JP2004150685A - 窒素製造設備及びタービン発電設備 - Google Patents

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Abstract

【課題】液体窒素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素を製造する。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮空気を冷却して液化する第２深冷熱交換器６と、第２深冷熱交換器６で液化された空気を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製システム７と、分離・精製システム７で分離された液体窒素を第２深冷熱交換器６に圧送する窒素ポンプ１１とを備え、第２深冷熱交換器６では、窒素ポンプ１１で圧送された液体窒素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素を得ると同時にその潜熱及び冷熱で圧縮空気を冷却し、液体窒素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素を製造する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において窒素ガスを製造する窒素ガス製造装置に関する。
【０００２】
また本発明は、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において窒素ガスを製造して窒素ガスを消費することができるタービン発電設備に関する。
【０００３】
【従来の技術】
環境保全の観点から、発電設備（発電プラント）で水素や炭化水素系燃料を純酸素で燃焼させるタービン発電設備が提案されている。このようなタービン発電設備ではタービンの排気ガスが再循環流体として再び圧縮機に導入される。つまり、閉サイクルとなっているため、環境にＣＯ２ 他の排気を排出しない排気無排出プラントとできる。
【０００４】
純酸素を使用するタービン発電設備では、必ず別途プラントとして深冷設備が必要となる。深冷設備では、液化天然ガス等の冷熱を活用して空気を液化し、液体窒素及び液体酸素を得る際の動力（原単位）を削減する技術がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発電設備に専用の深冷設備を併設する場合、液体酸素に関してはガス化して純酸素として発電設備で使用することができるが、液体窒素の使用先がない。
【０００６】
特に、大規模な発電所では余剰になる液体窒素の量も大量となってしまう。発電設備でこの液体窒素を利用できるようにすれば発電所内部で全ての液体酸素・液体窒素を消費でき工業ガス市場に影響（供給過剰）を与えずにすむ。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において、液体窒素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素を製造することができる窒素製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において液体窒素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素を製造したのちその窒素を作動流体と消費することができるタービン発電設備を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の窒素製造設備は、
空気を圧縮する空気圧縮機と、
圧縮空気を冷却して液化する液化冷却手段と、
液化冷却手段で液化された空気を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、
分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプとを備え、
液化冷却手段では、窒素ポンプで圧送された液体窒素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素を得ると同時にその潜熱及び冷熱で圧縮空気が冷却される
ことを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の窒素製造設備は、
空気を圧縮する空気圧縮機と、
圧縮空気を冷却して液化する液化冷却手段と、
液化冷却手段で液化された空気を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、
分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、分離・精製手段で分離された液体酸素を液化冷却手段に圧送する酸素ポンプとを備え、
液化冷却手段では、窒素ポンプ及び酸素ポンプで圧送された液体窒素及び液体酸素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素及び高圧酸素を得てその潜熱による冷熱で圧縮空気が冷却される
ことを特徴とする。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の窒素製造設備は、
空気を圧縮する空気圧縮機と、
圧縮空気を膨張して発電を行うタービンと、
タービンの排気流体を冷却して液化する液化冷却手段と、
液化冷却手段で液化された排気流体を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、
分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、を備え、
液化冷却手段では、窒素ポンプで圧送された液体窒素を排気流体との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素を得ると同時にその潜熱及び冷熱で排気流体が冷却される
ことを特徴とする。
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の窒素製造設備は、
空気を圧縮する空気圧縮機と、
圧縮空気を膨張して発電を行う膨張タービンと、
タービンの排気流体を冷却して液化する液化冷却手段と、
液化冷却手段で液化された排気流体を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、
分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、分離・精製手段で分離された液体酸素を液化冷却手段に圧送する酸素ポンプとを備え、
液化冷却手段では、窒素ポンプ及び酸素ポンプで圧送された液体窒素及び液体酸素を排気流体との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素及び高圧酸素を得てその潜熱による冷熱で排気流体が冷却される
ことを特徴とする。
【００１３】
そして、液化冷却手段で得られる高圧窒素は、高圧窒素ガスであることを特徴とする。
【００１４】
また、液化冷却手段で得られる高圧窒素及び高圧酸素は、高圧窒素ガス及び高圧酸素ガスであることを特徴とする。
【００１５】
また、液化天然ガス貯蔵手段及び／または液炭酸貯蔵手段を備え、
液化冷却手段には、液化天然ガス貯蔵手段からの液化天然ガス及び／または液炭酸貯蔵手段からの液化炭酸が冷熱源として供給されることを特徴とする。
【００１６】
また、圧縮空気を冷却する冷却手段が備えられていることを特徴とする。
【００１７】
また、冷却手段の冷熱源は、液化冷却手段で得られた高圧窒素及び高圧酸素の顕熱であることを特徴とする。
【００１８】
また、圧縮機及び燃焼器及びタービンからなるガスタービン設備と、
ガスタービン設備のタービンの排気ガスの熱回収を行って蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
排熱回収ボイラで生成された蒸気を作動熱源とする吸収冷凍機とを備え、
冷却手段の冷熱源は、吸収冷凍機で生成された冷水であることを特徴とする。
【００１９】
また、ガスタービン設備の圧縮機の吸気を冷却する吸気冷却手段と、
ガスタービン設備の圧縮機からの圧縮空気の一部を冷却し冷却後の圧縮空気を空気圧縮機に供給する中間冷却手段と
を備え、
吸気冷却手段及び中間冷却手段の冷熱源は、分離・精製手段で分離された液体窒素及び液体酸素、及びまたは、液化冷却手段で得られた高圧窒素及び高圧酸素であることを特徴とする。
【００２０】
また、吸気冷却手段及び中間冷却手段の冷熱源として、吸収冷凍機で生成された冷水がさらに用いられることを特徴とする。
【００２１】
また、液化冷却手段で得られた高圧窒素ガスが燃焼器に供給され、燃焼器からの燃焼ガスがタービンに送られることを特徴とする。
【００２２】
また、液化冷却手段で得られた高圧窒素（気体）及び高圧酸素（気体）が燃焼器に供給され、燃焼器からの燃焼ガスがタービンに送られることを特徴とする。
【００２３】
上記目的を達成するための本発明のタービン発電設備は、
請求項１もしくは請求項３に記載の窒素製造設備と、
燃焼器からの燃焼ガスが送られて作動するタービンとを備え、
高圧窒素製造設備で得られた高圧窒素が燃焼器に供給されて燃料と共に燃焼されることを特徴とする。
【００２４】
そして、圧縮機及び燃焼器及びタービンからなるガスタービン設備を更に備え、
窒素製造設備で得られた高圧窒素がガスタービン設備の圧縮機の吸気の冷熱源とされた後にタービンの燃焼器に供給されることを特徴とする。
【００２５】
上記目的を達成するための本発明のタービン発電設備は、
請求項２もしくは請求項４に記載の窒素製造設備と、
燃焼器からの燃焼ガスが送られて作動するタービンとを備え、
窒素製造設備で得られた高圧窒素及び高圧酸素が燃焼器に供給されて燃料と共に燃焼されることを特徴とする。
【００２６】
そして、圧縮機及び燃焼器及びタービンからなるガスタービン設備を更に備え、
窒素製造設備で得られた高圧窒素がガスタービン設備の圧縮機の吸気の冷熱源とされた後にタービンの燃焼器に供給されることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態例に係る窒素製造設備は、空気を圧縮する空気圧縮機と、圧縮空気を冷却して液化する液化冷却手段と、液化冷却手段で液化された空気を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、分離・精製手段で分離された液体酸素を液化冷却手段に圧送する酸素ポンプとを備え、液化冷却手段では、窒素ポンプ及び酸素ポンプで圧送された液体窒素及び液体酸素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素及び高圧酸素を得てその潜熱による冷熱で圧縮空気が冷却される。これと同時に高圧の窒素及び酸素を製造する設備である。
【００２８】
液体窒素及び液体酸素の蒸発においては同時に空気の液化を行い、液化の冷熱源として深冷液体の潜熱と顕熱が回生活用される。
【００２９】
本発明は、液体窒素・酸素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させ、高圧気体の窒素・酸素を得る。一方、空気圧縮機で圧縮された空気を高圧の窒素（及び高圧の酸素）の顕熱により冷却し、タービンで出力を取り出して更に温度を下げた後に液化冷却手段で圧縮空気を冷却して液化する構成も本発明の形態である。
【００３０】
【実施例】
第１実施例に係る窒素製造装置を説明する。本実施例では、圧縮空気を高圧気体の窒素及び酸素の顕熱により冷却したのち、タービンで膨張させて出力を取り出して更に減温し、その後に液化冷却手段で圧縮空気を冷却して液化する。空気液化の冷熱は、液体窒素と液体酸素の蒸発潜熱で高圧の窒素（気体）及び高圧の酸素（気体）を製造する設備となっている。
【００３１】
図１には本発明の第１実施例に係る窒素製造装置としての空気液化・気化プラントの概略系統を示してある。
【００３２】
図に示すように、空気液化・気化プラント２１には、電動機１０により駆動される圧縮機１が備えられ、圧縮機１で圧縮された圧縮空気は冷却手段としての予冷熱交換器２で冷却され膨張タービン３で膨張される。膨張タービン３には発電機４が連結され、発電出力を取り出す。膨張タービン３で膨張された空気は第１深冷熱交換器５で冷却され、更に、液化冷却手段としての第２深冷熱交換器６で冷却されて液化される。
【００３３】
第２深冷熱交換器６で冷却されて液化された流体は分離・精製手段としての分離・精製システム７により深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）とされる。分離・精製システム７から余剰排出される深冷気体ｇａは第１深冷熱交換器５及び予冷熱交換器２の冷熱源とされ圧縮機１の吸気（大気）に合流される。圧縮機１の入口空気が深冷気体ｇａとの混合吸気となっているので、圧縮空気１の流量が増大し低温吸気により圧縮機１の排気も低温となって後流の液化プラント系統の冷却が容易となる。
【００３４】
分離・精製システム７により分離された深冷液体ｇｌ１ （窒素）は液化窒素タンク８に貯留され、分離された深冷液体ｇｌ２ （酸素）は液化酸素タンク９に貯留される。液化窒素タンク８に貯留された深冷液体ｇｌ１ （窒素）は窒素ポンプ１１により第２深冷熱交換器６に送られ、液化酸素タンク９に貯留された深冷液体ｇｌ２ （酸素）は酸素ポンプ１２により第２深冷熱交換器６に送られる。
【００３５】
第２深冷熱交換器６に送られた深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）は気化されて深冷気体ｇｇ１ （窒素）及び深冷気体ｇｇ２ （酸素）とされる。第２深冷熱交換器６では深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）が気化する際の潜熱で膨張タービン３及び第１深冷熱交換器５を経由した低温空気を液化する。つまり、第２深冷熱交換器６では液化と気化が同時に行われる。第２深冷熱交換器６からの深冷気体ｇｇ１ （窒素）及び深冷気体ｇｇ２ （酸素）は予冷熱交換器２に送られ、顕熱が予冷熱交換器２の冷熱源とされる。
【００３６】
第２深冷熱交換器６では液化天然ガスＬＮＧ が気化できるようにすると、液化天然ガスの潜熱も冷熱源として活用できる。
【００３７】
上述した空気液化・気化プラント２１は、液体窒素及び液体酸素を発電利用のために気体にする。つまり、液化と蒸発を同時に行うものである。液相の深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）を窒素ポンプ１１及び酸素ポンプ１２で加圧しているので、高圧の深冷気体ｇｇ１ （窒素）及び深冷気体ｇｇ２ （酸素）が得られるので、通常のガスタービン構成にある圧縮機を用いなくても深冷気体ｇｇ１ （窒素）及び深冷気体ｇｇ２ （酸素）をタービン燃焼器の高圧気体として用いたり、深冷気体ｇｇ２ （酸素）を純酸素としてガスタービン設備に備えられた燃料電池の反応用酸素として用いることが可能となる。
【００３８】
上述した空気液化・気化プラント２１では、深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）の蒸発時の潜熱を活用して空気液化の冷熱源としているので、ターボ冷凍機等の別途冷熱を発生するための動力を削減することができる。また、液化天然ガスｌｎｇ の気化による潜熱も同様に活用できる。つまり、深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）の冷熱を活用する目的は、気化動力（原単位）を下げて経済性を高めるためである。
【００３９】
図２に基づいて上述した空気液化・気化プラント２１を備えたタービン発電設備の実施例を説明する。図２には本発明の第１実施例に係るタービン発電設備の概略系統を示してある。
【００４０】
図２に示したタービン発電設備は、図１に示した空気液化・気化プラント２１からの窒素・酸素と、燃料が燃焼器１５，１６，１７に送られ、その燃焼ガスで作動するタービン２５，２６，２７と、圧縮機３１及び燃焼器３２及びタービン３３からなる第１ガスタービン設備３４と、圧縮機３５及び燃焼器３６及びタービン３７からなる第２ガスタービン設備３８の吸気冷却ガスタービン発電設備で構成されている。
【００４１】
タービン２５，２６は軸直結につなげられ、タービン２５，２６の同軸に発電機２９が備えられている。また、タービン２７には同軸に発電機３０が備えられている。タービン２５，２６の燃焼器１５，１６には空気液化・気化プラント２１で製造された高圧酸素ｇｇ２ が燃料ｆとともに供給される。高圧酸素ｇｇ２ は加熱熱交換器４１で蒸気ｓによって所定の温度に制御される。
【００４２】
第１ガスタービン設備３４では、圧縮機３１の吸気が吸気冷却装置４５に直接噴射される深冷気体ｇｇ１ （低温の窒素ガス）で冷却される。圧縮機３１からの圧縮空気が燃料ｆと燃焼器３２で燃焼し、燃焼器３２からの燃焼ガスによりタービン３３が作動し、発電機４６で発電出力が取り出される。タービン３３の排気は排熱回収ボイラ４７で熱回収され、排熱回収ボイラ４７で生成された蒸気は図示しない蒸気タービンに送られると共に深冷熱交換器４１に加熱用の蒸気として送られる。
【００４３】
第２ガスタービン設備３８では、圧縮機３５の吸気が吸気熱交換装置４８によって深冷気体ｇｇ１ で間接的に冷却される。圧縮機３５からの圧縮空気が燃料ｆと燃焼器３６で燃焼し、燃焼器３６からの燃焼ガスによりタービン３７が作動し、発電機４９で発電出力が取り出される。タービン３７の排気は排熱回収ボイラ５０で熱回収され、排熱回収ボイラ５０で生成された蒸気は図示しない蒸気タービンに送られると共に深冷熱交換器４１に加熱用の蒸気として送られる。
【００４４】
熱交換された後の深冷気体ｇｇ１ （窒素）は加熱熱交換器４２で加熱用蒸気ｓとの間で熱交換され、タービン２５の燃焼器２５に供給される。加熱熱交換器４２には、排熱回収ボイラ４７で生成された蒸気も使用される。
【００４５】
タービン２５の燃焼器１５には、空気液化・気化プラント２１で製造された深冷気体ｇｇ２ （酸素）及び深冷気体ｇｇ１ （窒素）が昇温の後燃料ｆとともに送られ、燃焼器１５からの燃焼ガスによりタービン２５が作動される。タービン２５の排気はタービン２６の燃焼器１６に供給される。燃焼器１６には空気液化・気化プラント２１で製造され昇温したｇｇ２ （酸素）及び燃料ｆが供給され、燃焼器１６からの燃焼ガスによりタービン２６が作動される。タービン２５及びタービン２６の出力が発電機２９で発電出力として取り出される。
【００４６】
タービン２６の排気は排熱回収ボイラ１８で熱回収され、排熱回収ボイラ１８で生成された蒸気は図示しない蒸気タービンに送られると共に加熱熱交換器４１及び加熱熱交換器４２に送られる。
【００４７】
一方、タービン２７には同軸に発電機２９が結合され、タービン２７の燃焼器１７には空気液化・気化プラント２１で製造され昇温したｇｇ２ （高圧の酸素ガス：高圧Ｏ２）が燃料ｆとともに供給される。また、燃焼器１７には液炭酸プラント２０からの高圧ＣＯ２ が送られる。燃焼器１７からの燃焼ガスによりタービン２７が作動され、タービン２７の出力が発電機３０で発電出力として取り出される。
【００４８】
タービン２７の排気は排熱回収ボイラ１９で熱回収され、排熱回収ボイラ１９で生成された蒸気は図示しない蒸気タービンに送られると共に熱交換器（４１，４２，４３）に送られる。排熱回収ボイラ１９で熱回収された排気ガスからはＣＯ２ （Ｈ２Ｏ ）が回収され、再び液体炭酸として環境には排出しない。
【００４９】
通常、ガスタービンでは吸気の２０％から６％程度の酸素Ｏ２を消費しているため、残りの酸素Ｏ２は更に２台のガスタービンを作動させる余力を持っている。つまり、空気液化・気化プラント２１で製造した酸素Ｏ２（空気から分離した酸素Ｏ２）は３倍に活用できることになる。例えば、窒素で作動する発電において１／３酸素Ｏ２の当量燃焼、閉サイクル発電設備において１／３酸素Ｏ２の当量燃焼、燃料電池を備えた閉サイクル発電設備において１／３酸素Ｏ２の当量燃焼等に活用できる。
【００５０】
図２に示した実施例では、高圧の窒素作動の発電におけるタービン２５，２６に酸素Ｏ２を２／３（１／３の２倍）使用し、高圧のＣＯ２ 作動の発電におけるタービン２７に酸素Ｏ２を１／３使用した例を示してある。燃料ｆとＯ２系に膨張タービンを併設しそのタービン排気を燃焼器１５、１６、１７に投入すると、全体の効率をさらに向上させることができる。また、加熱熱交換器４１，４２の加熱源として排熱回収ボイラで生成された蒸気を用いることにより、窒素系と酸素系の流体を加熱して燃料ｆを節約することができる。
【００５１】
図３に基づいて第２実施例に係る窒素製造装置を説明する。
【００５２】
本実施例では、圧縮空気を高圧の窒素及び高圧の酸素・酸素・二酸化炭素及び気化ＬＮＧ ガスの顕熱により冷却し、膨張タービンで膨張させて出力を取り出した後に液化冷却手段で圧縮空気を冷却して液化する。高圧の液体の窒素及び高圧の液体の酸素を製造する設備となっている。つまり、液化流体の蒸発と空気の液化を同時に行い、液化流体の蒸発潜熱と顕熱を回生活用するシステムをしている。
【００５３】
図３には本発明の第２実施例に係る窒素製造装置としての深冷プラントの概略系統を示してある。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００５４】
図に示すように、深冷プラント６１には、電動機１０により駆動されて空気を圧縮する圧縮機１が備えられ、圧縮機１で圧縮された空気は冷却手段としての予冷熱交換器６２で冷却され膨張タービン３で出力を取り出す。膨張タービン３には発電機４が連結され、発電出力を取り出す。膨張タービン３の排気は低温となっているが更に深冷熱交換器６３で冷却されて液化される。
【００５５】
深冷熱交換器６３で冷却されて液化された液体空気は分離・精製手段としての分離・精製システム７により深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）とされる。分離・精製システム７により分離された深冷液体ｇｌ１ （窒素）は液体窒素タンク８に貯留され、分離・精製システム７により分離された及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）は液体酸素タンク９に貯留される。液体窒素タンク８に貯留された深冷液体ｇｌ１ （窒素）は窒素ポンプ１１により深冷熱交換器６３に送られ、液体酸素タンク９に貯留された深冷液体ｇｌ２ （酸素）は酸素ポンプ１２により深冷熱交換器６３に送られる。
【００５６】
深冷熱交換器６３には、液化天然ガスタンク６４に貯留された液化天然ガスｌｎｇ がポンプ８１により圧送され、更に、図示しない液炭酸タンクに貯留された液体ＣＯ２ がポンプ８２により圧送される。深冷熱交換器６３に送られた深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）及び液化天然ガスｌｎｇ 及び液体ＣＯ２ ｌｃが気化するときの冷熱を空気液化に利用する（ｌａ１ →ｌａ２）。深冷熱交換器６３の出口流体の窒素ｌｎ２ 及び酸素ｌｏ２ 及び天然ガスｌｎｇ２及びＣＯ２ｌｃ２は予冷熱交換器６２に送られ、顕熱が予冷熱交換器２の冷熱源とされる。
【００５７】
尚、深冷プラント６１としては、深冷熱交換器６３及び予冷熱交換器２の複段冷熱利用で説明したが、予冷熱交換器２を省略した単段冷熱利用とすることも可能である。
【００５８】
上述した深冷プラント６１では、深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）及び液化天然ガスｌｎｇ 及び液体ＣＯ２ ｌｃへの気化と空気の液化が同時に行われる。このための冷熱は、深冷液体の蒸発潜熱と顕熱を回生活用する。この場合、冷熱量の差（ＱＬ −ＱＮ −ＱＯ −ＱＬＮＧ −ＱＣ ）についての最小限の（ＰＴ −ＬＭ ）の生成動力（ｋＷ）を投入する。そして、夜間電力を用いて深冷液体ｇｌ１ （窒素）及び深冷液体ｇｌ２ （酸素）及び液化天然ガスｌｎｇ 及び液体ＣＯ２ を貯留する場合時間差運用が行なえる。
【００５９】
図４に基づいて上述した深冷プラント６１を備えたタービン発電設備の実施例を説明する。図４には本発明の第２実施例に係るタービン発電設備の概略系統を示してある。
【００６０】
図４に示したタービン発電設備は、図３に示した深冷プラント６１と、燃焼器６５からの燃焼ガスが送られて作動する窒素タービン６６と、燃焼器６７からの燃焼ガスが送られて作動する炭酸タービン６８と、酸素を圧縮して燃焼器６５，６７に供給する発電機７０で駆動される酸素圧縮機６９とを備えている。
【００６１】
燃焼器６５には深冷プラント６１で製造された深冷窒素ｌｎ３ 及び液体酸素ｌｏ３ 及び液化天然ガスｌｎｇ３が供給される。また、必要に応じて酸素圧縮機６９で圧縮された酸素が供給される。燃焼器６５からの燃焼ガスにより窒素タービン６６が作動され、窒素タービン６６の出力が発電機７１から取り出される。窒素タービン６６の排気は排熱回収ボイラ７２で熱回収され、排熱回収ボイラ７２で生成された蒸気は図示しない蒸気タービンに送られる。
【００６２】
燃焼器６７には深冷プラント６１で製造された液体酸素ｌｏ３ 及び液化天然ガスｌｎｇ３及び液体ＣＯ２ｌｃ３が供給される。また、酸素圧縮機６９で圧縮された酸素が供給される。燃焼器６７からの燃焼ガスにより炭酸タービン６８が作動し、炭酸タービン６８の出力が発電機７３で取り出される。炭酸タービン６８の排気は排熱回収ボイラ７４で熱回収され、排熱回収ボイラ７４で生成された蒸気は図示しない蒸気タービンに送られる。排熱回収ボイラ７４で熱回収された炭酸タービン６８の排気は図示しないＣＯ２ 回収系でＣＯ２ を回収する。
【００６３】
上述したタービン発電設備では、深冷窒素ｌｎ２ 及び液体酸素ｌｏ２ 及び液化天然ガスｌｎｇ２及び液体ＣＯ２ｌｃ２の顕熱を利用して予冷熱交換器２で圧縮空気の予冷が行われる。発電設備では窒素タービン６６と炭酸タービン６８とが作動され、窒素タービン６６の排気は環境に排出され、炭酸タービン６８の排気は回収される。窒素タービン６６の入口圧力は液相における窒素ポンプ１１の昇圧で確保され、炭酸タービン６８の入口圧力は液相におけるポンプ８２の昇圧で確保される。
【００６４】
また、炭酸タービン６８の排気は合成プラントでＣＯ２ が回収され、メタノールやジメチルエーテルの原料とされる。必要なＨ２を電気分解で得る場合、併産するＯ２は必要に応じて液体酸素に転換・貯蔵したり、図示の酸素圧縮機６９を経由して発電設備の酸素供給ラインに投入利用される。
【００６５】
図５乃至図８に基づいて第３実施例乃至第６実施例に係る窒素製造装置を説明する。
【００６６】
第３実施例乃至第６実施例に係る窒素製造装置は、第１実施例における第１深冷熱交換器５、第２深冷熱交換器６、分離・精製システム７、液体窒素タンク８及び液体酸素タンク９の部位を深冷プラント７６に内包されるものとして示してあり、予冷熱交換器２は後段冷却器５７に置き替えした構成となっている。そして、図中で深冷プラント７６で得られる流体は、深冷気体ｇｇとして示してある。また、第２実施例を適用した場合には深冷プラント７６で得られる流体は、深冷液体ｌｌとなる。
【００６７】
図５には本発明の第３実施例に係る窒素製造装置の概略系統を示してある。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
【００６８】
図に示すように、圧縮機５１及び燃焼器５２及びタービン５３からなるガスタービン設備５４が備えられ、ガスタービン設備５４のタービン５３の排気が排熱回収ボイラ５５で熱回収される。排熱回収ボイラ５５で発生した蒸気ｓは蒸気系１４に送られると共に吸収冷凍機５６の作動熱源とされる。
【００６９】
一方、圧縮機１で圧縮された圧縮空気は後段冷却器５７で冷却され、後段冷却器５７で冷却された圧縮空気は膨張タービン３で膨張したのち深冷プラント７６に送られる。吸収冷凍機５６で生成された冷水ｌ１は後段冷却器５７に送られて後段冷却器５７の冷熱源とされる。吸収冷凍機５６を作動した蒸気は復水ｗとなって再び排熱回収ボイラ５５に給水される。
【００７０】
上述した窒素製造装置は、深冷プラント７６にコージェネ設備を併設したので、圧縮機１の動力を削減することができ、予冷のための冷水ｌ１の供給により、深冷プラント７６の省エネルギー性を高めることができる。深冷プラント７６で得るものは深冷の気体ｇｇ、液化物ｌｌのいずれでもよい。
【００７１】
図６には本発明の第４実施例に係る窒素製造装置の概略系統を示してある。尚、図１及び図５に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
【００７２】
図に示すように、圧縮機５１及び燃焼器５２及びタービン５３からなるガスタービン設備５４が備えられ、ガスタービン設備５４のタービン５３の排気が排熱回収ボイラ５５で熱回収される。排熱回収ボイラ５５で発生した蒸気ｓは蒸気系１４に送られると共に吸収冷凍機５６の作動熱源とされる。
【００７３】
圧縮機５１の吸気を冷却する吸気冷却器５８が設けられ、圧縮機５１の吸気が深冷気体ｇｇもしくは深冷液体ｌｌで冷却される。圧縮機５１で圧縮された圧縮空気の一部を分岐して中間冷却器５９で冷却する。深冷気体ｇｇもしくは深冷液体ｌｌの一部が冷却中間冷却器５９で空気冷却に用いられ低温の空気が圧縮機１に送られる。
【００７４】
一方、圧縮機１で圧縮された空気は後段冷却器５７で冷却され、膨張タービン３で膨張してさらに低温となり深冷プラント７６に送られる。吸収冷凍機５６で生成された冷水ｌ１は後段冷却器５７に送られて後段冷却器５７の冷熱源とされる。吸収冷凍機５６を作動した蒸気は復水ｗとなり排熱回収ボイラ５５に給水される。
【００７５】
上述した窒素製造装置は、ガスタービン設備５４の圧縮機５１で圧縮された圧縮空気の一部を圧縮機１で加圧して膨張タービン３の断熱膨張冷却で深冷する。ガスタービン設備５４の圧縮機５１の吸気を吸気冷却器５８で冷却する際の冷却媒体に深冷気体ｇｇもしくは深冷液体ｌｌを用いて圧縮機吸気重量流量を増加させて出力増強を行う。圧縮機５１の吸気冷却により増加した吸気量をそのまま圧縮機１の吸気として使用しこの予圧の分だけ圧縮機１のの圧縮比を軽減する。
【００７６】
したがって、タービン５３の出力を設計値に保った状態で圧縮機５１の動力を設計値より後段冷却器５７の分だけ高くすることになるが、予圧分には電動機１０及び発電機５の効率がかからずに取り出されるためこれら２損失の影響でシステム効率が低下するのを防ぐことになり、結果としてシステム効率を向上させることができる。
【００７７】
図７には本発明の第５実施例に係る窒素製造装置の概略系統を示してある。尚、図１及び図６に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００７８】
図７に示した窒素製造装置は、図６に示した窒素製造装置に対し、ガスタービン５４の軸で駆動される圧縮機８５を備え、圧縮機８５の吸気を冷却する吸気冷却器５８を備えている。更に、圧縮機５１及び圧縮機８５の吸気冷却器５８の上流側には予冷器８６がそれぞれ設けられている。また、中間冷却器５９の上流には高温熱交換器８７及び予冷器８８が設けられている。また、後段冷却器５７の後流側には仕上げ冷却器８９が設けられている。予冷器８６及び予冷器８８の冷熱源は吸気冷凍機５６からの冷水が用いられ、仕上げ冷却器８９の冷熱源は深冷プラント７６の深冷気体ｇｇもしくは深冷液体ｌｌの一部が用いられる。深冷気体ｇｇは深冷空気、深冷窒素、深冷液体ｌｌは液体空気、液体窒素、液体酸素である。
【００７９】
尚、圧縮機１をガスタービン設備５４の系と機械的に連結させる場合は軸直結あるいは歯車装置を介しての結合等の方法は自由である。
【００８０】
上述した窒素製造装置は、圧縮機８５（初段の圧縮機）が軸駆動であるが、その軸駆動力は吸気冷却によるガスタービン設備５４の増出力で確保される。吸気冷却器５８及び中間冷却器５９には冷水を用いた予冷器８６及び予冷器８８を併用して深冷流体の節約を図っている。中間冷却器５９には最上流に高温熱交換器８７を設け、冷却流体は、下流熱交換器ＡＣ−ＩＣ あるいは別途熱交換器ＰＣの出口流体や単独の（ｇｇ，ｌｌ） の他温度条件によって、▲１▼燃料、▲２▼給水、▲３▼蒸気とする。つまり、高温熱交換器８７では、▲１▼燃料の場合に燃料予熱を行い、▲２▼の場合に蒸気を発生させ、▲３▼の場合に蒸気過熱を行う。
【００８１】
後段冷却器５７の後流には仕上げ冷却器８９を設け、膨張タービン３の入口の温度の低減を図る。単独の冷却器毎に深冷プラント７６の深冷気体ｇｇもしくは深冷液体ｌｌの一部を流す他、各熱交換器を自由に選択して経由させる。例えば、仕上げ冷却器８９から中間冷却器５９、吸気冷却器５８へとシリーズに深冷気体ｇｇもしくは深冷液体ｌｌの一部を経由させてその都度昇温させ、吸気冷却器５８の出口で高温流体として取り出すことも可能である。他の例として、仕上げ冷却器８９から中間冷却器５９及び吸気冷却器５８、高温熱交換器８７へと深冷気体ｇｇもしくは深冷液体ｌｌの一部を経由させて、更に高温で取り出すことも可能である。
【００８２】
尚、空気ラインの熱交換の配置は図６に示した窒素製造装置にも適用することができる。
【００８３】
図８には本発明の第６実施例に係る窒素製造装置の概略系統を示してある。尚、図１及び図７に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。第６実施例に係る窒素製造装置のでは、深冷プラント７６では深冷気体ｇｇ及び深冷液体ｌｌが製造されるようになっている。
【００８４】
図８に示した窒素製造装置は、図７に示した窒素製造装置に対し、仕上げ冷却器８９の後流側にタービン入口温度冷却器９０を備えている。タービン入口温度冷却器９０には深冷気体ｇｇの一部が冷熱源として送られ、その後圧縮機５１及び圧縮機８５の吸気に混合される。深冷液体ｌｌの一部（必要量）はポンプ７９で昇圧されて仕上げ冷却器８９に送られる。
【００８５】
上述した窒素製造装置は、深冷プラント７６からの深冷気体ｇｇの一部（必要量）をガスタービン設備５４の圧縮機５１に吸入し、吸気冷却効果によりガスタービン出力を向上させる。また、深冷プラント７６からの深冷気体ｇｇの一部を深冷設備系統の圧縮機８５に吸入し、吸気量の増大と吐出温度の低下を図り、液化効率を向上させる。深冷プラント７６からの深冷気体ｇｇの一部を圧縮機５１及び圧縮機８５に混合するだけの場合もあり、各熱交換器は冷却計画に応じて自由に構成することができる。深冷プラント７６からの深冷気体ｇｇの一部を改めてタービン入口温度冷却器９０に送り、膨張タービン３の入口温度を低下させてから圧縮機５１及び圧縮機８５に吸入することもある。深冷プラント７６からの深冷気体ｇｇの一部をタービン入口温度冷却器９０に通さない場合、低温の深冷気体ｇｇの一部を圧縮機５１及び圧縮機８５の入口に直接供給することができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の窒素製造設備は、空気を圧縮する空気圧縮機と、圧縮空気を冷却（膨張冷却）して液化する液化冷却手段と、液化冷却手段で液化された空気を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプとを備え、液化冷却手段では、窒素ポンプで圧送された液体窒素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素を得る。つまり液体窒素の蒸発潜熱による冷熱で圧縮空気が冷却されるので、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において、液体窒素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで少ない動力で窒素を製造することができる窒素製造装置となる。
【００８７】
本発明の窒素製造設備は、空気を圧縮する空気圧縮機と、圧縮空気を冷却して液化する液化冷却手段と、液化冷却手段で液化された空気を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、分離・精製手段で分離された液体酸素を液化冷却手段に圧送する酸素ポンプとを備え、液化冷却手段では、窒素ポンプ及び酸素ポンプで圧送された液体窒素及び液体酸素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素及び高圧酸素を得てその潜熱による冷熱で圧縮空気が冷却されるので、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において、液体窒素及び液体酸素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素及び酸素を製造することができる窒素製造装置となる。
【００８８】
本発明の窒素製造設備は、空気を圧縮する空気圧縮機と、圧縮空気を膨張して発電を行うタービンと、タービンの排気流体を冷却して液化する液化冷却手段と、液化冷却手段で液化された排気流体を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプとを備え、液化冷却手段では、窒素ポンプで圧送された液体窒素を排気流体との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素を得てその潜熱による冷熱で排気流体が冷却されるので、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において、液体窒素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素を製造することができる窒素製造装置となる。
【００８９】
本発明の窒素製造設備は、空気を圧縮する空気圧縮機と、圧縮空気を膨張して発電を行うタービンと、タービンの排気流体を冷却して液化する液化冷却手段と、液化冷却手段で液化された排気流体を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、分離・精製手段で分離された液体酸素を液化冷却手段に圧送する酸素ポンプとを備え、液化冷却手段では、窒素ポンプ及び酸素ポンプで圧送された液体窒素及び液体酸素を排気流体との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素及び高圧酸素を得てその潜熱による冷熱で排気流体が冷却されるので、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において、液体窒素及び液体酸素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素を製造することができる窒素製造装置となる。
【００９０】
本発明のタービン発電設備は、請求項１もしくは請求項３に記載の窒素製造設備と、燃焼器からの高温燃焼ガスが送られて作動するタービンとを備え、高圧窒素製造設備で得られた高圧窒素が高圧酸素と共に燃焼器に供給されて燃料と共に燃焼されるので、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において液体窒素及び液体酸素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素を製造して窒素を消費することができるタービン発電設備となる。
【００９１】
本発明のタービン発電設備は、請求項２もしくは請求項４に記載の窒素製造設備と、燃焼器からの高温燃焼ガスが送られて作動するタービンとを備え、窒素製造設備で得られた高圧窒素及び高圧酸素が燃焼器に供給されて燃料と共に燃焼されるので、液体窒素及び液体酸素を得るための深冷設備において液体窒素及び液体酸素を気化するための潜熱を冷熱源とすることで窒素を製造して窒素を消費することができるタービン発電設備となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る窒素製造装置としての空気液化・気化プラントの概略系統図。
【図２】本発明の第１実施例に係るタービン発電設備の概略系統図。
【図３】本発明の第２実施例に係る窒素製造装置としての深冷プラントの概略系統図。
【図４】本発明の第２実施例に係るタービン発電設備の概略系統図。
【図５】本発明の第３実施例に係る窒素製造装置の概略系統図。
【図６】本発明の第４実施例に係る窒素製造装置の概略系統図。
【図７】本発明の第５実施例に係る窒素製造装置の概略系統図。
【図８】本発明の第６実施例に係る窒素製造装置の概略系統図。
【符号の説明】
１，３１，３５，８５ 圧縮機
２ 予冷熱交換器
３ 膨張タービン
４，２９，３０，４６，４９，７１，７３ 発電機
５ 第１深冷熱交換器
６ 第２深冷熱交換器
７ 分離・精製システム
８ 液化窒素タンク
９ 液化酸素タンク
１０，７０ モータ
１１ 窒素ポンプ
１２ 酸素ポンプ
１４ 蒸気系
１５，１６，１７，３２，３６，６５ 燃焼器
１８，１９，４７，５０，７２，７４ 排熱回収ボイラ
２０ 液炭酸プラント
２１ 空気液化・気化プラント
２５，２６，２７，３３，３７ タービン
３４ 第１ガスタービン設備
３８ 第２ガスタービン設備
４１，４２ 加熱熱交換器
４５ 吸気冷却装置
４８ 吸気熱交換装置
６１，７６ 深冷プラント
６２ 予冷熱交換器
６３ 深冷熱交換器
６４ 液化天然ガスタンク
６６ 窒素タービン
６８ 炭酸タービン
６９ 酸素圧縮機
７９，８１，８２ ポンプ
８６ 予冷器
８７ 高温熱交換器
８９ 仕上げ冷却器
９０ タービン入口温度冷却器

Claims (18)

  1. 空気を圧縮する空気圧縮機と、
    圧縮空気を冷却して液化する液化冷却手段と、
    液化冷却手段で液化された空気を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、
    分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと
    を備え、
    液化冷却手段では、窒素ポンプで圧送された液体窒素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素を得ると同時にその潜熱及び冷熱で圧縮空気が冷却される
    ことを特徴とする窒素製造設備。
  2. 空気を圧縮する空気圧縮機と、
    圧縮空気を冷却して液化する液化冷却手段と、
    液化冷却手段で液化された空気を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、
    分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、
    分離・精製手段で分離された液体酸素を液化冷却手段に圧送する酸素ポンプとを備え、
    液化冷却手段では、窒素ポンプ及び酸素ポンプで圧送された液体窒素及び液体酸素を圧縮空気との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素及び高圧酸素を得てその潜熱による冷熱で圧縮空気が冷却される
    ことを特徴とする窒素製造設備。
  3. 空気を圧縮する空気圧縮機と、
    圧縮空気を膨張して発電を行うタービンと、
    タービンの排気流体を冷却して液化する液化冷却手段と、
    液化冷却手段で液化された排気流体を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、
    分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、を備え、
    液化冷却手段では、窒素ポンプで圧送された液体窒素を排気流体との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素を得ると同時にその潜熱及び冷熱で排気流体が冷却される
    ことを特徴とする窒素製造設備。
  4. 空気を圧縮する空気圧縮機と、
    圧縮空気を膨張して発電を行うタービンと、
    タービンの排気流体を冷却して液化する液化冷却手段と、
    液化冷却手段で液化された排気流体を液体窒素と液体酸素に分離して精製する分離・精製手段と、
    分離・精製手段で分離された液体窒素を液化冷却手段に圧送する窒素ポンプと、分離・精製手段で分離された液体酸素を液化冷却手段に圧送する酸素ポンプとを備え、
    液化冷却手段では、窒素ポンプ及び酸素ポンプで圧送された液体窒素及び液体酸素を排気流体との間で熱交換して蒸発させて高圧窒素及び高圧酸素を得てその潜熱による冷熱で排気流体が冷却される
    ことを特徴とする窒素製造設備。
  5. 請求項１もしくは請求項３において、
    液化冷却手段で得られる高圧窒素は、高圧窒素ガスであることを特徴とする窒素製造設備。
  6. 請求項２もしくは請求項４において、
    液化冷却手段で得られる高圧窒素及び高圧酸素は、高圧窒素ガス及び高圧酸素ガスであることを特徴とする窒素製造設備。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
    液化天然ガス貯蔵手段及び／または液炭酸貯蔵手段を備え、
    液化冷却手段には、液化天然ガス貯蔵手段からの液化天然ガス及び／または液炭酸貯蔵手段からの液化炭酸が冷熱源として供給されることを特徴とする窒素製造設備。
  8. 請求項２もしくは請求項４において、
    圧縮空気を冷却する冷却手段が備えられていることを特徴とする窒素製造設備。
  9. 請求項８において、
    冷却手段の冷熱源は、液化冷却手段で得られた高圧窒素及び高圧酸素の顕熱であることを特徴とする窒素製造設備。
  10. 請求項８において、
    圧縮機及び燃焼器及びタービンからなるガスタービン設備と、
    ガスタービン設備のタービンの排気ガスの熱回収を行って蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
    排熱回収ボイラで生成された蒸気を作動熱源とする吸収冷凍機と
    を備え、
    冷却手段の冷熱源は、吸収冷凍機で生成された冷水であることを特徴とする窒素製造設備。
  11. 請求項１０において、
    ガスタービン設備の圧縮機の吸気を冷却する吸気冷却手段と、
    ガスタービン設備の圧縮機からの圧縮空気の一部を冷却し冷却後の圧縮空気を空気圧縮機に供給する中間冷却手段と
    を備え、
    吸気冷却手段及び中間冷却手段の冷熱源は、分離・精製手段で分離された液体窒素及び液体酸素、及びまたは、液化冷却手段で得られた高圧窒素及び高圧酸素であることを特徴とする窒素製造設備。
  12. 請求項１１において、
    吸気冷却手段及び中間冷却手段の冷熱源として、吸収冷凍機で生成された冷水がさらに用いられることを特徴とする窒素製造設備。
  13. 請求項５において、
    液化冷却手段で得られた高圧窒素ガスが燃焼器に供給され、燃焼器からの燃焼ガスがタービンに送られることを特徴とする窒素製造設備。
  14. 請求項６において、
    液化冷却手段で得られた高圧窒素（気体）及び高圧酸素（気体）が燃焼器に供給され、燃焼器からの燃焼ガスがタービンに送られることを特徴とする窒素製造設備。
  15. 請求項１もしくは請求項３に記載の窒素製造設備と、
    燃焼器からの燃焼ガスが送られて作動するタービンと
    を備え、
    高圧窒素製造設備で得られた高圧窒素が燃焼器に供給されて燃料と共に燃焼されることを特徴とする
    タービン発電設備。
  16. 請求項１５において、
    圧縮機及び燃焼器及びタービンからなるガスタービン設備を更に備え、
    窒素製造設備で得られた高圧窒素がガスタービン設備の圧縮機の吸気の冷熱源とされた後にタービンの燃焼器に供給されることを特徴とするタービン発電設備。
  17. 請求項２もしくは請求項４に記載の窒素製造設備と、
    燃焼器からの燃焼ガスが送られて作動するタービンと
    を備え、
    窒素製造設備で得られた高圧窒素及び高圧酸素が燃焼器に供給されて燃料と共に燃焼されることを特徴とするタービン発電設備。
  18. 請求項１７において、
    圧縮機及び燃焼器及びタービンからなるガスタービン設備を更に備え、
    窒素製造設備で得られた高圧窒素がガスタービン設備の圧縮機の吸気の冷熱源とされた後にタービンの燃焼器に供給されることを特徴とするタービン発電設備。
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