一种单塔间歇式空气净化系统及方法

技术领域

本发明涉及一种液态空气储能和空气净化技术领域，特别是关于一种基于液态空气膨胀排气梯级预热再生的单塔间歇式空气净化系统及方法。

背景技术

液态空气储能是一种利用液态空气或氮气作为储能介质的大规模储能技术。用电低谷时段，环境空气经过压缩后，进入吸附塔将空气中的高沸点物质(如H

目前空气净化过程通常采用双吸附塔结构，利用变压吸附技术将空气中的H

综上所述，如何通过合理利用液态空气储能系统的废热和废气，以提升空气净化系统的性能成为目前亟需解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于液态空气膨胀排气梯级预热再生的单塔间歇式空气净化系统及方法，通过单个吸附塔间歇运行实现空气吸附和再生过程，能简化系统结构、降低设备和控制投资、提升热能的利用率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单塔间歇式空气净化系统，其包括：空气吸附回路，用于将压缩空气净化，去除空气中的H

进一步，空气吸附回路包括第一阀控结构、吸附塔、过滤器、空气液化单元和液态空气储罐；

第一阀控结构与吸附塔的下部端口连接，环境空气经压缩后形成的压缩空气经阀控结构进入吸附塔内；

吸附塔的上部端口依次与过滤器、空气液化单元和液态空气储罐连接。

进一步，第一阀控结构包括第一程控阀和第一调节阀；第一调节阀并联在第一程控阀的两端，第一程控阀的输入端用于接收压缩空气，第一程控阀的输出端与吸附塔的下部端口连接。

进一步，在过滤器的输入端设置有第一CO

进一步，膨胀排气再生回路包括第二阀控结构、空气发电单元、循环风机、加热吸附结构和降温结构；

第二阀控结构的输入端与吸附塔的下部端口连接，第二阀控结构的输出端连接至排放端口；

空气发电单元的输入端与空气吸附回路中的液态空气储罐输出端连接，用于将接收到的液态空气膨胀发电；

循环风机的输入端与空气发电单元的输出端连接，空气膨胀排气经循环风机传输至加热吸附结构或降温结构；

加热吸附结构与降温结构并联，并联后的输出端与吸附塔的上部端口连接，输入端与循环风机的输出端连接。

进一步，第二阀控结构包括第六程控阀和第二调节阀；第六程控阀和第二调节阀的输入端都连接在吸附塔的下部端口，第六程控阀和第二调节阀的输出端并联后与第七程控阀的输出端连接。

进一步，加热吸附结构包括第三程控阀、低温热交换器和高温热交换器；第三程控阀的输入端与循环风机的输出端连接，第三程控阀的输出端依次与低温热交换器和高温热交换器串联，高温热交换器的输出端经第四程控阀与吸附塔的上部端口连接；

降温结构包括第五程控阀；第五程控阀的输入端与循环风机的输出端连接，第五程控阀的输出端经第四程控阀与吸附塔的上部端口连接。

进一步，位于空气发电单元的输出端与第二阀控结构的输出端之间并联有第七程控阀；

第二阀控结构的输出端与第七程控阀之间设置有第二CO

一种基于上述单塔间歇式空气净化系统的空气净化方法，其包括：

空气吸附过程，发生在电网低谷时段：

第一调节阀逐步打开，其他阀门关闭，吸附塔内的压力逐步上升；达到吸附压力后，第一调节阀关闭，第一程控阀和第二程控阀打开；

压缩空气进入吸附塔将空气中的H

通过滤器去除空气可能携带的颗粒物，进入空气液化单元液化形成液态空气，并将液态空气存储在液态空气储罐；

膨胀排气再生过程，发生在电网高峰时段：

第二调节阀逐步打开，其他阀门关闭；

吸附塔内的压力逐渐下降至再生压力后，第二调节阀关闭，第三程控阀、第四程控阀和第六程控阀打开；

液态空气储罐中的液态空气经过空气发电单元膨胀发电，排气通过循环风机进入低温热交换器和高温热交换器梯级加热至再生温度，然后进入吸附塔，依靠热驱动和分压力差驱动将吸附剂中吸附的H

经过第二CO

进一步，在膨胀排气再生过程中，当第二CO

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用单个吸附塔间歇运行，实现空气吸附和再生过程，可以大大简化空气净化系统结构，显著降低投资成本。

2、本发明利用空气压缩过程低品位热能和外界高品位热能对膨胀排气梯级加热至再生温度，可以有效降低吸附剂再生过程所需的高品位热能，提升能量利用率。

3、本发明通过合理利用空气压缩过程的低品位热能，实现膨胀排气的预热，而不消耗其高品位热能，一方面不影响空气发电过程的发电量，另一方面提高空气压缩热能的利用率。

4、本发明将空气发电循环过程排放的干燥清洁空气高效回收利用，实现吸附塔再生，可以显著提高液态空气储能的经济效益。

5、本发明为实现高效低成本空气净化系统提供了一种可行方案。

附图说明

图1为一个典型液态空气储能系统中多余的空气压缩热能示意图；

图2为本发明一实施例中的基于液态空气膨胀排气梯级预热再生的单塔间歇式空气净化系统结构示意图；

图3为本发明一实施例中的空气吸附过程示意图；

图4为本发明一实施例中的膨胀排气再生过程的加热吸附示意图；

图5为本发明一实施例中的膨胀排气再生过程的降温示意图；

附图标记：

1-第一程控阀，2-第一调节阀，3-吸附塔，4-第二程控阀，5-第一CO

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，为一个典型液态空气储能系统中(液化压力10MPa，膨胀发电压力12MPa)，存在大量多余的空气压缩热能(高达50％)，这部分热能不能用于空气膨胀发电，通常浪费在环境中。

为了合理利用液态空气储能系统的废热和废气，提升空气净化系统的性能，本发明提供一种基于液态空气膨胀排气梯级预热再生的单塔间歇式空气净化系统及方法，包括空气吸附回路和膨胀排气再生回路；用电低谷时段，环境空气经过压缩后，进入吸附塔去除H

在本发明的一个实施例中，提供一种基于液态空气膨胀排气梯级预热再生的单塔间歇式空气净化系统，可以简化系统结构、降低设备和控制投资、提升热能的利用率。本实施例中，如图2所示，该空气净化系统包括：

空气吸附回路，用于将压缩空气净化，去除空气中的H

膨胀排气再生回路，用于将空气吸附回路输出的液态空气膨胀发电后排放的干燥空气，经两级加热后进行再生。

在一个优选的实施方式中，如图3所示，空气吸附回路包括第一阀控结构、吸附塔3、过滤器7、空气液化单元8和液态空气储罐9。

第一阀控结构与吸附塔3的下部端口连接，环境空气经压缩后形成的压缩空气经阀控结构进入吸附塔3内；吸附塔3的上部端口依次与过滤器7、空气液化单元8和液态空气储罐9连接。使用时，由第一阀控结构传输至的压缩空气经吸附塔3去除空气中的H

本实施例中，可选的，第一阀控结构包括第一程控阀1和第一调节阀2。第一调节阀2并联在第一程控阀1的两端，第一程控阀1的输入端用于接收压缩空气，第一程控阀1的输出端与吸附塔3的下部端口连接。使用时，由第一调节阀2调节输入吸附塔3内的压缩空气流量，以使吸附塔3内的压力逐步上升达到吸附压力；然后通过第一程控阀1将压缩空气输入吸附塔3内。

本实施例中，可选的，在吸附塔3与过滤器7之间设置有第二程控阀4，以将吸附塔3处理后的空气输入过滤器7内。

其中，在第二程控阀4与过滤器7之间还设置有第一CO

在一个优选的实施方式中，如图4和图5所示，膨胀排气再生回路包括第二阀控结构、空气发电单元10、循环风机11、加热吸附结构和降温结构。

第二阀控结构的输入端与吸附塔3的下部端口连接，第二阀控结构的输出端连接至排放端口；

空气发电单元10的输入端与空气吸附回路中的液态空气储罐9输出端连接，用于将接收到的液态空气膨胀发电；

循环风机11的输入端与空气发电单元10的输出端连接，空气膨胀排气经循环风机11传输至加热吸附结构或降温结构；

加热吸附结构与降温结构并联，并联后的输出端与吸附塔3的上部端口连接，输入端与循环风机11的输出端连接。

使用时，空气膨胀排气经循环风机11传输至加热吸附结构，经梯级加热至再生温度后进入吸附塔3；或，空气膨胀排气经循环风机11传输至降温结构，由降温结构将空气膨胀排气传输至吸附塔3，依靠膨胀排气的温度将吸附塔3内的吸附剂降至常温。

本实施例中，可选的，第二阀控结构包括第六程控阀17和第二调节阀18；第六程控阀17和第二调节阀18的输入端都连接在吸附塔3的下部端口，第六程控阀17和第二调节阀18的输出端并联后与第七程控阀22的输出端连接。使用时，第六程控阀17关闭时，通过第二调节阀18将吸附塔3内的压力逐渐下降至再生压力后，再将第二调节阀18关闭，打开第六程控阀17。

本实施例中，可选的，位于加热吸附结构与降温结构的输出端与吸附塔3的上部端口之间设置有第四程控阀15，以将处理后的膨胀排气输入吸附塔3内。

本实施例中，可选的，加热吸附结构包括第三程控阀12、低温热交换器13和高温热交换器14。第三程控阀12的输入端与循环风机11的输出端连接，第三程控阀12的输出端依次与低温热交换器13和高温热交换器14串联，高温热交换器14的输出端经第四程控阀15与吸附塔3的上部端口连接。

其中，低温热交换器13的热源来自空气压缩过程中的低品位热能；高温热交换器14的热源来自外界高品位热能，如电能、太阳能等。

使用时，膨胀排气通过循环风机11进入低温热交换器13和高温热交换器14进行梯级加热至再生温度，然后进入吸附塔3，依靠低温热交换器13和高温热交换器14提供的热驱动和膨胀排气提供的分压力差驱动将吸附剂中吸附的H

本实施例中，可选的，降温结构包括第五程控阀16。第五程控阀16的输入端与循环风机11的输出端连接，第五程控阀16的输出端经第四程控阀15与吸附塔3的上部端口连接。

本实施例中，位于空气发电单元10的输出端与第二阀控结构的输出端之间并联有第七程控阀22；第七程控阀22的输入端与空气发电单元10的输出端连接，第七程控阀22的输出端与第二阀控结构的输出端并联后连接至排放端口。使用时，通过第七程控阀22将空气发电单元10产生的过多的膨胀排气排至排放端口。

本实施例中，可选的，第二阀控结构的输出端与第七程控阀22之间设置有第二CO

本实施例中，可选的，在排放端口处设置有消音器21，排出的气体经消音器21处理后排放到大气中。

上述各实施例中，吸附塔3中的吸附剂可以是分子筛和活性氧化铝。

在本发明的一实施例中，提供一种基于液态空气膨胀排气梯级预热再生的单塔间歇式空气净化方法，该方法基于上述各实施例中的空气净化系统实现，包括空气吸附过程和膨胀排气再生过程：

空气吸附过程：发生在电网低谷时段(如图3所示)：

(1)第一调节阀2逐步打开，其他阀门关闭，吸附塔3内的压力逐步上升；达到设定的吸附压力后，第一调节阀2关闭，第一程控阀1和第二程控阀4打开；

(2)压缩空气进入吸附塔3将空气中的H

(3)经吸附塔3处理后的空气通过滤器7去除空气可能携带的颗粒物，进入空气液化单元8液化形成液态空气，并将液态空气存储在液态空气储罐9。

膨胀排气再生过程：发生在电网高峰时段，包括加热吸附和降温两部分，加热吸附(如图4所示)部位为：

(1)第二调节阀18逐步打开，其他阀门关闭；

(2)吸附塔3内的压力逐渐下降至再生压力后，第二调节阀18关闭，第三程控阀12、第四程控阀15和第六程控阀17打开；

(3)液态空气储罐9中的液态空气经过空气发电单元10膨胀发电，排气通过循环风机11进入低温热交换器13和高温热交换器14梯级加热至再生温度，然后进入吸附塔3，依靠热驱动和分压力差驱动将吸附剂中吸附的H

(4)经过第二CO

降温部分为：如图5所示，膨胀排气再生过程中，当第二CO

上述实施例中，当空气发电单元10排放的空气过多时，第七程控阀22打开，多余的膨胀排气经过第七程控阀22和消音器21排放到大气中。

综上，本发明使用时，利用空气压缩过程的低品位热能预热膨胀排气，然后再利用外界高品位热能将膨胀排气进一步加热至再生温度，可以有效降低吸附剂再生过程所需的高品位热能，显著提高能量的利用率。

膨胀排气的预热利用空气压缩过程的低品位热能，不消耗其高品位热能，因此不影响空气发电单元10的发电量。

本发明通过单个吸附塔间歇运行，实现空气吸附和再生过程，简化了系统结构，显著降低投资成本。

本实施例提供的方法是基于上述各系统实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。