CN111013320A - 基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置及其方法 - Google Patents

基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置及其方法。空分纯化装置包括三台并联工作的分子筛吸附器、电加热器、热化学反应器、储液器、消音器、控制阀等。分子筛吸附器一侧分别连接污氮气加热通道、污氮气冷吹通道、空气出口通道，另一侧分别连接空气进口通道、污氮气放空通道、污氮气余热回收通道；通过协调两套耦合热化学储热装置运行时间，可实现冷吹污氮气余热的深度回收，其中的水汽可在储液器中的制冷剂蒸发制冷时冷凝，提升余热回收效率，并利用化学吸附反应的单变量特性，在再生污氮气的预热阶段形成梯级加热布局，提升污氮气的预热效果，使空分纯化系统高效、节能、稳定地运行。

Description

基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置及其 方法
技术领域
本发明涉及分子筛设计领域，特别是设计一种基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置。
背景技术
在现代大型空分装置中，空分纯化系统是其实现节能降耗的关键设备之一。分子筛吸附器解吸再生为吸热过程，一般使用污氮气经加热器升温后，进入分子筛吸附器使其解吸再生。为达到分子筛吸附工作的温度，解吸后还需用冷污氮气冷吹，降低吸附器的温度。在常规空分纯化系统中，包含两台并行工作的分子筛吸附器，由于时间差异导致冷吹污氮气所包含的热量很难利用，通常直接放空，造成了能量的大量浪费。冷吹过程排出的污氮气具有高温、高湿且波动的特点，在回收利用上存在较大的困难。热化学储热技术利用吸附工质来吸附/解吸循环过程中伴随发生的热效应，进行能量的存储和转化，具有储热密度大、稳定性高等优点，因而是热能存储中十分具有潜力的一种方式，此外，化学吸附储热材料的储热密度可达800～1000kJ/kg，供选择的吸附剂/吸附质工质相当多，可以工作在不同的温度范围内。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，将常规系统中的双吸附器改为三吸附器系统，其中一台吸附器工作时，另两台吸附器进行加热再生和冷吹降温。同时，增加两套耦合工作的热化学储热装置，通过改变热化学储热装置的工作流程，深度回收冷吹污氮气余热，提升再生用污氮气预热效率，减少加热器的能量投入，实现空分纯化系统的节能降耗。
本发明拟用如下技术方案实现本发明的目的：
一种基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其包括第一分子筛吸附器、第二分子筛吸附器、第三分子筛吸附器、电加热器、第一热化学反应器、第一储液器、第二热化学反应器、第二储液器、污氮气余热回收通道第一支路、污氮气余热回收通道第二支路、污氮气加热通道、污氮气冷吹通道、污氮气余热回收通道、污氮气放空通道、污氮气放空通道第一支路、第一制冷剂通道、第二制冷剂通道、空气出口通道、空气进口通道；
所述的第一分子筛吸附器一端的管路分为三条支路，其中第一支路连接污氮气加热通道，且第一支路上设有第一自动控制阀，第二支路连接污氮气冷吹通道，且第二支路上设有第二自动控制阀，第三支路连接空气出口通道，且第三支路上设有第三自动控制阀；第一分子筛吸附器的另一端的管路分为四条支路，第一支路和第二支路分别连接空气进口通道，且第一支路上设有第十自动控制阀，第二支路上设有第一增压阀，第三支路上设有第一卸压阀，第四支路上设有第十一自动控制阀，第三支路和第四支路汇合后连接第一三通阀的进口通道，第一三通阀的另外两个出口通道分别连接污氮气余热回收通道和污氮气放空通道，污氮气放空通道末端直接放空；第二分子筛吸附器和第三分子筛吸附器的两端以与第一分子筛吸附器相同的方式连接各通道；
进入空分纯化装置的污氮进气管路分成两路，一路接入污氮气冷吹通道，污氮气冷吹通道上设有污氮气冷吹控制阀；另一路经过污氮气加热控制阀后连接第九三通阀的第一接口，污氮气余热回收通道的末端连接第四三通阀的第一接口，第九三通阀和第四三通阀之间设有污氮气余热回收通道第一支路和污氮气余热回收通道第二支路；
污氮气余热回收通道第一支路依次连接第四三通阀的第二接口、第五三通阀的第一接口、第五三通阀的第二接口、第一热化学反应器、第二储液器、第七三通阀的第一接口、第七三通阀的第二接口、第九三通阀的第二接口；
污氮气余热回收通道第二支路依次连接第四三通阀的第三接口、第六三通阀的第一接口、第六三通阀的第二接口、第二热化学反应器、第一储液器、第八三通阀的第一接口、第八三通阀的第二接口、第九三通阀的第三接口；
第五三通阀的第三接口和第六三通阀的第三接口通过管路汇合后接入污氮气加热通道，污氮气加热通道上设有第十六自动控制阀和电加热器；
第七三通阀的第三接口和第八三通阀的第三接口通过管路汇合后接入污氮气放空通道第一支路放空；
第一制冷剂通道依次连接第一热化学反应器、第一双向转换阀、第一储液器，构成第一热化学储热装置；
第二制冷剂通道依次连接第二热化学反应器、第二双向转换阀、第二储液器，构成第二热化学储热装置；
第一热化学反应器、第一储液器、第二热化学反应器、第二储液器内部均装有换热盘管，盘管间填充热化学吸附剂或液态制冷剂；
待净化的空气从空气进口通道通入；净化后的空气从空气出口通道排出。
作为优选，所述的第一热化学反应器、第一储液器、第二热化学反应器、第二储液器、第四三通阀、第五三通阀、第六三通阀、第七三通阀、第九三通阀、第一双向转换阀、第二双向转换阀、第一制冷剂通道、第二制冷剂通道、污氮气余热回收通道第一支路、污氮气余热回收通道第二支路构成双耦合热化学储热系统。
作为优选，第一分子筛吸附器、第二分子筛吸附器、第三分子筛吸附器三者并联运行，通过相互切换实现纯化过程的连续、低耗运行。
作为优选，第一分子筛吸附器、第二分子筛吸附器和第三分子筛吸附器出口的污氮，在加热解吸过程中通过污氮气放空通道排出，在冷吹过程中通过污氮气余热回收通道进入所述双耦合热化学储热系统，最终从污氮气放空通道第一支路放空。
作为优选，污氮气放空通道与污氮气放空通道第一支路的末端装有消音器，用于对排放口进行噪音消除。
作为优选，第一热化学反应器和第二储液器、第二热化学反应器与第一储液器，两两组合使用，共同实现对冷吹污氮气的余热回收或者对再生污氮气的预热。
作为优选，第一双向转换阀、第二双向转换阀分别用于调节第一热化学储热装置和第二热化学储热装置。
作为优选，第一热化学反应器、第二热化学反应器内部的热化学吸附剂再生温度小于三个分子筛吸附器中的活性氧化铝和分子筛吸附剂再生温度。
本发明的另一目的在于提供一种如上述任一方案所述空分纯化装置的空分纯化方法，其步骤如下：
在所述双耦合热化学储热系统中，通过阀切换使其按模式Ⅰ和模式Ⅱ交替运行运行，其中：
模式Ⅰ：分子筛吸附器中排出的冷吹污氮进入污氮气余热回收通道第一支路，首先通过盘管加热第一热化学反应器，使其中的制冷剂解吸后通过第一制冷剂通道进入第一储液器内冷凝，随后冷吹污氮继续流经第二储液器，使其中的制冷剂经第二制冷剂通道进入第二热化学反应器内吸附，第二储液器内部的制冷剂蒸发制冷，继续对冷吹污氮余热进行深度回收，冷吹污氮最终经过放空通道第一支路放空；同时，用于加热再生的再生污氮经过第九三通阀进入污氮气余热回收通道第二支路，首先经过第一储液器，使其中的制冷剂冷凝释放冷凝热，随后再生污氮继续进入第二热化学反应器，使其中的制冷剂被热化学吸附剂并释放吸附热，再生污氮气完成预热后进入污氮气加热通道；
模式Ⅱ：分子筛吸附器中排出的冷吹污氮进入污氮气余热回收通道第二支路，首先通过盘管加热第二热化学反应器，使其中的制冷剂解吸后通过第二制冷剂通道进入第二储液器内冷凝，随后冷吹污氮继续流经第一储液器，使其中的制冷剂经第一制冷剂通道进入第一热化学反应器内吸附，第一储液器内部的制冷剂蒸发制冷，继续对冷吹污氮余热进行深度回收，冷吹污氮最终经过放空通道第一支路放空；同时，用于加热再生的再生污氮经过第九三通阀进入污氮气余热回收通道第一支路，首先经过第二储液器，使其中的制冷剂冷凝释放冷凝热，随后再生污氮继续进入第一热化学反应器，使其中的制冷剂被热化学吸附剂并释放吸附热，再生污氮气完成预热后进入污氮气加热通道；
空分纯化装置其余部分的运行步骤如下：
1)首先，第一分子筛吸附器开始处于吸附状态，第二分子筛吸附器处于加热解吸结束状态，第三分子筛吸附器处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第二分子筛吸附器冷吹开始；通过阀切换，使第二分子筛吸附器开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器进一步加热，达到设定温度要求后，进入第三分子筛吸附器开始加热再生；第三分子筛吸附器再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第二分子筛吸附器冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
2)然后，第二分子筛吸附器开始处于吸附状态，第三分子筛吸附器处于加热解吸结束状态，第一分子筛吸附器处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第三分子筛吸附器冷吹开始；通过阀切换，使第三分子筛吸附器开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器进一步加热，达到设定温度要求后，进入第一分子筛吸附器开始加热再生；第一分子筛吸附器再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第三分子筛吸附器冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
3)再后，第三分子筛吸附器开始处于吸附状态，第一分子筛吸附器处于加热解吸结束状态，第二分子筛吸附器处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第一分子筛吸附器冷吹开始；通过阀切换，使第一分子筛吸附器开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器进一步加热，达到设定温度要求后，进入第二分子筛吸附器开始加热再生；第二分子筛吸附器再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第一分子筛吸附器冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
4)不断循环步骤1)～3)，完成空分纯化。
作为优选，加热再生过程完成后，电加热器停止加热。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：
本发明提出的三吸附器纯化流程可以消除冷吹污氮气和再生用污氮气流通的时间差，有效回收冷吹污氮气余热；热化学储热技术储热密度高、而可减小设备体积，降低储热成本；通过设计两套耦合热化学储热装置，在无额外功耗的前提下，实现了冷吹污氮气余热的深度回收，其中的水汽可在储液器中的制冷剂蒸发制冷时冷凝；利用化学吸附反应的单变量特性，在再生污氮气的预热阶段形成梯级加热布局，同时热能输出温度稳定，有利于提升污氮气的预热效果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一种基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置的结构示意图。
图中附图标记为：第一分子筛吸附器1、第二分子筛吸附器2、第三分子筛吸附器3、电加热器4、第一热化学反应器5、第一储液器6、第二热化学反应器7、第二储液器8、消音器9、第一自动控制阀10、第二自动控制阀11、第三自动控制阀12、第四自动控制阀13、第五自动控制阀14、第六自动控制阀15、第七自动控制阀16、第八自动控制阀17、第九自动控制阀18、第十自动控制阀19、第一增压阀20、第一卸压阀21、第十一自动控制阀22、第一三通阀23、第十二自动控制阀24、第二增压阀25、第二卸压阀26、第十三自动控制阀27、第二三通阀28、第十四自动控制阀29、第三增压阀30、第三卸压阀31、第十五自动控制阀32、第三三通阀33、第十六自动控制阀34、污氮气加热控制阀35、污氮气冷吹控制阀36、第四三通阀37、第五三通阀38、第六三通阀39、第七三通阀40、第八三通阀41、第九三通阀42、第一双向转换阀43、第二双向转换阀44、污氮气余热回收通道第一支路45、污氮气余热回收通道第二支路46、污氮气加热通道47、污氮气冷吹通道48、污氮气余热回收通道49、污氮气放空通道50、污氮气放空通道第一支路51、第一制冷剂通道52、第二制冷剂通道53、空气出口通道54、空气进口通道55。
具体实施方式
下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，一种基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其包括第一分子筛吸附器1、第二分子筛吸附器2、第三分子筛吸附器3、电加热器4、第一热化学反应器5、第一储液器6、第二热化学反应器7、第二储液器8、污氮气余热回收通道第一支路45、污氮气余热回收通道第二支路46、污氮气加热通道47、污氮气冷吹通道48、污氮气余热回收通道49、污氮气放空通道50、污氮气放空通道第一支路51、第一制冷剂通道52、第二制冷剂通道53、空气出口通道54、空气进口通道55。
第一分子筛吸附器1一端的管路分为三条支路，其中第一支路连接污氮气加热通道47，且第一支路上设有第一自动控制阀10，第二支路连接污氮气冷吹通道48，且第二支路上设有第二自动控制阀11，第三支路连接空气出口通道54，且第三支路上设有第三自动控制阀12；第一分子筛吸附器1的另一端的管路分为四条支路，第一支路和第二支路分别连接空气进口通道55，且第一支路上设有第十自动控制阀19，第二支路上设有第一增压阀20，第三支路上设有第一卸压阀21，第四支路上设有第十一自动控制阀22，第三支路和第四支路汇合后连接第一三通阀23的进口通道，第一三通阀23的另外两个出口通道分别连接污氮气余热回收通道49和污氮气放空通道50，污氮气放空通道50末端直接放空；第二分子筛吸附器2和第三分子筛吸附器3的两端以与第一分子筛吸附器1相同的方式连接各通道；
进入空分纯化装置的污氮进气管路分成两路，一路接入污氮气冷吹通道48，污氮气冷吹通道48上设有污氮气冷吹控制阀36；另一路经过污氮气加热控制阀35后连接第九三通阀42的第一接口，污氮气余热回收通道49的末端连接第四三通阀37的第一接口，第九三通阀42和第四三通阀37之间设有污氮气余热回收通道第一支路45和污氮气余热回收通道第二支路46；
污氮气余热回收通道第一支路45依次连接第四三通阀37的第二接口、第五三通阀38的第一接口、第五三通阀38的第二接口、第一热化学反应器5、第二储液器8、第七三通阀40的第一接口、第七三通阀40的第二接口、第九三通阀42的第二接口；
污氮气余热回收通道第二支路46依次连接第四三通阀37的第三接口、第六三通阀39的第一接口、第六三通阀39的第二接口、第二热化学反应器7、第一储液器6、第八三通阀41的第一接口、第八三通阀41的第二接口、第九三通阀42的第三接口；
第五三通阀38的第三接口和第六三通阀39的第三接口通过管路汇合后接入污氮气加热通道47，污氮气加热通道47上设有第十六自动控制阀34和电加热器4；
第七三通阀40的第三接口和第八三通阀41的第三接口通过管路汇合后接入污氮气放空通道第一支路51放空；
第一制冷剂通道52依次连接第一热化学反应器5、第一双向转换阀43、第一储液器6，构成第一热化学储热装置；
第二制冷剂通道53依次连接第二热化学反应器7、第二双向转换阀44、第二储液器8，构成第二热化学储热装置；
第一热化学反应器5、第一储液器6、第二热化学反应器7、第二储液器8内部均装有换热盘管，盘管间填充热化学吸附剂或液态制冷剂；
待净化的空气从空气进口通道55通入；净化后的空气从空气出口通道54排出。
在上述空分纯化装置中，第一热化学反应器5、第一储液器6、第二热化学反应器7、第二储液器8、第四三通阀37、第五三通阀38、第六三通阀39、第七三通阀40、第八三通阀41、第九三通阀42、第一双向转换阀43、第二双向转换阀44、第一制冷剂通道52、第二制冷剂通道53、污氮气余热回收通道第一支路45、污氮气余热回收通道第二支路46构成双耦合热化学储热系统。
在上述空分纯化装置中，第一分子筛吸附器1、第二分子筛吸附器2、第三分子筛吸附器3三者并联运行，通过相互切换实现纯化过程的连续、低耗运行。
在上述空分纯化装置中，第一分子筛吸附器1、第二分子筛吸附器2和第三分子筛吸附器3出口的污氮，在加热解吸过程中通过污氮气放空通道50排出，在冷吹过程中通过污氮气余热回收通道49进入所述双耦合热化学储热系统，最终从污氮气放空通道第一支路51放空。
在上述空分纯化装置中，污氮气放空通道50与污氮气放空通道第一支路51的末端装有消音器9，用于对排放口进行噪音消除。
在上述空分纯化装置中，第一热化学反应器5和第二储液器8、第二热化学反应器7与第一储液器6，两两组合使用，共同实现对冷吹污氮气的余热回收或者对再生污氮气的预热。
在上述空分纯化装置中，第一双向转换阀43、第二双向转换阀44分别用于调节第一热化学储热装置和第二热化学储热装置。
分子筛吸附器采用双层床配置，外侧为活性氧化铝吸附床，内侧为分子筛吸附床，两层床体均呈中空的圆柱形，同轴嵌套。因此，在上述空分纯化装置中，第一热化学反应器5、第二热化学反应器7内部的热化学吸附剂再生温度小于三个分子筛吸附器中活性氧化铝和分子筛吸附剂再生温度。
基于上述空分纯化装置，还可以提供一种利用三吸附器空分纯化装置的空分纯化方法，其步骤如下：
在双耦合热化学储热系统中，通过阀切换使其按模式Ⅰ和模式Ⅱ交替运行运行，其中：
模式Ⅰ：分子筛吸附器中排出的冷吹污氮进入污氮气余热回收通道第一支路45，首先通过盘管加热第一热化学反应器5，使其中的制冷剂解吸后通过第一制冷剂通道52进入第一储液器6内冷凝，随后冷吹污氮继续流经第二储液器8，使其中的制冷剂经第二制冷剂通道53进入第二热化学反应器7内吸附，第二储液器8内部的制冷剂蒸发制冷，继续对冷吹污氮余热进行深度回收，冷吹污氮最终经过放空通道第一支路51放空；同时，用于加热再生的再生污氮经过第九三通阀42进入污氮气余热回收通道第二支路46，首先经过第一储液器6，使其中的制冷剂冷凝释放冷凝热，随后再生污氮继续进入第二热化学反应器7，使其中的制冷剂被热化学吸附剂并释放吸附热，再生污氮气完成预热后进入污氮气加热通道47；
模式Ⅱ：分子筛吸附器中排出的冷吹污氮进入污氮气余热回收通道第二支路46，首先通过盘管加热第二热化学反应器7，使其中的制冷剂解吸后通过第二制冷剂通道53进入第二储液器8内冷凝，随后冷吹污氮继续流经第一储液器6，使其中的制冷剂经第一制冷剂通道52进入第一热化学反应器5内吸附，第一储液器6内部的制冷剂蒸发制冷，继续对冷吹污氮余热进行深度回收，冷吹污氮最终经过放空通道第一支路51放空；同时，用于加热再生的再生污氮经过第九三通阀42进入污氮气余热回收通道第一支路45，首先经过第二储液器8，使其中的制冷剂冷凝释放冷凝热，随后再生污氮继续进入第一热化学反应器5，使其中的制冷剂被热化学吸附剂并释放吸附热，再生污氮气完成预热后进入污氮气加热通道47；
空分纯化装置其余部分的运行步骤如下：
1)首先，第一分子筛吸附器1开始处于吸附状态，第二分子筛吸附器2处于加热解吸结束状态，第三分子筛吸附器3处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第二分子筛吸附器2冷吹开始；通过阀切换，使第二分子筛吸附器2开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器4进一步加热，达到设定温度要求后，进入第三分子筛吸附器3开始加热再生；第三分子筛吸附器3再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第二分子筛吸附器2冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
2)然后，第二分子筛吸附器2开始处于吸附状态，第三分子筛吸附器3处于加热解吸结束状态，第一分子筛吸附器1处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第三分子筛吸附器3冷吹开始；通过阀切换，使第三分子筛吸附器3开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器4进一步加热，达到设定温度要求后，进入第一分子筛吸附器1开始加热再生；第一分子筛吸附器1再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第三分子筛吸附器3冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
3)再后，第三分子筛吸附器3开始处于吸附状态，第一分子筛吸附器1处于加热解吸结束状态，第二分子筛吸附器2处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第一分子筛吸附器1冷吹开始；通过阀切换，使第一分子筛吸附器1开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器4进一步加热，达到设定温度要求后，进入第二分子筛吸附器2开始加热再生；第二分子筛吸附器2再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第一分子筛吸附器1冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
4)不断循环步骤1)～3)，完成空分纯化。
在该空分纯化过程中，加热再生过程完成后，电加热器4停止加热。
上述各步骤中，通过不同的阀切换操作能够转变不同分子筛吸附器的工作状态，下面具体详述不同阶段的阀切换操作的流程：
假设当前时段，第一分子筛吸附器1开始处于工作状态，第二分子筛吸附器2加热解吸结束等待冷吹，第三分子筛吸附器3吸附结束，未卸压。
阀门当前状态：第三自动控制阀12、第十自动控制阀19、第十三自动控制阀27、第十六自动控制阀34、污氮气加热控制阀35、污氮气冷吹控制阀36、第一双向转换阀43、第二双向转换阀44打开；
第一自动控制阀10、第二自动控制阀11、第四自动控制阀13、第五自动控制阀14、第六自动控制阀15、第七自动控制阀16、第八自动控制阀17、第九自动控制阀18、第一增压阀20、第一卸压阀21、第十一自动控制阀22、第十二自动控制阀24、第二增压阀25、第二卸压阀26、第十四自动控制阀29、第三增压阀30、第三卸压阀31关闭；
第一三通阀23连接污氮气余热回收通道49，第二三通阀28连接污氮气放空通道50，第三三通阀33连接污氮气余热回收通道49。
双耦合热化学储热系统包括以下两种运行模式：
模式Ⅰ：1)第四三通阀37连通污氮气余热回收通道49和污氮气余热回收通道第一支路45，第五三通阀38连通污氮气余热回收通道第一支路45，第七三通阀40连通污氮气余热回收通道第一支路45和污氮气放空通道第一支路51。2)第九三通阀42、第六三通阀39连通污氮气余热回收通道第二支路46和污氮气加热通道47，第八三通阀41连通污氮气余热回收通道第二支路46。3)排出的污氮气经通道49进入污氮气余热回收通道第一支路45，首先通过盘管加热第一热化学反应器5，制冷剂解吸后通过第一制冷剂通道52进入第一储液器6内冷凝，随后冷吹污氮流经第二储液器8，制冷剂经第二制冷剂通道53进入第二热化学反应器7内吸附，第二储液器8内的制冷剂蒸发制冷，继续对冷吹污氮余热进行深度回收。4)用于加热再生的污氮进入污氮气余热回收通道第二支路46，首先经过第一储液器6，制冷剂冷凝释放冷凝热，随后进入第二热化学反应器7，制冷剂被热化学吸附剂并释放吸附热，再生污氮气完成预热。
模式Ⅱ：1)第四三通阀37连通污氮气余热回收通道49和污氮气余热回收通道第二支路46，第六三通阀39连通污氮气余热回收通道第二支路46，第八三通阀41连通污氮气余热回收通道第二支路46和污氮气放空通道第一支路51。2)第九三通阀42、第五三通阀38连通污氮气余热回收通道第一支路45和污氮气加热通道47，第七三通阀40连通污氮气余热回收通道第一支路45。3)排出的污氮气经通道49进入污氮气余热回收通道第二支路46，首先通过盘管加热第二热化学反应器7，制冷剂解吸后通过第二制冷剂通道53进入第二储液器8内冷凝，随后冷吹污氮流经第一储液器6，制冷剂经第一制冷剂通道52进入第一热化学反应器5内吸附，第一储液器6内的制冷剂蒸发制冷，继续对冷吹污氮余热进行深度回收。4)用于加热再生的污氮进入污氮气余热回收通道第一支路45，首先经过第二储液器8，制冷剂冷凝释放冷凝热，随后进入第一热化学反应器5，制冷剂被热化学吸附剂并释放吸附热，再生污氮气完成预热。
以上两种模式通过阀切换，交替运行。空分纯化装置其余部分的运行步骤如下：
阶段Ⅰ：第一分子筛吸附器1开始处于吸附状态。
1)第三分子筛吸附器3开始卸压，第三三通阀33转向污氮气放空通道50，第三卸压阀31打开，卸压过程结束后，第三卸压阀31关闭，等待第二分子筛吸附器2冷吹过程开始。
2)第二分子筛吸附器2冷吹过程开始，第二三通阀28转向污氮气余热回收通道49，第五自动控制阀14打开。第二分子筛吸附器2冷吹过程排出的污氮气经通道49进入双耦合热化学储热系统进行放热，最后冷吹污氮气经污氮气放空通道第一支路51放空。
3)第三分子筛吸附器3加热再生过程开始，第七自动控制阀16、第十五自动控制阀32打开。用于加热再生的污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器4进一步加热，达到设定温度要求后，进入第三分子筛吸附器3开始加热再生；加热过程结束时，电加热器4停止运行，第七自动控制阀16关闭。
4)第二分子筛吸附器2冷吹过程结束，第五自动控制阀14、第十三自动控制阀27关闭，第二增压阀25打开，第二分子筛吸附器2开始升压，升压结束后，第二增压阀25关闭，第六自动控制阀15、第十二自动控制阀24打开，第二分子筛吸附器2开始与第一分子筛吸附器1并行工作。随后第三自动控制阀12、第十自动控制阀19关闭，第一分子筛吸附器1结束吸附状态。
阶段Ⅱ：第二分子筛吸附器2开始处于吸附状态。
1)第一分子筛吸附器1开始卸压，第一三通阀23转向污氮气放空通道50，第一卸压阀21打开，卸压过程结束时，第一卸压阀21关闭，等待第三分子筛吸附器3冷吹过程的开始。
2)第三分子筛吸附器3冷吹过程开始，第三三通阀33转向污氮气余热回收通道49，第八自动控制阀17打开。第三分子筛吸附器3冷吹过程排出的污氮气经通道49进入双耦合热化学储热系统进行放热，最后冷吹污氮气经污氮气放空通道第一支路51放空。
3)第一分子筛吸附器1加热再生过程开始，第一自动控制阀10、第十一自动控制阀22打开。用于加热再生的污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器4进一步加热，达到设定温度要求后，进入第一分子筛吸附器1解吸再生。加热过程结束时，电加热器4停止运行，第一自动控制阀10关闭。
4)第三分子筛吸附器3冷吹过程结束，第八自动控制阀17、第十五自动控制阀32关闭，第三增压阀30打开，第三分子筛吸附器3升压开始，升压结束时，第三增压阀30关闭，第九自动控制阀18、第十四自动控制阀29打开，第三分子筛吸附器3开始与第二分子筛吸附器2并行工作。随后第六自动控制阀15、第十二自动控制阀24关闭，第二分子筛吸附器2结束吸附状态。
阶段Ⅲ：第三分子筛吸附器3开始处于吸附状态。
1)第二分子筛吸附器2开始卸压，第二三通阀28转向污氮气放空通道50，第二卸压阀26打开，卸压过程结束时，第二卸压阀26关闭。等待第一分子筛吸附器1冷吹过程开始。
2)第一分子筛吸附器1冷吹过程开始，第一三通阀23转向污氮气余热回收通道49，第二自动控制阀11打开。第一分子筛吸附器1冷吹过程排出的污氮气经通道49进入双耦合热化学储热系统进行放热，最后冷吹污氮气经污氮气放空通道第一支路51放空。
3)第二分子筛吸附器2加热再生过程开始，第四自动控制阀13、第十三自动控制阀27打开。用于加热再生的污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器4进一步加热，达到设定温度要求后，进入第二分子筛吸附器2解吸再生。加热过程结束时，电加热器4停止运行，第四自动控制阀13关闭。
4)第一分子筛吸附器1冷吹过程结束，第二自动控制阀11、第十一自动控制阀22关闭，第一增压阀20打开，第一分子筛吸附器1开始升压，升压结束时，第一增压阀20关闭，第三自动控制阀12、第十自动控制阀19打开，第一分子筛吸附器1开始与第三分子筛吸附器3并行运行。随后第九自动控制阀18、第十四自动控制阀29关闭，第三分子筛吸附器3结束吸附状态。
再次进入阶段Ⅰ，完成循环。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉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，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其特征在于：包括第一分子筛吸附器(1)、第二分子筛吸附器(2)、第三分子筛吸附器(3)、电加热器(4)、第一热化学反应器(5)、第一储液器(6)、第二热化学反应器(7)、第二储液器(8)、污氮气余热回收通道第一支路(45)、污氮气余热回收通道第二支路(46)、污氮气加热通道(47)、污氮气冷吹通道(48)、污氮气余热回收通道(49)、污氮气放空通道(50)、污氮气放空通道第一支路(51)、第一制冷剂通道(52)、第二制冷剂通道(53)、空气出口通道(54)、空气进口通道(55)；
所述的第一分子筛吸附器(1)一端的管路分为三条支路，其中第一支路连接污氮气加热通道(47)，且第一支路上设有第一自动控制阀(10)，第二支路连接污氮气冷吹通道(48)，且第二支路上设有第二自动控制阀(11)，第三支路连接空气出口通道(54)，且第三支路上设有第三自动控制阀(12)；第一分子筛吸附器(1)的另一端的管路分为四条支路，第一支路和第二支路分别连接空气进口通道(55)，且第一支路上设有第十自动控制阀(19)，第二支路上设有第一增压阀(20)，第三支路上设有第一卸压阀(21)，第四支路上设有第十一自动控制阀(22)，第三支路和第四支路汇合后连接第一三通阀(23)的进口通道，第一三通阀(23)的另外两个出口通道分别连接污氮气余热回收通道(49)和污氮气放空通道(50)，污氮气放空通道(50)末端直接放空；第二分子筛吸附器(2)和第三分子筛吸附器(3)的两端以与第一分子筛吸附器(1)相同的方式连接各通道；
进入空分纯化装置的污氮进气管路分成两路，一路接入污氮气冷吹通道(48)，污氮气冷吹通道(48)上设有污氮气冷吹控制阀(36)；另一路经过污氮气加热控制阀(35)后连接第九三通阀(42)的第一接口，污氮气余热回收通道(49)的末端连接第四三通阀(37)的第一接口，第九三通阀(42)和第四三通阀(37)之间设有污氮气余热回收通道第一支路(45)和污氮气余热回收通道第二支路(46)；
污氮气余热回收通道第一支路(45)依次连接第四三通阀(37)的第二接口、第五三通阀(38)的第一接口、第五三通阀(38)的第二接口、第一热化学反应器(5)、第二储液器(8)、第七三通阀(40)的第一接口、第七三通阀(40)的第二接口、第九三通阀(42)的第二接口；
污氮气余热回收通道第二支路(46)依次连接第四三通阀(37)的第三接口、第六三通阀(39)的第一接口、第六三通阀(39)的第二接口、第二热化学反应器(7)、第一储液器(6)、第八三通阀(41)的第一接口、第八三通阀(41)的第二接口、第九三通阀(42)的第三接口；
第五三通阀(38)的第三接口和第六三通阀(39)的第三接口通过管路汇合后接入污氮气加热通道(47)，污氮气加热通道(47)上设有第十六自动控制阀(34)和电加热器(4)；
第七三通阀(40)的第三接口和第八三通阀(41)的第三接口通过管路汇合后接入污氮气放空通道第一支路(51)放空；
第一制冷剂通道(52)依次连接第一热化学反应器(5)、第一双向转换阀(43)、第一储液器(6)，构成第一热化学储热装置；
第二制冷剂通道(53)依次连接第二热化学反应器(7)、第二双向转换阀(44)、第二储液器(8)，构成第二热化学储热装置；
第一热化学反应器(5)、第一储液器(6)、第二热化学反应器(7)、第二储液器(8)内部均装有换热盘管，盘管间填充热化学吸附剂或液态制冷剂；
待净化的空气从空气进口通道(55)通入；净化后的空气从空气出口通道(54)排出。
2.根据权利要求1所述的基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其特征在于：所述的第一热化学反应器(5)、第一储液器(6)、第二热化学反应器(7)、第二储液器(8)、第四三通阀(37)、第五三通阀(38)、第六三通阀(39)、第七三通阀(40)、第八三通阀(41)、第九三通阀(42)、第一双向转换阀(43)、第二双向转换阀(44)、第一制冷剂通道(52)、第二制冷剂通道(53)、污氮气余热回收通道第一支路(45)、污氮气余热回收通道第二支路(46)构成双耦合热化学储热系统。
3.根据权利要求1所述的基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其特征在于：第一分子筛吸附器(1)、第二分子筛吸附器(2)、第三分子筛吸附器(3)三者并联运行，通过相互切换实现纯化过程的连续、低耗运行。
4.根据权利要求1所述的基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其特征在于：第一分子筛吸附器(1)、第二分子筛吸附器(2)和第三分子筛吸附器(3)出口的污氮，在加热解吸过程中通过污氮气放空通道(50)排出，在冷吹过程中通过污氮气余热回收通道(49)进入所述双耦合热化学储热系统，最终从污氮气放空通道第一支路(51)放空。
5.根据权利要求1所述的基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其特征在于：污氮气放空通道(50)与污氮气放空通道第一支路(51)的末端装有消音器(9)，用于对排放口进行噪音消除。
6.根据权利要求1所述的基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其特征在于：第一热化学反应器(5)和第二储液器(8)、第二热化学反应器(7)与第一储液器(6)，两两组合使用，共同实现对冷吹污氮气的余热回收或者对再生污氮气的预热。
7.根据权利要求1所述的基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其特征在于：第一双向转换阀(43)、第二双向转换阀(44)分别用于调节第一热化学储热装置和第二热化学储热装置。
8.根据权利要求1所述的基于双耦合热化学储热系统的三吸附器空分纯化装置，其特征在于：第一热化学反应器(5)、第二热化学反应器(7)内部的热化学吸附剂再生温度小于三个分子筛吸附器中的活性氧化铝和分子筛吸附剂再生温度。
9.一种如权利要求1～8任一所述空分纯化装置的空分纯化方法，其特征在于，步骤如下：
在所述双耦合热化学储热系统中，通过阀切换使其按模式Ⅰ和模式Ⅱ交替运行运行，其中：
模式Ⅰ：分子筛吸附器中排出的冷吹污氮进入污氮气余热回收通道第一支路(45)，首先通过盘管加热第一热化学反应器(5)，使其中的制冷剂解吸后通过第一制冷剂通道(52)进入第一储液器(6)内冷凝，随后冷吹污氮继续流经第二储液器(8)，使其中的制冷剂经第二制冷剂通道(53)进入第二热化学反应器(7)内吸附，第二储液器(8)内部的制冷剂蒸发制冷，继续对冷吹污氮余热进行深度回收，冷吹污氮最终经过放空通道第一支路(51)放空；同时，用于加热再生的再生污氮经过第九三通阀(42)进入污氮气余热回收通道第二支路(46)，首先经过第一储液器(6)，使其中的制冷剂冷凝释放冷凝热，随后再生污氮继续进入第二热化学反应器(7)，使其中的制冷剂被热化学吸附剂并释放吸附热，再生污氮气完成预热后进入污氮气加热通道(47)；
模式Ⅱ：分子筛吸附器中排出的冷吹污氮进入污氮气余热回收通道第二支路(46)，首先通过盘管加热第二热化学反应器(7)，使其中的制冷剂解吸后通过第二制冷剂通道(53)进入第二储液器(8)内冷凝，随后冷吹污氮继续流经第一储液器(6)，使其中的制冷剂经第一制冷剂通道(52)进入第一热化学反应器(5)内吸附，第一储液器(6)内部的制冷剂蒸发制冷，继续对冷吹污氮余热进行深度回收，冷吹污氮最终经过放空通道第一支路(51)放空；同时，用于加热再生的再生污氮经过第九三通阀(42)进入污氮气余热回收通道第一支路(45)，首先经过第二储液器(8)，使其中的制冷剂冷凝释放冷凝热，随后再生污氮继续进入第一热化学反应器(5)，使其中的制冷剂被热化学吸附剂并释放吸附热，再生污氮气完成预热后进入污氮气加热通道(47)；
空分纯化装置其余部分的运行步骤如下：
1)首先，第一分子筛吸附器(1)开始处于吸附状态，第二分子筛吸附器(2)处于加热解吸结束状态，第三分子筛吸附器(3)处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第二分子筛吸附器(2)冷吹开始；通过阀切换，使第二分子筛吸附器(2)开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器(4)进一步加热，达到设定温度要求后，进入第三分子筛吸附器(3)开始加热再生；第三分子筛吸附器(3)再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第二分子筛吸附器(2)冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
2)然后，第二分子筛吸附器(2)开始处于吸附状态，第三分子筛吸附器(3)处于加热解吸结束状态，第一分子筛吸附器(1)处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第三分子筛吸附器(3)冷吹开始；通过阀切换，使第三分子筛吸附器(3)开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器(4)进一步加热，达到设定温度要求后，进入第一分子筛吸附器(1)开始加热再生；第一分子筛吸附器(1)再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第三分子筛吸附器(3)冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
3)再后，第三分子筛吸附器(3)开始处于吸附状态，第一分子筛吸附器(1)处于加热解吸结束状态，第二分子筛吸附器(2)处于吸附饱和状态，通过阀切换卸压后等待第一分子筛吸附器(1)冷吹开始；通过阀切换，使第一分子筛吸附器(1)开始冷吹，排出的冷吹污氮进入双耦合热化学储热系统放热后排出，用于加热再生的再生污氮进入双耦合热化学储热系统进行预热，然后经过电加热器(4)进一步加热，达到设定温度要求后，进入第二分子筛吸附器(2)开始加热再生；第二分子筛吸附器(2)再生完成后，通过阀切换准备冷吹；第一分子筛吸附器(1)冷吹结束后，通过阀切换开始升压；
4)不断循环步骤1)～3)，完成空分纯化。
10.如权利要求9所述的空分纯化方法，其特征在于，加热再生过程完成后，电加热器(4)停止加热。
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