[发明专利]一种基于内压缩空分储能装置的物质回收方法

说明书

本发明提供一种基于内压缩空分储能装置的物质回收方法，属于空分技术领域。该方法通过在常规内压缩空分装置的基础上更换或增设中压主换热器，增设透平膨胀发电机、液空过冷器、气液分离器、液空储罐和低温泵，实现内压缩空分装置的规模化储能，以及循环制冷空气和低温液态空气的高效回收利用。本发明既是一种新的内压缩空分装置，也适用于对现有内压缩空分装置的升级和更新改造。该方法通过回收储能过程循环制冷空气，提高空分储能装置的液空储存能力，释能时利用空分装置的精馏系统直接回收低温液空，实现系统内部能量和物质的跨时间利用，进而降低空分装置对峰电期电能的需求，即节约生产用电成本，又能实现国家电网侧的节能减排。

技术领域

本发明涉及空分技术领域，特别是指一种基于内压缩空分储能装置的物质回收方法。

背景技术

随着电子科技领域的迅速发展和居民生活水平的不断提高，工业、农业和商业等领域的部分产业已逐渐被电子信息技术取代，电子产品逐渐走进人类的工作和生活，导致电力市场供需关系频繁变化，电网供电峰谷差居高不下。据数据统计，目前我国燃煤发电占比高达68％，但由于大量调峰负荷机组的存在(或基础负荷比例低)，使得谷电期机组发电效率降低，污染物排放量增大。可再生能源发电装机占比虽然逐年增加，但受风电和光电能源输出的不稳定性影响，其很难精准匹配电网负荷需求。为解决这些问题，需要开发大规模储能技术，这已成为国家能源技术发展的战略目标。液化空气储能技术(LAES)具有储能密度高、不受地域限制等独特优势，被广泛认为是一种很有前途的大规模储能解决方案。但独立液化空气储能技术仍然存在以下问题亟待解决：1.制冷能级低，能耗高；2.冷能间接回收，不可逆损失大；3.释能膨胀输出的高纯空气环境释放，造成资源浪费；4.循环效率低(约为50％)，且成本回收期较长，在没有余热利用的情况下，成本回收期高达约25年。因此，寻找一种能够在制冷能级和生产原料上与液化空气储能技术相互匹配的配套技术至关重要。

空分是工业生产领域的重要基础设备，其在煤化工、石油炼化和冶金三大行业的制氧能力占比分别为45％、30％和25％。空分工艺的生产过程包括压缩、预冷、纯化、增压、制冷、热交换和精馏等主要过程，制冷温度与液化空气储能技术相当，生产原料为环境空气。值得注意的是，空分设备本身耗电量大，以钢铁行业为例，2020年中国粗钢产量为10.65亿吨，按每吨钢综合耗氧量120Nm³，单位氧气综合电耗为0.77kWh/Nm³计(包括压缩能耗)，全国空分生产年用电总量可达3936.24亿kWh(钢铁行业占比为25％)，为全国电力消费总量的5.24％。作为单一技术，一种设备，其电力消费占比相当可观。若能将液化空气储能技术集成融入到空分装置，不仅能够实现低温液空冷能的直接回收和利用，还能使两种技术的制冷能级精准匹配，原料利用互为补充，即克服液化空气储能系统的冷能利用不可逆损失大、高纯空气排放等问题，还能实现空分设备的大型化发展和规模化储能。除此之外，通过利用空分设备储存低温液空还能减少储能技术的设备投资，节约人力运行成本。再结合峰谷分时电价制度和电力需求侧管理，可显著降低空分设备的综合用电成本，提高企业的经济效益。谷期用电负荷的提升还有利于提高发电机组运行效率，减小峰电期电力负荷需求，促进部分小型调峰发电机组向基负荷运行机组转变，甚至被大型发电机组所取代，从而有效降低发电煤耗和污染物排放，实现国家电网侧的节能减排。

现阶段，发明人已经提出两种内压缩空分储能相关技术，但关于储能过程的循环制冷空气排放和空气液化率低等问题并未得到有效解决。另外，释能过程液空的回收利用也存在多种方式，将液空加压复热后进行膨胀发电，主要侧重于空分储能技术与余热利用的结合，而液空经加压、气化和膨胀后进行物质回收是为了提高空分装置本身的物质和能量利用率，但该方法仍然存在冷能间接利用和增加换热器负荷等问题。对此，本发明针对空分储能装置储、释能过程工艺所存在的缺陷，提出了储能过程循环制冷空气的增压机前和空压机前回收，以及释能过程低温液态空气的直接利用，并针对特定的物质回收方式，对中压主换热器的结构，增压透平膨胀机，以及新增膨胀设备的限定做出了新设计和规划。

发明内容