JP6091847B2 - ガス供給設備およびそれを用いたガス供給方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電気炉製鋼工場の同一用地内で液体酸素および高純度の液体アルゴンを得て、電気炉製鋼での酸化溶解工程で電気炉に酸素ガスを供給し、還元精錬工程で精錬炉に高純度アルゴンガスを供給するガス供給設備およびそれを用いたガス供給方法に関するものである。
鉄製品のスクラップやくず鉄を原料として製鉄する電気炉製鋼では、まず、電気炉で、酸素ガスを使用し、上記原料を酸化溶解して溶鋼にすることが行われる。ついで、精錬炉で、その溶鋼中に、少量の高純度アルゴンガス(純度99.9%程度)を吹き込んで撹拌し、その溶鋼中に含まれる酸素,硫黄,窒素を除去する還元精錬が行われる。
電気炉製鋼工場の用地内には、上記酸化溶解工程に使用される酸素ガスを製造する目的で、酸素ガス製造用の圧力スイング吸着(PSA)装置(例えば、特許文献1参照)が、通常、設置されている。
上記酸化溶解工程に必要な酸素ガスの量は、常時変化しており、瞬間的にその必要量が平均の2倍程度に増加するピーク時が存在する。そのピーク時の必要量を製造できるように上記PSA装置を設計すると、そのPSA装置が過剰能力を有するものとなり、上記酸化溶解工程の通常運転では、その能力は殆ど発揮されず、非合理的である。そのため、実際には、上記PSA装置の酸素ガス製造能力を、ピーク時の必要量未満の合理的な能力にし、ピーク時の不足分は、予め電気炉製鋼工場の用地内に設置されている液体酸素タンクから、液体酸素を気化させて電気炉に供給している。上記タンク内の液体酸素は、電気炉製鋼工場の用地外の液体酸素製造工場から、タンクローリ等により運搬される。
また、上記還元精錬工程で使用される高純度アルゴンガスを製造する装置(例えば、特許文献2参照)は、大型のものとなり、大量の高純度アルゴンガスを製造するものであることから、それを電気炉製鋼工場の用地内に設置すると、場所をとられるうえ、必要量以上の高純度アルゴンガスを製造することとなり、不合理である。そこで、高純度の液体アルゴンが、電気炉製鋼工場の用地外の液体アルゴン製造工場から、タンクローリ等により運搬され、電気炉製鋼工場の用地内の貯槽(タンク)に一旦移して貯留され、必要時に気化されて精錬炉に供給されるようになっている。
特開平10−286425号公報 特開平6−182136号公報
しかしながら、上記のように液体酸素および液体アルゴンをタンクローリ等により運搬するような状況では、運搬路が長くなるうえ、震災等で道路等のアクセスが遮断されると、電気炉製鋼工場での製鉄ができなくなる。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、電気炉製鋼工場の同一用地内で液体酸素および高純度の液体アルゴンを得て、電気炉製鋼の電気炉に酸素ガスを供給し、精錬炉に高純度アルゴンガスを供給することができるガス供給設備およびそれを用いたガス供給方法の提供をその目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明は、外気を導入して酸素を濃縮する圧力スイング吸着装置と、導入したガスを液化させる液化ユニットと、この液化ユニットで得られた液化ガスによって冷却される第1熱交換器と、上記圧力スイング吸着装置により得られた、アルゴンおよび窒素を少量含む酸素ガスを上記第1熱交換器に導入し液化してなる第1液体酸素の一部を貯留し、その貯留した第1液体酸素を電気炉製鋼の電気炉への酸素ガス供給源とする液体酸素タンクと、上記第1液体酸素の残部を深冷分離により第2液体酸素とアルゴンおよび窒素の混合ガスとに分離する第1精留塔と、この第1精留塔で分離生成された上記アルゴンおよび窒素の混合ガスを深冷分離により高純度液体アルゴンと窒素ガスとに分離する第2精留塔と、この第2精留塔で得られた高純度液体アルゴンを貯留し、その貯留した高純度液体アルゴンを電気炉製鋼の精錬炉への高純度アルゴンガス供給源とする液体アルゴンタンクと、上記第1精留塔で得られた第2液体酸素で冷却される第2熱交換器と、この第2熱交換器ならびに上記第1および第2精留塔を経由してその第1および第2精留塔内の窒素を冷媒用窒素として循環させる窒素循環路と、を電気炉製鋼工場の同一用地内に備えているガス供給設備を第1の要旨とする。
また、本発明は、上記第1の要旨のガス供給設備を用いたガス供給方法であって、電気炉製鋼工場の同一用地内に、外気を導入して酸素を濃縮する圧力スイング吸着装置と、液化ユニットと、第1および第2熱交換器と、深冷分離用の第1および第2精留塔と、上記第2熱交換器ならびに上記第1および第2精留塔を経由してその第1および第2精留塔内の冷媒用窒素を循環させる窒素循環路と、液体酸素タンクと、液体アルゴンタンクとを設ける工程と、上記液化ユニットで作製された液化ガスを上記第1熱交換器に通してその第1熱交換器を冷却する工程と、上記圧力スイング吸着装置で得られた、アルゴンおよび窒素を少量含む酸素ガスを、上記第1熱交換器に通して液化させ、第1液体酸素にする工程と、その第1液体酸素の一部を上記液体酸素タンクに貯留し、残部を上記第1精留塔に導入する工程と、その第1精留塔で上記第1液体酸素の残部を、深冷分離により、第2液体酸素と、アルゴンおよび窒素の混合ガスとに分離する工程と、上記第2液体酸素を上記第1精留塔から取り出して上記第2熱交換器に通し気化させる工程と、上記窒素循環路に上記冷媒用窒素を循環させて上記第1および第2精留塔を冷却する工程と、上記第1精留塔で分離生成された上記アルゴンおよび窒素の混合ガスを上記第1精留塔から取り出して上記第2精留塔に導入し、深冷分離により、高純度液体アルゴンと、窒素ガスとに分離する工程と、上記高純度液体アルゴンを上記第2精留塔から取り出し、上記液体アルゴンタンクに貯留する工程と、上記液体酸素タンクに貯留された第1液体酸素を必要に応じて気化させて電気炉製鋼の電気炉に供給する工程と、上記液体アルゴンタンクに貯留された高純度液体アルゴンを必要に応じて気化させて電気炉製鋼の精錬炉に供給する工程とを備えているガス供給方法を第2の要旨とする。
なお、本発明において、「同一用地」とは、得られた液体酸素および液体アルゴンをタンクローリ等の車両により運搬する必要のない範囲内の土地のことを意味し、工場敷地に限定するものではない。
また、本発明において、液体アルゴンおよびアルゴンガスの「高純度」とは、純度が99mol%以上のことを意味する。
本発明の第1の要旨であるガス供給設備は、同一用地内に必要装置類を設け、液化ユニットで得られた液化ガスによって冷却される第1熱交換器に、圧力スイング吸着装置で得られた、アルゴンおよび窒素を少量含む酸素ガスを、導入するようになっているため、その第1熱交換器で上記酸素ガスを液化して液体酸素(第1液体酸素)にすることができる。そして、その第1液体酸素の一部を液体酸素タンクに貯留するようになっているため、その液体酸素タンクの第1液体酸素を必要に応じて気化させて電気炉製鋼の電気炉に供給することができる。また、上記第1液体酸素の残部は、第1精留塔で深冷分離され、ついで、第2精留塔で深冷分離されるようになっているため、その第2精留塔での深冷分離により、高純度の液体アルゴンを得ることができる。そして、その高純度液体アルゴンは、液体アルゴンタンクに貯留されるするようになっているため、その液体アルゴンタンクの高純度液体アルゴンを必要に応じて気化させて電気炉製鋼の精錬炉に供給することができる。このように、本発明は、電気炉製鋼工場の用地内で、電気炉に供給する酸素ガスおよび精錬炉に供給する高純度アルゴンガスを得ることができるため、その用地外から液体酸素および高純度液体アルゴンをタンクローリ等により運搬する必要がない。そのため、運搬費を節約することができ、かつ、震災等で道路等のアクセスが遮断されたとしても、電気炉製鋼工場での製鉄が可能である。
そして、本発明の第2の要旨であるガス供給方法は、上記第1の要旨のガス供給設備を用いたガス供給方法であるため、上記のようにして、電気炉製鋼工場の用地内で、電気炉に供給する酸素ガスおよび精錬炉に供給する高純度アルゴンガスを得ることができる。そのため、その用地外から液体酸素および高純度液体アルゴンをタンクローリ等により運搬する必要がなく、運搬費を節約することができ、かつ、震災等で道路等のアクセスが遮断されたとしても、電気炉製鋼工場での製鉄が可能である。
本発明のアルゴン製造設備の第1の実施の形態を模式的に示す構成図である。 本発明のアルゴン製造設備の第2の実施の形態を模式的に示す構成図である。
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。ただし、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
図1は、本発明のガス供給設備の第1の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態のガス供給設備の全体は、電気炉製鋼工場の同一用地内に設置されるものであり、電気炉での酸化溶解工程で使用する酸素ガスを製造する目的で上記用地内に設置されている圧力スイング吸着(PSA)装置1(図示の左上端)を利用するものである。このPSA装置1で製造された酸素ガスには、アルゴンおよび窒素が少量含まれており、本発明のガス供給方法は、その酸素ガスから熱交換器(第1熱交換器3)(図示の左上端)を用いて液体酸素(第1液体酸素)を得て液体酸素タンク4(図示の右側)に貯留し、第1および第2精留塔5,6(図示の中央)を用いて高純度液体アルゴンを得て液体アルゴンタンク7に貯留し、必要に応じて気化させ、酸素ガスを電気炉21(図示の右側)に、高純度アルゴンガスを精錬炉22(図示の右側)に、それぞれ供給するものである。上記酸素ガスは、例えば、純度が90体積%以上95体積%以下程度であり、不純物としてアルゴンが4体積%以上5体積%以下程度、窒素が0体積%を超え6体積%以下程度含まれている。
すなわち、上記ガス供給設備は、上記PSA装置1と、このPSA装置1により得られた上記酸素ガスを昇圧する酸素ガス圧縮機2と、この酸素ガス圧縮機2で昇圧された酸素ガスを液化する第1熱交換器3と、この第1熱交換器3に液体空気(寒冷)を導入する液化ユニット11と、その第1熱交換器3で液化された酸素ガス(第1液体酸素)の一部を貯留する液体酸素タンク4と、その第1液体酸素の残部を深冷分離により第2液体酸素とアルゴンおよび窒素の混合ガスとに分離する第1精留塔5と、この第1精留塔5で分離生成された上記アルゴンおよび窒素の混合ガスを深冷分離により高純度液体アルゴンと窒素ガスとに分離する第2精留塔6と、この第2精留塔6で得られた高純度液体アルゴンを貯留する液体アルゴンタンク7と、上記第1精留塔5で得られた第2液体酸素で冷却される第2熱交換器8と、この第2熱交換器8ならびに上記第1および第2精留塔5,6を経由してその第1および第2精留塔5,6内の窒素を冷媒用窒素として循環させる窒素循環路9と、上記第1液体酸素等の流体の流路となる配管A〜Pおよびその配管A〜Pに設けられた減圧弁9b,9c,10等とを備えている。そして、上記液体酸素タンク4から、第1液体酸素を必要に応じて第1蒸発器4aで気化させて電気炉製鋼の電気炉21に供給し、また、上記液体アルゴンタンク7から、高純度液体アルゴンを必要に応じて第2蒸発器7aで気化させて電気炉製鋼の精錬炉22に供給するようになっている。
より詳しく説明すると、上記酸素ガス圧縮機2は、上記PSA装置1で得られた上記酸素ガスを昇圧させ、その状態で、その一部を、配管Aにより、電気炉製鋼の電気炉21に供給し、残部を、開閉弁12を開けて配管Bに導き、上記第1熱交換器3に導入するようになっている。そして、その第1熱交換器3で、上記酸素ガスを液化して第1液体酸素にし、その一部を、配管Cにより、液体酸素タンク4に貯留し、残部を、配管Dにより、第1精留塔5に導入するようになっている。
上記第1および第2精留塔5,6は、それぞれ、上側の低圧塔部5A,6Aと、下側の高圧塔部5B,6Bとからなっている。上記上側の低圧塔部5A,6Aは、上記冷媒用窒素が循環途中に液体状態で一時溜まる液体窒素貯留室となっており、その内部に、下側の高圧塔部5B,6Bで気化したガスを冷却するコンデンサ5a,6aを備えている。上記下側の高圧塔部5B,6Bは、その底部に、上記冷媒用窒素を通して液化するリボイラ5b,6bを備えている。
上記第1精留塔5の高圧塔部5Bには、上記PSA装置1で得られ上記酸素ガス圧縮機2で昇圧され上記第1熱交換器3で冷却されて生成した上記第1液体酸素が配管Dを経由して導入される。そして、第1精留塔5での精留により、上記第1液体酸素が高純度化し、第2液体酸素となって底部に溜まり、アルゴンおよび窒素の混合ガスの一部が配管Fを通って上記第2精留塔6の高圧塔部6Bの高さ方向の中間部に導入されるようになっており、残部は配管Eによりコンデンサ5aを通って液化し、還流液として配管Gにより、第1精留塔5の高圧塔部5Bの上部に戻されるようになっている。上記第1精留塔5の高圧塔部5Bの底部に溜まった上記第2液体酸素は、配管Nを経て上記液体酸素タンク4に貯留される。
上記第2精留塔6の高圧塔部6Bには、先に述べたように、アルゴンおよび窒素の混合ガスが導入され、精留により、その混合ガス中のアルゴンガスが液化して高純度液体アルゴンとして底部に溜まり、配管Oを経由して液体アルゴンタンク7に貯留される。上記混合ガス中の窒素ガスの一部は、配管Hを経由してコンデンサ6aに送られ、そこで冷却され、液体窒素となり、配管Jを経て還流液として高圧塔部6Bの上部に戻される。上記混合ガス中の窒素ガスの残部は、配管Iから取り出され、上記第2熱交換器8を冷却した後、排窒素ガスとして大気中に投棄される。
先に述べた窒素循環路9は、循環用窒素圧縮機9aを備え、その取り込み側が上記第1および第2精留塔5,6の低圧塔部5A,6Aの上部と連通し、送出側が上記第1および第2精留塔5,6の高圧塔部5B,6Bの各リボイラ5b,6bの取り込み側と連通している。そして、上記リボイラ5b,6bの送出側は、配管Lによって上記第1および第2精留塔5,6の低圧塔部5A,6Aの上部空間と連通している。このようにして窒素循環路9が形成されている。そして、上記循環用窒素圧縮機9aで昇圧された冷媒用窒素ガスは、配管Kにより、上記第2熱交換器8を通って、上記第1および第2精留塔5,6の高圧塔部5B,6Bの各リボイラ5b,6bに導入されるようになっている。そして、各リボイラ5b,6bを通った冷媒用窒素ガスは、液化された状態で、配管Lにより送られ、分岐し減圧弁9b,9cを通って、上記第1および第2精留塔5,6の各液体窒素貯留室(低圧塔部5A,6A)に導入され、そこで溜まるようになっている。その低圧塔部5A,6A内のコンデンサ5a,6aを冷却し気化して生成した冷媒用窒素ガスは、配管Mにより、合流され、再度、上記第2熱交換器8を通って、上記循環用窒素圧縮機9aで昇圧されるようになっている。このようにして、上記冷媒用窒素が気体や液体の状態で循環するようになっている。
上記ガス供給設備を用いたガス供給方法は、つぎのようなものである。
定常運転時には、窒素循環路9において、気体状態の冷媒用窒素が、循環用窒素圧縮機9aで、例えば0.92MPaG(「G」はゲージ圧であることを意味する。以下同様)程度に昇圧され、第2熱交換器8で、例えば−169℃程度まで冷却された状態で、配管Kにより第1および第2精留塔5,6の底部の各リボイラ5b,6bに導入され、液化される。そして、各リボイラ5b,6bを通った冷媒用窒素は、液化された状態で、配管Lにより合流した後に2つに分岐される。その一方は、減圧弁9bで、例えば0.35MPaG程度に減圧された状態で、第1精留塔5の液体窒素貯留室(低圧塔部5A)に導入され、もう一方は、減圧弁9cで、例えば0.10MPaG程度に減圧された状態で、第2精留塔6の液体窒素貯留室(低圧塔部6A)に導入される。その後、各液体窒素貯留室(低圧塔部5A,6A)で気化した冷媒用窒素は、配管Mにより、合流され、上記第2熱交換器8で加熱された後、上記循環用窒素圧縮機9aで昇圧される。
ところで、PSA装置1により得られた、アルゴンおよび窒素を少量含む酸素ガスは、定常運転時には、酸素ガス圧縮機2で、例えば0.66MPaG程度に昇圧される。そして、その一部は、従来と同様、配管Aにより電気炉製鋼の電気炉21に供給され、残部は、配管Bを通り、第1熱交換器3で、例えば−159℃程度まで冷却され、全体が液化され液体酸素(第1液体酸素)になる。そして、その第1液体酸素の一部は、配管Cを経て液体酸素タンク4に貯留され、残部は、配管Dにより第1精留塔5の高圧塔部5Bの高さ方向の中間部に導入される。そして、その導入された上記酸素ガスは、還流液(液体窒素と液体アルゴンの混合液)に接し、深冷分離により、第2液体酸素と、アルゴンおよび窒素の混合ガスとに分離される。ついで、第1精留塔5の高圧塔部5Bの上部から抜き出された、アルゴンガスと窒素ガスの混合ガスの一部は、配管Fを通り、減圧弁10で、例えば0.15MPaG程度に減圧された状態で、第2精留塔6の高圧塔部6Bの高さ方向の中間部に導入される。そして、その導入された上記混合ガスは、還流液(液体窒素)に接し、深冷分離により、液体アルゴンと、窒素ガスとに分離される。ついで、その窒素ガスは、第2精留塔6の高圧塔部6Bの上部から抜き出され、その一部は、配管Hを通り第2精留塔6のコンデンサ6aを経て上記還流液となり、配管Jにより上記高圧塔部6Bの上部に導入され、残部は、配管Iにより第2熱交換器8を通り、その第2熱交換器8で加熱され、排気される。
そして、第1精留塔5の高圧塔部5Bの底部から、高純度の液体酸素(第2液体酸素)が取り出され、配管Nにより取り出され、上記液体酸素タンク4に貯留される。また、第2精留塔6の高圧塔部6Bの底部から、高純度の液体アルゴンが、配管Oにより取り出され、液体アルゴンタンク7に貯留される。
そして、上記液体酸素タンク4から、第1液体酸素が必要に応じて第1蒸発器4aで気化させて電気炉製鋼の電気炉21に供給され、また、上記液体アルゴンタンク7から、高純度液体アルゴンが必要に応じて第2蒸発器7aで気化させて電気炉製鋼の精錬炉22に供給される。
図2は、本発明のガス供給設備の第2の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態のガス供給設備は、上記第1の実施の形態(図1参照)において、液化ユニット11に導入するガスを、別個に設けた窒素ガス製造用のPSA装置30からの窒素ガスとしたものである。電気炉製鋼工場では、酸化防止用のシールガスや底吹き等で使用される窒素ガスを得るために、窒素ガス製造用のPSA装置30が同一用地内に設置されている場合があり、この実施の形態は、そのような場合に有効である。それ以外の部分は、上記第1の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
この実施の形態のように、液化ユニット11に導入するガスを窒素ガスにすると、上記第1の実施の形態と比較して、液化ユニット11内の上記窒素ガスの圧力および流量に変化はあるものの、上記第1熱交換器3を通って液化されてなる第1液体酸素の圧力および温度は、変化しない。このため、上記第1の実施の形態と同様にして、第1液体酸素および高純度液体アルゴンを得て液体酸素タンク4および液体アルゴンタンク7に貯留し、必要に応じて気化させて電気炉製鋼の電気炉21および精錬炉22に供給することができる。さらに、液化ユニット11は、大気を導入する場合(第1の実施の形態)と比べ、酸素が含まれていないため、装置の酸化や摩擦熱に基づく爆発を防ぐことができる。
なお、各実施の形態で用いた上記液化ユニット11は、市販品でも、本発明者らが作成した独創的な液化ユニットでもよい。
本発明は、電気炉製鋼工場の同一用地内で液体酸素および高純度の液体アルゴンを得て、電気炉製鋼での酸化溶解工程で電気炉に酸素ガスを供給し、還元精錬工程で精錬炉に高純度アルゴンガスを供給することに利用することができる。
1 PSA装置
3 第1熱交換器
4 液体酸素タンク
5 第1精留塔
6 第2精留塔
7 液体アルゴンタンク
8 第2熱交換器
9 窒素循環路
11 液化ユニット

Claims (2)

  1. 外気を導入して酸素を濃縮する圧力スイング吸着装置と、導入したガスを液化させる液化ユニットと、この液化ユニットで得られた液化ガスによって冷却される第1熱交換器と、上記圧力スイング吸着装置により得られた、アルゴンおよび窒素を少量含む酸素ガスを上記第1熱交換器に導入し液化してなる第1液体酸素の一部を貯留し、その貯留した第1液体酸素を電気炉製鋼の電気炉への酸素ガス供給源とする液体酸素タンクと、上記第1液体酸素の残部を深冷分離により第2液体酸素とアルゴンおよび窒素の混合ガスとに分離する第1精留塔と、この第1精留塔で分離生成された上記アルゴンおよび窒素の混合ガスを深冷分離により高純度液体アルゴンと窒素ガスとに分離する第2精留塔と、この第2精留塔で得られた高純度液体アルゴンを貯留し、その貯留した高純度液体アルゴンを電気炉製鋼の精錬炉への高純度アルゴンガス供給源とする液体アルゴンタンクと、上記第1精留塔で得られた第2液体酸素で冷却される第2熱交換器と、この第2熱交換器ならびに上記第1および第2精留塔を経由してその第1および第2精留塔内の窒素を冷媒用窒素として循環させる窒素循環路と、を電気炉製鋼工場の同一用地内に備えていることを特徴とするガス供給設備。
  2. 請求項1記載のガス供給設備を用いたガス供給方法であって、電気炉製鋼工場の同一用地内に、外気を導入して酸素を濃縮する圧力スイング吸着装置と、液化ユニットと、第1および第2熱交換器と、深冷分離用の第1および第2精留塔と、上記第2熱交換器ならびに上記第1および第2精留塔を経由してその第1および第2精留塔内の冷媒用窒素を循環させる窒素循環路と、液体酸素タンクと、液体アルゴンタンクとを設ける工程と、上記液化ユニットで作製された液化ガスを上記第1熱交換器に通してその第1熱交換器を冷却する工程と、上記圧力スイング吸着装置で得られた、アルゴンおよび窒素を少量含む酸素ガスを、上記第1熱交換器に通して液化させ、第1液体酸素にする工程と、その第1液体酸素の一部を上記液体酸素タンクに貯留し、残部を上記第1精留塔に導入する工程と、その第1精留塔で上記第1液体酸素の残部を、深冷分離により、第2液体酸素と、アルゴンおよび窒素の混合ガスとに分離する工程と、上記第2液体酸素を上記第1精留塔から取り出して上記第2熱交換器に通し気化させる工程と、上記窒素循環路に上記冷媒用窒素を循環させて上記第1および第2精留塔を冷却する工程と、上記第1精留塔で分離生成された上記アルゴンおよび窒素の混合ガスを上記第1精留塔から取り出して上記第2精留塔に導入し、深冷分離により、高純度液体アルゴンと、窒素ガスとに分離する工程と、上記高純度液体アルゴンを上記第2精留塔から取り出し、上記液体アルゴンタンクに貯留する工程と、上記液体酸素タンクに貯留された第1液体酸素を必要に応じて気化させて電気炉製鋼の電気炉に供給する工程と、上記液体アルゴンタンクに貯留された高純度液体アルゴンを必要に応じて気化させて電気炉製鋼の精錬炉に供給する工程とを備えていることを特徴とするガス供給方法。
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