一种液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统及其方法与流程

1.本发明属于压缩空气储能技术领域，涉及一种液态压缩空气储能装置系统，尤其涉及一种液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统及其方法。


背景技术：

2.现有的液态压缩空气储能系统在存储液态空气、透平做功发电时工质氧含量高，为了防止氧气对材料造成腐蚀，一般对200℃以上设备材料要求较高，从而导致整体设备的固态投资成本成倍增长，因此需要降低液态压缩空气储能系统众工质的含氧量。与此同时，目前火电机组缺氧燃烧，燃烧不充分，产生的co、no等有害气体多，且无法充分释放所有热量。
3.cn 208024412u公开了一种压缩空气储能系统，包括储能子系统和释能子系统；空气压缩机、电动机、储热换热器、空气预热器、第一储热介质泵、低温介质储罐、高温介质储罐、第一控制阀，压缩空气储罐构成储能子系统。释热换热器、第二储热介质泵、换热器、空气膨胀机、第一发电机、冷却器、二氧化碳压缩机、回热器、二氧化碳透平、第二发电机、第二控制阀构成释能子系统。所述实用新型在现有压缩空气储能系统的基础上，引入超临界二氧化碳循环用于释能过程，并提高储热介质的温度，通过超临界二氧化碳循环从储热介质中吸收热量，循环的冷端余热以显热形式再回馈给压缩空气透平，由此提高释能过程的能量利用率，提高了压缩空气储能系统的周期效率。然而这一压缩空气储能系统并未空分出氧气，从而无法避免设备在长期使用过程中的腐蚀。
4.cn 113565590a公开了一种压缩空气储能和燃煤机组耦合的宽负荷深度调峰发电系统，包括燃煤发电子系统、与燃煤发电子系统连接的压缩空气储能子系统；所述压缩空气储能子系统包括依次同轴连接的汽轮机单元三、空气压缩机系统、与空气压缩系统连接的间冷系统、与间冷系统连接的储能系统、与储能系统连接的加热系统、与加热系统连接的空气透平系统、以及与空气透平系统连接的发电机一；所述汽轮机单元三与燃煤发电子系统连接。所述发明保证了锅炉的稳定安全运行和汽轮机的低负荷运行，还回收多余的能量，满足系统宽负荷、深度调峰、负荷需求响应快的运行要求。虽然所述发明实现了压缩空气储能系统与发电系统的耦合，但是无法将压缩空气中的氧气空分出来输送给发电系统进行富氧燃烧。
5.由此可见，如何实现液态压缩空气储能系统与火力发电系统的耦合，将液态压缩空气中的氧气空分出来输送给火电锅炉进行富氧燃烧，一方面解决液态压缩空气储能系统中氧气腐蚀设备的问题，另一方面解决火电机组的锅炉燃烧不充分、有害气体排放、热效率低下的问题，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的难题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系
统及其方法，将液态压缩空气中的氧气空分出来输送给火电锅炉进行富氧燃烧，不仅解决了液态压缩空气储能系统中氧气腐蚀设备的问题，而且解决了火电机组的锅炉燃烧不充分、有害气体排放、热效率低下的问题。
7.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统，所述装置系统包括储能单元、空分单元、释能单元、换热单元和燃烧单元。
9.所述储能单元、空分单元和释能单元依次连接。
10.所述空分单元和燃烧单元相互连接。
11.所述换热单元用于各单元内部及各单元之间的热量交换。
12.本发明通过在储能单元和释能单元之间设置空分单元，将液态压缩空气中的氧气空分出来，降低了液态压缩空气储能系统众工质的含氧量，从而避免了氧气对设备的腐蚀，延长了装置系统的使用寿命；同时将空分单元与燃烧单元相互连接，实现了空分出来的氧气输送至火电锅炉进行富氧燃烧，优化了燃烧环境，提高了燃烧热效率，避免了有害气体的大量排放。此外，换热单元的设置实现了系统内热量的循环利用，提升了能量利用率和经济效益。
13.优选地，所述储能单元包括依次连接的至少3级储能子单元，例如可以是3级、4级、5级、6级或7级，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
14.优选地，按照空气的流动方向，每一级储能子单元分别独立地包括依次连接的压缩机和间冷器，且第一级储能子单元与第二级储能子单元之间还连接有空气净化器。
15.优选地，所述储能单元与空分单元之间还连接有冷箱。
16.优选地，按照空气的流动方向，所述空分单元包括依次连接的低温透平机、气液分离器、液空储罐和氧气储罐。
17.优选地，所述气液分离器的气体出口经过冷箱与第二级储能子单元中的压缩机相互连接。
18.优选地，所述液空储罐的氮气出口依次经过增压泵和蒸发器与释能单元相互连接。
19.优选地，所述氧气储罐经过空气净化器与燃烧单元相互连接。
20.优选地，所述释能单元包括依次连接的至少4级释能子单元，例如可以是4级、5级、6级、7级或8级，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
21.优选地，按照空气的流动方向，每一级释能子单元分别独立地包括依次连接的加热器和空气透平机。
22.优选地，所述换热单元包括蓄冷填充床、导热油储冷罐和导热油储热罐。
23.优选地，所述冷箱和蒸发器分别独立地与蓄冷填充床相互并联。
24.优选地，所述导热油储冷罐和导热油储热罐分别独立地与每一级储能子单元中的间冷器相互串联。
25.本发明中，所述导热油储冷罐中的导热油流经每一级储能子单元中的间冷器进行级间冷却，并流回导热油储热罐。
26.优选地，所述导热油储冷罐和导热油储热罐分别独立地与每一级释能子单元中的加热器相互串联。
27.本发明中，所述导热油储热罐中的导热油流经每一级释能子单元中的加热器进行级间加热，并流回导热油储冷罐。
28.优选地，所述蓄冷填充床还与氧气储罐相互并联，用于回收氧气储罐中的冷量。
29.优选地，所述燃烧单元包括燃煤锅炉。
30.第二方面，本发明提供一种采用如第一方面所述装置系统进行液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的方法，所述方法包括以下步骤：
31.(1)将环境空气通入储能单元进行压缩储能，得到压缩空气；
32.(2)将步骤(1)所得压缩空气通入空分单元进行空分，得到氧气和氮气；
33.(3)将步骤(2)所得氧气通入燃烧单元进行富氧燃烧；
34.(4)将步骤(2)所得氮气通入释能单元进行膨胀作功；
35.(5)利用换热单元对各单元内部及各单元之间进行热量交换。
36.其中，步骤(3)和步骤(4)同时进行。
37.优选地，步骤(1)所述压缩储能包括至少3级压缩过程，且每一级压缩过程后均进行级间冷却。
38.优选地，步骤(2)所述空分之前还进行气液分离，并将所得空气返回步骤(1)进行压缩储能。
39.优选地，步骤(2)所述空分通过温度控制进行氧气和氮气的分离。
40.优选地，步骤(3)所述氧气在通入燃烧单元之前还经过空气净化器，并对所述空气净化器进行吹扫清洁。
41.优选地，步骤(3)所述氧气在通入燃烧单元之前还进行冷量回收。
42.优选地，步骤(4)所述膨胀作功包括至少4级膨胀过程，且每一级膨胀过程前均进行级间加热。
43.优选地，步骤(5)所述热量交换利用导热油进行步骤(1)的级间冷却和步骤(4)的级间加热。
44.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
45.(1)本发明提供的装置系统通过在储能单元和释能单元之间设置空分单元，将液态压缩空气中的氧气空分出来，降低了液态压缩空气储能系统众工质的含氧量，从而避免了氧气对设备的腐蚀，延长了装置系统的使用寿命；
46.(2)本发明将空分单元与燃烧单元相互连接，实现了空分出来的氧气输送至火电锅炉进行富氧燃烧，优化了燃烧环境，提高了燃烧热效率，避免了有害气体的大量排放；
47.(3)本发明提供的装置系统中换热单元的设置实现了系统内热量的循环利用，提升了能量利用率和经济效益。
附图说明
48.图1是实施例1提供的液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统结构示意图；
49.图2是实施例2提供的液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统结构示意图；
50.图3是实施例3提供的液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统结构
示意图。
51.其中：10-储能单元；11-压缩机；12-间冷器；13-空气净化器；14-冷箱；20-空分单元；21-低温透平机；22-气液分离器；23-液空储罐；24-氧气储罐；25-增压泵；26-蒸发器；27-分流器；30-释能单元；31-加热器；32-空气透平机；40-换热单元；41-蓄冷填充床；42-导热油储冷罐；43-导热油储热罐；50-燃烧单元。
具体实施方式
52.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
53.实施例1
54.本实施例提供一种液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统，如图1所示，所述装置系统包括储能单元10、空分单元20、释能单元30、换热单元40和燃烧单元50；所述储能单元10、空分单元20和释能单元30依次连接，所述空分单元20和燃烧单元50相互连接，所述换热单元40用于各单元内部及各单元之间的热量交换。
55.本实施例中，所述储能单元10包括依次连接的3级储能子单元，按照空气的流动方向，每一级储能子单元分别独立地包括依次连接的压缩机11和间冷器12，且第一级储能子单元与第二级储能子单元之间还连接有空气净化器13，所述储能单元10与空分单元20之间还连接有冷箱14。
56.本实施例中，按照空气的流动方向，所述空分单元20包括依次连接的低温透平机21、气液分离器22、液空储罐23和氧气储罐24。所述气液分离器22的气体出口经过冷箱14与第二级储能子单元中的压缩机11相互连接；所述液空储罐23的氮气出口依次经过增压泵25和蒸发器26与释能单元30相互连接；所述氧气储罐24经过空气净化器13与燃烧单元50相互连接，且所述空气净化器13具体为可回收空气净化器。
57.本实施例中，所述释能单元30包括依次连接的4级释能子单元，按照空气的流动方向，每一级释能子单元分别独立地包括依次连接的加热器31和空气透平机32。
58.本实施例中，所述换热单元40包括蓄冷填充床41、导热油储冷罐42和导热油储热罐43。所述冷箱14和蒸发器26分别独立地与蓄冷填充床41相互并联；所述导热油储冷罐42和导热油储热罐43分别独立地与每一级储能子单元中的间冷器12和每一级释能子单元中的加热器31相互串联。
59.本实施例中，所述燃烧单元50具体为燃煤锅炉。
60.实施例2
61.本实施例提供一种液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统，如图2所示，除了将氧气储罐24与燃烧单元50直接相连，其余结构及条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。
62.实施例3
63.本实施例提供一种液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧的装置系统，如图3所示，除了将蓄冷填充床41与氧气储罐24相互并联，并增加分流器27，其余结构及条件均与实施例2相同，故在此不做赘述。
64.应用例1
65.本应用例应用实施例1提供的装置系统进行液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧，具体方法包括以下步骤：
66.(1)将环境空气通入储能单元10进行压缩储能，得到压缩空气；
67.(2)将步骤(1)所得压缩空气通入空分单元20进行空分，得到氧气和氮气；
68.(3)将步骤(2)所得氧气通入燃烧单元50进行富氧燃烧；
69.(4)将步骤(2)所得氮气通入释能单元30进行膨胀作功；
70.(5)利用换热单元40对各单元内部及各单元之间进行热量交换；
71.其中，步骤(3)和步骤(4)同时进行。
72.本应用例中，步骤(1)所述压缩储能包括3级压缩过程，且每一级压缩过程后均进行级间冷却；步骤(2)所述空分之前还进行气液分离，并将所得空气返回步骤(1)进行压缩储能，且所述空分通过温度控制进行氧气和氮气的分离；步骤(3)所述氧气在通入燃烧单元50之前还经过空气净化器13，并对所述空气净化器13进行吹扫清洁；步骤(4)所述膨胀作功包括4级膨胀过程，且每一级膨胀过程前均进行级间加热；步骤(5)所述热量交换利用导热油进行步骤(1)的级间冷却和步骤(4)的级间加热。
73.具体地，环境空气通过压缩机11进入储能单元，由间冷器12完成级间冷却，吸收导热油储冷罐42的冷量，并将热量存储在导热油储热罐43中，重复上述过程2次得到压缩空气。所得压缩空气通过冷箱14吸收冷量，再由低温透平机21膨胀作功，产生电能并到达临界状态0.8mpa，-170℃，在气液分离器22中进行气液分离，并将所得空气经冷箱14返回第二级储能子单元中的压缩机11，所得液态空气进入液空储罐23储存，通过控制液空储罐23的温度将氧气与氮气相互分离。其中所得氧气储存在氧气储罐24中，在系统完成充电后利用氧气对空气净化器13进行吹扫清洗，并带着杂质流向燃烧单元50；放电时剩余的氮气经过增压泵25提高压力，再通过蒸发器26回收冷量，氮气由液态转变成气态，经过释能单元30中的加热器31回收压缩机11的热量提高空气进口参数，并通过空气透平机32作功发电。
74.其中，导热油储冷罐42中的低温导热油分为三股流体，分别进入每一级储能子单元中的间冷器12吸收热量，同时完成压缩空气的级间冷却，三股流体汇集于导热油储热罐43保存，并通过换热器将热量供给热用户使用，完成循环；同理，释能单元30的热量交换环节与上述过程相反，故在此不做赘述。
75.应用例2
76.本应用例应用实施例2提供的装置系统进行液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧，除了将氧气储罐24中的氧气直接通入燃烧单元50，其余步骤及条件均与应用例1相同，故在此不做赘述。
77.应用例3
78.本应用例应用实施例2提供的装置系统进行液态压缩空气储能耦合空分氧气富氧燃烧，除了将氧气储罐24和蒸发器26中的气体流量和温度反馈给分流器27，并利用储冷介质分别将氧气储罐24和蒸发器26中的冷量带走后汇集于蓄冷填充床41，其余步骤及条件均与应用例2相同，故在此不做赘述。
79.由此可见，本发明通过在储能单元和释能单元之间设置空分单元，将液态压缩空气中的氧气空分出来，降低了液态压缩空气储能系统众工质的含氧量，从而避免了氧气对设备的腐蚀，延长了装置系统的使用寿命；同时将空分单元与燃烧单元相互连接，实现了空
分出来的氧气输送至火电锅炉进行富氧燃烧，优化了燃烧环境，提高了燃烧热效率，避免了有害气体的大量排放。此外，换热单元的设置实现了系统内热量的循环利用，提升了能量利用率和经济效益。
80.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。