(57)【要約】【課題】空気を圧縮、精製、冷却して精留塔に導入し、液化精留分離を行って酸素または窒素を製造する深冷ガス分離システムにおいて、余剰の廃窒素からの低温排熱回収を効率良く行うことができ、それによって、原料空気を圧縮する圧縮機の動力を一層低減することができる深冷ガス分離システムを提供する。【解決手段】原料空気圧縮機１２の入口に、原料空気と廃窒素とを熱交換させるための回転式全熱交換器２１を設ける。【選択図】図１
2007255802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮、精製、冷却して精留塔に導入し、液化精留分離を行って酸素または窒素を製造する深冷ガス分離システムにおいて、原料空気圧縮機の入口に原料空気と精留分離で発生した低温乾燥窒素ガスとを熱交換させる回転式全熱交換器を設けたことを特徴とする深冷ガス分離システム。
【請求項２】
回転式全熱交換器の窒素ガス出口に送風機を設けたことを特徴とする請求項１記載の深冷ガス分離システム。
【請求項３】
原料空気の一部が回転式全熱交換器を迂回するようにするためのバイパス回路と、該バイパス回路の起点または回路上に設けられた流量調整弁と、回転式全熱交換器を通過する原料空気の流量を測定するための原料空気流量計と、回転式全熱交換器を通過する低温乾燥窒素ガスの流量を測定するための窒素ガス流量計と、前記原料空気流量計と前記窒素ガス流量計の測定値に基づいて、回転式全熱交換器を通過する原料空気と低温乾燥窒素ガスとの流量比が所定の値になるように、前記流量調整弁の開度を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の深冷ガス分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を圧縮、精製、冷却して精留塔に導入し、液化精留分離を行って酸素または窒素を製造する深冷ガス分離システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気の液化分離技術（深冷ガス分離システム）では、フィルタを通過した原料空気を圧縮機により圧縮した後、予冷器を通過させ、液化分離装置（精留塔）に供して、酸素と窒素を製造している。
【０００３】
その際に、製鉄所における酸素製造プラントで用いられる深冷ガス分離システムでは、製鉄所の酸素ニーズに即して運転しているため、併産される窒素については、予冷器の冷熱源として利用する量と製鉄所内の需要を賄う量を合わせた量を超えた部分については放散され、その保有していた冷熱・除湿能は利用されていなかった。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載された技術では、圧縮機の前段において、積層式の全熱交換器を配置し、廃窒素の冷熱および除湿能により原料空気を予冷することで、圧縮機の動力を低減するようにしている。
【０００５】
すなわち、図３を用いて詳しく説明すると、原料空気は、フィルタ１１を通過して吸い込まれ、原料空気圧縮機（コンプレッサ）１２で約０．５ＭＰａまで昇圧された後、水洗塔１３で冷却され、分子篩吸着器（モレキュラー・シーブ吸着器、以下ＭＳ吸着器）１４で二酸化炭素と水分を除去される。そして、熱交換器１５で製品酸素および製品窒素と熱交換され、その一部は膨張タービン１６で温度を下げてから精留塔１７の低圧部１７ａに送られ、他の部分は直接精留塔１７の高圧部１７ｂに送られる。そして、精留塔低圧部１７ａの上部から製品窒素が、下部から製品酸素がそれぞれ抽出され、熱交換器１５での原料空気との熱交換を経て製鉄所へ供給される。
【０００６】
その際に、酸素製造プラントから生産される窒素は、熱交換器１５での原料空気との熱交換後に概略１０℃程度の温度となるが、その一部は、ＭＳ吸着器１４に吸着した二酸化炭素や水分を取り外してＭＳ吸着器１４を再生する際に必要な再生用ガスや、水洗塔１３への冷却水の冷却用ガスとして用いられる。また、他の部分は、製鉄所内の需要に応じて、流量調整装置１８で流量を調整されて製鉄所内へ供給されるとともに、余った窒素（廃窒素）は放散される。
【０００７】
そして、特許文献１に記載の技術では、圧縮機１２の前段に積層式の全熱交換器１９を配置し、廃窒素の放散ラインから分岐をとって、廃窒素（低温乾燥窒素ガス）を積層式全熱交換器１９に導き、廃窒素の冷熱と除湿能により原料空気を予冷・除湿するようにしており、このような窒素からの低温排熱回収を行うことにより、圧縮機１２の動力の低減を図るようにしている。
【０００８】
図４は、上記の技術で用いられる積層式全熱交換器１９を示すものである。クラフト紙等からなる波板１９ａが交互に直交して積層され、それぞれの層間にアスベスト紙等の透湿性の材料からなる隔壁１９ｂが配置されている。そして、高温高湿の原料空気と低温低湿の廃窒素が各層を交互に流れ、隔壁１９ｂを隔てて、原料空気と廃窒素の間で熱交換と湿分移動が行われる。
【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】
【０００９】
しかし、本発明者らが検討したところ、前記特許文献１に記載の技術では、必ずしも廃窒素からの低温排熱回収が効率良く行われているとはいえないことが分かった。
【００１０】
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、空気を圧縮、精製、冷却して精留塔に導入し、液化精留分離を行って酸素または窒素を製造する深冷ガス分離システムにおいて、余剰の廃窒素からの低温排熱回収を効率良く行うことができ、それによって、原料空気を圧縮する圧縮機の動力を一層低減することができる深冷ガス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】
【００１１】
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。
【００１２】
［１］空気を圧縮、精製、冷却して精留塔に導入し、液化精留分離を行って酸素または窒素を製造する深冷ガス分離システムにおいて、原料空気圧縮機の入口に原料空気と精留分離で発生した低温乾燥窒素ガスとを熱交換させる回転式全熱交換器を設けたことを特徴とする深冷ガス分離システム。
【００１３】
［２］回転式全熱交換器の窒素ガス出口に送風機を設けたことを特徴とする前記［１］記載の深冷ガス分離システム。
【００１４】
［３］原料空気の一部が回転式全熱交換器を迂回するようにするためのバイパス回路と、該バイパス回路の起点または回路上に設けられた流量調整弁と、回転式全熱交換器を通過する原料空気の流量を測定するための原料空気流量計と、回転式全熱交換器を通過する低温乾燥窒素ガスの流量を測定するための窒素ガス流量計と、前記原料空気流量計と前記窒素ガス流量計の測定値に基づいて、回転式全熱交換器を通過する原料空気と低温乾燥窒素ガスとの流量比が所定の値になるように、前記流量調整弁の開度を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の深冷ガス分離システム。
【発明の効果】
【００１５】
本発明においては、空気を圧縮、精製、冷却して精留塔に導入し、液化精留分離を行って酸素または窒素を製造する深冷ガス分離システムにおいて、余剰の廃窒素からの低温排熱回収を効率良く行うことができ、それにより、原料空気を圧縮する圧縮機の動力を一層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】
【００１６】
本発明の一実施形態を図面に基づいて述べる。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る深冷ガス分離システムの説明図である。この実施形態に係る深冷ガス分離システムは、酸素製造プラントで用いられるものであり、前述の図３に示した深冷ガス分離システムとほぼ同様の構成であるが、図３に示した深冷ガス分離システムにおける積層式全熱交換器１９に替えて、回転式全熱交換器２１を用いている点と、その回転式全熱交換器２１の廃窒素出口に送風機（混合防止用ファン）２２を設置している点が特徴である。
【００１８】
すなわち、図１に示すように、原料空気は、フィルタ１１を通過して吸い込まれ、原料空気圧縮機（コンプレッサ）１２で約０．５ＭＰａまで昇圧された後、水洗塔１３で冷却され、分子篩吸着器（ＭＳ吸着器）１４で二酸化炭素と水分を除去される。そして、熱交換器１５で製品酸素および製品窒素と熱交換され、その一部は膨張タービン１６で温度を下げてから精留塔１７の低圧部１７ａに送られ、他の部分は直接精留塔１７の高圧部１７ｂに送られる。そして、精留塔低圧部１７ａの上部から製品窒素が、下部から製品酸素がそれぞれ抽出され、熱交換器１５での原料空気との熱交換を経て製鉄所へ供給される。
【００１９】
その際に、酸素製造プラントから生産される窒素は、熱交換器１５での原料空気との熱交換後に概略１０℃程度の温度となるが、その一部は、ＭＳ吸着器１４に吸着した二酸化炭素や水分を取り外してＭＳ吸着器１４を再生する際に必要な再生用ガスや、水洗塔１３への冷却水の冷却用ガスとして用いられる。そして、他の部分は、製鉄所内の需要に応じて、流量調整装置１８で流量を調整されて製鉄所内へ供給されるとともに、余った窒素（廃窒素）は、圧縮機１２の前段に配置された回転式全熱交換器２１に導かれて、廃窒素（低温乾燥窒素ガス）の冷熱と除湿能により原料空気の予冷・除湿を行う。なお、ここでは、深冷ガス分離システムの点検時や緊急停止時に廃窒素を放散するために、廃窒素放散用回路が設けられている。
【００２０】
図２は、この実施形態で用いる回転式全熱交換器２１を示すものである。回転式全熱交換器２１は、円板状の熱交換素子（ローター）２１ａと、ローター２１ａを回転させる駆動装置（図示せず）と、ケーシング２１ｂと、仕切り板２１ｃを備えている。ローター２１ａは、特殊セルロースを段ボール状に成形したものを所定の直径にまで螺旋状に巻き、接着したものである。また、天然やし繊維、無機質系難燃性紙等を使用したものや、アルミニューム、ステンレス鋼製の繊維または板にシリカ系の吸湿剤を塗布したものでもよい。そして、ローター２１ａはケーシング２１ｂに納められ、仕切り板２１ｃにより上部と下部に仕切られて、それぞれダクト（図示せず）に接続されている。
【００２１】
このような回転式全熱交換器２１では、まず、低温の廃窒素が通過したローター部分が廃窒素により冷却される。次に、ローター２１ａの回転により、この冷却されたローター部分を高温の原料空気が通過し、原料空気と当該ローター部分との間での熱交換により原料空気の温度は低下し、当該ローター部分の温度は上昇する。温度の上昇した当該ローター部分は回転して再び廃窒素が通過し、廃窒素により冷却される。このようにして、ローター２１ａの回転によって高温の原料空気から低温の廃窒素へ熱が移動し、原料空気が冷却される。同様にして、高湿の原料空気から低湿の廃窒素（絶対湿度０ｍｍｇ）へ湿分が移動し、原料空気が除湿される。
【００２２】
このようにして、回転式全熱交換器２１では、原料空気と廃窒素との全熱交換がローター２１ａを介して連続的に行われ、特に、湿分の移動は、前述の積層式全熱交換器１９のような隔壁１９ｂを透過する必要が無いため高効率である。また、廃窒素と原料空気が交互に逆方向に通過するため、隔壁１９ｂの目詰まり防止等のメンテナンスも不要である。
【００２３】
なお、回転式全熱交換器２１では、ローター２１ａの回転により若干量の排窒素が原料空気側へ移動することが見込まれるが、廃窒素が原料空気側へ混入すると酸素製造プラント全体の酸素生産量が低下するため、回転式全熱交換器２１の廃窒素出口に設置した混合防止用ファン２２によって廃窒素側の静圧を原料空気側の静圧より低くすることで、リーク方向を空気側から廃窒素側とし、廃窒素の原料空気側への混入を防止するようにしている。
【００２４】
ここで、通常、回転式全熱交換器２１に供給できる廃窒素の量は、製鉄所内の需要量の変動に伴って変動する。一方、回転式全熱交換器２１の全熱交換効率は、通過する原料空気と廃窒素の流量比（原料空気流量／廃窒素流量）によって変化する。そこで、この実施形態においては、廃窒素の供給量の変動に応じて、回転式全熱交換器２１を通過させる原料空気の量を調整することによって、回転式全熱交換器２１における原料空気と廃窒素の流量比を適切な値に保つことで、良好な全熱交換効率が得られるようにし、廃窒素からの低温排熱を可及的に回収できるようにしている。
【００２５】
すなわち、この実施形態においては、図１に示すように、原料空気の一部が回転式全熱交換器２１を迂回するようにするためのバイパス回路と、そのバイパス回路上に設けられた流量調整弁（二方弁）３１と、回転式全熱交換器２１を通過する原料空気の流量を測定するために回転式全熱交換器２１の原料空気出口に設けられた原料空気流量計３２と、回転式全熱交換器２１を通過する廃窒素の流量を測定するために回転式全熱交換器２１の廃窒素入口に設けられた廃窒素流量計３３と、流量調整弁３１の開度を制御する制御装置（図示せず）とを備えている。そして、制御装置は、原料空気流量計３２と廃窒素流量計３３の測定値に基づいて、回転式全熱交換器２１を通過する原料空気と廃窒素の流量比が、予め実験的に求めておいた良好な全熱交換効率が得られる適切な流量比となるように、流量調整弁３１の開度を制御する。
【００２６】
なお、ここでは、バイパス回路上に流量調整弁（二方弁）３１を設けているが、バイパス回路の起点に流量調整弁（三方弁）を設けるようにしてもよい。また、原料空気流量計３２を回転式全熱交換器２１の原料空気入口に設けるようにしてもよいし、廃窒素流量計３３を回転式全熱交換器２１の廃窒素出口に設けるようにしてもよい。
【００２７】
上記のようにして、この実施形態に係る深冷ガス分離システムにおいては、全熱交換効率の優れた回転式全熱交換器２１を用いて原料空気と廃窒素の全熱交換を行うようにしているので、廃窒素からの低温排熱回収を効率良く行うことができる。また、廃窒素出口に送風機２２を設けたことにより、廃窒素の原料空気側への混入を防止できる。さらに、回転式全熱交換器２１における原料空気と廃窒素の流量比を適切な値となるように、回転式全熱交換器２１を通過させる原料空気の量を調整しているので、より良好な全熱交換効率が得られる。その結果、原料空気圧縮機１２の動力を大幅に低減することができる。
【００２８】
例えば、この実施形態に係る深冷ガス分離システムにおいては、廃窒素流量５００００Ｎｍ３／ｈ程度の場合、１２℃の廃窒素により原料空気を予冷・除湿することで、廃窒素による原料空気の予冷・除湿を行わない場合に対する圧縮機動力の低減割合を、図３に示した従来の深冷ガス分離システムに比べて、約３０％向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態において用いる回転式全熱交換器の説明図である。
【図３】従来技術の説明図である。
【図４】従来技術において用いられる積層式全熱交換器の説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１１  フィルタ
１２  原料空気圧縮機
１３  水洗塔
１４  分子篩吸着器（ＭＳ吸着器）
１５  熱交換器
１６  膨張タービン
１７  精留塔
１７ａ  精留塔の低圧部
１７ｂ  精留塔の高圧部
１８  流量調整装置
１９  積層式全熱交換器
１９ａ  波板
１９ｂ  隔壁
２１  回転式全熱交換器
２１ａ  ローター
２１ｃ  ケーシング
２１ｂ  仕切り板
２２  送風機（混合防止ファン）
３１  流量調整弁
３２  原料空気流量計
３３  廃窒素流量計
【図１】
2007255802.tif 000003
【図２】
2007255802.tif 000004
【図３】
2007255802.tif 000005
【図４】
2007255802.tif 000006