CN117308512A - 一种液化空气储能制氧集成方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液化空气储能制氧集成方法及系统，系统包括空气液化单元、分离制氧单元，气化发电单元、以及冷量交换单元。空气液化过程是将空气进行加压、冷却、膨胀液化的过程，所用电力由绿色电力提供。分离制氧过程在精馏塔中完成，储存的富氧液空为精馏塔提供连续的进料。气化发电是在没有绿色电力时，利用储存的贫氧液空气化、过热、膨胀做功发电的过程。整个系统中的冷量交换为多品位的、动态的冷量交换过程。本发明实现了煤化工过程中电力和氧气需求全部由绿色电力提供，煤化工过程中的能耗和碳排放大幅降低。同时实现了液化空气储能制氧集成系统中冷量的高效回收利用，并优化了集成工艺间的互补应用，提高系统整体循环效率。

Description

一种液化空气储能制氧集成方法及系统
技术领域
本发明涉及可再生能源/绿电与煤化工耦合技术领域，具体涉及一种液化空气储能制氧集成方法及系统。
背景技术
可再生能源是绿色低碳能源，对于改善能源结构、保护生态环境、应对气候变化、实现经济社会可持续发展具有重要意义。传统煤化工作为典型的“高能耗、高排放”产业，加速可再生能源在煤化工产业中的大规模应用研究，推进可再生能源对煤炭的有序减量替代，实现绿色转型升级，才能在未来不被淘汰。
由于可再生能源发电本身具有波动性和不稳定性，而煤化工对长周期稳定运行的要求极为苛刻，要解决两者之间的矛盾，配套大规模储能技术的发展势在必行。现有大规模储能技术以抽水蓄能、压缩空气储能和液化空气储能为典型代表。抽水蓄能容量较大，技术成熟，但初始投资成本高，建设受到水资源、场地等诸多条件限制，应用场合有限。压缩空气储能需要利用废弃矿井或现有地下大容量空间作为高压储存容器，发展同样受到限制。液化空气储能(LAES)技术是以液态空气为储能介质，不受环境约束，具有储能规模大、能量密度高、安全环保卫生、装置占地小、调节灵活等优势。
在煤化工侧接入“储能模块”，将波动的绿色电力转化为稳定的电力输出，既可满足煤化工过程全部使用绿色电力，实现煤化工过程的“节能降耗”和“碳减排”。
中国专利CN112145248A提供一种具有储能、发电和物质回收功能的外压缩空分工艺流程，该工艺通过在常规空分外压缩工艺流程的基础上设置低温液空储存系统和空气释能发电系统，形成集气体分离、液空储存、空气发电和物质回收为一体的空分新工艺流程，实现空分设备和技术的规模化储能特性。该工艺流程通过利用廉价谷电资源将空分产能需求以外的气体资源进行液化和储存，释能期间，通过设置蓄冷循环和利用压缩余热，使储存物质及其气化过程释放的冷能得到充分回收，并输出电能，以降低空分设备对峰电期电能的需求，提高企业的经济效益。
中国专利CN210197867U公开了一种用于储释能的空气分离制氧装置，包括空气分离制氧装置和氮气膨胀发电装置，通过空分变负荷技术和液氮储能发电技术，长期稳定输出氧气产品，并于高峰用电时段输出电能。上述文件中，空气分离制氧装置为连续稳定操作过程，无法全部使用绿电，因此，氮气膨胀发电装置所提供的调峰电力，不能算是绿色电力。另外，氮气膨胀发电装置为间歇操作过程，严重影响空分精馏塔的稳定运行(全部抽液氮和不抽液氮两种工况，精馏过程所需要冷量差别非常大，精馏塔的平衡操作点会严重偏移)，实际很难实现。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种液化空气储能制氧集成方法及系统，将空气分离制氧与液化空气储能进行深度技术耦合，实现了煤化工过程中电力和氧气需求全部由绿色电力提供，同时，实现煤化工过程中的能耗和碳排放大幅降低。通过引入高效的多级动态储冷/释冷装置，实现了液化空气储能制氧集成系统中冷量的高效回收利用，并优化了集成工艺间的互补应用，提高系统整体循环效率。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种液化空气储能制氧集成系统，至少包括：
空气液化单元，包括过滤器(1)、增压机(2)、分子筛(3)、主压缩机(4)、透平膨胀机(5)及贫氧空气压缩机(8)，原料空气经依次连通的过滤器(1)、增压机(2)、分子筛(3)及主压缩机(4)得到加压后的净化空气，所述净化空气冷却后经透平膨胀机(5)得到气相流和液相流；所述气相流经贫氧空气压缩机(8)加压，冷却后得到液体；
分离制氧单元，包括富氧液空储罐(6)、富氧液空泵(7)、精馏下塔(9)、主冷器(10)、精馏上塔(11)、过冷器(12)以及液氧泵(14)；所述液相流进入富氧液空储罐(6)，经富氧液空泵(7)加压后进入精馏下塔(9)，主冷器(10)作为精馏下塔(9)的冷凝器和精馏上塔(11) 的再沸器，与两者连通，精馏下塔(9)得到的富氧液空经过冷器(12) 过冷后，进入精馏上塔(11)进行进一步精馏；所述精馏下塔(9)得到的低压氮气一部分作为热源进入主冷器(10)，另一部分复热后得到低压氮气；主冷器(10)出口的纯液氮一部分作为回流液，一部分经过冷器 (12)过冷后进入精馏上塔(11)顶部作为回流液；所述精馏上塔(11) 得到的液氧经液氧泵(14)压缩，复热后得到高压氧气；
气化发电单元，包括贫氧液空储罐(16)、贫氧液空泵(17)、过热器(18)和膨胀发电机(19)；所述空气液化单元冷却后得到的液体进入贫氧液空储罐(16)，并经贫氧液空泵(17)增压后气化，得到贫氧空气进入过热器(18)，过热后的贫氧空气进入膨胀发电机(19)发电；
冷量交换单元，包括多台串联的储冷/释冷装置(20)，用于储冷和释冷；所述空气液化单元中净化空气冷却及气相流冷却、分离制氧单元中氧气及氮气复热、气化发电单元中贫氧液空气化均在冷量交换单元中进行。
根据本发明的装置，所述空气液化单元还包括节流阀(15)，用于所述冷却后得到的液体节流进入贫氧液空储罐(16)。
根据本发明的装置，所述空气液化单元的增压机(2)和主压缩机(4) 均由可再生能源提供的绿色电力带动。
根据本发明的装置，所述分离制氧单元还包括氮气节流阀(13)，主冷器(10)出口的一部分液氮经过冷器(12)过冷后，经节流阀(13) 节流进入精馏上塔(11)顶部，作为其回流液。
根据本发明的装置，所述精馏上塔(11)顶部的污氮气经冷量交换单元回收冷量后放空。
根据本发明的装置，所述分离制氧单元中，过热器(18)的低位废热来自煤化工排放废气及压缩机后回收热量。
根据本发明的装置，所述空气液化单元只有在存在绿色电力时运行，实行间歇操作过程；所述分离制氧单元实行连续操作过程，所述气化发电单元在没有绿色电力时启动，也实行间歇操作过程。
根据本发明的装置，当实行储冷时，所述储冷/释冷装置(20)为储冷器，包括具有储冷介质的多级储冷床，用于冷流体进入，当冷量被储存在第一级储冷床达到最大储冷量时，冷流体在各级储冷床之间流通进行储冷循环。在具体的实施方式中，所述多级储冷床可包括深冷床(第一级)、中冷床(第二级)及预冷床(第三级)，所述深冷床作为第一级储冷床储存冷量，第三级预冷床是为了保证冷流体出口温度接近常温，以实现充分回收冷流体中冷量的目的。
根据本发明的装置，当实行释冷时，所述储冷/释冷装置(20)为释冷器，包括具有储冷介质的多级释冷床，用于热流体进入，当热量被释放在第一级释冷床达到最大释冷量时，热流体在各级释冷床之间流通进行释冷循环。在具体的实施方式中，所述多级释冷床可包括释冷床I、释冷床II及释冷床III，所述释冷床I作为第一级释冷床释放冷量，释冷床III作为最后一级是为了保证出口热流体被充分冷却，温度降至最低，热流体在释冷过程中最大程度的吸收冷量。
本发明另一方面还提供了一种液化空气储能制氧集成方法，包括如下步骤：
原料空气进入空气液化单元，经其中的过滤器(1)过滤除去杂质后，经增压机(2)压缩，进入分子筛(3)吸附空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分；吸附后的空气经主压缩机(4)加压、冷量交换单元被冷却，透平膨胀机(5)膨胀制冷后，得到的气液两相流进入富氧液空储罐(6)；液相的富氧液空储存在罐内，气相的贫氧液空经贫氧液空压缩机(8)继续加压，进入冷量交换单元被冷却至液体；
液相流富氧液空进行分离制氧，富氧液空储罐(6)中的液相流经富氧液空泵(7)加压后进入精馏下塔(9)，精馏下塔(9)中的上升气体通过与主冷器(10)提供的回流液氮接触，含氮量增加，主冷器(10) 中另一部分液氮在过冷器(12)中换热后送入精馏上塔(11)作回流液，精馏下塔(9)中富氧液空经过冷器(12)过冷后，进入精馏上塔(11) 进行进一步精馏；所述精馏上塔(11)得到的液氧经液氧泵压缩，经冷量交换单元复热后得到高压氧气；所述精馏下塔(9)得到的低压氮气一部分作为热源进入主冷器(10)，另一部分经冷量交换单元复热后得到低压氮气；
所述空气液化单元冷却后得到的液体进入贫氧液空储罐(16)，并经贫氧液空泵(17)增压后经冷量交换单元气化，得到贫氧空气进入过热器(18)，过热后的贫氧空气进入膨胀发电机(19)发电，过热器(18) 的低位废热来自煤化工排放废气及压缩机后回收热量。
根据本发明的方法，所述空气液化单元中冷却后得到的液体通过节流阀(15)节流进入贫氧液空储罐(16)。
根据本发明的方法，所述主冷器(10)中一部分纯液氮经过冷器(12) 冷却、氮气节流阀(13)节流进入精馏上塔(11)顶部，作为其回流液。
根据本发明的方法，所述精馏上塔(11)顶部的污氮气经冷量交换单元回收冷量后放空。
根据本发明的方法，所述空气液化单元中通过梯级液化粗分的得到富氧液空及贫氧液空。所述空气液化单元中空分通过压缩、冷却，膨胀液化，可粗分为富氧液空和贫氧空气，贫氧空气进一步压缩、冷却后得到贫氧液空。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明供了一种高效的液化空气储能制氧集成技术方案。所述集成工艺涉及空气液化、分离制氧、气化发电、以及冷量交换等工艺过程。当可再生能源发电时，一部分绿色电力供煤化工装置用电，另一部分用来液化空气和分离制氧；当没有可再生能源电力时，本发明系统储存的贫氧液空经气化、过热、膨胀发电，为煤化工提供调峰电力，储存的富氧液空为分离制氧提供连续进料，以保证稳定的氧气供应。
2、传统的空气分离制氧装置与传统的液化空气储能装置中的介质均是空气，本发明通过将两者空气液化过程进行技术合并，可以大幅降低储能装置的投资。
3、本发明通过梯级液化技术对空气进行粗分，控制压缩过程中空气压力不超过临界压力，干净的空气经加压、降温、节流膨胀后部分液化，以50％的液化率为例，可以生成氧含量30％的富氧液空，以及氧含量10％的贫氧液空。富氧液空进料可以大幅降低分离制氧单元精馏塔高度、塔板数和制氧成本。贫氧液空气化发电，大大地减少了储能发电过程氧气的损失。粗分空气的液化率可以根据装置所需氧气量和发电量进行调节。
4、本发明中分离制氧单元增加了富氧液空储罐，在空气液化单元全部使用绿电的同时，保证了分离制氧单元操作的连续性。
5、本发明空气液化和贫氧液空气化具有不同步性，为间歇操作过程，而液氧气化为连续操作过程，因此，系统中涉及多等级的动态冷量交换过程。又由于冷量交换的双方介质都是空气，且空气干净、环保、无污染，因此，系统中可以采用直接接触式的填充床进行冷量交换。
6、本发明中提出的多级动态储冷/释冷装置由多台填充床储/释冷器组成。储冷过程中，通过多级储冷器串联，使第一级储冷器的储存冷量达到最大值，且最后一级储冷器出口流体温度接近常温，保证冷量的充分回收，并通过顺序切换冷流体入口位置，使每一级储冷器都能达到最大储冷量，以减少储冷材料用量、减小储冷器尺寸，提高冷量回收效率。储冷器达到最大储冷量后，由储冷循环过程切出，变为释冷器，进入释冷循环。释冷循环过程原理同上，通过多级释冷器串联，使第一级释冷器的释放的冷量达到最大值，且最后一级释冷器出口流体温度接近释冷器最低温度，以保证冷量的充分释放，且冷却物流出口温度恒定为最低温度；并通过顺序切换冷流体入口位置，使每一级释冷器都能达到最大释冷量。待第一级释冷器接近常温时切出，变为储冷器，进入储冷循环过程。
综上，本发明是煤化工中的空分制氧单元与液化空气储能的深度技术耦合，实现由可再生能源向煤化工过程同时提供稳定的电力和稳定的氧气，并通过将两者空气液化过程进行技术合并，大幅降低储能装置的投资。上述集成技术的效率与系统中冷量能否充分回收息息相关，空分制氧是稳态、多品位的冷量交换，与液化空气储能耦合后，变为多级动态的冷量交换，因此，本发明中提出一种高效的多级动态储/释冷装置，旨在实现液化空气储能制氧集成工艺中冷量的充分交换，优化空气分离与液化空气储能工艺间的互补应用，提高冷量回收效率以及集成系统的整体效率。
附图说明
图1为本发明示例的一种液化空气储能制氧集成系统结构示意图。
图2为多级动态储冷/释冷装置的储冷过程示意图。
图3为多级动态储冷/释冷装置的释冷过程示意图。
标记说明：1.过滤器，2.增压机，3.分子筛，4.主压缩机，5.透平膨胀机， 6.富氧液空储罐，7.富氧液空泵，8.贫氧空气压缩机，9.精馏下塔，10. 主冷器，11.精馏上塔，12.过冷器，13.氮气节流阀，14.液氧泵， 15.空气节流阀，16.贫氧液空储罐，17.贫氧液空泵，18.过热器，19. 膨胀发电机，20.储冷/释冷装置，201.深冷床，202.中冷床，203.预冷床， 301.释冷床I，302.释冷床II，303.释冷床III。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的主要思路在于提供了一种液化空气储能制氧集成方法及系统，主要包括空气液化、分离制氧，气化发电、以及冷量交换过程。空气液化过程是将空气进行加压、冷却、膨胀液化的过程，所用电力全部由绿色电力提供，为间歇操作。分离制氧过程是在精馏塔中完成的，储存的富氧液空为精馏塔提供连续的进料，整个过程为连续、稳定操作过程。气化发电是在没有绿色电力时，利用储存的贫氧液空气化、过热、膨胀做功发电的过程，也为间歇操作过程。整个系统中的冷量交换为多品位的、动态的冷量交换过程，通过多台储冷/释冷器进行。
基于此，参照图1，本发明提供了一种液化空气储能制氧集成系统，包括：
空气液化单元，包括过滤器(1)、增压机(2)、分子筛(3)、主压缩机(4)、透平膨胀机(5)及贫氧空气压缩机(8)，原料空气经依次连通的过滤器(1)、增压机(2)、分子筛(3)及主压缩机(4)得到加压后的净化空气，所述净化空气冷却后经透平膨胀机得到气相流和液相流；所述气相流经贫氧空气压缩机(8)加压，冷却后得到液体；
分离制氧单元，包括富氧液空储罐(6)、富氧液空泵(7)、精馏下塔(9)、主冷器(10)、精馏上塔(11)、过冷器(12)以及液氧泵(14)；所述液相流进入富氧液空储罐(6)，经富氧液空泵(7)加压后进入精馏下塔(9)，主冷器(10)分别作为精馏下塔(9)的冷凝器和精馏上塔(11) 的再沸器，与两者连通；主冷器(10)中一部分纯液氮作为精馏下塔(9) 的回流液，另一部分纯液氮经过冷器(12)冷却后，再经节流阀(13) 节流后送入精馏上塔(11)作回流液；精馏下塔(9)中富氧液空经过冷器(12)过冷后，进入精馏上塔(11)进一步精馏；所述精馏上塔(11) 得到的液氧经液氧泵压缩，复热后得到高压氧气；所述精馏下塔(9)得到的低压氮气一部分作为热源进入主冷器(10)，另一部分复热后得到低压氮气；
气化发电单元，包括贫氧液空储罐(16)、贫氧液空泵(17)、过热器(18)和膨胀发电机(19)；所述空气液化单元冷却后得到的液体进入贫氧液空储罐(16)，并经贫氧液空泵(17)增压后气化，得到贫氧空气进入过热器(18)，过热后的贫氧空气进入膨胀发电机(19)发电，过热器(18)的低位废热来自煤化工排放废气及压缩机后回收热量；
冷量交换单元，包括多台串联的储冷/释冷装置(20)，用于储冷和释冷；所述空气液化单元中净化空气冷却及气相流冷却、分离制氧单元中氧气及氮气复热、气化发电单元中贫氧液空气化均在冷量交换单元中进行。
本文中，所述空气液化单元的增压机(2)和主压缩机(4)均由可再生能源提供的绿色电力带动。通过本发明中的装置，将绿色电力转化成稳定电力，供整套煤化工装置用电，达到节能减排的目的；
较佳地，所述空气液化单元还包括空气节流阀(15)，用于所述冷却后得到的液体节流进入贫氧液空储罐(16)。
较佳地，所述精馏上塔(11)顶部的污氮气经冷量交换单元回收冷量后放空。
以下对各单元的具体结构及工作参数详细阐述：
空气液化单元：空气液化过程仅在存在绿色电力时启动。来自大气的原料空气经过滤器(1)过滤除去灰尘及其它机械杂质后，经空气增压机(2)压缩，进入切换使用的分子筛(3)，空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附。净化后的空气经主压缩机(4)加压，进入多级动态储冷/释冷装置(20)被冷却，经透平膨胀机(5)膨胀制冷后，气液两相流进入常压的富氧液空储罐(6)，液相的富氧液空储存在其内，气相的贫氧液空经贫氧液空压缩机(8)继续加压，进入多级动态储冷/释冷装置(20)被冷却至接近露点，经空气节流阀(15)节流进入贫氧液空储罐(16)。其中，增压机(2)和主压缩机(4)均由可再生能源提供的绿色电力带动，因此，空气液化只有在存在绿色电力时运行，为间歇操作过程。
分离制氧单元：储存于富氧液空储罐(6)中的富氧液空，经富氧液空泵(7)加压后，进入精馏下塔(9)，精馏下塔(9)中的上升气体通过与回流液氮接触，含氮量增加。所需的回流液氮来自下塔顶部的主冷器(10)，在这里氧得到蒸发，而氮得到冷凝。主冷器(10)中另一部分纯液氮在过冷器(12)中换热后，经节流阀(13)节流送入精馏上塔(11) 顶部作回流液，精馏下塔(9)中富氧液空经过冷器(12)过冷后，进入精馏上塔(11)进一步精馏。液氧从上塔底部抽出，在液氧泵(14)中被压缩，经多级动态储冷/释冷装置(20)中复热后得到高压氧气。低压氮气由精馏下塔(9)顶部抽出，一部分作为热源进入主冷器(10)，另一部分经多级动态储冷/释冷装置(20)中复热后得到低压氮气。精馏上塔(11)塔顶污氮气经多级动态储冷/释冷装置(20)回收冷量后放空。其中，分离制氧系统为连续操作过程，富氧液空储罐(6)作为中间缓冲罐，在空气液化过程停止时，可以继续为制氧系统提供富氧液空，保证了整个系统氧气产出的连续性。
气化发电单元：气化发电过程在没有绿色电力时启动。储存于贫氧液空储罐(16)中的贫氧液空，经贫氧液空泵(17)增压后，在多级动态储冷/释冷装置(20)中气化，气化后的贫氧空气进入过热器(18)，过热器(18)另一侧的低位废热来自煤化工排放废气及压缩机后回收热量，过热后的贫氧空气进入膨胀发电机(19)发电。此单元在没有绿色电力时启动，也为间歇操作。
冷量交换单元：系统中的冷量交换为多品位的、动态的冷量交换过程，在多级动态储冷/释冷装置(20)中完成。多级动态储冷/释冷装置(20) 是由多台直接接触式填充床储/释冷器组成，每一台储冷/释冷器涉及储冷过程和释冷过程。下面分别对储冷过程和释冷过程进行详细描述。
储冷过程涉及贫氧液空气化、液氧气化、低压氮气复热、污氮气复热、以及放空气冷量回收过程。作为示例，所涉及储冷器由三台或多台储冷器串联组成。每一个储冷循环过程都由三台或多台串联的储冷器完成，并通过不断切换冷流体入口位置，使每一台储冷器的效率最大化，并实现整个集成工艺冷量的最大化回收和利用；图2所示4个单元中，其中包含一台储冷完毕的储罐，切入下一个循环后，变为释冷床III。储冷过程参见附图2，具体包括以下步骤：
-150℃～-170℃的冷流体依次通过深冷床、中冷床和预冷床，通过调整储冷器个数，以及储冷器尺寸和结构设计，保证预冷床出口流体温度接近常温。当深冷床201出口温度接近入口温度(＜5℃)时，被认为储冷完毕，关闭储冷器进出口双阀，储冷器切出储冷循环过程，为释冷做准备。同时，切换冷流体入口至中冷床202，此时，中冷床202变为深冷床201，并将释冷完毕的常温床层切入，作为预冷床203。以此类推，整个储冷过程通过多个储冷器循环切换实现。
释冷过程涉及压缩空气冷却，以及贫氧空气冷却过程。作为示例，所涉及释冷器由三台或多台释冷器串联组成。每一个储冷循环过程都由三台或多台串联的释冷器完成，并通过不断切换热流体入口位置，使每一台释冷器的效率最大化，并实现整个集成工艺冷量的最大化回收和利用；图3所示四个单元中，其中包含一台释冷完毕的储罐，切入下一个循环后，变为预冷床；释冷过程参见附图3，具体包括以下步骤：
常温～40℃的热流体依次通过释冷床I 301、释冷床II 302和释冷床III 303。通过调整释冷器个数，以及释冷器尺寸和结构设计，保证释冷床III 出口流体温度接近释冷器温度。当释冷床I出口温度接近入口温度(＜5℃) 时，被认为释冷完毕，关闭释冷器进出口双阀，释冷器切出释冷循环过程，为储冷做准备。同时，切换热流体入口至释冷床II，此时，并将储冷完毕的深冷床层切入，作为最后一级释冷床。以此类推，整个释冷过程通过多个释冷器循环切换实现。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图1-3并举实施例对本发明的系统及方法流程进一步详细说明。
空气液化过程所产富氧液空和贫氧液空的量，分别由(全厂/整套煤化工装置)所需氧气量和调峰电量来决定。粗分过程的液化率(粗分得到富氧液空量/总空气进料量)可以通过空气经主压缩机(4)出口压力和出多级动态储冷/释冷装置(20)的温度来调节。出口压力调节范围： 2.0MPa～3.2MPa；冷却后温度调节范围：-110℃～-180℃；
贫氧空气经贫氧空气压缩机(8)增压、节流后获取足够的冷量，使其充分液化。贫氧空气压缩机(8)出口压力越大，得到贫氧液空量越多。
下面以粗分过程50％液化率，贫氧液空90％收率为例，简述本发明的工艺过程。
实施例1
原料空气进入空气液化单元，经过滤器(1)过滤除去灰尘及其它机械杂质后，经空气增压机(2)压缩到约0.62MPa，进入分子筛(3)，空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附。吸附净化后的空气经主压缩机(4)加压到约3.2MPa后，进入多级动态储冷/释冷装置(20)被冷却至-140℃，经透平膨胀机(5)膨胀制冷后，气液两相流进入常压的富氧液空储罐(6)。液相的富氧液空储存在罐内，气相的贫氧空气经贫氧空气压缩机(8)继续加压至约6.5MPa，进入多级动态储冷/释冷装置(20) 被冷却至接近露点，经节流阀(15)节流进入贫氧液空储罐(16)；
富氧液空进行分离制氧，储存于富氧液空储罐(6)中的富氧液空氧含量约30％，经富氧液空泵(7)加压至0.2MPa后，进入精馏下塔(9)，精馏下塔(9)中的上升气体通过与回流液氮接触，含氮量增加。所需的回流液氮来自下塔顶部的主冷器(10)，在这里氧得到蒸发，而氮得到冷凝。主冷器(10)中另一部分纯液氮在过冷器(12)中换热后送入精馏上塔(11)作回流液，精馏下塔(9)中富氧液空经过冷器(12)过冷至 -179℃后，经节流阀(13)节流进入精馏上塔(11)顶部，作为其回流液。液氧从上塔底部抽出，在液氧泵(14)中被压缩至8.7MPaA，经多级动态储冷/释冷装置(20)中复热后得到高压氧气。低压氮气由精馏下塔(9)顶部抽出，一部分作为热源进入主冷器(10)，另一部分经多级动态储/ 释冷装置(20)中复热后得到低压氮气。塔顶污氮气经多级动态储冷/释冷装置(20)回收冷量后放空；
贫氧液空气化发电，储存于贫氧液空储罐(16)中的贫氧液空氧气含量约10％，经贫氧液空泵(17)增加后，在多级动态储冷/释冷装置(20) 中气化，气化后的贫氧空气进入过热器(18)，过热器(18)另一侧的低位废热来自煤化工排放废气及压缩机后回收热量，过热后的贫氧空气进入膨胀发电机(19)发电。
该实施例可以将大规模可再生能源波动的电力输入，转化为稳定、连续的氧气和电力输出，实现煤化工过程的电力和氧气需求全部由绿色电力提供，并大幅降低煤化工能耗和碳排放。假设绿色电力持续时间为 12小时/天，建设一套25MW/300MWh规模的液化空气储能集成装置，既可满足30万吨煤制甲醇装置全部的电力和氧气需求，同时，燃料煤消耗和低浓度CO2排放量也大幅降低。具体数据如下：
1)电耗由25MW→0(全部使用绿色电力)
2)燃料煤消耗由24t/h→4t/h
3)低浓度CO2排放量降低36kNm3/h→6kNm3/h
通过多级动态储冷/释冷装置的开发，使每台储冷/释冷装置的储/释冷量和效率最大化，实现系统中冷量回收率90％以上，并通过优化集成工艺间的互补应用，实现液化空气储能制氧集成系统整体效率65％以上。
本发明工艺中包括空气液化单元、分离制氧单元、气化发电单元及冷量交换单元，本发明创新性了运用了各单元内装置的组合及研究出了工艺参数的优化设置，虽然各装置具体结构未进一步详述，但本领域技术人员可根据各自的功能描述获悉其具体结构，故不再赘述。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动均在本发明涵盖的精神范围之内。

Claims (10)

1.一种液化空气储能制氧集成系统，其特征在于：至少包括：
空气液化单元，包括过滤器(1)、增压机(2)、分子筛(3)、主压缩机(4)、透平膨胀机(5)及贫氧空气压缩机(8)，原料空气经依次连通的过滤器(1)、增压机(2)、分子筛(3)及主压缩机(4)得到加压后的净化空气，所述净化空气冷却后经透平膨胀机(5)得到气相流和液相流；所述气相流经贫氧空气压缩机(8)加压，冷却后得到液体；
分离制氧单元，包括富氧液空储罐(6)、富氧液空泵(7)、精馏下塔(9)、主冷器(10)、精馏上塔(11)、过冷器(12)以及液氧泵(14)；所述液相流进入富氧液空储罐(6)，经富氧液空泵(7)加压后进入精馏下塔(9)，主冷器(10)作为精馏下塔(9)的冷凝器和精馏上塔(11)的再沸器，与两者连通，精馏下塔(9)得到的富氧液空经过冷器(12)过冷后，进入精馏上塔(11)进行进一步精馏；所述精馏下塔(9)得到的低压氮气一部分作为热源进入主冷器(10)，另一部分复热后得到低压氮气；主冷器(10)出口的液氮一部分作为回流液，一部分经过冷器(12)过冷后进入精馏上塔(11)顶部作为回流液；所述精馏上塔(11)得到的液氧经液氧泵(14)压缩，复热后得到高压氧气；
气化发电单元，包括贫氧液空储罐(16)、贫氧液空泵(17)、过热器(18)和膨胀发电机(19)；所述空气液化单元冷却后得到的液体进入贫氧液空储罐(16)，并经贫氧液空泵(17)增压后气化，得到贫氧空气进入过热器(18)，过热后的贫氧空气进入膨胀发电机(19)发电；
冷量交换单元，包括多台串联的储冷/释冷装置(20)，用于储冷和释冷；所述空气液化单元中净化空气冷却及气相流冷却、分离制氧单元中氧气及氮气复热、气化发电单元中贫氧液空气化均在冷量交换单元中进行。
2.根据权利要求1所述的液化空气储能制氧集成系统，其特征在于：所述空气液化单元还包括节流阀(15)，用于所述冷却后得到的液体节流进入贫氧液空储罐(16)；和/或,
所述分离制氧单元还包括氮气节流阀(13)，主冷器(10)出口的一部分液氮经过冷器(12)过冷后，经节流阀(13)节流进入精馏上塔(11)顶部，作为其回流液。
3.根据权利要求1或2所述的液化空气储能制氧集成系统，其特征在于：所述精馏上塔(11)顶部的污氮气经冷量交换单元回收冷量后放空。
4.根据权利要求1所述的液化空气储能制氧集成系统，其特征在于：所述分离制氧单元中，过热器(18)的低位废热来自煤化工排放废气及压缩机后回收热量。
5.根据权利要求1所述的液化空气储能制氧集成系统，其特征在于：当实行储冷时，所述储冷/释冷装置(20)为储冷器，包括具有储冷介质的多级储冷床，用于冷流体进入，当冷量被储存在第一级储冷床达到最大储冷量时，冷流体在各级储冷床之间流通进行储冷循环。
6.根据权利要求1或5所述的液化空气储能制氧集成系统，其特征在于：当实行释冷时，所述储冷/释冷装置(20)为释冷器，包括具有储冷介质的多级释冷床，用于热流体进入，当热量被释放在第一级释冷床达到最大释冷量时，热流体在各级释冷床之间流通进行释冷循环。
7.一种液化空气储能制氧集成方法，其特征在于：包括如下步骤：
原料空气进入空气液化单元，经其中的过滤器(1)过滤除去杂质后，经增压机(2)压缩，进入分子筛(3)吸附空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分；吸附后的空气经主压缩机(4)加压、冷量交换单元被冷却，透平膨胀机(5)膨胀制冷后，得到的气液两相流进入富氧液空储罐(6)；液相的富氧液空储存在富氧液空储罐(6)内，气相的贫氧液空经贫氧液空压缩机(8)继续加压，进入冷量交换单元被冷却至液体；
富氧液空储罐(6)中的液相流经富氧液空泵(7)加压后进入精馏下塔(9)，精馏下塔(9)中的上升气体通过与主冷器(10)提供的回流液氮接触，含氮量增加，主冷器(10)中另一部分液氮在过冷器(12)中换热后送入精馏上塔(11)作为回流液，精馏下塔(9)得到的富氧液空经过冷器(12)过冷后，进入精馏上塔(11)进行进一步精馏；所述精馏上塔(11)得到的液氧经液氧泵(14)压缩，经冷量交换单元复热后得到高压氧气；所述精馏下塔(9)得到的低压氮气一部分作为热源进入主冷器(10)，另一部分经冷量交换单元复热后得到低压氮气；
所述空气液化单元冷却后得到的液体进入贫氧液空储罐(16)，并经贫氧液空泵(17)增压后经冷量交换单元气化，得到贫氧空气进入过热器(18)，过热后的贫氧空气进入膨胀发电机(19)发电，过热器(18)的低位废热来自煤化工排放废气及压缩机后回收热量。
8.根据权利要求7所述的液化空气储能制氧集成方法，其特征在于：所述空气液化单元中冷却后得到的液体通过节流阀(15)节流进入贫氧液空储罐(16)；和/或，所述主冷器(10)中一部分液氮经过冷器(12)冷却、氮气节流阀(13)节流进入精馏上塔(11)顶部，作为其回流液。
9.根据权利要求7所述的液化空气储能制氧集成方法，其特征在于：所述精馏上塔(11)顶部的污氮气经冷量交换单元回收冷量后放空。
10.根据权利要求7所述的液化空气储能制氧集成方法，其特征在于：所述空气液化单元中空分通过压缩、冷却，膨胀液化，粗分为富氧液空和贫氧空气，贫氧空气进一步压缩、冷却后得到贫氧液空。
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