本發(fā)明屬于新能源，涉及一種氣體純化系統(tǒng)及方法。
背景技術：
1、伴隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，能源與環(huán)境問題越來越嚴重，從而對綠色能源氫氣的需求越來越大。制氫設備出來的氫氣需要進入純化系統(tǒng)脫去水分和雜質(zhì)，而主流氫氣純化系統(tǒng)采用兩個或多個干燥塔，分別輪流交替進行工作周期、再生周期、冷卻周期，在再生周期需要電加熱設備供熱，在冷卻周期則需要公輔設備提供冷卻水或冷凍水將處于冷卻周期的干燥塔降低至常溫，這就需要同時從外界引入熱源q1和冷源q2，導致整體設備投資大、循環(huán)水量大、能耗高，目前氫氣純化用電費用占到電解水制氫全生命周期總成本的50-80%左右，為了提升氫氣能源的經(jīng)濟效益，亟需降低氫氣純化的能耗。
2、公開號cn217627625u，公開了氫氣純化裝置和電解水制氫系統(tǒng)，其通過換熱器等方式將處于再生周期的干燥塔的熱量收集，再通過供暖或預熱等形式進行利用；公開號cn115709971a，開了氫氣純化系統(tǒng)及控制方法，其通過再生狀態(tài)切換管路，將處于輔助狀態(tài)和再生狀態(tài)的干燥裝置可進行待機，使氫氣純化系統(tǒng)能夠適用于氫氣產(chǎn)量具有波動性或間歇性的電解水制氫氣設備。目前，熱泵技術僅能在某一階段利用熱能或者冷能，不能同時利用熱能或冷能，考慮到熱損失，單純電加熱或者換熱器方式下能效比低于1，且不能滿足給不同周期狀態(tài)的干燥塔同時供熱與制冷，另外，對于氮氣和氧氣等其他氣體的純化工藝也同樣存在上述問題。
技術實現(xiàn)思路
1、為解決背景技術中的傳統(tǒng)氣體純化系統(tǒng)整體設備投資大、循環(huán)水量大、能耗高、不能滿足給不同周期狀態(tài)的干燥塔同時供熱與制冷的問題，本發(fā)明提供一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化系統(tǒng)及其方法。
2、本發(fā)明的系統(tǒng)包括多個純化塔，以及流經(jīng)所述多個純化塔的換熱介質(zhì)循環(huán)管路和氣體管路；
3、所述換熱介質(zhì)循環(huán)管路包括預熱子管路、主冷卻子管路和補冷子管路；
4、所述氣體管路包括進氣子管路和出氣子管路；
5、所述預熱子管路和主冷卻子管路分別流經(jīng)所述純化塔的上部和下部；
6、所述預熱子管路包括多組與純化塔一一對應且并聯(lián)設置的冷凝器，所述冷凝器的入口處設置有冷凝器調(diào)節(jié)閥門；
7、所述主冷卻子管路包括多組與純化塔一一對應且并聯(lián)設置的蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器的入口處設置有蒸發(fā)器調(diào)節(jié)閥門；
8、所述預熱子管路的出口處通過控制閥連接至主冷卻子管路的入口，所述主冷卻子管路的出口依次通過依次串聯(lián)的補冷子管路和壓縮機連接至預熱子管路的入口。
9、進一步地，所述補冷子管路包含冷卻介質(zhì)三通閥、換熱器、泵、冷卻塔和補冷調(diào)節(jié)閥門，所述換熱器包括換熱器高溫側(cè)和換熱器低溫側(cè)，所述冷卻介質(zhì)三通閥進口與蒸發(fā)器連通，兩個出口分別與換熱器高溫側(cè)的輸入端和壓縮機相接通，所述換熱器高溫側(cè)的輸出端與壓縮機相連，所述換熱器低溫側(cè)的輸入端與補冷調(diào)節(jié)閥門相連，換熱器低溫側(cè)的輸出端與泵相連，所述冷卻塔設置在補冷調(diào)節(jié)閥門和泵的中間。
10、進一步地，所述冷凝器、蒸發(fā)器和換熱器的結(jié)構為板式或管殼式，所述冷凝器、蒸發(fā)器和換熱器的內(nèi)部裝有換熱介質(zhì)，所述換熱介質(zhì)為液態(tài)工質(zhì)、相變蓄熱材料中的任意一種。
11、進一步地，所述控制閥為膨脹閥或節(jié)流閥。
12、進一步地，所述進氣子管路上設置有與單個所述純化塔一一對應的粗氣三通閥門，所述出氣子管路上設置有與單個所述純化塔一一對應的純氣三通閥門。
13、進一步地，在同一時刻，三個所述純化塔分別處于工作狀態(tài)、再生狀態(tài)或者吸附狀態(tài)，且三個純化塔的狀態(tài)相互循環(huán)切換。
14、進一步地，所述換熱介質(zhì)在冷凝器中的流動方向與氣體的流向形成逆流布置。
15、基于上述系統(tǒng)，本發(fā)明還提供一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化方法，包括以下步驟：
16、制熱過程，通過壓縮機輸送過來的換熱介質(zhì)，依次流經(jīng)冷凝器調(diào)節(jié)閥和冷凝器，換熱介質(zhì)通過冷凝器冷凝放熱，將熱量傳遞給流經(jīng)純化塔的氣體，使氣體溫度升高，此時換熱介質(zhì)由氣體變?yōu)橐后w；
17、第一制冷過程，冷凝器中的換熱介質(zhì)與逆流的氣體進行熱交換后進入控制閥，換熱介質(zhì)變?yōu)闅庖夯旌蠎B(tài)，再通過蒸發(fā)器調(diào)節(jié)閥進入蒸發(fā)器中，換熱介質(zhì)蒸發(fā)變?yōu)闅怏w，吸收大量的熱量，將對應的純化塔內(nèi)的高溫氣體進行冷卻，換熱介質(zhì)通過補冷子管路被冷卻后，再進入到所述壓縮機中，再重復上述制熱過程和第一冷卻過程。
18、進一步地，還包括第二制冷過程，所述蒸發(fā)器中的換熱介質(zhì)通過換熱介質(zhì)管，流經(jīng)冷卻介質(zhì)三通閥，一部分直接流回壓縮機中，另一部分分流到換熱器高溫側(cè)中，通過與換熱器低溫側(cè)進行熱交換，換熱介質(zhì)被冷卻，再流回到壓縮機中。
19、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果：
20、（1）同步供應冷熱源：通過換熱介質(zhì)循環(huán)管路耦合預熱子管路（冷凝器放熱）和主冷卻子管路（蒸發(fā)器吸熱），可同時為再生周期和冷卻周期的純化塔供能，解決了傳統(tǒng)技術無法同步滿足冷熱需求的難題；
21、（2）能耗大幅降低：將處于再生周期、冷卻周期的冷\熱負荷通過換熱介質(zhì)利用朗肯循環(huán)進行循環(huán)利用，從而實現(xiàn)了冷熱負荷的循環(huán)利用，能效比apf可以達到2-5及以上，僅需功率p即可實現(xiàn)氣體純化過程中氣體加熱所需的熱量apf*p，從而大幅降低能耗；并且通過同步供應熱源q1和冷源q2，且能耗=[max(q1，q2)+q’]/apf+p壓縮機，其中q’=|q1-q2|，遠低于傳統(tǒng)的電加熱提供熱源q1和公輔系統(tǒng)提供冷源q2的冷熱分別單獨提供的能耗，解決傳統(tǒng)氣體純化過程中電加熱能耗過高的問題，顯著減少電費成本；在降低能耗的同時，減少了再生氣體的流量和公輔設備的冷卻水量；
22、（3）投資成本減少：相比傳統(tǒng)氣體純化系統(tǒng)，本發(fā)明能減少一部分獨立電加熱設備和冷凍水機組之類的公輔冷卻系統(tǒng)，通過補冷子管路實現(xiàn)余熱再利用，降低循環(huán)水量及配套設備規(guī)模，減小了整體投資成本；
23、（4）多塔循環(huán)效率高：通過多個純化塔可以實現(xiàn)輪換工作/再生/吸附狀態(tài)，結(jié)合逆流換熱設計，提升了傳熱效率；通過閥門控制靈活分配冷熱流，適應氣體波動性需求，控制靈活性強，循環(huán)效率高；
24、（5）通用性強：適用于氫氣、氮氣、氧氣等多種氣體純化，尤其適合電解水制氫等高能耗場景，通用性強，推廣價值高。
25、綜上所述，本發(fā)明以熱泵技術為核心，通過冷熱聯(lián)供和循環(huán)利用，解決了傳統(tǒng)氣體純化系統(tǒng)整體設備投資大、循環(huán)水量大、能耗高、不能滿足給不同周期狀態(tài)的干燥塔同時供熱與制冷的問題，實現(xiàn)能耗與設備成本的雙重優(yōu)化，突破了傳統(tǒng)純化系統(tǒng)的能效瓶頸。
1.一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化系統(tǒng)，其特征在于，包括：包括多個純化塔，以及流經(jīng)所述多個純化塔的換熱介質(zhì)循環(huán)管路和氣體管路；
2.根據(jù)權利要求1的一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化系統(tǒng)，其特征在于：所述補冷子管路包含冷卻介質(zhì)三通閥、換熱器、泵、冷卻塔和補冷調(diào)節(jié)閥門，所述換熱器包括換熱器高溫側(cè)和換熱器低溫側(cè)，所述冷卻介質(zhì)三通閥的進口與蒸發(fā)器連通，冷卻介質(zhì)三通閥的兩個出口分別與換熱器高溫側(cè)的輸入端和壓縮機相接通，所述換熱器高溫側(cè)的輸出端與壓縮機相連，所述換熱器低溫側(cè)的輸入端與補冷調(diào)節(jié)閥門相連，換熱器低溫側(cè)的輸出端與泵相連，所述冷卻塔設置在補冷調(diào)節(jié)閥門和泵的中間。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化系統(tǒng)，其特征在于：所述冷凝器、蒸發(fā)器和換熱器的結(jié)構為板式或管殼式，所述冷凝器、蒸發(fā)器和換熱器的內(nèi)部裝有換熱介質(zhì)，所述換熱介質(zhì)為液態(tài)工質(zhì)、相變蓄熱材料中的任意一種。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化系統(tǒng)，其特征在于：所述控制閥為膨脹閥或節(jié)流閥。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化系統(tǒng)，其特征在于：所述進氣子管路上設置有與單個所述純化塔一一對應的粗氣三通閥門，所述出氣子管路上設置有與單個所述純化塔一一對應的純氣三通閥門。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化系統(tǒng)，其特征在于：所述純化塔包括第一純化塔、第二純化塔和第三純化塔，所述第一純化塔、第二純化塔和第三純化塔均具有相互循環(huán)切換的工作狀態(tài)、再生狀態(tài)和吸附狀態(tài)；在同一時刻，三個所述純化塔分別處于工作狀態(tài)、再生狀態(tài)或者吸附狀態(tài)，且三個純化塔的狀態(tài)相互循環(huán)切換；
7.根據(jù)權利要求1所述的一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化系統(tǒng)，其特征在于：所述換熱介質(zhì)在冷凝器中的流動方向與氣體的流向形成逆流布置。
8.基于權利要求1-7中任意一項所述系統(tǒng)的一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化方法，其特征在于，包括以下步驟：
9.根據(jù)權利要求8所述的一種冷熱循環(huán)利用的氣體純化方法，其特征在于：還包括第二制冷過程，所述蒸發(fā)器中的換熱介質(zhì)通過換熱介質(zhì)管，流經(jīng)冷卻介質(zhì)三通閥，一部分直接流回壓縮機中，另一部分分流到換熱器高溫側(cè)中，通過與換熱器低溫側(cè)進行熱交換，換熱介質(zhì)被冷卻，再流回到壓縮機中。