第25卷第6期西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)2003年12月Journal of Southwest Petroleum InstituteDec 2003文章編號(hào):1000-2634200306-0096-03車用天然氣儲(chǔ)氣技術(shù)王正茂梁政楊志鐘功祥舒運(yùn)德(西南石油學(xué)院石油工程學(xué)院四川南充637001)摘要:天然氣用作汽車的代用燃料具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜滓烷值髙、燃燒充分低硫、低氮、無(wú)灰、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。但是目前的壓縮天然氣儲(chǔ)氣技術(shù)存在儲(chǔ)氣壓力高、儲(chǔ)氣量小、續(xù)駛里程短等缺點(diǎn)嚴(yán)重制約著天然氣汽車應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。對(duì)5種車用天然氣儲(chǔ)氣技術(shù)進(jìn)行了分析討論后指出了吸附儲(chǔ)存和近臨界流體儲(chǔ)存天然氣技術(shù)在天然氣汽車領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:壓縮天然氣浦存天然氣汽車中圖分類號(hào):TE821文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A隨著世界人口和汽車數(shù)量的迅猛增長(zhǎng),全球石于儲(chǔ)氣量受溫度影響較為嚴(yán)重因而充氣速度受到油資源日益緊缺油料供需矛盾更加突岀汽車尾氣限制。(2)CNG汽車?yán)m(xù)駛里程短主要用于城市及污染已經(jīng)對(duì)人類生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重破市郊公共汽車和岀租車而對(duì)于長(zhǎng)途客車及載重貨壞。因此世界各國(guó)都在積極開發(fā)新能源尋找汽車車等皆因行駛距離遠(yuǎn)、CNG加氣站有限、充裝時(shí)間的代用燃料。天然氣NG用做汽車的代用燃料具長(zhǎng)等原因仍采用汽、柴油燃料。對(duì)于各類固定式及有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜庠烷值髙、燃燒充分忯硫、移動(dòng)式大型工程動(dòng)力杋械則主要以柴油為燃料這低氮、無(wú)灰環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。預(yù)計(jì)在本世紀(jì)以天些杋械盡管多用在非城市地區(qū)但燃料耗用量及污然氣為動(dòng)力的汽車必將飛速發(fā)展而天然氣汽車染都極大。(3)壓縮天然氣汽車(CNGV)的啟動(dòng)性N(Ⅳ肢術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于車用天然能和動(dòng)力性能較差等。氣儲(chǔ)氣技術(shù)的發(fā)展因此開發(fā)高效的車用天然氣儲(chǔ)研究車用天然氣儲(chǔ)氣技術(shù)解決CNGV所面臨氣技術(shù)就顯得十分重要。的主要問(wèn)題使天然氣汽車的儲(chǔ)氣量增加安全性更好續(xù)駛里程更長(zhǎng)是有必要的。1研究的意義開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀天然氣的主要成分是甲烷在常溫常壓下甲烷是一種物理和化學(xué)性能都非常穩(wěn)定的小分子,密度目前車用天然氣儲(chǔ)氣技術(shù)主要分為壓縮儲(chǔ)存小不易壓縮、液化,幾乎不與任何溶劑互溶等等。(CNG液化儲(chǔ)有(LNG)吸附儲(chǔ)存(ANG)天然氣因此如何經(jīng)濟(jì)高效的儲(chǔ)存天然氣一直是一個(gè)十分水合物儲(chǔ)存(NGH)和近臨界流體儲(chǔ)存(NCF)五大棘手的問(wèn)題到目前為止仍然沒有一種比較行之有類見表1。效的儲(chǔ)氣手段。而天然氣汽車的發(fā)展在很大程度上2.1壓縮天然氣儲(chǔ)存技術(shù)依賴于天然氣儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展,目前壓縮天然氣在儲(chǔ)氣技術(shù)中CNG儲(chǔ)存技術(shù)比較成熟,現(xiàn)已(CNG潴儲(chǔ)氣技術(shù)仍然是天然氣汽車的主要儲(chǔ)氣方經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化廣泛運(yùn)用于天然氣汽車。存在的不式但是卻存在以下幾方面的問(wèn)題足是緒儲(chǔ)氣量小續(xù)駛里程短;氣體燃料的能量密度1)儲(chǔ)氣壓力高,CNG氣瓶自重太大,儲(chǔ)氣量低啟動(dòng)性能和動(dòng)力性能較差;需要高壓壓縮(20~小現(xiàn)有(NG加氣站儲(chǔ)氣系統(tǒng)的壓力多在25MPa,25MPa)這就需要用昂貴的多級(jí)壓縮機(jī)要求使用而CNG汽車的充氣壓力多控制在20MPa以內(nèi)。由的高壓貯存容器為無(wú)縫容器壁厚體重制造工藝復(fù)第6期王正茂等:車用天然氣儲(chǔ)氣技術(shù)雜在此高壓下使用存在一定的危險(xiǎn)性。因此CNG氣體的組分較吸附前發(fā)生改變;商業(yè)用吸附劑的成儲(chǔ)存技術(shù)只是一種暫時(shí)的而非高效的儲(chǔ)氣手段。型壓力不夠?qū)е挛絼┬阅芟陆档?。但是ANG儲(chǔ)表1車用天然氣儲(chǔ)氣技術(shù)匯總氣壓力低、使用方便、安全儲(chǔ)氣瓶自重輕可降低投資和操作費(fèi)用。因此ANG仍是一種很值得開發(fā)的利用技術(shù)壓力/MPa溫度/℃技術(shù)特點(diǎn)參考文獻(xiàn)工業(yè)化儲(chǔ)氣技術(shù)其關(guān)鍵在于高性能吸附劑的開發(fā)與相應(yīng)an常壓工業(yè)化[2]的吸附劑裝填、再生等工藝及技術(shù)研究。3-5未工業(yè)化[3]NGH未工業(yè)化2.4天然氣水合物儲(chǔ)存技術(shù)未工業(yè)化[5]國(guó)外研究的另一種儲(chǔ)存NG的方法是利用NG注:p。臨界壓力;T一臨界溫度與水可以形成結(jié)構(gòu)為籠包形的水合物。例如在2.2液化天然氣儲(chǔ)存技術(shù)定溫度和壓力下H4分子可以與水分子結(jié)合形成LNG是在常壓和-16℃情況下進(jìn)行的一種儲(chǔ)水合物其CH4分子與H2O分子在水合物中的質(zhì)量存NG的方法。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下NG液化后其體積縮小分?jǐn)?shù)分別為15%和85%因此可以用水合物儲(chǔ)存600倍能量?jī)?chǔ)存密度很高。但是由于NG液化所NG挪威科技大學(xué)的 Gudmundsso7等人認(rèn)為在0需要的溫度很低,增加了生產(chǎn)、儲(chǔ)存以及運(yùn)輸?shù)某?℃壓力在2~6MmPa范圍內(nèi)反應(yīng)釜中的溫度本因此就目前來(lái)看LNG儲(chǔ)存技術(shù)在天然氣汽車比相平衡溫度低4℃左右時(shí)通過(guò)攪拌可生成水合領(lǐng)域的推廣運(yùn)用還存在資金和技術(shù)問(wèn)題。物。為提高水合物的生產(chǎn)效率可通過(guò)加入晶種2.3天然氣吸附儲(chǔ)存技術(shù)化學(xué)促進(jìn)劑和促進(jìn)氣體溶解等手段減少水合物的形ANG是指在室溫3~4MPa的壓力下利用專成時(shí)間。但是NGH技術(shù)用于天然氣汽車卻存在如用吸附劑來(lái)吸附儲(chǔ)存NG。ANG技術(shù)的關(guān)鍵就是開下一些問(wèn)題櫧氣量仍然偏小大量的水組分增加了發(fā)出對(duì)(H吸附量高的天然氣專用吸附劑。近10汽車的有效載荷冰合物需在低溫和一定的壓力下年中美國(guó)、日本、加拿大、英國(guó)和中國(guó)等國(guó)家的企存儲(chǔ)增加了天然氣汽車的技術(shù)成本八NGH技術(shù)仍業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)均在加緊開發(fā)此項(xiàng)技術(shù)。目前然沒有解決CNGV能量?jī)?chǔ)存密度低的問(wèn)題。使用較多的吸附劑為工業(yè)產(chǎn)品活性炭在室溫和3.42.5近臨界流體儲(chǔ)存天然氣技術(shù)MPa壓力時(shí)對(duì)CH4的儲(chǔ)存量只有20MPa時(shí)CNG近臨界流體是指處于臨界溫度T。和臨界壓力儲(chǔ)存量的一半6其能量?jī)?chǔ)存密度仍然較低。同時(shí),(φ刑近的流體。在這種狀態(tài)下流體表現(xiàn)出若干ANG技術(shù)還有其它一些問(wèn)題如吸附熱對(duì)吸附量特殊性質(zhì)。表2列出近臨界流體的密度、擴(kuò)散系數(shù)的影響吸附劑對(duì)氣體吸附具有選擇性導(dǎo)致吸附后和粘度與一般氣體、液體的對(duì)比。。表2氣體、液體和近臨界流體的性質(zhì)性質(zhì)氣體近臨界流體液體(101.325kPaA5~30℃)30℃密度Ag/ml)(0.6-2)×10-30.2-0.50.4-0.90.6~1.6粘度g/cms))(1~3)×10(1~3)×10-4(3~9)×10(0.2-3)×10擴(kuò)散系數(shù)/cm2/s0.7×1030.2×10-3(0.2-3)×10-5注:數(shù)據(jù)只表示數(shù)量級(jí)關(guān)系從數(shù)據(jù)可知近臨界流體的密度比氣體大數(shù)百壓力和溫度的微小變化都可以引起流體密度很大的倍具體數(shù)值與液體相當(dāng)。其粘度接近氣體但比起變化并相應(yīng)的表現(xiàn)為溶解度的變化。因此適當(dāng)運(yùn)液體來(lái)要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。擴(kuò)散系數(shù)介于氣體和液用近臨界流體儲(chǔ)氣技術(shù)利用近臨界流體對(duì)氣體良體之間。因而近臨界流體既具有液體對(duì)溶質(zhì)有比較好的溶解性能冋可以有效的進(jìn)行傳質(zhì)控制氣體的溶大溶解度的特點(diǎn),又具有氣體易于擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)旳特解度方便快速地實(shí)現(xiàn)氣體的溶解和分離過(guò)程。性傳質(zhì)速率大大高于液相過(guò)程。即近臨界流體兼俄克拉荷馬大學(xué)天然氣利用技術(shù)研究所開發(fā)的西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)2003年存技術(shù)在室溫條件下形成壓力為13.79MPa(表3.2近臨界流體儲(chǔ)存天然氣技術(shù)壓舶液體燃料該燃料具有等量汽油70%的能量。NCF技術(shù)的兩個(gè)顯著特點(diǎn):一是回收油田伴生由北京理工大學(xué)王利生等人提出的以凝析油戊氣一是用作機(jī)動(dòng)車輛燃料。NCF技術(shù)采用臨界流烷為溶劑儲(chǔ)存天然氣技術(shù)其儲(chǔ)存條件為室溫壓力體的理論利用某些流體在臨界點(diǎn)附近的溶解能力約15MPa左右50L容器中所釋放的可燃性氣體以數(shù)量級(jí)提高這一性質(zhì)提高溶劑對(duì)NG溶解能力量21kg左右5。其液相組成、液相密度及汽相組采用溶解的方法在一定條件下將NG溶于某種溶成、可燃?xì)怏w量的數(shù)據(jù)如下相平衡計(jì)算設(shè)為等溫閃劑中儲(chǔ)存可以大大提高NG的儲(chǔ)氣量充分考慮界蒸過(guò)程相平衡模型采用立方擾動(dòng)硬鏈方程甲烷分面?zhèn)鬟f現(xiàn)象即相間傳質(zhì)對(duì)近臨界流體溶劑溶解性子量為16戊烷分子量為72,溫度38℃,飽和壓力能的影響等等。因此NCF技術(shù)簡(jiǎn)易方便不需高15.306MPa液相密度0.9kg/L液相組成甲烷的資金投入也不需大型的站配合。同時(shí),NCF技術(shù)摩爾分?jǐn)?shù)為0.6793重量分?jǐn)?shù)為0.32汽相組成甲在存儲(chǔ)NG作為車用燃料方面也比其他幾種技術(shù)烷的摩爾分?jǐn)?shù)為0.9076重量分?jǐn)?shù)為0.6858則50如CNG、LNG、NGH技術(shù)有很大優(yōu)點(diǎn)故這是一項(xiàng)L容器中的裝液量為45kg其中甲烷量為14.4kg,值得深入研究和開發(fā)的課題我國(guó)應(yīng)積極開發(fā)基于甲烷汽化所帶的戊烷氣體量為14.4×(1該技術(shù)的工業(yè)化設(shè)備及成套工藝0.6858y0.6858=6.6kg50L容器中所放出的燃料氣體量為14.4+6.6=21kg4幾點(diǎn)建議由武漢化工學(xué)院鄺生魯教授等人提岀的溶解型天然氣SNG)將天然氣溶解在溶劑中可使儲(chǔ)氣壓(1)國(guó)家應(yīng)組織科技攻關(guān),加速開發(fā)ANG技力降到13MPa比能量提高一倍9術(shù)(2)國(guó)家應(yīng)加強(qiáng)在NCF技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論3發(fā)展趨勢(shì)研究包括NCF技術(shù)的儲(chǔ)氣方式、儲(chǔ)氣機(jī)理等等3.1吸附儲(chǔ)存天然氣技術(shù)(3)繼續(xù)跟蹤國(guó)外研究NGH技術(shù)的發(fā)展。ANG的最大優(yōu)點(diǎn)在于能降低汽車儲(chǔ)氣瓶壓力,參考文獻(xiàn):其儲(chǔ)氣壓力僅為3.5-6.0MPa大大低于CNG的儲(chǔ)氣壓力這對(duì)于降低鋼瓶材料等級(jí)、簡(jiǎn)化鋼瓶的制[1]唐曉東.天然氣汽車的儲(chǔ)氣技木[J]石油與天然氣化作工藝、減輕鋼瓶的重量以及降低加氣站的建站投工,997264)227-231資費(fèi)用和操作費(fèi)用無(wú)疑是極其有利的其不足之處[2]徐文淵液化石油氣LPG)壓縮天然氣CNG)液化在于需要高儲(chǔ)氣能力的天然氣專用吸附劑。國(guó)內(nèi)外天然氣LNG胙作汽車燃料的現(xiàn)狀和發(fā)J]石油與天的研究表明ANG儲(chǔ)氣技術(shù)替代CNG儲(chǔ)氣技術(shù)是然氣化工1995243):163-166完全可行的至少可作為另一頂先進(jìn)的儲(chǔ)氣技術(shù)得[31 Cardenas A r,1nSA, PilehvariAA,etaed Natural Gas(ANG)vehicles以發(fā)展。因此我們建議繼續(xù)開展該方向的深入研[C]. Texas A and M University-Kingsville, SPE究而且應(yīng)有人力、物力、財(cái)力的保障多單位進(jìn)行聯(lián)35581,1996合攻關(guān)。該項(xiàng)技術(shù)的小試已基本過(guò)關(guān),存在的主要[4]孫志高樊栓獅郭開華籌氣體水合物一儲(chǔ)運(yùn)天然氣問(wèn)題在于高密度吸附劑的制備和再生。由于中試階技術(shù)與發(fā)展J化工進(jìn)展2001(1)9-12段吸附劑成型壓力不夠,致使吸附劑的性能指標(biāo)尚[5]王利生王志東近臨界流體儲(chǔ)存車用天然氣J1石油未達(dá)實(shí)驗(yàn)室小試的水平(中試產(chǎn)品密度僅達(dá)實(shí)驗(yàn)室與天然氣化工199610-12樣品的62.7%),直接影響到行車試驗(yàn)的結(jié)果。因[6]唐曉東陳進(jìn)富用作天然吸附貯存的新型活性炭吸附此中試工藝的優(yōu)化研究和中試廠的建立是必要的劑的開發(fā)研究J]炭素A997(3)39-43.盡管ANG技術(shù)尚不如CNG技術(shù)成熟但它在作為[7張鏡澄超臨界流體萃取M]北京北學(xué)工業(yè)出版社2000汽車燃料、作為零散氣井天然氣的吸附回收、作為民用天然氣燃料的儲(chǔ)存、作為高效脫色劑和精脫硫劑[8]鄺生魯肖穩(wěn)發(fā)陳芬兒.應(yīng)大力發(fā)展天然氣利用技術(shù)