| 【発明の名称】 |
空気分離装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】船津 徹也
【氏名】篠原 和太郎
【氏名】福田 雅文
【氏名】尾形 朋子
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| 【要約】 |
【課題】ＬＮＧの冷熱利用を効率よく行うことができ、発電プラントへの酸素供給を効率良く行うことができる空気分離装置を提供する。
【解決手段】中間冷却媒体ガス２２を媒体ガス圧縮機２４で圧縮し、その圧縮された中間冷却媒体ガス２２を熱交換器２１で発電プラントの燃料として使用される液化天然ガスで冷却する。そして、熱交換器２１で冷却された中間冷却媒体ガス２２を媒体ガスタービン２５で膨張させて低温とし精留塔に供給する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 大気から原料空気を取り込み所定圧力まで昇圧する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を浄化する空気浄化装置と、前記空気浄化装置で浄化された原料空気を冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器で冷却された原料空気を酸素と窒素とに精留分離する精留塔と、前記精留塔で分離され前記主熱交換器を介して取り出された酸素を圧縮して発電プラントに供給するようにした空気分離装置において、前記精留塔に寒冷熱を供給する中間冷却媒体ガスを圧縮する媒体ガス圧縮機と、前記媒体ガス圧縮機で圧縮された前記中間冷却媒体ガスを前記発電プラントの燃料として使用される液化天然ガスで冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された前記中間冷却媒体ガスを膨張させて低温とし前記精留塔に供給する媒体ガスタービンとを備えたことを特徴とする空気分離装置。
【請求項２】 前記中間冷却媒体ガスとしてヘリウムを用いることを特徴とする請求項１に記載の空気分離装置。
【請求項３】 前記精留塔は、冷却された空気を窒素と酸素に分離する高圧精留塔と、高圧精留塔で分離された窒素を液体窒素にする低圧精留塔とから構成され、前記中間冷却媒体ガスの寒冷熱は前記低圧精留塔に供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気分離装置。
【請求項４】 前記中間冷却媒体ガスの寒冷熱は、前記主熱交換器に供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気分離装置。
【請求項５】 前記液化天然ガスの供給が停止したときに、前記中間冷却媒体ガスに寒冷熱を供給する冷凍機を設けたことを特徴とする請求項１に記載の空気分離装置。
【請求項６】 前記冷凍機に代えて、前記液化天然ガスの供給が停止したときに、前記中間冷却媒体ガスを冷却する前記熱交換器から排出される熱交換後の液化天然ガスを一時貯えるためのバッファータンクを設けたことを特徴とする請求項５に記載の空気分離装置。
【請求項７】 前記液化天然ガスの供給が停止したときに、前記空気清浄装置からの原料空気を膨張して寒冷を発生させ前記精留塔に供給するエキスパンダを設けたことを特徴とする請求項１に記載の空気分離装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液化天然ガスを利用して発電を行う発電プラントに酸素や窒素を供給する空気分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、液化天然ガス（以下ＬＮＧという）を利用して発電を行う発電プラントでは、ＬＮＧを気化させて燃焼器に送ると共に燃焼用の酸素を燃焼器に送るようにしている。燃焼用の酸素は空気分離器により生成するようにしている。酸素を生成するための空気分離装置は、空気中の窒素と酸素とを分離して取り出すものであり、ジュール・トムソン効果を利用した圧縮・冷却・断熱膨張サイクルからなる寒冷熱発生装置を用いた空気分離装置が知られている。これは、寒冷熱発生装置の寒冷熱源を用いて空気中の窒素と酸素との沸点差を利用して空気を分離するものである。
【０００３】原料空気１は原料空気圧縮機２により圧縮され、空気浄化装置１６で浄化される。すなわち、空気浄化装置１６では水洗冷却塔３で原料空気１を冷却し、その冷却後に、モレキュラーシーブ塔４にて原料空気１中に含有する後工程で凍結の恐れのある水蒸気、炭酸ガス及び炭化水素成分等が除去される。
【０００４】空気浄化装置１６で炭酸ガスや水蒸気等を除去された原料空気１は、エキスパンダ１６および主熱交換器５に供給される。エキスパンダ１６に供給された原料空気１は、エキスパンダ１６で断熱膨張し寒冷熱を発生する。エキスパンダ１６で冷却された原料空気１は極低温となり、精留塔の低圧精留塔１３の上部に供給される。これにより、主熱交換器５の温端で失われる寒冷熱や、後述の熱交換器１２、精留塔（高圧精留塔９及び低圧精留塔１３）への大気からの入熱を補償し、コールドボックス８を寒冷熱状態に維持する。
【０００５】一方、主熱交換器５に送られた原料空気１は主熱交換器５で冷却され、冷却空気１１ａとなって高圧精留塔９の下部に供給される。高圧精留塔９に流入した冷却空気１１ａは、一部液化して酸素リッチの液体空気となり、その液体空気は高圧精留塔９を上昇するにつれて酸素と窒素の沸点の違いによって精留分離される。そして、高圧精留塔９の上部に進むに従い、沸点の低い窒素成分の濃度が上昇し、高圧精留塔９の塔頂部では高純度窒素ガス１０となる。
【０００６】この高純度窒素ガス１０は、低圧精留塔１３の底部に配備されているリボイラ・コンデンサー１７により、低圧精留塔１３の底部に滞留している液体酸素１４ａと熱交換され、液体酸素１４ａを気化するとともに、自らは液化し液体窒素１９となる。この液体窒素１９は高圧精留塔９の上部に還流され、高圧精留塔９内の温度を低く維持して、精留塔としての機能を維持する役目を果たしている。
【０００７】また、液体窒素１９は熱交換器１２に供給されて、低圧精留塔１３から引出される高純度酸素７ａ及び低純度窒素ガス６ａと熱交換されて、さらに冷却され低圧精留塔１３の上部に供給される。同様に高圧精留塔９の底部の酸素リッチな液体空気１１も熱交換器１２で熱交換され、冷却されて低圧精留塔１３の上部に供給される。そして、その液体空気１１は低圧精留塔１３の下部に移動しながら精留分離される。その結果、低圧精留塔１３の底部には液体酸素１４ａが滞留し、低圧精留塔１３の塔頂部には低純度窒素６ａが得られる。
【０００８】低圧精留塔１３から引出された低純度窒素ガス６ａおよび高純度酸素７ａは、熱交換器１２で熱交換されて熱を吸収し、低純度窒素ガス６ｂおよび高純度酸素ガス７ｂとなる。そして、熱交換器１２を出た低純度窒素ガス６ｂ及び高純度酸素ガス７ｂはまだ寒冷熱を有し、さらに、主熱交換器５で熱交換される。つまり、主熱交換器５で原料空気を冷却して自らは加熱される。そして、高純度酸素ガス７は、酸素ガス圧縮機１５で再度加圧されて発電プラントに供される。
【０００９】以上説明したように、従来の空気分離装置では、製造された高純度酸素７を酸素ガス圧縮機１５により発電プラントの燃焼器の圧力まで圧縮して使用するようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発電プラントの高効率化をねらって燃焼器１５の圧力を高くしていくと、酸素を圧縮する酸素ガス圧縮機１５の動力が増加するので、十分な発電効率が得られない。一方、発電プラントで使用するＬＮＧの貯蔵温度は、通常−１６０℃程度であるため、このＬＮＧを気化するときに発生する冷熱を空気分離装置で利用する場合、−１８０℃程度の寒冷を必要とする精留塔には十分な冷熱供給ができなかい。
【００１１】本発明の目的は、ＬＮＧの冷熱利用を効率よく行うことができ、発電プラントへの酸素供給を効率良く行うことができる空気分離装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係わる空気分離装置は、大気から原料空気を取り込み所定圧力まで昇圧する原料空気圧縮機と、前記原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を浄化する空気浄化装置と、前記空気浄化装置で浄化された原料空気を冷却する主熱交換器と、前記主熱交換器で冷却された原料空気を酸素と窒素とに精留分離する精留塔と、前記精留塔で分離され前記主熱交換器を介して取り出された酸素を圧縮して発電プラントに供給するようにした空気分離装置において、前記精留塔に寒冷熱を供給する中間冷却媒体ガスを圧縮する媒体ガス圧縮機と、前記媒体ガス圧縮機で圧縮された前記中間冷却媒体ガスを前記発電プラントの燃料として使用される液化天然ガスで冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された前記中間冷却媒体ガスを膨張させて低温とし前記精留塔に供給する媒体ガスタービンとを備えたことを特徴とする。
【００１３】請求項１の発明に係わる空気分離装置では、中間冷却媒体ガスを媒体ガス圧縮機で圧縮し、その圧縮された中間冷却媒体ガスを熱交換器で発電プラントの燃料として使用される液化天然ガスで冷却する。そして、熱交換器で冷却された中間冷却媒体ガスを媒体ガスタービンで膨張させて低温とし精留塔に供給する。
【００１４】請求項２の発明に係わる空気分離装置は、請求項１の発明において、前記中間冷却媒体ガスとしてヘリウムを用いることを特徴とする。
【００１５】請求項２の発明に係わる空気分離装置では、請求項１の発明の作用に加え、中間冷却媒体ガスとしてヘリウムを用いているため、中間冷却媒体ガスであるヘリウムを圧縮する圧縮機の動力を低減できる。
【００１６】請求項３の発明に係わる空気分離装置は、請求項１または請求項２の発明において、前記精留塔は、冷却された空気を窒素と酸素に分離する高圧精留塔と、高圧精留塔で分離された窒素を液体窒素にする低圧精留塔とから構成され、前記中間冷却媒体ガスの寒冷熱は前記低圧精留塔に供給することを特徴とする。
【００１７】請求項３の発明に係わる空気分離装置では、請求項１または請求項２の発明の作用に加え、中間冷却媒体ガスの寒冷熱が精留塔の低圧精留塔に供給されるので、低圧精留塔で生成される液体酸素の生成量を増やすことができる。
【００１８】請求項４の発明に係わる空気分離装置は、請求項１または請求項２の発明において、前記中間冷却媒体ガスの寒冷熱は、前記主熱交換器に供給することを特徴とする。
【００１９】請求項４の発明に係わる空気分離装置では、請求項１または請求項２の発明の作用に加え、中間冷却媒体ガスの寒冷熱を主熱交換器に供給するので、空気分離装置全体を寒冷状態に維持することができる。
【００２０】請求項５の発明に係わる空気分離装置は、請求項１の発明において、前記液化天然ガスの供給が停止したときに、前記中間冷却媒体ガスに寒冷熱を供給する冷凍機を設けたことを特徴とする。
【００２１】請求項５の発明に係わる空気分離装置では、請求項１の発明の作用に加え、液化天然ガスの寒冷熱がなくなったり不足したときでも、空気分離装置を運転することが可能となる。
【００２２】請求項６の発明に係わる空気分離装置は、請求項５の発明において、前記冷凍機に代えて、前記液化天然ガスの供給が停止したときに、前記中間冷却媒体ガスを冷却する前記熱交換器から排出される熱交換後の液化天然ガスを一時貯えるためのバッファータンクを設けたことを特徴とする。
【００２３】請求項６の発明に係わる空気分離装置では、請求項５の発明の作用に代えて、発電プラント側で液化天然ガスを遮断した場合でも、バッファータンクに熱交換後の液化天然ガスを貯めることができるので、その間は、液化天然ガスの寒冷熱を利用して空気分離装置を運転することが可能となる。
【００２４】請求項７の発明に係わる空気分離装置は、請求項１の発明において、前記液化天然ガスの供給が停止したときに、前記空気清浄装置からの原料空気を膨張して寒冷を発生させ前記精留塔に供給するエキスパンダを設けたことを特徴とする。
【００２５】請求項７の発明に係わる空気分離装置では、請求項１の発明の作用に加え、液化天然ガスの寒冷熱がなくなったり、不足したときでも、空気分離装置を運転することが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる空気分離装置の構成図である。この第１の実施の形態は、図６に示す従来例に対し、精留塔に寒冷熱を供給する中間冷却媒体ガス２２を圧縮する媒体ガス圧縮機２４と、媒体ガス圧縮機２４で圧縮された中間冷却媒体ガス２２を発電プラントの燃料として使用される液化天然ガス２０で冷却する熱交換器２１と、熱交換器２１で冷却された中間冷却媒体ガス２２を膨張させて低温とし精留塔に供給する媒体ガスタービン２５と、精留塔から熱交換器１２を介して取り出した液体酸素１４ｂにより原料空気１を冷却する中間冷却器２８と、精留塔から液体酸素１４ｂを取り出す液体酸素供給ポンプ２６を追加して設けたものである。
【００２７】原料空気１は原料空気圧縮機２ａで圧縮され、中間冷却器２８で冷却されてさらに原料空気圧縮機２ｂで圧縮される。中間冷却器２８は、精留塔から熱交換器１２を介して取り出した液体酸素１４ｂにより原料空気１を冷却する。
【００２８】原料空気圧縮機２ｂで圧縮された原料空気は、空気浄化装置１８の水洗冷却塔３で冷却され、モレキュラーシーブ塔４で原料空気中の後工程で凍結の恐れのある炭酸ガス、水蒸気及び炭化水素成分が除去される。
【００２９】炭酸ガス等が除去され浄化された原料空気は主熱交換器５に送られ、低圧精留塔１３から熱交換器１２を介して取り出された低純度窒素ガス６ｂ、高純度酸素ガス７ｂおよび液体酸素１４ｂと熱交換されて冷却される。主熱交換器５を通過した冷却空気は、一部液化して酸素リッチな液体空気１１ａとなり、高圧精留塔９に供給される。
【００３０】高圧精留塔９では、窒素ガスと酸素リッチな液体空気とに分離され、酸素リッチな液体空気１１として底部に溜まる。窒素ガスは高圧精留塔９の塔頂部に進み高純度窒素１０となり、高圧精留塔９から引出される。そして、低圧精留塔１３底部に配備されているリボイラ・コンデンサ１７で低圧精留塔１３の底部の液体酸素１４と熱交換して、液体酸素１４を気化させるとともに、自らは冷却されて液体窒素１９になる。
【００３１】一方、高圧精留塔９の底部の酸素リッチな液体空気１１は、高圧精留塔９から引出され、熱交換器１２を経由して低圧精留塔１３から引出された低純度窒素ガス６ａ、高純度酸素ガス７ａ及び液体酸素１４と熱交換されて更に冷却され低圧精留塔１３に供給される。
【００３２】液体窒素１９は低圧精留塔１３の塔頂部近傍に供給され、酸素リッチな液体空気１１は低圧精留塔１３の上部に供給され、下部に移動しながら精留分離されて、低圧精留塔１３の底部に液体酸素が溜まる。液体酸素の直上部からは、リボイラ・コンデンサ１７で気化した高純度酸素ガス７ａが得られる。一方、低圧精留塔１３の塔頂からは低純度窒素ガス６ａが得られる。
【００３３】高純度酸素ガス７ａと低純度窒素ガス６ａとは、熱交換器１２で液体空気１１及び液体窒素１９と熱交換され、更に主熱交換器５で熱交換される。すなわち、モレキュラーシーブ塔４で浄化された空気と熱交換して浄化された空気を寒冷却する。そして、自らは常温に近い温度まで昇温された後、酸素ガス圧縮機１５で発電プラントで必要とされる所定の圧力まで昇圧され発電プラントに送られる。
【００３４】液体酸素１４は液体酸素供給ポンプ２６により発電プラントで必要な圧力まで加圧された後、熱交換器１２で液体空気１１及び液体窒素１９と熱交換した後、主熱交換器５で空気を寒冷して自らは気化し、酸素ガス圧縮機１５の出口の高純度酸素ガス７と合流して発電プラントに送られる。
【００３５】一方、熱交換器１２の出口で分流された一部の液体酸素１４ｂは原料空気圧縮機２ｂの上流に位置する中間冷却器２８で熱交換を行い、原料空気１を冷却するとともに自らは気化され、酸素ガス圧縮機１５の出口の高純度酸素ガス７と合流して発電プラントに送られる。
【００３６】次に、発電プラントで使用するＬＮＧ２０は、熱交換器２１を介して中間冷却媒体ガス２２へ冷熱を供給して蒸発し、常温程度にまで加熱されて発電プラントへ供給される。一方、中間冷却媒体ガス２２はＬＮＧ冷熱により温度を下げた後、媒体ガスタービン２５にて断熱膨張することで更に寒冷され、低圧精留塔１３の塔底部に溜まる液体酸素の温度よりも低い温度になる。ここで中間冷却媒体ガス２２としてはヘリウムガスを用いる。
【００３７】低温の中間冷却媒体ガス２２は低圧精留塔９の塔底部の液体酸素熱交換器２３に供給される。そして、液体酸素と熱交換を行い、低圧精留塔１３に寒冷熱を供給する。これにより、低圧精留塔１３からはより多くの液体酸素を得ることができる。液体酸素熱交換器２３を出た暖められた中間冷却媒体ガス２２は、媒体ガス圧縮機２４で再び圧縮され、熱交換器２１に循環される。
【００３８】また、冷凍機２７は、発電プラントの都合によりＬＮＧ供給が停止した場合でも引き続き寒冷発生が行えるように中間冷却媒体ガス２２を冷却するものであり、バックアップ用として備えられている。すなわち、ＬＮＧ供給がない場合あるいはＬＮＧ流量が大きく変動する場合に、冷凍機２７を作動して媒体ガスタービン２５の入口温度を寒冷状態に維持する。
【００３９】以上の説明では、空気浄化装置１８を原料空気圧縮機２ｂと主熱交換器５との間に設けたが、原料空気圧縮機２ａと中間冷却器２８との間に空気浄化装置１８を配備する構成としてもよい。この構成にすると、中間冷却器２８で冷却されても、原料空気１中の凍結の恐れのある成分が予め除去されているので、凍結は確実に防止できる。また、液体酸素熱交換器２３の位置は低圧精留塔１３の塔底部としたが、最も液体酸素が効率よく得られる場所であればよく、低圧精留塔１３の中央部や塔頂部であってもよい。
【００４０】次に、図２は、本発明の第１の実施の形態と従来例との特性の比較の説明図である。左側が従来例であり右側が本発明の実施の形態の場合である。例えば、５ＭＰａの圧力で運転される燃焼器に酸素を供給するのに必要な空気分離装置および酸素ガス圧縮機１５の動力を従来の装置と比較した特性図である。図２に示したように、中間冷却媒体ガス（ヘリウムガス）２２を圧縮循環駆動するのに必要なヘリウム動力を加えても酸素ガス圧縮に要する動力が低減できる。このため、トータル動力は約１０％低減する。
【００４１】図３は、本発明の第２の実施の形態に係わる空気分離装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、精留塔に設けた液体酸素熱交換器２３に中間冷却媒体ガス（ヘリウムガス）２２を供給する代わりに、寒冷熱を有する中間冷却媒体ガス（ヘリウムガス）２２を熱交換器１２及び主熱交換器５に供給して、コールドボックス８を寒冷状態に維持するようにしたものである。この場合も第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４２】図４は、本発明の第３の実施の形態に係わる空気分離装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、冷凍機２７の代わりに、ＬＮＧ２０側にバッファータンク２９を設けたものである。これにより、発電プラント側でＬＮＧ供給が止まっても、バッファータンク２９が充満されるまでの間は、空気分離装置にＬＮＧ２０の供給を継続でき、その間、空気分離装置を稼動することが可能となる。
【００４３】図５は、本発明の第４の実施の形態に係わる空気分離装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、冷凍機２７の代わりに、空気清浄装置１８からの原料空気１を膨張して寒冷を発生させ精留塔に供給するエキスパンダ１６を備えたものである。
【００４４】このエキスパンダ１６は、ＬＮＧ供給停止時のバックアップ寒冷発生源として用いる。この様に、ＬＮＧの寒冷熱をヘリウムガスを介して空気分離装置に供給することにより、従来より多くの液体酸素を得ることができ、発電プラントに効率よく酸素を供給することができる。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によればＬＮＧの冷熱利用を効率よく行うことができ、発電プラントへの酸素供給を効率良く行うことができる空気分離装置を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月１７日（１９９９．１１．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１００５１６
【弁理士】
【氏名又は名称】三谷 惠 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１４１３５９（Ｐ２００１−１４１３５９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月２５日（２００１．５．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３２７０２８ |
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