天然氣吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)

李俊穎

(四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川成都 610213)

天然氣吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)

李俊穎

(四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川成都 610213)

儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是天然氣的推廣利用的依托所在,如何降低其生產(chǎn)運(yùn)輸成本以及保障其安全性已然成為業(yè)界研究的重點(diǎn)。本文結(jié)合現(xiàn)有的ANG 吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)工藝及其特點(diǎn),分析了吸附儲(chǔ)運(yùn)工藝中的關(guān)鍵因素,確定出最佳吸附劑產(chǎn)品,并對(duì)吸附性能進(jìn)行了探討。

天然氣 吸附儲(chǔ)運(yùn) 工藝設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,使得降低能源消耗,保護(hù)環(huán)境成為我國(guó)目前關(guān)注的焦點(diǎn)。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì),成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)未來(lái)的發(fā)展的主要方向,故而如何推廣利用天然氣成為了改善環(huán)境,解決能源和環(huán)境瓶頸的癥結(jié)所在。由于天然氣的推廣利用依賴(lài)于其儲(chǔ)運(yùn)技術(shù),所以天然氣吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)以其較低的生產(chǎn)運(yùn)輸成本及較高的安全性,逐漸成為研究重點(diǎn)。

1 吸附儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)流程概述

ANG吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的基本流程可以簡(jiǎn)單地概括如下:在實(shí)際儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,當(dāng)儲(chǔ)罐的壓力低于外界壓力時(shí),氣體被吸附在吸附劑固體微孔的表面,借以?xún)?chǔ)存;當(dāng)外界的壓力低于儲(chǔ)罐的壓力時(shí),氣體從吸附劑固體表面脫附釋放,得以使用。完善的ANG吸附儲(chǔ)運(yùn)流程應(yīng)該包括四個(gè)部分:吸附劑的開(kāi)發(fā)、儲(chǔ)罐的開(kāi)發(fā)、設(shè)備的組裝和最后的運(yùn)行管理。天然氣吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)可以分為研發(fā)、建設(shè)階段以及投產(chǎn)、運(yùn)行階段。

2 吸附儲(chǔ)運(yùn)基本流程

ANG吸附儲(chǔ)運(yùn)工藝的基本流程決定了整個(gè)工程項(xiàng)目的成本以及投資額。目前的ANG儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)基本解決了天然氣中除甲烷外的其他氣體組分對(duì)儲(chǔ)氣系統(tǒng)的干擾的問(wèn)題,但依然存在很多問(wèn)題:壓縮后氣體溫度過(guò)高現(xiàn)象影響吸附性能,流程缺乏針對(duì)來(lái)源氣體性質(zhì)的剖析,ANG儲(chǔ)罐缺乏詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)這些問(wèn)題,為了保證其簡(jiǎn)單性和可行性,需要對(duì)流程做出優(yōu)化。從上游來(lái)的天然氣首先進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行凈化,脫除原氣體中包括二氧化碳、氮?dú)狻⒍趸蛟趦?nèi)的雜質(zhì)氣體。根據(jù)凈化后的氣體的壓力來(lái)確定是否通過(guò)壓縮機(jī)增壓。如果滿(mǎn)足要求,則直接進(jìn)入預(yù)吸附罐和ANG儲(chǔ)罐。否則,則讓天然氣先進(jìn)入壓縮機(jī)增壓至設(shè)計(jì)壓力,然后進(jìn)入換熱器冷卻至正常溫度。最后進(jìn)入預(yù)吸附罐和ANG儲(chǔ)罐。循環(huán)水系統(tǒng)同時(shí)連接換熱器和ANG儲(chǔ)罐的換熱管束,在ANG儲(chǔ)罐發(fā)生吸附作用的時(shí)候循環(huán)供冷,帶走吸附作用所產(chǎn)生的熱量,保持ANG儲(chǔ)罐內(nèi)溫度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,保證吸附儲(chǔ)氣量;在壓縮機(jī)支路運(yùn)行的時(shí)候,冷卻水進(jìn)入換熱器降低經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓升溫的氣體的溫度,以控制儲(chǔ)罐進(jìn)氣溫度。

根據(jù)ANG吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的特點(diǎn),天然沸石、分子篩、活性氧化鋁、硅膠、炭黑、活性炭等成為了比較合適的備選吸附劑。而在這幾種吸附劑中,炭質(zhì)吸附劑可以通過(guò)活化提高吸附性能,活性炭吸附劑在天然氣吸附儲(chǔ)存方面存在巨大的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為天然氣吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的重要載體。此外,通過(guò)許多分子模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出,多孔碳質(zhì)吸附劑是最具有工業(yè)化應(yīng)用前景的天然氣吸附材料。

3 天然氣吸附儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)

由于ANG儲(chǔ)罐屬于壓力容器,所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮安全的問(wèn)題。ANG儲(chǔ)罐在室溫的環(huán)境下,可對(duì)天然氣進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放。這就要求天然氣吸附/解吸附時(shí)氣體的流動(dòng)性要非常好,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)附質(zhì)的填充和更換。由于吸附和脫附時(shí)熱量的變化導(dǎo)致容器的溫度發(fā)生變化,所以設(shè)計(jì)容器的工作溫度一般設(shè)為-20～70℃。

3.1 材質(zhì)比選

普通的碳素鋼材雖然成本低廉,但其壓力設(shè)計(jì)卻達(dá)不到工藝的要求。而另外一種材質(zhì)高合金鋼雖然具備良好的耐腐蝕、耐高溫的性能,但造價(jià)方面昂貴卻讓人望而止步。低合金鋼16MnR是一個(gè)成熟的鋼種,目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備中。特別適合于-40℃以下寒冷地區(qū)的低溫壓力容器。故選用16MnR來(lái)制作ANG儲(chǔ)罐的罐身。

3.2 吸附儲(chǔ)罐外觀(guān)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于ANG吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)規(guī)范作為設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則與參考,故在ANG吸附儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以參考有的常用壓力容器的設(shè)計(jì)規(guī)范或者CNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)要求,再根據(jù)自身的特點(diǎn)做出技術(shù)上的改進(jìn)和修改。ANG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有內(nèi)裝塊狀活性炭的扁平狀結(jié)構(gòu)儲(chǔ)罐和非圓柱形的平底結(jié)構(gòu)形式儲(chǔ)罐這兩種結(jié)構(gòu)形式。此兩種形式的容器適用于裝填傳熱性能良好的型炭吸附劑。扁平狀結(jié)構(gòu)儲(chǔ)罐的優(yōu)點(diǎn)在于,內(nèi)部為蜂窩狀構(gòu)造,吸附劑床層間與外界換熱加強(qiáng),可以有效減少活性炭吸附劑的吸附熱效應(yīng)。缺點(diǎn)在于成本高,工藝復(fù)雜,所以在實(shí)現(xiàn)的工程中并未得到廣泛的應(yīng)用。非圓柱形的平底結(jié)構(gòu)儲(chǔ)罐內(nèi)部裝有拉條,中間孔道裝活性炭吸附材料。此類(lèi)儲(chǔ)罐采用鋁合金材料,重量輕,制作工藝簡(jiǎn)化且成本降低,強(qiáng)度加大,使用壽命延長(zhǎng)。

3.3 儲(chǔ)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相較于CNG儲(chǔ)罐,ANG儲(chǔ)罐由于吸附儲(chǔ)運(yùn)的技術(shù)特點(diǎn),儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力遠(yuǎn)低于前者。故ANG儲(chǔ)罐的容器壁厚可大大減小,使得ANG儲(chǔ)罐的自重和制造成本大大降低,但ANG儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)在吸附、脫附過(guò)程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響吸附劑的吸附性能,進(jìn)而嚴(yán)重降低ANG儲(chǔ)罐的儲(chǔ)氣量和產(chǎn)氣量。故ANG儲(chǔ)罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是儲(chǔ)罐內(nèi)部的熱量管理。

考慮實(shí)際運(yùn)作過(guò)程,優(yōu)化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在儲(chǔ)罐進(jìn)氣口處設(shè)置了氣體再分配裝置,內(nèi)部垂直設(shè)置不銹鋼絲網(wǎng)將儲(chǔ)罐內(nèi)部體積分割,且采用支撐支柱。此外,內(nèi)部換熱系統(tǒng)將傳統(tǒng)的盤(pán)管形式改為采用直管形式取代,循環(huán)水沿多根直管并流從進(jìn)氣口另一側(cè)進(jìn)入儲(chǔ)罐,換熱后再沿外圍多根直管并流排除儲(chǔ)罐的方式,換熱管內(nèi)部采用水為介質(zhì)。雖然換熱效率會(huì)有所下降,但卻提高了儲(chǔ)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,并且配合吸附劑特定的成型技術(shù),使得更換吸附劑的操作變得簡(jiǎn)單可行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)ANG吸附儲(chǔ)運(yùn)的一般設(shè)計(jì)流程,通過(guò)對(duì)吸附劑進(jìn)行性能比選、選擇吸附儲(chǔ)罐的筒體材料和吸附劑關(guān)鍵技術(shù)的分析,ANG吸附儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該工藝節(jié)約成本,便于工程實(shí)現(xiàn),具有普遍適用性。

[1]王皆騰,孫俊芳,劉中良.天然氣吸附儲(chǔ)存容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2009(10):032.

[2]鄭青榕,解晨.家用天然氣活性炭吸附儲(chǔ)存的試驗(yàn)研究[J].天然氣工業(yè),2012(2):98-102.

[3]孫波浪.淺談天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展[J].石油和化工設(shè)備,2011(6):016.

李俊穎(1982—),女,重慶人,本科,畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè),工程師,研究方向:油氣田地面工程設(shè)計(jì)。