天然气吸附存储的研究进展

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1、天然气吸附存储的研究进展傅国旗周理周亚平王瑜提要阐述了吸附天然气(ANG)存储的原理，着重介绍YANG存储中几个关键问题的研究进展。关键词天然气，吸附存储，活性炭，天然气汽车中图法分类号：TQ517.1犬然气蕴藏丰富，价格便宜，燃烧时排放物对人气的污染轻，因此随着能源危机的加剧及环保意识的增强，其作为燃料，尤其是汽车代用燃料正FI益受到重视。以现在的消耗速度计算，全球天然气的储量至少还可使用60年，而石油则约在30年左右消耗殆尽⑴oH前全球已有超过100万辆的天燃气汽车(NGV),且其数量仍在迅速增加。以天

2、然气作为汽车燃料有显著的优点：仃)NGV比汽汕汽车的C0排放量少99%,NOx排放量少30%,碳氢化合物排放量少96%,并且几乎不排放固体微粒；⑵天然气的辛烷值比汽油高；(3)天然气发动机的各种操作性能，如冷启动、耐磨损、易维护等都优于汽油发动机。事实上，天然气作为汽车燃料，除了车载存储问题外，其他各方面都优于汽油、柴油以及诸如甲醇Z类的代用燃料⑵。与液体燃料相比，天然气的主耍不足是体积能量密度低，正是这点限制了NGV的人规模使用。20MPa的压缩天然气(CNG)的能量密度约为汽油能量密度的30%o因此，天

3、然气主要作为车队和公交运输车的燃料，因为这些车辆的行程有限且线路固定，便于燃料的充装。日前的NGV主要以20MPa以上压力的CNG为燃料。然而CNG的缺点是：(1)多级压缩的功耗高；(2)高压充装设备的投资大；(3)高压气瓶的重量重、成本高且隐藏着不安全因素⑵。如在CNG气瓶中加入特殊吸附剂，使较低压力卜-的天然气存储密度与高压CNG相当，这样就町克服CNG的不足，这就是ANG存储。A7G存储技术可望使天然气成为普遍接受的汽车代用燃料，而且述有更广泛的应用。国外对ANG存储已进行了10多年的研究，积累了丰富

4、的资料，而国内的研究报道则很少。1ANG存储⑺门天然气的主耍成分是甲烷，一般甲烷的体积分数大于90%。甲烷的临界温度低(-82・6°C),常温下不能液化，因此要釆用高压以增加其气相密度,即CNG。由于甲烷在吸附剂上的吸附相密度耍比其气相密度高儿个数量级，所以在存储容器中加入吸附剂时，尽管由于吸附剂的固体骨架的存在而会失去部分存储空间，但总的效果仍是显著地提高了天然气存储密度。与吸附分离不同，ANG存储是利用吸附剂表面吸附相的高密度，而吸附分离是利用吸附剂表面的吸附选择性。甲烷是球形的非极性分子，无偶极矩及四

5、偶极矩，与吸附剂之间的vanderWaals力只有London色散力，因而吸附剂表面的极性对吸附过程彩响很小，其吸附量主要取决于吸附剂的微孔体积和比表面积。虽然有用分子筛作吸附介质的研究，但已制得的高比表面的活性炭更有潜力。H前的研究主耍集中于利用高比表面活性炭作吸附剂。ANG吸附剂的性能通常以一定条件下的吸附容量和释放容量表示，即25°C、3.5MPa条件下，单位体积的吸附剂所能存储或释放的标准状态下甲烷的体枳(Vo/V)0在天然气领域，标准状态通常是指0.1MPa.15°Co释放压力一般指0.1MPao

6、存储容量和释放容量包含了吸附和及死空间屮气相的贡献。ANG存储的根本优越性在于较低的压力条件下达到髙压CNG的存储能力。常温下某吸附剂的储气能力随压力的变化如图1所示。在压力较低时，天然气的存储容量随压力升高而快速增加，在压力增至3〜4MPa时增长速率放慢，储气能力随压力的变化变得比较平坦。此后，进一步升高压力时，由丁•吸附已接近饱和，存储容量增加缓慢。图1同时给出了CNG的储气能力随压力的变化，因此我们可以对ANG的存储能力与CNG系统进行比较。显然低压下ANG存储容量大大高于CNG。对于ANG存储，3.

7、5MPa以下存储了大部分气体,因此3.5MPa确定了实际操作压力，在此压力下，ANG的存储容量与13〜15MPa下的CNG相当。关于ANG存储的研究必须考虑以下几个问题⑺4]:(1)开发高比体积存储容量的吸附剂，而非高比重量存储容量的吸附剂，因实际应用中，物理空间总是有限的，尤其是NGV更是如此；(2)吸附热效应对存储系统的影响；(3)实际天然气组成中还含少量的CO?、H20.硫化物以及高碳碳氢化合物，这些杂质会影响活性炭的吸附性能；(4)实际存储系统压力降到0.1MPa时，系统中存留的气体只有在加热或抽真

8、空的条件下才能释放。图1吸附储气原理Bicderman等㈤对ANG用于汽车燃料进行了可行性论证，认为实际ANG系统的动态存储容量的突破点对于轻型汽车为70(Vo/V),重型汽车为120(W/V)。ANG的商用冃标是禅放容量达15O(Vo/V)⑹。冃前ANG存储的研究主耍是针对NGV,即取代CNG。ANG技术还可应用于天然气的大规模运输，天然气工业生产中的存储，小规模瓶装天然气以取代乙焕等瓶装燃料气体等。2ANG存