び／又は放出ラインに設けた絞り機構により制御可能な弁、弁体の開閉駆動装置にポジショナーを有し、動作速度が、前記ポジショナーに入力される工程切換機構と連動した信号あるいは該切換機構に連動するようにプログラム化された信号により制御可能な弁、のいずれか一つの調節弁を、前記空気ブロワの吐出側に配設したことを特徴とする圧力変動吸着酸素製造装置。
【請求項１２】
請求項３乃至６のいずれか１項記載の圧力変動吸着酸素製造方法を実施するための装置であって、弁体が開閉の２位置動作駆動装置で作動し、閉位置はストッパーにより全閉乃至所定の開度に開いた状態に設定可能で、動作速度が、前記駆動装置に供給する駆動空気の供給ライン及び／又は放出ラインに設けた絞り機構により制御可能な弁、弁体が開−中間−閉の３位置動作駆動装置で作動し、中間位置はストッパーにより調整可能で、動作速度が、前記駆動装置に供給する駆動空気の供給ライン及び／又は放出ラインに設けた絞り機構により制御可能な弁、弁体の開閉駆動装置にポジショナーを有し、動作速度が、前記ポジショナーに入力される工程切換機構と連動した信号あるいは該切換機構に連動するようにプログラム化された信号により制御可能な弁、のいずれか少なくとも一つの調節弁を、前記真空ポンプの吸入側及び／又は吐出側に配設したことを特徴とする圧力変動吸着酸素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力変動吸着法により酸素を製造するための方法及び装置に関し、詳しくは、圧力変動に伴う電力変動速度を緩和することができる圧力変動吸着酸素製造方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）により酸素を製造する方法（酸素ＰＳＡ）は、酸素を供給する手段として広く産業分野に普及している。この酸素ＰＳＡは、基本的に、酸素を吸着しにくい吸着剤を充填した吸着塔を、相対的に高い圧力で行われる吸着工程と相対的に低い圧力で行われる再生工程とに交互に切換えることにより、原料空気中の酸素を濃縮して空気組成（約２１％）よりも酸素濃度が高い製品酸素を製造する。また、吸着工程及び再生工程は、製品酸素の状況に応じて、吸着、放圧（降圧）、減圧、均圧、パージ、充圧（復圧）等の工程（操作）が適宜に組合わされて行われるが、一般的に、機能的な観点から吸着工程と減圧再生工程とに大別されている。
【０００３】
このような酸素ＰＳＡ、特に、再生工程を真空域で行うＰＳＡ（ＶＳＡ、ＶＰＳＡと言うこともある）では、操作圧力が短時間のサイクル内で大きく変動するのに伴い、原料空気となる大気を圧縮して供給する手段や、再生のために脱着ガスを真空排気する手段の操作圧力も変動する。
【０００４】
現在の主流技術である２塔式のＶＳＡは、二つの吸着塔が約３０〜６０秒で切換り、その都度、圧力が略一定のパターンで変動する。例えば、空気圧縮手段としての空気ブロワの吐出圧力は、約大気圧から数十ｋＰａ（ゲージ圧、以下同じ）の間で変化する。また、真空排気する手段としての真空ポンプの吸入圧力は、約大気圧から数百Ｔｏｒｒの間で変化する。これらの圧力変化は、吸着塔切換後から１秒程度の間が特に大きくなっている。
【０００５】
このような圧力変化は、空気ブロワや真空ポンプのような回転機械の消費電力の変化となり、圧力変化に伴って消費電力も変化する。従来の酸素ＰＳＡにおいては、消費電力が大きく変化しても、平均消費電力の小さいプロセスが、電力原単位の良いプロセスと評価されている。
【０００６】
一方、排気ガスや焼却灰の処理においては、環境上の規制により、各種の炉が何等かの形で酸素燃焼を利用することが増加してきている。また、ごみ焼却炉、ごみ溶融炉、ごみガス化溶融炉をはじめ、各種の炉に酸素を供給する場合、それらの炉に発電設備を併設し、そこで得られる電力で酸素ＰＳＡを運転し、この酸素ＰＳＡで製造した酸素を前記酸素燃焼に用いることも多くなってきている。
【０００７】
この場合、酸素ＰＳＡの特性に起因する前述のような消費電力の変動は、発電設備に大きな負荷変動を与えることになる。すなわち、ＰＳＡ装置の消費電力の変動は、発電設備において、負荷変動幅が大きくなったり、負荷変動速度が大きくなったり、さらには負荷変動の幅及び速度共に大きくなったりするなどの好ましくない問題を引き起こすことになる。
【０００８】
これらの問題は、発電設備の発電容量や負荷変動追従性、内部使用電力に占めるＰＳＡ電力の割合、あるいは、発電電力の送電・売電等の事情とも関連することであるが、ＰＳＡにおいては、解決すべき大きな課題となっている。
【０００９】
図１４は、従来の代表的な２塔式酸素ＰＳＡの系統図であって、吸着工程と減圧再生工程とに切換使用される２基の吸着塔Ａ，Ｂと、該吸着塔に大気からの原料空気を供給するため空気ブロワ１１と、吸着塔を減圧するため二段式の真空ポンプ１２（一段目１２ａ，二段目１２ｂ）と、製品タンク１３及びアフタークーラー１４と、これらに接続した配管及び各配管の所定位置に設けられた切換弁とにより形成されている。なお、空気ブロワ１１としては、通常、定容量型のものが用いられる。
【００１０】
吸着塔Ａの吸着工程では、空気ブロワ１１からの原料空気が空気送入弁２１ａを通して吸着塔Ａに供給され、該吸着塔内に充填されている吸着剤に吸着しやすい窒素が吸着し、吸着しにくい酸素が吸着塔上部から酸素取出弁２２ａを通り、製品取出し弁１３ａを通って製品タンク１３に回収される。このとき、吸着塔Ａ内は所定圧力に加圧された状態となっており、排気弁２３ａは閉じられている。また、この間、吸着塔Ｂは再生工程を行っており、吸着塔Ｂ内のガス（脱着ガス）が、排気弁２３ｂを経て真空ポンプ１２により排出されている。このとき、空気送入弁２１ｂ及び酸素取出弁２２ｂは閉じており、吸着塔Ｂ内は所定の真空度まで減圧される。また、真空ポンプ１２部分に設けられた大気開放弁２４，２５は、真空ポンプ１２のロードに応じて開閉する。さらに、空気ブロワ１１部分に設けられた圧縮空気放出弁２６及び吸着塔上部（出口）側同士を連結する均圧弁２７は、この工程では閉じた状態となっている。
【００１１】
このような構成の酸素ＰＳＡでは、一方の吸着塔を吸着工程から再生（減圧再生）工程へ、他方の吸着塔を再生工程から吸着工程へそれぞれ切換える際に、吸着工程を終了した吸着塔の上部に濃縮されている酸素を回収する方法によって大きく二つのプロセスに分けることができる。
【００１２】
その一つは、上部均圧回収と呼ばれるプロセスであって、一方の吸着塔、例えば吸着塔Ａが吸着工程を終了したときに、まず、該吸着塔Ａの空気送入弁２１ａ及び酸素取出弁２２ａと、再生工程にある他方の吸着塔Ｂの排気弁２３ｂとを閉じた後、均圧弁２７を開き、吸着塔Ａの上部にある酸素に富むガスを均圧弁２７を通して再生が終了した吸着塔Ｂの上部に送入し、吸着塔Ｂの圧力を上げるというプロセスである。
【００１３】
もう一つは、パージ回収と呼ばれるプロセスであって、吸着塔Ａが吸着工程を終了したときに、吸着塔Ａの空気送入弁２１ａと酸素取出弁２２ａとを閉じた後、減圧再生がある程度進んだ吸着塔Ｂの排気弁２３ｂを開いたままで均圧弁２７を開き、吸着塔Ａの上部にある酸素に富むガスを均圧弁２７を通して再生の最終段階にある吸着塔Ｂの上部にパージガスとして送入し、これによって吸着塔Ｂ内のパージを行うというプロセスである。
【００１４】
吸着工程に切換えられる吸着塔Ｂへの空気ブロワ１１からの原料空気の供給及び再生工程に切換えられる吸着塔Ａの真空ポンプ１２による排気は、上述の上部均圧回収やパージ回収が終了した後、所定の切換弁を開閉することにより行われる。
【００１５】
図１５及び図１６は、空気ブロワ１１及び真空ポンプ１２の電力変化の一例を示すもので、図１５は上部均圧回収プロセスの場合、図１６はパージ回収プロセスの場合をそれぞれ示している。図１５の上部均圧回収プロセスでは、工程切換時点ａ１，ａ２の直後に、空気ブロワ１１及び真空ポンプ１２の電力量が、両者とも最大電力から最小電力に急激に低下している。また、図１６のパージ回収プロセスでは、空気ブロワ１１の電力は吸着工程終了時点ｂ１，ｂ２の直後に、真空ポンプ１２の電力は再生終了時点ｃ１，ｃ２の直後に、それぞれ急激に低下している。
【００１６】
従来の酸素ＰＳＡでは、平均消費電力を低減させることを目的とし、できるだけ早く電力量を低下させるために切換弁の開閉をなるべく短時間、例えば１秒前後の時間で動作するように工夫している。その結果、空気ブロワ１１と真空ポンプ１２との合計電力は、上部均圧回収プロセスでは工程切換時点ａ１，ａ２の直後に、最大電力からその約２０〜３０％の最小電力へと低下しており、パージ回収プロセスでは、吸着終了時点ｂ１，ｂ２の直後に、最大電力からその約８０〜７０％の電力に低下し、さらに、再生終了時点ｃ１，ｃ２の直後に、最大電力の約２０〜３０％の最小電力に低下している。このような最大電力から最小電力への急激な変化は、発電設備にとって大きな負担となるため、発電設備側から見ると、極めて不都合なことである。
【００１７】
図１７は、１塔式酸素ＰＳＡの基本的構成を示す系統図である。この１塔式酸素ＰＳＡは、吸着工程と減圧再生工程とに切換使用する一つの吸着塔ＡＤと、吸着工程では該吸着塔に大気からの原料空気を供給するために用いられるとともに、減圧再生工程では吸着塔ＡＤを減圧するための真空ポンプとしても用いられる空気ブロワ１５と、前記同様の製品タンク１３及びアフタークーラー１４と、これらに接続した配管及び各配管の所定位置に設けられた切換弁とにより形成されている。
【００１８】
吸着塔ＡＤは、各切換弁を所定の順序で切換開閉することにより、吸着（製品取出し）、減圧（大気放出）、減圧（真空排気）、充圧（復圧）の各工程（操作）を繰り返して原料空気から酸素を製造する。すなわち、吸着工程では、大気吸入弁２８、空気送入弁２１及び酸素取出弁２２を開いて空気ブロワ１５から吸着塔ＡＤに原料空気を供給し、製品酸素を製品タンク１３に回収する。吸着工程から再生工程への切換えは、空気送入弁２１及び酸素取出弁２２を閉じて大気開放弁２９を開き、吸着塔内のガスを大気に放出する操作を行った後、大気吸入弁２８及び大気開放弁２９を閉じて排気弁２３及び大気開放弁３０を開くことにより空気ブロワ１５を真空ポンプとして使用し、吸着塔ＡＤ内のガスを空気ブロワ１５により吸入して排気する。
【００１９】
この再生工程の一つである真空排気操作においては、製品タンク１３内の製品酸素の一部を吸着塔ＡＤの製品取出し側（出口側）にパージ弁３１を通して逆流させるパージ操作を、真空排気の全時間連続してあるいは真空排気時間内に脈動的にあるいは真空排気時間内の後半に行うことも行われている。また、充圧段階においては、製品タンク１３からの酸素のみで充圧するものと、吸着塔出口側から製品酸素を流入させるとともに吸着塔入口側から原料空気を流入させて出口，入口の両方から同時に充圧するものと、酸素と空気とを時間差をつけて流入させることにより充圧するものとが行われている。さらに、吸着塔出口側に均圧タンクを設置し、吸着工程終了時に吸着塔出口部分に残存する酸素に富むガスを均圧タンクに回収し、回収したガスを減圧段階で均圧タンクから吸着塔ＡＤに逆流させることによってパージを行うようにしたものもある。
【００２０】
このような１塔式酸素ＰＳＡにおける空気ブロワ１５の運転状態と、圧力及び電力の関係は、図１８に示すような状態となる。図中に示す点ａは、吸着塔ＡＤを吸着工程から再生工程に切換える際に、大気開放弁３０を開いて原料空気圧縮用に使用していた空気ブロワ１５がアンロード運転（ＵＬ）に切換えられた時点であり、この切換時点ａの直後に電力が急激に低下している。また、点ｂは、吸着塔ＡＤを再生工程から吸着工程に切換える際に、大気吸入弁２８を開くことにより排気用の真空ポンプとして使用していた空気ブロワ１５をアンロード運転に切換えた時点であり、この切換時点ｂの直後にも電力が急激に低下している。このように、１塔式酸素ＰＳＡにおいても、前記２塔式と同様に、工程の切換時に電力が急激に低下する現象が発生する。
【００２１】
なお、この１塔式酸素ＰＳＡにおいても、前記２塔式と同様に、原料空気供給用のブロワと、吸着塔排気用の真空ポンプとを別個に設置して運転することもできる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、１塔式、２塔式のいずれのプロセスの場合においても、吸着工程の最終時点では、空気ブロワの吐出圧力が最も高く、原料空気の圧縮に要する電力が最大になっており、再生工程への切換えに伴って空気ブロワをアンロード運転状態にすると、空気ブロワの消費電力量が急激に減少する。また、再生工程の最終時点では、真空ポンプの吸入圧力が最も低く、真空排気に要する電力が最大になっており、吸着工程への切換えに伴って真空ポンプをアンロード運転状態にすると、真空ポンプの消費電力量が急激に減少する。なお、減圧再生の後半に大量のパージガスを流すプロセスにおいては、減圧再生の最終時点は、真空ポンプの吸入圧力が最低圧力でない場合があるが、急激な電力低下は、前記同様に、減圧再生最終時点後の切換直後に発生する。
【００２３】
このように、従来の酸素ＰＳＡのプロセスでは、吸着工程から再生工程への切換時と、再生工程から吸着工程への切換時とに、空気ブロワや真空ポンプの消費電力量が急激に減少し、その電力低下の速度が極めて早く、発電設備等への影響が極めて大きいという問題があった。
【００２４】
そこで本発明は、酸素ＰＳＡにおけるＰＳＡ操作やＰＳＡ性能への悪影響を回避しながら、工程切換時に生じる電力の変動速度を、発電設備の追従が可能な程度に小さくすることができる圧力変動吸着酸素製造方法及び装置を提供することを目的としている。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の圧力変動吸着酸素製造方法における第１の構成は、吸着工程と再生工程とに切換使用する吸着塔に、大気からの原料空気を空気ブロワにより吸着工程にある吸着塔に供給し、大気中の酸素と他の成分とを吸着分離して製品酸素を製造する方法において、前記工程の切換えに伴う前記空気ブロワの電力変動速度を、前記空気ブロワの吐出側に設けた調節弁で吐出圧を調節することにより工程切換直前の電力に対して毎秒２０％以下にすることを特徴としている。
【００２６】
さらに、前記空気ブロワの吐出側に設けられた調節弁は、該調節弁の二次圧が約大気圧であるとき、吸着塔切換時に、吸着塔切換直前の空気ブロワの吐出圧の±２０％を維持して所定空気流量を流すことができ、吸着塔切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明の圧力変動吸着酸素製造方法における第２の構成は、吸着工程と減圧再生工程とに切換使用する吸着塔と、該吸着塔を減圧するため真空ポンプと、前記吸着塔と真空ポンプとの間、前記吸着塔と大気との間、真空ポンプと大気との間にそれぞれ設けられた配管と、これらの配管に設けられた調節弁とを備えた圧力変動吸着酸素製造装置により大気中の酸素を濃縮して製品酸素を製造する方法において、前記吸着塔の切換えに伴う前記真空ポンプの電力変動速度を、切換直前の電力に対して毎秒２０％以下にすることを特徴としている。
【００２８】
さらに、前記真空ポンプの吐出側に設けられた調節弁は、吸着塔切換時に、真空ポンプの吐出圧を大気圧より３０〜６０ｋＰａ高くする開度となり、吸着塔切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴としている。また、前記真空ポンプが二段式であり、二段目真空ポンプ吐出側及び一段目真空ポンプ吐出側と大気との間の配管にそれぞれ設けられた調節弁は、吸着塔切換時に、一段目真空ポンプの吐出圧を大気圧より２０〜４０ｋＰａ高くし、二段目真空ポンプの吐出圧を大気圧より３０〜６０ｋＰａ高くする開度となり、吸着塔切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていること、あるいは、二段目真空ポンプ吐出側と大気との間及び二段目真空ポンプ吸入側と二段目真空ポンプ吐出側との間の配管にそれぞれ設けられた調節弁は、吸着塔切換時に、一段目真空ポンプの吸入圧を大気圧より１０〜３０ｋＰａ低く、一段目真空ポンプの吐出圧を大気圧より１０〜３０ｋＰａ高く、二段目真空ポンプの吐出圧を大気圧より２０〜５０ｋＰａ高くする開度となり、吸着塔切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴としている。また、前記調節弁は、吸着塔切換直後の真空ポンプの電力を、切換直前の電力の±２０％の範囲に維持するように調節されることを特徴としている。
【００２９】
本発明方法の第３の構成は、吸着工程と減圧再生工程とに切換使用する一つの吸着塔と、吸着工程では該吸着塔に大気からの原料空気を供給するために用いられるとともに、減圧再生工程では該吸着塔を減圧するために用いられる空気ブロワと、前記吸着塔と空気ブロワ吐出側との間、前記吸着塔と空気ブロワ吸入側との間、前記吸着塔と大気との間、空気ブロワと大気との間にそれぞれ設けられた配管と、これらの配管に設けられた調節弁とを備えた圧力変動吸着酸素製造装置により大気中の酸素を濃縮して製品酸素を製造する方法において、前記調節弁で吐出圧を調節することにより前記吸着塔の切換えに伴う前記空気ブロワの電力変動速度を、切換直前の電力に対して毎秒２０％以下にすることを特徴としている。
【００３０】
さらに、前記調節弁は、吸着工程から減圧再生工程への切換時で、該調節弁の二次圧が約大気圧であるとき、吸着塔切換直前の空気ブロワの吐出圧の±２０％を維持して所定空気流量を流すことができ、吸着塔切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴とし、また、  前記調節弁は、減圧再生工程から吸着工程への切換時に、空気ブロワの吐出圧を大気圧より３０〜６０ｋＰａ高くする開度で所定空気流量を流すことができ、吸着塔切換後には、２０秒以内で弁開度が全開になるように形成されていることを特徴としている。
【００３１】
また、本発明の圧力変動吸着酸素製造装置は、上述の圧力変動吸着酸素製造方法を実施するための装置であって、
弁体が開閉の２位置動作駆動装置で作動し、閉位置はストッパーにより調整可能で、開方向への動作速度は、前記駆動装置に供給する駆動空気の供給ライン及び／又は放出ラインに設けた絞り機構により制御可能な弁、
弁体が開−中間−閉の３位置動作駆動装置で作動し、中間位置はストッパーで調整可能で、開方向及び／又は閉方向への動作速度は、前記駆動装置に供給する駆動空気の供給ライン及び／又は放出ラインに設けた絞り機構により制御可能な弁、
弁体の開閉駆動装置にポジショナーを有し、開方向及び／又は閉方向への動作速度は、前記ポジショナーに入力される吸着塔切換機構と連動した信号あるいは該切換機構に連動するようにプログラム化された信号により開方向及び／又は閉方向への動作速度を制御可能な弁、
のいずれか一つの調節弁を、前記空気ブロワの吐出側、前記真空ポンプの吸入側及び／又は吐出側に配設したことを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の圧力変動吸着酸素製造方法を適用した酸素ＰＳＡの第１形態例を示す系統図である。本形態例に示す酸素ＰＳＡは、図１４に示した従来の酸素ＰＳＡにおいて、空気ブロワ１１の吐出側であるアフタークーラー１４の下流に、両吸着塔Ａ，Ｂの工程切換時における空気ブロワ１１の急激なガス（原料空気）流量の変動を緩和するための調節弁４１を設置したものである。
【００３３】
なお、空気ブロワ１１には、定容積型圧縮機を用いており、真空ポンプ１２には１段式も使用可能であるが、ここでは２段式定容積型を用いている。市販の２段式定容積型真空ポンプは、通常、１段吐出圧がおよそ３４０Ｔｏｒｒから略大気圧、２段吐出圧は略大気圧となっている。
【００３４】
本形態例において、吸着塔Ａが吸着工程、吸着塔Ｂが再生工程を行っている場合、配管５１から吸引されて空気ブロワ１１で圧縮された原料空気は、配管５２を通ってアフタークーラー１４で冷却された後、調節弁４１を通り、吸着塔Ａの入口配管５３ａに設けた空気送入弁２１ａを通って吸着塔Ａに流入する。吸着塔Ａでは、大気中の窒素や水分等が吸着剤に吸着されて酸素が塔出口側に濃縮され、濃縮された酸素富化ガスが、配管５４ａの酸素取出弁２２ａを通り、配管５５の製品取出し弁１３ａを通って製品タンク１３に取出される。製品タンク１３内の酸素は、製品酸素として配管５６から使用先に供給される。
【００３５】
一方、吸着塔Ｂ内のガスは、配管５３ｂから分岐した排気用配管５７ｂの排気弁２３ｂを通って排気され、吸着剤の減圧再生が行われる。この減圧再生において、塔内ガスは、その圧力が大気圧以上の場合は、配管５８の大気開放弁２４から大気に放出され、その後、真空ポンプ１２による塔内の真空排気が行われる。また、真空ポンプ１２の作動時には、一段目１２ａ及び二段目１２ｂにおける前後の圧力差に応じて配管５９の大気開放弁２５が開閉し、最終的には、一段目１２ａ及び二段目１２ｂが直列に作動して吸着塔Ｂ内が所定の真空度まで減圧され、排出ガスは配管６０から排出される。
【００３６】
吸着塔の工程切換は、まず最初に、吸着塔Ａの空気送入弁２１ａ及び酸素取出弁２２ａと、吸着塔Ｂの排気弁２３ｂとを閉じることから始まる。このとき、空気ブロワ１１の部分では、圧縮空気放出弁２６が開き、調節弁４１を通り抜けた圧縮原料空気が循環配管６１を通って空気ブロワ１１の吸入側に戻され、あるいは、圧縮空気放出弁２６から大気に放出されることにより、空気ブロワ１１をアンロード状態とする。また、真空ポンプ１２の部分では、大気開放弁２４，２５が開いて大気を吸入したり、吐出ガスを循環させたりして真空ポンプ１２をアンロード状態とする。
【００３７】
そして、この工程切換時に、前記調節弁４１は、その開度を適当に調整することにより、空気ブロワ１１の電力変動速度が、切換直前の電力に対して毎秒２０％以下になるようにする。すなわち、工程切換直後の電力低下率を、従来のような急激なものとせずに、毎秒２０％以下、好ましくは毎秒５〜１５％の緩やかな変動速度にする。これにより、発電設備に与える負荷変動速度を小さくすることができるので、発電設備における電力変化への追尾能力を軽減することができる。
【００３８】
電力変動速度を毎秒２０％以下にするための一手段としては、前記調節弁４１に次のような機能を有するもの、すなわち、吸着塔Ａの空気送入弁２１ａが閉じるとともに、圧縮空気放出弁２６が開いた工程切換時に、前記調節弁４１の一次圧（空気ブロワ１１の吐出圧）が最大圧力で、二次圧が圧縮空気放出弁２６の開弁によって約大気圧となったときに、該調節弁４１の弁開度が、空気ブロワ１１の吐出圧を前記最大圧力の±２０％とする範囲を維持して所定流量を流すことができる弁開度に絞られ、その後、一次圧を最大圧力からできるだけ直線的に大気圧まで低下させるように、次第に開弁方向に作動して２０秒以下、好ましくは５〜１５秒間で弁開度が全開になり、全開時点で空気ブロワ１１をアンロード状態にできるように形成したものを用いることによって行うことができる。
【００３９】
このような機能を有する調節弁としては、適宜な構造の弁を使用することが可能であり、弁体部分の構造は、バタフライ弁やボール弁等のガス流れを調整できる構造のものを適宜に用いることができ、複数の弁、例えば単純な開閉弁と流量調節弁とを組合わせることもできるが、弁体を開閉する駆動装置として、次のいずれかの駆動装置を用いた弁を使用することが好ましい。
【００４０】
まず、第１は、開閉の２位置動作の駆動装置を有するものであって、閉位置は駆動装置等に設けたストッパーで全閉乃至所定の開度に開いた状態に設定可能とし、開方向への動作速度は、該駆動装置に電磁切換弁等を介して供給される駆動空気の供給ラインあるいは放出ラインに設けた絞り機構により制御可能な駆動装置を用いた２位置動作タイプの弁である。
【００４１】
第２は、開−中間−閉の３位置動作の駆動装置を有するものであって、中間位置を駆動装置等に設けたストッパーで調整可能とし、開方向への動作速度を、該駆動装置に電磁切換弁等を介して供給される駆動空気の供給ラインや放出ラインに設けた絞り機構により制御可能な駆動装置を用いた３位置動作タイプの弁である。この場合、前記絞り機構には、流量を自動的に調整可能なスピードコントローラー等を使用することができる。
【００４２】
第３は、弁体の作動位置を任意の位置に設定できるポジショナーを有するものであって、開方向への動作速度を、該ポジショナーに入力される吸着塔切換機構と連動した信号あるいは該切換機構に連動するようにプログラム化された信号により制御可能な駆動装置を用いたポジショナータイプの弁である。この場合、信号のプログラム化は、プログラム設定器により任意に設定することが可能であり、弁体の動作を連続的にすることもでき、段階的にすることもできる。
【００４３】
調節弁４１には、これらの３タイプの弁のいずれを使用しても上述の効果を得ることができるが、２位置動作タイプの弁、ポジショナータイプの弁が好適である。
【００４４】
このように、空気ブロワ１１における電力変動速度の緩和は、空気ブロワ１１の吐出圧や流量を所定の変動幅で変動するように制御することが可能な調節弁４１を設けるだけで実施可能であるから、従来からの酸素ＰＳＡのシステムに大きな変更を加える必要がないという利点もある。また、再生工程から吸着工程に切換えられる吸着塔Ｂの充圧操作は、大量の大気（原料空気）を吸着塔Ｂに供給する必要があるが、空気ブロワ１１の吐出圧や調節弁４１の状態に関係なく、塔内圧力と大気との圧力差により圧縮空気放出弁２６を通して大量の大気を吸着塔Ｂに供給することができるので、充圧操作も問題なく行うことができる。さらに、このように空気ブロワ１１の電力低下率を緩和する方法、すなわち、空気ブロワ１１の吐出側に調節弁４１を設置して圧力や流量を調節する方法は、本形態例に示す２塔式に限らず、１塔式でも同様の効果が得られる。また、真空ポンプ１２を使用しない大気圧再生方式でも同様である。
【００４５】
図２は本発明の第２形態例を示す酸素ＰＳＡの要部の系統図である。なお、本形態例以下は、前記第１形態例と略同様の構成の装置に適用することができるので、本形態例を実施するために必要な要部のみを図示して説明を行う。
【００４６】
本形態例は、吸着塔Ａ，Ｂの入口部に接続した配管５３ａ，５３ｂに設ける弁を、従来の単純な開閉弁からなる空気送入弁２１ａ，２１ｂに代えて、前記２位置動作タイプの弁やポジショナータイプの弁からなる調節弁４２ａ，４２ｂとしたものである。また、吸着塔Ａ，Ｂの入口部には大気開放弁３２ａ，３２ｂを有する配管３３ａ，３３ｂをそれぞれ設けている。
【００４７】
本形態例では、例えば吸着塔Ａが減圧再生を終了した場合、まず、排気弁２３ａが閉じて大気開放弁３２ａが開くことにより大気を吸着塔Ａ内に流入させて塔内圧力を約大気圧とする大気充圧を行った後、大気開放弁３２ａを閉じて調節弁４２ａを所定の状態で開弁することによって原料空気による加圧を行う。そして、塔内圧力が所定圧力に上昇してから製品酸素の取出しが始まる。
【００４８】
前記大気充圧操作の終了後、前記調節弁４２ａ，４２ｂは、全閉状態から所定の開度に開くことによって加圧開始時における空気ブロワ１１の吐出圧を所定の範囲内に調節し、これにより、前記形態例と同様にして空気ブロワ１１の電力変動速度を切換直前の電力に対して毎秒２０％以下になるようにすることができる。
【００４９】
また、圧縮空気放出弁２６は、開閉の２位置動作の駆動装置で作動し、駆動装置にストッパーを設けるなどして開位置を適当に調整でき、開位置において、該弁２６の一次圧力が吸着最終時点の空気ブロワ１１の吐出圧近辺で、二次圧力が大気圧のときに、空気ブロワ１１の処理量を流せる開度に調整できるものを使用するか、あるいは、全開、全閉の２位置動作の圧縮空気放出弁２６に直列に手動弁を設け、この手動弁の固定開度を前記処理量に対応した開度に調節するようにしておく。
【００５０】
前記調節弁４２ａ，４２ｂとしては、駆動装置に供給する駆動空気の供給ライン及び／又は駆動空気の放出ラインに絞り機構（スピードコントローラー）を設けて開方向への動作速度を制御できるようにした弁、あるいは、吸着塔切換機構と連動した信号あるいは該切換機構に連動するようにプログラム化された信号により開方向への動作速度を制御できるポジショナーを有する弁のいずれかを使用し、開動作時において、該弁の一次圧力が最大圧力から約大気圧力まで、できるだけ直線的に、２０秒以内で、好ましくは５〜１５秒間で下がるように調節する。なお、電動弁も、開方向への動作速度の制御が可能であるが、全開から全閉に向かう高速動作に対応できないため、前記調節弁には適していない。
【００５１】
本形態例は、従来のシステムの大きな変更無しに、かつ、確実に達成できる利点がある。例えば、吸着塔の充圧操作は、大量の原料空気を吸着塔に供給する必要があるが、空気ブロワ１１の吐出圧力を心配せずに、大気開放弁３２ａ，３２ｂを有する配管３３ａ，３３ｂから行うことができる。これらの結果、空気ブロワ１１の電力変動速度を緩和することが可能となる。
【００５２】
図３は本発明の第３形態例を示す酸素ＰＳＡの要部の系統図である。本形態例は、真空ポンプの電力変動を押さえるために、真空ポンプ１２の吐出側の配管６０に調節弁４３を設けるとともに、一段目真空ポンプ１２ａの吐出側から分岐した配管５９を、二段目真空ポンプ１２ｂをバイパスするようにして前記調節弁４３の上流に接続したものである。
【００５３】
この調節弁４３は、工程切換時における真空ポンプ１２の吐出圧力を調節することによって真空ポンプ１２の消費電力を調節するためのものであって、例えば、工程が吸着塔Ａの減圧再生から吸着塔Ｂの減圧再生に切換わる場合、工程切換前は、真空ポンプ１２の吸入圧力は、所定の真空度、例えば２６０Ｔｏｒｒであり、吸着塔Ｂの減圧再生に切換った場合、真空ポンプ１２をアンロード状態にするために排気弁２３ｂ、大気開放弁２４，２５が全開状態になるので、真空ポンプ１２の吸入圧力が２６０Ｔｏｒｒから一気に大気圧に変化することになる。このとき、調節弁４３を所定の開度まで所定のタイミングで絞り、真空ポンプ１２の吐出圧力（二段目真空ポンプ１２ｂの吐出圧）が大気圧より３０〜６０ｋＰａ高い圧力になるように調節することにより、真空ポンプ１２の前後の圧力差を適当に維持して真空ポンプ１２が一気にアンロード状態になることを抑制し、これによって急激な電力変動を緩和することができる。この後は、調節弁４３が所定のタイミングで全開状態となり、吸着塔Ｂの減圧再生の進行に応じて大気開放弁２４，２５弁が閉じていく。
【００５４】
このとき、真空ポンプ１２の吐出圧が大気圧より３０ｋＰａ高い圧力に満たない場合は、電力の低下速度が大きくなってしまうことがあり、６０ｋＰａ高い圧力を超える場合は、その後の電力上昇が早くなってしまうことがある。
【００５５】
このように二段目真空ポンプ１２ｂの吐出圧を調節弁４３で調節することにより、真空ポンプ１２における工程切換直後の電力変動速度を切換直前の電力に対して毎秒２０％以下、好ましくは毎秒５〜１５％の緩やかな変動速度にすることができる。
【００５６】
図４は本発明の第４形態例を示す酸素ＰＳＡの要部の系統図である。本形態例は、真空ポンプ１２における二段目真空ポンプ１２ｂの吐出側配管６０は、前記形態例と同様の調節弁４３を設けて大気に連通させるとともに、一段目真空ポンプ１２ａの吐出側から分岐した配管５９は、調節弁４４を設けて大気に連通させたものである。
【００５７】
本形態例においても、工程切換直後に真空ポンプ１２の吸入圧力が略大気圧になるときに、調節弁４３，４４の開度を絞ることにより、一段目真空ポンプ１２ａの吐出圧を大気圧より２０〜４０ｋＰａ高い圧力に、二段目真空ポンプ１２ｂの吐出圧をそれよりも高い圧力で、大気圧より３０〜６０ｋＰａ高い圧力に、それぞれ調節する。このとき、一段目真空ポンプ１２ａの吐出圧が低すぎると、二段目真空ポンプ１２ｂへの負荷が大きくなって電力消費量が増大し、吐出圧が高すぎると二段目真空ポンプ１２ｂの負荷が小さくなりすぎて電力が急激に減少してしまう不都合が発生することがある。また、二段目真空ポンプ１２ｂの吐出圧が低すぎると切換直後の電力低下幅が大きくなることがあり、吐出圧が高すぎると電力の消費量が増加してしまう不都合がある。
【００５８】
図５は本発明の第５形態例を示す酸素ＰＳＡの要部の系統図である。本形態例は、前記第４形態例における真空ポンプ１２の吸入側にも調節弁４５を設けたものである。本形態例では、工程切換直後に各調節弁４３，４４，４５を所定開度まで絞ることにより、真空ポンプ１２における各段の吸入圧及び吐出圧を調節して電力変動を抑制するようにしている。
【００５９】
すなわち、工程切換直後に真空ポンプ１２の吸入側圧力が大気圧付近に上昇して真空ポンプ１２がアンロード状態になるときに、吸入側の調節弁４５が所定開度まで絞られ、一段目１２ａの吸入圧を大気圧よりも１０〜３０ｋＰａ低くなるようにし、同時に、調節弁４４が絞られて一段目１２ａの吐出圧（二段目１２ｂの吸入圧）を大気圧より２０〜４０ｋＰａ高くなるようにするとともに、調節弁４３が絞られて二段目１２ｂの吐出圧を大気圧より２０〜５０ｋＰａ高くなるようにする。
【００６０】
この場合、前記第４形態例に比べて、真空ポンプ吸入圧を下げた分だけ、一段目１２ａ及び二段目１２ｂの吐出圧を低くすることができる。しかし、一段目１２ａの吸入圧が大気圧より３０ｋＰａ低い圧力より低くし過ぎると、真空排気量が減少してＰＳＡの性能に悪影響を及ぼすことがあり、好ましくない。また、調節弁４３，４５には、２位置動作タイプの弁又はポジショナータイプの弁が好適であるが、調節弁４４としては、減圧排気時の動作を考慮して、開−中間−閉の３位置動作タイプの弁が好適である。
【００６１】
図６は本発明の第６形態例を示す酸素ＰＳＡの系統図であって、１塔式のプロセスに適用した一形態例を示すものである。本形態例は、前記図１７に示した従来の１塔式酸素ＰＳＡにおいて、空気送入弁２１に代えて調節弁４６を、第２排気弁３０に代えて調節弁４７をそれぞれ用いることにより、真空ポンプとしても機能する空気ブロワ１５の吐出圧を制御して電力変動を緩和させるようにしている。
【００６２】
吸着工程から再生工程への切換えの際には、空気ブロワ１５は圧縮機から真空ポンプに切換えられるが、このとき、大気吸入弁２８、大気開放弁２９及び調節弁４６が閉で、排気弁２３が開となり、空気ブロワ１５の吸入圧は略大気圧となっている。真空ポンプへの切換えと同時に、排気のために調節弁４７が開弁するが、この開弁動作を制御することにより、空気ブロワ１５が大気圧状態のガスを吸入したときに、電力の急低下が許容値内に抑えられるような吐出圧を確保できる開度とし、その後、２０秒以内、好ましくは５〜１５秒で全開とするように設定する。
【００６３】
一方、真空ポンプから圧縮機への切換えの際には、排気弁２３が閉じて大気吸入弁２８が開くとともに、調節弁４６が開いて調節弁４７が閉じることになるが、この場合も、調節弁４６の開度や開弁速度、調節弁４７の開度や閉弁速度を調節することにより、吐出圧を前記同様に制御して電力変動量を緩和させることができる。
【００６４】
具体的には、工程切換時において、切換直前の圧力に対する圧力変動が±２０％の範囲内になるように調節弁４６，４７の弁開度や開閉速度を制御することにより、工程切換後の電力の低下速度を切換直前の電力に対して毎秒２０％以下、好ましくは毎秒５〜１５％にすることができる。
【００６５】
また、使用する弁のタイプは、空気送入弁となる調節弁４６には２位置動作タイプ、第２排気弁となる調節弁４７には３位置動作タイプ又はポジショナータイプが好適である。
【００６６】
以上の各形態例に示す各構成は、それぞれ単独で採用することによっても電力変動緩和効果を得ることができるが、酸素ＰＳＡの性能や能力に応じて、組合わせ可能な構成を任意に組合わせて採用することもできる。また、上記各形態例で説明した以外の開閉弁や切換弁にも、各形態例と同様の調節弁を使用することも可能である。
【００６７】
【実施例】
実施例１
図１に示す構成の２塔式ＰＳＡ装置を使用した。製品酸素量は、１００％換算で５００Ｎｍ３／ｈであり、純度は９３％である。空気ブロワ１１は、吸着工程の最終時点において、３５ｋＰａで４３００Ｎｍ３／ｈを送気しており、このときの消費電力は７１ｋＷであった。空気ブロワ吐出側の調節弁４１は、口径３００Ａ（１２Ｂ）のバタフライ弁であり、全開時のＣｖ値（流量係数）は４７００、全開角度は９０度、全閉角度は０度であり、４〜２０ｍＡの電気信号で開閉するポジショナーを備えたものとした。そして、該調節弁４１の全閉信号時の開度角度を１７．８度（全開Ｃｖの６％）に設定した。また、圧縮空気放出弁２６は、口径３００Ａの開閉弁を使用した。
【００６８】
工程切換信号により、圧縮空気放出弁２６を全開に作動させるとともに、調節弁４１は全開から全閉方向に向かって作動させ、約１秒後に１７．８度の全閉信号角度になるようにした。このとき、空気ブロワ１１の吐出圧は３６ｋＰａとなり、切換直前の値に対して３％以下の変化であった。また、消費電力は７３ｋＷとなり、５％以下の変化であった。
【００６９】
バタフライ弁におけるガス流れの基本計算式では、３０℃において、一次圧力が３５ｋＰａ、二次圧力が大気圧、空気流量が４３００Ｎｍ３／ｈの条件で求めたＣｖ値は２８４であり、全開Ｃｖ値の６％となった。なお、吐出圧力が１ｋＰａ上昇したが、これは調節弁４１の二次圧力が大気圧より若干高いことが原因である。
【００７０】
この状態から、調節弁４１に対して、ケース１では０．１ｍＡ／秒で１０秒間だけ開信号を増やし、ケース２では０．１ｍＡ／秒で５秒間、その後０．３ｍＡで５秒間だけ開信号を増やし、さらに、ケース３では０．２ｍＡ／秒で１０秒間だけ開信号を増やし、その後、各ケースとも強制的に全開にした。各ケースにおける空気ブロワ１１の電力変化及び吐出圧力変化の状態を図７に示す。
【００７１】
ケース１では、動作開始後５秒間は毎秒約５．４％で電力が低下し、次の５秒間は毎秒約３．７％で電力が低下した。１０秒後の吐出圧力は１７．５ｋＰａまでしか低下してなく、次に弁を強制全開したときに、ほぼ瞬間的に吐出圧力が６．０ｋＰａに下がった。このときの瞬間の電力変動幅は最大電力の約１８．３％に達した。
【００７２】
ケース２では、動作開始後５秒間は毎秒約５．４％で電力が低下し、次の５秒間は毎秒約７．３％で電力が低下した。１０秒後の吐出圧力は約６．０ｋＰａに低下しており、弁の強制全開時には、吐出圧力はほとんど変化しなかった。したがって、電力の変動もほとんどなかった。
【００７３】
ケース３では、動作開始後１秒間は毎秒約９．９％、次の４秒間は毎秒約８．１％、その次の５秒間は毎秒約３．１％で電力が低下した。１０秒後の吐出圧力は約９．０ｋＰａに低下した。このときの弁の強制全開による電力変化は２．８％であった。
【００７４】
本実施例では、いずれのケースも、電力変動速度が最大電力に対して毎秒２０％以下、瞬間電力変動幅が最大電力の±２０％以内をそれぞれ満足したが、開弁速度を変更することによって電力変動速度を任意に調節できることが分かった。これらのケースの中では、ケース３が最小の平均消費電力で、かつ、変動速度を低く抑えることができ、最も好ましいケースとなった。なお、調節弁全開後は、従来と同じとなる。
【００７５】
実施例２
図２に示す構成の２塔式ＰＳＡ装置を使用した。製品酸素量及び純度は実施例１と同じであり、吸着工程の最終時点における空気ブロワ１１の吐出圧力、送気量及び消費電力も実施例１と同じである。調節弁４２ａ，４２ｂにも、実施例１の調節弁と同じポジショナータイプの弁を使用した。圧縮空気放出弁２６には、口径１００Ａのバタフライ弁を使用した。この圧縮空気放出弁２６における全開時のＣｖ値は４６０であるが、弁駆動装置に設けたストッパーによって全開位置をＣｖ値が約３００になる開度に設定した。
【００７６】
吸着塔Ａが吸着工程から再生工程に、吸着塔Ｂが再生工程から吸着工程に切換る際の切換信号により、吸着塔Ａの調節弁４２ａが全閉に、圧縮空気放出弁２６が全開にそれぞれ動き、約１秒後に動きを完了した。同時に、大気開放弁３２ｂが開き、吸着塔Ｂが大気吸入配管３３ｂから大気を吸入することにより充圧されて略大気圧となった。このときの空気ブロワ１１の吐出圧は３１ｋＰａとなり、消費電力は６５ｋＷとなった。電力の変動率は最大電力の８．５％であった。
【００７７】
この状態で大気開放弁３２ｂを全閉としてから、調節弁４２ｂに対して全閉から開度角度５度（全開Ｃｖの略０％）の電気信号を与え、その後、ケース１では０．０４ｍＡ／秒で１０秒間だけ開信号を増やし、ケース２では０．０４ｍＡ／秒で５秒間、その後０．５ｍＡ／秒で５秒間だけ開信号を増やし、その後、両ケースとも強制的に全開にするとともに、圧縮空気放出弁２６を全閉にした。両ケースにおける空気ブロワ１１の電力変化及び吐出圧力変化の状態を図８に示す。
【００７８】
ケース１では、動作開始後２．５秒間は  毎秒約１０．７％で電力が低下し、次の２．５秒間は毎秒約３．４％で電力が低下した。５秒後のブロワ吐出圧力は１６．０ｋＰａまで低下したが、次の５秒間で吐出圧力が上昇に転じ、消費電力も上昇を始めたためにテストを中断した。これは、吸着塔Ｂ内の圧力が充圧により大気圧近くに上昇しているため、調節弁４２ｂの二次圧力が上昇して弁流量が減少したことによる。
【００７９】
一方、ケース２では、動作開始後５秒間はケース１と同様であり、次の５秒間は毎秒３．４％電力が低下した。また、１０秒後の吐出圧力は約８．０ｋＰａに低下し、弁の強制全開時における吐出圧力は６．０ｋＰａに低下した。このときの電力変動幅は最大電力の約１．４％であった。
【００８０】
この実施例では、ケース２が、電力変動速度が最大電力に対して毎秒２０％以下、瞬間電力変動幅が最大電力の±２０％以内を満足したが、実施例１と同様に、弁の作動速度の相違によって電力変動速度を所望の範囲に緩和、制御することが可能なことを確認できた。
【００８１】
実施例３
図３に示す構成の２塔式ＰＳＡ装置を使用した。製品酸素量及び純度は実施例１と同じである。真空ポンプ１２は注水式ルーツブロワ２段、排気容量は１５０ｍ３／分であり、真空排気の最終時点における吸入圧力は２６０Ｔｏｒｒ、電力は１８４ｋＷとなった。調節弁４３は、４００Ａのバタフライ弁であり、全開時のＣｖ値は８０００、全開角度は９０度、全閉角度は０度であり、４〜２０ｍＡの電気信号で開閉するポジショナーを有するものを用いた。この調節弁４３の全閉信号時の開度角度を１５度（全開Ｃｖの６％）に設定した。このときに調節弁４３に与えた電気信号は４．９ｍＡであった。また、弁２４は口径４００Ａの開閉弁である。
【００８２】
吸着塔Ａが再生工程から吸着工程へと切換えられる切換信号によって排気弁２３ａを全閉に、大気開放弁２４，２５を全開に作動させ、同時に調節弁４３を全開から角度１５度に作動させて約１秒後に各弁の動きを完了した。この時点での真空ポンプ１２の吸入圧力は約大気圧、１段及び２段の吐出圧力は４５ｋＰａとなり、電力は１６３ｋＷとなった。このときの電力の変化は約１１．４％であった。
【００８３】
すなわち、ルーツブロワの必要電力が吸入と吐出との圧力差に比例することを利用し、真空排気時の（大気圧−吸入圧）の差圧を（吐出圧−大気圧）の関係とすることにより、切換時の電力変動幅を吸収するようにしている。
【００８４】
次に、調節弁４３に対して、開度角度１５度の電気信号から、ケース１では毎秒０．１ｍＡで５秒間だけ開信号を増やし、ケース２では０．２ｍＡ／秒で５秒間だけ開信号を増やし、その後、両ケースとも強制的に全開にした。各ケースにおける真空ポンプ１２の電力変化の状態を図９に示す。
【００８５】
その結果、ケース１では、動作開始後１秒間は毎秒約７．０％で電力が低下し、次の２秒間は毎秒約４．１％で電力が低下し、さらに次の２秒間は毎秒約８．２％で電力が低下した。５秒後のポンプ吐出圧力は２６．０ｋＰａまで低下し、電力は１０５ｋＷになった。この間、吸着塔Ｂの排気が進み、１段目真空ポンプ１２ａの吸入圧力は６７０Ｔｏｒｒになっていた。次の強制開弁で電力が瞬間的に１００ｋＷまで低下したが、この変化率は２．７％であった。
【００８６】
ケース２では、動作開始後１秒間は毎秒約１１％で電力が低下し、次の２秒間は毎秒約７．６％で電力が低下し、さらに、次の２秒間は毎秒約５．４％で電力が低下した。５秒後のポンプ吐出圧力は１８．５ｋＰａまで低下し、電力は９５ｋＷになった。次の強制開弁で瞬間的に１００ｋＷまで上昇したが、この変化率は２．７％であった。
【００８７】
この実施例では、ケース１及びケース２ともに、電力変動速度が最大電力の毎秒２０％以下、瞬間電力変動幅が最大電力の±２０％以内を満足したが、ケース２が許容変化内で電力を速やかに低減でき、より良い結果となった。
【００８８】
実施例４
図４に示す構成の２塔式ＰＳＡ装置を使用した。製品酸素量及び純度は実施例１と同じであり、真空ポンプ１２及び大気開放弁２４は実施例３と同じである。調節弁４３は、３００Ａのバタフライ弁で全開時のＣｖ値が４７００、調節弁４４は１５０Ａのバタフライ弁で全開時のＣｖ値は１１５０である。両調節弁における全開角度は９０度、全閉角度は０度であり、４〜２０ｍＡの電気信号で開閉するポジショナーを有している。また、調節弁４３の全閉信号時の開度角度を２１度（全開Ｃｖの７．４％）に、調節弁４４の全閉信号時の開度角度を２０度（全開Ｃｖの７％）に、それぞれ設定した。このときに弁に与えた電気信号は、調節弁４３は７．７ｍＡ、調節弁４４は７．６ｍＡであった。
【００８９】
吸着塔Ａが再生工程から吸着工程へと切換えられる切換信号によって排気弁２３ａを全閉に、大気開放弁２４を全開に作動させ、同時に調節弁４３を全開から角度２１度に、調節弁４４を全開から角度２０度に作動させて約１秒後に各弁の動きを完了した。この時点での真空ポンプ１２の吸入圧力は約大気圧、１段目の吐出圧力は３０ｋＰａ、２段目の吐出圧力は５９ｋＰａとなり、電力は１８６ｋＷとなった。このときの電力の変化は約１．１％であった。本実施例では、実施例３に比べて１段目の吐出圧力を１５ｋＰａ下げている。
【００９０】
次に、調節弁４４に対して、開度角度２０度の電気信号から毎秒０．３ｍＡで７秒間だけ開信号を増やし、その後強制的に全開にした。同時に、調節弁４３に対して、開度角度２１度の電気信号からケース１では０．１ｍＡ／秒で７秒間だけ開信号を増やし、ケース２では塔内の放圧が終了する１秒経過後から０．２ｍＡ／秒で６秒間だけ開信号を増やし、その後、両ケースとも強制的に全開にした。各ケースにおける真空ポンプ１２の電力変化の状態を図１０に示す。
【００９１】
その結果、ケース１では、動作開始後１秒間は毎秒約８．７％で電力が低下し、次の３秒間は毎秒約４．５％で電力が低下し、次の１秒間は毎秒約１４．７％で電力が低下し、さらに次の２秒間は毎秒約５．４％で電力が低下した。７秒後の１段真空ポンプ１２ａの吐出圧力は４ｋＰａ、２段真空ポンプ１２ｂの吐出圧力は３０ｋＰａとなり、電力は９８ｋＷであった。次の強制開弁で電力は１０２ｋＷになったが、電力の変動はほとんど見られなかった。
【００９２】
ケース２では、動作開始後１秒間は毎秒約１３．６％で電力が低下し、次の３秒間は毎秒約５．１％で電力が低下し、次の１秒間は毎秒約１３．６％で電力が低下し、さらに次の２秒間は毎秒約７％で電力が低下した。７秒後の１段真空ポンプ１２ａの吐出圧力は４ｋＰａ、２段真空ポンプ１２ｂの吐出圧力は２３ｋＰａとなり、電力は１０１ｋＷであった。次の強制開弁で電力は１０２ｋＷになったが、電力の変動はほとんど見られなかった。
【００９３】
この実施例では、ケース１及びケース２ともに、電力変動速度が最大電力の毎秒２０％以下、瞬間電力変動幅が最大電力の±２０％以内を満足したが、ケース２が電力を速やかに低減でき、消費電力の点で優れていた。
【００９４】
実施例５
図５に示す構成の２塔式ＰＳＡ装置を使用した。製品酸素量及び純度は実施例１と同じで、真空ポンプ１２及び大気開放弁２４の条件は実施例３と同じである。調節弁４３は、３００Ａのバタフライ弁で全開時のＣｖ値が４７００、調節弁４３及び調節弁４４は実施例４と同じであり、調節弁４５は、４００Ａのバタフライ弁で全開時のＣｖ値は８０００である。各調節弁における全開角度は９０度、全閉角度は０度であり、４〜２０ｍＡの電気信号で開閉するポジショナーを有している。また、調節弁４３の全閉信号時の開度角度を２０．７度（全開Ｃｖの７．３％）に、調節弁４４の全閉信号時の開度角度を２８．４度（全開Ｃｖの１２％）に、調節弁４５の全閉信号時の開度角度を２７度（全開Ｃｖの１１．２％）に、それぞれ設定した。このときに弁に与えた電気信号は、調節弁４３は７．７ｍＡ、調節弁４４は９．１ｍＡ、調節弁４５は８．８ｍＡであった。
【００９５】
吸着塔Ａが再生工程から吸着工程へと切換えられる切換信号によって排気弁２３ａを全閉に、大気開放弁２４を全開に作動させ、同時に調節弁４３を全開から角度２０．７度に、調節弁４４を全開から角度２８．４度に、調節弁４５を全開から角度２７度に作動させて約１秒後に各弁の動きを完了した。この時点での真空ポンプ１２の吸入圧力は約６８４Ｔｏｒｒ、１段目の吐出圧力は１７ｋＰａ、２段目の吐出圧力は４２ｋＰａとなり、電力は１７６ｋＷとなった。このときの電力の変化は約４．３％であった。本実施例では、実施例３に比べて１段目の吐出圧力を２８ｋＰａ下げている。
【００９６】
次に、調節弁４５に対して、開度角度２７度の電気信号から毎秒０．６ｍＡで７秒間だけ開信号を増やし、その後強制的に全開にした。また、調節弁４４に対して、開度角度２８．４度の電気信号から毎秒０．４５ｍＡで７秒間だけ開信号を増やし、その後強制的に全開にした。そして、調節弁４３に対しては、開度角度２０．７度の電気信号から、ケース１では１秒経過後から０．２ｍＡ／秒で６秒間だけ開信号を増やし、ケース２では１秒経過後から０．３５ｍＡ／秒で６秒間だけ開信号を増やし、その後、両ケースとも強制的に全開にした。各ケースにおける真空ポンプ１２の電力変化の状態を図１１に示す。
【００９７】
その結果、ケース１では、動作開始後１秒間は毎秒約６．８％で電力が低下し、次の１秒間は毎秒約９．９％で電力が低下し、次の２秒間は毎秒約７．７％で電力が低下し、次の３秒間は毎秒約４．６％で電力が上昇した。このとき、真空ポンプ１２の吸入圧力は４秒後に７５２Ｔｏｒｒに復帰した。７秒後の１段真空ポンプ１２ａの吐出圧力は２．５ｋＰａに低下し、２段真空ポンプ１２ｂの吐出圧力は１５ｋＰａとなった。この時点での電力は１３３ｋＷであった。次の強制開弁で電力は１０６ｋＷになり、このときの電力の変動率は１４．７％であった。
【００９８】
ケース２では、動作開始後１秒間は毎秒約６．８％で電力が低下し、次の１秒間は毎秒約１３．４％で電力が低下し、次の２秒間は毎秒約８．９％で電力が低下し、次の３秒間は毎秒約３．５％で電力が上昇した。７秒後の１段真空ポンプ１２ａの吐出圧力は２．５ｋＰａ、２段真空ポンプ１２ｂの吐出圧力は８３ｋＰａとなり、電力は１１９ｋＷであった。次の強制開弁で電力は１０６ｋＷになり、このときの電力の変動率は７．１％であった。
【００９９】
この実施例では、ケース１及びケース２ともに、電力変動速度が最大電力の毎秒２０％以下、瞬間電力変動幅が最大電力の±２０％以内を満足したが、ケース２が電力を速やかに低減でき、消費電力の点で優れていた。
【０１００】
実施例６
図６に示す構成の１塔式ＰＳＡ装置を使用した。製品酸素量は、１００％換算で２７０Ｎｍ３／ｈであり、純度は９０％である。再生工程は３０秒、吸着工程は２０秒（１サイクル５０秒）とした。空気ブロワ１５は、吸着工程の最終時点において、６０ｋＰａで４６６０Ｎｍ３／ｈを送気しており、このときの消費電力は１３０ｋＷであった。調節弁４６及び調節弁４７は、共に、口径２００Ａ（８Ｂ）のバタフライ弁で全開時のＣｖ値が２１００、全開角度は９０度、全閉角度は０度であり、４〜２０ｍＡの電気信号で開閉するポジショナーを有している。調節弁４６は、中間開度信号時の開度角度を４５．８度（全開Ｃｖの２９．６％）に設定した。このときに調節弁４３に与えた電気信号は１２．１ｍＡであった。一方、調節弁４７は、微開（中間開度）信号時の開度角度を２７．５度（全開Ｃｖの１１．６％）に設定した。このときに調節弁４７に与えた電気信号は８．９ｍＡであった。また、大気開放弁２９は２００Ａの開閉弁、排気弁２３及び大気吸入弁２８はそれぞれ２５０Ａの開閉弁である。
【０１０１】
吸着工程から再生工程に切換えられる切換信号によって調節弁４６及び酸素取出弁２２が全開から全閉に、大気開放弁２９が全閉から全開にそれぞれ作動し、調節弁４７は全閉から角度２７．５度に作動して約１秒後に各弁の動きを完了した。この時点での空気ブロワ１５の吸入圧力は約大気圧、吐出圧力は５５ｋＰａとなり、電力は１１９ｋＷとなった。このときの電力の変化は約８．６％であった。
【０１０２】
次に、塔内の放圧が終了して塔内圧力が略大気圧となる１秒経過後から、排気弁２３を全開方向に、大気吸入弁２８及び大気開放弁２９を全閉方向にそれぞれ作動させるとともに、調節弁４７に対しては、０．２ｍＡ×ｔ２（ｔ＝秒）で５秒間だけ開信号を増やし、その後、強制的に全開にした。このときの調節弁４７の開度、空気ブロワ１５の吸入圧力及び吐出圧力、消費電力、電力変化の状態を表１に示す。
【０１０３】
【表１】
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【０１０４】
再生工程の最終時点では、空気ブロワ１５の吸入圧力は−６０ｋＰａ、吐出圧力は約大気圧となっており、電力は１４０ｋＷであった。再生工程から吸着工程への切換えは、酸素充圧、大気充圧、原料空気加圧の順で行った。まず、切換信号により、大気吸入弁２８及び酸素取出弁２２が全開から全閉に、パージ弁３１及び排気弁２３が全開に作動し、調節弁４７は全閉から角度２７．５度に作動して約１秒後に各弁の動きを完了した。
【０１０５】
このような弁の作動により、製品タンク１３内の製品酸素の一部が酸素弁３１から吸着塔内に流入して酸素充圧が行われる。この２秒後に、大気開放弁２９を全閉から全開にして大気を吸着塔内に流入させ、大気充圧を行って塔内圧力を約大気圧にした。この時点での空気ブロワ１５の吸入圧力は約大気圧、吐出圧力は１５ｋＰａであり、電力は１１９ｋＷであった。このときの電力の変化は約１４．８％であった。
【０１０６】
次に、調節弁４７に対して、０．２ｍＡ×ｔ１．５（ｔ＝秒）で３秒間だけ開信号を増やし、その後、強制的に全閉にした。同時に、調節弁４３は、４秒経過時点で全閉から中間開度の４５．８度に動かし、５秒経過時点で全開とした。このときの調節弁４７及び調節弁４３の開度、空気ブロワ１５の吸入圧力及び吐出圧力、消費電力、電力変化の状態を表２に示す。
【０１０７】
【表２】
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【０１０８】
また、１サイクルの運転における空気ブロワ１５の吸入圧力及び吐出圧力の変動状態を図１２に、同じく空気ブロワ１５の消費電力の変動状態を図１３に示す。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のシステムや装置に大きな変更をすることなく、工程切換時における空気ブロワや真空ポンプの電力変動速度を遅くすることができる。したがって、電源設備における負荷変動に対する容量を小さくできるので、発電設備のコストを低減することができる。特に、ＰＳＡ装置で発生する酸素を各種炉の燃焼に使用し、その炉の熱を発電に使用し、その電力をＰＳＡ装置の電力に使用するような場合に極めて有効である。さらに、空気ブロワや真空ポンプのモーターに対しても、電力変動が小さい運転が可能であるから、モーターの寿命を延ばす効果もあり、振動や騒音を小さく抑える効果もある。
【０１１０】
このように、電力の変動速度を小さくすることは、駆動機として電動機を使用してのものであるが、基本的には回転機の変動速度を小さくすることであるから、この効果は、駆動機として大きな動力変化を嫌うスチームタービン等を使用した場合にも大きなものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の圧力変動吸着酸素製造方法を適用した酸素ＰＳＡの第１形態例を示す系統図である。
【図２】  本発明の第２形態例を示す酸素ＰＳＡの要部の系統図である。
【図３】  本発明の第３形態例を示す酸素ＰＳＡの要部の系統図である。
【図４】  本発明の第４形態例を示す酸素ＰＳＡの要部の系統図である。
【図５】  本発明の第５形態例を示す酸素ＰＳＡの要部の系統図である。
【図６】  本発明の第６形態例を示す酸素ＰＳＡの系統図である。
【図７】  実施例１における空気ブロワの電力変化及び吐出圧力変化の状態を示す図である。
【図８】  実施例２における空気ブロワの電力変化及び吐出圧力変化の状態を示す図である。
【図９】  実施例３における真空ポンプの電力変化の状態を示す図である。
【図１０】  実施例４における真空ポンプの電力変化の状態を示す図である。
【図１１】  実施例５における真空ポンプの電力変化の状態を示す図である。
【図１２】  実施例６における空気ブロワの吸入圧力及び吐出圧力の変動状態を示す図である。
【図１３】  実施例６における空気ブロワの消費電力の変動状態を示す図である。
【図１４】  従来の代表的な２塔式酸素ＰＳＡの系統図である。
【図１５】  上部均圧回収プロセスの場合における空気ブロワ及び真空ポンプの電力変化の一例を示す図である。
【図１６】  パージ回収プロセスの場合における空気ブロワ及び真空ポンプの電力変化の一例を示す図である。
【図１７】  １塔式酸素ＰＳＡの基本的構成を示す系統図である。
【図１８】  １塔式酸素ＰＳＡにおける空気ブロワの運転状態と圧力及び電力の関係とを示す図である。
【符号の説明】
Ａ，ＡＤ，Ｂ…吸着塔、１１…空気ブロワ、１２…真空ポンプ、１２ａ…一段目、１２ｂ…二段目、１３…製品タンク、１３ａ…製品取出し弁、１４…アフタークーラー、１５…空気ブロワ、２１，２１ａ，２１ｂ…空気送入弁、２２，２２ａ，２２ｂ…酸素取出弁、２３，２３ａ，２３ｂ…排気弁、２４，２５…大気開放弁、２６…圧縮空気放出弁、２７…均圧弁、２８…大気吸入弁、２９，３０…大気開放弁、３１…パージ弁、３２ａ，３２ｂ…大気開放弁、４１，４２ａ，４２ｂ，４３，４４，４５，４６，４７…調節弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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