天然氣吸附儲運技術(shù)的工藝設(shè)計

李俊穎

(四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川成都 610213)

天然氣吸附儲運技術(shù)的工藝設(shè)計

李俊穎

(四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川成都 610213)

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

天然氣 吸附儲運 工藝設(shè)計

經(jīng)濟的快速發(fā)展,使得降低能源消耗,保護環(huán)境成為我國目前關(guān)注的焦點。發(fā)展低碳經(jīng)濟,成為我國經(jīng)濟未來的發(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于其儲運技術(shù),所以天然氣吸附儲運技術(shù)以其較低的生產(chǎn)運輸成本及較高的安全性,逐漸成為研究重點。

1 吸附儲運設(shè)計流程概述

ANG吸附儲運技術(shù)的基本流程可以簡單地概括如下:在實際儲運過程中,當(dāng)儲罐的壓力低于外界壓力時,氣體被吸附在吸附劑固體微孔的表面,借以儲存;當(dāng)外界的壓力低于儲罐的壓力時,氣體從吸附劑固體表面脫附釋放,得以使用。完善的ANG吸附儲運流程應(yīng)該包括四個部分:吸附劑的開發(fā)、儲罐的開發(fā)、設(shè)備的組裝和最后的運行管理。天然氣吸附儲運技術(shù)可以分為研發(fā)、建設(shè)階段以及投產(chǎn)、運行階段。

2 吸附儲運基本流程

ANG吸附儲運工藝的基本流程決定了整個工程項目的成本以及投資額。目前的ANG儲運技術(shù)基本解決了天然氣中除甲烷外的其他氣體組分對儲氣系統(tǒng)的干擾的問題,但依然存在很多問題:壓縮后氣體溫度過高現(xiàn)象影響吸附性能,流程缺乏針對來源氣體性質(zhì)的剖析,ANG儲罐缺乏詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對這些問題,為了保證其簡單性和可行性,需要對流程做出優(yōu)化。從上游來的天然氣首先進入預(yù)處理系統(tǒng)進行凈化,脫除原氣體中包括二氧化碳、氮氣、二氧化硫在內(nèi)的雜質(zhì)氣體。根據(jù)凈化后的氣體的壓力來確定是否通過壓縮機增壓。如果滿足要求,則直接進入預(yù)吸附罐和ANG儲罐。否則,則讓天然氣先進入壓縮機增壓至設(shè)計壓力,然后進入換熱器冷卻至正常溫度。最后進入預(yù)吸附罐和ANG儲罐。循環(huán)水系統(tǒng)同時連接換熱器和ANG儲罐的換熱管束,在ANG儲罐發(fā)生吸附作用的時候循環(huán)供冷,帶走吸附作用所產(chǎn)生的熱量,保持ANG儲罐內(nèi)溫度滿足設(shè)計要求,保證吸附儲氣量;在壓縮機支路運行的時候,冷卻水進入換熱器降低經(jīng)過壓縮機增壓升溫的氣體的溫度,以控制儲罐進氣溫度。

根據(jù)ANG吸附儲運技術(shù)的特點,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)吸附劑可以通過活化提高吸附性能,活性炭吸附劑在天然氣吸附儲存方面存在巨大的優(yōu)勢,已經(jīng)成為天然氣吸附儲運技術(shù)的重要載體。此外,通過許多分子模擬和實驗測試得出,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 天然氣吸附儲罐的設(shè)計

由于ANG儲罐屬于壓力容器,所以在設(shè)計過程中要考慮安全的問題。ANG儲罐在室溫的環(huán)境下,可對天然氣進行儲存和釋放。這就要求天然氣吸附/解吸附時氣體的流動性要非常好,同時還可以實現(xiàn)附質(zhì)的填充和更換。由于吸附和脫附時熱量的變化導(dǎo)致容器的溫度發(fā)生變化,所以設(shè)計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)計卻達不到工藝的要求。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,但造價方面昂貴卻讓人望而止步。低合金鋼16MnR是一個成熟的鋼種,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來制作ANG儲罐的罐身。

3.2 吸附儲罐外觀設(shè)計

目前國內(nèi)關(guān)于ANG吸附儲運技術(shù)沒有專門的設(shè)計規(guī)范作為設(shè)計的準(zhǔn)則與參考,故在ANG吸附儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中可以參考有的常用壓力容器的設(shè)計規(guī)范或者CNG儲罐的設(shè)計要求,再根據(jù)自身的特點做出技術(shù)上的改進和修改。ANG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有內(nèi)裝塊狀活性炭的扁平狀結(jié)構(gòu)儲罐和非圓柱形的平底結(jié)構(gòu)形式儲罐這兩種結(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)儲罐的優(yōu)點在于,內(nèi)部為蜂窩狀構(gòu)造,吸附劑床層間與外界換熱加強,可以有效減少活性炭吸附劑的吸附熱效應(yīng)。缺點在于成本高,工藝復(fù)雜,所以在實現(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)儲罐內(nèi)部裝有拉條,中間孔道裝活性炭吸附材料。此類儲罐采用鋁合金材料,重量輕,制作工藝簡化且成本降低,強度加大,使用壽命延長。

3.3 儲罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

相較于CNG儲罐,ANG儲罐由于吸附儲運的技術(shù)特點,儲罐的設(shè)計壓力遠(yuǎn)低于前者。故ANG儲罐的容器壁厚可大大減小,使得ANG儲罐的自重和制造成本大大降低,但ANG儲運技術(shù)在吸附、脫附過程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)會嚴(yán)重影響吸附劑的吸附性能,進而嚴(yán)重降低ANG儲罐的儲氣量和產(chǎn)氣量。故ANG儲罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題是儲罐內(nèi)部的熱量管理。

考慮實際運作過程,優(yōu)化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計在儲罐進氣口處設(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氣口另一側(cè)進入儲罐,換熱后再沿外圍多根直管并流排除儲罐的方式,換熱管內(nèi)部采用水為介質(zhì)。雖然換熱效率會有所下降,但卻提高了儲罐內(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單可行。

4 結(jié)語

本文根據(jù)ANG吸附儲運的一般設(shè)計流程,通過對吸附劑進行性能比選、選擇吸附儲罐的筒體材料和吸附劑關(guān)鍵技術(shù)的分析,ANG吸附儲運技術(shù)的工藝進行了優(yōu)化設(shè)計。該工藝節(jié)約成本,便于工程實現(xiàn),具有普遍適用性。

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

[3]孫波浪.淺談天然氣儲運技術(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)油氣儲運工程專業(yè),工程師,研究方向:油氣田地面工程設(shè)計。