空气净化单元的改进的制作方法

本发明涉及液态空气能量存储系统、吸附空气净化装置以及针对它们的使用方法。特别地，本发明涉及将空气净化装置一体形成到液态空气能量存储系统中。

背景技术：

空气净化单元(APU)用于从空气流提取污染物和不期望的化合物(此后为“污染物”)使得产生“净化的”空气流，以用于工艺。这些通常使用吸附过程操作，从而使污染物(可以是气体、水分子、碳氢颗粒或任何其它不期望的种类)被吸附到吸附剂材料的表面上。吸附剂材料被仔细选择用以优先吸附过程设计师希望去除的污染物。存在两种类型的吸附：物理的和化学的。

APU在空气液化的技术中是众所周知的。APU用于产生干净且干燥的待液化空气流，显著避免了由于污染物冻结而引起的对工艺的污染，并确保纯的液态空气产物。通常，空气液化器的APU被设计用以去除二氧化碳、水分和碳氢化合物。

APU通常由含有吸附剂材料制成的微粒床的容器构成，工艺流流动通过所述容器。由于吸附剂材料的吸附能力有限，所以APU以两个主要阶段操作：吸附和再生(另外地被称为解吸(desorption))。吸附是释放热量的放热过程。解吸需要热量的添加。

影响吸附的主要工艺参数中的两个是压力和温度，压力和温度可被操控用以改变流体与吸附剂之间的平衡。在物理吸附过程中，吸附在高压时增强，并且在高温时减弱。在化学吸附过程中，与温度的关系通常更加复杂。为了简化，下面的描述集中在物理吸附上，但本发明的原理可以同样适用于化学吸附过程。同样地，下面的描述集中在用于空气液化的APU的使用上；然而，本领域技术人员将认识到，本发明的原理可适用于任何类似的应用。

在吸附过程循环期间，压力和温度被控制成使得吸附剂材料在吸附阶段中吸附并且在再生阶段中解吸。在本领域中已知的是变压吸附工艺，在该工艺中，压力被控制成使得其在吸附阶段期间是高的并且在再生阶段期间是低的。在本领域中已知的变温吸附工艺中，温度被控制成使得其在吸附期间是低的且在再生期间是高的。

在组合循环中，在吸附阶段期间，工艺空气流的压力是高的且温度是低的，使得污染物被吸附到吸附剂材料的表面上。在再生阶段期间，低压、高温的再生气流(其可以是空气或另外的)流动通过床。因此，气流与吸附剂材料之间的平衡被改变，使得污染物被从吸附剂材料解吸到气流中。再生气流然后通常被排放至大气，以便从系统去除污染物。再生阶段之后通常是冷却阶段，在该冷却阶段中，在重新开始吸附阶段之前使用较冷的气流将吸附剂床冷却至较低温度。床的温度越低，则吸附的效率越高。

由于吸附和再生阶段都是必要的，所以为了获得净化空气到工艺的连续流，空气分离设备中的APU主要由两个容器构成，其中一个容器吸附，同时另一个容器被再生且然后被冷却。一旦到达吸附剂容器的有效容量(饱和)，就使用阀的系统来调换流动路径，使得再生的容器变成吸附的容器并且“满”的容器开始再生。

吸附现象呈现出设计员在设计吸附系统时必须考虑的多个特征。

当吸附剂床从工艺流中吸附污染物时，浓度前沿移动通过容器。在该前沿的上游，吸附剂材料被污染物饱和，并且在该前沿的下游，吸附剂材料是“新鲜”的。实际上，该前沿不是中断的，而是在上游的饱和吸附剂和下游的新鲜吸附剂之间的浓度梯度。由这种梯度占据的区域通常被称为“传质区域”，因为在此处，质量在吸附期间从流体传递至吸附剂，并且在再生期间从吸附剂传递至流体。

传质区域将以通常被称为波速度的速度横穿吸附剂床的长度。这确定了使传质区域横穿吸附剂床所需的时间，并因此确定完成吸附阶段或再生阶段的时间量。

传质区域的长度和速度取决于多个工艺参数，包括例如所使用的吸附剂、吸附剂颗粒的尺寸以及流的速度。传质区域的形状和速度总体上在吸附阶段与再生阶段之间不同。此外，传质区域的形状和速度在循环期间可随时间变化。

在吸附过程期间，当传质区域的前缘到达容器的端部处时，通过吸附剂容器的流必须在不可接受的浓度的污染物到达流出口之前停止。在传质区域的区域中，吸附剂不完全饱和，并且还没有使用床的全容量。虽然工艺设计员可能能够将传质区域的形状和速度控制到一定程度，但是传质区域将不可避免地占据容器的长度的一部分。容器越短，则被传质区域占据的相对部分就越大。因此，期望的是设计具有足够长度的吸附剂容器，使得由传质区域占据的区域在比例上是小的，并且在吸附阶段结束时最少量的吸附剂保持不饱和。

在再生阶段期间通常不会遇到这种问题，这是因为再生流被排放至大气，并且其与污染物的浓度无关。

在吸附工艺的领域中已知的(如例如在Wankat,Phillip C.(1986).大规模吸附和层析(Large-Scale Adsorption and Chromatography),卷1-2中所描述的)但未被公开在废水处理以外的任何特定应用中使用的用于改进吸附剂床的应用的技术包括串联的两个塔，由此传质区域可被完全“推”出一个塔之外并进入到另一个塔中，以便完全利用来自第一塔的床。本领域中的这种系统的示例性实现方式包括三个相同的塔，其中的一个塔在其余两个塔吸附的同时再生。两个吸附塔串联地布置在流中，使得传质区域可从第一塔蔓延到第二塔中，从而允许第一塔完全饱和。在这期间，第三塔被再生。一旦第一塔饱和，再生的第三塔就与第二塔串联地连接，以在传质区域离开第二塔时捕获传质区域。同时，第一塔被再生。通过以循环的方式持续这些步骤，可执行连续的吸附，同时利用吸附剂床的全容量；传质区域被有效且一致地“推”到重新再生的容器中。图1示出了上述两个阶段。

系统设计员的另一关键考虑是压降，较高的压降等同于更多浪费的能量。通过吸附剂的微粒床的空气流经受压降，所述压降主要是吸附剂颗粒的尺寸、床的长度和表观流速度的函数。

较大的颗粒导致较小的压降但较低效的吸附。压降还可通过限制床的长度或减小流过床的流的速度来降低。

虽然流的速度对于压降很重要，但最重要的是维持低速，以便保持低于吸附剂颗粒的流化速度。流化速度是这样的速度，在该速度下，吸附剂颗粒由于移动流体施加在吸附剂颗粒上的力而开始移动。这能够引起不同吸附剂类型的层混合并且可导致较宽的过程被离开APU的吸附剂污染。

为了维持低速，在本领域中良好地理解的是，对于容纳给定量的吸附剂的长度为L且直径为d的容器，可通过选择较小的长度直径比(L/d)而减小速度。这具有增加截面流面积的效果，从而导致较低的流速度。此外，较短的容器长度将产生较低的压降。

然而，成本考虑导致设计员限制容器的直径。此外，如果容器直径过大，则流可能不会在容器内良好地分布，并且在末端处的周界周围存在死区，在死区中，在流体与吸附剂之间存在很少或不存在质量传递。

还有动机维持容器的足够长度，使得传质区域不占据吸附剂床的长度的较大比例。

虽然出于上述理由，期望的是限制流的速度，但优选的是，将流的速度保持为足够得高，使得轴向扩散不是主导的传质机制，这因为轴向扩散趋向于通过延长传质区域而降低吸附工艺的效率。

因此，在本领域中已知的是，关于工艺的不同需求以及建立系统的成本而存在APU设计的权衡。

APU的设计的另一考虑在于再生流的源。在现有技术的空气液化器中，再生气流主要源自清洁的输入空气流，该输入空气流中的一部分被转移(divert)、膨胀到低压、被加热并用于使再生容器再生。

图2示出了现有技术的再生方案的简化示例，其中，来自周围环境的进给空气流被吸入到压缩机100中，在该压缩机中，进给空气流被压缩。空气流流动通过吸附剂容器111，在该吸附剂容器中，通过吸附来去除污染物。现在，由清洁、干燥的空气构成的空气流被分成工艺空气流和再生空气流。工艺空气流被供应至冷箱120，该冷箱形成空气液化器的组成部分。再生空气流在阀201中被降低至低压，并流动通过加热装置101，在该加热装置中，添加热量，以将温度升高至所需的再生温度。在加热装置101的流出口处的所需的再生温度尤其取决于所使用的吸附剂材料以及待获得的期望浓度。被加热的再生空气流然后流动通过再生容器112，其中污染物被解吸到再生空气流中并随其一起排空至大气。一旦再生容器112被再生，加热装置101就关断并且现在较冷的再生气流用于冷却再生容器112中的吸附剂。再生和冷却名义上持续与吸附工艺相同的时间。

然而，将认识到，上述方法需要过大的供给空气压缩机100，以便提供再生所需的额外流量，该额外流量最后被浪费至大气且不被液化。

可替代地，在另一气流可用的情况下，这可用于再生APU。EP2510294描述了一种空气分离设备，其中，空气在空气液化器中被液化并且在低温蒸馏塔中被分离成空气的组成成分。产生的纯氮的部分用于在通风到大气之前再生APU，而氧气成分为最终产物流。这种方法仅在对于氮产物不存在足够需要的情况下使用。

在现有技术的APU中，只要存在待净化的工艺流，再生气流的流就持续可用。在这种情况下，APU和使用APU的系统良好地操作。然而，当在低温能量存储系统(诸如液态空气能量存储(LAES)系统)中使用APU时存在一些问题。已知这种系统提供了大规模存储能量的有效方式，以平衡消费者对电力的需求与发电能力，并且使例如从可再生能源供应的间歇供应水平平滑。

WO2007/096656和WO2013/034908公开了低温能量存储系统，其利用低温液态空气与环境空气之间的温度和相位差或废热来在低需求和/或超额生产的时段存储能量，从而允许该存储的能量随后释放，以在高需求的时段和/或约束输出的时段期间生成电力。该系统包括用于在低电力需求的时段期间液化空气的装置、用于存储所产生的液态空气的装置、以及用于使液态空气膨胀的一组膨胀涡轮(或一组膨胀涡轮级)。膨胀涡轮连接至发电机，以在需要满足在供应与需求之间的不足时生成电力。

LAES相对于其它能量存储技术的优势在于，空气的液化可与功率恢复断开，使得充气和放气的速率以及存储为液态空气的能量的量都是独立的(即，操作的相应阶段独立进行；即，单一地且通常连续地，而不是同时地)。不同的充气和放气速率被称为不对称操作，并且例如允许整夜缓慢充气以及在白天期间仅在峰值电力需求的几小时上存储的能量的快速放气。这被已知为“不对称操作”，并且充气时间可以是放气时间的几倍长。

在常规的空气净化装置中，清洁且干燥的空气流需要液化，并且必须使用APU。

在现有技术的LAES系统中，在当空气被液化时的充气阶段期间，如图2所示，使用了传统空气液化设备类型的再生方案。在这种系统中，工艺空气的一部分经由加热装置被转移至再生容器，并且然后被通风至环境，以从系统去除污染物。由此，有必要牺牲输入空气中的一部分，这是因为总体上没有浪费的气流可用于再生，并且这不是期望的。

商业上可行的能量存储系统的关键参数中的一个是循环效率，其表示输入到系统中的能量中的在存储之后被恢复的部分。期望的是，使在液化器中产生液态气体所需的能量最小化并且使在功率恢复单元中从空气提取的能量最大化。

为了优化LAES系统的循环效率，需要减少用于APU的再生所需的功率，并由此避免牺牲输入空气的一部分。

而且，需要更好地适应APU，以在由LAES的不对称操作施加的约束内有效地操作(即，无需上述的两个阶段的连续吸附循环，其中，再生流在与吸附阶段相同的持续时间上可用)。

技术实现要素：

本发明人已经意识到，可以通过利用在LAES放气阶段期间在功率恢复单元的排放部处可用的清洁、干燥的空气来使APU中的吸附剂材料再生，而减少APU的再生所需要的能量。

因此，在第一方面，本发明提供了一种液态空气能量存储系统，其包括：

空气液化器，所述空气液化器包括：

空气入口，所述空气入口具有压缩装置和冷却装置，所述压缩装置被构造用以压缩进气，所述冷却装置被构造用以冷却进气；

吸附空气净化单元，所述吸附空气净化单元联接至所述空气入口并且被构造用以净化来自所述空气入口的被压缩和冷却的进气；以及

冷箱，所述冷箱联接至所述吸附空气净化单元并且被构造用以液化来自所述吸附空气净化单元的净化空气；

液态空气存储设施，所述液态空气存储设施被用于存储来自所述空气液化器的液化空气；

功率恢复单元，所述功率恢复单元联接至所述液态空气存储设施，包括：

泵，所述泵被构造用以将来自所述液态空气存储设施的液化空气加压成高压液化空气；

蒸发器，所述蒸发器被构造用以将来自所述泵的所述高压液化空气转换成高压气态空气；

膨胀涡轮，所述膨胀涡轮联接至所述蒸发器且能够由来自所述蒸发器的所述高压气态空气驱动；

发电机，所述发电机联接至所述膨胀涡轮并且被构造用以从所述膨胀涡轮生成电力；以及

排放部，所述排放部联接至所述膨胀涡轮，以用于将来自所述膨胀涡轮的低压气态空气排放至空气出口，其特征在于：

所述排放部联接至所述吸附空气净化单元，使得从所述膨胀涡轮排出的所述低压气态空气的至少一部分能够用于再生所述吸附空气净化单元。

通过利用从膨胀涡轮排放的低压气态空气来再生吸附空气净化单元，与牺牲一部分进气或使用替代供应的系统相比，提高了LAES的循环效率。

液态空气能量存储系统优选地包括阀装置，该阀装置联接至吸附空气净化单元且被构造为在第一状态与第二状态之间转换，在第一状态中，其使得吸附空气净化单元能够接收来自空气入口的空气并使得冷箱能够接收来自吸附空气净化单元的净化空气；在第二状态中，其使得吸附空气净化单元能够接收从膨胀涡轮排放的低压气态空气并使得吸附空气净化单元能将所述低压气态空气传送到所述空气出口。

由此，LAES系统的APU可操作，用以净化进气(即，在LAES的充气阶段期间)或再生(即，在LAES的放气阶段期间)并且能够在这些状态之间转换。

优选地，该系统能够在下列阶段中的每一个阶段中操作：

充气阶段，其中，空气在空气入口处被接收，在空气净化单元中被净化，在空气液化器中被液化，并且被传送到液态空气存储设施；

存储阶段，其中，液态空气被存储在液态空气存储设施中；以及

放气阶段，其中，液化空气被从液态空气存储设施传送到功率恢复单元，被转换成高压气态空气，被用于驱动膨胀涡轮，并且通过排放部被排放。

在这种情形中，在系统处于其充气阶段时，阀装置处于其第一状态，并且在系统处于其放气阶段时，阀装置处于其第二状态。

优选地，该系统能单独地或连续地在充气阶段、存储阶段和放气阶段中的每个阶段中操作。换言之，操作的相应阶段独立地进行；即，单独地且通常连续地(虽然不一定必需是这种情形)，像连续系统一样，而不是同时地进行。

优选地，该系统包括在吸附空气净化单元和排放部之间的加热装置，用以对用于使APU再生的排气流进行加热。

该加热装置可以是电加热器或与热源(优选为废热)联接的热交换器。例如，该加热装置可以是与LAES系统的另一部分或与共存工艺(诸如生成废热的共存工艺)交换热量的热交换器。使用废热源代替电加热器的优势在于，可以降低使APU再生的能量成本。

在一些实施例中，该系统包括热存储器，该热存储器被构造用以在充气阶段期间接收来自空气液化器的空气入口的压缩装置和/或冷箱的热量。这使得在这些部件中生成的热量能够被存储且在系统的任意位置使用，而不是被浪费，从而进一步提高了效率。

例如，热存储器被构造用以在放气阶段期间将热量传递至功率恢复单元中的蒸发器或级间再加热热交换器，和/或传递至前述加热装置。

在一些实施例中，该系统包括冷能存储器，该冷能存储器被构造用以在充气阶段期间将冷能传递至液化器的冷箱。这使得在功率恢复部件中生成的冷能够被存储和在系统的任意位置使用，而不是被浪费，从而进一步提高了效率。

例如，冷能存储器可被构造用以在放气阶段接接收来自功率恢复单元的蒸发器的冷能。

将认识到的是，除了对于环境下的温度以外，术语“冷”、“冷能”和“冷能存储器”类似于“热”、“热能”和“热存储器”。这种术语在低温学领域中是常规的，并且被技术人员良好地理解。

在一个实施例中，排放部被构造用以将低压气态空气的第一部分传送到吸附空气净化单元并且将其余的低压气态空气传送到空气出口。由此，可以控制被转移通过APU的低压气态空气的量，并且其余部分可以绕过。这使得能够将在涡轮处经受的背压限制为仅对于再生APU是必要的背压，同时还确保APU内的流的速度是可接受的；特别地，低于流化速度。

空气出口可被通风至大气。可替代地，空气出口可经由蒸发器联接至冷能存储器，使得从膨胀涡轮排放的低压液态空气被冷却并且然后将冷能传递至冷能存储器，使得其随后用于进一步提高效率。

还提供且要求保护操作与上述系统对应的液态空气能量存储系统的方法，并且该方法具有对应的优势。

将认识到的是，在LAES的非对称操作的情况下，来自功率恢复涡轮的排气流通常比由APU净化的进气流持续显著更短的时段。因此，还需要提供吸附剂床的更快再生，而不超过流化速度，且同时使横跨APU的压降最小化。

因此，在第二方面，本发明提供了用于在液态空气能量存储系统中使用的吸附空气净化装置，该装置包括：

第一流体开口和第二流体开口；

至少两个吸附剂容器，所述至少两个吸附剂容器连接在第一流体开口和第二流体开口之间；

管道和阀组成的布置结构，该管道和阀组成的布置结构被构造为引导第一空气流经过所述吸附剂容器中的一个或多个吸附剂容器的组合，以从第一空气流去除污染物，并引导第二空气流经过所述吸附剂容器中的一个或多个吸附剂容器的所述组合，以再生吸附剂容器；以及

控制器，所述控制器被构造用以打开和关闭所述阀；

其中，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便选择性地引导：

a)第一空气流通过串联的至少第一吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送；以及

b)第二空气流通过并联的至少所述第一吸附剂容器和第二吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送。

通过使使一股气流经过容器中的串联的一个或多个容器，同时使另一股气流经过(与另一容器并联的)容器或并联的这些容器，可以减少用于容器再生所消耗的时间，同时维持最优的流特性并且不超过流化速度。换言之，APU更具灵活性，并且可定制，以便以由现有技术的系统不能获得的方式适应对液态空气能量存储系统的约束。

优选地，导管和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便选择性地引导：

a)第一空气流通过吸附剂容器中的串联的两个或更多个吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送；以及

b)第二空气流通过吸附剂容器中的并联的所述两个或更多个吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送。

空气净化装置可包括至少两个吸附剂容器；或至少三个吸附剂容器；或至少四个吸附剂容器；或至少六个吸附剂容器；或至少八个吸附剂容器；或至少十二个吸附剂容器。无论容器的数量如何，控制器仍可被构造用以打开和关闭所述阀，以便选择性地引导第一空气流经过串联的至少第一吸附剂容器；以及经过并联的至少第一吸附剂容器和第二吸附剂容器。

导管和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导第一空气流经过所述吸附剂容器中的串联的两个或更多个吸附剂容器，或经过所述吸附剂容器中的串联的三个或更多个吸附剂容器，或经过所述吸附剂容器中的串联的四个或更多个吸附剂容器，或经过所述吸附剂容器中的串联的六个或更多个吸附剂容器，或经过所述吸附剂容器中的串联的所有吸附剂容器。再一次，与第一气流传送所经过的串联的容器的数量无关，APU可包括任意数量的吸附剂容器(当然，假定其至少与第二气流传送所经过的并联的容器的数量一样多)；并且控制器仍可被构造为打开和关闭所述阀，以便选择性地引导第二空气流经过所述吸附剂容器中的并联的两个或更多个吸附剂容器传送。

在上述布置结构的各方面，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导第二空气流经过所述吸附剂容器中的并联的三个或更多个吸附剂容器传送，或者经过所述吸附剂容器中的并联的所述四个或更多个吸附剂容器传送，或者经过所述吸附剂容器中的并联的所述六个或更多个吸附剂容器传送，或者经过所述吸附剂容器中的并联的所有吸附剂容器传送。再一次，与第二气流传送所经过的并联的容器的数量无关，APU可包括任意数量的吸附剂容器(假定其为至少两个，且当然至少与第一气流传送所经过的串联的容器的数量一样多)；并且控制器仍可被构造为打开和关闭所述阀，以便选择性地引导第一空气流经过所述吸附剂容器中的串联的一个或多个吸附剂容器传送。

优选地，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导第一空气流仅通过所述至少两个吸附剂容器中的串联的第一子组在第一流体开口和第二流体开口之间传送，并且随后仅通过所述至少两个吸附剂容器中的串联的第二子组在第一流体开口和第二流体开口之间传送，其中，第一子组和第二子组具有共同的至少一个吸附剂容器。“子组”表示至少一个容器，而不是所有容器。例如，如果APU具有五个容器，则子组可以是任一个、两个、三个或四个容器。在一些实施例中，第一子组和第二子组中的每个是具有至少两个容器的子组。通过在一时间上利用仅一子组的容器，长度减少，从而与利用所有容器相比，使压降最小化。然而，通过循环通过分成两个或多个子组的容器中的所有容器，通过减小未使用的床的长度可以使所需的吸附剂的总体积保持最小化。

例如，在一个实施例中，连接在第一流体开口与第二流体开口之间的所述至少两个吸附剂容器包括第一吸附剂容器、第二吸附剂容器和第三吸附剂容器，并且其中，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导第一空气流：

a)仅通过串联的第一吸附剂容器和第二吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送；并且随后

b)仅通过串联的第二吸附剂容器和第三吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送。

在另一实施例中，连接在第一流体开口与第二流体开口之间的所述至少两个吸附剂容器包括第四吸附剂容器，并且其中，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以在步骤(b)之后打开和关闭所述阀，以便引导第一空气流仅通过串联的第三吸附剂容器和第四吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送。

将认识到的是，任意数量的容器可连接在第一流体开口和第二流体开口之间，并且以相同的方式在循环中被利用。

在一个示例性实施例中，连接在第一流体开口与第二流体开口之间的所述至少两个吸附剂容器包括第一吸附剂容器和第二吸附剂容器，其中，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导第一空气流：

a)仅通过第一吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送；并且随后

b)仅通过第二吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送。

在一个替代的示例性实施例中，连接在第一流体开口与第二流体开口之间的所述至少两个吸附剂容器包括第一吸附剂容器、第二吸附剂容器和第三吸附剂容器，其中，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导第一空气流：

a)仅通过第一吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送；

b)仅通过第二吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送；并且随后

c)仅通过第三吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送。

这种构造的优势在于：其更简单、需要更少的阀以及更少的配管，同时仍提供许多上述的优势。

优选地，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导第二空气流仅通过所述至少两个吸附剂容器中的并联的第一子组在第一流体开口和第二流体开口之间传送，并且随后仅通过所述至少两个吸附剂容器中的并联的第二子组在第一流体开口和第二流体开口之间传送。再一次，“子组”表示至少一个容器，而不是所有容器。例如，如果APU具有六个容器，则子组可以是任一个、两个、三个、四个或五个容器。通过仅利用容器的子组，可使排气的用于再生的部分的流量最小化，同时在容器内获得相同的速度。然而，通过循环通过分成两个或更多个子组的所述容器中的所有容器，能够使吸附剂的总体积最大化。在一些实施例中，第一子组和第二子组中的每个为具有至少两个容器的子组。

优选地，前一段落中提及的第一子组和第二子组不具有共同的吸附剂容器。在存在六个容器的情况下，例如，第一子组和第二子组能够分别为四个容器和两个容器，或者三个容器和三个容器，或者两个容器的三个子组。

本发明还提供了一种液态空气能量存储系统，包括：

空气液化器，该空气液化器包括具有压缩装置和冷却装置的空气入口、前文提及的吸附空气净化装置、以及冷箱；

液态空气存储设施；以及

功率恢复单元，该功率恢复单元包括泵、蒸发器、膨胀涡轮、发电机以及排放部；

其中，该系统能够选择性地在下列阶段中的每一个阶段中操作：

充气阶段，其中，空气在空气入口处被接收，在空气净化单元中被净化，在空气液化器中被液化，并且被传送到液态空气存储设施；

存储阶段，其中，液态空气被存储在液态空气存储设施中；以及

放气阶段，其中，液化空气被从液态空气存储设施传送到功率恢复单元，被转换成高压气态空气，被用于驱动膨胀涡轮，并通过排放部被排放，

其中，吸附空气净化装置中的管道和阀组成的布置结构被布置成使得第一空气流由再空气入口处接收的空气提供，并且第二空气流由通过排放部排放的空气的至少一部分提供；并且

其中，控制器被构造用以打开和关闭所述阀，以便选择性地：

a)在充气阶段期间，引导在空气入口处接收的空气通过串联的至少第一吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送；并且

b)在放气阶段期间，引导通过排放部排放的空气的所述至少一部分通过并联的所述至少第一吸附剂容器和第二吸附剂容器在第一开口和第二开口之间传送。

优选地，控制器被构造为打开和关闭所述阀，以便选择性地

a)在充气阶段期间，引导在空气入口处接收的空气通过所述吸附剂容器中的串联的两个或更多个吸附剂容器在第一流体开口和第二流体开口之间传送；并且

b)在放气阶段期间，引导通过排放部排放的空气的所述至少一部分通过所述吸附剂容器中的并联的所述两个或更多个吸附剂容器在第一开口和第二开口之间传送。

LAES系统可在不同的时间；例如，根据周、月或年的时间，以不同的持续时间操作。将认识到的是，可设置阀和配管，使得APU的构造可根据上文提出的原理在相同的系统内改变。例如，在周循环中，其中充气阶段在工作日比在周末短，并且相反地，放气阶段在工作日比在周末长，APU可包括多个容器，该多个容器中的所有容器由周末的结束而饱和，并且该多个容器在一周过程上被逐渐再生。

虽然已经在液态空气能量存储系统的内容中提出与APU的吸附和解吸有关的上述可选的布置结构和方法，但是凭着其本身的实力，它们是新颖的布置结构和方法。因此，对用于吸附的新颖布置结构和方法中的一个或多个(即，使流体经过串联的两个或更多个吸附剂容器传送)和/或用于解吸的新颖布置结构和方法中的一个或多个(即，使流体经过并联的两个或更多个吸附剂容器传送)寻求保护。虽然在本文描述的APU在LAES系统中具有特定益处，但是关于这种LAES系统的所有东西对于本文描述的APU的操作原理都不是必要的。

例如，本发明还提供了一种吸附空气净化装置，包括：

第一流体开口和第二流体开口；

至少四个吸附剂容器，该至少四个吸附剂容器连接在第一流体开口和第二流体开口之间；

管道和阀组成的布置结构；以及

控制器，该控制器被构造为打开和关闭所述阀；

其中，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导空气流仅通过所述至少四个吸附剂容器中的串联的子组在第一流体开口和第二流体开口之间传送。

还提供了对应的方法。

本发明还提供了一种吸附空气净化装置，包括：

第一流体开口和第二流体开口；

至少四个吸附剂容器，该至少四个吸附剂容器连接在第一流体开口和第二流体开口之间；

管道和阀组成的布置结构；以及

控制器，该控制器被构造为打开和关闭所述阀；

其中，管道和阀组成的布置结构使得控制器可以打开和关闭所述阀，以便引导空气流通过所述至少四个吸附剂容器中的并联的一子组在第一流体开口和第二流体开口之间传送。

还提供了对应的方法。

在本说明书中，术语“容器”用于表示单个压力容器，其提供了用于容纳一定量的吸附剂的体积，其中，该体积具有入口和出口，入口和出口可转换成与系统的其余部分相通或断开。如将认识到的，任意给定容器的体积无需被设置为单个容器或贮存器，并且代替地可通过由两个或更多个互连的容器或贮存器组成的容器提供，所述两个或更多个互连的容器或贮存器在任何一方面均表现作为单个更大容器并共享用于与系统的其余部分相通的共同入口和出口。在由两个或更多个互连的容器或贮存器组成的容器中，将观察到，如果存在通过容器或贮存器中的一个的流，则存在通过其它容器或贮存器的流。

附图说明

现将参考附图描述本发明的优先实施例，其中：

图1是现有技术的APU的示意图；

图2是示例性液化器中的现有技术再生方案的示意图；

图3是根据本发明的第一方面的液态空气能量存储系统的第一实施例的示意图；

图4是根据本发明的第一方面的液态空气能量存储系统的第二实施例的示意图；

图5是图4的APU和膨胀级的替代性布置结构的示意图；

图6是根据本发明的第一方面的液态空气能量存储系统的第三实施例的示意图；

图7是根据本发明的第一方面的液态空气能量存储系统的第四实施例的示意图；

图8是根据本发明的第二方面的第一实施例的APU中的吸附工艺的示意图；

图9是图8的APU中的解吸工艺的示意图；

图10是根据本发明的第二方面的第二实施例的APU中的吸附工艺的示意图；

图11是图10的APU中的解吸工艺的示意图；

图12是图10的APU中的替代性吸附工艺的示意图；

图13是图10的APU中的替代性吸附工艺的示意图；并且

图14是图10的APU中的替代性解吸工艺的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中使用的压力、温度和流量旨在示意本发明。本领域技术人员将认识到，取决于吸附工艺的设计，存在宽范围的可能值。

图3示出了本发明的第一方面的第一实施例。根据这个实施例，在充气阶段期间，APU被流体连接至空气液化器，使得在气液相变化之前从进气空气流去除污染物。在放气阶段期间，APU被流体连接至功率恢复单元，使得从膨胀装置排出的清洁、干燥的空气流动通过吸附剂容器并在被通风至环境之前解吸污染物(即，使吸附剂材料再生)，从而从系统排空污染物。床的冷却可以在充气阶段与放气阶段之间被动地或主动地实现，或者作为放气阶段的一部分而主动地实现。

如图3所示，LAES系统包括压缩机100、冷箱120、低温存储器130、低温泵140、蒸发器150、膨胀涡轮161至164(但是可以可选地提供任意数量的涡轮)、加热装置101以及APU110。如本领域技术人员理解的，压缩机100、APU110和冷箱120都是空气液化器的元件。在充气阶段期间，APU110在液化流中(由实线所示)位于压缩机100的下游和冷箱120的上游。在放气阶段期间，APU在功率恢复流中(由虚线所示)位于加热装置101的下游和环境流出口的上游。Q表示热量的添加。

加热装置101可包括电加热器或可替代地包括热交换器，所述热交换器用于从热源诸如共存工艺(例如，发电厂)交换废热或从LAES工艺内(例如，压缩热)交换废热。在WO2012020234中描述了从共存工艺添加冷能和/或热能。

图3所示的实施例可另外包括热存储器(未示出)。在充气阶段期间，热存储器可从压缩机(包括压缩机100和位于空气液化器中的冷箱布置结构120中的压缩装置)中的任一个回收热。所回收的热可存储在热存储器中。在放气阶段期间，存储在热存储器中的热量可被再循环，以在放气阶段期间对加热装置101和/或膨胀级161至164之间的空气流进行再加热。

图3所示的实施例可另外包括冷能存储器(未示出)。在放气阶段期间，冷能存储器可从蒸发器150回收冷能。所回收的冷能可存储在冷能存储器中。在充气期间，存储在冷能存储器中的冷能可被再循环，以向空气液化器的冷箱布置结构120提供冷却。

在图4中示出了本发明的第一方面的第二实施例。除了下面的内容以外，第二实施例与第一实施例相同。在图4的实施例中，来自膨胀装置164的排气的一部分可被转移通过APU110(如关于图3描述的那样)，而来自膨胀装置164的排气的其余部分绕过APU110。可选地，排气直接通风至大气，但根据第二实施例，其可在LAES系统中使用。

如图4所示，来自在放气阶段期间的最后的膨胀级164的排气被分成第一部分和第二部分。第一部分在加热装置101中被加热，并用于在被排放至环境之前使APU110再生。排气的第二部分被引导至蒸发器150，在该蒸发器中，其被从泵140传送至膨胀装置161的蒸发空气冷却。排气流的第二部分然后流动通过冷能存储器121，在该冷能存储器中，其在排出到大气之前被加热。冷能存储器121存储从蒸发器150回收的冷能并且随后在充气阶段期间将其供应至冷箱布置结构120。

如果在充气阶段和放气阶段之间存在用于使吸附剂返回到所需温度的足够时间，则APU的冷却可通过被动冷却来实现。可替代地，在低温存储罐中留存有液态空气的情况下，由于热进入到所述罐中而产生的汽化的气体可用于冷却APU。

可替代地，可以简单地通过关断(在电加热器的情况下)或绕过(在热交换器的情况下)加热装置101而使用来自功率恢复级的排气流主动地冷却APU。在需要较冷温度的情况下，可以使用鼓风冷却器来冷却再生气流。可替代地，可以通过在没有再加热的情况下执行最后的膨胀级或者通过从离开蒸发器150的气流回收低级冷能而在排气流处获得较冷温度。

图5示出了APU和膨胀级的可替代布置结构，其中，在放气阶段期间，在倒数第二个膨胀级163之后，空气流被分成第一部分和第二部分。在再生阶段开始处，第一部分和第二部分均被再加热(分别为Q1和Q2)并分别通过膨胀装置165和166而膨胀。第一部分被排放至大气。第二部分然后在加热装置101中被进一步加热，并用于再生APU110。在再生之后，再加热Q2被移除，并且加热装置101被关断或被绕过。第二部分直接通过膨胀级166膨胀，以到达较低温度。现在较低温度的第二部分用于将APU110冷却至较低温度。使用较低温度气流，还可以更快速地执行冷却。

空气流的第二部分所经过的膨胀装置166还可以具有比空气流的第一部分所经过的膨胀装置165稍高的放气压力，以便允许在再生期间横跨APU110的较高压降。空气流的第一部分所经过的膨胀装置165的示例性的放气压力在1.1bar_abs和1.3bar_abs之间，优选为1.2bar_abs；并且空气流的第二部分所经过的膨胀装置166的示例性放气压力在1.4bar_abs和2.1bar_abs之间。优选地，空气流的第二部分所经过的膨胀装置166的放气压力比空气流的第一部分所经过的膨胀装置165的放气压力高100mbar到1000mbar之间，优选高100mbar到500mbar之间。

实际上，甚至可利用图5的布置结构来提供横跨APU的较高的压降，而无需移除再加热Q2和/或无需关断或绕过加热装置101。优选地，在这种布置结构中，提供了用于冷却的不同装置，诸如下面关于图7所示的实施例所描述的那样。

如图6所示，现将参考本发明的第一方面的第三实施例描述LAES装置的第一优选操作。第三实施例等同于图3所示的第一实施例与图5所示的替代性布置结构的组合。

在本示例中，为了示意的目的，来自低温存储装置130的液态空气被泵送到120bar。技术人员将认识到，具体的泵送压力对于本发明不是必要的，而是可基于任意给定的LAES系统的具体设计来选择。典型的泵送压力的范围从60到200bar，且更优选地从100到140bar。此外，级间再加热温度为150℃。等同地，具体的再加热温度对于本发明不是必要的，而是可基于任意给定的LAES系统的具体设计来选择。最后的膨胀级中的再加热温度对排气流的温度有影响，这又是预示根据本发明的APU的设计选择的方面中的一个方面；如技术人员基于下面的示例将认识到的那样。

图6所述的LAES系统以12小时充气阶段和4小时放气阶段操作。在充气阶段期间，空气以10kg/s的流量从环境吸入，在压缩装置中被压缩到100到10bar，在冷却器102中被冷却至环境温度，并且在APU中被净化。所产生的清洁、干燥的空气被送至冷箱120，以被液化和存储在低温存储装置130中。

在放气阶段期间，来自低温存储装置130的液态气体被以30kg/s的流量泵送到绝对(absolute)120bar，在蒸发器150中利用热量(Q)的添加来蒸发，以变成120bar的高压和近似于环境温度下的清洁、干燥的高压气态空气。

空气流被过度加热到150℃附近，并在膨胀级161中膨胀至近似40bar，在近似60℃下从膨胀级161涌出。空气流被再加热到150℃并在膨胀级162中膨胀到近似10bar，在近似45℃下从膨胀级162涌出。空气流被再次再加热至150℃并且然后在膨胀级163膨胀到近似5bar，在近似95℃下从膨胀级163涌出。空气流然后被分成第一部分和第二部分。

第一部分被再加热至150℃(Q1)并且然后在膨胀级165中膨胀到近似1.2bar，在近似45℃下从膨胀级165涌出(emerge)，并且然后被排放至环境。

在放气阶段开始处，第二部分被再加热至150℃(Q2)并且然后在膨胀级166中膨胀到近似1.2bar，在近似45℃下从膨胀级166涌出。其然后在加热装置101中被进一步加热至近似200℃，并且流动通过APU110，以再生所述APU的吸附剂材料。

一旦APU110已经被再生，热源Q2就被移除并且加热装置101被关断或绕过。第一部分在近似5bar和95℃下进入膨胀装置166，并且被膨胀到1.2bar附近，在近似1℃下从膨胀装置166涌出。现在较冷的第二部分流动通过APU并使冷却剂床冷却。

将理解到，在商用LAES中，充气阶段可持续多个小时并且要求大量的待净化空气。要求足够量的吸附剂材料来净化全部量的待液化空气，这是因为在这个阶段期间不发生再生。

由此，对于运行多个小时的液化过程而言，需要较大的吸附剂床，并且可期望在吸附和再生期间横跨吸附剂床的较大压降。

而且，将理解到的是，LAES的充气阶段和放气阶段是非对称的；例如，充气阶段的持续时间可以是放气阶段的几倍或者更长。因此，在APU中需要灵活性，以实现较短的再生时间(以应对相对短的放气阶段)，同时使压降最小化并维持用于吸附和再生的正确流动条件。

图7示出了本发明的第一方面的第四实施例。除了以下内容之外，第三实施例与图4所示的第二实施例相同。

在图7的实施例中，来自最后的膨胀级164的排气的第二部分被直接通风至大气，而不是像图4的实施例一样被送至蒸发器。然而，像图4的实施例一样，来自最后的膨胀级164的排气的第一部分在离开APU之后被分开地通风至大气。

在图7的实施例中，来自蒸发器150的冷能在单独的热传递回路中被输送至冷能存储器121，而不是像图4的实施例一样被排放至大气。

此外，图7的实施例进一步包括：分别位于加热装置101上游和下游的第一阀装置1和第二阀装置2；以及热交换器151，且具有从第一阀装置1通过热交换器151到第二阀装置2的流动路径。

阀装置1和2可被操作，使得：

在再生的第一时段期间，来自最后的膨胀级164的排气的第一部分穿过加热装置101，在该加热装置中，其被加热并且然后被引导至APU，以再生吸附剂；并且

在再生的第二时段期间，来自最后的膨胀级164的排气的第一部分绕过加热装置101并穿过热交换器151。在该热交换器中，其被冷却并且然后被引导至APU，以使吸附剂冷却。

热交换器151位于蒸发器150的下游。在蒸发器150的流出口处，流向膨胀级的空气流可以是适度冷的。例如，其可在15℃下可用。由此，当来自最后的膨胀级164的排气的第二部分在再生的第二时段期间穿过热交换器151时，其可在热交换器151中被冷却至适度的低温，例如20℃，这足以使APU冷却。来自膨胀级164的排气的第二部分中的热用于预加热进入到膨胀级161中的空气，由此回收余热。

在第四实施例的变型(未示出)中，来自膨胀级164的所有排气可在被分成第一部分和第二部分之前穿过热交换器151，使得在排气中可用的较大量的余热被循环。

如图7所示，现将参考本发明的第一方面的第四实施例描述LAES装置的第二优选操作。

图7所示的LAES系统在不同的日期以不同的充气和放气规则(regime)操作。在工作日，该系统以8小时充气阶段和4小时放气阶段操作。在周末，该系统以12小时充气阶段和2小时放气阶段操作。在充气阶段期间，空气在近似15kg/s的流量下从环境吸入，在压缩装置100中被压缩至10bar，在冷却器102中被冷却至环境温度，并且在APU110中被净化。所产生的清洁、干燥的空气被送至冷箱120，以被液化和存储在低温存储装置130中。

在放气阶段期间，来自低温存储装置130的液态空气在近似30kg/s的流量下被泵送到绝对120bar，在蒸发器150中利用热量(Q)的添加来蒸发，以变成120bar和近似环境温度下的清洁、干燥的高压气态空气。

该空气流在膨胀级161、162、163和164中膨胀，并且在每个级之间被再加热至400℃。排气流在近似250℃下从最后的膨胀级164涌出。

在这个实施例中，该工艺使得：

在吸附期间，对于全速15kg/s的流，其需要4小时来使传质区域横穿(traverse)每个容器的长度；并且

在再生期间，在通过容器的7.5kg/s的流量(总排放质量流速的25％)下，其需要1小时来使传质区域横穿容器的长度；并且假定恒定质量流量，需要另一小时来冷却吸附床。

排气流然后被分成第一部分和第二部分。第一部分被排放至大气，并且第二部分用于使APU再生。

在放气阶段的开始处，第一部分流动通过APU110，以使所述APU的吸附剂材料再生。由于气流的温度已经足够，所以加热装置101没有被利用。

一旦APU110已经被再生，阀装置1和2就被操作，使得第一部分被转移至热交换器151，在该热交换器中，其被冷却至近似20℃。现在，较冷的第二部分流动通过APU并使吸附剂床冷却。

将认识到，在上述系统中，工作日的较短充气持续时间意味着APU的吸附剂中的一些在工作日将不被使用。为了示出这些以及吸附或仅再生容器的子组的可能性的有效性，现将参考如图7所示的本发明的第一方面的第四实施例的基于LAES装置的第二优选操作来描述两个不同的再生规则。

根据第一规则，APU包括四个容器并且流可根据上述教导被引导通过串联或并联的这些容器的子组。在放气阶段期间，排气流的第二部分基本固定为总排气流的50％，近似为15kg/s。因此，能够在2小时中再生2个容器并且在4个小时中再生4个容器。

在周末的开始处，所有四个容器是再生的。在第一个12小时充气阶段的结束处，三个容器是饱和的并且一个容器保持是清洁的。在第一个2小时放气阶段的结束处，一个容器是饱和的并且三个容器是清洁的。在第二个12小时放气之后，所有的四个容器是饱和的。在第二个2小时放气阶段之后，两个容器是饱和的并且两个容器是清洁的。

在工作日的开始处，两个容器是饱和的。在第一个8小时充气阶段之后，所有四个容器是饱和的。在第一4小时放气之后，所有四个容器被再生。对于剩余工作日，APU在8小时充气阶段的结束处的两个清洁的容器和在4小时放气阶段的结束处的四个清洁的容器之间循环。

根据第二规则，APU包括三个容器并且流根据上述教导可被引导通过串联或并联的这些容器的子组。在放气阶段期间，排气流的第二部分可在总排气流的25％到75％之间变化，近似为7.5kg/s至22.5kg/s。因此，能够在2小时中最多再生3个容器以及在4个小时中再生6个容器。

在周末的开始处，所有三个容器是再生的。在第一个12小时充气阶段的结束处，所有三个容器是饱和的。在第一个2小时放气阶段期间，排气的第二部分包括总排气流的75％。在第一个2小时放气阶段的结束处，所有三个容器是清洁的。在第二个12小时放气之后，所有三个容器是饱和的。在第二个2小时放气阶段期间，排气的第二部分也包括总排气流的75％。在第二个2小时放气阶段之后，所有三个容器是清洁的。

在工作日的开始处，所有容器是清洁的。在第一个8小时充气阶段之后，两个容器是饱和的。在第一个4小时放气阶段期间，排气的第二部分包括总排气流的25％。在第一个4小时放气之后，两个容器被再生。对于剩余工作日，APU在8小时充气阶段的结束处的一个清洁容器和4小时放气阶段的结束处的三个清洁的容器之间循环。

所述第二规则的优势在于，其允许减少容器的数量以及吸附剂的量。然而，可变的再生流的使用意味着系统更多的复杂性。

本领域技术人员将理解如何以并联子组的方式来连接容器以便获得用于在可变长度的放气阶段期间的再生的上述规则。

除了在级161、162、163和164之间空气流被加热到275℃以外，如图7所示的LAES装置的第四实施例的第三优选操作与第二个相同。排气流在140℃下。在这种情况下，在放气阶段的开始处，在第一部分被用于使APU再生之前，使用加热装置101将第一部分的温度增加至250℃。这所需的热量可源于与用于在级161、162、163和164之间再加热空气的源相同的源。

在图8和图9示出了本发明的第二方面的第一实施例。在这个实施例中，APU包括多个吸附剂容器，该吸附剂容器由大量管道和阀连接，使得它们可以变化地转换成并联和串联构造。更具体地，对于吸附和再生使用不同的布置结构。

应该注意到，图8至图14中所示的箭头是示意性的，并且用于理解本发明的基本原理。箭头并不暗示通过容器的任何物理方向。

图8示出了本发明的第二方面的第一实施例的APU的吸附阶段。如可见的，APU的吸附剂材料被划分到四个容器中。吸附如下地发生。首先，第一容器和第二容器串联地流体连接，使得流体流从APU中的第一流体开口(即，流体入口)通过第一容器和第二容器流动至APU中的第二流体开口(即，流体出口)。在此时，其余的容器(即，第三和第四容器)与流体流流体断开。

传质区域以给定速度横穿第一容器和第二容器。当传质区域已经横穿了第一容器并进入第二容器时，第一容器与工艺流断开，并且第三容器与第二容器串联地连接。现在，流体流从第一流体开口通过第二容器和第三容器流动至第二流体开口。

当传质区域已经横穿了第二容器并进入第三容器时，第二容器与工艺流断开并且第四容器与第三容器串联地连接。现在，流体流从第一流体开口通过第三容器和第四容器流动到第二流体开口。

应该注意到，如果使传质区域横穿一个容器消耗时间T，则其消耗近似时间4T来横穿所有4个容器。

传质区域外侧的容器与工艺流流体断开，由此降低横跨APU的压降。这种方案允许即使对于大量吸附剂材料也使工艺流经受的压降降低，同时维持容器内的所需的流动条件。

如果APU的流出口处的污染物浓度是重要的，则优选的是在传质区域位于第四容器的末端处时使流停止。容器的这个区域将不是完全饱和的。然而，前三个容器在其整个长度上将是完全饱和的。

图9示出了本发明的第二方面的第一实施例的APU的解吸阶段。这里，示出了相同布置结构的四个容器，但该四个容器以并联构造流体连接。

假定每个塔内的流速相同(四倍总体积流量)并且传质区域以相同的速度横穿容器，则消耗时间T横穿一个容器并且消耗相同时间T横穿所有四个容器。由此，可在解吸阶段期间以前面关于图8描述的在吸附阶段期间使所有四个容器饱和所需的时间的近似四分之一来再生所有四个容器，同时在每个容器内维持容器相同的流动条件。

将理解到，可以通过在每个容器的每个端部处的合适的阀组而使四个容器从图8所示的构造转换成图9所示的构造。如本领域技术人员能理解的，所述阀可由控制器来控制。由此，控制器可控制阀打开和关闭，从而选择性地提供图8和图9所示的构造。

虽然在优选的吸附/解吸工艺的内容中描述了这个实施例，但将理解到，参考图8描述的工艺(即，串联构造)可用于在需要最小压降情况时的吸附或解吸，而参考图9描述的工艺(即，并联构造)可用于在需要相对快速净化或再生工艺情况时的吸附或解吸。

还将认识到，在APU中可使用任意数量的容器。还将认识到，这些容器的任意子组可串联地连接至工艺流(例如，一个或三个容器可以串联地流体连接，而不是两个容器，使得流体流从APU中的第一流体开口通过第一容器、第二容器和第三容器流动至APU中的第二流体开口，等)。还将认识到，这些容器的任意子组可并联地连接至工艺流。

技术人员将由此认识到，根据上述教导的处于串联和并联构造的多个容器组成的布置结构提供了使APU适应于不同持续时间的吸附和再生阶段(如由LAES系统的充气阶段和放气阶段施加)的手段。这可在使维持正确流动条件的横跨APU的压降最小化的同时实现。

此外，技术人员将认识到，通过在构造之间转换而使得在LAES系统的充气(APU的吸附阶段)期间使用一个构造并且在放气(APU的再生)期间使用另一个构造，能够针对每个阶段的不同要求而优化。

现将参考如图9和图10所示的本发明第二方面的第二实施例来描述图6所示的系统中的根据本发明的APU的优选操作。在这个实施例中，APU包括3个等尺寸的吸附剂容器，其中吸附床在该3个等尺寸的吸附剂容器之间相等地分布。在这个实施例中，该工艺使得：

用于再生的流动速度与用于吸附的流动速度近似相同，以便避免吸附剂的流化；

在所述速度下，在吸附期间，需要近似4小时以使传质区域横穿每个容器的长度；并且

在所述速度下，在再生期间，需要2小时以使传质区域横穿每个容器的长度；并且假定恒定质量流量，需要另外2小时来冷却吸附剂床。

图10示出了当APU在其吸附阶段中操作时，在设置了APU的LAES(例如，图3至图5中的任一个的LAES)的充气阶段期间的APU。在充气/吸附阶段期间，压缩的环境空气以10bar、环境温度和10kg/s的流量从压缩装置(未示出)流动通过串联布置的APU110的三个容器。对应的截面流动面积为s，质量流为10kg/s，表观流速为u，并且吸附时间为12小时。

在上述示例中，为了示意的目的，以在吸附期间的10bar的操作压力来描述APU。技术人员将认识到，具体的操作压力对于本发明不是必要的，而是可基于任意给定的APU的具体设计来选择。吸附阶段期间的典型操作值的范围在4bar到12bar之间，且更优选地是在7bar到9bar之间。然而，在变压系统或组合的变压/变温系统中，非常优选的是，吸附压力大于再生压力，以便使吸附阶段与再生阶段之间的吸附剂能力的差异最大化。

图11示出了当APU在其解吸阶段中操作时，在LAES的放气阶段期间的APU。在放气阶段的头2小时期间，排气流的大约10％(3kg/s)形成第一部分。该清洁、干燥空气以大约绝对1.2bar和200℃流动通过加热装置101，在加热装置中，其被加热，并且然后流动通过并联地流体连接的APU110的三个容器。对应的截面流动面积为3s，并且质量流为每个容器1kg/s。

在这个较低压力和较高温度下，排气流的第一部分的密度是在充气阶段期间的压缩的环境空气流的密度近似10倍小。对应的表观流速为近似u，并且再生时间为每个容器2小时并且总共两小时。

在放气阶段的第三和第四小时期间，再加热Q2被移除并且关断加热装置101。所产生的较低温度气流流动通过并联地流体连接的APU110的3个容器，以便使该3个容器内的吸附剂材料冷却。

技术人员将认识到，上述实施例相对于现有技术的系统是特别有利的。例如，如果容器在再生期间串联地布置，则需要6小时以使传质区域横穿三个容器。然而，来自功率恢复单元的排气流将仅对6个小时中的4个小时可用，这将不具有足够的时间。

此外，如果容器在吸附期间并联地布置，则由于在吸附阶段的结束处在每个容器的末端处存在浓度梯度，所以将存在较大部分的吸附剂不完全饱和。

图12示出了替代性的吸附工艺，除了充气阶段如下面那样操作之外，该替代性的吸附工艺与上述的且在图10和图11中所示的实施例相同。首先，压缩的环境空气流在10bar和18℃下以10kg/s的流量从冷却器102流动通过APU110的三个容器中的串联地流体连接的前两个。当第一容器达到饱和阈值时，其与工艺流断开，并且第三容器与第二容器串联地连接。这种充气/吸附阶段是特别有利的，这是因为在任一时间，流中的床的长度减少三分之一，并且相关联的压降也是一样。

图13示出了替代性的吸附工艺，除了充气过程如下操作之外，该替代性的吸附工艺与上述的且在图10至图12中示出的实施例相同。首先，压缩的环境空气流在10bar和18℃下以10kg/s的流量从冷却器102流动通过APU110的三个容器中的第一个。当第一容器到达饱和阈值时，其与工艺流断开，同时第二容器被连接至该流。当第二容器到达饱和阈值时，其与工艺流断开，同时第三容器连接至该流。这种充气/吸附阶段是特别有利的，这是因为在任一时间，流中的床的长度被减少三分之二，相关联的压降也是这样。此外，可以使用较少的阀和较少的配管。

在另一替代性布置结构中，该系统包括六个长度为如图10至图12中描述的实施例的一半的吸附剂容器。使传质区域横穿该布置结构的一个容器的长度所需的时间为1小时。在放气的第一个小时期间，再生流流动通过该六个容器中的并联的三个。一旦这些容器被再生，则再生流就流动通过其余的三个容器。最终(并且参考图6的LAES)，在再加热Q2被去除且加热装置101被关断或绕过以向容器提供冷却的情况下，重复该循环。这种布置结构的优势在于，在放气阶段期间床的有效长度减少一半，并且压降减少近似一半。横跨膨胀级的压差可被最大化并且所产生的工作由此可增加。

本领域技术人员将认识到，在由所附权利要求书限定的本发明的范围内可以对本文公开的实施例进行修改。