本發(fā)明涉及液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)、吸附空氣凈化裝置以及針對它們的使用方法。特別地，本發(fā)明涉及將空氣凈化裝置一體形成到液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

空氣凈化單元(APU)用于從空氣流提取污染物和不期望的化合物(此后為“污染物”)使得產(chǎn)生“凈化的”空氣流，以用于工藝。這些通常使用吸附過程操作，從而使污染物(可以是氣體、水分子、碳氫顆?；蛉魏纹渌黄谕姆N類)被吸附到吸附劑材料的表面上。吸附劑材料被仔細選擇用以優(yōu)先吸附過程設(shè)計師希望去除的污染物。存在兩種類型的吸附：物理的和化學(xué)的。

APU在空氣液化的技術(shù)中是眾所周知的。APU用于產(chǎn)生干凈且干燥的待液化空氣流，顯著避免了由于污染物凍結(jié)而引起的對工藝的污染，并確保純的液態(tài)空氣產(chǎn)物。通常，空氣液化器的APU被設(shè)計用以去除二氧化碳、水分和碳氫化合物。

APU通常由含有吸附劑材料制成的微粒床的容器構(gòu)成，工藝流流動通過所述容器。由于吸附劑材料的吸附能力有限，所以APU以兩個主要階段操作：吸附和再生(另外地被稱為解吸(desorption))。吸附是釋放熱量的放熱過程。解吸需要熱量的添加。

影響吸附的主要工藝參數(shù)中的兩個是壓力和溫度，壓力和溫度可被操控用以改變流體與吸附劑之間的平衡。在物理吸附過程中，吸附在高壓時增強，并且在高溫時減弱。在化學(xué)吸附過程中，與溫度的關(guān)系通常更加復(fù)雜。為了簡化，下面的描述集中在物理吸附上，但本發(fā)明的原理可以同樣適用于化學(xué)吸附過程。同樣地，下面的描述集中在用于空氣液化的APU的使用上；然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的原理可適用于任何類似的應(yīng)用。

在吸附過程循環(huán)期間，壓力和溫度被控制成使得吸附劑材料在吸附階段中吸附并且在再生階段中解吸。在本領(lǐng)域中已知的是變壓吸附工藝，在該工藝中，壓力被控制成使得其在吸附階段期間是高的并且在再生階段期間是低的。在本領(lǐng)域中已知的變溫吸附工藝中，溫度被控制成使得其在吸附期間是低的且在再生期間是高的。

在組合循環(huán)中，在吸附階段期間，工藝空氣流的壓力是高的且溫度是低的，使得污染物被吸附到吸附劑材料的表面上。在再生階段期間，低壓、高溫的再生氣流(其可以是空氣或另外的)流動通過床。因此，氣流與吸附劑材料之間的平衡被改變，使得污染物被從吸附劑材料解吸到氣流中。再生氣流然后通常被排放至大氣，以便從系統(tǒng)去除污染物。再生階段之后通常是冷卻階段，在該冷卻階段中，在重新開始吸附階段之前使用較冷的氣流將吸附劑床冷卻至較低溫度。床的溫度越低，則吸附的效率越高。

由于吸附和再生階段都是必要的，所以為了獲得凈化空氣到工藝的連續(xù)流，空氣分離設(shè)備中的APU主要由兩個容器構(gòu)成，其中一個容器吸附，同時另一個容器被再生且然后被冷卻。一旦到達吸附劑容器的有效容量(飽和)，就使用閥的系統(tǒng)來調(diào)換流動路徑，使得再生的容器變成吸附的容器并且“滿”的容器開始再生。

吸附現(xiàn)象呈現(xiàn)出設(shè)計員在設(shè)計吸附系統(tǒng)時必須考慮的多個特征。

當吸附劑床從工藝流中吸附污染物時，濃度前沿移動通過容器。在該前沿的上游，吸附劑材料被污染物飽和，并且在該前沿的下游，吸附劑材料是“新鮮”的。實際上，該前沿不是中斷的，而是在上游的飽和吸附劑和下游的新鮮吸附劑之間的濃度梯度。由這種梯度占據(jù)的區(qū)域通常被稱為“傳質(zhì)區(qū)域”，因為在此處，質(zhì)量在吸附期間從流體傳遞至吸附劑，并且在再生期間從吸附劑傳遞至流體。

傳質(zhì)區(qū)域?qū)⒁酝ǔ１环Q為波速度的速度橫穿吸附劑床的長度。這確定了使傳質(zhì)區(qū)域橫穿吸附劑床所需的時間，并因此確定完成吸附階段或再生階段的時間量。

傳質(zhì)區(qū)域的長度和速度取決于多個工藝參數(shù)，包括例如所使用的吸附劑、吸附劑顆粒的尺寸以及流的速度。傳質(zhì)區(qū)域的形狀和速度總體上在吸附階段與再生階段之間不同。此外，傳質(zhì)區(qū)域的形狀和速度在循環(huán)期間可隨時間變化。

在吸附過程期間，當傳質(zhì)區(qū)域的前緣到達容器的端部處時，通過吸附劑容器的流必須在不可接受的濃度的污染物到達流出口之前停止。在傳質(zhì)區(qū)域的區(qū)域中，吸附劑不完全飽和，并且還沒有使用床的全容量。雖然工藝設(shè)計員可能能夠?qū)髻|(zhì)區(qū)域的形狀和速度控制到一定程度，但是傳質(zhì)區(qū)域?qū)⒉豢杀苊獾卣紦?jù)容器的長度的一部分。容器越短，則被傳質(zhì)區(qū)域占據(jù)的相對部分就越大。因此，期望的是設(shè)計具有足夠長度的吸附劑容器，使得由傳質(zhì)區(qū)域占據(jù)的區(qū)域在比例上是小的，并且在吸附階段結(jié)束時最少量的吸附劑保持不飽和。

在再生階段期間通常不會遇到這種問題，這是因為再生流被排放至大氣，并且其與污染物的濃度無關(guān)。

在吸附工藝的領(lǐng)域中已知的(如例如在Wankat,Phillip C.(1986).大規(guī)模吸附和層析(Large-Scale Adsorption and Chromatography),卷1-2中所描述的)但未被公開在廢水處理以外的任何特定應(yīng)用中使用的用于改進吸附劑床的應(yīng)用的技術(shù)包括串聯(lián)的兩個塔，由此傳質(zhì)區(qū)域可被完全“推”出一個塔之外并進入到另一個塔中，以便完全利用來自第一塔的床。本領(lǐng)域中的這種系統(tǒng)的示例性實現(xiàn)方式包括三個相同的塔，其中的一個塔在其余兩個塔吸附的同時再生。兩個吸附塔串聯(lián)地布置在流中，使得傳質(zhì)區(qū)域可從第一塔蔓延到第二塔中，從而允許第一塔完全飽和。在這期間，第三塔被再生。一旦第一塔飽和，再生的第三塔就與第二塔串聯(lián)地連接，以在傳質(zhì)區(qū)域離開第二塔時捕獲傳質(zhì)區(qū)域。同時，第一塔被再生。通過以循環(huán)的方式持續(xù)這些步驟，可執(zhí)行連續(xù)的吸附，同時利用吸附劑床的全容量；傳質(zhì)區(qū)域被有效且一致地“推”到重新再生的容器中。圖1示出了上述兩個階段。

系統(tǒng)設(shè)計員的另一關(guān)鍵考慮是壓降，較高的壓降等同于更多浪費的能量。通過吸附劑的微粒床的空氣流經(jīng)受壓降，所述壓降主要是吸附劑顆粒的尺寸、床的長度和表觀流速度的函數(shù)。

較大的顆粒導(dǎo)致較小的壓降但較低效的吸附。壓降還可通過限制床的長度或減小流過床的流的速度來降低。

雖然流的速度對于壓降很重要，但最重要的是維持低速，以便保持低于吸附劑顆粒的流化速度。流化速度是這樣的速度，在該速度下，吸附劑顆粒由于移動流體施加在吸附劑顆粒上的力而開始移動。這能夠引起不同吸附劑類型的層混合并且可導(dǎo)致較寬的過程被離開APU的吸附劑污染。

為了維持低速，在本領(lǐng)域中良好地理解的是，對于容納給定量的吸附劑的長度為L且直徑為d的容器，可通過選擇較小的長度直徑比(L/d)而減小速度。這具有增加截面流面積的效果，從而導(dǎo)致較低的流速度。此外，較短的容器長度將產(chǎn)生較低的壓降。

然而，成本考慮導(dǎo)致設(shè)計員限制容器的直徑。此外，如果容器直徑過大，則流可能不會在容器內(nèi)良好地分布，并且在末端處的周界周圍存在死區(qū)，在死區(qū)中，在流體與吸附劑之間存在很少或不存在質(zhì)量傳遞。

還有動機維持容器的足夠長度，使得傳質(zhì)區(qū)域不占據(jù)吸附劑床的長度的較大比例。

雖然出于上述理由，期望的是限制流的速度，但優(yōu)選的是，將流的速度保持為足夠得高，使得軸向擴散不是主導(dǎo)的傳質(zhì)機制，這因為軸向擴散趨向于通過延長傳質(zhì)區(qū)域而降低吸附工藝的效率。

因此，在本領(lǐng)域中已知的是，關(guān)于工藝的不同需求以及建立系統(tǒng)的成本而存在APU設(shè)計的權(quán)衡。

APU的設(shè)計的另一考慮在于再生流的源。在現(xiàn)有技術(shù)的空氣液化器中，再生氣流主要源自清潔的輸入空氣流，該輸入空氣流中的一部分被轉(zhuǎn)移(divert)、膨脹到低壓、被加熱并用于使再生容器再生。

圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的再生方案的簡化示例，其中，來自周圍環(huán)境的進給空氣流被吸入到壓縮機100中，在該壓縮機中，進給空氣流被壓縮?？諝饬髁鲃油ㄟ^吸附劑容器111，在該吸附劑容器中，通過吸附來去除污染物。現(xiàn)在，由清潔、干燥的空氣構(gòu)成的空氣流被分成工藝空氣流和再生空氣流。工藝空氣流被供應(yīng)至冷箱120，該冷箱形成空氣液化器的組成部分。再生空氣流在閥201中被降低至低壓，并流動通過加熱裝置101，在該加熱裝置中，添加熱量，以將溫度升高至所需的再生溫度。在加熱裝置101的流出口處的所需的再生溫度尤其取決于所使用的吸附劑材料以及待獲得的期望濃度。被加熱的再生空氣流然后流動通過再生容器112，其中污染物被解吸到再生空氣流中并隨其一起排空至大氣。一旦再生容器112被再生，加熱裝置101就關(guān)斷并且現(xiàn)在較冷的再生氣流用于冷卻再生容器112中的吸附劑。再生和冷卻名義上持續(xù)與吸附工藝相同的時間。

然而，將認識到，上述方法需要過大的供給空氣壓縮機100，以便提供再生所需的額外流量，該額外流量最后被浪費至大氣且不被液化。

可替代地，在另一氣流可用的情況下，這可用于再生APU。EP2510294描述了一種空氣分離設(shè)備，其中，空氣在空氣液化器中被液化并且在低溫蒸餾塔中被分離成空氣的組成成分。產(chǎn)生的純氮的部分用于在通風(fēng)到大氣之前再生APU，而氧氣成分為最終產(chǎn)物流。這種方法僅在對于氮產(chǎn)物不存在足夠需要的情況下使用。

在現(xiàn)有技術(shù)的APU中，只要存在待凈化的工藝流，再生氣流的流就持續(xù)可用。在這種情況下，APU和使用APU的系統(tǒng)良好地操作。然而，當在低溫能量存儲系統(tǒng)(諸如液態(tài)空氣能量存儲(LAES)系統(tǒng))中使用APU時存在一些問題。已知這種系統(tǒng)提供了大規(guī)模存儲能量的有效方式，以平衡消費者對電力的需求與發(fā)電能力，并且使例如從可再生能源供應(yīng)的間歇供應(yīng)水平平滑。

WO2007/096656和WO2013/034908公開了低溫能量存儲系統(tǒng)，其利用低溫液態(tài)空氣與環(huán)境空氣之間的溫度和相位差或廢熱來在低需求和/或超額生產(chǎn)的時段存儲能量，從而允許該存儲的能量隨后釋放，以在高需求的時段和/或約束輸出的時段期間生成電力。該系統(tǒng)包括用于在低電力需求的時段期間液化空氣的裝置、用于存儲所產(chǎn)生的液態(tài)空氣的裝置、以及用于使液態(tài)空氣膨脹的一組膨脹渦輪(或一組膨脹渦輪級)。膨脹渦輪連接至發(fā)電機，以在需要滿足在供應(yīng)與需求之間的不足時生成電力。

LAES相對于其它能量存儲技術(shù)的優(yōu)勢在于，空氣的液化可與功率恢復(fù)斷開，使得充氣和放氣的速率以及存儲為液態(tài)空氣的能量的量都是獨立的(即，操作的相應(yīng)階段獨立進行；即，單一地且通常連續(xù)地，而不是同時地)。不同的充氣和放氣速率被稱為不對稱操作，并且例如允許整夜緩慢充氣以及在白天期間僅在峰值電力需求的幾小時上存儲的能量的快速放氣。這被已知為“不對稱操作”，并且充氣時間可以是放氣時間的幾倍長。

在常規(guī)的空氣凈化裝置中，清潔且干燥的空氣流需要液化，并且必須使用APU。

在現(xiàn)有技術(shù)的LAES系統(tǒng)中，在當空氣被液化時的充氣階段期間，如圖2所示，使用了傳統(tǒng)空氣液化設(shè)備類型的再生方案。在這種系統(tǒng)中，工藝空氣的一部分經(jīng)由加熱裝置被轉(zhuǎn)移至再生容器，并且然后被通風(fēng)至環(huán)境，以從系統(tǒng)去除污染物。由此，有必要犧牲輸入空氣中的一部分，這是因為總體上沒有浪費的氣流可用于再生，并且這不是期望的。

商業(yè)上可行的能量存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)中的一個是循環(huán)效率，其表示輸入到系統(tǒng)中的能量中的在存儲之后被恢復(fù)的部分。期望的是，使在液化器中產(chǎn)生液態(tài)氣體所需的能量最小化并且使在功率恢復(fù)單元中從空氣提取的能量最大化。

為了優(yōu)化LAES系統(tǒng)的循環(huán)效率，需要減少用于APU的再生所需的功率，并由此避免犧牲輸入空氣的一部分。

而且，需要更好地適應(yīng)APU，以在由LAES的不對稱操作施加的約束內(nèi)有效地操作(即，無需上述的兩個階段的連續(xù)吸附循環(huán)，其中，再生流在與吸附階段相同的持續(xù)時間上可用)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明人已經(jīng)意識到，可以通過利用在LAES放氣階段期間在功率恢復(fù)單元的排放部處可用的清潔、干燥的空氣來使APU中的吸附劑材料再生，而減少APU的再生所需要的能量。

因此，在第一方面，本發(fā)明提供了一種液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)，其包括：

空氣液化器，所述空氣液化器包括：

空氣入口，所述空氣入口具有壓縮裝置和冷卻裝置，所述壓縮裝置被構(gòu)造用以壓縮進氣，所述冷卻裝置被構(gòu)造用以冷卻進氣；

吸附空氣凈化單元，所述吸附空氣凈化單元聯(lián)接至所述空氣入口并且被構(gòu)造用以凈化來自所述空氣入口的被壓縮和冷卻的進氣；以及

冷箱，所述冷箱聯(lián)接至所述吸附空氣凈化單元并且被構(gòu)造用以液化來自所述吸附空氣凈化單元的凈化空氣；

液態(tài)空氣存儲設(shè)施，所述液態(tài)空氣存儲設(shè)施被用于存儲來自所述空氣液化器的液化空氣；

功率恢復(fù)單元，所述功率恢復(fù)單元聯(lián)接至所述液態(tài)空氣存儲設(shè)施，包括：

泵，所述泵被構(gòu)造用以將來自所述液態(tài)空氣存儲設(shè)施的液化空氣加壓成高壓液化空氣；

蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器被構(gòu)造用以將來自所述泵的所述高壓液化空氣轉(zhuǎn)換成高壓氣態(tài)空氣；

膨脹渦輪，所述膨脹渦輪聯(lián)接至所述蒸發(fā)器且能夠由來自所述蒸發(fā)器的所述高壓氣態(tài)空氣驅(qū)動；

發(fā)電機，所述發(fā)電機聯(lián)接至所述膨脹渦輪并且被構(gòu)造用以從所述膨脹渦輪生成電力；以及

排放部，所述排放部聯(lián)接至所述膨脹渦輪，以用于將來自所述膨脹渦輪的低壓氣態(tài)空氣排放至空氣出口，其特征在于：

所述排放部聯(lián)接至所述吸附空氣凈化單元，使得從所述膨脹渦輪排出的所述低壓氣態(tài)空氣的至少一部分能夠用于再生所述吸附空氣凈化單元。

通過利用從膨脹渦輪排放的低壓氣態(tài)空氣來再生吸附空氣凈化單元，與犧牲一部分進氣或使用替代供應(yīng)的系統(tǒng)相比，提高了LAES的循環(huán)效率。

液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)優(yōu)選地包括閥裝置，該閥裝置聯(lián)接至吸附空氣凈化單元且被構(gòu)造為在第一狀態(tài)與第二狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，在第一狀態(tài)中，其使得吸附空氣凈化單元能夠接收來自空氣入口的空氣并使得冷箱能夠接收來自吸附空氣凈化單元的凈化空氣；在第二狀態(tài)中，其使得吸附空氣凈化單元能夠接收從膨脹渦輪排放的低壓氣態(tài)空氣并使得吸附空氣凈化單元能將所述低壓氣態(tài)空氣傳送到所述空氣出口。

由此，LAES系統(tǒng)的APU可操作，用以凈化進氣(即，在LAES的充氣階段期間)或再生(即，在LAES的放氣階段期間)并且能夠在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)能夠在下列階段中的每一個階段中操作：

充氣階段，其中，空氣在空氣入口處被接收，在空氣凈化單元中被凈化，在空氣液化器中被液化，并且被傳送到液態(tài)空氣存儲設(shè)施；

存儲階段，其中，液態(tài)空氣被存儲在液態(tài)空氣存儲設(shè)施中；以及

放氣階段，其中，液化空氣被從液態(tài)空氣存儲設(shè)施傳送到功率恢復(fù)單元，被轉(zhuǎn)換成高壓氣態(tài)空氣，被用于驅(qū)動膨脹渦輪，并且通過排放部被排放。

在這種情形中，在系統(tǒng)處于其充氣階段時，閥裝置處于其第一狀態(tài)，并且在系統(tǒng)處于其放氣階段時，閥裝置處于其第二狀態(tài)。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)能單獨地或連續(xù)地在充氣階段、存儲階段和放氣階段中的每個階段中操作。換言之，操作的相應(yīng)階段獨立地進行；即，單獨地且通常連續(xù)地(雖然不一定必需是這種情形)，像連續(xù)系統(tǒng)一樣，而不是同時地進行。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括在吸附空氣凈化單元和排放部之間的加熱裝置，用以對用于使APU再生的排氣流進行加熱。

該加熱裝置可以是電加熱器或與熱源(優(yōu)選為廢熱)聯(lián)接的熱交換器。例如，該加熱裝置可以是與LAES系統(tǒng)的另一部分或與共存工藝(諸如生成廢熱的共存工藝)交換熱量的熱交換器。使用廢熱源代替電加熱器的優(yōu)勢在于，可以降低使APU再生的能量成本。

在一些實施例中，該系統(tǒng)包括熱存儲器，該熱存儲器被構(gòu)造用以在充氣階段期間接收來自空氣液化器的空氣入口的壓縮裝置和/或冷箱的熱量。這使得在這些部件中生成的熱量能夠被存儲且在系統(tǒng)的任意位置使用，而不是被浪費，從而進一步提高了效率。

例如，熱存儲器被構(gòu)造用以在放氣階段期間將熱量傳遞至功率恢復(fù)單元中的蒸發(fā)器或級間再加熱熱交換器，和/或傳遞至前述加熱裝置。

在一些實施例中，該系統(tǒng)包括冷能存儲器，該冷能存儲器被構(gòu)造用以在充氣階段期間將冷能傳遞至液化器的冷箱。這使得在功率恢復(fù)部件中生成的冷能夠被存儲和在系統(tǒng)的任意位置使用，而不是被浪費，從而進一步提高了效率。

例如，冷能存儲器可被構(gòu)造用以在放氣階段接接收來自功率恢復(fù)單元的蒸發(fā)器的冷能。

將認識到的是，除了對于環(huán)境下的溫度以外，術(shù)語“冷”、“冷能”和“冷能存儲器”類似于“熱”、“熱能”和“熱存儲器”。這種術(shù)語在低溫學(xué)領(lǐng)域中是常規(guī)的，并且被技術(shù)人員良好地理解。

在一個實施例中，排放部被構(gòu)造用以將低壓氣態(tài)空氣的第一部分傳送到吸附空氣凈化單元并且將其余的低壓氣態(tài)空氣傳送到空氣出口。由此，可以控制被轉(zhuǎn)移通過APU的低壓氣態(tài)空氣的量，并且其余部分可以繞過。這使得能夠?qū)⒃跍u輪處經(jīng)受的背壓限制為僅對于再生APU是必要的背壓，同時還確保APU內(nèi)的流的速度是可接受的；特別地，低于流化速度。

空氣出口可被通風(fēng)至大氣。可替代地，空氣出口可經(jīng)由蒸發(fā)器聯(lián)接至冷能存儲器，使得從膨脹渦輪排放的低壓液態(tài)空氣被冷卻并且然后將冷能傳遞至冷能存儲器，使得其隨后用于進一步提高效率。

還提供且要求保護操作與上述系統(tǒng)對應(yīng)的液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)的方法，并且該方法具有對應(yīng)的優(yōu)勢。

將認識到的是，在LAES的非對稱操作的情況下，來自功率恢復(fù)渦輪的排氣流通常比由APU凈化的進氣流持續(xù)顯著更短的時段。因此，還需要提供吸附劑床的更快再生，而不超過流化速度，且同時使橫跨APU的壓降最小化。

因此，在第二方面，本發(fā)明提供了用于在液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)中使用的吸附空氣凈化裝置，該裝置包括：

第一流體開口和第二流體開口；

至少兩個吸附劑容器，所述至少兩個吸附劑容器連接在第一流體開口和第二流體開口之間；

管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)，該管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為引導(dǎo)第一空氣流經(jīng)過所述吸附劑容器中的一個或多個吸附劑容器的組合，以從第一空氣流去除污染物，并引導(dǎo)第二空氣流經(jīng)過所述吸附劑容器中的一個或多個吸附劑容器的所述組合，以再生吸附劑容器；以及

控制器，所述控制器被構(gòu)造用以打開和關(guān)閉所述閥；

其中，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便選擇性地引導(dǎo)：

a)第一空氣流通過串聯(lián)的至少第一吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送；以及

b)第二空氣流通過并聯(lián)的至少所述第一吸附劑容器和第二吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。

通過使使一股氣流經(jīng)過容器中的串聯(lián)的一個或多個容器，同時使另一股氣流經(jīng)過(與另一容器并聯(lián)的)容器或并聯(lián)的這些容器，可以減少用于容器再生所消耗的時間，同時維持最優(yōu)的流特性并且不超過流化速度。換言之，APU更具靈活性，并且可定制，以便以由現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)不能獲得的方式適應(yīng)對液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)的約束。

優(yōu)選地，導(dǎo)管和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便選擇性地引導(dǎo)：

a)第一空氣流通過吸附劑容器中的串聯(lián)的兩個或更多個吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送；以及

b)第二空氣流通過吸附劑容器中的并聯(lián)的所述兩個或更多個吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。

空氣凈化裝置可包括至少兩個吸附劑容器；或至少三個吸附劑容器；或至少四個吸附劑容器；或至少六個吸附劑容器；或至少八個吸附劑容器；或至少十二個吸附劑容器。無論容器的數(shù)量如何，控制器仍可被構(gòu)造用以打開和關(guān)閉所述閥，以便選擇性地引導(dǎo)第一空氣流經(jīng)過串聯(lián)的至少第一吸附劑容器；以及經(jīng)過并聯(lián)的至少第一吸附劑容器和第二吸附劑容器。

導(dǎo)管和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)第一空氣流經(jīng)過所述吸附劑容器中的串聯(lián)的兩個或更多個吸附劑容器，或經(jīng)過所述吸附劑容器中的串聯(lián)的三個或更多個吸附劑容器，或經(jīng)過所述吸附劑容器中的串聯(lián)的四個或更多個吸附劑容器，或經(jīng)過所述吸附劑容器中的串聯(lián)的六個或更多個吸附劑容器，或經(jīng)過所述吸附劑容器中的串聯(lián)的所有吸附劑容器。再一次，與第一氣流傳送所經(jīng)過的串聯(lián)的容器的數(shù)量無關(guān)，APU可包括任意數(shù)量的吸附劑容器(當然，假定其至少與第二氣流傳送所經(jīng)過的并聯(lián)的容器的數(shù)量一樣多)；并且控制器仍可被構(gòu)造為打開和關(guān)閉所述閥，以便選擇性地引導(dǎo)第二空氣流經(jīng)過所述吸附劑容器中的并聯(lián)的兩個或更多個吸附劑容器傳送。

在上述布置結(jié)構(gòu)的各方面，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)第二空氣流經(jīng)過所述吸附劑容器中的并聯(lián)的三個或更多個吸附劑容器傳送，或者經(jīng)過所述吸附劑容器中的并聯(lián)的所述四個或更多個吸附劑容器傳送，或者經(jīng)過所述吸附劑容器中的并聯(lián)的所述六個或更多個吸附劑容器傳送，或者經(jīng)過所述吸附劑容器中的并聯(lián)的所有吸附劑容器傳送。再一次，與第二氣流傳送所經(jīng)過的并聯(lián)的容器的數(shù)量無關(guān)，APU可包括任意數(shù)量的吸附劑容器(假定其為至少兩個，且當然至少與第一氣流傳送所經(jīng)過的串聯(lián)的容器的數(shù)量一樣多)；并且控制器仍可被構(gòu)造為打開和關(guān)閉所述閥，以便選擇性地引導(dǎo)第一空氣流經(jīng)過所述吸附劑容器中的串聯(lián)的一個或多個吸附劑容器傳送。

優(yōu)選地，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)第一空氣流僅通過所述至少兩個吸附劑容器中的串聯(lián)的第一子組在第一流體開口和第二流體開口之間傳送，并且隨后僅通過所述至少兩個吸附劑容器中的串聯(lián)的第二子組在第一流體開口和第二流體開口之間傳送，其中，第一子組和第二子組具有共同的至少一個吸附劑容器?！白咏M”表示至少一個容器，而不是所有容器。例如，如果APU具有五個容器，則子組可以是任一個、兩個、三個或四個容器。在一些實施例中，第一子組和第二子組中的每個是具有至少兩個容器的子組。通過在一時間上利用僅一子組的容器，長度減少，從而與利用所有容器相比，使壓降最小化。然而，通過循環(huán)通過分成兩個或多個子組的容器中的所有容器，通過減小未使用的床的長度可以使所需的吸附劑的總體積保持最小化。

例如，在一個實施例中，連接在第一流體開口與第二流體開口之間的所述至少兩個吸附劑容器包括第一吸附劑容器、第二吸附劑容器和第三吸附劑容器，并且其中，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)第一空氣流：

a)僅通過串聯(lián)的第一吸附劑容器和第二吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送；并且隨后

b)僅通過串聯(lián)的第二吸附劑容器和第三吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。

在另一實施例中，連接在第一流體開口與第二流體開口之間的所述至少兩個吸附劑容器包括第四吸附劑容器，并且其中，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以在步驟(b)之后打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)第一空氣流僅通過串聯(lián)的第三吸附劑容器和第四吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。

將認識到的是，任意數(shù)量的容器可連接在第一流體開口和第二流體開口之間，并且以相同的方式在循環(huán)中被利用。

在一個示例性實施例中，連接在第一流體開口與第二流體開口之間的所述至少兩個吸附劑容器包括第一吸附劑容器和第二吸附劑容器，其中，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)第一空氣流：

a)僅通過第一吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送；并且隨后

b)僅通過第二吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。

在一個替代的示例性實施例中，連接在第一流體開口與第二流體開口之間的所述至少兩個吸附劑容器包括第一吸附劑容器、第二吸附劑容器和第三吸附劑容器，其中，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)第一空氣流：

a)僅通過第一吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送；

b)僅通過第二吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送；并且隨后

c)僅通過第三吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。

這種構(gòu)造的優(yōu)勢在于：其更簡單、需要更少的閥以及更少的配管，同時仍提供許多上述的優(yōu)勢。

優(yōu)選地，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)第二空氣流僅通過所述至少兩個吸附劑容器中的并聯(lián)的第一子組在第一流體開口和第二流體開口之間傳送，并且隨后僅通過所述至少兩個吸附劑容器中的并聯(lián)的第二子組在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。再一次，“子組”表示至少一個容器，而不是所有容器。例如，如果APU具有六個容器，則子組可以是任一個、兩個、三個、四個或五個容器。通過僅利用容器的子組，可使排氣的用于再生的部分的流量最小化，同時在容器內(nèi)獲得相同的速度。然而，通過循環(huán)通過分成兩個或更多個子組的所述容器中的所有容器，能夠使吸附劑的總體積最大化。在一些實施例中，第一子組和第二子組中的每個為具有至少兩個容器的子組。

優(yōu)選地，前一段落中提及的第一子組和第二子組不具有共同的吸附劑容器。在存在六個容器的情況下，例如，第一子組和第二子組能夠分別為四個容器和兩個容器，或者三個容器和三個容器，或者兩個容器的三個子組。

本發(fā)明還提供了一種液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)，包括：

空氣液化器，該空氣液化器包括具有壓縮裝置和冷卻裝置的空氣入口、前文提及的吸附空氣凈化裝置、以及冷箱；

液態(tài)空氣存儲設(shè)施；以及

功率恢復(fù)單元，該功率恢復(fù)單元包括泵、蒸發(fā)器、膨脹渦輪、發(fā)電機以及排放部；

其中，該系統(tǒng)能夠選擇性地在下列階段中的每一個階段中操作：

充氣階段，其中，空氣在空氣入口處被接收，在空氣凈化單元中被凈化，在空氣液化器中被液化，并且被傳送到液態(tài)空氣存儲設(shè)施；

存儲階段，其中，液態(tài)空氣被存儲在液態(tài)空氣存儲設(shè)施中；以及

放氣階段，其中，液化空氣被從液態(tài)空氣存儲設(shè)施傳送到功率恢復(fù)單元，被轉(zhuǎn)換成高壓氣態(tài)空氣，被用于驅(qū)動膨脹渦輪，并通過排放部被排放，

其中，吸附空氣凈化裝置中的管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)被布置成使得第一空氣流由再空氣入口處接收的空氣提供，并且第二空氣流由通過排放部排放的空氣的至少一部分提供；并且

其中，控制器被構(gòu)造用以打開和關(guān)閉所述閥，以便選擇性地：

a)在充氣階段期間，引導(dǎo)在空氣入口處接收的空氣通過串聯(lián)的至少第一吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送；并且

b)在放氣階段期間，引導(dǎo)通過排放部排放的空氣的所述至少一部分通過并聯(lián)的所述至少第一吸附劑容器和第二吸附劑容器在第一開口和第二開口之間傳送。

優(yōu)選地，控制器被構(gòu)造為打開和關(guān)閉所述閥，以便選擇性地

a)在充氣階段期間，引導(dǎo)在空氣入口處接收的空氣通過所述吸附劑容器中的串聯(lián)的兩個或更多個吸附劑容器在第一流體開口和第二流體開口之間傳送；并且

b)在放氣階段期間，引導(dǎo)通過排放部排放的空氣的所述至少一部分通過所述吸附劑容器中的并聯(lián)的所述兩個或更多個吸附劑容器在第一開口和第二開口之間傳送。

LAES系統(tǒng)可在不同的時間；例如，根據(jù)周、月或年的時間，以不同的持續(xù)時間操作。將認識到的是，可設(shè)置閥和配管，使得APU的構(gòu)造可根據(jù)上文提出的原理在相同的系統(tǒng)內(nèi)改變。例如，在周循環(huán)中，其中充氣階段在工作日比在周末短，并且相反地，放氣階段在工作日比在周末長，APU可包括多個容器，該多個容器中的所有容器由周末的結(jié)束而飽和，并且該多個容器在一周過程上被逐漸再生。

雖然已經(jīng)在液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)的內(nèi)容中提出與APU的吸附和解吸有關(guān)的上述可選的布置結(jié)構(gòu)和方法，但是憑著其本身的實力，它們是新穎的布置結(jié)構(gòu)和方法。因此，對用于吸附的新穎布置結(jié)構(gòu)和方法中的一個或多個(即，使流體經(jīng)過串聯(lián)的兩個或更多個吸附劑容器傳送)和/或用于解吸的新穎布置結(jié)構(gòu)和方法中的一個或多個(即，使流體經(jīng)過并聯(lián)的兩個或更多個吸附劑容器傳送)尋求保護。雖然在本文描述的APU在LAES系統(tǒng)中具有特定益處，但是關(guān)于這種LAES系統(tǒng)的所有東西對于本文描述的APU的操作原理都不是必要的。

例如，本發(fā)明還提供了一種吸附空氣凈化裝置，包括：

第一流體開口和第二流體開口；

至少四個吸附劑容器，該至少四個吸附劑容器連接在第一流體開口和第二流體開口之間；

管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)；以及

控制器，該控制器被構(gòu)造為打開和關(guān)閉所述閥；

其中，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)空氣流僅通過所述至少四個吸附劑容器中的串聯(lián)的子組在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。

還提供了對應(yīng)的方法。

本發(fā)明還提供了一種吸附空氣凈化裝置，包括：

第一流體開口和第二流體開口；

至少四個吸附劑容器，該至少四個吸附劑容器連接在第一流體開口和第二流體開口之間；

管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)；以及

控制器，該控制器被構(gòu)造為打開和關(guān)閉所述閥；

其中，管道和閥組成的布置結(jié)構(gòu)使得控制器可以打開和關(guān)閉所述閥，以便引導(dǎo)空氣流通過所述至少四個吸附劑容器中的并聯(lián)的一子組在第一流體開口和第二流體開口之間傳送。

還提供了對應(yīng)的方法。

在本說明書中，術(shù)語“容器”用于表示單個壓力容器，其提供了用于容納一定量的吸附劑的體積，其中，該體積具有入口和出口，入口和出口可轉(zhuǎn)換成與系統(tǒng)的其余部分相通或斷開。如將認識到的，任意給定容器的體積無需被設(shè)置為單個容器或貯存器，并且代替地可通過由兩個或更多個互連的容器或貯存器組成的容器提供，所述兩個或更多個互連的容器或貯存器在任何一方面均表現(xiàn)作為單個更大容器并共享用于與系統(tǒng)的其余部分相通的共同入口和出口。在由兩個或更多個互連的容器或貯存器組成的容器中，將觀察到，如果存在通過容器或貯存器中的一個的流，則存在通過其它容器或貯存器的流。

附圖說明

現(xiàn)將參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)先實施例，其中：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的APU的示意圖；

圖2是示例性液化器中的現(xiàn)有技術(shù)再生方案的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)的第一實施例的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)的第二實施例的示意圖；

圖5是圖4的APU和膨脹級的替代性布置結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)的第三實施例的示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的液態(tài)空氣能量存儲系統(tǒng)的第四實施例的示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的第二方面的第一實施例的APU中的吸附工藝的示意圖；

圖9是圖8的APU中的解吸工藝的示意圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的第二方面的第二實施例的APU中的吸附工藝的示意圖；

圖11是圖10的APU中的解吸工藝的示意圖；

圖12是圖10的APU中的替代性吸附工藝的示意圖；

圖13是圖10的APU中的替代性吸附工藝的示意圖；并且

圖14是圖10的APU中的替代性解吸工藝的示意圖。

具體實施方式

在下面的描述中使用的壓力、溫度和流量旨在示意本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，取決于吸附工藝的設(shè)計，存在寬范圍的可能值。

圖3示出了本發(fā)明的第一方面的第一實施例。根據(jù)這個實施例，在充氣階段期間，APU被流體連接至空氣液化器，使得在氣液相變化之前從進氣空氣流去除污染物。在放氣階段期間，APU被流體連接至功率恢復(fù)單元，使得從膨脹裝置排出的清潔、干燥的空氣流動通過吸附劑容器并在被通風(fēng)至環(huán)境之前解吸污染物(即，使吸附劑材料再生)，從而從系統(tǒng)排空污染物。床的冷卻可以在充氣階段與放氣階段之間被動地或主動地實現(xiàn)，或者作為放氣階段的一部分而主動地實現(xiàn)。

如圖3所示，LAES系統(tǒng)包括壓縮機100、冷箱120、低溫存儲器130、低溫泵140、蒸發(fā)器150、膨脹渦輪161至164(但是可以可選地提供任意數(shù)量的渦輪)、加熱裝置101以及APU110。如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，壓縮機100、APU110和冷箱120都是空氣液化器的元件。在充氣階段期間，APU110在液化流中(由實線所示)位于壓縮機100的下游和冷箱120的上游。在放氣階段期間，APU在功率恢復(fù)流中(由虛線所示)位于加熱裝置101的下游和環(huán)境流出口的上游。Q表示熱量的添加。

加熱裝置101可包括電加熱器或可替代地包括熱交換器，所述熱交換器用于從熱源諸如共存工藝(例如，發(fā)電廠)交換廢熱或從LAES工藝內(nèi)(例如，壓縮熱)交換廢熱。在WO2012020234中描述了從共存工藝添加冷能和/或熱能。

圖3所示的實施例可另外包括熱存儲器(未示出)。在充氣階段期間，熱存儲器可從壓縮機(包括壓縮機100和位于空氣液化器中的冷箱布置結(jié)構(gòu)120中的壓縮裝置)中的任一個回收熱。所回收的熱可存儲在熱存儲器中。在放氣階段期間，存儲在熱存儲器中的熱量可被再循環(huán)，以在放氣階段期間對加熱裝置101和/或膨脹級161至164之間的空氣流進行再加熱。

圖3所示的實施例可另外包括冷能存儲器(未示出)。在放氣階段期間，冷能存儲器可從蒸發(fā)器150回收冷能。所回收的冷能可存儲在冷能存儲器中。在充氣期間，存儲在冷能存儲器中的冷能可被再循環(huán)，以向空氣液化器的冷箱布置結(jié)構(gòu)120提供冷卻。

在圖4中示出了本發(fā)明的第一方面的第二實施例。除了下面的內(nèi)容以外，第二實施例與第一實施例相同。在圖4的實施例中，來自膨脹裝置164的排氣的一部分可被轉(zhuǎn)移通過APU110(如關(guān)于圖3描述的那樣)，而來自膨脹裝置164的排氣的其余部分繞過APU110?？蛇x地，排氣直接通風(fēng)至大氣，但根據(jù)第二實施例，其可在LAES系統(tǒng)中使用。

如圖4所示，來自在放氣階段期間的最后的膨脹級164的排氣被分成第一部分和第二部分。第一部分在加熱裝置101中被加熱，并用于在被排放至環(huán)境之前使APU110再生。排氣的第二部分被引導(dǎo)至蒸發(fā)器150，在該蒸發(fā)器中，其被從泵140傳送至膨脹裝置161的蒸發(fā)空氣冷卻。排氣流的第二部分然后流動通過冷能存儲器121，在該冷能存儲器中，其在排出到大氣之前被加熱。冷能存儲器121存儲從蒸發(fā)器150回收的冷能并且隨后在充氣階段期間將其供應(yīng)至冷箱布置結(jié)構(gòu)120。

如果在充氣階段和放氣階段之間存在用于使吸附劑返回到所需溫度的足夠時間，則APU的冷卻可通過被動冷卻來實現(xiàn)?？商娲兀诘蜏卮鎯拗辛舸嬗幸簯B(tài)空氣的情況下，由于熱進入到所述罐中而產(chǎn)生的汽化的氣體可用于冷卻APU。

可替代地，可以簡單地通過關(guān)斷(在電加熱器的情況下)或繞過(在熱交換器的情況下)加熱裝置101而使用來自功率恢復(fù)級的排氣流主動地冷卻APU。在需要較冷溫度的情況下，可以使用鼓風(fēng)冷卻器來冷卻再生氣流?？商娲?，可以通過在沒有再加熱的情況下執(zhí)行最后的膨脹級或者通過從離開蒸發(fā)器150的氣流回收低級冷能而在排氣流處獲得較冷溫度。

圖5示出了APU和膨脹級的可替代布置結(jié)構(gòu)，其中，在放氣階段期間，在倒數(shù)第二個膨脹級163之后，空氣流被分成第一部分和第二部分。在再生階段開始處，第一部分和第二部分均被再加熱(分別為Q1和Q2)并分別通過膨脹裝置165和166而膨脹。第一部分被排放至大氣。第二部分然后在加熱裝置101中被進一步加熱，并用于再生APU110。在再生之后，再加熱Q2被移除，并且加熱裝置101被關(guān)斷或被繞過。第二部分直接通過膨脹級166膨脹，以到達較低溫度?，F(xiàn)在較低溫度的第二部分用于將APU110冷卻至較低溫度。使用較低溫度氣流，還可以更快速地執(zhí)行冷卻。

空氣流的第二部分所經(jīng)過的膨脹裝置166還可以具有比空氣流的第一部分所經(jīng)過的膨脹裝置165稍高的放氣壓力，以便允許在再生期間橫跨APU110的較高壓降。空氣流的第一部分所經(jīng)過的膨脹裝置165的示例性的放氣壓力在1.1bar_abs和1.3bar_abs之間，優(yōu)選為1.2bar_abs；并且空氣流的第二部分所經(jīng)過的膨脹裝置166的示例性放氣壓力在1.4bar_abs和2.1bar_abs之間。優(yōu)選地，空氣流的第二部分所經(jīng)過的膨脹裝置166的放氣壓力比空氣流的第一部分所經(jīng)過的膨脹裝置165的放氣壓力高100mbar到1000mbar之間，優(yōu)選高100mbar到500mbar之間。

實際上，甚至可利用圖5的布置結(jié)構(gòu)來提供橫跨APU的較高的壓降，而無需移除再加熱Q2和/或無需關(guān)斷或繞過加熱裝置101。優(yōu)選地，在這種布置結(jié)構(gòu)中，提供了用于冷卻的不同裝置，諸如下面關(guān)于圖7所示的實施例所描述的那樣。

如圖6所示，現(xiàn)將參考本發(fā)明的第一方面的第三實施例描述LAES裝置的第一優(yōu)選操作。第三實施例等同于圖3所示的第一實施例與圖5所示的替代性布置結(jié)構(gòu)的組合。

在本示例中，為了示意的目的，來自低溫存儲裝置130的液態(tài)空氣被泵送到120bar。技術(shù)人員將認識到，具體的泵送壓力對于本發(fā)明不是必要的，而是可基于任意給定的LAES系統(tǒng)的具體設(shè)計來選擇。典型的泵送壓力的范圍從60到200bar，且更優(yōu)選地從100到140bar。此外，級間再加熱溫度為150℃。等同地，具體的再加熱溫度對于本發(fā)明不是必要的，而是可基于任意給定的LAES系統(tǒng)的具體設(shè)計來選擇。最后的膨脹級中的再加熱溫度對排氣流的溫度有影響，這又是預(yù)示根據(jù)本發(fā)明的APU的設(shè)計選擇的方面中的一個方面；如技術(shù)人員基于下面的示例將認識到的那樣。

圖6所述的LAES系統(tǒng)以12小時充氣階段和4小時放氣階段操作。在充氣階段期間，空氣以10kg/s的流量從環(huán)境吸入，在壓縮裝置中被壓縮到100到10bar，在冷卻器102中被冷卻至環(huán)境溫度，并且在APU中被凈化。所產(chǎn)生的清潔、干燥的空氣被送至冷箱120，以被液化和存儲在低溫存儲裝置130中。

在放氣階段期間，來自低溫存儲裝置130的液態(tài)氣體被以30kg/s的流量泵送到絕對(absolute)120bar，在蒸發(fā)器150中利用熱量(Q)的添加來蒸發(fā)，以變成120bar的高壓和近似于環(huán)境溫度下的清潔、干燥的高壓氣態(tài)空氣。

空氣流被過度加熱到150℃附近，并在膨脹級161中膨脹至近似40bar，在近似60℃下從膨脹級161涌出。空氣流被再加熱到150℃并在膨脹級162中膨脹到近似10bar，在近似45℃下從膨脹級162涌出?？諝饬鞅辉俅卧偌訜嶂?50℃并且然后在膨脹級163膨脹到近似5bar，在近似95℃下從膨脹級163涌出?？諝饬魅缓蟊环殖傻谝徊糠趾偷诙糠?。

第一部分被再加熱至150℃(Q1)并且然后在膨脹級165中膨脹到近似1.2bar，在近似45℃下從膨脹級165涌出(emerge)，并且然后被排放至環(huán)境。

在放氣階段開始處，第二部分被再加熱至150℃(Q2)并且然后在膨脹級166中膨脹到近似1.2bar，在近似45℃下從膨脹級166涌出。其然后在加熱裝置101中被進一步加熱至近似200℃，并且流動通過APU110，以再生所述APU的吸附劑材料。

一旦APU110已經(jīng)被再生，熱源Q2就被移除并且加熱裝置101被關(guān)斷或繞過。第一部分在近似5bar和95℃下進入膨脹裝置166，并且被膨脹到1.2bar附近，在近似1℃下從膨脹裝置166涌出。現(xiàn)在較冷的第二部分流動通過APU并使冷卻劑床冷卻。

將理解到，在商用LAES中，充氣階段可持續(xù)多個小時并且要求大量的待凈化空氣。要求足夠量的吸附劑材料來凈化全部量的待液化空氣，這是因為在這個階段期間不發(fā)生再生。

由此，對于運行多個小時的液化過程而言，需要較大的吸附劑床，并且可期望在吸附和再生期間橫跨吸附劑床的較大壓降。

而且，將理解到的是，LAES的充氣階段和放氣階段是非對稱的；例如，充氣階段的持續(xù)時間可以是放氣階段的幾倍或者更長。因此，在APU中需要靈活性，以實現(xiàn)較短的再生時間(以應(yīng)對相對短的放氣階段)，同時使壓降最小化并維持用于吸附和再生的正確流動條件。

圖7示出了本發(fā)明的第一方面的第四實施例。除了以下內(nèi)容之外，第三實施例與圖4所示的第二實施例相同。

在圖7的實施例中，來自最后的膨脹級164的排氣的第二部分被直接通風(fēng)至大氣，而不是像圖4的實施例一樣被送至蒸發(fā)器。然而，像圖4的實施例一樣，來自最后的膨脹級164的排氣的第一部分在離開APU之后被分開地通風(fēng)至大氣。

在圖7的實施例中，來自蒸發(fā)器150的冷能在單獨的熱傳遞回路中被輸送至冷能存儲器121，而不是像圖4的實施例一樣被排放至大氣。

此外，圖7的實施例進一步包括：分別位于加熱裝置101上游和下游的第一閥裝置1和第二閥裝置2；以及熱交換器151，且具有從第一閥裝置1通過熱交換器151到第二閥裝置2的流動路徑。

閥裝置1和2可被操作，使得：

在再生的第一時段期間，來自最后的膨脹級164的排氣的第一部分穿過加熱裝置101，在該加熱裝置中，其被加熱并且然后被引導(dǎo)至APU，以再生吸附劑；并且

在再生的第二時段期間，來自最后的膨脹級164的排氣的第一部分繞過加熱裝置101并穿過熱交換器151。在該熱交換器中，其被冷卻并且然后被引導(dǎo)至APU，以使吸附劑冷卻。

熱交換器151位于蒸發(fā)器150的下游。在蒸發(fā)器150的流出口處，流向膨脹級的空氣流可以是適度冷的。例如，其可在15℃下可用。由此，當來自最后的膨脹級164的排氣的第二部分在再生的第二時段期間穿過熱交換器151時，其可在熱交換器151中被冷卻至適度的低溫，例如20℃，這足以使APU冷卻。來自膨脹級164的排氣的第二部分中的熱用于預(yù)加熱進入到膨脹級161中的空氣，由此回收余熱。

在第四實施例的變型(未示出)中，來自膨脹級164的所有排氣可在被分成第一部分和第二部分之前穿過熱交換器151，使得在排氣中可用的較大量的余熱被循環(huán)。

如圖7所示，現(xiàn)將參考本發(fā)明的第一方面的第四實施例描述LAES裝置的第二優(yōu)選操作。

圖7所示的LAES系統(tǒng)在不同的日期以不同的充氣和放氣規(guī)則(regime)操作。在工作日，該系統(tǒng)以8小時充氣階段和4小時放氣階段操作。在周末，該系統(tǒng)以12小時充氣階段和2小時放氣階段操作。在充氣階段期間，空氣在近似15kg/s的流量下從環(huán)境吸入，在壓縮裝置100中被壓縮至10bar，在冷卻器102中被冷卻至環(huán)境溫度，并且在APU110中被凈化。所產(chǎn)生的清潔、干燥的空氣被送至冷箱120，以被液化和存儲在低溫存儲裝置130中。

在放氣階段期間，來自低溫存儲裝置130的液態(tài)空氣在近似30kg/s的流量下被泵送到絕對120bar，在蒸發(fā)器150中利用熱量(Q)的添加來蒸發(fā)，以變成120bar和近似環(huán)境溫度下的清潔、干燥的高壓氣態(tài)空氣。

該空氣流在膨脹級161、162、163和164中膨脹，并且在每個級之間被再加熱至400℃。排氣流在近似250℃下從最后的膨脹級164涌出。

在這個實施例中，該工藝使得：

在吸附期間，對于全速15kg/s的流，其需要4小時來使傳質(zhì)區(qū)域橫穿(traverse)每個容器的長度；并且

在再生期間，在通過容器的7.5kg/s的流量(總排放質(zhì)量流速的25％)下，其需要1小時來使傳質(zhì)區(qū)域橫穿容器的長度；并且假定恒定質(zhì)量流量，需要另一小時來冷卻吸附床。

排氣流然后被分成第一部分和第二部分。第一部分被排放至大氣，并且第二部分用于使APU再生。

在放氣階段的開始處，第一部分流動通過APU110，以使所述APU的吸附劑材料再生。由于氣流的溫度已經(jīng)足夠，所以加熱裝置101沒有被利用。

一旦APU110已經(jīng)被再生，閥裝置1和2就被操作，使得第一部分被轉(zhuǎn)移至熱交換器151，在該熱交換器中，其被冷卻至近似20℃?，F(xiàn)在，較冷的第二部分流動通過APU并使吸附劑床冷卻。

將認識到，在上述系統(tǒng)中，工作日的較短充氣持續(xù)時間意味著APU的吸附劑中的一些在工作日將不被使用。為了示出這些以及吸附或僅再生容器的子組的可能性的有效性，現(xiàn)將參考如圖7所示的本發(fā)明的第一方面的第四實施例的基于LAES裝置的第二優(yōu)選操作來描述兩個不同的再生規(guī)則。

根據(jù)第一規(guī)則，APU包括四個容器并且流可根據(jù)上述教導(dǎo)被引導(dǎo)通過串聯(lián)或并聯(lián)的這些容器的子組。在放氣階段期間，排氣流的第二部分基本固定為總排氣流的50％，近似為15kg/s。因此，能夠在2小時中再生2個容器并且在4個小時中再生4個容器。

在周末的開始處，所有四個容器是再生的。在第一個12小時充氣階段的結(jié)束處，三個容器是飽和的并且一個容器保持是清潔的。在第一個2小時放氣階段的結(jié)束處，一個容器是飽和的并且三個容器是清潔的。在第二個12小時放氣之后，所有的四個容器是飽和的。在第二個2小時放氣階段之后，兩個容器是飽和的并且兩個容器是清潔的。

在工作日的開始處，兩個容器是飽和的。在第一個8小時充氣階段之后，所有四個容器是飽和的。在第一4小時放氣之后，所有四個容器被再生。對于剩余工作日，APU在8小時充氣階段的結(jié)束處的兩個清潔的容器和在4小時放氣階段的結(jié)束處的四個清潔的容器之間循環(huán)。

根據(jù)第二規(guī)則，APU包括三個容器并且流根據(jù)上述教導(dǎo)可被引導(dǎo)通過串聯(lián)或并聯(lián)的這些容器的子組。在放氣階段期間，排氣流的第二部分可在總排氣流的25％到75％之間變化，近似為7.5kg/s至22.5kg/s。因此，能夠在2小時中最多再生3個容器以及在4個小時中再生6個容器。

在周末的開始處，所有三個容器是再生的。在第一個12小時充氣階段的結(jié)束處，所有三個容器是飽和的。在第一個2小時放氣階段期間，排氣的第二部分包括總排氣流的75％。在第一個2小時放氣階段的結(jié)束處，所有三個容器是清潔的。在第二個12小時放氣之后，所有三個容器是飽和的。在第二個2小時放氣階段期間，排氣的第二部分也包括總排氣流的75％。在第二個2小時放氣階段之后，所有三個容器是清潔的。

在工作日的開始處，所有容器是清潔的。在第一個8小時充氣階段之后，兩個容器是飽和的。在第一個4小時放氣階段期間，排氣的第二部分包括總排氣流的25％。在第一個4小時放氣之后，兩個容器被再生。對于剩余工作日，APU在8小時充氣階段的結(jié)束處的一個清潔容器和4小時放氣階段的結(jié)束處的三個清潔的容器之間循環(huán)。

所述第二規(guī)則的優(yōu)勢在于，其允許減少容器的數(shù)量以及吸附劑的量。然而，可變的再生流的使用意味著系統(tǒng)更多的復(fù)雜性。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解如何以并聯(lián)子組的方式來連接容器以便獲得用于在可變長度的放氣階段期間的再生的上述規(guī)則。

除了在級161、162、163和164之間空氣流被加熱到275℃以外，如圖7所示的LAES裝置的第四實施例的第三優(yōu)選操作與第二個相同。排氣流在140℃下。在這種情況下，在放氣階段的開始處，在第一部分被用于使APU再生之前，使用加熱裝置101將第一部分的溫度增加至250℃。這所需的熱量可源于與用于在級161、162、163和164之間再加熱空氣的源相同的源。

在圖8和圖9示出了本發(fā)明的第二方面的第一實施例。在這個實施例中，APU包括多個吸附劑容器，該吸附劑容器由大量管道和閥連接，使得它們可以變化地轉(zhuǎn)換成并聯(lián)和串聯(lián)構(gòu)造。更具體地，對于吸附和再生使用不同的布置結(jié)構(gòu)。

應(yīng)該注意到，圖8至圖14中所示的箭頭是示意性的，并且用于理解本發(fā)明的基本原理。箭頭并不暗示通過容器的任何物理方向。

圖8示出了本發(fā)明的第二方面的第一實施例的APU的吸附階段。如可見的，APU的吸附劑材料被劃分到四個容器中。吸附如下地發(fā)生。首先，第一容器和第二容器串聯(lián)地流體連接，使得流體流從APU中的第一流體開口(即，流體入口)通過第一容器和第二容器流動至APU中的第二流體開口(即，流體出口)。在此時，其余的容器(即，第三和第四容器)與流體流流體斷開。

傳質(zhì)區(qū)域以給定速度橫穿第一容器和第二容器。當傳質(zhì)區(qū)域已經(jīng)橫穿了第一容器并進入第二容器時，第一容器與工藝流斷開，并且第三容器與第二容器串聯(lián)地連接?，F(xiàn)在，流體流從第一流體開口通過第二容器和第三容器流動至第二流體開口。

當傳質(zhì)區(qū)域已經(jīng)橫穿了第二容器并進入第三容器時，第二容器與工藝流斷開并且第四容器與第三容器串聯(lián)地連接?，F(xiàn)在，流體流從第一流體開口通過第三容器和第四容器流動到第二流體開口。

應(yīng)該注意到，如果使傳質(zhì)區(qū)域橫穿一個容器消耗時間T，則其消耗近似時間4T來橫穿所有4個容器。

傳質(zhì)區(qū)域外側(cè)的容器與工藝流流體斷開，由此降低橫跨APU的壓降。這種方案允許即使對于大量吸附劑材料也使工藝流經(jīng)受的壓降降低，同時維持容器內(nèi)的所需的流動條件。

如果APU的流出口處的污染物濃度是重要的，則優(yōu)選的是在傳質(zhì)區(qū)域位于第四容器的末端處時使流停止。容器的這個區(qū)域?qū)⒉皇峭耆柡偷?。然而，前三個容器在其整個長度上將是完全飽和的。

圖9示出了本發(fā)明的第二方面的第一實施例的APU的解吸階段。這里，示出了相同布置結(jié)構(gòu)的四個容器，但該四個容器以并聯(lián)構(gòu)造流體連接。

假定每個塔內(nèi)的流速相同(四倍總體積流量)并且傳質(zhì)區(qū)域以相同的速度橫穿容器，則消耗時間T橫穿一個容器并且消耗相同時間T橫穿所有四個容器。由此，可在解吸階段期間以前面關(guān)于圖8描述的在吸附階段期間使所有四個容器飽和所需的時間的近似四分之一來再生所有四個容器，同時在每個容器內(nèi)維持容器相同的流動條件。

將理解到，可以通過在每個容器的每個端部處的合適的閥組而使四個容器從圖8所示的構(gòu)造轉(zhuǎn)換成圖9所示的構(gòu)造。如本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解的，所述閥可由控制器來控制。由此，控制器可控制閥打開和關(guān)閉，從而選擇性地提供圖8和圖9所示的構(gòu)造。

雖然在優(yōu)選的吸附/解吸工藝的內(nèi)容中描述了這個實施例，但將理解到，參考圖8描述的工藝(即，串聯(lián)構(gòu)造)可用于在需要最小壓降情況時的吸附或解吸，而參考圖9描述的工藝(即，并聯(lián)構(gòu)造)可用于在需要相對快速凈化或再生工藝情況時的吸附或解吸。

還將認識到，在APU中可使用任意數(shù)量的容器。還將認識到，這些容器的任意子組可串聯(lián)地連接至工藝流(例如，一個或三個容器可以串聯(lián)地流體連接，而不是兩個容器，使得流體流從APU中的第一流體開口通過第一容器、第二容器和第三容器流動至APU中的第二流體開口，等)。還將認識到，這些容器的任意子組可并聯(lián)地連接至工藝流。

技術(shù)人員將由此認識到，根據(jù)上述教導(dǎo)的處于串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)造的多個容器組成的布置結(jié)構(gòu)提供了使APU適應(yīng)于不同持續(xù)時間的吸附和再生階段(如由LAES系統(tǒng)的充氣階段和放氣階段施加)的手段。這可在使維持正確流動條件的橫跨APU的壓降最小化的同時實現(xiàn)。

此外，技術(shù)人員將認識到，通過在構(gòu)造之間轉(zhuǎn)換而使得在LAES系統(tǒng)的充氣(APU的吸附階段)期間使用一個構(gòu)造并且在放氣(APU的再生)期間使用另一個構(gòu)造，能夠針對每個階段的不同要求而優(yōu)化。

現(xiàn)將參考如圖9和圖10所示的本發(fā)明第二方面的第二實施例來描述圖6所示的系統(tǒng)中的根據(jù)本發(fā)明的APU的優(yōu)選操作。在這個實施例中，APU包括3個等尺寸的吸附劑容器，其中吸附床在該3個等尺寸的吸附劑容器之間相等地分布。在這個實施例中，該工藝使得：

用于再生的流動速度與用于吸附的流動速度近似相同，以便避免吸附劑的流化；

在所述速度下，在吸附期間，需要近似4小時以使傳質(zhì)區(qū)域橫穿每個容器的長度；并且

在所述速度下，在再生期間，需要2小時以使傳質(zhì)區(qū)域橫穿每個容器的長度；并且假定恒定質(zhì)量流量，需要另外2小時來冷卻吸附劑床。

圖10示出了當APU在其吸附階段中操作時，在設(shè)置了APU的LAES(例如，圖3至圖5中的任一個的LAES)的充氣階段期間的APU。在充氣/吸附階段期間，壓縮的環(huán)境空氣以10bar、環(huán)境溫度和10kg/s的流量從壓縮裝置(未示出)流動通過串聯(lián)布置的APU110的三個容器。對應(yīng)的截面流動面積為s，質(zhì)量流為10kg/s，表觀流速為u，并且吸附時間為12小時。

在上述示例中，為了示意的目的，以在吸附期間的10bar的操作壓力來描述APU。技術(shù)人員將認識到，具體的操作壓力對于本發(fā)明不是必要的，而是可基于任意給定的APU的具體設(shè)計來選擇。吸附階段期間的典型操作值的范圍在4bar到12bar之間，且更優(yōu)選地是在7bar到9bar之間。然而，在變壓系統(tǒng)或組合的變壓/變溫系統(tǒng)中，非常優(yōu)選的是，吸附壓力大于再生壓力，以便使吸附階段與再生階段之間的吸附劑能力的差異最大化。

圖11示出了當APU在其解吸階段中操作時，在LAES的放氣階段期間的APU。在放氣階段的頭2小時期間，排氣流的大約10％(3kg/s)形成第一部分。該清潔、干燥空氣以大約絕對1.2bar和200℃流動通過加熱裝置101，在加熱裝置中，其被加熱，并且然后流動通過并聯(lián)地流體連接的APU110的三個容器。對應(yīng)的截面流動面積為3s，并且質(zhì)量流為每個容器1kg/s。

在這個較低壓力和較高溫度下，排氣流的第一部分的密度是在充氣階段期間的壓縮的環(huán)境空氣流的密度近似10倍小。對應(yīng)的表觀流速為近似u，并且再生時間為每個容器2小時并且總共兩小時。

在放氣階段的第三和第四小時期間，再加熱Q2被移除并且關(guān)斷加熱裝置101。所產(chǎn)生的較低溫度氣流流動通過并聯(lián)地流體連接的APU110的3個容器，以便使該3個容器內(nèi)的吸附劑材料冷卻。

技術(shù)人員將認識到，上述實施例相對于現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)是特別有利的。例如，如果容器在再生期間串聯(lián)地布置，則需要6小時以使傳質(zhì)區(qū)域橫穿三個容器。然而，來自功率恢復(fù)單元的排氣流將僅對6個小時中的4個小時可用，這將不具有足夠的時間。

此外，如果容器在吸附期間并聯(lián)地布置，則由于在吸附階段的結(jié)束處在每個容器的末端處存在濃度梯度，所以將存在較大部分的吸附劑不完全飽和。

圖12示出了替代性的吸附工藝，除了充氣階段如下面那樣操作之外，該替代性的吸附工藝與上述的且在圖10和圖11中所示的實施例相同。首先，壓縮的環(huán)境空氣流在10bar和18℃下以10kg/s的流量從冷卻器102流動通過APU110的三個容器中的串聯(lián)地流體連接的前兩個。當?shù)谝蝗萜鬟_到飽和閾值時，其與工藝流斷開，并且第三容器與第二容器串聯(lián)地連接。這種充氣/吸附階段是特別有利的，這是因為在任一時間，流中的床的長度減少三分之一，并且相關(guān)聯(lián)的壓降也是一樣。

圖13示出了替代性的吸附工藝，除了充氣過程如下操作之外，該替代性的吸附工藝與上述的且在圖10至圖12中示出的實施例相同。首先，壓縮的環(huán)境空氣流在10bar和18℃下以10kg/s的流量從冷卻器102流動通過APU110的三個容器中的第一個。當?shù)谝蝗萜鞯竭_飽和閾值時，其與工藝流斷開，同時第二容器被連接至該流。當?shù)诙萜鞯竭_飽和閾值時，其與工藝流斷開，同時第三容器連接至該流。這種充氣/吸附階段是特別有利的，這是因為在任一時間，流中的床的長度被減少三分之二，相關(guān)聯(lián)的壓降也是這樣。此外，可以使用較少的閥和較少的配管。

在另一替代性布置結(jié)構(gòu)中，該系統(tǒng)包括六個長度為如圖10至圖12中描述的實施例的一半的吸附劑容器。使傳質(zhì)區(qū)域橫穿該布置結(jié)構(gòu)的一個容器的長度所需的時間為1小時。在放氣的第一個小時期間，再生流流動通過該六個容器中的并聯(lián)的三個。一旦這些容器被再生，則再生流就流動通過其余的三個容器。最終(并且參考圖6的LAES)，在再加熱Q2被去除且加熱裝置101被關(guān)斷或繞過以向容器提供冷卻的情況下，重復(fù)該循環(huán)。這種布置結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，在放氣階段期間床的有效長度減少一半，并且壓降減少近似一半。橫跨膨脹級的壓差可被最大化并且所產(chǎn)生的工作由此可增加。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對本文公開的實施例進行修改。