天然氣吸附儲(chǔ)存31

1、唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔? 吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù)吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔? 天然氣吸附儲(chǔ)存天然氣吸附儲(chǔ)存(ANG)是指高比表面、微孔的吸附劑在中、低壓下吸附儲(chǔ)存天然氣。 與CNG技術(shù)相比，儲(chǔ)氣壓力低的ANG技術(shù)在儲(chǔ)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(shì)，該儲(chǔ)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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔? 吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù)吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔? （1）天然氣吸附儲(chǔ)存的原理

2、）天然氣吸附儲(chǔ)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(chǔ)存天然氣。由于吸附劑表面分子與氣體之間的作用力遠(yuǎn)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(yuǎn)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(qiáng)；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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔? 吸附儲(chǔ)存天然氣的基本原理如圖1所示。 在儲(chǔ)存容器中加入吸附劑后，雖然吸附劑本身要占據(jù)部分儲(chǔ)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(chǔ)存原理圖 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?（2）天然氣吸附儲(chǔ)存的特點(diǎn)）天然氣

3、吸附儲(chǔ)存的特點(diǎn) 與壓縮天然氣(CNG)技術(shù)相比，ANG技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(chǔ)壓力降至3.5MPa，對(duì)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(chǔ)系統(tǒng)。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?n設(shè)備體積小設(shè)備體積小: ANG技術(shù)采用單級(jí)壓縮、儲(chǔ)罐形狀和用材選擇余地大，因儲(chǔ)氣壓力低，故儲(chǔ)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(shì)，其總費(fèi)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(chǔ)運(yùn)技術(shù)，可將我國(guó)內(nèi)地眾多零散氣井的天然氣以較低的成本、較小的風(fēng)險(xiǎn)，方便靈活地輸送到主管網(wǎng)中。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔? 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(shí)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(chǔ)氣量。 吸脫附時(shí)的熱效應(yīng)降低儲(chǔ)氣能力。 重?zé)N與水對(duì)吸附劑的污染。 吸附劑結(jié)構(gòu)對(duì)吸脫附量的影響。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?0 吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù)吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?1主要表現(xiàn)在以下四個(gè)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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?2n 吸附劑結(jié)構(gòu)吸附劑結(jié)構(gòu) 吸附劑結(jié)構(gòu)對(duì)吸附量的影響主要取決于吸附劑結(jié)構(gòu)的三個(gè)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(chǔ)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(qiáng)，在釋放壓力下難以脫附，從而減小了吸附劑的有效儲(chǔ)氣量；若孔徑太大，則孔壁的吸附勢(shì)小，難以有效吸附天然氣分子，對(duì)增加天然氣存儲(chǔ)密度沒有明顯的作用。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?3 （2）比表面積）比表面積 在一定范圍內(nèi)，吸附劑的儲(chǔ)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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?4n 吸附劑床層密度吸附劑床層密度 吸附劑在儲(chǔ)罐中的裝填密度(Packing Density)影響吸附劑的儲(chǔ)存量。吸附劑顆粒裝填于儲(chǔ)罐中，顆粒之間留有許多空隙，它們對(duì)增加ANG的存儲(chǔ)密度沒有貢獻(xiàn)，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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?5n 熱效應(yīng)熱效應(yīng) ANG技術(shù)的實(shí)現(xiàn)除具有高體積存儲(chǔ)能力的吸附劑外，吸附熱效應(yīng)是另一個(gè)亟待解決的問題。這是因?yàn)橛捎贏NG技術(shù)的實(shí)現(xiàn)涉及吸附劑對(duì)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(shí)系統(tǒng)溫度升高，不利于氣體的吸附，脫附時(shí)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(chǔ)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(shí)際應(yīng)用性能和ANG技術(shù)的推廣應(yīng)用。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?6n 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?dú)狻⒍趸家约吧倭緾4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(huì)在吸附劑上積累，使其存儲(chǔ)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(duì)天然氣吸附儲(chǔ)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(gè)方面。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?7 對(duì)吸附劑影響最大的是對(duì)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(duì)于含硫量較高的天然氣，進(jìn)入儲(chǔ)罐前必須進(jìn)行預(yù)脫硫。 當(dāng)CO2含量為0.04%1.0%時(shí)，不會(huì)影響吸附劑吸附性能，但當(dāng)其含量大于1%時(shí)，須加以考慮。 對(duì)于天然氣中的H2O，因在進(jìn)入吸附儲(chǔ)罐前一般經(jīng)過預(yù)脫水，含量很低，一般不予考慮。而氮?dú)獾獨(dú)鈱?duì)活性炭的使用壽命完全沒有影響。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?8 雜質(zhì)的存在對(duì)天然氣的存儲(chǔ)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(shí)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(duì)其產(chǎn)生影響。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?9 吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù)吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?0 影響吸附儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)于儲(chǔ)罐容積一定的ANG技術(shù)，以單位容積吸附劑作為基準(zhǔn)衡量以單位容積吸附劑作為基準(zhǔn)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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?1 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(diǎn)：優(yōu)良的天然氣吸附劑應(yīng)具備以下特點(diǎn)： 應(yīng)具有較大的比表面積和適宜的微孔結(jié)構(gòu)。 對(duì)天然氣的儲(chǔ)氣能力高 。 有良好的導(dǎo)熱性。 正常情況下，吸附和脫附的速率要高；當(dāng)壓力下降到常壓時(shí)，殘留在壁內(nèi)的“墊氣”要少。 用壽命長(zhǎng)，能再生使用及其制備工藝簡(jiǎn)單、成本低 。

11、以上特點(diǎn)也是評(píng)價(jià)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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?2 從20世紀(jì)50年代起，人們就一直尋找各種適合天然氣儲(chǔ)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(xué)組成為 SiO2XH2O，屬于無(wú)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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?3 沸石分子篩沸石分子篩 屬于結(jié)晶硅鋁酸鹽，極性越強(qiáng)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(shì)

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(dú)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于活性炭。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?4 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(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在于： ) 高度發(fā)達(dá)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(tuán)； ) 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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?5 吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù)吸附天然氣儲(chǔ)存技術(shù) （adsorption natural gas）唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?6 （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(wú)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(guó)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?xì)庹{(diào)峰燃?xì)庹{(diào)峰 我國(guó)目前主要用地面大型儲(chǔ)罐供城市天然氣的調(diào)峰，其壓力與管網(wǎng)壓力相當(dāng)。若采用ANG，則儲(chǔ)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(chǔ)氣150(體積比)算儲(chǔ)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(qiáng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?7n 零散氣井的儲(chǔ)運(yùn)開發(fā)零散氣井的儲(chǔ)運(yùn)開發(fā) 由于儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的短缺造成我國(guó)天然氣產(chǎn)量中的8%10%被白白燃放掉。目前我國(guó)內(nèi)地還存在眾多沒有開采價(jià)值的中、小型氣田資源，大大降低了我國(guó)天然氣的總產(chǎn)量。 如采用ANG儲(chǔ)運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)、方便靈活的方式輸送到主管網(wǎng)中。隨著我國(guó)能源對(duì)外依存度的加大和天然氣價(jià)格的上漲，ANG技術(shù)在這方面的應(yīng)用前景會(huì)越來越廣闊。 唐建峰中國(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?8 此外，天然氣吸附劑作為一種新型炭材料，具有發(fā)達(dá)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(chǔ)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(guó)石油大學(xué)燃?xì)夤こ滔?9 （2）吸附天然氣儲(chǔ)存的研究方向）吸附天然氣儲(chǔ)存的研究方向 國(guó)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(chǔ)存設(shè)備的開發(fā)方面的研究還有待加強(qiáng)。 為了使吸附天然氣能夠真正走向市場(chǎng)，ANG存儲(chǔ)技術(shù)的研究必須考慮幾個(gè)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(shí)際天然氣對(duì)吸附劑吸附性能