CN113184851A - 一种保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体分离技术领域，具体为一种保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的方法及装置。本发明采用甲醇或醇水发电机提供电力；发电机发电时产生的废气为含二氧化碳、氮、氧、水分的混合气，其中二氧化碳含量为13%左右；采用二氧化碳吸附剂基于变压吸附的方法，将较低纯度的二氧化碳的混合气体提纯至高纯度的二氧化碳气体，并加压液化；所述高纯度的二氧化碳气体，其二氧化碳含量为70～90%；并在10～20℃、3～6.5MPa压力下条件下将混合气中的二氧化碳液化，将液态二氧化碳送储槽；发电机提供的电力和发电机排出的废气经分离、压缩、制冷得到液态二氧化碳，提供野外作业现场使用。本发明所用原料来源广泛，价格便宜，易于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种在野外（焊接）作业时保障电力与二氧化碳供应的方法及装置。
背景技术
焊接施工作业，需要有二氧化碳保护。在野外进行焊接施工作业场景，或者远离工业供应链时的焊接施工作业场景，二氧化碳(CO2)难以即时保障，往往需要从数千公里转运，非常不便；而同时，施工过程还需要必要的电力。因此急需一种能够简单、可行、可现场保障电力和二氧化碳需求的解决方案。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种简单、方便、可保障野外作业现场电力和二氧化碳供应的方法及装置。
本发明将现场资源甲醇、水源为原料（该原料较为容易取得），首先通过甲醇或醇水发电机提供电力，以满足野外现场施工的电力需求；而甲醇或醇水燃烧产生的含二氧化碳的混合气，则采用基于变压吸附技术的二氧化碳提纯工艺，从混合气中提取二氧化碳气体，然后加压液化成液态二氧化碳，以满足野外现场施工所需的二氧化碳需求；整个系统采用方舱/集装箱布置，作为现场保障机具。
本发明提供的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的方法，采用如公知技术的甲醇或醇水发电机提供电力，不排除采用柴油、汽油燃料的发电机；这些原料都较为容易取得；发电机发电时产生的废气为含二氧化碳、氮、氧、水分的混合气，其中二氧化碳含量为13%左右；采用二氧化碳吸附剂基于变压吸附的方法，将含二氧化碳的混合气体提纯至高纯度的二氧化碳气体并加压液化；所述高纯度的二氧化碳气体，其中二氧化碳含量为70～90%；并在10～20℃、3～6.5MPa压力下条件下将混合气中的二氧化碳液化，将液态二氧化碳送储槽备用。
本发明方法，在采用变压吸附方法提纯二氧化碳气体并将提纯后的产品气液化时，其不凝气体主要为氮气、氧气，将直接排向外部。
本发明的方法，所需的电力来自发电机供电，富余电力输出供现场其它施工机具使用。
基于上述方法，本发明提供的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置，参见图1所示，包括：
（1）至少一套甲醇或醇/水发电机系统，发电机系统将原料甲醇转化为电力，并排出含二氧化碳的混合气（其余为氮气、氧气，水气等），优选以甲醇为燃料，但并不排除采用柴油、汽油等燃料，只要其产生的废气含有二氧化碳；
（2）至少一套二氧化碳提纯装置，用于将含氮气、氧气、水分的底纯度二氧化碳混合气提纯至更高纯度的二氧化碳混合气体；
（3）至少一套加压/制冷液化装置，用于将二氧化碳提纯装置提取的高纯度的二氧化碳混合气体制冷、加压液化为液态二氧化碳；
（4）至少一套二氧化碳储存装置（储槽），作为二氧化碳液化储存设施，为现场施工提供缓存备用；
（5）至少一套电池组，用以为装置启动提供初始电力，以及作为电力缓存；该电池组应预先充满电力；
（6）至少一套控制以及电力管理模块，为整套系统提供控制、电力管理；
（7）必要的连接管线、布线电缆。
本发明装置集成布置安装在一个集装箱内，配套有相应的控制、检测设备，包括但不限于散热通风、减震降噪设施，形成一个完整的现场保障机具，全面满足野外现场施工所需的电力、二氧化碳需求。
本发明中，所述二氧化碳提纯装置采用基于变压吸附机理的变压吸附分离器，变压吸附分离器装有二氧化碳吸附剂；所述二氧化碳吸附剂可选用13X或其它改性的具有平衡吸附特性可再生的吸附剂。
本发明中，所述加压/制冷液化装置，包括依次连接的压缩机、冷媒换热器、过滤器、液化器。
本发明装置的工作流程如下：
（1）对电池组预先充满电力（比如，可以在每次工作结束时预先充满电力），用于为控制及电力管理模块提供初始电力；
（2）加入甲醇，注入水（如需），发电机启动，在控制及电力管理模块的作用下输出电力，排出含二氧化碳的混合气；
（3）发电机输出分两路：一路输出电力，在控制及电力管理模块作用下充电、放电，对内/外提供电力；另一路输出含二氧化碳的混合气送二氧化碳提纯装置，在控制及电力管理模块的作用下提取纯度更高的二氧化碳混合气；
（4）发电机首先充满电池组，并接受控制及电力管理模块的作用对外输出电力，以满足装置本身的电力需求，富余电力送现场其它用电负载使用；
（5）二氧化碳提纯装置在控制及电力管理模块的作用下提取的更高纯度的二氧化碳混合气体被送入加压/制冷液化模块，完成液化，然后送入二氧化碳储存装置（储槽）备用，可满足现场二氧化碳保护焊接等需求；同时，加压/制冷液化模块的不凝气体主要是氮气、氧气、水分等，直接排空。
本发明中，关于产品气体二氧化碳的液化，二氧化碳的基本物性数据如下表1所示：
表1 二氧化碳的基本物性数据
显然，温度越低，气液相变所需的压力越小，但温度、压力的达成，均需要消耗大量的制冷、压缩能源，本发明优选采用冷媒水为冷源，通常比较容易低成本的获得，比如，采用典型的上水温度3℃（如能更低，则更好）、回水温度10℃进行液化，可最大限度的降低液化的压缩功耗，综合考虑低温液化、储存的功效；
另如下表2，10℃时，含量为30%、70%的二氧化碳气体，达到二氧化碳冷凝所需的压力分别为15MPa、6.5MPa，差别极大；随着二氧化碳浓度的增加，典型的如70%的二氧化碳与纯组分二氧化碳液化压力接近，分别为6.5/4.5MPa，提纯系统尽可能将纯度做高，可大大降低液化操作压力，选型6.5MPa液化，兼顾了低温制冷与高压压缩的功效。
表2 二氧化碳浓度与操作压力对照表
因此，优选提纯系统首先获得60～85%的二氧化碳纯度的混合气，并选取1～15℃、3～7.5MPa条件下进行液化，可取得良好的经济性。
以上所描述的装置中，可作出各种不同变动而不会背离本发明的范围。
附图说明
图1是本发明的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置示意图。
图中标号：1是甲醇或者醇水发电机， 2是电池组， 3是一套控制以及电力管理模块， 4是二氧化碳提纯装置， 5是加压/制冷液化装置， 6是二氧化碳储存装置（储槽），7是系统集成后的集装箱。
具体实施方式
保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置，如图1所示。典型的运行步骤如下：
（1）电池组2预先充满了电力（比如，可以在每次工作结束时预先充满电力），可为控制及电力管理模块提供初始电力；
（2）加入甲醇，注入水（如需），发电机1启动，在控制及电力管理模块3的作用下输出电力，以及自排出的废气输出含二氧化碳的混合气（其余为氮气、氧气、水分等）；
（3）其中，一路在控制及电力管理模块3的作用下充电、放电对内/外提供电力；另外一路（烟道气）送二氧化碳提纯装置4在控制及电力管理模块3的作用下提取纯度较高的二氧化碳混合气；
（4）发电机首先充满电池组2并接受控制及电力管理模块3的作用对外输出电力，以满足系统本身的电力需求，富余电力送现场其它用电负载使用；
（5）二氧化碳提纯装置4在控制及电力管理模块3的作用下提取的较高纯度的二氧化碳被送入加压/制冷液化模块5完成液化，然后送入储槽6备用，可满足现场二氧化碳保护焊接等需求；同时，加压/制冷液化模块5的不凝气体主要是氮气、氧气、水分直接排空；
以上，所有系统集成布置安装在一个集装箱内，配套有相应的控制、检测设备，形成一个完整的现场保障机具，全面满足野外现场施工所需的电力、二氧化碳需求。
上面所描述的实施方法仅阐述本发明的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本发明结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本发明的一个应用实例，一切不违反本专利阐述的实质的其它变化也属于本发明的范畴，本发明的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。
Claims (7)
1.一种保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的方法，其特征在于，采用甲醇或醇水发电机提供电力，发电机发电时产生的废气为含二氧化碳、氮、氧、水分的混合气，其中二氧化碳含量为13%左右；采用二氧化碳吸附剂基于变压吸附的方法，将含二氧化碳的混合气体提纯至高纯度的二氧化碳气体并加压液化；所述高纯度的二氧化碳气体，其中二氧化碳含量为70～90%；并在10～20℃、3～6.5MPa压力下条件下将混合气中的二氧化碳液化，将液态二氧化碳送储槽备用；
其中，在采用变压吸附方法提纯二氧化碳气体并将提纯后的产品气液化时，其不凝气体主要为氮气、氧气，直接排向外部；
所需的电力来自发电机供电，富余电力输出供现场其它施工机具使用。
2.基于权利要求1所述方法的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置，其特征在于，包括：
（1）至少一套甲醇或醇/水发电机系统，发电机系统将原料甲醇转化为电力，并排出含氮气、氧气、水分的低纯度二氧化碳混合气；
（2）至少一套二氧化碳提纯装置，用于将含氮气、氧气、水分的低纯度二氧化碳混合气提纯至更高纯度的二氧化碳混合气体；
（3）至少一套加压/制冷液化装置，用于将二氧化碳提纯装置提取的高纯度的二氧化碳混合气体制冷、加压液化为液态二氧化碳；
（4）至少一套二氧化碳储存装置，作为二氧化碳液化储存设施，为现场施工提供缓存备用；
（5）至少一套电池组，用以为装置启动提供初始电力，以及作为电力缓存；该电池组应预先充满电力；
（6）至少一套控制以及电力管理模块，为整套系统提供控制、电力管理；
（7）必要的连接管线、布线电缆。
3.根据权利要求2所述的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置，其特征在于，装置集成布置安装在一个集装箱内，配套有相应的控制、检测设备，并包括散热通风、减震降噪设施，形成一个完整的现场保障机具。
4.根据权利要求2所述的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置，其特征在于，所述二氧化碳提纯装置采用基于变压吸附机理的变压吸附分离器，变压吸附分离器装有二氧化碳吸附剂。
5.根据权利要求4所述的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置，其特征在于，所述二氧化碳吸附剂选用13X或其它改性的具有平衡吸附特性可再生的吸附剂。
6.根据权利要求2所述的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置，其特征在于，所述加压/制冷液化装置包括依次连接的压缩机、冷媒换热器、过滤器、液化器。
7.根据权利要求2-6之一所述的保障野外作业现场电力与二氧化碳供应的装置，其特征在于，其工作流程如下：
（1）对电池组预先充满电力，为控制及电力管理模块提供初始电力；
（2）加入甲醇，并注入水，发电机启动，在控制及电力管理模块的作用下输出电力，排出含二氧化碳的混合气；
（3）发电机输出分两路：一路输出电力，在控制及电力管理模块作用下充电、放电，对内、外提供电力；另一路输出含二氧化碳的混合气送二氧化碳提纯装置，在控制及电力管理模块的作用下提取纯度更高的二氧化碳混合气；
（4）发电机首先充满电池组，并接受控制及电力管理模块的作用对外输出电力，以满足装置本身的电力需求，富余电力送现场其它用电负载使用；
（5）二氧化碳提纯装置在控制及电力管理模块的作用下提取的更高纯度的二氧化碳混合气体被送入加压/制冷液化模块，完成液化，然后送入二氧化碳储存装置备用，以满足现场二氧化碳需求；同时，加压/制冷液化模块的不凝气体包括氮气、氧气、水分等，直接排空。
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