吸附式天然氣儲罐充放氣過程的試驗研究

鄭青榕 朱子文 駱婉珍

(福建省船舶與海洋工程重點實驗室,集美大學(xué)輪機工程學(xué)院)

吸附式天然氣儲罐充放氣過程的試驗研究

鄭青榕 朱子文 駱婉珍

(福建省船舶與海洋工程重點實驗室,集美大學(xué)輪機工程學(xué)院)

為研制替換家庭用LPG儲罐的吸附式天然氣(ANG)儲罐進行了對比試驗。針對ANG技術(shù)在應(yīng)用過程中涉及如何管理吸附熱效應(yīng)的問題,選擇比表面積為2 074 m2/g的SAC-02椰殼活性炭,容積為1.5 L的柱狀鋼制壓力容器,在15 L/min的充放氣流率下,測試并分析了循環(huán)換熱水管布置形式、循環(huán)水溫度變化及充放氣方式變化對儲罐吸附床中心溫度和儲罐累積充/放氣量的影響。結(jié)果表明,儲罐中心在布置螺旋形換熱水管后的溫度變化幅度比布置U形換熱水管時減少約10℃,儲罐總充/放氣量相應(yīng)增加18%和14%;儲罐換熱水管循環(huán)常溫自來水就能有效抑制儲罐吸附床的溫度波動;選用多孔管充/放氣可使儲罐中心溫度上升/下降的幅度分別減小15℃和10℃,但會造成儲罐總的充放氣量下降2%和7%。家庭用ANG儲罐可選用自來水冷卻/加熱吸附床,在選擇換熱管和充放氣時需兼顧其對儲罐總充/放氣量的影響。

ANG 活性炭 冷卻水 多孔管 螺旋管

由于天然氣具有對環(huán)境污染小、使用安全、儲量豐富、價格便宜等優(yōu)點,其在能源結(jié)構(gòu)中的比例日益增大,構(gòu)建完善的天然氣管網(wǎng)供應(yīng)系統(tǒng)已成為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略的關(guān)鍵[1-2]。然而,建立天然氣管網(wǎng)涉及規(guī)模較大的基礎(chǔ)建設(shè),尤其在我國一些老城區(qū)、遠(yuǎn)離天然氣氣源的小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū),居民還主要使用罐裝液化石油氣(LPG)和煤,引發(fā)了一系列安全事故[3-4]。當(dāng)前,除了采用管道輸送外,天然氣還可選用液化天然氣(LNG)、壓縮天然氣(CNG)和吸附式天然氣(ANG)3種儲運方式[5-6]。相對而言, ANG在常溫、3.5 MPa左右的壓力下可達到較高的能量儲存密度,在民用天然氣儲存方面具有潛在的優(yōu)勢[4]。

針對ANG技術(shù)應(yīng)用所作的研究主要在車用天然氣儲存和城市燃?xì)庹{(diào)峰兩方面,以及面臨提高ANG系統(tǒng)的能量密度和管理系統(tǒng)在充放氣過程熱效應(yīng)方面的技術(shù)難題。圍繞上述難題,研究人員主要采取高效吸附劑制備和儲罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)路線,提出了儲罐適形設(shè)計和強化吸附劑傳熱與傳質(zhì)措施[7-9]。從研究結(jié)果來看,雖然與美國能源部先進研究計劃署(ARPA-E)在2012年發(fā)起的MOVE研究項目對車用ANG技術(shù)提出的要求(在溫度區(qū)間-40～85℃、壓力小于3.5 MPa時,ANG系統(tǒng)的能量密度與CNG在25 MPa時的儲存系統(tǒng)能量密度相當(dāng),質(zhì)量和體積能量密度分別為9.2 MJ/L、12 MJ/kg;ANG儲存系統(tǒng)在循環(huán)100次后的效率不小于80%,同時能承受天然氣中雜質(zhì)組分的影響)還存在差距,但明確了后續(xù)的研究目標(biāo)[10]?？偟膩碚f,作為民用ANG儲罐,在滿足儲罐的能量密度與相應(yīng)的LPG儲罐有可比性的前提下,儲罐吸附床須能夠承受民用燃?xì)馕⒘縃2S(質(zhì)量濃度小于20 mg/ m3)和CO2(體積分?jǐn)?shù)小于3%)對存儲容量及循環(huán)性能的影響,儲罐的充放氣特性還應(yīng)滿足典形家庭日常的用氣要求,其結(jié)構(gòu)需與居家環(huán)境相吻合。

基于上述思路,本文在前期研究的基礎(chǔ)上,選擇典型充放氣流率下的充放氣試驗,比較U形換熱水管和螺旋形換熱水管、多孔管充放氣以及冷卻/加熱水溫度變化對儲罐吸附床溫度波動和充/放氣總量的影響,進而為民用ANG儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)參數(shù)。

1 試驗

燃?xì)獬浞艢庠囼炑b置結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,有關(guān)系統(tǒng)部件及配件的介紹見文獻[9]、[10]。前期研究對配置有U形換熱管、兩端由法蘭連接的圓柱狀A(yù)NG儲罐作了充放氣試驗[11-13]。在U形管內(nèi)循環(huán)冷卻/加熱水能有效緩解ANG儲罐在充放氣過程中熱效應(yīng)的影響。但U形管只能影響管路經(jīng)過的局部區(qū)域,而受吸附過程熱效應(yīng)影響最嚴(yán)重的為儲罐中部的柱狀區(qū)域。此外,以往研究中儲罐的充放氣一般均通過儲罐兩端蓋上的進出氣口,不利于儲罐內(nèi)甲烷的擴散和吸附熱的傳遞[12-13]。

本次試驗設(shè)計了容積相等的U形管和螺旋管,同時選用管表面均勻分布小孔的多孔管作為儲罐充放氣的通道,并根據(jù)家用LPG儲罐結(jié)構(gòu)等比例縮小,將測試的ANG儲罐設(shè)計為圓筒狀、容量約為1.5 L的壓力容器。儲罐筒體選用不銹鋼0Cr18Ni9,內(nèi)徑為100 mm,長為230 mm,壁厚為7 mm。裝填活性炭后,采用法蘭密封。在儲罐壁面開4個小孔用于安裝PT100熱電阻,3個測量儲罐中心位置的溫度分別為T 1、T 2、T 3;儲罐外壁面有一熱電阻T 4,用于測量儲罐壁面溫度。儲罐結(jié)構(gòu)及熱電阻所布位置見圖2。

廈門城市燃?xì)馐怯蓮B門華潤燃?xì)庥邢薰咎峁┑奶烊粴夂涂諝獾幕旌蠚?而天然氣為莆田湄洲灣的LNG(其組成的體積分?jǐn)?shù)分別為96.7%的甲烷、2.3%的乙烷、0.5%的丙烷),幾乎不含硫化氫和二氧化碳。為此,試驗氣體選用廈門林德氣體公司提供的高純度氣體。充氣試驗時,選擇廈門地區(qū)液化石油氣罐裝時的充氣流率15 L/min;放氣試驗時,則采用廈門地區(qū)典型五口之家日常消耗的管道天然氣/空氣混合氣的流率15 L/min[11-12]。

2 結(jié)果分析

2.1 充氣過程

在15 L/min充氣流率下,儲罐內(nèi)分別配置U形和螺旋形換熱管并循環(huán)相同質(zhì)量流率、溫度為30℃的冷卻水時,儲罐吸附床中心溫度及充氣量的變化如圖3所示。從圖3可見,由于螺旋換熱管圍繞儲罐中心布置,與配置U形管時相比,選用螺旋換熱管可使儲罐吸附床中心在充氣過程中的最高溫度從80℃下降至約60℃,儲罐總充氣量也相應(yīng)從約55 g增加至65 g。顯然,實際應(yīng)用時引入自來水帶走ANG儲罐在充氣過程中產(chǎn)生的熱量,在不影響儲罐儲存氣體總量的前提下,在儲罐中心區(qū)域布置螺旋形換熱管具有更好的效果。

從圖4可看出,選用多孔管充氣時,儲罐中心溫度上升的幅值比直接從進氣口充氣時降低了約15℃,但儲罐累積的充氣量并未顯著增加。這表明,由于試驗的儲罐容積相對較小,引入多孔管對儲罐的有效容積影響明顯?？紤]到實際應(yīng)用時,ANG儲罐通常有較大的容積,多孔管對儲罐有效容積的影響相對較小。

螺旋換熱管內(nèi)循環(huán)水的溫度變化時,儲罐中心溫度和充氣量的變化如圖5所示。從圖5a中的溫度變化曲線來看,循環(huán)溫度為10～30℃的冷卻水對ANG儲罐中心在初始充氣階段的溫度變化影響較小,儲罐中心的最高溫度均比未循環(huán)冷卻水時下降約10℃。對比圖5b可發(fā)現(xiàn),儲罐中心溫度上升到峰值的時間與累積充氣量變化曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點的時刻基本重合。由此表明,從開始充氣到儲罐中心上升至最高溫度的階段為有效充氣時間,延緩中心溫度到達幅值的時間可以提高充氣量。此外,從圖5b中還可看出,在儲罐中心溫度達到峰值以后,冷卻水溫度變化對充氣量的影響才比較明顯,循環(huán)10℃冷卻水時的總充氣量比循環(huán)30℃時的冷卻水增加約12.5%。顯然,若ANG儲罐的容積增大,降低循環(huán)冷卻水溫度的效果將更為明顯。

2.2 放氣過程

ANG儲罐內(nèi)分別布置U形、螺旋形換熱管,并循環(huán)30℃的水,儲罐中心溫度和儲罐放氣量在放氣過程中的變化見圖6。從圖6可見,由于螺旋形換熱管圍繞儲罐中心,能更有效地補充儲罐軸心柱狀區(qū)域在脫附放氣過程中損失的熱量,儲罐中心在放氣過程中的溫度波動比U形換熱管時的溫度波動減少約10℃,并由此獲得約14%的放氣增加量。

從圖7可以看出,與從儲罐端蓋連接管口的放氣相比,經(jīng)由多孔管放氣可抑制儲罐中心在放氣過程中的溫度下降約10℃。但由于布設(shè)多孔管消耗儲罐部分容積,儲罐在放氣過程中的累積放氣量減少了約7%。因此,在選擇通過改變儲罐內(nèi)儲存甲烷分子傳遞途徑來抑制吸附熱效應(yīng)時,需兼顧引入措施對儲罐總放氣量的影響。

將溫度為30℃、50℃和70℃的水引入螺旋換熱管后的測試結(jié)果如圖8所示。從圖8的溫度變化曲線可以發(fā)現(xiàn),提高引入水的溫度可以抑制儲罐吸附床在放氣過程中的溫度下降幅度。但由于儲罐吸附床的溫度下降主要源于吸附床內(nèi)吸附甲烷的脫附,因此,選擇作為加熱源的熱水溫度應(yīng)綜合考慮儲罐容積、儲罐結(jié)構(gòu)及放氣流率的影響。對于本次試驗的ANG儲罐,在15 L/min的放氣流率下,引入30℃的水作為加熱源就能獲得較好的效果。

3 結(jié)論

為了確定適合于家庭環(huán)境的民用ANG儲罐結(jié)構(gòu),在城市供水和家庭熱水器產(chǎn)生熱水的溫度區(qū)間,選擇典型的充/放氣流率,就儲罐換熱水管的布置方式、充放氣引入/排出方式對儲罐吸附床中心溫度及儲罐總充放氣量的影響作了對比試驗,其結(jié)論如下:

(1)在確保引入的換熱水管不過多占有儲罐有效容積的前提下,家庭用ANG儲罐可將常溫自來水作為抑制充放氣過程熱效應(yīng)的冷熱源,并采用螺旋管狀環(huán)繞儲罐中心以減小儲罐吸附床在充放氣過程中的溫度波動,增大充放氣量。

(2)儲罐有效的充放氣時間與儲罐中心上升/下降至最高/最低溫度的時刻同步。儲罐的有效充放氣時間主要取決于儲罐結(jié)構(gòu)及充放氣速率,與引入儲罐的冷卻/加熱水的溫度無關(guān),水溫度變化主要影響少量后期的充放氣量。

(3)選用多孔管充/放氣可抑制儲罐中心溫度上升/下降的幅度,但同時也會由于多孔管的引入減小了儲罐的有效容積,進而影響儲罐總的充放氣量。因此,應(yīng)結(jié)合儲罐的數(shù)學(xué)建模和數(shù)值模擬,綜合考慮儲罐充放氣速率及儲罐結(jié)構(gòu)的影響。

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Experimental study of the ANG storage tank during charge and discharge

Zheng Qingrong,Zhu Ziwen,Luo Wanzhen
(Provincial Key Laboratory of Naval Architecture&Ocean Engineering,Institute of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian,China)

Comparative experiments were carried out for developing adsorbed natural gas (ANG)storage tank to replace domestically used liquefied petroleum gas(LPG)tank.Cocoanut activated carbon SAC-02 with SBETof 2 074 m2/g was selected as an adsorbent.A cylindrical steel pressure vessel,which was respectively equipped with a helical heat exchanging pipe,a U-shaped pipe and a perforated tube,was used to evaluate the effect of the cooling/heating water and the charge/discharge patterns on temperature fluctuation of the adsorbent bed and the charged/discharged amount of the storage tank.Tests were undertaken at ambient temperature,under pressure of 3.5 MPa and the flow rate 15 L/min of the natural gas.It shows that,about 10℃fluctuation of temperature at the central region of the storage tank has been cut down by circulating the cooling/heating water along the helical pipe instead of the U-shaped pipe,and the total charged/ discharged amount of the gas from the vessel has also correspondingly increased by about 18% and 14%,respectively.Charging/discharging the gas through the perforated tube can reduce thetemperature fluctuation amplitude about 15℃and 10℃,respectively,but the total amount of gas charging/discharging from the vessel has been decreased by 2%and 7%.It suggests that the running water at ambient temperature is an effective medium for managing the thermal effect of a domestically used ANG vessel in the charge/discharge process,and conformable design of the vessel should be undertaken by optimization among the measures of introducing supplemental heat,heat and mass transfer enhancement of the adsorbent as well as the charge/discharge methods.

adsorbed natural gas(ANG),activated carbon,cooling water,perforated tube,helical tube

TK123

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.007

2014-03-26;編輯:康 莉

福建省高等學(xué)校新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃支持計劃“新型復(fù)合儲氫(天然氣)材料研究”(編號:Z80136)和福建省教育廳產(chǎn)學(xué)研項目“船舶余熱氨吸附制冷用氨熱力膨脹閥研制”(編號:JA12185)。

鄭青榕(1967-),教授,研究生學(xué)歷、博士學(xué)位,主要從事吸附理論及工藝方面的研究。地址:(361021)福建省廈門市集美石鼓路176號集美大學(xué)輪機工程學(xué)院。電話:(0592)6183533。E-mail:zhengqr@jmu.edu.cn