燃料气瓶天然气吸附储存活性炭介绍(DOC)

天然气ANG低压吸附技术&燃料气瓶天然气储存活性炭

陈家棋

天然气超级活性炭吸附材料开发

天然气活性炭吸附材料开发；天然气吸附技术是由纳米级活性碳作为吸附材料。它具有广泛的用途，目前鑫森炭业拟将这种材料应用于焊割气瓶中。吸附技术用来充装天然气具有较大的经济价值和前景，另纳米级活性碳吸附技术在其它行业都具有较大的应用价值。

预期达到的主要技术经济指标：

孔径2—5NM

天然吸附量在7.0M/pa条件下吸附量120v/v。

吸附剂鑫森活性

炭

美国G-TEC

气瓶活性炭

气瓶平均压力/kPag 3493 3893

下游压力/kPag 0 0

充气压力/kPa 3881 4097

平均脱附量/m30.4955 0.4625

天然气吸附技术的研究情况

概述

吸附天然气汽车(ANGV)技术是针对压缩天然气汽车(CNGV)技术的不足而开发的，目前尚处于室内试验阶段。实现ANGV规模发展的关键是优质、高效的天然气吸附剂开发和质轻、价廉的车载吸附容器的设计，同时，还必须解决储气压力选择、吸/脱附过程的热效应、原料气杂质的影响、吸附剂的再生及填装等相关技术问题。中国ANGV的技术水平在整体上尚低于美国、英国和日本等发达国家，为此，必须一方面集中力量，加强基础技术的研究和开发，同时，在政府的宏观调控下，适当加大投资规模，将室内技术尽快转换为现实生产力，这样，中国A VGV的规模发展将指日可待。

吸附储存天然气(ANG)技术是在储罐中装入高比表面的天然气专用吸附剂，利用其巨大的内表面积和丰富的微孔结构，在常温、中压(6. 0 MPa)下将天然气吸附储存的技术。ANG的最大优点在于低压下(3.5-6. 0 MPa，仅为CNG的1/4-1 /5)即可获得接近于高压下(20 MPa) CNG的储存能量密度。当储罐中压力低于外

界时，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中压力时，气体从吸附剂固体表面脱附而出供应外界。这种吸附现象属于物理吸附，固体对甲烷吸附时产生大量热，即吸附热，约为16 kJ/mol；相反地，在脱附时，吸收等量的热量。因此，固体吸附剂及容器须具有良好的导热性。否则在吸附时床层温度急剧上升，以至阻碍吸附而减弱充气；而在脱附时床层急剧降温，以至阻碍脱附，减弱对外供气。研究结果表明，天然气在固体吸附剂表面吸附量随压力升高而增强，但当压力超过3-4 MPa后，压力提高对吸附量增加作用不大。邹勇等根据微孔容积填充理论(TVFM)对蒸汽在活性炭微孔中的吸附，计算出了室温下天然气在活性炭上吸附储存的最佳压力为3.551 MPa，此时，理论上可使吸附储存器的储气量达到容器体积的150倍左右。Ma-tranga等人运用纯甲烷模型对活性炭表面天然气的吸附进行了数值模拟并做了优化计算，结果表明；若取石油的能量密度为1，则ANG的最大能量密度为0. 25，与CNG的0. 29的能量密度非常接近。

决定天然气吸附贮存方法工业应用的关键是开发出一种专用的高效吸附剂。自上世纪50年代起，筛选出了如天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶、炭黑、活性炭等适合于天然气存储用的各种吸附剂。目前，多孔炭质吸附剂是最具工业化应用前景的天然气吸附材料。在一般的吸附剂中，活性炭对甲烷的吸附容量最大。目前已商业化的普通活性炭比表面积为1 200m2/g左右，由于孔分布太宽，在298K、3.4 MPa下吸附存储甲烷量只相当于20 MPa下压缩存储甲烷量的1/2。比表面积高达3000-4000 m2/g的高比表面活性炭(HSAAC)正成为天然气吸附材料研究的新热点。

近几年来吸附储存天然气的研究越来越多。目前利用超级活性炭进行储气研究的国家有美国、加拿大、日本等。由于超级活性炭的比表面积高达3000 平方米/克，因此它具有很强的吸附储气能力。日本丰田公司不仅在汽车尾气净化方面使用了超级活性炭，而且对其用在压缩天然气汽车的储气容器中，也在做积极的尝试。如果吸附储存天然气的应用研究获得成功，它将带来燃气储存的革命，并带来显著的经济和社会效益。结合实际需要，在天然气的储存工艺的装置等方面开展应用研究具有特别重要的意义。此项工作一方面可以改进天然气储存技术；另一方面可以扩大天然气的应用领域，尤其是天然气汽车的应用。

（1）吸附储气原理及超级活性炭性能

吸附储气是近年来国外大力开发的新技术。其原理是在储气容器中以特殊方法装填超级活性炭作为吸附剂。由于吸附剂表面分子与气体之间的作用力大大高于气体分子之间的作用力，使得吸附剂表面附近的气体分子浓度大大高于气相主体浓度。孔径越小这种分子之间的作用力越强，因此微孔中全部被气体分子所充满,这就是体积填充机理。由于吸附剂微孔中的气体密度大大高于同压力下气相主体密度，使得存储同样气量时的压力可以减少近10倍。活性炭含有大孔、中

孔和微孔，只有在孔径为2nm左右的微孔中，体积填充机制才起作用，从而大大增加储气量，储气吸附剂采用比表面积为3000 平方米/克的微孔活性炭，在常温下，压力为1.6 MPa时，对甲烷的吸附能力大约是80g/ml。为了增加单位容积的储气量，不但要求单位重量的活性炭上吸附甲烷量多，更希望单位体积吸附剂中吸附的甲烷量多。超级活性炭的比重为0.2-0.3 g/ml，为了增加体积吸附量一般要对吸附剂进行成型加工，以增加该活性炭的密度。目前能够提供的超级活性炭密度为0.5-0.7 g/ml，因此储气的工艺和装置的研究，可以基于这种活性炭进行。

（2）天然气吸附储存的可行性及经济比较分析

目前，国内已掌握了吸附储气的关键技术-吸附剂（超级活性炭）的制备，此超级活性炭比表面积为3000 平方米/克，是普通活性炭的两到三倍。其储气能力为120-170 v/*v，即在3.5MPa压力下，一立方米装有吸附剂的气瓶可容120～170标准立方米天然气。这就是说可以用较低的压力，在同样的体积下存储更多的甲烷气体。

陕北天然气进入天津市储配站的压力为 1.8～1.6MPa，中压管网压力为0.2MPa，则每立方米超级活性炭可以储存84标准立方米甲烷气体。如果单纯依靠压缩储存甲烷气体，当气体的压力由0.2MPa增加到1.6MPa，每立方米容积仅可以储存14标准立方米甲烷气体，也就是说，同样压力差下，有吸附剂存在时储存气体能力是单纯压缩情况下的（84／14）＝6倍（此时超级活性炭的比重按0.5 g/ml考虑），就普通湿式和干式储气柜而言，一个填满活性炭的储罐，如果其储气压力为1.6MPa，则储气能力相当常压储柜的100倍，即一个1000立方米填满超级活性炭的储罐接近于一个10万立方米常压储柜。考虑到活性炭的比表面和压实密度以及储罐结构要求等因素，我们用1500立方米的1.6MPa的压力储罐的储气能力相当于10万立方米常压气柜的情况，进行初步的经济分析。

一个1500立方米的1.6MPa储罐的投资为300万元，吸附剂价格为2万元／吨，（密度按500千克/立方米,吸附剂价格为1万元/立方米），故1500立方米填装吸附剂的储罐总价为1500＋300=1800万元。

能力相当的非吸附储罐（柜）的价格为：

一个10万立方米干式柜总投资为3000万元；

一个10万立方米湿式柜总投资为1500万元；

六个1500立方米的1.6MPa储罐投资为2250万元（占地系数取1.25）。

由以上简单的计算可知，在投资方面，以填充活性炭加压缩罐代替低压干式储柜经济效益是相当可观的，填充活性炭压力储罐与不填充活性炭的压力球罐相比也有一定的优势。但是由于吸附储气工艺尚不成熟，活性炭需再生或更换，气体进入储气柜前还需净化处理等，因此吸附存储在技术和经济上是否具有显著优势，必须进行进一步研究。