天然气吸附存储实验研究__少量乙烷对活性炭存储能力的影响

天然气吸附存储实验研究

Ⅰ.少量乙烷对活性炭存储能力的影响

傅国旗,周理3

(天津大学化学工程研究所,天津　300072)

摘要:研究了甲烷、乙烷混合气(乙烷含量411%)中,乙烷对活性炭吸附存储能力的影响。结果表明乙烷的影响很显著。在25℃、充气压力315MPa 、放气压力011MPa 条件下,经50个充放气循环后有效存储能力下降了25%,但常温常压下用氮气吹扫可使吸附剂完全再生。

关键词:吸附存储;天然气;乙烷;活性炭

中图分类号:O623111 文献标识码:A 文章编号:100129219(2000)04212202

收稿日期:2000205206;作者简介:周理,男,1942年生,博士导师,教授;3通讯联系人。

0　前言

天然气(N G )储量丰富,作为经济、洁净的汽

车代用燃料受到世界各国的普遍重视。但由于其主要成分甲烷在常温下不能液化,因而与汽油等液体燃料相比,常压下N G 的能量密度很低,难以直接用作汽车燃料。目前较为普遍的方法是将N G 压缩至20MPa 左右,使之成为压缩天然气(CN G )。但CN G 的高成本、潜在的不安全性等

因素又限制了天然气汽车(N GV )的发展。为克服CN G 的不足,80年代中期出现的吸附天然气(AN G )技术引起各国研究人员的兴趣。AN G 采用高比表面积活性炭作吸附剂,使N G 在较低的压力(一般为315MPa 左右)下,实现高密度的存储,其技术经济可行性已得到认证[1]。

AN G 还存在一些技术问题,使其尚未商业化。除需制备具有高体积存储能力的吸附剂外,吸附热效应及N G 中杂质组分对活性炭存储容量的不利影响是必须解决的两个问题[2,3]。N G 中除主要成分甲烷(90%左右)外,还含有C 2、C 3、氮气、二氧化碳以及少量C 4以上的烃类、水和含硫化合物[4]。吸附剂经多次循环使用后,N G 中的重组分烃类及极性化合物等杂质组分会在吸附剂上积累,使其存储能力下降,从而使吸附剂的使用寿命缩短,有关杂质组分影响研究的报导不多。G olovoy 和Blais [5]的研究表明,经100次循环充

放气后,活性炭的AN G 存储能力下降到初始容量的22%,N G 的杂质含量为415%。Pedersen 和Larsen [6]发现,100次循环充放气后活性炭的AN G 存储容量下降50%,所以N G 的杂质含量为819%。他们还发现存储能力的下降幅度主要与N G 的组成有关,与所用活性炭的种类关系不大。Mota [7]通过模拟计算研究了杂质对活性炭上N G 存储能力的影响。模型中存储系统每一循环先以固定组成的N G 等温充气,然后以一定的气速非等温释放,这样同时考察了杂质和吸附热效应对活性炭上AN G 存储能力的综合影响。N G 的主要杂质为716%C 2,210%C 3,514%氮气。存储系统经100次充放循环后存储能力下降幅度达60%。以上研究都是针对多种杂质对活性炭存储能力的共同影响,至今还未见单一杂质组分对活性炭存储能力影响的研究报导。为找到解决杂质组分影响吸附剂寿命的可行办法,作者拟逐一研究各单一杂质组分的影响及其消除办法,这对于吸附存储技术的商业化有重要意义。城市天然气一般是经过预净化的,硫化物、水份、二氧化碳的含量很低,而氮气对活性炭的使用寿命完全没有影响,因此重点考察烃类杂质的影响。乙烷是N G 中含量最高的杂质烃类,故本文首先考察少量乙烷对活性炭存储能力的影响,并探索消除其影响的可行途径。有关其他烃类杂质的影响以及吸附热效应的研究将陆续报导。

1　实验方法

实验采用的吸附剂是唐山活性炭厂生产的椰

12　天然气化工2000年第25卷

壳活性炭,通过CO 2吸附测定的比表面积为1500m 2/g ,堆密度0146g/cm 3。混合气由纯度9919%的甲烷和9919%的乙烷配制而成,其中乙

烷的含量为411%(体积分数)。吸附罐内径3116mm ,长176mm ,内置热电耦测床层温度。充、放气时吸附罐置于501超级恒温器(重庆实验

设备厂制造)内。用Mettler 公司SB1200电子天平称重,天平分辨率为011g 。用K eller 公司PAA 221S 压力传感器测量压力,测量精度为015%。

实验流程如图1所示。

图1　实验装置图

1-混合气钢瓶;2-开关阀门;3-压力调节器;4-恒

温水浴;5-吸附罐;PT -压力传感器;TC -热电耦

实验前将活性炭在150℃下真空干燥24h 。在吸附罐中的装填量为6513g 。在常压和25℃条件下使活性炭与纯甲烷达成吸附平衡,此时吸附罐内活性炭及存储的甲烷重量之和称为吸附床的初始重量W b 0。将吸附罐置于25℃的恒温水浴内,混合气钢瓶内的气体经压力调节器调至315MPa 后充入吸附罐。待床层温度恒定后,将

吸附罐与进气管线断开,由天平称重可得第一次充气后的存储量W s 1。再将吸附罐置于恒温水浴内,并释放罐内气体至压力降到常压。待床层温度稳定在25℃后称取吸附罐的质量,得到经过第一个充放气循环后的吸附床质量W b 1。以同样的方法可得第n 个充放气循环时的存储量W sn 及吸附床质量W bn 。做吸附床再生实验时,在常温常压下以一定流量的氮气吹扫,同时用气相色谱分析尾气中的乙烷含量,直至检测不到乙烷为止。

2　实验结果及讨论

AN G 研究中通常所说的存储能力包括常压

以下的存储量,但就实际应用而言,常压以下的存

储量意义不大,所以常将常压以上的存储能力称

为有效存储能力或可释放存储能力。本文所述存储能力即是指有效存储能力。图2给出有效存储量W s 及常压时吸附床质量W b 随充放气循环次数的变化。最初的20个循环内有效存储量基本呈线性下降,以后下降速度减慢,至50次时存储量趋于稳定,下降幅度达25%。吸附床质量相应地明显变化,最初的20个循环内呈线性增加,以后增加速度减慢,50次时也同样趋于稳定,增加量达8%。可见天然气中的乙烷对活性炭存储能力有非常显著的影响。

经50次充放气循环后对吸附床进行了再生试验。在常温、常压下用氮气吹扫吸附床,氮气流量为1L/min 。吹扫40min 后,尾气中已检测不到乙烷,称重发现此时吸附床质量已回到初始值

W b 0。再以同样的条件充气,有效存储量与第一

个循环相同。这表明在实验条件下

,吸附剂得到完全再生。

图2　活性炭存储容量及吸附床质量随充放气循环

次数的变化

3　结论

通常认为C 2组分可在减压时完全脱附。但

基于以上实验结果,作者认为N G 中的C 2组分含量是造成吸附储气罐存储容量逐渐下降的重要因素。然而通过常温吹扫即可从活性炭床层中予以清除,从而恢复活性炭的吸附容量,因此在充气时不必将C 2组分从N G 中清除。

致谢:感谢日本丰田公司助研金对论文工作的支持

参考文献

[1]　R T Biederman ,C F Blazek ,Economic analysis of low 2

pressure nature gas vehicle storage technology [R ].

第4期傅国旗等:天然气吸附存储实验研究13