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吸附天然气技术及其应用方案
燃气安全网 2014-09-22 阅读:1280

一、前 言

随着世界范围内汽车产量的迅速增加和石油资源的严重短缺,以天然气代替汽油是当今世界许多国家调整能源结构,减少污染的一大趋势。用天然气作为汽车燃料代替目前广泛使用的汽油的优点是,价格便宜、辛烷值高、燃烧充分、低硫、低氮、无灰及减少环境污染,并且天然气发动机的各种操作性能,如冷启动、耐磨损、易维护等优于汽油发动机。

近年来,各工业发达国家和各大化学公司都积极开发与研究天然气利用的新技术,其中用天然气代替汽油作汽车燃料是研究天然气利用领域的新热点。但与汽油相比,天然气作为汽车燃料使用的最大缺点是其能量密度太低。1L汽油燃烧后可释放3.48×104kJ的热量,而常温常压下1L天然气完全燃烧释放40kJ的热量,仅为汽油的0.11%[1]。天然气作汽车燃料对储罐的体积有严格的限制,所以,增加天然气的存储密度,减少储罐的体积是天然气汽车推广应用的关键。

二、ANG技术

1、工作原理及技术

吸附储存天然气(ANG)技术是在储罐中装入高比表面的天然气专用吸附剂,利用其巨大的内表面积和丰富的微孔结构,在常温、中压(4.0MPa)下将天然气吸附储存的技术。邹勇等根据微孔容积填充理论(TVFM)对蒸汽在活性炭微孔中的吸附,计算出了室温下天然气在活性炭上吸附储存的最佳压力为3.551MPa[2]。当储罐的压力低于外界压力时,气体被吸附在吸附剂固体微孔的表面,借以储存;当外界的压力低于储罐的压力时,气体从吸附剂固体表面脱附而出供应外界。

与压缩天然气(CNG)相比,ANG具有投资和操作费用降低48%,储罐形状和材质选择余地大,质轻,低压,使用方便和安全可靠等优点,其技术关键是开发甲烷吸附量高的天然气专用吸附剂。

2、吸附剂应用概况

目前,天然气吸附剂主要是炭质吸附剂,高比表面积的活性炭对甲烷的吸附量远远高于普通活性炭和活性炭纤维,而对于吸附储存甲烷的实际应用,当储罐体积有限时,必须考虑单位体积吸附剂的吸附量,而非单位质量吸附剂的吸附量。当储罐装入活性炭吸附剂后,储罐内的空间被分为4个部分,即炭粒之间的空体积;大孔体积; 炭原子骨架所占的体积;微孔体积。由于甲烷在常温(远远高于其临界温度190K)情况下基本是微孔起作用,因此大孔体积可视为与空体积一样对提高甲烷的吸附容量不起作用。

为提高甲烷的储存密度,就必须减少大孔体积和空体积。然而,目前已商品化的活性炭由于比表面太低(约1 200m2/g),孔分布太宽,其储存甲烷的量只相当于20MPa下储存甲烷量的1/2[3]。

3、影响吸附剂储气性能的因素

(1) 吸附剂结构

存储天然气时,由于存储体积本身的限制,应考虑单位体积的吸脱附量,而不是单位质量吸附剂的吸脱附量,吸附剂结构型式对吸附量的影响极大。

①比表面积

为了有效地储存天然气,增加吸附剂储存天然气的能量密度,要求制备的吸附剂具有高度发达的微孔结构,这就意味着吸附剂的比表面积应该很大。研究表明,吸附剂比表面积在2 500~3 000 m2/g时可望获得较高的天然气吸附量。但大量研究也表明,并非比表面积越大越好,吸附剂储存甲烷的能力还与其孔结构、填充密度有关。有效的吸附剂应使其比表面积、微孔结构、填充密度三者合理匹配。试验表明,高比表面吸附剂的比表面积一般与其填充密度成反比。

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