天然氣吸附儲存-31

1、唐建峰中國石油大學燃氣工程系1唐建峰中國石油大學燃氣工程系2 吸附天然氣儲存技術(shù)吸附天然氣儲存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國石油大學燃氣工程系3 天然氣吸附儲存天然氣吸附儲存(ANG)是指高比表面、微孔的吸附劑在中、低壓下吸附儲存天然氣。 與CNG技術(shù)相比，儲氣壓力低的ANG技術(shù)在儲氣設(shè)備的容重比、型式、系統(tǒng)的成本等方面都有較大的優(yōu)勢，該儲氣方式的研究引起了人們更大的關(guān)注，得以迅速發(fā)展。唐建峰中國石油大學燃氣工程系4 吸附天然氣儲存技術(shù)吸附天然氣儲存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國石油大學燃氣工程系5 （1）天然氣吸附儲存的原理

2、）天然氣吸附儲存的原理 利用天然氣分子在吸附劑內(nèi)表面的物理吸附來儲存天然氣。由于吸附劑表面分子與氣體之間的作用力遠高于氣體分子之間的作用力，使得吸附劑表面附近的氣體分子濃度遠高于氣相主體濃度。 吸附劑孔徑越小，吸附劑分子與氣體分子之間的作用力就越強；孔徑越小，則吸附劑比表面積越大，因而吸附的天然氣量就越多。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系6 吸附儲存天然氣的基本原理如圖1所示。 在儲存容器中加入吸附劑后，雖然吸附劑本身要占據(jù)部分儲存空間，但因吸附相的天然氣密度高，總體效果是將顯著提高天然氣的體積能量密度。圖1 天然氣吸附儲存原理圖 唐建峰中國石油大學燃氣工程系7（2）天然氣吸附儲存的特點）天然氣

3、吸附儲存的特點 與壓縮天然氣(CNG)技術(shù)相比，ANG技術(shù)具有以下優(yōu)點：n 工作壓力低工作壓力低n 設(shè)備體積小設(shè)備體積小 n 成本低成本低 n 安全系數(shù)高安全系數(shù)高n 工作壓力低工作壓力低 ：ANG技術(shù)可將天然氣的存儲壓力降至3.5MPa，對于采出口壓力在5.0MPa以上的天然氣氣田，可直接利用井口壓力將天然氣輸入ANG存儲系統(tǒng)。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系8n設(shè)備體積小設(shè)備體積小: ANG技術(shù)采用單級壓縮、儲罐形狀和用材選擇余地大，因儲氣壓力低，故儲氣設(shè)備的容重比、型式、體積皆較小，質(zhì)量輕，使用方便。n成本低成本低: ANG技術(shù)系統(tǒng)的成本方面較CNG有較大優(yōu)勢，其總費用僅為CNG的一半。n

4、安全系數(shù)高安全系數(shù)高: 采用ANG儲運技術(shù)，可將我國內(nèi)地眾多零散氣井的天然氣以較低的成本、較小的風險，方便靈活地輸送到主管網(wǎng)中。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系9 ANG技術(shù)應(yīng)用過程中也存在一些不利因素，主要表現(xiàn)在： 脫附時天然氣的滯留量(約30%)。 吸附劑的裝填密度低，降低了貯罐單位體積的儲氣量。 吸脫附時的熱效應(yīng)降低儲氣能力。 重烴與水對吸附劑的污染。 吸附劑結(jié)構(gòu)對吸脫附量的影響。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系10 吸附天然氣儲存技術(shù)吸附天然氣儲存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國石油大學燃氣工程系11主要表現(xiàn)在以下四個方面：n吸附劑結(jié)構(gòu)吸附劑結(jié)構(gòu)n吸附劑床層

5、密度吸附劑床層密度n熱效應(yīng)熱效應(yīng)n天然氣的組成天然氣的組成 唐建峰中國石油大學燃氣工程系12n 吸附劑結(jié)構(gòu)吸附劑結(jié)構(gòu) 吸附劑結(jié)構(gòu)對吸附量的影響主要取決于吸附劑結(jié)構(gòu)的三個基本參數(shù)：孔結(jié)構(gòu)、比表面積及微孔數(shù)量孔結(jié)構(gòu)、比表面積及微孔數(shù)量（1）孔結(jié)構(gòu)）孔結(jié)構(gòu) 孔徑的尺度影響天然氣的凈儲存量，若孔徑太小，則吸附的天然氣分子與孔壁結(jié)合力太強，在釋放壓力下難以脫附，從而減小了吸附劑的有效儲氣量；若孔徑太大，則孔壁的吸附勢小，難以有效吸附天然氣分子，對增加天然氣存儲密度沒有明顯的作用。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系13 （2）比表面積）比表面積 在一定范圍內(nèi)，吸附劑的儲氣量隨比表面的增加而增大。 （3）微孔數(shù)

6、量）微孔數(shù)量 微孔數(shù)量豐富的吸附劑具有更好的吸附能力 唐建峰中國石油大學燃氣工程系14n 吸附劑床層密度吸附劑床層密度 吸附劑在儲罐中的裝填密度(Packing Density)影響吸附劑的儲存量。吸附劑顆粒裝填于儲罐中，顆粒之間留有許多空隙，它們對增加ANG的存儲密度沒有貢獻，因此應(yīng)盡量減少吸附劑顆粒之間的空隙?？赏ㄟ^改善吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu)提高吸附劑的裝填密度。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系15n 熱效應(yīng)熱效應(yīng) ANG技術(shù)的實現(xiàn)除具有高體積存儲能力的吸附劑外，吸附熱效應(yīng)是另一個亟待解決的問題。這是因為由于ANG技術(shù)的實現(xiàn)涉及吸附劑對天然氣的吸附與脫附過程，而吸附與脫附過程分別伴隨著放熱與吸熱現(xiàn)

7、象，使吸附時系統(tǒng)溫度升高，不利于氣體的吸附，脫附時系統(tǒng)溫度降低不利于氣體的脫附，造成系統(tǒng)的總吸附儲量大大降低。 該現(xiàn)象表明充、放氣過程中的熱效應(yīng)直接關(guān)系到天然氣吸附劑的實際應(yīng)用性能和ANG技術(shù)的推廣應(yīng)用。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系16n 天然氣組成的影響天然氣組成的影響 天然氣中除主要成分甲烷外，還含有C2、C3、氮氣、二氧化碳以及少量C4以上的烴類、水和含硫化合物。吸附劑的壽命與所用活性炭的種類關(guān)系不大，而與天然氣的組成密切相關(guān)。 吸附劑經(jīng)多次循環(huán)使用后，天然氣中的重組分烴類及極性化合物等雜質(zhì)組分會在吸附劑上積累，使其存儲能力下降，從而使吸附劑的使用壽命縮短。 天然氣中的非烴化合物(H2

8、S、CO2、H2O)對天然氣吸附儲存的影響視其在天然氣中的含量而定。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系17 對吸附劑影響最大的是對吸附劑影響最大的是H2S，它可以在吸附劑上產(chǎn)生不可逆吸附。對于含硫量較高的天然氣，進入儲罐前必須進行預脫硫。 當CO2含量為0.04%1.0%時，不會影響吸附劑吸附性能，但當其含量大于1%時，須加以考慮。 對于天然氣中的H2O，因在進入吸附儲罐前一般經(jīng)過預脫水，含量很低，一般不予考慮。而氮氣氮氣對活性炭的使用壽命完全沒有影響。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系18 雜質(zhì)的存在對天然氣的存儲并不總是不利的，向天然氣中向天然氣中加入少量的添加劑，可改善吸

9、附劑的吸附性能加入少量的添加劑，可改善吸附劑的吸附性能，添加劑的引入主要起到優(yōu)化甲烷吸附等溫線形狀的作用，使吸附劑釋放后的墊氣量減少，使得最終的有效釋放量增加。 在實際應(yīng)用中，ANG技術(shù)除了受到吸附劑自身特性的制約外，應(yīng)用過程中的壓力和溫度也將對其產(chǎn)生影響。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系19 吸附天然氣儲存技術(shù)吸附天然氣儲存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國石油大學燃氣工程系20 影響吸附儲存的因素有很多，其中最主要的是吸附劑的選擇。天然氣存儲技術(shù)中，吸附劑的研究、開發(fā)、優(yōu)選是首要問題，也是ANG技術(shù)研究中最為廣泛的內(nèi)容。 吸附劑吸附能力表示方法：吸附劑吸附能力表

10、示方法：傳統(tǒng)的表示吸附劑吸附能力的方式均以質(zhì)量為基礎(chǔ)，即每克吸附劑所能吸附的氣體量。對于儲罐容積一定的ANG技術(shù)，以單位容積吸附劑作為基準衡量以單位容積吸附劑作為基準衡量吸附劑的吸附能力吸附劑的吸附能力將更為合理，即以每體積的吸附劑可以吸附多少體積的氣體表示。唐建峰中國石油大學燃氣工程系21 大量的研究結(jié)果表明，優(yōu)良的天然氣吸附劑應(yīng)具備以下特點：優(yōu)良的天然氣吸附劑應(yīng)具備以下特點： 應(yīng)具有較大的比表面積和適宜的微孔結(jié)構(gòu)。 對天然氣的儲氣能力高 。 有良好的導熱性。 正常情況下，吸附和脫附的速率要高；當壓力下降到常壓時，殘留在壁內(nèi)的“墊氣”要少。 用壽命長，能再生使用及其制備工藝簡單、成本低 。

11、以上特點也是評價一種ANG吸附劑吸附性能優(yōu)良與否的基本條件。唐建峰中國石油大學燃氣工程系22 從20世紀50年代起，人們就一直尋找各種適合天然氣儲存用的吸附劑，先后研究了天然沸石、分子篩、活性氧化鋁、硅膠、活性炭等。 硅膠硅膠 是由多聚硅酸經(jīng)分子內(nèi)脫水而形成的一種多孔性物質(zhì)，其化學組成為 SiO2XH2O，屬于無定型結(jié)構(gòu)。由于硅膠為多孔性物質(zhì)，具有較大的比表面，而且表面的羥基具有一定程度的極性，故能優(yōu)先吸附極性分子。唐建峰中國石油大學燃氣工程系23 沸石分子篩沸石分子篩 屬于結(jié)晶硅鋁酸鹽，極性越強的或越易被極化的分子，也就越容易被沸石吸附。沸石分子篩在吸附天然氣方面雖具備一定的條件但不具有優(yōu)勢

12、，其主要應(yīng)用是在氣體分離方面。 活性炭纖維（活性炭纖維（ACFS） 作為一種新型的高效吸附劑，活性炭纖維的吸附和脫附性能要優(yōu)于一般的活性炭，其原因在于ACFS 具有的特殊的形態(tài)、高的比表面積和獨特的孔結(jié)構(gòu)。ACFS的孔徑分布窄，微孔豐富且開口于纖維表面，有少量中孔，很少或基本上沒有大孔，在相同的條件下，ACFS的吸附效果和速率都遠遠高于活性炭。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系24 活性炭活性炭 與其他吸附劑（樹脂類、硅膠、沸石等）相比，活性炭的活性炭的優(yōu)點優(yōu)點在于： ) 高度發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的內(nèi)比表面積； ) 活性炭表面上含有多種官能團； ) 性能穩(wěn)定，可以在不同溫度、酸堿度中使用； ) 可

13、以再生循環(huán)。唐建峰中國石油大學燃氣工程系25 吸附天然氣儲存技術(shù)吸附天然氣儲存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國石油大學燃氣工程系26 （1）應(yīng)用前景）應(yīng)用前景 ANG技術(shù)可用于天然氣吸附劑汽車、無法管輸?shù)牧闵饩约胺趴仗烊粴獾奈交厥?，以供工業(yè)、民用、調(diào)峰和國防等使用，從而極大地降低成本。此外該技術(shù)還可用于高效脫色劑，精脫硫劑，氣焊等方面。n 燃氣調(diào)峰燃氣調(diào)峰 我國目前主要用地面大型儲罐供城市天然氣的調(diào)峰，其壓力與管網(wǎng)壓力相當。若采用ANG，則儲罐固定成本只比現(xiàn)有的多了吸附劑成本，單按25、3.5MPa下儲氣150(體積比)算儲氣能力卻是現(xiàn)有的45倍，可節(jié)省大

14、量鋼材及占地面積，具有較強經(jīng)濟優(yōu)勢和市場競爭力。唐建峰中國石油大學燃氣工程系27n 零散氣井的儲運開發(fā)零散氣井的儲運開發(fā) 由于儲運設(shè)施的短缺造成我國天然氣產(chǎn)量中的8%10%被白白燃放掉。目前我國內(nèi)地還存在眾多沒有開采價值的中、小型氣田資源，大大降低了我國天然氣的總產(chǎn)量。 如采用ANG儲運技術(shù)，則可把這些零散氣井的天然氣以較低的成本、較小的風險、方便靈活的方式輸送到主管網(wǎng)中。隨著我國能源對外依存度的加大和天然氣價格的上漲，ANG技術(shù)在這方面的應(yīng)用前景會越來越廣闊。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系28 此外，天然氣吸附劑作為一種新型炭材料，具有發(fā)達的微孔和極大的比表面積，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣闊。目前已處于技術(shù)開發(fā)狀態(tài)的主要有：天然氣汽車燃料的吸附儲存材料、雙電層電容器電極材料、變壓吸附的超臨界氣體分離材料。 唐建峰中國石油大學燃氣工程系29 （2）吸附天然氣儲存的研究方向）吸附天然氣儲存的研究方向 國內(nèi)ANG技術(shù)的研究主要集中在高效天然氣吸附劑的開發(fā)研究方面。目前ANG技術(shù)應(yīng)用存在的較大問題是吸附劑的吸附性能還不是很理想，高效且低成本吸附劑的工業(yè)化生產(chǎn)、吸附劑成型技術(shù)、吸附儲存設(shè)備的開發(fā)方面的研究還有待加強。 為了使吸附天然氣能夠真正走向市場，ANG存儲技術(shù)的研究必須考慮幾個問題： 活性炭壓制成型、填裝、再生等技術(shù)。 考慮含雜質(zhì)的實際天然氣對吸附劑吸附性能