CN103041673A - 高压空气的分离方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压空气的分离方法和系统。所述分离方法包括将待分离的空气压缩的步骤和利用离心分离技术将压缩后的空气分离的步骤。所述分离系统包括空气压缩系统、高压空气储气库和九台离心机。空气压缩系统与高压空气储气库连接，九台离心机通过两条平行的管道串联在一起，并分别由九台电机带动其运转，其中一台离心机通过管道与高压空气储气库连接，进而将引入的空气进行分离，并储存到与其相连的储气罐中，所述储气罐与气体纯化装置连接以干燥、净化分离出来的气体。本发明的有益效果是分离系统的结构简单，成本低，分离出来的气体纯度高。

Description

高压空气的分离方法和系统

技术领域

本发明涉及从空气中分离气体的技术，特别是涉及高压空气的分离方法和系统。

背景技术

空气是多种气体的混合物，其中氮78％、氧21％、氩0.93％、二氧化碳0.03％、氖0.0018％(均为体积百分数)，还有其他惰性气体。这些气体都是良好的自然能源，具有各自的物理特性和用途。

氢气是世界上已知的最轻的气体，密度为0.0899克/升，它在石油化工、电子工业、冶金工业、航空航天等方面有着广泛的应用。氘气的密度为0.167克/升，是氢的同位素，可用于军工、核燃料等领域。氚气的密度为0.2505克/升，也是氢的同位素，可用于核燃料，是氢弹的主要原料之一，也是受控聚变反应的燃料之一。氖气的密度为0.9克/升，可作为彩色霓虹灯的充装气体，也可用作低温冷却剂。氮气的密度为1.25克/升，主要用于合成氨，也是合成纤维、合成树脂、合成橡胶等的重要原料。氧气的密度为1.429克/升，氧气的用途极其广泛，在冶金工业中，炼钢时吹以高纯度氧气，氧便和碳及磷、硫等起氧化反应，这不但降低了钢的含碳量，还有利于清除磷、硫等杂质；在国防工业中，液氧是火箭最好的助燃剂。氩气的密度为1.784克/升，在炼钢过程中，可用于置换气体或蒸气并防止工艺流程中的氧化；还可用于不锈钢精炼中使用的氩氧脱碳工艺。二氧化碳的密度为1.98克/升，可将其注入饮料中，使饮料中带有气泡，增加饮用时的口感；它的重量比空气重，不助燃，可用于灭火器灭火。其他废气可用于再发电。

如何将高压空气中各种有用的气体分离出来，在全世界都引起了高度重视。目前，常用的方法是在低温下利用精馏将空气分离为它的各种组分，按照该方法，将空气压缩，冷却至某一适于精馏的温度，然后将它引入空气分离单元，该空气分离单元包含一个或多个塔，在塔中空气被蒸馏为它的各种组分，但是分离过程复杂，分离出来的气体纯度达不到要求。还可以采用分子筛式空气分离系统，其原理是气体经过滤器进入空气分离装置，由空气分离装置的空气分配阀将具有一定正压力的空气输入分子筛管道从而实现空气中氧气、氮气的分离，但是采用正压气体供气，极易形成空气中的水分、杂质等被吸附在分子筛上，不易排出，缩短了分子筛的使用寿命。

此外，现有技术中的空气分离装置基本上都不使用环保能源，因此，其共同缺点是消耗大量能量，而且造成大量排放，不利于环境。

发明内容

本发明旨在提供一种全新的空气的分离方法和系统，并将其公之于众，依法获得该技术方案的专利权。该空气分离方法和系统不仅能克服现有技术中的各种缺陷，而且能够利用清洁能源，特别是风能，不仅有利于环保，而且扩展了风能的用途。

高压空气储气库中的气体是多种气体的混合物，其中有氢气、氘气、氚气、氖气、氮气、氧气、氩气、二氧化碳和其他废气。这些气体都是良好的自然能源，具有各自的物理特性和用途，应将其分离出来输送到各个工业领域中充分利用。本发明的分离系统能有效的将高压空气中的各种气体分离出来。

为实现上述目的，本发明首先提供一种分离空气的方法，其包括将空气压缩到一定程度，然后将其进行分离。

优选的是，所述空气压缩步骤通过以一种自然能为动力的空气压缩机实现，以有利于环境。

特别优选的是，采用风能为所述压缩机的动力。因为风能是一种几乎无处不有的能源。

尤其优选的是，所述压缩机由一风力发电机供电，所述风力发电机设置于风道井内部，其包括一具有缩径部的变径涵道装置；一发电机设置于该涵道装置内；一用以驱动发电机转动的叶轮设置于所述涵道装置内缩径部的最小直径处，并连接于发电机的转子轴上；所述转子轴穿过该发电机，其穿出端连接有一压气涡轮，其相对于所述叶轮位于所述涵道装置的进风方向。通过这一方案，扩大了风力发电机的应用。

优选的是，所述涵道装置入口与涵道装置出口口径相同，其外壁呈圆柱形。

优选的是，所述涵道装置侧壁纵截面两侧为凸部向内的对称的平滑渐变曲线，并由该平滑渐变曲线形成所述缩径部。

优选的是，所述对称的平滑渐变曲线为对称的双曲线。

风力发电机尽可能同轴设置于风道井的中心部位，且其横截面积小于等于风道井横截面积的50％，对周边气流的干扰相对较小，利于已做功气流流速和压力的恢复，以保障下一级发电装置的有效运转。

优选的是，所述涵道装置与风道井同轴设置。

优选的是，所述叶轮、发电机、压力涡轮的组合结构整体通过数条发电机支撑架固定在涵道壁上，并全部包容在所述涵道装置的外轮廓线之内，即涵道装置入口与涵道装置出口之间，可最大限度减小对周边气流的扰动。

优选的是，所述叶轮通过一用以增速的变速装置与发电机的转子轴相连接，使发电机获得相对较高的转速。

优选的是，所述压气涡轮与转子轴之间也具有用以调节压气涡轮转速的变速装置。

优选的是，所述发电机为变频永磁发电机，便于维护并易于适应相对不够稳定的功率输入条件。

为实现上述按照本发明的方法，按照本发明的第二方面，提供一种空气的分离系统，其具有空气压缩系统、高压空气储气库和分离设备，所述空气压缩系统与高压空气储气库连接以存储压缩气体；所述高压空气储气库通过管道与一个以上的分离设备串联，以将高压空气引入到分离设备中进行分离；所述分离设备通过管道与储气罐连接以将分离出来的气体储存到储气罐中；所述储气罐与气体纯化装置连接以干燥、净化分离出来的气体。

本发明的高压空气的分离系统结构简单，成本低，分离出来的气体纯度高；所采用的分离设备体积小，结构紧凑，分离效率高，生产能力大，附属设备少。

优选的是，所述空气压缩系统由一风力发电机驱动。

更优选的是，所述风力发电机设置于一综合能源风道井发电站的风道井内，该风力发电机连接有空气压缩装置，该空气压缩装置连接有压缩空气的储气装置，该储气装置进而连接到其他发电站。

具体地说，一种风力发电站，通过风能发电以驱动空气压缩装置，进而通过该空气压缩装置产生压缩空气作为蓄能介质，并将其存储于储气装置中，再将储气装置中的压缩空气作为其他发电站(例如网电)的主要驱动能源或辅助驱动能源，以稳定的发电或对发电站进行调峰补偿发电以适应电网的入网要求。

优选的是，所述综合能源风道井发电站具有设置于风道井中的气动马达，所述储气装置的排放端连接于该气动马达的输入端。

优选的是，所述气动马达通过机械或电传动装置与所述综合能源风道井发电站的风力发电机相连接。

优选的是，所述其他发电站是气压涡轮发电机发电站，该气压涡轮发电机的输入端与所述储气装置的输出端相连接。

优选的是，所述风道井设置在竖直方向上，以自下而上地引风。

优选的是，所述风道井的顶端带有一消音器，该消音器具有一端帽，连接在风塔(即风道井)顶端，且具有数个分散设置的排气孔。

所述消音器包括数组相间隔并同轴设置的圆柱状消音筒，优选的是，消音筒由三个不等径的圆筒结构相互间隔一间隙地套叠并同轴设置在风道井的出口处；各消音筒均开设有数个水平排气孔；所述端帽相间隔地包覆在所述消音筒的最外侧；消音筒的下开口与风道井的上端相连通。

相邻消音筒上开设的水平排气孔相互错开设置，亦即各排气孔的孔心相互不对齐。优选设置三层消音筒。

消音器上具有一空心圆锥端，数个排气孔设置在该圆锥端的锥面上。

每层消音筒上的排气孔的面积总和均大于等于风道井的出口横截面积。

排气孔的形状除圆孔外，亦可采用槽缝结构，同样使各层的槽缝相互错开，以避免气流直接同时穿过相邻的消音筒。

通常，圆锥端的顶端设置有避雷装置，也可根据需要设置警示、信号装置。

优选的是，所述分离设备为离心机，离心机与电机连接用以驱动离心机运转。因为离心机的体积小，结构紧凑，分离效率高，生产能力大，尤其对于同位素而言，因其重量接近，所以必须使用分离能力较强的离心机进行分离。离心机的转子高速旋转产生强大的离心力，使高压空气中密度较大的气体向外移动，密度相对较小的气体集中在中心附近，当打开高压空气气动阀后，中心附近的气体流出进入储气罐中，而外侧的气体便流向下一个离心机继续分离，以此类推。

优选的是，所述离心机为九台，分别由九台电机带动其运转。高压空气中含有氢气、氘气、氚气、氖气、氮气、氧气、氩气、二氧化碳和其他废气，这九种气体的密度依次增大，所以采用九台离心机同时进行分离，使得九种气体分别分离出来。

优选的是，所述的九台离心机通过两条平行的管道串联在一起，其中的一台离心机与所述的高压空气储气库相连。

优选的是，所述的九台离心机分别与九个储气罐连接用以储存分离出来的不同气体。

优选的是，所述的九个储气罐分别与九个气体纯化装置连接用以干燥、净化分离出来的不同气体。因为分离出来的气体中含有很多杂质，其中主要由水、油及颗粒杂质所构成，如果不对其进行处理而直接使用，空气中的杂质会对系统中的元件造成很大的危害，使设备的维护成本上升，使用寿命缩短。

优选的是，所述高压空气储气库的出气管道上设置高压空气气动阀。当开启气动阀时，储气库中的高压空气便流出，从管道中进入离心机；当关闭气动阀时，高压空气便被截流。

优选的是，所述高压空气储气库的出气管道的旁边设置弯形出气管道，弯形出气管道的一端与高压空气储气库连接，另一端与其旁边的出气管道连接。弯形出气管道有两个作用，其一是在打开高压空气气动阀后，空气压力降到所需压力附近时，可通过手动阀进行微调，以便达到更准确的压力；其二是若高压空气气动阀在开启的过程中失灵，气体没有流出来，这时可通过开启手动阀使气体流出进入离心机。

优选的是，所述高压空气储气库的弯形出气管道上设置手动阀。

优选的是，所述高压空气储气库的出气管道及弯形出气管道和与其相连的离心机之间的管道上依次设置气体流量表和压力表。气体流量表用于监测从储气库中流出的气体的流量的，通过表上显示的流量值来调节气体的流量，流量不同，气体流出的速度和体积就不同。压力表用于监测气体压力的，高压空气在进入离心机之前需要降到适宜的压力，否则影响分离效果和离心机的寿命。

优选的是，所述离心机的出气管道上设置高压空气气动阀。效果同上所述。

优选的是，所述离心机的出气管道的旁边设置弯形出气管道，弯形出气管道的一端与离心机连接，另一端与其旁边的出气管道连接。效果同上所述。

优选的是，所述的离心机的弯形出气管道上设置手动阀。

优选的是，所述离心机的出气管道及弯形出气管道和与其相连的储气罐之间的管道上依次设置压力表和温度表。压力表的效果同上所述。温度表用于监测从离心机分离出来的气体的温度，随着压力的降低气体的温度也降低。

优选的是，所述储气罐的出气管道上设置高压空气气动阀。效果同上所述。

优选的是，所述储气罐的出气管道的旁边设置弯形出气管道，弯形出气管道的一端与储气罐连接，另一端与其旁边的出气管道连接。效果同上所述。

优选的是，所述的储气罐的弯形出气管道上设置手动阀。

优选的是，所述储气罐的出气管道及弯形出气管道和与其相连的气体纯化装置之间的管道上依次设置压力表和温度表。效果同上所述。

优选的是，与储气罐连接的气体纯化装置依次包括油气分离器、水气分离器和气体干燥器。首选经过油气分离器，将从压缩机中携带的少量润滑油分离掉；再经过水气分离器，将气体中的水分分离掉；最后经过气体干燥器，将多余的水蒸气分离掉。气体经过上述净化处理后不会对系统的元器件造成危害，减少了维修成本，提高了设备的使用寿命。

优选的是，所述气体纯化装置与螺栓灌装口之间的管道上设置压力传感器报警器。主要用于监测出气压力和或进气压力的，若出气压力低于储气罐内的压力，报警器报警，提示出气压力偏高；若进气压力高于使用设备所能承载的压力，报警器报警，提示进气压力偏低。

优选的是，所述高压空气为压缩空气，其压强为120～180大气压。

优选的是，所述分离出来的气体依次包括氢气、氘气、氚气、氖气、氮气、氧气、氩气、二氧化碳和废气。这几种气体的密度依次为0.0899克/升、0.167克/升、0.2505克/升、0.9克/升、1.25克/升、1.429克/升、1.784克/升和1.98克/升。离心机先将密度最低的气体分离出来，以此类推。

附图说明

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述，其中：

图1为按照本发明的高压空气的分离系统的一优选实施例的结构示意图；

图2为按照本发明的风力发电站的蓄能发电系统框图。

图中标注说明：高压空气储气库1，离心机2，电机3，储气罐4，高压空气气动阀5，手动阀6，气体流量表7，压力表8，温度表9，油气分离器10，水气分离器11，气体干燥器12，压力传感器报警器13，螺栓灌装口14，出气管道15，弯形出气管道16。

具体实施方式

如图1所示，一高压空气的分离系统，包括空气压缩系统、高压空气储气库1和离心机2。空气压缩系统与高压空气储气库1连接；高压空气储气库1通过管道与九台离心机2串联，以将高压空气引入到离心机2中进行分离；九台离心机2通过两条平行的管道串联在一起，其中的一台离心机2与高压空气储气库1相连。九台离心机2分别与九台电机3连接以驱动相对应的离心机2运转。离心机2的转子高速旋转产生强大的离心力，使高压空气中密度较大的气体向外移动，密度相对较小的气体集中在中心附近，当打开高压空气气动阀5后，中心附近的气体流出进入储气罐4中，而外侧的气体便流向下一个离心机2继续分离，以此类推。

九台离心机2通过管道分别与九个储气罐4连接用以将分离出来的气体储存起来；九个储气罐4分别与九个气体纯化装置连接用以处理分离出来的气体。

分离出来的气体依次为氢气、氘气、氚气、氖气、氮气、氧气、氩气、二氧化碳和其他废气，这几种气体的密度依次增大，分别为0.0899克/升、0.167克/升、0.2505克/升、0.9克/升、1.25克/升、1.429克/升、1.784克/升和1.98克/升。

高压空气储气库1的出气管道上设置高压空气气动阀5。当开启气动阀时，储气库中的高压空气流出，从管道中进入离心机2；当关闭气动阀时，高压空气被截流。在出气管道15的旁边设置弯形出气管道16，它的一端与高压空气储气库1连接，另一端与其旁边的出气管道15连接。弯形出气管道16上设置手动阀6。弯形出气管道16有两个作用，其一是在打开高压空气气动阀5后，空气压力降到所需压力附近时，可通过手动阀6进行微调，以便达到更准确的压力；其二是若高压空气气动阀5在开启的过程中失灵，气体没有流出来，这时可通过开启手动阀6使气体流出进入离心机2。出气管道15及弯形出气管道16和与其相连的离心机2之间的管道上依次设置气体流量表7和压力表8。气体流量表7用于监测从储气库中流出的气体的流量，压力表8用于监测气体压力。

离心机2的出气管道15上设置高压空气气动阀5。该出气管道15的旁边设置弯形出气管道16，它的一端与离心机2连接，另一端与其旁边的出气管道15连接。弯形出气管道16上设置手动阀6。出气管道15及弯形出气管道16和与其相连的储气罐4之间的管道上依次设置压力表8和温度表9。温度表9用于监测从离心机2分离出来的气体的温度。

储气罐4的出气管道15上设置高压空气气动阀5。出气管道15的旁边设置弯形出气管道16，它的一端与储气罐4连接，另一端与其旁边的出气管道15连接。弯形出气管道16上设置手动阀6。出气管道15及弯形出气管道16和与其相连的气体纯化装置之间的管道上依次设置压力表8和温度表9

与储气罐4连接的气体纯化装置依次包括油气分离器10、水气分离器11和气体干燥器12。分离出来的气体在使用之前，需要干燥、净化，因为分离出来的气体中含有很多杂质，其中主要由水、油及颗粒杂质所构成，如果不对其进行处理而直接使用，气体中的杂质会对系统中的元件造成很大的危害，使设备的维护成本上升，使用寿命缩短。

气体纯化装置与螺栓灌装口14之间的管道上设置压力传感器报警器13。出气压力低于储气罐4内的压力，报警器报警，提示出气压力偏高；进气压力高于使用设备所能承载的压力，报警器报警，提示进气压力偏低。

利用上述高压空气的分离系统将空气进行分离，首先将待分离的空气压缩，通过自然能源(风力)发电站发电驱动空气压缩装置工作，该空气压缩装置产生压缩空气并将其存储于高压空气储气库1中；再将压缩后的空气在上述的分离系统中进行分离。

如图2所示，一风力发电站，通过风能发电以驱动空气压缩装置，进而通过该空气压缩装置产生压缩空气作为蓄能介质，并将其存储于储气装置中，再将储气装置中的压缩空气作为其他发电站(例如网电)的主要驱动能源或辅助驱动能源，以稳定的发电或对发电站进行调峰补偿发电以适应电网的入网要求。

本领域技术人员不难看出，本发明包括上述各部分的任意组合。

Claims (10)

1.空气分离方法，其将空气分离成不同的组分，其特征在于：包括将待分离的空气压缩的步骤和利用离心分离技术将压缩后的空气分离的步骤。

2.根据权利要求1所述的空气分离方法，其特征在于：所述将待分离的空气压缩的步骤为通过自然能源发电站发电驱动空气压缩装置工作，该空气压缩装置产生压缩空气并将其存储于高压空气储气库中。

3.空气分离系统，包括空气压缩系统、高压空气储气库和分离设备，其特征在于：所述空气压缩系统与高压空气储气库连接以存储压缩气体；所述高压空气储气库通过管道与一个以上的分离设备串联，以将高压空气引入到分离设备中进行分离；所述分离设备通过管道与储气罐连接以将分离出来的气体储存到储气罐中；所述储气罐与气体纯化装置连接以干燥、净化分离出来的气体。

4.根据权利要求3所述的空气分离系统，其特征在于：所述分离设备为离心机，离心机与电机连接。

5.根据权利要求4所述的空气分离系统，其特征在于：所述离心机为九台，分别由九台电机带动其运转。

6.根据权利要求5所述的空气分离系统，其特征在于：所述的九台离心机通过两条平行的管道串联在一起，其中的一台离心机与所述的高压空气储气库相连。

7.根据权利要求5或6所述的空气分离系统，其特征在于：所述的九台离心机分别与九个储气罐连接以储存分离出来的不同气体。

8.根据权利要求7所述的空气分离系统，其特征在于：所述的九个储气罐分别与九个气体纯化装置连接以干燥、净化分离出来的气体。

9.根据权利要求3所述的空气分离系统，其特征在于：所述高压空气储气库的出气管道上设置高压空气气动阀。

10.根据权利要求9所述的空气分离系统，其特征在于：所述高压空气储气库的出气管道的旁边设置弯形出气管道，弯形出气管道的一端与高压空气储气库连接，另一端与其旁边的出气管道连接。

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