天然气吸附储运技术的工艺设计

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【摘 要】 储运技术是天然气的推广利用的依托所在，如何降低其生产运输成本以及保障其安全性已然成为业界研究的重点。本文结合现有的 ANG 吸附储运技术工艺及其特点，分析了吸附储运工艺中的关键因素，确定出最佳吸附剂产品，并对吸附性能进行了探讨。

【关键词】 天然气 吸附储运 工艺设计

经济的快速发展，使得降低能源消耗，保护环境成为我国目前关注的焦点。发展低碳经济，成为我国经济未来的发展的主要方向，故而如何推广利用天然气成为了改善环境，解决能源和环境瓶颈的症结所在。由于天然气的推广利用依赖于其储运技术，所以天然气吸附储运技术以其较低的生产运输成本及较高的安全性，逐渐成为研究重点。

1 吸附储运设计流程概述

ANG吸附储运技术的基本流程可以简单地概括如下：在实际储运过程中，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释放，得以使用。完善的ANG吸附储运流程应该包括四个部分：吸附剂的开发、储罐的开发、设备的组装和最后的运行管理。天然气吸附储运技术可以分为研发、建设阶段以及投产、运行阶段。

2 吸附储运基本流程

ANG吸附储运工艺的基本流程决定了整个工程项目的成本以及投资额。目前的ANG储运技术基本解决了天然气中除甲烷外的其他气体组分对储气系统的干扰的问题，但依然存在很多问题：压缩后气体温度过高现象影响吸附性能，流程缺乏针对来源气体性质的剖析，ANG储罐缺乏详细的结构设计。针对这些问题，为了保证其简单性和可行性，需要对流程做出优化。从上游来的天然气首先进入预处理系统进行净化，脱除原气体中包括二氧化碳、氮气、二氧化硫在内的杂质气体。根据净化后的气体的压力来确定是否通过压缩机增压。如果满足要求，则直接进入预吸附罐和ANG储罐。否则，则让天然气先进入压缩机增压至设计压力，然后进入换热器冷却至正常温度。最后进入预吸附罐和ANG储罐。循环水系统同时连接换热器和ANG储罐的换热管束，在ANG储罐发生吸附作用的时候循环供冷，带走吸附作用所产生的热量，保持ANG储罐内温度满足设计要求，保证吸附储气量；在压缩机支路运行的时候，冷却水进入换热器降低经过压缩机增压升温的气体的温度，以控制储罐进气温度。

根据ANG吸附储运技术的特点，天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶、炭黑、活性炭等成为了比较合适的备选吸附剂。而在这几种吸附剂中，炭质吸附剂可以通过活化提高吸附性能，活性炭吸附剂在天然气吸附储存方面存在巨大的优势，已经成为天然气吸附储运技术的重要载体。此外，通过许多分子模拟和实验测试得出，多孔碳质吸附剂是最具有工业化应用前景的天然气吸附材料。

3 天然气吸附储罐的设计

由于ANG储罐属于压力容器，所以在设计过程中要考虑安全的问题。ANG储罐在室温的环境下，可对天然气进行储存和释放。这就要求天然气吸附/解吸附时气体的流动性要非常好，同时还可以实现附质的填充和更换。由于吸附和脱附时热量的变化导致容器的温度发生变化，所以设计容器的工作温度一般设为-20～70℃。

3.1 材质比选

普通的碳素钢材虽然成本低廉，但其压力设计却达不到工艺的要求。而另外一种材质高合金钢虽然具备良好的耐腐蚀、耐高温的性能，但造价方面昂贵却让人望而止步。低合金钢16MnR是一个成熟的钢种，目前已经被广泛应用于石油化工设备中。特别适合于 -40℃以下寒冷地区的低温压力容器。故选用16MnR来制作ANG储罐的罐身。

3.2 吸附储罐外观设计

目前国内关于ANG吸附储运技术没有专门的设计规范作为设计的准则与参考，故在ANG吸附储罐的结构设计过程中可以参考有的常用压力容器的设计规范或者CNG储罐的设计要求，再根据自身的特点做出技术上的改进和修改。ANG储罐结构设计主要有内装块状活性炭的扁平状结构储罐和非圆柱形的平底结构形式储罐这两种结构形式。此两种形式的容器适用于装填传热性能良好的型炭吸附剂。扁平状结构储罐的优点在于，内部为蜂窝状构造，吸附剂床层间与外界换热加强，可以有效减少活性炭吸附剂的吸附热效应。缺点在于成本高，工艺复杂，所以在实现的工程中并未得到广泛的应用。非圆柱形的平底结构储罐内部装有拉条，中间孔道装活性炭吸附材料。此类储罐采用铝合金材料，重量轻，制作工艺简化且成本降低，强度加大，使用寿命延长。

3.3 储罐内部结构设计

相较于CNG储罐，ANG储罐由于吸附储运的技术特点，储罐的设计压力远低于前者。故ANG储罐的容器壁厚可大大减小，使得 ANG储罐的自重和制造成本大大降低，但ANG储运技术在吸附、脱附过程所产生的热效应会严重影响吸附剂的吸附性能，进而严重降低ANG储罐的储气量和产气量。故ANG储罐的内部结构设计需要解决的关键问题是储罐内部的热量管理。

考虑实际运作过程，优化的内部结构设计在储罐进气口处设置了气体再分配装置，内部垂直设置不锈钢丝网将储罐内部体积分割，且采用支撑支柱。此外，内部换热系统将传统的盘管形式改为采用直管形式取代，循环水沿多根直管并流从进气口另一侧进入储罐，换热后再沿多根直管并流排除储罐的方式，换热管内部采用水为介质。虽然换热效率会有所下降，但却提高了储罐内部结构的稳定性，并且配合吸附剂特定的成型技术，使得更换吸附剂的操作变得简单可行。

4 结语

本文根据ANG吸附储运的一般设计流程，通过对吸附剂进行性能比选、选择吸附储罐的筒体材料和吸附剂关键技术的分析，ANG吸附储运技术的工艺进行了优化设计。该工艺节约成本，便于工程实现，具有普遍适用性。

参考文献：

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