移動組合式吸附天然氣裝置的研發(fā)

寧 曄， 郭淑婷， 葉 凱， 蔡希立， 劉 鵬， 黃維秋

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 常州分院，江蘇 常州 213016；2. 常州大學(xué) 油氣儲運技術(shù)省重點實驗室，江蘇 常州 213016)

移動組合式吸附天然氣裝置的研發(fā)

寧 曄1， 郭淑婷2， 葉 凱1， 蔡希立1， 劉 鵬2， 黃維秋2

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 常州分院，江蘇 常州 213016；2. 常州大學(xué) 油氣儲運技術(shù)省重點實驗室，江蘇 常州 213016)

天然氣田、加氣站經(jīng)常有天然氣排放到大氣中，不僅帶來了嚴重的安全隱患和潛在的環(huán)境問題，還會帶來資源浪費和經(jīng)濟損失。目前，天然氣回收技術(shù)尚未普及，已有的回收技術(shù)普遍存在壓力過高、能耗過高、對設(shè)備條件要求過高等不足，在使用中還不具備便攜、可拆等問題。因此，開發(fā)出一種移動組合式吸附天然氣回收裝置。該裝置由氣化器撬塊、緩沖瓶撬塊、真空泵撬塊、壓縮機撬塊和ANG氣瓶撬塊5個撬塊構(gòu)成，并對每個撬塊進行設(shè)計及選型、裝置性能評估及現(xiàn)場應(yīng)用案例介紹。該裝置可將油氣田或天然氣瓶或LNG瓶排放出來的天然氣收集到氣化器、緩沖罐內(nèi)，再利用壓縮機將該天然氣壓縮至ANG瓶內(nèi)儲存，以實現(xiàn)在中壓(～4 MPa)下高效吸附回收天然氣，充氣比達80以上?，F(xiàn)場應(yīng)用表明連接本裝置后其碳排放量降低97%以上。該裝置具有高效、安全、可拆、便攜、移動、監(jiān)控、變頻、觸摸屏控制等優(yōu)點。

ANG瓶； 天然氣； 吸附； 回收裝置

Development of Mobile Combined Adsorption Natural Gas Equipment

Ning Ye1， Guo Shuting2， Ye Kai1， Cai Xili1， Liu Peng2， Huang Weiqiu2

天然氣田、天然氣加氣站經(jīng)常有天然氣排放到環(huán)境中。甲烷為京都議定書中需要控制的6種溫室氣體之次位溫室氣體(首位為二氧化碳)，越來越受到人們的關(guān)注，其對環(huán)境影響值得重視[1-2]。天然氣的隨意排放，不僅帶來了嚴重的安全隱患和潛在的環(huán)境問題，還會帶來資源浪費和經(jīng)濟損失。隨著我國更嚴格的新的《環(huán)境保護法》、《大氣污染防治法》陸續(xù)實施，有必要對加氣站和氣田的甲烷排放氣進行回收處理[3-6]。

目前，天然氣儲存(回收)可通過壓縮天然氣(CNG)、冷凝天然氣(LNG)、吸附天然氣(ANG)等方式來實現(xiàn)。其中天然氣吸附回收是一種先進的回收方法[7-8]。吸附天然氣技術(shù)是在儲罐中裝入天然氣專用吸附劑，充分利用其巨大的內(nèi)表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)，以達到在常溫、中低壓力下使ANG具有與CNG接近的儲存容量，實現(xiàn)高密度吸附儲存的技術(shù)。影響天然氣吸附效果的因素主要包括：(1) 吸附劑性能；(2) 吸附裝置的結(jié)構(gòu)；(3) 解吸再生工藝[9-13]。沈永年等[14]提出一種移動式天然氣回收車(包括機動車和儲罐)和移動式天然氣回收裝置及其使用方法。王全國等[15]提出了一種壓縮天然氣加氣站天然氣回收利用方法，可用于壓縮天然氣加氣站。但上述幾種方法普遍存在壓力過高或?qū)υO(shè)備條件要求過高等不足，在使用中存在安全問題并且不具備便攜、可拆等問題。因此，提出一種移動組合式ANG瓶吸附天然氣回收裝置[16]，本裝置由5個撬塊構(gòu)成，具有高效、安全、便攜、移動、可拆、監(jiān)控、變頻、觸摸屏控制等優(yōu)點。

1 裝置設(shè)計

1.1 技術(shù)路線及工藝

本裝置由真空系統(tǒng)及壓縮吸附回收系統(tǒng)組成，包括吸附式天然氣瓶、緩沖瓶、防爆式真空泵、天然氣壓縮機、氣化器、過濾器、控制顯示裝置、閥門、壓力表、壓力傳感器、溫度傳感器、氧氣檢測儀等。

吸附式天然氣回收裝置的工藝流程如圖1所示，整個回收系統(tǒng)主要是由真空解吸部分及壓縮充氣部分組成。在實驗開始前利用真空泵將整個裝置進行抽真空處理，以抽出系統(tǒng)在前期拆卸過程中可能進入系統(tǒng)的空氣。天然氣田、天然氣加氣站排放的天然氣通過氣化器將其氣化，將氣化后的天然氣充入緩沖瓶內(nèi)，再將緩沖瓶內(nèi)的天然氣壓縮至ANG氣瓶內(nèi)，并以中壓儲存。ANG氣瓶充滿后可更換ANG氣瓶，充滿后的ANG氣瓶可以作為能源正常使用。裝置設(shè)計為全自動一鍵操作，人機界面(觸摸屏)工藝流程界面如圖2所示。

圖1 ANG回收裝置的工藝流程

Fig.1 Flow illustration of ANG recovery equipment

圖2 裝置的工藝流程界面

Fig.2 Process flow diagram of ANG recovery equipment

1.2 主要設(shè)備設(shè)計及選型

本裝置設(shè)計由5個撬塊構(gòu)成，分別為氣化器撬塊、緩沖瓶撬塊、真空泵撬塊、壓縮機撬塊、ANG氣瓶撬塊，其中前面4個撬塊之間通過螺栓連接，ANG氣瓶撬塊為獨立的撬塊。

裝置主要由5個吸附式天然氣瓶、1個緩沖瓶、1臺防爆式真空泵、1臺天然氣壓縮機、1臺氣化器、1臺過濾器、控制顯示裝置、閥門、壓力表、壓力傳感器、溫度傳感器、氧氣檢測儀等組成。裝置的主要設(shè)備設(shè)計及選型見表1。

表1 裝置的主要設(shè)備

續(xù)表1

1.2.1 ANG氣瓶的選用 ANG氣瓶與壓縮天然氣CNG、冷凝天然氣LNG相比成本更低；儲氣罐材質(zhì)輕，易于搬動，方便使用，瓶內(nèi)吸附劑可連續(xù)儲存且施放天然氣無需再次充填，吸附劑施放壽命達10年以上；氣瓶可任意擺放位置使用，立、側(cè)面等。ANG氣瓶內(nèi)填充吸附劑，在儲罐內(nèi)裝入高比表面的天然氣專用吸附劑，利用其巨大的內(nèi)表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)，在常溫、低壓(4.0 MPa)下將天然氣吸附儲存。本裝置選用容積為50 L，壓力為4 MPa的ANG氣瓶。

1.2.2 真空泵的選用 常規(guī)真空泵在使用過程中可能產(chǎn)生危險火花或靜電，引發(fā)事故。因此，出于安全考慮，本裝置選擇型號為DPH-020的防爆式真空泵，主要用于對系統(tǒng)緩沖罐、ANG氣瓶和管線的抽真空及應(yīng)急降低系統(tǒng)氧氣濃度。

1.2.3 天然氣壓縮機的選用 基于經(jīng)濟、安全、環(huán)保的角度，本裝置選用5 m3/h的變頻式天然氣壓縮機，由緩沖罐內(nèi)壓力大小變頻控制天然氣壓縮機，天然氣壓縮機出口壓力不高于4 MPa。

1.3 安全保護自控設(shè)計

本裝置多重考慮設(shè)備運行的安全性，如設(shè)有安全閥，用于安全保護，防止系統(tǒng)內(nèi)部壓力過大引發(fā)危險；設(shè)有接地線，可以及時地將因各種原因產(chǎn)生的靜電或者漏電電流導(dǎo)出；設(shè)有穩(wěn)壓閥，防止氣化器內(nèi)氣體壓力過高；使用石墨烯軟體密封膠對特制快速電纜插座進行密封，石墨烯軟體密封膠具有低密度、高比面積、密閉性好、導(dǎo)熱性能好、易拆卸等優(yōu)點，以保證設(shè)備、控制柜的電氣安全。設(shè)置可燃氣體濃度報警儀、氧氣濃度檢測儀、壓力檢測儀、溫度檢測儀，實現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及運行、安全的及時監(jiān)控。

2 吸附實驗測試

2.1 ANG瓶吸附過程中吸附量的變化

2號瓶及3號瓶已提前吸附飽和，將2號瓶及3號瓶做放氣處理，后又進行抽真空處理。2號瓶及3號瓶放氣量變化如表2所示。

在2號瓶及3號瓶吸附前，對ANG瓶不做抽真空處理。2號瓶及3號瓶吸附量變化如表3所示。

表2 2、3號ANG瓶放氣量變化

表3 2、3號ANG瓶吸附前后質(zhì)量變化

由表2、表3可知，對ANG瓶做抽真空處理后，吸附量會有所增加。

2.2 ANG瓶吸附過程中溫度的變化

2號、3號瓶充氣過程中，ANG瓶壁溫有明顯變化。圖3、圖4分別為2號瓶、3號瓶溫度變化曲線。

圖3 2號瓶溫度變化曲線

Fig.3 No.2 ANG cylinders temperature change curve

圖4 3號瓶溫度變化曲線

Fig.4 No.3 ANG cylinder temperature change curve

由圖3、圖4可以看出，2號氣瓶最大溫差為13.6 ℃，3號氣瓶的最大溫差為11.4 ℃。這里僅僅測出瓶表面溫度，吸附劑內(nèi)部溫度會更高。吸附熱也間接反映了吸附效果。

對1號氣瓶抽真空，然后將1號瓶放置于電子秤上，進氣壓力調(diào)小并緩慢進氣，測得1號瓶第一次吸附量為1.92 kg。對1號瓶進行水淋降溫(因時間關(guān)系只水淋20 min)，降溫后進行第二次吸附實驗，可以繼續(xù)吸附0.1 kg的天然氣。測量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 1號氣瓶吸附前后質(zhì)量變化

由表4可知，若吸附過程中對ANG氣瓶做冷卻處理并且控制充氣速度，則吸附效果會更好。

2.3 ANG瓶充氣壓力的變化

因氣瓶內(nèi)ANG溫度更高(瓶內(nèi)溫度可達70～80 ℃)，致使吸附量會減小，所以將2號、3號氣瓶靜置4 h，在自然狀態(tài)下冷卻的同時也增加了吸附的時間，在靜置后進一步實驗測得靜置后的2號氣瓶可以繼續(xù)吸附0.42 kg，3號氣瓶可以繼續(xù)吸附0.38 kg，測量數(shù)據(jù)見表5。

將壓縮機的停機壓力調(diào)至4.5 MPa，ANG瓶充氣壓力可以達到4.1～4.2 MPa。將ANG瓶靜置冷卻后，吸附劑對天然氣進一步吸附，瓶內(nèi)壓力會回降至3.6～3.7 MPa。進一步說明吸附還在起作用。第二天瓶內(nèi)壓力值大約降低0.5 MPa，這樣算起來，可以充氣到4 m3以上(20 ℃天然氣密度為0.668 kg/m3)，充氣比達80以上，而同等壓力下CNG工藝的充氣比為40。

表5 2、3號氣瓶靜置后吸附前后質(zhì)量變化

3 工業(yè)應(yīng)用

華東某聯(lián)合加油加氣站，一個450 L的LNG氣瓶，在加氣、冷損失檢驗中，工作一天后測量其天然氣排放量約為2.2 kg，整個站天然氣平均排放量約11.0 kg，年排放量約為3.3 t。據(jù)測算，連接本裝置后，一個LNG瓶一天的排放量約為0.066 kg，其碳排放量降低97%以上，測算出整個站每年可降低3.2 t天然氣排放量，由此可見，該加油加氣站投用本裝置后，可基本杜絕甲烷現(xiàn)場排放，大大降低碳排放量，符合國家環(huán)境保護的相關(guān)法律法規(guī)，還提高了企業(yè)的安全系數(shù)，綜合效益明顯。

4 結(jié)論

(1) 開發(fā)出一種移動組合式ANG瓶吸附天然氣回收裝置，本裝置由5個撬塊構(gòu)成，分別為氣化器撬塊、緩沖瓶撬塊、真空泵撬塊、壓縮機撬塊、ANG氣瓶撬塊。本裝置具有真空系統(tǒng)和壓縮吸附回收系統(tǒng)，能夠滿足生產(chǎn)需要。

(2) 本裝置可在中壓(～4 MPa)下高效吸附天然氣，充氣比達80以上，優(yōu)于同等壓力下CNG工藝的充氣比。當(dāng)降低充氣速度，充氣過程同時對ANG瓶降溫(淋水)，可提高充氣量。

(3) 本裝置工藝簡單，技術(shù)先進，操作方便，自動化程度高，系統(tǒng)投資以及運行費用低。本裝置具有高效、安全、便攜、移動、可拆、監(jiān)控、變頻、觸摸屏控制等優(yōu)點，具有較好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。本裝置設(shè)計為移動組合式成套裝置，能廣泛應(yīng)用于各種天然氣回收場合。

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(編輯 王亞新)

(1.BranchofChangzhou,JiangsuProvinceSpecialEquipmentSafetySupervisionInstructionInstitute,

ChangzhouJiangsu213016,China;2.JiangsuProvincialKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationTechnology,

ChangzhouUniversity,ChangzhouJiangsu213016,China)

There are many chances for natural gas to emit from gas fields or natural gas stations into the air, and the discharged gas not only leads to serious safety hazard and potential environmental issue, but also brings about unregenerate energy resource waste and economic losses. Natural gas recovery technology has not yet been popular for industrial applications, because there are generally some disadvantages for the existing recovery technologies, such as high pressure, high energy consumption, high requirements of equipment condition, non-portable and non-detachable in use. Therefore, a mobile combined adsorption natural gas (ANG) recovery equipment was developed, which was composed of five skids for portability, including gasifier skid, buffer bottle skid, vacuum pump skid, compressor skid and ANG cylinder skid. Then, the design and selection of devices for each skid were conducted, the equipment performance was evaluated, and the field application case was introduced. The equipment can collect the natural gas discharged from the gas fields or the natural gas cylinders or the LNG cylinders into the gasifier and the buffer tank, and then compress and store the natural gas into the ANG cylinder by the compressor, to realize to adsorb and recover the natural gas high efficiently in a medium pressure (～4 MPa) and with a volumetric ratio of the filled gas to ANG cylinder of more than 80. Meanwhile, the field application of the equipment showed that the carbon emissions in the field would be reduced by more than 97%. The equipment has advantages of high efficiency, safety, detachable, portable and mobile, auto-control and touch screen control.

ANG cylinder; Natural gas; Adsorption; Recovery equipment

2017-02-04

2017-03-14

江蘇省高?！扒嗨{工程”資助項目(SCZ1409700002)；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金(BA2015166)；常州市科技支撐計劃(工業(yè))(CE20150085)。

寧曄(1967-)，男，高級工程師, 從事油氣回收基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用等方面研究；E-mail:ningye666@163.com。

黃維秋(1965-)，男，博士，教授，從事油氣回收基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用等方面研究；E-mail: hwq213@cczu.edu.cn。

1006-396X(2017)02-0077-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE81； X74

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.02.014