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1、唐建峰,中国石油大学燃气工程系,1,吸附天然气储存技术 （Adsorption Natural Gas）,唐建峰 中国石油大学（华东）储建学院,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,2,吸附天然气储存技术 （adsorption natural gas）,一、概述 二、吸附天然气储气原理及其特点 三、吸附储存影响因素 四、吸附剂的选择 五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,3,一、概述,天然气吸附储存(ANG)是指高比表面、微孔的吸附剂在中、低压下吸附储存天然气。 与CNG技术相比，储气压力低的ANG技术在储气设备的容重比、型式、系统的成本等方面都有较大的优势，该储气
2、方式的研究引起了人们更大的关注，得以迅速发展。,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,4,吸附天然气储存技术 （adsorption natural gas）,一、概述 二、吸附天然气储存原理及其特点 三、吸附储存影响因素 四、吸附剂的选择 五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,5,（1）天然气吸附储存的原理 利用天然气分子在吸附剂内表面的物理吸附来储存天然气。由于吸附剂表面分子与气体之间的作用力远高于气体分子之间的作用力，使得吸附剂表面附近的气体分子浓度远高于气相主体浓度。 吸附剂孔径越小，吸附剂分子与气体分子之间的作用力就越强；孔径越小，则吸附剂比表面积越大，因而
3、吸附的天然气量就越多。,二、吸附天然气储存原理及特点,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,6,吸附储存天然气的基本原理如图1所示。 在储存容器中加入吸附剂后，虽然吸附剂本身要占据部分储存空间，但因吸附相的天然气密度高，总体效果是将显著提高天然气的体积能量密度。,图1 天然气吸附储存原理图,二、吸附天然气储存原理及特点,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,7,（2）天然气吸附储存的特点 与压缩天然气(CNG)技术相比，ANG技术具有以下优点： 工作压力低 设备体积小 成本低 安全系数高 工作压力低 ：ANG技术可将天然气的存储压力降至3.5MPa，对于采出口压力在5.0MPa以上的天然气气田，可直接利用
4、井口压力将天然气输入ANG存储系统。,二、吸附天然气储存原理及特点,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,8,设备体积小: ANG技术采用单级压缩、储罐形状和用材选择余地大，因储气压力低，故储气设备的容重比、型式、体积皆较小，质量轻，使用方便。 成本低: ANG技术系统的成本方面较CNG有较大优势，其总费用仅为CNG的一半。 安全系数高: 采用ANG储运技术，可将我国内地众多零散气井的天然气以较低的成本、较小的风险，方便灵活地输送到主管网中。,二、吸附天然气储存原理及特点,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,9,ANG技术应用过程中也存在一些不利因素，主要表现在： 脱附时天然气的滞留量(约30%)。 吸
5、附剂的装填密度低，降低了贮罐单位体积的储气量。 吸脱附时的热效应降低储气能力。 重烃与水对吸附剂的污染。 吸附剂结构对吸脱附量的影响。,二、吸附天然气储存原理及特点,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,10,吸附天然气储存技术 （adsorption natural gas）,一、概述 二、吸附天然气储存原理及其特点 三、吸附储存影响因素 四、吸附剂的选择 五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,11,主要表现在以下四个方面： 吸附剂结构 吸附剂床层密度 热效应 天然气的组成,三、吸附储存的影响因素,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,12,吸附剂结构 吸附剂结构对吸附量
6、的影响主要取决于吸附剂结构的三个基本参数：孔结构、比表面积及微孔数量,（1）孔结构 孔径的尺度影响天然气的净储存量，若孔径太小，则吸附的天然气分子与孔壁结合力太强，在释放压力下难以脱附，从而减小了吸附剂的有效储气量；若孔径太大，则孔壁的吸附势小，难以有效吸附天然气分子，对增加天然气存储密度没有明显的作用。,三、吸附储存的影响因素,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,13,（2）比表面积 在一定范围内，吸附剂的储气量随比表面的增加而增大。 （3）微孔数量 微孔数量丰富的吸附剂具有更好的吸附能力,三、吸附储存的影响因素,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,14,吸附剂床层密度 吸附剂在储罐中的装填密度(P
7、acking Density)影响吸附剂的储存量。吸附剂颗粒装填于储罐中，颗粒之间留有许多空隙，它们对增加ANG的存储密度没有贡献，因此应尽量减少吸附剂颗粒之间的空隙。可通过改善吸附剂的孔隙结构提高吸附剂的装填密度。,三、吸附储存的影响因素,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,15,热效应 ANG技术的实现除具有高体积存储能力的吸附剂外，吸附热效应是另一个亟待解决的问题。这是因为由于ANG技术的实现涉及吸附剂对天然气的吸附与脱附过程，而吸附与脱附过程分别伴随着放热与吸热现象，使吸附时系统温度升高，不利于气体的吸附，脱附时系统温度降低不利于气体的脱附，造成系统的总吸附储量大大降低。 该现象表明充、放
8、气过程中的热效应直接关系到天然气吸附剂的实际应用性能和ANG技术的推广应用。,三、吸附储存的影响因素,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,16,天然气组成的影响 天然气中除主要成分甲烷外，还含有C2、C3、氮气、二氧化碳以及少量C4以上的烃类、水和含硫化合物。吸附剂的寿命与所用活性炭的种类关系不大，而与天然气的组成密切相关。 吸附剂经多次循环使用后，天然气中的重组分烃类及极性化合物等杂质组分会在吸附剂上积累，使其存储能力下降，从而使吸附剂的使用寿命缩短。 天然气中的非烃化合物(H2S、CO2、H2O)对天然气吸附储存的影响视其在天然气中的含量而定。主要表现在以下几个方面。,三、吸附储存的影响因素,
9、唐建峰,中国石油大学燃气工程系,17, 对吸附剂影响最大的是H2S，它可以在吸附剂上产生不可逆吸附。对于含硫量较高的天然气，进入储罐前必须进行预脱硫。 当CO2含量为0.04%1.0%时，不会影响吸附剂吸附性能，但当其含量大于1%时，须加以考虑。 对于天然气中的H2O，因在进入吸附储罐前一般经过预脱水，含量很低，一般不予考虑。而氮气对活性炭的使用寿命完全没有影响。,三、吸附储存的影响因素,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,18,杂质的存在对天然气的存储并不总是不利的，向天然气中加入少量的添加剂，可改善吸附剂的吸附性能，添加剂的引入主要起到优化甲烷吸附等温线形状的作用，使吸附剂释放后的垫气量减少，
10、使得最终的有效释放量增加。 在实际应用中，ANG技术除了受到吸附剂自身特性的制约外，应用过程中的压力和温度也将对其产生影响。,三、吸附储存的影响因素,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,19,吸附天然气储存技术 （adsorption natural gas）,一、概述 二、吸附天然气储存原理及其特点 三、吸附储存影响因素 四、吸附剂的选择 五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,20,四、吸附剂的选择,影响吸附储存的因素有很多，其中最主要的是吸附剂的选择。天然气存储技术中，吸附剂的研究、开发、优选是首要问题，也是ANG技术研究中最为广泛的内容。 吸附剂吸附能力表示方
11、法：传统的表示吸附剂吸附能力的方式均以质量为基础，即每克吸附剂所能吸附的气体量。对于储罐容积一定的ANG技术，以单位容积吸附剂作为基准衡量吸附剂的吸附能力将更为合理，即以每体积的吸附剂可以吸附多少体积的气体表示。,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,21,四、吸附剂的选择,大量的研究结果表明，优良的天然气吸附剂应具备以下特点： 应具有较大的比表面积和适宜的微孔结构。 对天然气的储气能力高 。 有良好的导热性。 正常情况下，吸附和脱附的速率要高；当压力下降到常压时，残留在壁内的“垫气”要少。 用寿命长，能再生使用及其制备工艺简单、成本低 。 以上特点也是评价一种ANG吸附剂吸附性能优良与否的基本条件
12、。,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,22,四、吸附剂的选择,从20世纪50年代起，人们就一直寻找各种适合天然气储存用的吸附剂，先后研究了天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶、活性炭等。 硅胶 是由多聚硅酸经分子内脱水而形成的一种多孔性物质，其化学组成为 SiO2XH2O，属于无定型结构。由于硅胶为多孔性物质，具有较大的比表面，而且表面的羟基具有一定程度的极性，故能优先吸附极性分子。,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,23,四、吸附剂的选择, 沸石分子筛 属于结晶硅铝酸盐，极性越强的或越易被极化的分子，也就越容易被沸石吸附。沸石分子筛在吸附天然气方面虽具备一定的条件但不具有优势，其主要应用是在气体分
13、离方面。 活性炭纤维（ACFS） 作为一种新型的高效吸附剂，活性炭纤维的吸附和脱附性能要优于一般的活性炭，其原因在于ACFS 具有的特殊的形态、高的比表面积和独特的孔结构。ACFS的孔径分布窄，微孔丰富且开口于纤维表面，有少量中孔，很少或基本上没有大孔，在相同的条件下，ACFS的吸附效果和速率都远远高于活性炭。,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,24,四、吸附剂的选择, 活性炭 与其他吸附剂（树脂类、硅胶、沸石等）相比，活性炭的优点在于： ) 高度发达的孔隙结构和巨大的内比表面积； ) 活性炭表面上含有多种官能团； ) 性能稳定，可以在不同温度、酸碱度中使用； ) 可以再生循环。,唐建峰,中国石
14、油大学燃气工程系,25,吸附天然气储存技术 （adsorption natural gas）,一、概述 二、吸附天然气储存原理及其特点 三、吸附储存影响因素 四、吸附剂的选择 五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,26,五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,（1）应用前景 ANG技术可用于天然气吸附剂汽车、无法管输的零散气井以及放空天然气的吸附回收，以供工业、民用、调峰和国防等使用，从而极大地降低成本。此外该技术还可用于高效脱色剂，精脱硫剂，气焊等方面。 燃气调峰 我国目前主要用地面大型储罐供城市天然气的调峰，其压力与管网压力相当。若采用ANG，则储罐固定成本只
15、比现有的多了吸附剂成本，单按25、3.5MPa下储气150(体积比)算储气能力却是现有的45倍，可节省大量钢材及占地面积，具有较强经济优势和市场竞争力。,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,27,零散气井的储运开发 由于储运设施的短缺造成我国天然气产量中的8%10%被白白燃放掉。目前我国内地还存在众多没有开采价值的中、小型气田资源，大大降低了我国天然气的总产量。 如采用ANG储运技术，则可把这些零散气井的天然气以较低的成本、较小的风险、方便灵活的方式输送到主管网中。随着我国能源对外依存度的加大和天然气价格的上涨，ANG技术在这方面的应用前景会越来越广阔。,五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,唐建
16、峰,中国石油大学燃气工程系,28,此外，天然气吸附剂作为一种新型炭材料，具有发达的微孔和极大的比表面积，应用领域极为广阔。目前已处于技术开发状态的主要有：天然气汽车燃料的吸附储存材料、双电层电容器电极材料、变压吸附的超临界气体分离材料。,五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,29,（2）吸附天然气储存的研究方向 国内ANG技术的研究主要集中在高效天然气吸附剂的开发研究方面。目前ANG技术应用存在的较大问题是吸附剂的吸附性能还不是很理想，高效且低成本吸附剂的工业化生产、吸附剂成型技术、吸附储存设备的开发方面的研究还有待加强。 为了使吸附天然气能够真正走向市场，ANG存储技术的研究必须考虑几个问题： 活性炭压制成型、填装、再生等技术。 考虑含杂质的实际天然气对吸附剂吸附性能的影响。,五、吸附天然气储存应用前景及研究方向,唐建峰,中国石油大学燃气工程系,30, 在充、放气过程中存在吸附热效应的影响，要研究提高吸附床层的换热性能，解决好
