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JP4707865B2 - 深冷空気分離装置 - Google Patents

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JP4707865B2
JP4707865B2 JP2001120208A JP2001120208A JP4707865B2 JP 4707865 B2 JP4707865 B2 JP 4707865B2 JP 2001120208 A JP2001120208 A JP 2001120208A JP 2001120208 A JP2001120208 A JP 2001120208A JP 4707865 B2 JP4707865 B2 JP 4707865B2
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air
liquefied
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vaporized
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明 吉野
洋実 木山
武治 嶋本
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Air Water Inc
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Air Water Inc
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化天然ガスを有効に利用した深冷空気分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、空気を原料として冷却液化し窒素，酸素等の沸点の違いを利用して気化窒素ガス，気化酸素ガス等を分離発生させる深冷空気分離装置には、寒冷源として膨脹タービンを用いる方法がよく採用されているが、膨脹タービンを用いず、その代わりに液化窒素ガスもしくは液化酸素ガス等を寒冷源として精留塔に導入する方法も採用されている。
【０００３】
また、日本等の非産出地域において利用されている天然ガスは、そのほとんどが、産地で液化され輸送された液化天然ガスを原料とするものであり、輸送後の需要地では、主に大気や用水等との熱交換により気化されて利用されている。
【０００４】
一方、近年普及しているコージェネレーションシステム（以下、「ＣＧＳ」と略す）は、発電時に発生する熱を電力とともに併給できる分散型発電システムであり、重油，ＬＰＧ，液化天然ガス（ＬＮＧ），天然ガス（ＮＧ）等の燃料を燃焼させてエンジンもしくはガスタービンを駆動し、この回転力により発電機を回転させて電力を得るとともに、上記燃焼により発生する熱をも蒸気，温水等の形で得るものである。このように、ＣＧＳによれば、発電時に発生する熱をも利用することができることから、商用電力に比べてエネルギー効率が高く、また、落雷の影響による瞬時電圧低下等が少ないため、安定して電力を供給することができる。
【０００５】
上記の深冷空気分離装置の一例を、図７に示す。この深冷空気分離装置は、空気を原料とし、製品ガスとして気化窒素ガスを分離発生させる装置であり、膨脹タービンの代わりに、寒冷源として液化窒素ガスを精留塔（図示せず）に導入するようにしている。
【０００６】
より詳しく説明すると、原料空気は吸気フィルター１を通して装置内部に取り込まれ、原料空気圧縮機２で圧縮されたのち、冷凍機３で冷却され、脱湿器４の一方の吸着槽４ａ（もしくは４ｂ）に送られる。この一方の吸着槽４ａ（もしくは４ｂ）では、圧縮原料空気中の水分，ＣＯ2 ，ハイドロカーボン等の不純物が除去される。また、上記脱湿器４は、吸着と再生を２塔の吸着槽４ａ，４ｂで交互に繰り返す温度スイング式吸着分離方式の機器であり、その加温再生は、深冷分離コールドボックス６から導出される廃ガスの一部を電気式の再生ヒーター５で加温したのち、脱湿器４の他方の吸着槽４ｂ（もしくは４ａ）に流通させることにより行われる。なお、上記深冷分離コールドボックス６内には、圧縮原料空気を冷却して精留塔に供給する熱交換器（図示せず），精留塔内の還流液生成用の凝縮器（図示せず）も、精留塔とともに組み込まれている。
【０００７】
つぎに、脱湿器４で不純物が除去された圧縮原料空気は、深冷分離コールドボックス６内の熱交換器を経由して精留塔に送られ、この精留塔内で一旦液化されたのち、沸点の違いを利用する分留操作により窒素成分が分離される。そして、この分留操作によって原料空気から分離された窒素成分は製品窒素ガスとして、また、（窒素成分が分離された）原料空気の残りの成分は廃ガスとして、それぞれ精留塔から取り出され、深冷分離コールドボックス６から導出される。
【０００８】
そして、深冷分離コールドボックス６から導出される製品窒素ガスは、製品窒素圧縮機７で用途に従った所定の圧力に昇圧されたのち、供給パイプ８を通って需要先に送られる。一方、廃ガスは、その一部が脱湿器４の加温再生に使用されたのち大気中に排出され、残部はそのまま大気中に排出される。
【０００９】
一方、液化窒素貯槽９には、装置外から車両等により輸送され補給された液化窒素ガスが貯められている。そして、上記精留塔に、寒冷源として液化窒素貯槽９内の液化窒素ガスがパイプ１０ａ，１０ｂを通って供給される。また、装置停止時に製品ガスの供給を切らさないようにするためのバックアップ，需要量が供給能力を上回る場合のピークカットもしくは液化窒素ガス用途に対して、液化窒素貯槽９からパイプ１０ａ，１０ｃを通って液化窒素ガスの供給が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気化窒素ガスおよび気化酸素ガスの少なくとも一方を製造する深冷空気分離装置において、液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を製造することは装置が複雑となり、容易なことではない。特に、既設の装置を改造する場合には、かなり困難である。そこで、上記の深冷空気分離装置では、バックアップ用，ピークカット用等のために液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を装置外から補給して別に貯蔵しておく必要がある。また、図７に示す深冷空気分離装置のように、膨脹タービンを用いず、その代わりに液化窒素ガスを寒冷源として精留塔に導入する装置では、常に液化窒素ガスを装置外から補給する必要がある。
【００１１】
また、上記の深冷空気分離装置では、原料空気の温度が上がると、原料空気圧縮機（図７の原料空気圧縮機２を参照）の能力が低下し、原料空気量が低下するため製品ガス発生量が低下する。また、原料空気の温度が上がると原料空気中に含まれる水分量も増加し、原料空気中の水分，ＣＯ2，ハイドロカーボン等を除去する脱湿器（図７の脱湿器４を参照）において処理できる原料空気量が制限されるため、製品ガス発生量が低下する。そこで、原料空気冷却用の冷凍機（図７の冷凍機３を参照）を設置する場合もあるが、この場合には、冷凍機が必要である分、高価になり、メンテナンスも余分に必要となる。
【００１２】
また、原料空気圧縮機２等の回転機および脱湿器４にかなりの動力および熱が必要であり、一般的には、その動力源および熱源として、エネルギー効率が低い商用電力が使われている。
【００１３】
一方、日本等に産地から輸送される液化天然ガスは、産地でかなりのエネルギーを使って液化されているにもかかわらず、日本等では、主に大気や用水等との熱交換により気化されて使用されており、その冷熱エネルギーはあまり有効に利用されていない。
【００１４】
また、ＣＧＳにおけるエネルギー効率は熱をいかに有効利用するかにより決まり、熱負荷が少ない場合はＣＧＳを導入しても、発生熱全量の有効利用が困難となるため、エネルギー効率は悪くなってしまう。また、電力の最終利用形態が回転機である場合には、ＣＧＳ側発電機での回転力−電力変換ロスおよび回転機側電動機における電力−回転力変換ロスが生じる。また、ガスタービンを用いるＣＧＳでは、燃焼空気圧縮機がタービンに接続されており、この燃焼空気圧縮機での余剰空気の利用または燃焼空気圧縮機の能力もしくは機能のアップによっても、ＣＧＳ外部への空気取り出しが可能でありながら、燃焼空気圧縮機が有効に使用されていない。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、液化天然ガスを有効利用して、装置から容易に液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を製造し、もしくは原料空気を冷却することができ、さらにＣＧＳと組み合わせることにより、エネルギー効率が高く、環境性等に優れた深冷空気分離装置の提供をその目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、原料空気を精留塔に導入し製品ガスとして気化窒素ガスおよび気化酸素ガスの少なくとも一方を製造し、この製品ガスを製品ガス圧縮機を用いて圧縮するとともに、上記製品ガスの少なくとも一部を、装置外から供給される液化天然ガスと熱交換させて冷却するＬＮＧ熱交換器を有する深冷空気分離装置であって、上記原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮された原料空気と上記ＬＮＧ熱交換器を通過した低温の天然ガスとを熱交換させて冷却する圧縮空気冷却器と、この圧縮空気冷却器を経由した原料空気を導入して深冷分離する精留塔と、上記圧縮空気冷却器で気化した天然ガスを燃料とするコージェネレーションシステムと、上記圧縮空気冷却器と精留塔との間に配置され、原料空気中の水分を除去する脱湿器と、この脱湿器の再生用ヒーターとを備え、このコージェネレーションシステムは、上記気化した天然ガスを燃焼させた排ガスにより駆動されるガスタービンと、このガスタービンと同軸に接続された発電機と、上記ガスタービンと同軸に接続された燃焼空気圧縮機と、上記ガスタービン駆動後の排ガスの温熱を利用して水蒸気を発生させる排ガスボイラとを有し、上記発電機から得られた電力を、上記製品ガス圧縮機に供給するとともに、上記再生用ヒーターに、脱湿器の加熱再生用熱源として、上記ガスタービン駆動後の排ガスの一部、もしくは、上記排ガスボイラで発生した水蒸気の一部が、供給されるようにした深冷空気分離装置を要旨とする。
【００１７】
すなわち、本発明の深冷空気分離装置は、原料空気から製品ガスとして気化窒素ガスおよび気化酸素ガスの少なくとも一方を製造する深冷空気分離装置であって、製品ガスの少なくとも一部を、装置外から供給される液化天然ガスと熱交換させることにより冷却して液化するようにしている。したがって、液化天然ガスが持つ冷熱エネルギーを有効利用し、従来は気化窒素ガスおよび気化酸素ガスの少なくとも一方しか製造することができない深冷空気分離装置から、容易に液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を製造することができる。
【００１８】
さらに、従来は常に装置外から補給が必要であった液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方の補給量を削減しもしくは補給を無くすことができる。また、必要な寒冷源より多くの液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を製造することにより、この余剰分を他の用途に（例えば、装置停止時でのバックアップ用もしくは需要量が供給能力を上回る場合のピークカット用等に）供給することができる。
【００１９】
また、本発明の深冷空気分離装置は、精留塔に導入される原料空気の少なくとも一部を、装置外から供給される液化天然ガスと熱交換させることにより冷却するようにしている。したがって、液化天然ガスが持つ冷熱エネルギーを有効利用し、精留塔に導入される原料空気を冷却することができる。そして、上記冷却を脱湿器手前で行う場合には、原料空気中の水分を減少することができ、原料空気吸入量を維持したままで脱湿器の処理能力を軽減することができる。特に、従来において、原料空気冷却用の冷凍機を設置していた場合には、この冷凍機を能力削減もしくは不要とすることができる。
【００２０】
一方、本発明の深冷空気分離装置は、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてガスタービン式コージェネレーションシステムを運転し、得られる電力を装置の動力源として利用するようにしている。そのため、エネルギー効率が高く、環境性にも優れ、低コストにて安定的に製品ガスを発生することができる。なお、本発明において、「ＣＧＳ」とは、発電時に発生する熱を、発電により得られる電力とともに併給できる分散型発電システムを指し、例えば、燃料を燃焼させてガスタービン等を駆動し、この回転力により発電機を回転させて電力を得るとともに、上記燃焼により発生する熱をも蒸気，温水等の形態で得るようにしたシステムを含む意味である。
【００２１】
また、本発明の深冷空気分離装置は、上記圧縮空気冷却器と精留塔との間に、原料空気中の水分を除去する脱湿器と、この脱湿器の再生用ヒーターとを備え、上記再生用ヒーターに、脱湿器の加熱再生用熱源として、上記ガスタービン駆動後の排ガスの一部、もしくは、上記排ガスボイラで発生した水蒸気の一部が、供給されるようになっている。これにより、ＣＧＳからの熱を排ガスもしくは蒸気の形態で取り出し、脱湿器の加温再生用熱源として利用する（例えば、上記排ガスもしくは蒸気と、深冷空気分離装置の廃ガスとを熱交換させて上記廃ガスを加温し、この廃ガスを脱湿器の吸着槽に加温再生用ガスとして流す形態で利用する）ことができるため、割高な商用電力の消費が削減でき、装置の運転コストの低減が可能になるうえ、エネルギー効率も改善されて省エネルギーとなり、環境に対してもよい。
【００２２】
なお、上記深冷空気分離装置において、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてガスタービン式コージェネレーションシステムを運転し、得られる蒸気により蒸気タービンを回転させ、この回転力を利用して原料空気圧縮機を駆動するようにした場合には、従来は電動機駆動の電力負荷であった回転機がＣＧＳの熱負荷となるため、ＣＧＳにおける熱利用率が増加し、エネルギー効率の向上ができる。また、ＣＧＳから得られる電力を回転機の動力源として利用する場合には、ＣＧＳ側発電機での回転力−電力変換ロスおよび回転機側電動機における電力−回転力変換ロスが生じるが、本発明では、蒸気タービンで発生する回転力を利用して直接回転機を回すことにより上記両変換ロスをなくすことができ、さらにコスト低減およびエネルギー効率の改善ができる。
【００２３】
また、上記深冷空気分離装置において、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてガスタービン式コージェネレーションシステムを運転し、得られる回転力を利用して原料空気圧縮機を駆動するようにした場合には、ＣＧＳ側発電機での回転力−電力変換ロスおよび回転機側電動機における電力−回転力変換ロスをなくすことができ、コスト削減およびエネルギー効率の改善ができる。
【００２４】
さらに、上記深冷空気分離装置において、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてガスタービン式コージェネレーションシステムを運転し、得られる燃焼用圧縮空気の一部を取り出し、原料空気として利用するようにした場合には、ＣＧＳ側発電機での回転力−電力変換ロスおよび回転機側電動機における電力−回転力変換ロスをなくすことができる。また、深冷空気分離装置側の原料空気圧縮機をなくすこともできるため、エネルギー効率の改善およびより一層のコスト削減が可能となる。なお、このようなことは、ガスタービンの燃焼空気圧縮機での余剰空気の利用または燃焼空気圧縮機の能力もしくは機能のアップによっても、可能である。
【００２５】
そして、上記深冷空気分離装置において、上記熱交換により製品ガスが液化して生成される液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を貯槽に溜めるようにした場合には、貯槽に溜めた液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方をバックアップ用やピークカット用等として使用することにより、装置外から補給する液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を削減することができる。
【００２６】
なお、上記深冷空気分離装置において、熱交換後に気化して得られる天然ガスを製品ガスと共に需要家に供給することもできる。また、本発明の深冷空気分離装置は、ＣＧＳから得られる電力，熱，圧縮空気等をも需要家に供給することもできる。
【００２７】
また、上記深冷空気分離装置は、窒素ガス，酸素ガスだけではなく、天然ガス，電力，熱，圧縮空気をも安価に安定して供給しうる総合的なユーティリティ供給システムであり、需要家における利便性の向上，合理化，事業コストの低減，省エネルギーに貢献できる。また、エネルギー効率が高く、地球温暖化等の環境問題に対しても寄与できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の参考形態（図１，２）および実施の形態（図３〜６）を図面にもとづいて詳しく説明する。
【００２９】
図１は深冷空気分離装置の一参考形態を示している。この参考形態では、図７に示す深冷空気分離装置において、製品窒素ガスの一部を、装置外から供給される液化天然ガス（ＬＮＧ）と熱交換して冷却，液化することにより液化窒素ガスを製造する液化コールドボックス１１が設けられている。
【００３０】
より詳しく説明すると、上記液化コールドボックス１１には、ＬＮＧ熱交換器１３と、装置外から外部供給パイプ１７を介して液化天然ガスが供給される窒素液化器１４と、この窒素液化器１４の内部に配設される凝縮器１５と、気液分離器１６とが収容されており、上記ＬＮＧ熱交換器１３に、供給パイプ８を通る製品窒素ガス（気化窒素ガス）の一部が、供給パイプ８から分岐する分岐パイプ１２ａを介して導入される。また、上記凝縮器１５には、ＬＮＧ熱交換器１３で冷却された気化窒素ガスが、導出パイプ１２ｂを介して導入される。また、上記気液分離器１６には、上記凝縮器１５を経た液化窒素ガスが、フラッシュバルブ１８を設けた連結パイプ１２ｃを介して導入される。そして、上記気液分離器１６内の液化部分（液化窒素ガス）が液化窒素ガス供給パイプ１９を介して液化窒素貯槽９に供給されて貯蔵される。
【００３１】
図１の参考図において、２０は上記分岐パイプ１２ａに配設された窒素昇圧機であり、２１ａは上記窒素液化器１４内の液化天然ガスをＬＮＧ熱交換器１３に送る第１送給パイプであり、２３ａは上記窒素液化器１４内の天然ガスをＬＮＧ熱交換器１３に送る第２送給パイプである。２５ａは上記気液分離器１６内の気化部分（気化窒素ガス）をＬＮＧ熱交換器１３に送る第３送給パイプであり、ＬＮＧ熱交換器１３を経た気化窒素ガスは、第３連結パイプ２５ｂを介して供給パイプ８に製品窒素ガスとして供給される。それ以外の部分は図７に示す深冷空気分離装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００３２】
上記構成において、図７に示す深冷空気分離装置における深冷分離コールドボックス６から導出したのち製品窒素圧縮機７により昇圧した製品窒素ガスは、その一部が分岐パイプ１２ａを通り、窒素昇圧機２０でさらに昇圧されたのち、液化コールドボックス１１に導入される。上記窒素昇圧機２０において、気化窒素ガスを昇圧するのは気化窒素ガスの液化温度（沸点）を上げ、液化天然ガスの冷熱により液化が容易に起こるようにするためである。一方、上記製品窒素ガスの残部は、供給パイプ８を経て、そのまま需要家に送出される。
【００３３】
分岐パイプ１２ａを通って液化コールドボックス１１に導入された気化窒素ガスは、まず、ＬＮＧ熱交換器１３において、窒素液化器１４の底部から導出される液化天然ガス、窒素液化器１４で気化した天然ガス、および気液分離器１６で気化した気化窒素ガスと熱交換して冷却され、つぎに、凝縮器１５において、窒素液化器１４に外部供給パイプ１７を介して供給される液化天然ガスと熱交換して冷却，液化される。つぎに、窒素液化器１４を通過した液化窒素ガスはフラッシュバルブ１８で減圧されたのち、気液分離器１６に導入されて気化部分（気化窒素ガス）と液化部分（液化窒素ガス）とに分離される。気液分離器１６内の気化部分は、ＬＮＧ熱交換器１３を通り、製品窒素ガスとして供給パイプ８に供給され、供給パイプ８を通る製品窒素ガスに合流し、一方、液化部分は液化窒素貯槽９に一旦貯蔵されたのち、寒冷源用の液化窒素ガスとして深冷分離コールドボックス６内の精留塔に導入される。また、装置停止時のバックアップ用，ピークカット用および液化窒素用途に対しても、この液化窒素貯槽９から液化窒素ガスの供給が行われる。
【００３４】
一方、液化コールドボックス１１に装置外から導入される液化天然ガスは、まず窒素液化器１４で、つぎにＬＮＧ熱交換器１３で気化窒素ガスに冷熱が回収されることにより、自身が気化加温されて液化コールドボックス１１から導出される。この液化コールドボックス１１から導出された天然ガスは、まだ低温状態にある。
【００３５】
上記のように、この参考形態では、液化窒素ガスが製造できない深冷空気分離装置でも、製品窒素ガスから液化窒素ガスの製造ができる。したがって、寒冷源，バックアップ等のために液化窒素貯槽９に蓄えられる液化窒素ガスの、装置外からの補給を削減しもしくは無くすことができる。また、液化天然ガスの冷熱エネルギーが有効に活用できる。
【００３６】
なお、この参考形態では、深冷空気分離装置は、寒冷源として液化窒素ガスを使用する深冷空気分離装置であるが、これに限定するものではなく、寒冷源として液化窒素ガスを使用しない深冷空気分離装置であってもよい。また、後述する、図３〜図６の実施の形態においても、同様である。
【００３７】
図２は深冷空気分離装置の他の参考形態を示している。この参考形態では、原料空気の冷却も液化天然ガスの冷熱を利用して行われている。
【００３８】
この参考形態では、原料空気圧縮機２出口側に設けた冷凍機３に代えて、圧縮空気冷却器２７を設けている。上記構成において、外部供給パイプ１７により装置外から供給される液化天然ガスが、第１分岐パイプ２９ａを介して原料空気圧縮機２出口側の圧縮空気冷却器２７に通され、液化天然ガスの冷熱により原料空気の冷却が行われる。
【００３９】
上記のように、この参考形態では、原料空気の冷却が行われることにより、冷凍機３の削除ができる。また、脱湿器４の処理能力の軽減および大気温度上昇時の原料空気圧縮機２の能力低下防止ができる。
【００４０】
図３は本発明の深冷空気分離装置の第１の実施の形態を示している。この実施の形態では、図１に示す参考形態と異なり、製品窒素ガスの一部を液化天然ガスとの熱交換により液化し、この熱交換により気化した天然ガスを、図２に示す参考形態のように、原料空気の冷却にも利用している。また、上記天然ガスを燃料としてＣＧＳ（ガスタービン式コージェネレーションシステム）を運転し、得られる電力および熱を深冷空気分離装置の動力源として利用している。
【００４１】
この第１の実施の形態では、図１に示す参考形態において、原料空気圧縮機２出口側に設けた冷凍機３に代えて、図２に示す参考形態と同様の圧縮空気冷却器２７を設けている。また、取り出しパイプ３１は、両連結パイプ２１ｂ，２３ｂに接続するとともに圧縮空気冷却器２７に接続する第１取り出しパイプ３１ａと、圧縮空気冷却器２７から延びる第２取り出しパイプ３１ｂとからなっており、両取り出しパイプ３１ａ，３１ｂに加温器２４（図１，２参照）を設けていない。また、電気式の再生ヒーター５（図１，２参照）に代えて、蒸気を通す方式の再生ヒーター３２を用いている。また、この第１の実施の形態では、吸気フィルター３３，燃焼空気圧縮機３４，燃焼器３５，ガスタービン３６，発電機３７，排ガスボイラ３８等を有するＣＧＳを備えている。図３において、３９ａは排ガスボイラ３８に水を導入する水導入パイプである。３９ｂは排ガスボイラ３８から蒸気を導出する蒸気導出パイプであり、この蒸気導出パイプ３９ｂで導出された蒸気の一部は供給パイプ４０ａを介して使用され、残部は蒸気導入パイプ４０ｂを介して再生ヒーター３２に導入されたのち蒸気回収パイプ４０ｃを介して回収される。それ以外の部分は図１に示す参考形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００４２】
上記構成において、外部供給パイプ１７により装置外から供給される液化天然ガスは、液化コールドボックス１１で製品窒素ガスの液化に利用されて気化したのち、原料空気圧縮機２出口側の圧縮空気冷却器２７に導入されて原料空気を冷却している。この第１の実施の形態では、液化コールドボックス１１から導出される天然ガスはまだ低温状態であり、つぎに原料空気の冷却に利用される。また、原料空気の冷却用としては、原料空気圧縮機２出口側のみに圧縮空気冷却器２７を設けている。
【００４３】
また、この第１の実施の形態では、圧縮空気冷却器２７を経由した天然ガスが連結パイプ４１を通り、ガスタービン式ＣＧＳの燃料として燃焼器３５に導入されている。このガスタービン式ＣＧＳでは、燃焼用空気が吸気フィルター３３を経由して燃焼空気圧縮機３４に導入され、この燃焼空気圧縮機３４で圧縮されたのち、燃焼器３５に導入されて天然ガスとの燃焼が行われる。そして、燃焼器３５から噴射される燃焼ガスの推力によりガスタービン３６が回され、この回転力により発電機３７が駆動され発電が行われる。そして、発電機３７で発電された電力は深冷空気分離装置の原料空気圧縮機２，製品窒素圧縮機７，窒素昇圧機２０およびその他の付帯機器（図示せず）の動力源として使用される。なお、燃焼空気圧縮機３４もガスタービン３６の回転力により駆動されている。
【００４４】
また、ガスタービン３６で推力が奪われて排出される燃焼排ガスは、排ガスボイラ３８に送られて排熱が回収されたあとに大気に放出される。また、排ガスボイラ３８では、燃焼排ガスとの熱交換により、水導入パイプ３９ａを介して装置外から供給される水から蒸気が製造される。この蒸気は蒸気導出パイプ３９ｂから導出され、その一部が再生ヒーター３２の熱源として使用される。なお、この実施の形態では、余剰な天然ガス，電力，蒸気は、製品窒素ガスとともに需要先に供給されている。
【００４５】
上記のように、この第１の実施の形態では、液化天然ガスの冷熱が有効利用されているとともに、この利用により得られる天然ガスを燃料とするＣＧＳを導入し、得られる電力および蒸気を深冷空気分離装置に利用している。このため、割高な商用電力の削減ができ、装置運転コストの低減，エネルギー効率改善による省エネルギーがなされている。
【００４６】
図４は本発明の深冷空気分離装置の第２の実施の形態を示している。この第２の実施の形態では、図３に示す第１の実施の形態と異なり、ＣＧＳからの蒸気を利用して回転力を得る蒸気タービン４３を設置し、この蒸気タービン４３で深冷空気分離装置の原料空気圧縮機２を駆動している。また、再生ヒーター３２へのＣＧＳの熱利用が、図３に示す第１の実施の形態と別の形態になっており、蒸気ではなく直接排ガスを利用することにより行われている。したがって、上記再生ヒーター３２としては、排ガスを通す方式のものが用いられている。
【００４７】
この第２の実施の形態では、排ガスボイラ３８で製造される蒸気の一部を蒸気タービン４３に供給する蒸気供給パイプ４４ａおよび蒸気タービン４３を経た蒸気を回収する蒸気回収パイプ４４ｂを設けている。また、ガスタービン３６から排出される燃焼排ガスの一部を、図３に示す第１の実施の形態と同様に、排ガスボイラ３８に送るとともに、残部を、排ガス導入パイプ４５ａを介して再生ヒーター３２の熱源として使用している。図において、４５ｂは再生ヒーター３２を経た燃焼排ガスを大気に放出する排ガス放出パイプである。
【００４８】
上記のように、この第２の実施の形態では、蒸気タービン４３で発生する回転力を利用して直接原料空気圧縮機２を回すことにより、図３に示す第１の実施の形態では生じていた変換ロス（ＣＧＳ側発電機３７での回転力−電力変換ロスおよび原料空気圧縮機２側電動機における電力−回転力変換ロス）を無くすことができ、さらにコストの低減およびエネルギー効率の改善を図ることができる。また、従来は電力負荷であった原料空気圧縮機２がＣＧＳの熱負荷となるため、ＣＧＳにおける熱利用が増加し、より一層の総合的なエネルギー効率の向上が可能となる。
【００４９】
なお、この第２の実施の形態では、原料空気圧縮機２のみを蒸気タービン４３の回転力で駆動しているが、製品窒素圧縮機７，窒素昇圧機２０に関しても、駆動機構を統合型メカニカルギヤ等により工夫すれば、蒸気タービン４３で駆動することが可能である。
【００５０】
図５は本発明の深冷空気分離装置の第３の実施の形態を示している。この第３の実施の形態では、図３に示す第１の実施の形態と異なり、原料空気圧縮機２をＣＧＳのガスタービン３６の回転力により直接駆動している。
【００５１】
上記のように、この第３の実施の形態では、原料空気圧縮機２がガスタービン３６の回転力により直接駆動されているため、エネルギーの変換ロスがなく、その分コスト低減およびエネルギー効率の改善がなされている。
【００５２】
なお、この第３の実施の形態でも、原料空気圧縮機２のみをガスタービン３６の回転力により駆動しているが、製品窒素圧縮機７，窒素昇圧機２０に関しても、駆動機構を統合型メカニカルギヤ等により工夫すれば、ガスタービン３６にて駆動することが可能である。
【００５３】
図６は本発明の深冷空気分離装置の第４の実施の形態を示している。この第４の実施の形態では、図５に示す第３の実施の形態と異なり、深冷空気分離装置の原料空気圧縮機２をなくし、その代わりにガスタービン式ＣＧＳの燃焼空気圧縮機３４から圧縮空気の一部を導出し、これを原料空気として深冷空気分離装置に利用するようにしている。すなわち、深冷空気分離装置の原料空気圧縮機２とガスタービン式ＣＧＳの燃焼空気圧縮機３４を統合して空気圧縮機４６とし、これをガスタービン３６の回転力により駆動している。図において、４７は空気圧縮機４６から導出した圧縮空気の一部を原料空気として圧縮空気冷却器２７に供給する供給パイプである。
【００５４】
上記のように、この第４の実施の形態では、深冷空気分離装置の原料空気圧縮分における発動機変換ロス，電動機変換ロスをなくすことができる。また、深冷空気分離装置側の原料空気圧縮機２をなくすこともできるため、エネルギー効率の改善および一層のコスト削減が可能になる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の深冷空気分離装置によれば、液化天然ガスが持つ冷熱エネルギーを有効利用し、従来は気化窒素ガスおよび気化酸素ガスの少なくとも一方しか製造することができない深冷空気分離装置から、容易に液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を製造することができる。
【００５６】
さらに、本発明の深冷空気分離装置によれば、従来は常に装置外から補給が必要であった液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方の補給量を削減しもしくは補給を無くすことができる。また、必要な寒冷源より多くの液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を製造することにより、この余剰分を他の用途に（例えば、装置停止時でのバックアップ用もしくは需要量が供給能力を上回る場合のピークカット用等に）供給することができる。
【００５７】
また、本発明の深冷空気分離装置よれば、液化天然ガスが持つ冷熱エネルギーを有効利用し、精留塔に導入される原料空気を冷却することができる。そして、上記冷却を脱湿器手前で行う場合には、原料空気中の水分を減少することができ、原料空気吸入量を維持したままで脱湿器の処理能力を軽減することができる。特に、従来において、原料空気冷却用の冷凍機を設置していた場合には、この冷凍機を能力削減もしくは不要とすることができる。
【００５８】
さらに、本発明の深冷空気分離装置において、上記熱交換により製品ガスが液化して生成される液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を貯槽に溜めるようにした場合には、貯槽に溜めた液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方をバックアップ用やピークカット用等として使用することにより、装置外から補給する液化窒素ガスおよび液化酸素ガスの少なくとも一方を削減することができる。
【００５９】
また、本発明の深冷空気分離装置によれば、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてガスタービン式コージェネレーションシステムを運転し、得られる電力を装置の動力源として利用するようにしているため、エネルギー効率が高く、環境性にも優れ、低コストにて安定的に製品ガスを発生することができる。
【００６０】
本発明の深冷空気分離装置において、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてＣＧＳを運転し、得られる排ガスもしくは蒸気を、原料空気中の水分を除去する脱湿器の加温再生用熱源として利用するようにした場合には、ＣＧＳからの熱を排ガスもしくは蒸気の形態で取り出し、脱湿器の加温再生用熱源として利用する（例えば、上記排ガスもしくは蒸気と、深冷空気分離装置の廃ガスとを熱交換させて上記廃ガスを加温し、この廃ガスを脱湿器の吸着槽に加温再生用ガスとして流す形態で利用する）ことができるため、割高な商用電力の消費が削減でき、装置の運転コストの低減が可能になるうえ、エネルギー効率も改善されて省エネルギーとなり、環境に対してもよい。
【００６１】
本発明の深冷空気分離装置において、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてガスタービン式コージェネレーションシステムを運転し、得られる蒸気により蒸気タービンを回転させ、この回転力を利用して原料空気圧縮機を駆動するようにした場合には、従来は電動機駆動の電力負荷であった回転機がＣＧＳの熱負荷となるため、ＣＧＳにおける熱利用率が増加し、エネルギー効率の向上ができる。また、ＣＧＳから得られる電力を回転機の動力源として利用する場合に比べ、本発明では、蒸気タービンで発生する回転力を利用して直接回転機を回すことにより上記両変換ロスをなくすことができ、さらにコスト低減およびエネルギー効率の改善ができる。
【００６２】
本発明の深冷空気分離装置において、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてガスタービン式コージェネレーションシステムを運転し、得られる回転力を利用して原料空気圧縮機を駆動するようにした場合には、ＣＧＳ側発電機での回転力−電力変換ロスおよび回転機側電動機における電力−回転力変換ロスをなくすことができ、コスト削減およびエネルギー効率の改善ができる。
【００６３】
本発明の深冷空気分離装置において、上記熱交換により液化天然ガスが気化して生成される天然ガスを燃料としてガスタービン式コージェネレーションシステムを運転し、得られる燃焼用圧縮空気の一部を取り出し、原料空気として利用するようにした場合には、ＣＧＳ側発電機での回転力−電力変換ロスおよび回転機側電動機における電力−回転力変換ロスをなくすことができる。また、深冷空気分離装置側の原料空気圧縮機をなくすこともできるため、エネルギー効率の改善およびより一層のコスト削減が可能となる。なお、このようなことは、ガスタービンの燃焼空気圧縮機での余剰空気の利用または燃焼空気圧縮機の能力もしくは機能のアップによっても、可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 深冷空気分離装置の一参考形態を示す説明図である。
【図２】 深冷空気分離装置の他の参考形態を示す説明図である。
【図３】 本発明の深冷空気分離装置の第１の実施の形態を示す説明図である。
【図４】 本発明の深冷空気分離装置の第２の実施の形態を示す説明図である。
【図５】 本発明の深冷空気分離装置の第３の実施の形態を示す説明図である。
【図６】 本発明の深冷空気分離装置の第４の実施の形態を示す説明図である。
【図７】 従来例の説明図である。
【符号の説明】
１７ 外部供給パイプ

Claims (1)

  1. 原料空気を精留塔に導入し製品ガスとして気化窒素ガスおよび気化酸素ガスの少なくとも一方を製造し、この製品ガスを製品ガス圧縮機を用いて圧縮するとともに、上記製品ガスの少なくとも一部を、装置外から供給される液化天然ガスと熱交換させて冷却するＬＮＧ熱交換器を有する深冷空気分離装置であって、上記原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、圧縮された原料空気と上記ＬＮＧ熱交換器を通過した低温の天然ガスとを熱交換させて冷却する圧縮空気冷却器と、この圧縮空気冷却器を経由した原料空気を導入して深冷分離する精留塔と、上記圧縮空気冷却器で気化した天然ガスを燃料とするコージェネレーションシステムと、上記圧縮空気冷却器と精留塔との間に配置され、原料空気中の水分を除去する脱湿器と、この脱湿器の再生用ヒーターとを備え、このコージェネレーションシステムは、上記気化した天然ガスを燃焼させた排ガスにより駆動されるガスタービンと、このガスタービンと同軸に接続された発電機と、上記ガスタービンと同軸に接続された燃焼空気圧縮機と、上記ガスタービン駆動後の排ガスの温熱を利用して水蒸気を発生させる排ガスボイラとを有し、上記発電機から得られた電力を、上記製品ガス圧縮機に供給するとともに、上記再生用ヒーターに、脱湿器の加熱再生用熱源として、上記ガスタービン駆動後の排ガスの一部、もしくは、上記排ガスボイラで発生した水蒸気の一部が、供給されるようになっていることを特徴とする深冷空気分離装置。
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