JP6075317B2 - 空気分離設備および空気分離設備の起動方法 - Google Patents

空気分離設備および空気分離設備の起動方法 Download PDF

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Description

本発明は、空気分離設備および空気分離設備の起動方法に関する。
空気分離装置は、空気を圧縮した原料空気を冷却して液体空気とし、沸点の違いを用いて酸素、窒素、またはさらに、アルゴンに分離する。
図1は、従来の空気分離装置の起動時の状態を示す図である。空気分離装置は、空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機11と、原料空気圧縮機11から供給された原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器151と、熱交換器151から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔152を備えている。熱交換器151と精留塔152は、保冷槽であるコールドボックス15に収容されている。
熱交換器151は、2基1組となっており、稼動時においては、原料空気の冷却と、分離された低温の酸素および窒素の気化とを一定時間毎に交互に行うことで、連続的に処理を行っている。
冷却時には、常温の原料空気が充填される。原料空気は、蓄冷体により冷却されて液体空気となる。液体空気は、精留塔152に供給され、酸素および窒素が精製分離される。
再生時では、精留塔152によって分離された低温の酸素および窒素が充填され、低温の酸素および窒素が常温まで昇温される。
また、熱交換器151では、冷却と再生を交互に繰り返す中で、原料空気に含まれる水と二酸化炭素を除去する。具体的には、冷却時に、原料空気に含まれる水と二酸化炭素を蓄冷体の表面に析出させる。そして、冷却時と再生時の間に、分離精製昇温された窒素の一部を、排ガスとして熱交換器151に通すことで、表面析出した水と二酸化炭素を昇華させて外部に排出する。
空気分離装置の起動時(稼動前)では、コールドボックス15内に大気が浸入する。大気には、水と二酸化炭素が含まれるため、除去せずに空気分離装置を起動した場合には、それらが凍る。そのため、空気分離装置の起動時では、熱交換器151内の気体に含まれる水と二酸化炭素を除去する必要がある。しかしながら、空気分離装置の起動時では、分離精製された窒素等が存在せず、熱交換器151内の気体に含まれる水と二酸化炭素を排出することができない。そこで、従来では、空気分離装置の起動時においては、原料空気圧縮機11から供給される原料空気を、脱水および脱炭機能を有する乾燥器9を介して熱交換器151に供給し、熱交換器151内の大気に含まれる水と二酸化炭素を排出している。
特開2004−19987号公報
しかしながら、従来の空気分離装置では、乾燥器の能力、熱源などの制約により、起動時に、原料空気圧縮機11より供給される原料空気の一部しか熱交換器151に供給することができず、残りの原料空気は、排気口12から放風されることとなる。原料空気圧縮機11は、空気分離装置の中でも大きな電力を要しており、放風された原料空気の分は電力ロスとなる。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、空気分離装置の起動時における電力ロスを低減させることができる空気分離設備および空気分離装置の起動方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記のような目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
[1] 空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第1の空気分離装置および第2の空気分離装置と、
第1の空気分離装置または第2の空気分離装置の原料空気圧縮機から供給された原料空気を乾燥させて、第1の空気分離装置または第2の空気分離装置の熱交換器に供給する乾燥器と、を備えた空気分離設備の起動方法であって、
第1の空気分離装置を稼動した状態で、第2の空気分離装置の起動する際に、
第2の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、起動中の第1の空気分離装置の原料空気圧縮機から抜き取った原料空気から水および二酸化炭素を除去したものを、第2の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出する空気分離設備の起動方法。
[2] 空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第1の空気分離装置および第2の空気分離装置とを備えた空気分離設備の起動方法であって、
第1の空気分離装置を稼動した状態で、第2の空気分離装置の起動する際に、
第2の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、起動中の第1の空気分離装置によって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を、第2の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出する空気分離設備の起動方法。
[3] 空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第1の空気分離装置および第2の空気分離装置と、
入側が、第1調節弁を介して第1の空気分離装置の原料空気圧縮機に接続されると共に、第2調節弁を介して第2の空気分離装置の原料空気圧縮機に接続され、出側が、第3調節弁を介して第1の空気分離装置の熱交換器に接続されると共に、第4調節弁を介して第2の空気分離装置の熱交換器に接続された乾燥器とを備える空気分離設備。
[4] 空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第1の空気分離装置および第2の空気分離装置と、
第1の空気分離装置および第2の空気分離装置のいずれかによって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を、他方の第1の空気分離装置または第2の空気分離装置の熱交換器に供給する配管を備える空気分離設備。
本発明によれば、空気分離装置の起動時における電力ロスを低減させることができる。
従来の空気分離装置の起動時の状態を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る空気分離設備の起動時の状態を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る空気分離設備の起動時の状態を示す図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
製鉄所などの工場においては、空気分離装置が複数設置されている。本発明は、複数の空気分離装置を備えた空気分離設備において、2以上の空気分離装置を連携させることで、1つの空気分離装置の起動時の電力ロスを低減させるものである。
[実施の形態1]
図2は、本発明の実施の形態1に係る空気分離設備の構成を示す図である。実施の形態1に係る空気分離設備は、第1の空気分離装置1、第2の空気分離装置2、乾燥器31、酸素圧縮機32、窒素圧縮機33を有している。乾燥器31、酸素圧縮機32、窒素圧縮機33は、第1の空気分離装置1と第2の空気分離装置2によって共有されている。
第1の空気分離装置1は、空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機11と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器151と、熱交換器151から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔152を備えている。熱交換器151および精留塔152は、保冷槽であるコールドボックス15に収容されている。
第2の空気分離装置2は、空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機21と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器251と、熱交換器251から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔252を備えている。熱交換器251および精留塔252は、コールドボックス25に収容されている。
第1の空気分離装置1のコールドボックス15と第2の空気分離装置2のコールドボックス25の出側には、酸素圧縮機32、窒素圧縮機33がそれぞれ接続されている。
乾燥器31は、水および二酸化炭素を除去することができるシリカゲル乾燥器である。
乾燥器31の入側は、調節弁10を介して第1の空気分離装置1の原料空気圧縮機11に接続されると共に、調節弁20を介して第2の空気分離装置2の原料空気圧縮機21に接続されている。調節弁10には、流量計13が設けられ、調節弁20には、流量計23が設けられている。
また、乾燥器31の出側は、調節弁17を介して第1の空気分離装置1のコールドボックス15の熱交換器151に接続されると共に、調節弁27を介して第2の空気分離装置2のコールドボックス25の熱交換器251に接続されている。
次に、このように構成された実施の形態1に係る空気分離設備の動作について説明する。この説明では、第1の空気分離装置1が稼動中であり、第2の空気分離装置2が起動する場合の動作について説明する。
第1の空気分離装置1では、原料空気圧縮機11からコールドボックス15の熱交換器151に原料空気が供給され、精留塔152において酸素と窒素が分離精製されている。
精留塔152において分離精製された酸素は、熱交換器151によって昇温された後、酸素圧縮機32によって圧縮され、酸素ガスとして排出される。同様に、精留塔152において分離精製された窒素は、熱交換器151によって昇温された後、窒素圧縮機33によって圧縮され、窒素ガスとして排出される。
第2の空気分離装置2の起動時には、熱交換器251内に浸入した外気に、水と二酸化炭素が含まれるため、水と二酸化炭素を含まない気体を熱交換器251に通気させて、水と二酸化炭素を排出させる必要がある(以下、この処理を加熱という)。実施の形態1では、この水と二酸化炭素を含まない気体として、稼働中の第1の空気分離装置1より抜き取った原料空気を、水を二酸化炭素を除去する機能を有する乾燥器31を介して第2の空気分離装置2の熱交換機251、精留塔152、および配管系統に供給する。
第2の空気分離装置2の起動時では、原料空気圧縮機21を停止した状態とする。そして、調節弁24を閉じて、第2の空気分離装置2の原料空気圧縮機21からの圧縮空気の供給経路を閉じる。調節弁10、27を開いて、稼働中の第1の空気分離装置1より原料空気を抜取り、乾燥器31にて原料空気の水および二酸化炭素を除去する。このとき、第1の空気分離装置1より抜き取る原料空気の量は、乾燥器31の能力の範囲内とする。その後、水および二酸化炭素を除去した原料空気を、起動中の第2の空気分離装置2の熱交換器251へ供給する。
第2の空気分離装置2の熱交換器251の加熱が終了したら、調節弁10、27を閉じて、調節弁24を開く。そして、原料空気圧縮機21を起動し、原料空気圧縮機21から熱交換器251に原料空気を供給する。これにより、第2の空気分離装置2が稼動する。
実施の形態1に係る空気分離設備および空気分離設備の起動方法によれば、起動中の第2の空気分離装置2に対して、乾燥器31の定格流量を超えない範囲で、第1の空気分離装置1から原料空気を供給する。そのため、従来のように排出口22からの放風は発生せず、電力ロスを低減させることができる。ただし、実施の形態1では、原料空気を供給する側の第1の空気分離装置1の窒素および酸素の精製量が低下することとなる。
なお、上述の説明では、稼働中の第1の空気分離装置1から、起動中の第2の空気分離装置2に原料空気を供給したが、稼働中の第2の空気分離装置2から、起動中の第1の空気分離装置1に原料空気を供給するようにしてもよい。
また、上述では、2つの空気分離装置を連携させた例について説明したが、本発明は、3以上の空気分離装置に適用してもよい。
また、上述では、乾燥器31が水および二酸化炭素を除去する機能を有しているとして説明したが、水を除去する装置と二酸化炭素を除去する装置をそれぞれ設け、稼働中の第1の空気分離装置1から抜き取った原料空気を、水を除去する装置と二酸化炭素を除去する装置を介して、起動中の第2の空気分離装置2に供給するようにしてもよい。
[実施の形態2]
図3は、本発明の実施の形態2に係る空気分離設備の構成を示す図である。実施の形態2に係る空気分離設備は、実施の形態1と同様に、第1の空気分離装置1、第2の空気分離装置2を備えている。
実施の形態1との差異は、実施の形態2では、窒素圧縮機33の出側から、調節弁34を介して第2の空気分離装置2の入側に接続された配管が設けられている点にある。また、調節弁34には、流量計35が設けられている。
図3では、第1の空気分離装置1と第2の空気分離装置2によって共有された乾燥器31が図示されているが、実施の形態2においては、乾燥器31は設置してもしなくてもよい。なお、他の構成要素については、実施の形態1と略同様であるため、同一符号を付すことによりその説明を省略する。
次に、このように構成された実施の形態2に係る空気分離設備の動作について説明する。ここでは、第1の空気分離装置1が稼動中であり、第2の空気分離装置2が起動する場合の動作について説明する。
第1の空気分離装置1では、原料空気圧縮機11からコールドボックス15内の熱交換器151に原料空気が供給され、精留塔152において酸素と窒素が分離精製されている。
精留塔152において分離精製された酸素は、熱交換器151によって昇温された後、酸素圧縮機32によって圧縮され、酸素ガスとして排出される。同様に、熱交換器151において分離精製された窒素は、熱交換器151によって昇温された後、窒素圧縮機33によって圧縮され、窒素ガスとして排出される。
第2の空気分離装置2の起動時には、原料空気圧縮機21を停止した状態とする。そして、調節弁24を閉じて、第2の空気分離装置2の原料空気圧縮機21からの圧縮空気の供給経路を閉じる。なお、実施の形態2では、乾燥器31による乾燥は不要であるため、調節弁10、20、17、27は閉じた状態とする。
そして、調節弁34を開いて、窒素圧縮機33より昇圧された窒素ガスを起動中の第2の空気分離装置2の熱交換機251、精留塔152、および配管系統へ供給する。第2の空気分離装置2の加熱が終了したら、調節弁34を閉じる。第2の空気分離装置2の原料空気圧縮機21を起動し、調節弁24を開き、第2の空気分離装置2を起動状態とする。
実施の形態2では、起動時の第2の空気分離装置2の熱交換器251の加熱を、乾燥した原料空気から生成された窒素ガスを熱交換器251に通気させることにより行う。これによって、実施の形態1と同様に、第2の空気分離装置2の起動時の電力ロスを低減させることができる。
なお、稼動中の第1の空気分離装置1から第2の空気分離装置2に供給する気体は、酸素圧縮機32から精製された酸素ガスでもよいが、製鉄所において需要が高いのは、酸素であり、窒素は副産物として余剰傾向にあるため、酸素需給の逼迫した状況でも供給が可能な窒素ガスを用いることが好ましい。
また、上述の説明では、稼働中の第1の空気分離装置1から、起動中の第2の空気分離装置2に窒素ガスを供給する場合を例として説明したが、稼働中の第2の空気分離装置2から、起動中の第1の空気分離装置1に窒素ガスを供給するようにしてもよい。
実施の形態1の空気分離設備を用いた場合の効果について検討する。図1に示すように、従来の空気分離設備において、原料空気圧縮機11の減量下限の風量を100,000Nm3/hとし、乾燥器31の能力を15,000Nm3/hとすると、排気口22からは、100,000Nm3/h−15,000Nm3/h=85,000Nm3/hの放風が発生する。ここで、原料空気圧縮機11によって原料空気を生成するための電力原単位を0.08kW/Nm3とし、コールドボックス15の加熱時間を36時間とすれば、排気口22からの放風により、以下の電力ロスが発生する。
(100,000Nm3/h−15,000Nm3/h)×0.08kW/Nm3×36h=244,800kWh
これに対し、実施の形態1に係る空気分離設備を用いた場合では、第2の空気分離設備2の起動中において、第2の空気分離設備2の原料空気圧縮機21を停止させて、乾燥器31の能力を超えない範囲で、第1の空気分離設備1から第2の空気分離設備2へ原料空気を供給するため、上記の電力ロスを削減することができる。
実施の形態2の空気分離設備を用いた場合の効果について検討する。図1に示すように、従来の空気分離設備において、原料空気圧縮機11の減量下限の風量を100,000Nm3/hとし、乾燥器31の能力を15,000Nm3/hとすると、排気口22からは、100,000Nm3/h−15,000Nm3/h=85,000Nm3/hの放風が発生し、以下の電力ロスが発生する。
(100,000Nm3/h−15,000Nm3/h)×0.08kW/Nm3×36h=244,800kWh
これに対し、実施の形態2に係る空気分離設備を用いた場合では、第2の空気分離設備2の起動中において、第2の空気分離設備2の原料空気圧縮機21を停止させて、窒素圧縮機33から窒素ガスを第2の空気分離設備2へ供給する。窒素ガスを生成するための電力原単位を0.08kW/Nm3、窒素圧縮機32の電力原単位を0.1kW/Nm3、加熱時間を36時間とすると、実施の形態2を適用することで以下の電力ロスを削減することができる。
(100,000Nm3/h×0.08kW/Nm3−15,000Nm3/h×0.1kW/Nm3)×36h=234,000kWh
1 第1の空気分離装置
2 第2の空気分離装置
11、21 原料空気圧縮機
22 排気口
13、23、25 流量計
10、14、17、20、24、27、34 調節弁
15、25 コールドボックス
151、251 熱交換器
152、252 精留塔
16、26 排気口
31 乾燥器
32 酸素圧縮機
33 窒素圧縮機

Claims (4)

  1. 空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第1の空気分離装置および第2の空気分離装置と、
    第1の空気分離装置または第2の空気分離装置の原料空気圧縮機から供給された原料空気を乾燥させて、第1の空気分離装置または第2の空気分離装置の熱交換器に供給する乾燥器と、を備えた空気分離設備の起動方法であって、
    第1の空気分離装置を稼動した状態で、第2の空気分離装置起動する際に、
    第2の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、動中の第1の空気分離装置の原料空気圧縮機から抜き取った原料空気から水および二酸化炭素を除去したものを、第2の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出する空気分離設備の起動方法。
  2. 空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第1の空気分離装置および第2の空気分離装置とを備えた空気分離設備の起動方法であって、
    第1の空気分離装置を稼動した状態で、第2の空気分離装置起動する際に、
    第2の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、動中の第1の空気分離装置によって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を、第2の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出する空気分離設備の起動方法。
  3. 空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第1の空気分離装置および第2の空気分離装置と、
    第1の空気分離装置または第2の空気分離装置の原料空気圧縮機から供給された原料空気を乾燥させて、第1の空気分離装置または第2の空気分離装置の熱交換器に供給する乾燥器と、を備えた空気分離設備であって、
    乾燥器の入側に、第1の空気分離装置の原料空気圧縮機との接続を調節する第1調節弁と、第2の空気分離装置の原料空気圧縮機との接続を調節する第2調節弁と、
    乾燥器の出側に、第1の空気分離装置の熱交換器との接続を調節する第3調節弁と、第2の空気分離装置の熱交換器との接続を調節する第4調節弁と、を備え、
    第1の空気分離装置を稼動した状態で、第2の空気分離装置を起動する際に、
    第2の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、第2調節弁と第3調節弁を閉じるとともに第1調節弁と第4調節弁を開いて、稼動中の第1の空気分離装置の原料空気圧縮機から抜き取った原料空気から水および二酸化炭素を除去したものを、第2の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出するように構成されていることを特徴とする空気分離設備。
  4. 空気を圧縮して原料空気とする原料空気圧縮機と、原料空気を冷却して液体空気とする熱交換器と、熱交換器から供給された液体空気から酸素および窒素を分離精製する精留塔とを備えた第1の空気分離装置および第2の空気分離装置と、
    第1の空気分離装置および第2の空気分離装置のいずれかによって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方に、第5調節弁を介して他方の第1の空気分離装置または第2の空気分離装置の熱交換器に供給する配管を備える空気分離設備であって、
    第1の空気分離装置を稼動した状態で、第2の空気分離装置を起動する際に、
    第2の空気分離装置の原料空気圧縮機を停止させたまま、第1の空気分離装置によって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を第2の空気分離装置の熱交換器に供給する配管に備えた第5調節弁を開けて、稼動中の第1の空気分離装置によって分離精製された酸素および窒素の少なくとも一方を、第2の空気分離装置の熱交換器、精留塔、および配管系統に通気させて、当該熱交換器内の気体に含まれる水および二酸化炭素を排出するように構成されていることを特徴とする空気分離設備。
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