燃料氣瓶天然氣吸附儲(chǔ)存活性炭介紹

PAGEPAGE4天然氣ANG低壓吸附技術(shù)&燃料氣瓶天然氣儲(chǔ)存活性炭陳家棋天然氣超級(jí)活性炭吸附材料開(kāi)發(fā)天然氣活性炭吸附材料開(kāi)發(fā)；天然氣吸附技術(shù)是由納米級(jí)活性碳作為吸附材料。它具有廣泛的用途，目前鑫森炭業(yè)擬將這種材料應(yīng)用于焊割氣瓶中。吸附技術(shù)用來(lái)充裝天然氣具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和前景，另納米級(jí)活性碳吸附技術(shù)在其它行業(yè)都具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

預(yù)期達(dá)到的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：

孔徑2—5NM

天然吸附量在7.0M/pa條件下吸附量120v/v。吸附劑

鑫森活性炭

美國(guó)G-TEC氣瓶活性炭氣瓶平均壓力/kPag

3493

3893下游壓力/kPag

0

0充氣壓力/kPa

3881

4097平均脫附量/m3

0.4955

0.4625天然氣吸附技術(shù)的研究情況概述吸附天然氣汽車(ANGV)技術(shù)是針對(duì)壓縮天然氣汽車(CNGV)技術(shù)的不足而開(kāi)發(fā)的，目前尚處于室內(nèi)試驗(yàn)階段。實(shí)現(xiàn)ANGV規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵是優(yōu)質(zhì)、高效的天然氣吸附劑開(kāi)發(fā)和質(zhì)輕、價(jià)廉的車載吸附容器的設(shè)計(jì)，同時(shí)，還必須解決儲(chǔ)氣壓力選擇、吸/脫附過(guò)程的熱效應(yīng)、原料氣雜質(zhì)的影響、吸附劑的再生及填裝等相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。中國(guó)ANGV的技術(shù)水平在整體上尚低于美國(guó)、英國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，為此，必須一方面集中力量，加強(qiáng)基礎(chǔ)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，同時(shí)，在政府的宏觀調(diào)控下，適當(dāng)加大投資規(guī)模，將室內(nèi)技術(shù)盡快轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，這樣，中國(guó)AVGV的規(guī)模發(fā)展將指日可待。吸附儲(chǔ)存天然氣(ANG)技術(shù)是在儲(chǔ)罐中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、中壓(6.0MPa)下將天然氣吸附儲(chǔ)存的技術(shù)。ANG的最大優(yōu)點(diǎn)在于低壓下(3.5-6.0MPa，僅為CNG的1/4-1/5)即可獲得接近于高壓下(20MPa)CNG的儲(chǔ)存能量密度。當(dāng)儲(chǔ)罐中壓力低于外界時(shí)，氣體被吸附在吸附劑固體微孔的表面，借以儲(chǔ)存；當(dāng)外界的壓力低于儲(chǔ)罐中壓力時(shí)，氣體從吸附劑固體表面脫附而出供應(yīng)外界。這種吸附現(xiàn)象屬于物理吸附，固體對(duì)甲烷吸附時(shí)產(chǎn)生大量熱，即吸附熱，約為16kJ/mol；相反地，在脫附時(shí)，吸收等量的熱量。因此，固體吸附劑及容器須具有良好的導(dǎo)熱性。否則在吸附時(shí)床層溫度急劇上升，以至阻礙吸附而減弱充氣；而在脫附時(shí)床層急劇降溫，以至阻礙脫附，減弱對(duì)外供氣。研究結(jié)果表明，天然氣在固體吸附劑表面吸附量隨壓力升高而增強(qiáng)，但當(dāng)壓力超過(guò)3-4MPa后，壓力提高對(duì)吸附量增加作用不大。鄒勇等根據(jù)微孔容積填充理論(TVFM)對(duì)蒸汽在活性炭微孔中的吸附，計(jì)算出了室溫下天然氣在活性炭上吸附儲(chǔ)存的最佳壓力為3.551MPa，此時(shí)，理論上可使吸附儲(chǔ)存器的儲(chǔ)氣量達(dá)到容器體積的150倍左右。Ma-tranga等人運(yùn)用純甲烷模型對(duì)活性炭表面天然氣的吸附進(jìn)行了數(shù)值模擬并做了優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果表明；若取石油的能量密度為1，則ANG的最大能量密度為0.25，與CNG的0.29的能量密度非常接近。決定天然氣吸附貯存方法工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)出一種專用的高效吸附劑。自上世紀(jì)50年代起，篩選出了如天然沸石、分子篩、活性氧化鋁、硅膠、炭黑、活性炭等適合于天然氣存儲(chǔ)用的各種吸附劑。目前，多孔炭質(zhì)吸附劑是最具工業(yè)化應(yīng)用前景的天然氣吸附材料。在一般的吸附劑中，活性炭對(duì)甲烷的吸附容量最大。目前已商業(yè)化的普通活性炭比表面積為1200m2/g左右，由于孔分布太寬，在298K、3.4MPa下吸附存儲(chǔ)甲烷量只相當(dāng)于20MPa下壓縮存儲(chǔ)甲烷量的1/2。比表面積高達(dá)3000-4近幾年來(lái)吸附儲(chǔ)存天然氣的研究越來(lái)越多。目前利用超級(jí)活性炭進(jìn)行儲(chǔ)氣研究的國(guó)家有美國(guó)、加拿大、日本等。由于超級(jí)活性炭的比表面積高達(dá)3000平方米/克，因此它具有很強(qiáng)的吸附儲(chǔ)氣能力。日本豐田公司不僅在汽車尾氣凈化方面使用了超級(jí)活性炭，而且對(duì)其用在壓縮天然氣汽車的儲(chǔ)氣容器中，也在做積極的嘗試。如果吸附儲(chǔ)存天然氣的應(yīng)用研究獲得成功，它將帶來(lái)燃?xì)鈨?chǔ)存的革命，并帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。結(jié)合實(shí)際需要，在天然氣的儲(chǔ)存工藝的裝置等方面開(kāi)展應(yīng)用研究具有特別重要的意義。此項(xiàng)工作一方面可以改進(jìn)天然氣儲(chǔ)存技術(shù)；另一方面可以擴(kuò)大天然氣的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是天然氣汽車的應(yīng)用。（1）吸附儲(chǔ)氣原理及超級(jí)活性炭性能吸附儲(chǔ)氣是近年來(lái)國(guó)外大力開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。其原理是在儲(chǔ)氣容器中以特殊方法裝填超級(jí)活性炭作為吸附劑。由于吸附劑表面分子與氣體之間的作用力大大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大大高于氣相主體濃度?？讖皆叫∵@種分子之間的作用力越強(qiáng)，因此微孔中全部被氣體分子所充滿,這就是體積填充機(jī)理。由于吸附劑微孔中的氣體密度大大高于同壓力下氣相主體密度，使得存儲(chǔ)同樣氣量時(shí)的壓力可以減少近10倍?；钚蕴亢写罂?、中1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀石油大學(xué)、天津大學(xué)、中科院山西煤炭化學(xué)研究所、北京化工大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)等單位已開(kāi)始了對(duì)ANG技術(shù)的開(kāi)發(fā)與基礎(chǔ)研究工作。石油大學(xué)用褐煤、燭煤、石油焦、瀝青、木質(zhì)素為原料均制備出高儲(chǔ)氣能力的天然氣吸附劑。其中以木質(zhì)素為原料制取的粉狀吸附劑其比表面可達(dá)2912m2/g，在6.0Mpa、25℃的儲(chǔ)氣條件下對(duì)甲烷的吸附能力可超過(guò)30%；以石油焦為原料制取的塊狀吸附劑(實(shí)驗(yàn)室樣品)其比表面達(dá)2399m2/g，塊密度為0.59g/cm3，在4.0Mpa、25℃時(shí)，甲烷吸附量為17.5%，體積比為148；6.0MPa時(shí)，甲烷吸附量為23%，體積比為181。四川天一科技股份有限公司在天然氣吸附劑的研制方面也作了大量工作，目前也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出系列高性能的活性炭，但要作為天然氣吸附劑還需要進(jìn)一步改進(jìn)。表1為四川天一科技股份有限公司研制的活性炭。1.3發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景ANG技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的儲(chǔ)氣技術(shù)。該技術(shù)可用于吸附天然氣汽車、無(wú)法管輸零散氣井天然氣、汽油罐裝車間、加油站揮發(fā)烴的吸附回收;替代地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存天然氣用于工業(yè)、民用、調(diào)峰等方面，可極大地降低成本。此外該技術(shù)還可用于高效脫色劑、精脫硫劑、氣焊、有毒有害氣體的吸附、吸波材料過(guò)濾等方面。另外我國(guó)一大批天然氣氣井的井口壓力在5MPa以上，輸氣管干線的壓力為4MPa以上，可直接從管網(wǎng)向汽車吸附儲(chǔ)氣瓶充氣。這既減少電耗，也節(jié)省投資其中應(yīng)用前景較好的應(yīng)該是作為汽車的燃料。因?yàn)榕c傳統(tǒng)的CNG相比，ANG有如優(yōu)點(diǎn)：(1)加站建設(shè)只需用廉價(jià)的單級(jí)壓縮機(jī)，投資與操作費(fèi)用明顯降低，而CNG加氣站，卻要昂貴的多級(jí)壓縮系統(tǒng)；(2)儲(chǔ)氣罐形狀、用材選擇余地大、質(zhì)量輕、壓力低、使用方便和安全可靠，從而降低了用戶投資和行車的額外負(fù)荷，增加了空間利用率。其不足之處在于需要高儲(chǔ)氣能力的天然氣專用吸附劑。國(guó)內(nèi)外的研究表明，ANG儲(chǔ)氣技術(shù)替代CNG儲(chǔ)氣技術(shù)是完全可以的，至少可作為另一項(xiàng)先進(jìn)的儲(chǔ)氣