JPH0534061A - 酸素の需要変動に適した空気液化分離方法および装置 - Google Patents

酸素の需要変動に適した空気液化分離方法および装置

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JPH0534061A
JPH0534061A JP18428691A JP18428691A JPH0534061A JP H0534061 A JPH0534061 A JP H0534061A JP 18428691 A JP18428691 A JP 18428691A JP 18428691 A JP18428691 A JP 18428691A JP H0534061 A JPH0534061 A JP H0534061A
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oxygen
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air
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Mitsuhiro Kusunoki
光裕 楠
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸素の需要変動に適した空気液化分離方法お
よび装置を提供する。 【構成】 原料空気圧縮機１で吸入された原料空気を原
料空気供給管路２を介して熱交換器３で熱交換した後、
空気液化分離器４で深冷分離された酸素ガスを酸素ガス
圧縮機６で使用先に供給する際に、酸素ガス放散弁20と
原料空気圧縮機１出側の原料空気供給管路２とを酸素ガ
ス回収管路21で接続し、回収酸素ガス圧力制御装置22で
余剰酸素ガスの圧力を調節しながら原料空気供給管路２
に混入し、回収酸素ガス流量計23で計測された回収酸素
ガス流量に応じて原料空気圧縮機１で吸入される原料空
気吸入流量をフィードバック制御し、回収酸素ガス流量
と原料空気吸入流量とに応じて冷熱発生膨張タービン16
に供給する圧縮ガス流量をフィードバック制御すること
により、余剰酸素ガスの放散を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、たとえば製鉄所などの
ように酸素ガスの需要変動に適した空気液化分離方法お
よび装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】たとえば製鉄所において転炉工場の酸素
使用量は、溶銑のバッチ式脱炭処理などを主とするため
経時的に短時間で大きく変化（一例として300t/ch 転炉
では０〜70000Nm3/h）するのが通常である。酸素ガス生
産に伴って生産される窒素ガスについては、各種パージ
用として使用されているがこれについては経時的に短時
間で大きく変化することが少ない。
【０００３】しかし、いずれのガスの使用においても、
酸素・窒素ガス発生プラントの装置容量は、いずれかの
最大使用量に対して設計する必要があったが、これでは
最大使用量以下の使用量の際には常に余剰分のガスを大
気に放散しなければならない不経済な事態となるので、
一般に該プラントの出側に大容量の高圧ホルダを設けて
使用量変化を吸収し、あるいは酸素液化プラント，窒素
液化プラント，空気液化プラントなどを適宜に並列的に
組み合わせ、相互にかつプラントの精留塔との関係によ
り系路接続して余剰ガスの液化貯蔵と気化供給を行い、
該酸素・窒素ガス発生プラント自体の装置容量を小さく
している。
【０００４】このような従来の空気液化分離装置の構成
の一例を、図２の系統図に示す。原料空気圧縮機１に吸
い込まれた原料空気は、原料空気送給管路２を介して熱
交換器３に送り込まれる。そして、熱交換器３において
空気液化分離器４で発生した低温の酸素ガスや窒素ガス
の冷熱によって冷却されて、水分や炭酸ガスが固化分離
され除去されてから空気液化分離器４に送り込まれる。
【０００５】さらに、空気液化分離器４において深冷分
離された酸素ガスは、熱交換器３を経由する製品酸素ガ
ス送給管路５を介して酸素ガス圧縮機６によって圧縮さ
れ、高圧酸素ガスとして高圧酸素ガス送給管路７を介し
て使用先へ送り出されるとともに、その一部は酸素ガス
ホルダ８で貯えられる。なお、余剰酸素ガスは、余剰酸
素ガス送給管路９を介して空気液化分離器４から直接液
化酸素貯槽10で液化状態で貯蔵される。
【０００６】一方、空気液化分離器４で分離された窒素
ガスは、やはり熱交換器３を経由する製品窒素ガス送給
管路11を介して窒素ガス圧縮機12によって圧縮されて、
高圧窒素ガスとして高圧窒素ガス送給管路13を介して使
用先へ送り出される。なお、空気液化分離器４で発生し
た廃窒素ガスは、熱交換器３を経由する廃窒素ガス管路
14を介して廃窒素放散塔15から大気に放散される。
【０００７】なお、空気液化分離器４には、冷熱発生膨
張タービン16によって酸素ガスや窒素ガスあるいは精製
圧縮空気などの圧縮ガスを断熱膨張させ、その発生した
冷熱が冷熱送給管路17を介して送り込まれる。このとき
の冷熱供給量は、圧縮ガス流量計18ａ, 圧縮ガス流量調
節計18ｂ, 圧縮ガス流量調節弁18ｃからなる膨張タービ
ン用圧縮ガス流量制御装置18によって制御される。
【０００８】また、原料空気圧縮機１による原料空気吸
入量は、原料空気流量計19ａ, 原料空気流量調節計19
ｂ, 原料空気流量調節弁19ｃからなる原料空気吸入流量
制御装置19によって制御される。さらに酸素ガス圧縮機
６の出側には、余剰酸素ガスを放散する酸素ガス放散弁
20が設けられる。上記のように、酸素を使用する製鉄工
業や化学工業では大型の空気液化分離装置を設置して酸
素を供給しているが、酸素の需要が時間帯や曜日により
大きく変動する。そこで、このような変動に対応する手
段として、空気液化分離装置を減量運転するのが一般的
であるが、従来の空気液化分離装置では原料空気圧縮機
の制約から約30％減の減量運転が限界であった。それ
故、それ以上の変動に対応する手段としては、原料空気
圧縮機を２台に分割したり必要以上の発生酸素ガスを放
出するか、装置を停止してバックアップ用液体酸素を蒸
発して使用していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、原料空
気圧縮機を２台に分割する場合には約50％減が可能であ
るが設備費が増加するという欠点があり、またバックア
ップ用液体酸素を発生させる場合には液体酸素の価格が
高く、酸素コストの上昇を招くという問題がある。そこ
で、このような課題を解決する手段として、たとえば特
公昭49− 45997号や同49− 45998号公報に開示されてい
るごとく、液体酸素貯槽と液体窒素または液体空気貯槽
を有し、酸素増量の場合には液体酸素を蒸発し、酸素減
量の場合には発生酸素ガスを液化して貯液して酸素の需
要に対応する装置が提案されており、また特開昭52− 9
0473号公報には同様な需要変動に対応する有価ガス供給
装置が提案されている。
【００１０】すなわち、まず特公昭49− 45997号に示さ
れている装置は、たとえば夜間酸素需要が減少すると分
離酸素ガスの一部を貯蔵液体空気との熱交換により液化
貯蔵し、需要量が増加すると該貯蔵液体酸素を圧縮原料
空気の一部と熱交換せしめて気化し、分離酸素ガスとと
もに採取するもので、このときの液体酸素との熱交換に
より液化した原料空気の一部は貯蔵される。また特公昭
49− 45998号に示される装置は酸素不要時には貯蔵液体
窒素を精留塔へ導入して分離酸素を液状で取り出した上
貯蔵しておき、需要時には該貯蔵液体酸素を分離窒素ガ
スと熱交換せしめて気化して分離酸素ガスとともに採取
するもので、このときの液体酸素との熱交換により液化
した液体窒素ガスは貯蔵される。さらに、特開昭52− 9
0473号の有価ガス供給装置の場合は、酸素・窒素ガス発
生プラントとはガス取出管で接続する以外の関係系路を
設けることなく極めてシンプルでコンパクトな構成にし
て、該プラントの装置容量の大幅な縮小を可能にすると
ともに、大幅に変化する使用量に対し余剰酸素ガスを液
化酸素の潜熱を利用して液化貯蔵するとともに、これよ
り気化させた窒素ガスを使用側に供給し、酸素ガス不足
時には余剰窒素ガスの顕熱を利用して液化窒素を気化せ
しめて使用側に供給するなど、酸素と窒素を相互気・液
熱交換塔内で交互に液化・気化せしめて円滑に追従供給
せしめすものである。
【００１１】しかし、これら特公昭49− 45997号や同49
− 45998号，特開昭52− 90473号に提案された装置にお
いて、需要の変動に対応して製品ガスの供給量を調整す
る場合は、寒冷を空気から酸素または窒素、窒素から酸
素および酸素または窒素から空気、酸素から窒素へと移
動させ、寒冷の回収を行うのが普通である。したがっ
て、装置が必要とする寒冷源が有効に回収されるが、た
とえば酸素ガスの生産において需要が減少した場合、液
体空気あるいは液体窒素がガス状酸素と熱交換し気化し
た後放出されることになるが、この放出ガスは水分，炭
酸ガスなどの不純物が除去された精製ガスであり、これ
を利用することなく放出するのは不経済である。
【００１２】また、特開昭61−231380号や同63− 80185
号, 同63−220081号公報などにも、何らかの寒冷源を設
けておき、酸素ガス不需要時には酸素ガスを液化して液
化酸素として寒冷源に貯蔵しておき、需要時には貯蔵液
体酸素ガスを原料空気圧縮機またはそれと別個に設けら
れた圧縮空気供給系から供給され、圧縮精製空気や分離
窒素ガスと熱交換せしめて気化し、分離酸素ガスととも
に供給する技術が開示されている。
【００１３】しかし、通常は需要と供給がバランスする
ように酸素ガスの需要予測に基づいて酸素ガス発生側は
操業するが、製鉄所においては鉄鋼生産に直接影響する
酸素の不足はほぼ絶対的に避けねばならない条件として
与えられるため、多少余剰気味に発生するように操業す
るのが通例である。一方、酸素ガスの使用側においては
使用量が時間的にみて一定でない上、転炉などの大量使
用設備の操業スケジュールの変更などが発生すると極端
な需給アンバランスが生じることがある。このアンバラ
ンスは、長時間続くことは少なくしかも間欠的に生ずる
ため、余剰酸素を前記したような従来の方法装置により
液化酸素化して貯蔵するという対応にも限界があり、有
効に貯蔵または使用する手段がなく放散するということ
が経験的に多かったのである。
【００１４】本発明は、上記のような製鉄所などにおい
て発生する間欠的かつ短時間の酸素需給のアンバランス
によって放散を止むなくされていた酸素ガスを有効に回
収し得ることの可能な、酸素の需要変動に適した空気液
化分離方法および装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様は、
酸素の需要変動に適した空気液化分離方法において、酸
素ガスの需給の一時的および／または間欠的なアンバラ
ンスによって生じる余剰酸素ガスを原料空気圧縮機の出
側で原料空気に混入させ、原料空気吸入流量と混入酸素
ガスの合計流量が急激に変化しないように混入酸素ガス
流量に応じて原料空気吸入量を制御するとともに原料空
気吸入流量と混入酸素ガス流量の合計流量に基づいて冷
熱発生膨張タービンに供給される圧縮ガスの流量を制御
することを特徴とする酸素の需要変動に適した空気液化
分離方法。
【００１６】また、本発明の第２の態様は、酸素ガス液
化設備および液化酸素貯槽を備えた空気液化分離装置で
あって、製品酸素ガス圧縮機の出側から酸素ガス放散弁
を介して余剰酸素ガスを原料空気圧縮機出側の原料空気
送給管路へ混入させる酸素ガス回収管路と、この酸素ガ
ス回収管路内に設けられた回収酸素ガス圧力制御手段お
よび回収酸素ガス流量計測手段と、この回収酸素ガス流
量計測手段からの回収酸素ガス流量計測値に基づいて原
料空気吸入流量目標値を演算しかつ原料空気吸入流量計
測値と回収酸素ガス流量計測値とに基づいて膨張タービ
ン用圧縮ガス目標流量を演算する演算器と、この演算器
から出力された原料空気吸入流量目標値を設定値として
前記原料空気圧縮機に吸入される原料空気吸入流量をフ
ィードバック制御する原料空気吸入流量制御手段と、前
記演算器から出力された膨張タービン用圧縮ガス流量目
標値を設定値として冷熱発生膨張タービンに供給される
圧縮ガス流量をフィードバック制御する膨張タービン用
圧縮ガス流量制御手段と、を具備してなることを特徴と
する酸素ガスの需要変動に適した空気液化分離装置であ
る。
【００１７】
【作 用】一般的に、空気液化分離装置の運転において
は、原料空気流量を急激に変化させないように操業がな
される。その理由は、空気を液化分離する分離器内の冷
熱バランスが崩れやすく、いったん崩れたらその回復が
容易ではなくなるためである。したがって、原料空気流
量を変更するときはたとえば数時間というような長時間
かけて徐々に変更することにより、エネルギーバランス
を物質バランスに追従可能にするためである。
【００１８】このことは本発明においても同様であっ
て、余剰酸素ガスが生じて原料空気中に混入する場合、
トータルの原料ガス流量（原料空気吸入流量＋余剰酸素
ガス混入流量）が変わらないように、原料空気圧縮機へ
の原料空気吸入流量を制御してやる必要がある。さら
に、通常の原料空気には約21％の酸素ガスが存在する
が、余剰酸素ガスの添加により原料ガス中の酸素濃度が
変化し、分離器内の冷熱バランスが崩れる可能性があ
る。これは酸素ガス濃度の増加により、酸素ガスを液化
するための冷熱エネルギーが増加すること、また酸素ガ
ス濃度が増加すると相対的に窒素ガス濃度が減少し、窒
素ガスを冷却するための冷熱エネルギーが少なくて済む
からである。
【００１９】エネルギーバランスは必要冷熱の増加分と
減少分の差が正になるか負になるかによって決定され
る。もし不足する場合は冷熱発生用膨張タービンから冷
熱を補充してやれるように、また余剰になるときは膨張
タービンの冷熱発生を抑えるように制御を行う必要があ
る。このように本発明によれば、酸素ガス需要の一時的
および／または間欠的なアンバランスによって生じる余
剰酸素ガスを原料空気圧縮機の出側へ混入するととも
に、原料空気と混入酸素ガスの合計流量の急激な変化を
防止するために、過剰酸素ガス混入流量に基づいて原料
空気吸入流量を制御し、かつ原料空気吸入流量実測値と
混入酸素流量実測値とから、冷熱バランスの崩れを予防
しつつ従来放出を余儀無くされていた酸素ガスを効率よ
く安定的に回収することができる。
【００２０】
【実施例】以下に、本発明の実施例について図１を参照
して説明する。なお、図中において、図２に示した従来
例と同一部材は同一符号を付し、その説明を省略する。
図において、21は酸素ガス放散弁20の出側と原料空気圧
縮機１の出側の原料空気送給管路２とを接続する酸素ガ
ス回収管路であり、余剰酸素ガス放散弁20からの余剰酸
素ガスを回収して原料空気送給管路２に混入する機能を
有する。
【００２１】22は回収酸素ガス圧力調節装置で、圧力検
出器22ａと圧力調節計22ｂと圧力調節弁22ｃとで構成さ
れる。そして、圧力検出器22ａによって圧力調節弁22ｃ
の２次側の圧力を検出し、圧力調節計22ｂによって圧縮
原料空気の圧力と等圧にするようにフィードバック制御
する。23は回収酸素ガス流量計である。24は演算器であ
り、回収酸素ガス流量計23からの実測値と原料空気流量
計19ａからの実測値とがそれぞれ入力される。
【００２２】この演算器24では、まず回収酸素ガス流量
計23からの実測値に基づいて原料空気と回収酸素ガスと
の合計原料ガス流量が変化しないように原料空気吸入流
量目標値を演算し、原料空気流量調節計19ｂの設定値と
して出力する。原料空気流量制御装置19においては、こ
の原料空気吸入流量目標値に基づいて原料空気流量調節
弁19ｃを介して原料空気吸入流量をフィードバック制御
する。
【００２３】つぎに、原料空気流量実測値と回収酸素ガ
ス流量実測値とに基づいて合計原料ガス流量と原料ガス
組成（酸素ガスおよび窒素ガス濃度）を演算し、回収酸
素ガス分を液化するための必要冷熱量と原料ガス組成変
化に基づく必要冷熱量の変化度合いとを演算して、必要
冷熱量の変化量に基づいて冷熱発生膨張タービン17への
圧縮ガスの流量目標値を演算する。
【００２４】この圧縮ガス流量目標値は、膨張タービン
用圧縮ガス流量制御装置18の流量調節計18ｂに設定値と
して入力され、膨張タービン用圧縮ガス流量制御装置18
においてこの設定値に基づき、圧縮ガス流量調節弁18ｃ
を介して圧縮ガス流量をフィードバック制御する。この
ようにして、物質バランスに対応した冷熱バランスがと
られるように冷熱発生量が制御される。
【００２５】一方、酸素ガスの余剰分は余剰酸素ガス送
給管路９に回収され、液化酸素貯槽10に液化状態で貯蔵
される。そして、空気液化分離装置による酸素ガス発生
量が使用先の需要量に対して不足する状態のときには、
公知の方法により気化することにより、その不足分を補
うようにする。本発明の装置を転炉工場の空気液化分離
装置に適用したところ、月間平均の放散酸素量を従来の
３％に比して１％以内と大幅に抑制することができ、そ
の分液化酸素ガスとして回収することができた。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、一
時的および／または間欠的に発生する余剰酸素ガスを放
散することなく液化酸素の形で回収することができ、酸
素ガス不足時には液化酸素をガス化して供給するように
したので、空気液化分離器の発生酸素ガス量を変えるこ
となく対応することが可能であり、放散酸素ガス量を大
幅に減少させ得るとともにプラントの安定操業に大いに
寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気液化分離装置の構成の一例を示す
系統図である。
【図２】従来の空気液化分離装置の構成の一例を示す系
統図である。
【符号の説明】
１ 原料空気圧縮機 ２ 原料空気送給管路 ３ 熱交換器 ４ 空気液化分離器 ５ 製品酸素ガス送給管路 ６ 酸素ガス圧縮機 ７ 高圧酸素ガス送給管路 ８ 酸素ガスホルダ ９ 余剰酸素ガス送給管路 10 液化酸素貯槽 11 製品窒素ガス送給管路 12 窒素ガス圧縮機 13 高圧窒素ガス送給管路 14 廃窒素ガス管路 15 廃窒素放散塔 16 冷熱発生膨張タービン 17 冷熱送給管路 18 膨張タービン用圧縮ガス流量制御装置 19 原料空気吸入流量制御装置 20 酸素ガス放散弁 21 酸素ガス回収管路 22 回収酸素ガス圧力調節装置 23 回収酸素ガス流量計 24 演算器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 酸素の需要変動に適した空気液化分離
    方法において、酸素ガスの需給の一時的および／または
    間欠的なアンバランスによって生じる余剰酸素ガスを原
    料空気圧縮機の出側で原料空気に混入させ、原料空気吸
    入流量と混入酸素ガスの合計流量が急激に変化しないよ
    うに混入酸素ガス流量に応じて原料空気吸入量を制御す
    るとともに原料空気吸入流量と混入酸素ガス流量の合計
    流量に基づいて冷熱発生膨張タービンに供給される圧縮
    ガスの流量を制御することを特徴とする酸素の需要変動
    に適した空気液化分離方法。
  2. 【請求項２】 酸素ガス液化設備および液化酸素貯槽
    を備えた空気液化分離装置であって、製品酸素ガス圧縮
    機の出側から酸素ガス放散弁を介して余剰酸素ガスを原
    料空気圧縮機出側の原料空気送給管路へ混入させる酸素
    ガス回収管路と、この酸素ガス回収管路内に設けられた
    回収酸素ガス圧力制御手段および回収酸素ガス流量計測
    手段と、この回収酸素ガス流量計測手段からの回収酸素
    ガス流量計測値に基づいて原料空気吸入流量目標値を演
    算しかつ原料空気吸入流量計測値と回収酸素ガス流量計
    測値とに基づいて膨張タービン用圧縮ガス目標流量を演
    算する演算器と、この演算器から出力された原料空気吸
    入流量目標値を設定値として前記原料空気圧縮機に吸入
    される原料空気吸入流量をフィードバック制御する原料
    空気吸入流量制御手段と、前記演算器から出力された膨
    張タービン用圧縮ガス流量目標値を設定値として冷熱発
    生膨張タービンに供給される圧縮ガス流量をフィードバ
    ック制御する膨張タービン用圧縮ガス流量制御手段と、
    を具備してなることを特徴とする酸素ガスの需要変動に
    適した空気液化分離装置。
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