(57)【要約】 【課題】深冷分離法によって生成された低純度窒素ガスを、可燃性ガスの置換に使用可能にする可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を提供する。【解決手段】可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置１は、精留塔１０と、精留塔１０から窒素純度の高い高純度窒素ガスを搬送するための高純度窒素配管２０と、精留塔１０から高純度窒素ガスよりも窒素純度が低い低純度窒素ガスを搬送するための低純度窒素配管３０と、高純度窒素配管２０と低純度窒素配管３０とに跨って設置されたガス純度調整部４０と、を有する。ガス純度調整部４０は、純度調整用配管４１と、純度調整用配管４１に設置された圧縮機４２および流量調整弁４４とを有する。 したがって、 昇圧された適正量の高純度窒素ガスが低純度窒素ガスに供給され、適正純度の可燃性ガス置換用窒素ガスが得られる。【選択図】図１
2007212039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体空気中の液体窒素と液体酸素との沸点が相違することを利用して窒素を分離する精留塔と、
該精留塔から窒素純度が高い高純度窒素ガスを搬送するための高純度窒素配管と、
前記精留塔から前記高純度窒素ガスよりも窒素純度が低い低純度窒素ガスを搬送するための低純度窒素配管と、
前記高純度窒素配管と前記低純度窒素配管とを連通する純度調整用配管と、を有し、
前記純度調整用配管を経由して前記高純度窒素ガスを前記低純度窒素ガスに供給することにより、酸素濃度が４％以下の可燃性ガス置換用窒素ガスを得ることを特徴とする可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置。
【請求項２】
前記高純度窒素配管にコンプレッサーが設置され、該コンプレッサーによって昇圧された前記高純度窒素ガスを前記低純度窒素ガスに供給することを特徴とする請求項１記載の可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置。
【請求項３】
前記純度調整用配管に逆止弁が設置され、前記低純度窒素ガスの前記高純度窒素配管への流入が防止されていることを特徴とする請求項１または２記載の可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置。
【請求項４】
前記低純度窒素配管にホルダーが設置され、該ホルダーに前記高純度窒素ガスが供給された前記低純度窒素ガスが貯留されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置。
【請求項５】
液体窒素受給手段と、該液体窒素受給手段が受給した液体窒素を気化して気化窒素ガスを生成する気化器と、該気化器と前記低純度窒素配管とを連通する気化窒素供給配管と、を有し、
前記純度調整用配管を経由して前記高純度窒素ガスが供給された前記低純度窒素ガスに、前記気化窒素供給配管を経由して前記気化窒素ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置。
【請求項６】
前記低度液体窒素ガスが、−１８０℃よりも低い温度で分離されたものであることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置、特に、製鉄所等において可燃性ガスを使用している設備を停止したりあるいは再起動したりする際に使用する置換用窒素ガスを供給する、可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、製鉄所において使用される純酸素や純窒素は、いわゆる深冷分離法によって製造されている。すなわち、空気を冷却して一旦液体空気にした後、この液体空気中の液体窒素と液体酸素との沸点が異なることを利用して沸点の低い（−１９６℃）窒素ガスと、これよりも沸点の高い（−１８３℃）酸素ガスとに分離している。このとき、窒素ガスとしては、酸素分が１０ｐｐｍ以下の高純度窒素ガス（いわゆる製品窒素）と、酸素分が５％以下の低純度窒素ガス（いわゆる廃ガス）とが得られている。
【０００３】
当該設備内に供給されていた可燃性ガスを置換または排除したり、あるいは当該設備内に侵入している大気を置換または排除するため、置換用窒素ガスが用いられている。かかる置換用窒素ガスは酸素分が４％以下である必要があるため、酸素分が４％を超える前記低純度窒素ガス（酸素分が５％以下）を使用する訳にはいかず、やむなく前記高純度窒素ガスを使用している。したがって、低純度窒素ガスが利用されないで廃棄されるという問題と共に、せっかくの高純度が生かされないため、前記高純度窒素ガスが有効に利用されないという問題があった。
そして、深冷分離法によって製造され高純度窒素ガスを低純度窒素ガスに混合する混合手段を具備した発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−１３９８７５号公報（第４−５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１に開示された発明は、混合手段における低純度窒素ガス側の圧力を下げるために、混合手段までの経路長を長くしたり、経路の途中に減圧弁を設けるなどして、混合手段に到着するまでの圧力損失を、高純度窒素ガス側の圧力損失よりも大きくしているため、以下の問題があった。
（あ）低純度窒素ガスの経路と高純度窒素ガス側の経路とが、それぞれ独立に設定できない。
（い）低純度窒素ガス側の圧力を下げるため、混合後の窒素ガスを使用する際に圧力不足が生じる場合（たとえば、置換作業に長時間を要する等）がある。
（う）高純度窒素ガスと混合後の窒素ガスとを同時に使用しようとすると、混合に用いる高純度窒素ガスの量が不足して混合後の窒素ガスの純度が低下するおそれがあるため、いずれか一方は停止する必要がある。
【０００５】
本発明は上記問題を解決するためのものであり、低純度窒素ガス側の圧力低下を解消し、さらに、高純度窒素ガスの使用と混合後の窒素ガスの使用とをタイミングの制限を撤廃することができる可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置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】
【０００６】
（１）本発明の可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置は、液体空気中の液体窒素と液体酸素との沸点が相違することを利用して窒素を分離する精留塔と、
該精留塔から窒素純度が高い高純度窒素ガスを搬送するための高純度窒素配管と、
前記精留塔から前記高純度窒素ガスよりも窒素純度が低い低純度窒素ガスを搬送するための低純度窒素配管と、
前記高純度窒素配管と前記低純度窒素配管とを連通する純度調整用配管と、を有し、
前記純度調整用配管を経由して前記高純度窒素ガスを前記低純度窒素ガスに供給することにより、酸素濃度が４％以下の可燃性ガス置換用窒素ガスを得ることを特徴とする可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置。
【０００７】
（２）また、前記高純度窒素配管にコンプレッサーが設置され、該コンプレッサーによって昇圧された前記高純度窒素ガスを前記低純度窒素ガスに供給することを特徴とする。
【０００８】
（３）また、前記純度調整用配管に逆止弁が設置され、前記低純度窒素ガスの前記高純度窒素配管への流入が防止されていることを特徴とする。
【０００９】
（４）また、前記低純度窒素配管にホルダーが設置され、該ホルダーに前記高純度窒素ガスが供給された前記低純度窒素ガスが貯留されることを特徴とする。
【００１０】
（５）また、液体窒素受給手段と、該液体窒素受給手段が受給した液体窒素を気化して気化窒素ガスを生成する気化器と、該気化器と前記低純度窒素配管とを連通する気化窒素供給配管と、を有し、
前記純度調整用配管を経由して前記高純度窒素ガスが供給された前記低純度窒素ガスに、前記気化窒素供給配管を経由して前記気化窒素ガスを供給することを特徴とする。
【００１１】
（６）また、前記低度液体窒素ガスが、−１８０℃よりも低い温度で分離されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、本発明の可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置は以下の効果を奏する。
（ｉ）純度調整用配管を経由して高純度窒素ガスを低純度窒素ガスに混合することにより、酸素濃度が４％以下の可燃性ガス置換用窒素ガス（以下「置換用窒素ガス」と称す）を得ることができるから、低純度窒素ガスの利用が促進され、かつ、高純度窒素ガスは、その利点が生かされ有効に利用されることになる。
【００１３】
（ｉｉ）高純度窒素ガスがコンプレッサーによって昇圧されるから、置換用窒素ガスの圧力が不足することがない。
【００１４】
（ｉｉｉ）純度調整用配管に逆止弁が設置されているから、低純度窒素ガスまたは高純度窒素ガスに圧力変動が生じても、高純度窒素ガスに低純度窒素ガスが混入することがない。
【００１５】
（ｉｖ）置換用窒素ガスがホルダーに貯留されるから、高純度窒素ガスと置換用窒素ガスとを同時に使用することができ、また、同時に使用しても、高純度窒素ガスおよび置換用窒素ガスそれぞれの圧力変動が最少に抑えられる。
【００１６】
（ｖ）また、高純度窒素ガスが混合された後の窒素ガスに、気化窒素ガスが供給されるから、低純度窒素ガスの純度が低下した場合であっても、混合に使用する高純度窒素ガスの供給量を過剰に増やす、すなわち、混合後の窒素ガスの量を過剰に増やすことなく、所定の純度の窒素ガスを得ることができる。
【００１７】
（ｖｉ）また、低純度液体窒素ガスが−１８０℃よりも低い温度で分離されたものであるから、酸素分が５％以下であって、精留塔の性能が十分に発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［実施の形態１］
（可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置−１）
図１は本発明の実施の形態１に係る可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を模式的に説明する、（ａ）は精留塔、（ｂ）はガス純度調整部の構成図である。
図１において、可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置（以下「窒素ガス製造装置」と称す）１は、液体空気中の液体窒素と液体酸素との沸点が相違することを利用して窒素を分離する精留塔１０と、精留塔１０から窒素純度が高い高純度窒素ガスを搬送するための高純度窒素配管２０と、精留塔１０から前記高純度窒素ガスよりも窒素純度が低い低純度窒素ガスを搬送するための低純度窒素配管３０と、高純度窒素配管２０と低純度窒素配管３０とを連通して、前記高純度窒素ガスを前記低純度窒素ガスに供給して、所定純度の可燃性ガス置換用窒素ガス（以下「置換用窒素ガス」と称す）を得るためのガス純度調整部４０と、を有している。
【００１９】
（精留塔）
精留塔１０は、下塔部１１と上塔部１３とを具備する筒状の容器であって、図示しない冷却装置において生成された液体空気は精留塔１０の下塔部１１に供給される。そして、底部に滞留した液体空気は、連通配管１２を経由して上塔部１３に導入される。このとき、連通配管１２には図示しない膨張弁が設置されているため、該膨張弁において前記液体空気は断熱膨張して温度降下するから、上塔部１３内の窒素ガスは冷却されて液化することになる。なお、上塔部１３の底部に滞留した液体酸素は液体酸素配管１４を経由して図示しない液体酸素装置に搬送される。
【００２０】
（高純度窒素ガス）
高純度窒素ガスは、精留塔１０の上塔部１３の頂点から抽出され、−１９０℃以下の沸点、酸素分１０ｐｐｍの高純度を有している。そして、精留塔１０の頂点から抽出された直後の高純度窒素ガスは前記液体空気等との間で熱交換して、その冷熱は前記液体空気等の冷却に利用され、さらに、高純度窒素配管２０を経由して各装置に搬送されている。
また、高純度窒素配管２０にはガス純度調整部４０を構成する純度調整用配管４１の一方の端部が連結されている。
【００２１】
（低純度窒素ガス）
低純度窒素ガスは、精留塔１０の上塔部１３頂点に近い位置から抽出され、−１８０℃以下の沸点、酸素分５％以下の純度である。そして、精留塔１０の頂点近くから抽出された直後の低純度窒素ガスは、高純度窒素ガスと同様に、前記液体空気等との間で熱交換して、その冷熱は前記液体空気等の冷却に利用され、さらに、低純度窒素配管３０を経由して各装置に搬送されている。
また、低純度窒素配管３０には流量調整弁３１が設置され、流量調整弁３１の下流側には、ガス純度調整部４０を構成する純度調整用配管４１の他方の端部が連結されている。
なお、説明の便宜上、低純度窒素配管３０の純度調整用配管４１が連結された位置よりも下流側を置換用窒素配管３２と称す。
【００２２】
（ガス純度調整部）
ガス純度調整部４０は、両端がそれぞれ高純度窒素配管２０および低純度窒素配管３０に連通した純度調整用配管４１と、純度調整用配管４１に設置された圧縮機４２および流量調整弁４４と、流量調整弁４４を挟むように純度調整用配管４１に設置された仕切り弁４３、４５とを有している。
したがって、圧縮機４２によって加圧された高純度窒素ガスが、純度調整用配管４１を経由して置換用窒素配管３２（低純度窒素配管３０の下流側に同じ）に供給されるから、低純度窒素ガスが高純度窒素配管２０側に流入することがない。また、仕切り弁４３、４５の一方または両方が閉じている場合には、高純度窒素ガスが置換用窒素配管３２（低純度窒素配管３０に同じ）に流れ込むことはない。なお、仕切り弁４３、４５に替えて、逆止弁（逆流防止弁）を設置してもよい。
【００２３】
（置換用窒素ガス）
以上より、高純度窒素ガス（酸素分１０ｐｐｍ以下）は、流量調整弁４４によって制御された適量が置換用窒素配管３２（低純度窒素配管３０の下流側に同じ）に流入するから、低純度窒素ガス（酸素分５％以下）の酸素量は、高純度窒素ガスによって希釈され、可燃性ガスの置換（パージ）に使用可能な置換用窒素ガス（酸素分４％以下）が得られる。
なお、高純度窒素配管２０、低純度窒素配管３０あるいは置換用窒素配管３２は適宜分岐し、該分岐部にはそれぞれ所定の設備に連通した配管や大気中に放散するための放散管（図示しない）が設置されている。また、低純度窒素配管３０および置換用窒素配管３２には流量計や純度計が設置され（図示しない）、これらの測定結果に基づいて、公知の制御手段が流量調整弁３１、４４を制御している。
【００２４】
［実施の形態２］
（可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置−２）
図２は本発明の実施の形態２に係る可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を模式的に説明するガス純度調整部の構成図である。なお、実施の形態１（図１）と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。図２において、可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置（以下「窒素ガス製造装置」と称す）２の置換用窒素配管３２に、ホルダー５０が設置されている。ホルダー５０において、所定の純度に調整された置換用窒素ガス（酸素分４％以下）が貯留（アキュウムレート）されると共に、既に貯留されている置換用窒素ガスの純度が再調整自在になっている。
【００２５】
したがって、高純度窒素ガスの使用に影響を及ぼすことなく、所定の設備における置換作業に先行して、少しずつ置換用窒素ガスを貯留することができる。また、高純度窒素ガスと置換用窒素ガスとを同時に使用しても、それぞれの圧力変動が最少に抑えられる。
さらに、既に貯留されている置換用窒素ガスの純度が不足していることが判明した場合には、高純度窒素ガスを追加して供給することができるから、純度の再調整が可能になる。
【００２６】
［実施の形態３］
（可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置−３）
図３は本発明の実施の形態３に係る可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を模式的に説明するガス純度調整部の構成図である。なお、実施の形態１（図１）と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。図３において、可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置（以下「窒素ガス製造装置」と称す）３の置換用窒素配管３２に、気化窒素ガス供給手段６０が連結されている。
気化窒素ガス供給手段６０は、液体窒素タンク（または液体窒素ボンベ）６１と、液体窒素を気化させる気化器６４と、液体窒素タンク６１に一方の端部が連通して他方の端部が気化器６４に連通した液体窒素受給配管６２と、液体窒素受給配管６２に設置された液体窒素受給ポンプ６３と、気化器６４に一方の端部が連通して他方の端部が置換用窒素配管３２に連通した気化窒素供給配管６５と、気化窒素供給配管６５に設置された流量調整弁６６と、を有している。なお、液体窒素受給配管６２と液体窒素受給ポンプ６３とが「液体窒素受給手段」を構成している。
【００２７】
さらに、純度調整用配管４１には流量計９４が、低純度窒素配管３０には流量計９３と純度計８３とが、それぞれ設置されている。
図３において、純度計８３はジルコニア式酸素濃度計であって、低純度窒素配管３０の上流側に設置されている。すなわち、純度計８３と流量計９３との測定結果に基づいて流量計９４（純度調整用配管４１に設置されている）を調整すれば、高純度窒素の流量を調整することができる。
したがって、液体窒素を気化して得られた「気化窒素ガス」を置換用窒素ガスに供給することができるから、高純度窒素ガスの供給が不十分な場合など（高純度窒素ガスを置換作業と同時に使用する等）、置換用窒素ガスの純度が不足したときには、気化窒素ガスを供給することによって置換用窒素ガスを適正な純度に再調整することが可能になる。
なお、流量計や純度計の設置は図示するものに限定するものではなく、適宜選定されるものである。
【００２８】
［実施の形態４］
（可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置−４）
図４は本発明の実施の形態４に係る可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を模式的に説明するガス純度調整部の構成図である。なお、実施の形態１〜３（図１〜２）と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。図４において、可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置（以下「窒素ガス製造装置」と称す）４の置換用窒素配管３２の気化窒素供給配管６５が連結された位置よりも下流側に、ホルダー５０が設置されている。
したがって、前記実施の形態２および３の作用効果、すなわち、高純度窒素ガスおよび置換用窒素ガスの圧力変動を最少に抑えながら、置換用窒素ガスを適正な純度に再調整することが、より確実に実行されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は以上であるから、各種設備に置換用窒素ガスを供給する可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置として、また、所定純度の窒素ガスを供給する各種窒素ガス製造装置として広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を模式的に説明する、（ａ）は精留塔、（ｂ）はガス純度調整部の構成図。
【図２】本発明の実施の形態２に係る可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を模式的に説明するガス純度調整部の構成図。
【図３】本発明の実施の形態３に係る可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を模式的に説明するガス純度調整部の構成図。
【図４】本発明の実施の形態４に係る可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置を模式的に説明するガス純度調整部の構成図。
【符号の説明】
【００３１】
１ 可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置（実施の形態１）
２ 可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置（実施の形態２）
３ 可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置（実施の形態３）
４ 可燃性ガス置換用窒素ガス製造装置（実施の形態４）
１０ 精留塔
１１ 下塔部
１２ 連通配管
１３ 上塔部
１４ 液体酸素配管
２０ 高純度窒素配管
３０ 低純度窒素配管
３１ 流量調整弁
３２ 置換用窒素配管
４０ ガス純度調整部
４１ 純度調整用配管
４２ 圧縮機
４３ 仕切り弁
４４ 流量調整弁
４５ 仕切り弁
５０ ホルダー
６０ 気化窒素ガス供給手段
６１ 液体窒素タンク
６２ 液体窒素受給配
６３ 液体窒素受給ポンプ
６４ 気化器
６５ 気化窒素供給配管
６６ 流量調整弁
８３ 純度計
９３ 流量計
９４ 流量計
【図１】
2007212039.tif 000003
【図２】
2007212039.tif 000004
【図３】
2007212039.tif 000005
【図４】
2007212039.tif 000006