天然氣吸附儲運技術的工藝設計

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的工藝設計

李俊穎

(四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川成都 610213)

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

天然氣 吸附儲運 工藝設計

經濟的快速發展,使得降低能源消耗,保護環境成為我國目前關注的焦點。發展低碳經濟,成為我國經濟未來的發展的主要方向,故而如何推廣利用天然氣成為了改善環境,解決能源和環境瓶頸的癥結所在。由于天然氣的推廣利用依賴于其儲運技術,所以天然氣吸附儲運技術以其較低的生產運輸成本及較高的安全性,逐漸成為研究重點。

1 吸附儲運設計流程概述

ANG吸附儲運技術的基本流程可以簡單地概括如下:在實際儲運過程中,當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吸附儲運流程應該包括四個部分:吸附劑的開發、儲罐的開發、設備的組裝和最后的運行管理。天然氣吸附儲運技術可以分為研發、建設階段以及投產、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象影響吸附性能,流程缺乏針對來源氣體性質的剖析,ANG儲罐缺乏詳細的結構設計。針對這些問題,為了保證其簡單性和可行性,需要對流程做出優化。從上游來的天然氣首先進入預處理系統進行凈化,脫除原氣體中包括二氧化碳、氮氣、二氧化硫在內的雜質氣體。根據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,則直接進入預吸附罐和ANG儲罐。否則,則讓天然氣先進入壓縮機增壓至設計壓力,然后進入換熱器冷卻至正常溫度。最后進入預吸附罐和ANG儲罐。循環水系統同時連接換熱器和ANG儲罐的換熱管束,在ANG儲罐發生吸附作用的時候循環供冷,帶走吸附作用所產生的熱量,保持ANG儲罐內溫度滿足設計要求,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ANG吸附儲運技術的特點,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勢,已經成為天然氣吸附儲運技術的重要載體。此外,通過許多分子模擬和實驗測試得出,多孔碳質吸附劑是最具有工業化應用前景的天然氣吸附材料。

3 天然氣吸附儲罐的設計

由于ANG儲罐屬于壓力容器,所以在設計過程中要考慮安全的問題。ANG儲罐在室溫的環境下,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,同時還可以實現附質的填充和更換。由于吸附和脫附時熱量的變化導致容器的溫度發生變化,所以設計容器的工作溫度一般設為-20～70℃。

3.1 材質比選

普通的碳素鋼材雖然成本低廉,但其壓力設計卻達不到工藝的要求。而另外一種材質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,目前已經被廣泛應用于石油化工設備中。特別適合于-40℃以下寒冷地區的低溫壓力容器。故選用16MnR來制作ANG儲罐的罐身。

3.2 吸附儲罐外觀設計

目前國內關于ANG吸附儲運技術沒有專門的設計規范作為設計的準則與參考,故在ANG吸附儲罐的結構設計過程中可以參考有的常用壓力容器的設計規范或者CNG儲罐的設計要求,再根據自身的特點做出技術上的改進和修改。ANG儲罐結構設計主要有內裝塊狀活性炭的扁平狀結構儲罐和非圓柱形的平底結構形式儲罐這兩種結構形式。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。扁平狀結構儲罐的優點在于,內部為蜂窩狀構造,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。缺點在于成本高,工藝復雜,所以在實現的工程中并未得到廣泛的應用。非圓柱形的平底結構儲罐內部裝有拉條,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 儲罐內部結構設計

相較于CNG儲罐,ANG儲罐由于吸附儲運的技術特點,儲罐的設計壓力遠低于前者。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儲運技術在吸附、脫附過程所產生的熱效應會嚴重影響吸附劑的吸附性能,進而嚴重降低ANG儲罐的儲氣量和產氣量。故ANG儲罐的內部結構設計需要解決的關鍵問題是儲罐內部的熱量管理。

考慮實際運作過程,優化的內部結構設計在儲罐進氣口處設置了氣體再分配裝置,內部垂直設置不銹鋼絲網將儲罐內部體積分割,且采用支撐支柱。此外,內部換熱系統將傳統的盤管形式改為采用直管形式取代,循環水沿多根直管并流從進氣口另一側進入儲罐,換熱后再沿外圍多根直管并流排除儲罐的方式,換熱管內部采用水為介質。雖然換熱效率會有所下降,但卻提高了儲罐內部結構的穩定性,并且配合吸附劑特定的成型技術,使得更換吸附劑的操作變得簡單可行。

4 結語

本文根據ANG吸附儲運的一般設計流程,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鍵技術的分析,ANG吸附儲運技術的工藝進行了優化設計。該工藝節約成本,便于工程實現,具有普遍適用性。

[1]王皆騰,孫俊芳,劉中良.天然氣吸附儲存容器的結構優化分析[J].工程熱物理學報,2009(10):032.

[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,2012(2):98-102.

[3]孫波浪.淺談天然氣儲運技術及應用發展[J].石油和化工設備,2011(6):016.

李俊穎(1982—),女,重慶人,本科,畢業于西南石油大學油氣儲運工程專業,工程師,研究方向:油氣田地面工程設計。