[发明专利]冷-热颗粒循环移动床连续式冷冻净化气体的方法

说明书

一种冷‑热颗粒循环移动床连续式冷冻净化气体的方法，属于废气资源化和空分节能、空气源热泵技术领域。利用球形颗粒在直立容器中易于下降移动特性，构建冷‑热耦合的颗粒移动床，冷床从任意含湿和含尘量的气体回收热量使颗粒变热同时使气体冷冻净化，热床将回收得的热量传递给洁净低温气体并使颗粒变冷，冷颗粒又回到冷床周而复始连续进行冷‑热交换与气体净化。应用于严寒冬季热风空调实现‑50℃大气条件下25℃供风理论制热性能系数大于7，应用于清洁热风封闭循环干燥系统可以在0℃大气条件下实现175℃供风理论制热性能系数大于2.5，应用于低温精馏空分装置空气冷冻净化可以替代固定床吸附/解吸周期性切换模式，简化流程、降低投资、提高运行稳定性。

技术领域

本发明涉及多相流传热传质和气体净化技术领域，特别是空气分离和废气废热资源化利用、节能、减排和污染物源头治理。

背景技术

气体净化技术广泛应用于人居环境、洁净空间和大规模工业生产，例如楼宇空调、生物及电子材料制品车间和空气分离（空分）行业等，特别是当代过程工业大气污染治理。以最常见的低温空分行业为例，为了通过空分得到纯净的氧气和氮气产品，首先必须对空气进行净化，除去其中所含的灰尘等固体杂质，以及H₂O、CO₂、NO+NO₂、SO₂、H₂S和C₂H₂、C_nH_m等气体杂质，现用的方法是顺序采用过滤、水洗、固定床吸附（或冷冻），使空气中的杂质含量降低到可以忽略不计的范围（例如CO₂，含量10 ppmv）。其中固定床吸附（或冷冻）除H₂O和CO₂的步骤，存在周期性切换的问题，即：空气净化过程当固定床的H₂O和CO₂容量达到或接近饱和时，必须切换到再生过程使用洁净气体升温反吹带走固定床内吸附或冻结的H₂O和CO₂（李化冶，《制氧技术》，冶金工业出版社，2009，北京）。这种切换操作，需要在两套设备间轮流转换并改变运行模式，不仅增加了系统运行复杂程度、更重要的是切换过程变温变压造成了能量损耗。

克服上述不利性的有效方法是，构建连续式冷-热颗粒循环移动床对气体进行冷冻净化，需净化的气体自下而上逆流通过冷颗粒移动床使气体降温并析出H₂O和CO₂，低温颗粒则从床顶分散、受重力作用向下缓慢移动、携带沉积在颗粒表面的H₂O和CO₂下行至床底移出，冷颗粒下行过程因吸收逆流气体的热量而升温、所以是回收热量的过程，颗粒表面的沉积物与颗粒温度相等、且与逆流接触的气体温度处于传热传质平衡。移出冷颗粒移动床的颗粒表面沥清后提升至热颗粒移动床顶部使之分散向下缓慢移动、与从该床底部自下而上逆流的洁净冷气对流传热、热颗粒下行过程因放热而降温直至床底处与进口冷气温度处于传热平衡、所以热颗粒下行过程是回收冷量的过程，将此冷颗粒提升至冷颗粒移动床顶部加入，从而构成冷-热颗粒循环移动床冷冻净化气体的连续式流程。采用该方法净化气体不仅使机械杂质得以除净，气体中H₂O和CO₂及其它凝/结性杂质的含量也降低到冷颗粒最低温度下的平衡浓度，并且同时完成了洁净冷气的冷量回收和含尘湿气体的热量回收。所以，采用该方法构成的连续式冷冻净化气体流程，替代空分行业现有空气净化流程中的吸附/解吸或冷冻/解冻的周期性切换流程，同时还节省了现流程使用的冷/热交换器，缩短了气体流程，降低了加工能耗。采用该方法构成封闭式干燥热风循环系统，可以同时实现含湿含尘尾气净化与低位热能回收，并克服了含尘、湿、热尾气换热器结构和表面结垢。采用该方法构成自工质热泵空调系统，可以从任意条件气源吸取热量，实现以空气自身为工质的高能效空调。

发明内容