液态空气储能：空气预处理技术及其对性能的影响

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《Separation and Purification Technology》：Liquid air energy storage: Air pretreatment technologies and their performance impacts

【字体：大中小】 时间：2026年04月07日 来源：Separation and Purification Technology 9

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　　液空气储能（LAES）系统空气预处理技术的研究，提出包含过滤和净化两环节的预处理系统，通过对比分析发现预处理可有效降低压缩功耗并提升储能效率。

刘若楠|左英倩|范世彦|何青

华北电力大学能源动力与机械工程学院，中国北京102206

摘要

液态空气储能（LAES）技术是一种新型的物理储能技术，无需化石燃料进行辅助加热，具有低碳、地理限制小和环保等优点。目前，大多数关于LAES系统的研究集中在热力学分析上，而针对系统中涉及的空气预处理技术的研究相对较少。本文探讨了适用于LAES系统的空气预处理技术，该技术包括两个部分：空气过滤和空气净化。过滤系统从空气过滤原理和过滤器形式两个方面进行了研究；净化系统则从技术路线、材料、结构、位置和运行模式五个方面进行了分析，并设计了适合LAES系统的过滤系统和净化系统。研究结果表明，在相同的液化温度条件下，与未采用空气预处理系统的基本模型相比，压缩阶段的能耗降低，膨胀过程中的输出功率增加，但空气液化率（ALR）和往返效率（RTE）略有下降。在储液器出口温度相同且充分利用冷能的情况下，改进模型的ALR提高了1.78%至2.16%，RTE提高了1.38%至1.69%。

引言

随着能源安全和环境问题日益突出，可再生能源（主要是太阳能和风能）的蓬勃发展逐渐成为全球共识。然而，由于可再生能源的间歇性、不稳定性和波动性，发电过程受到自然因素的强烈影响，导致可再生能源（包括风能、太阳能和水力发电）的弃电问题更加严重。储能技术的应用将解决可再生能源的不稳定性问题，这是促进可再生能源利用的关键技术之一。根据技术类型，储能技术大致可分为以下五类：电磁储能、电化学储能、热能储能、化学储能和机械储能。储能的技术路线和适用场景如图1所示[1]。

大规模储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能（CAES）和液态空气储能（LAES）[1]。与抽水蓄能和CAES相比，LAES对地理位置的要求较低，具有更大的选址灵活性。LAES系统无需化石燃料进行辅助加热，因其低碳、地理限制小和环保等优点而受到越来越多的关注[2]。作为一种大规模储能技术，LAES基于空气的液化和气化原理来实现能量的储存和释放。Legrand[3]提出了一个100 MW LAES系统的热力学模型，结果显示平均储能成本降至50–150 €/MW，可与压缩空气储能甚至抽水蓄能相媲美。He等人[4]设计了一个10 MW的低温LAES系统，并对其进行了熵分析；分析表明，储液器的液化部分和节流阀占据了整个系统能量损失的41.5%，这是系统中最大的能量损失部分。Umyshev等人[5]提出了一种结合有机朗肯循环和热再生的液态空气储能系统，结果表明该配置可显著提高系统的往返效率。Sun等人[6]基于实验运行数据对液态空气储能试点厂进行了热力学分析，结果显示关键运行参数对系统效率和液化率有显著影响。Salem和Khaira[7]综述了液态空气储能系统的混合化、建模和经济特性，结果表明由于其高能量密度和地理灵活性，LAES在大规模储能方面具有巨大潜力。一些近期研究还考虑了空气中杂质对系统运行和性能的影响。Liu等人[8]提出了一种考虑空气净化的改进液态空气储能工艺，结果表明优化的净化和压缩策略可以显著提高系统效率和运行灵活性。Brigag?o等人[9]提出了一种结合超声速分离器和吸附净化的新型空气预处理系统，结果表明该系统可以去除压缩空气中的大部分水分，显著降低净化过程的熵损失和能耗。然而，现有研究主要集中在LAES系统的热力学优化和系统配置上，而专用空气预处理工艺的设计相对较少[10]。在实际运行中，如果空气进入高速旋转压缩机时携带灰尘杂质，将影响压缩机的正常运行。此外，空气中的水分和CO₂可能在液化过程中因低温而在管道中凝结，导致管道堵塞，危及运行安全。因此，空气预处理是LAES系统不可或缺的一部分。

LAES系统的空气预处理系统包括两个部分：空气过滤和净化。空气过滤系统是指在压缩机前放置过滤器以去除空气中的灰尘杂质。军事和工业领域的快速发展与空气过滤技术的进步密切相关。第一次世界大战期间，为了防止化学物质对人体造成伤害，开发了使用石棉纤维滤纸作为过滤材料的军用防毒面具。1940年，美国专利了一种使用玻璃纤维作为过滤材料的空气过滤器。然而，玻璃纤维容易穿透人体并造成伤害。1950年，美国开发了化学粘合法、湿法造纸法、热粘合法和熔融吹制法等非织造过滤材料制造方法。20世纪60年代，结晶技术蓬勃发展，高效过滤器应运而生。直到1980年，中国的“清洁技术”进入快速发展期[11]。随着纳米技术的研究，使用纳米纤维作为过滤材料的过滤器逐渐得到开发和应用。

空气净化系统用于在空气进入热交换单元之前去除其中的CO₂、水分等成分。CO₂和水分捕获技术包括化学吸附、膜分离技术、物理/化学吸附和CO₂低温捕获技术。与其他捕获方法相比，吸附法在系统设计简单、维护成本低、操作方便和性能更好方面具有优势。在碳基吸附剂的研究中，Mishra等人[12]利用氢诱导氧化剥离法制备了大规模且低成本的石墨烯纳米片，其在298 K温度和11 bar压力下的CO₂捕获率达到了21.6 mmol/g。为了提高吸附材料的表面性能，通常采用金属杂化、氮杂化和硫杂化改性等方法来增强碳基材料的CO₂吸附能力。分子筛是一种多孔固体材料，在CO₂吸附方面表现出良好性能。根据待吸附物质的性质，可以选择合适孔径的分子筛进行选择性吸附。根据吸附效果，分子筛可分为物理吸附和化学吸附，由于化学吸附通常需要更多能量，因此物理吸附应用更为广泛。

目前，大多数文献主要从热力学角度优化LAES系统，忽略了空气预处理对系统的影响。本研究通过分析空气过滤和空气净化的原理，对传统LAES系统进行了改进，确定了适合LAES系统的空气预处理技术，构建了无空气预处理的基本模型和有空气预处理的改进模型，并对这两种模型进行了仿真和分析，以研究空气预处理技术对LAES系统的影响。构建了无空气预处理的基本模型和有空气预处理的改进模型，并对其进行了仿真和分析，以研究空气预处理技术对LAES系统的影响。

系统简介

系统概述

本节将简要介绍LAES系统的工作流程，并描述适合LAES系统的空气预处理技术，为后续的优化和性能分析提供理论基础。

为了防止新能源发电的高波动影响电网稳定性，LAES系统在非高峰时段充分利用电网中的 surplus power 将空气加压至高温高压状态。

空气预处理技术

空气预处理技术包括在压缩机阶段之前的空气过滤和在热交换器阶段之前的空气净化，以减少杂质和某些空气成分对系统运行安全的影响。本节分别介绍了空气预处理系统中包含的过滤系统和净化系统的原理；然后根据LAES系统的具体特点对它们进行了详细研究。

热力学模型

本节为系统组件开发了热力学模型，考虑了LAES系统的复杂多设备耦合和相变特性。为了简化分析，热力学建模采用了以下简化假设[35]：

(1) 假设LAES系统处于稳态运行；

(2) 压缩子系统和膨胀子系统均为绝热过程；

(3) 组件之间的连接管道中的压力降和摩擦损失

结果与讨论

本研究通过建立HYSYS中的基本模型和改进模型，评估了空气预处理对LAES性能的影响。通过对比热力学和熵分析，研究了包括设备能耗、RTE、ALR和熵损失在内的关键参数，量化了预处理子系统对整个系统性能的影响。

结论

作为一种物理储能解决方案，LAES有效缓解了可再生能源的间歇性和输出波动问题。目前的研究主要集中在热力学分析上。本文主要关注LAES系统的空气预处理技术，构建了无空气预处理的基本模型和有空气预处理的改进模型，分析后得出以下结论：

(1) 从空气过滤原理出发，进行了相关研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2024YFE0208500）的支持。

联系信箱：

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摘要

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