车用天然气储气技术

第25卷第6期西南石油学院学报2003年12月Journal of Southwest Petroleum InstituteDec 2003文章编号:1000-2634200306-0096-03车用天然气储气技术王正茂梁政杨志钟功祥舒运德(西南石油学院石油工程学院四川南充637001)摘要:天然气用作汽车的代用燃料具有储量丰富、价格便宜滓烷值髙、燃烧充分低硫、低氮、无灰、环境污染少等优点。但是目前的压缩天然气储气技术存在储气压力高、储气量小、续驶里程短等缺点严重制约着天然气汽车应用领域的扩展。对5种车用天然气储气技术进行了分析讨论后指出了吸附储存和近临界流体储存天然气技术在天然气汽车领域将有着广阔的应用前景。关键词:压缩天然气浦存天然气汽车中图分类号:TE821文献标识码:A随着世界人口和汽车数量的迅猛增长,全球石于储气量受温度影响较为严重因而充气速度受到油资源日益紧缺油料供需矛盾更加突岀汽车尾气限制。(2)CNG汽车续驶里程短主要用于城市及污染已经对人类生存环境和经济发展造成了严重破市郊公共汽车和岀租车而对于长途客车及载重货坏。因此世界各国都在积极开发新能源寻找汽车车等皆因行驶距离远、CNG加气站有限、充装时间的代用燃料。天然气NG用做汽车的代用燃料具长等原因仍采用汽、柴油燃料。对于各类固定式及有储量丰富、价格便宜庠烷值髙、燃烧充分忯硫、移动式大型工程动力杋械则主要以柴油为燃料这低氮、无灰环境污染少等优点。预计在本世纪以天些杋械尽管多用在非城市地区但燃料耗用量及污然气为动力的汽车必将飞速发展而天然气汽车染都极大。(3)压缩天然气汽车(CNGV)的启动性N(Ⅳ肢术的发展在很大程度上依赖于车用天然能和动力性能较差等。气储气技术的发展因此开发高效的车用天然气储研究车用天然气储气技术解决CNGV所面临气技术就显得十分重要。的主要问题使天然气汽车的储气量增加安全性更好续驶里程更长是有必要的。1研究的意义开发应用现状天然气的主要成分是甲烷在常温常压下甲烷是一种物理和化学性能都非常稳定的小分子,密度目前车用天然气储气技术主要分为压缩储存小不易压缩、液化,几乎不与任何溶剂互溶等等。(CNG液化储有(LNG)吸附储存(ANG)天然气因此如何经济高效的储存天然气一直是一个十分水合物储存(NGH)和近临界流体储存(NCF)五大棘手的问题到目前为止仍然没有一种比较行之有类见表1。效的储气手段。而天然气汽车的发展在很大程度上2.1压缩天然气储存技术依赖于天然气储存技术的发展,目前压缩天然气在储气技术中CNG储存技术比较成熟,现已(CNG潴储气技术仍然是天然气汽车的主要储气方经实现工业化广泛运用于天然气汽车。存在的不式但是却存在以下几方面的问题足是緒储气量小续驶里程短;气体燃料的能量密度1)储气压力高,CNG气瓶自重太大,储气量低启动性能和动力性能较差;需要高压压缩(20~小现有(NG加气站储气系统的压力多在25MPa,25MPa)这就需要用昂贵的多级压缩机要求使用而CNG汽车的充气压力多控制在20MPa以内。由的高压贮存容器为无缝容器壁厚体重制造工艺复第6期王正茂等:车用天然气储气技术杂在此高压下使用存在一定的危险性。因此CNG气体的组分较吸附前发生改变;商业用吸附剂的成储存技术只是一种暂时的而非高效的储气手段。型压力不够导致吸附剂性能下降等。但是ANG储表1车用天然气储气技术汇总气压力低、使用方便、安全储气瓶自重轻可降低投资和操作费用。因此ANG仍是一种很值得开发的利用技术压力/MPa温度/℃技术特点参考文献工业化储气技术其关键在于高性能吸附剂的开发与相应an常压工业化[2]的吸附剂裝填、再生等工艺及技术研究。3-5未工业化[3]NGH未工业化2.4天然气水合物储存技术未工业化[5]国外研究的另一种储存NG的方法是利用NG注:p。临界压力;T一临界温度与水可以形成结构为笼包形的水合物。例如在2.2液化天然气储存技术定温度和压力下H4分子可以与水分子结合形成LNG是在常压和-16℃情况下进行的一种储水合物其CH4分子与H2O分子在水合物中的质量存NG的方法。标准状态下NG液化后其体积缩小分数分别为15%和85%因此可以用水合物储存600倍能量储存密度很高。但是由于NG液化所NG挪威科技大学的 Gudmundsso7等人认为在0需要的温度很低,增加了生产、储存以及运输的成0℃压力在2~6MmPa范围内反应釜中的温度本因此就目前来看LNG储存技术在天然气汽车比相平衡温度低4℃左右时通过搅拌可生成水合领域的推广运用还存在资金和技术问题。物。为提高水合物的生产效率可通过加入晶种2.3天然气吸附储存技术化学促进剂和促进气体溶解等手段减少水合物的形ANG是指在室温3~4MPa的压力下利用专成时间。但是NGH技术用于天然气汽车却存在如用吸附剂来吸附储存NG。ANG技术的关键就是开下一些问题槠气量仍然偏小大量的水组分增加了发出对(H吸附量高的天然气专用吸附剂。近10汽车的有效载荷冰合物需在低温和一定的压力下年中美国、日本、加拿大、英国和中国等国家的企存储增加了天然气汽车的技术成本八NGH技术仍业、研究机构和大学均在加紧开发此项技术。目前然没有解决CNGV能量储存密度低的问题。使用较多的吸附剂为工业产品活性炭在室温和3.42.5近临界流体储存天然气技术MPa压力时对CH4的储存量只有20MPa时CNG近临界流体是指处于临界温度T。和临界压力储存量的一半6其能量储存密度仍然较低。同时,(φ刑近的流体。在这种状态下流体表现出若干ANG技术还有其它一些问题如吸附热对吸附量特殊性质。表2列出近临界流体的密度、扩散系数的影响吸附剂对气体吸附具有选择性导致吸附后和粘度与一般气体、液体的对比。。表2气体、液体和近临界流体的性质性质气体近临界流体液体(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扩散系数/cm2/s0.7×1030.2×10-3(0.2-3)×10-5注:数据只表示数量级关系从数据可知近临界流体的密度比气体大数百压力和温度的微小变化都可以引起流体密度很大的倍具体数值与液体相当。其粘度接近气体但比起变化并相应的表现为溶解度的变化。因此适当运液体来要小两个数量级。扩散系数介于气体和液用近临界流体储气技术利用近临界流体对气体良体之间。因而近临界流体既具有液体对溶质有比较好的溶解性能冋可以有效的进行传质控制气体的溶大溶解度的特点,又具有气体易于扩散和运动旳特解度方便快速地实现气体的溶解和分离过程。性传质速率大大高于液相过程。即近临界流体兼俄克拉荷马大学天然气利用技术研究所开发的西南石油学院学报2003年存技术在室温条件下形成压力为13.79MPa(表3.2近临界流体储存天然气技术压舶液体燃料该燃料具有等量汽油70%的能量。NCF技术的两个显著特点:一是回收油田伴生由北京理工大学王利生等人提出的以凝析油戊气一是用作机动车辆燃料。NCF技术采用临界流烷为溶剂储存天然气技术其储存条件为室温压力体的理论利用某些流体在临界点附近的溶解能力约15MPa左右50L容器中所释放的可燃性气体以数量级提高这一性质提高溶剂对NG溶解能力量21kg左右5。其液相组成、液相密度及汽相组采用溶解的方法在一定条件下将NG溶于某种溶成、可燃气体量的数据如下相平衡计算设为等温闪剂中储存可以大大提高NG的储气量充分考虑界蒸过程相平衡模型采用立方扰动硬链方程甲烷分面传递现象即相间传质对近临界流体溶剂溶解性子量为16戊烷分子量为72,温度38℃,饱和压力能的影响等等。因此NCF技术简易方便不需高15.306MPa液相密度0.9kg/L液相组成甲烷的资金投入也不需大型的站配合。同时,NCF技术摩尔分数为0.6793重量分数为0.32汽相组成甲在存储NG作为车用燃料方面也比其他几种技术烷的摩尔分数为0.9076重量分数为0.6858则50如CNG、LNG、NGH技术有很大优点故这是一项L容器中的装液量为45kg其中甲烷量为14.4kg,值得深入研究和开发的课题我国应积极开发基于甲烷汽化所带的戊烷气体量为14.4×(1该技术的工业化设备及成套工艺0.6858y0.6858=6.6kg50L容器中所放出的燃料气体量为14.4+6.6=21kg4几点建议由武汉化工学院邝生鲁教授等人提岀的溶解型天然气SNG)将天然气溶解在溶剂中可使储气压(1)国家应组织科技攻关,加速开发ANG技力降到13MPa比能量提高一倍9术(2)国家应加强在NCF技术领域的基础理论3发展趋势研究包括NCF技术的储气方式、储气机理等等3.1吸附储存天然气技术(3)继续跟踪国外研究NGH技术的发展。ANG的最大优点在于能降低汽车储气瓶压力,参考文献:其储气压力仅为3.5-6.0MPa大大低于CNG的储气压力这对于降低钢瓶材料等级、简化钢瓶的制[1]唐晓东.天然气汽车的储气技木[J]石油与天然气化作工艺、减轻钢瓶的重量以及降低加气站的建站投工,997264)227-231资费用和操作费用无疑是极其有利的其不足之处[2]徐文渊液化石油气LPG)压缩天然气CNG)液化在于需要高储气能力的天然气专用吸附剂。国内外天然气LNG胙作汽车燃料的现状和发J]石油与天的研究表明ANG储气技术替代CNG储气技术是然气化工1995243):163-166完全可行的至少可作为另一顶先进的储气技术得[31 Cardenas A r,1nSA, PilehvariAA,etaed Natural Gas(ANG)vehicles以发展。因此我们建议继续开展该方向的深入研[C]. Texas A and M University-Kingsville, SPE究而且应有人力、物力、财力的保障多单位进行联35581,1996合攻关。该项技术的小试已基本过关,存在的主要[4]孙志高樊栓狮郭开华籌气体水合物一储运天然气问题在于高密度吸附剂的制备和再生。由于中试阶技术与发展J化工进展2001(1)9-12段吸附剂成型压力不够,致使吸附剂的性能指标尚[5]王利生王志东近临界流体储存车用天然气J1石油未达实验室小试的水平(中试产品密度仅达实验室与天然气化工199610-12样品的62.7%),直接影响到行车试验的结果。因[6]唐晓东陈进富用作天然吸附贮存的新型活性炭吸附此中试工艺的优化研究和中试厂的建立是必要的剂的开发研究J]炭素A997(3)39-43.尽管ANG技术尚不如CNG技术成熟但它在作为[7张镜澄超临界流体萃取M]北京北学工业出版社2000汽车燃料、作为零散气井天然气的吸附回收、作为民用天然气燃料的储存、作为高效脱色剂和精脱硫剂[8]邝生鲁肖稳发陈芬儿.应大力发展天然气利用技术