移动组合式吸附天然气装置的研发

宁 晔， 郭淑婷， 叶 凯， 蔡希立， 刘 鹏， 黄维秋

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 常州分院，江苏 常州 213016；2. 常州大学 油气储运技术省重点实验室，江苏 常州 213016)

移动组合式吸附天然气装置的研发

宁 晔1， 郭淑婷2， 叶 凯1， 蔡希立1， 刘 鹏2， 黄维秋2

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 常州分院，江苏 常州 213016；2. 常州大学 油气储运技术省重点实验室，江苏 常州 213016)

天然气田、加气站经常有天然气排放到大气中，不仅带来了严重的安全隐患和潜在的环境问题，还会带来资源浪费和经济损失。目前，天然气回收技术尚未普及，已有的回收技术普遍存在压力过高、能耗过高、对设备条件要求过高等不足，在使用中还不具备便携、可拆等问题。因此，开发出一种移动组合式吸附天然气回收装置。该装置由气化器撬块、缓冲瓶撬块、真空泵撬块、压缩机撬块和ANG气瓶撬块5个撬块构成，并对每个撬块进行设计及选型、装置性能评估及现场应用案例介绍。该装置可将油气田或天然气瓶或LNG瓶排放出来的天然气收集到气化器、缓冲罐内，再利用压缩机将该天然气压缩至ANG瓶内储存，以实现在中压(～4 MPa)下高效吸附回收天然气，充气比达80以上。现场应用表明连接本装置后其碳排放量降低97%以上。该装置具有高效、安全、可拆、便携、移动、监控、变频、触摸屏控制等优点。

ANG瓶； 天然气； 吸附； 回收装置

Development of Mobile Combined Adsorption Natural Gas Equipment

Ning Ye1， Guo Shuting2， Ye Kai1， Cai Xili1， Liu Peng2， Huang Weiqiu2

天然气田、天然气加气站经常有天然气排放到环境中。甲烷为京都议定书中需要控制的6种温室气体之次位温室气体(首位为二氧化碳)，越来越受到人们的关注，其对环境影响值得重视[1-2]。天然气的随意排放，不仅带来了严重的安全隐患和潜在的环境问题，还会带来资源浪费和经济损失。随着我国更严格的新的《环境保护法》、《大气污染防治法》陆续实施，有必要对加气站和气田的甲烷排放气进行回收处理[3-6]。

目前，天然气储存(回收)可通过压缩天然气(CNG)、冷凝天然气(LNG)、吸附天然气(ANG)等方式来实现。其中天然气吸附回收是一种先进的回收方法[7-8]。吸附天然气技术是在储罐中装入天然气专用吸附剂，充分利用其巨大的内表面积和丰富的微孔结构，以达到在常温、中低压力下使ANG具有与CNG接近的储存容量，实现高密度吸附储存的技术。影响天然气吸附效果的因素主要包括：(1) 吸附剂性能；(2) 吸附装置的结构；(3) 解吸再生工艺[9-13]。沈永年等[14]提出一种移动式天然气回收车(包括机动车和储罐)和移动式天然气回收装置及其使用方法。王全国等[15]提出了一种压缩天然气加气站天然气回收利用方法，可用于压缩天然气加气站。但上述几种方法普遍存在压力过高或对设备条件要求过高等不足，在使用中存在安全问题并且不具备便携、可拆等问题。因此，提出一种移动组合式ANG瓶吸附天然气回收装置[16]，本装置由5个撬块构成，具有高效、安全、便携、移动、可拆、监控、变频、触摸屏控制等优点。

1 装置设计

1.1 技术路线及工艺

本装置由真空系统及压缩吸附回收系统组成，包括吸附式天然气瓶、缓冲瓶、防爆式真空泵、天然气压缩机、气化器、过滤器、控制显示装置、阀门、压力表、压力传感器、温度传感器、氧气检测仪等。

吸附式天然气回收装置的工艺流程如图1所示，整个回收系统主要是由真空解吸部分及压缩充气部分组成。在实验开始前利用真空泵将整个装置进行抽真空处理，以抽出系统在前期拆卸过程中可能进入系统的空气。天然气田、天然气加气站排放的天然气通过气化器将其气化，将气化后的天然气充入缓冲瓶内，再将缓冲瓶内的天然气压缩至ANG气瓶内，并以中压储存。ANG气瓶充满后可更换ANG气瓶，充满后的ANG气瓶可以作为能源正常使用。装置设计为全自动一键操作，人机界面(触摸屏)工艺流程界面如图2所示。

图1 ANG回收装置的工艺流程

Fig.1 Flow illustration of ANG recovery equipment

图2 装置的工艺流程界面

Fig.2 Process flow diagram of ANG recovery equipment

1.2 主要设备设计及选型

本装置设计由5个撬块构成，分别为气化器撬块、缓冲瓶撬块、真空泵撬块、压缩机撬块、ANG气瓶撬块，其中前面4个撬块之间通过螺栓连接，ANG气瓶撬块为独立的撬块。

装置主要由5个吸附式天然气瓶、1个缓冲瓶、1台防爆式真空泵、1台天然气压缩机、1台气化器、1台过滤器、控制显示装置、阀门、压力表、压力传感器、温度传感器、氧气检测仪等组成。装置的主要设备设计及选型见表1。

表1 装置的主要设备

续表1

1.2.1 ANG气瓶的选用 ANG气瓶与压缩天然气CNG、冷凝天然气LNG相比成本更低；储气罐材质轻，易于搬动，方便使用，瓶内吸附剂可连续储存且施放天然气无需再次充填，吸附剂施放寿命达10年以上；气瓶可任意摆放位置使用，立、侧面等。ANG气瓶内填充吸附剂，在储罐内装入高比表面的天然气专用吸附剂，利用其巨大的内表面积和丰富的微孔结构，在常温、低压(4.0 MPa)下将天然气吸附储存。本装置选用容积为50 L，压力为4 MPa的ANG气瓶。

1.2.2 真空泵的选用 常规真空泵在使用过程中可能产生危险火花或静电，引发事故。因此，出于安全考虑，本装置选择型号为DPH-020的防爆式真空泵，主要用于对系统缓冲罐、ANG气瓶和管线的抽真空及应急降低系统氧气浓度。

1.2.3 天然气压缩机的选用 基于经济、安全、环保的角度，本装置选用5 m3/h的变频式天然气压缩机，由缓冲罐内压力大小变频控制天然气压缩机，天然气压缩机出口压力不高于4 MPa。

1.3 安全保护自控设计

本装置多重考虑设备运行的安全性，如设有安全阀，用于安全保护，防止系统内部压力过大引发危险；设有接地线，可以及时地将因各种原因产生的静电或者漏电电流导出；设有稳压阀，防止气化器内气体压力过高；使用石墨烯软体密封胶对特制快速电缆插座进行密封，石墨烯软体密封胶具有低密度、高比面积、密闭性好、导热性能好、易拆卸等优点，以保证设备、控制柜的电气安全。设置可燃气体浓度报警仪、氧气浓度检测仪、压力检测仪、温度检测仪，实现现场的数据采集及运行、安全的及时监控。

2 吸附实验测试

2.1 ANG瓶吸附过程中吸附量的变化

2号瓶及3号瓶已提前吸附饱和，将2号瓶及3号瓶做放气处理，后又进行抽真空处理。2号瓶及3号瓶放气量变化如表2所示。

在2号瓶及3号瓶吸附前，对ANG瓶不做抽真空处理。2号瓶及3号瓶吸附量变化如表3所示。

表2 2、3号ANG瓶放气量变化

表3 2、3号ANG瓶吸附前后质量变化

由表2、表3可知，对ANG瓶做抽真空处理后，吸附量会有所增加。

2.2 ANG瓶吸附过程中温度的变化

2号、3号瓶充气过程中，ANG瓶壁温有明显变化。图3、图4分别为2号瓶、3号瓶温度变化曲线。

图3 2号瓶温度变化曲线

Fig.3 No.2 ANG cylinders temperature change curve

图4 3号瓶温度变化曲线

Fig.4 No.3 ANG cylinder temperature change curve

由图3、图4可以看出，2号气瓶最大温差为13.6 ℃，3号气瓶的最大温差为11.4 ℃。这里仅仅测出瓶表面温度，吸附剂内部温度会更高。吸附热也间接反映了吸附效果。

对1号气瓶抽真空，然后将1号瓶放置于电子秤上，进气压力调小并缓慢进气，测得1号瓶第一次吸附量为1.92 kg。对1号瓶进行水淋降温(因时间关系只水淋20 min)，降温后进行第二次吸附实验，可以继续吸附0.1 kg的天然气。测量数据如表4所示。

表4 1号气瓶吸附前后质量变化

由表4可知，若吸附过程中对ANG气瓶做冷却处理并且控制充气速度，则吸附效果会更好。

2.3 ANG瓶充气压力的变化

因气瓶内ANG温度更高(瓶内温度可达70～80 ℃)，致使吸附量会减小，所以将2号、3号气瓶静置4 h，在自然状态下冷却的同时也增加了吸附的时间，在静置后进一步实验测得静置后的2号气瓶可以继续吸附0.42 kg，3号气瓶可以继续吸附0.38 kg，测量数据见表5。

将压缩机的停机压力调至4.5 MPa，ANG瓶充气压力可以达到4.1～4.2 MPa。将ANG瓶静置冷却后，吸附剂对天然气进一步吸附，瓶内压力会回降至3.6～3.7 MPa。进一步说明吸附还在起作用。第二天瓶内压力值大约降低0.5 MPa，这样算起来，可以充气到4 m3以上(20 ℃天然气密度为0.668 kg/m3)，充气比达80以上，而同等压力下CNG工艺的充气比为40。

表5 2、3号气瓶静置后吸附前后质量变化

3 工业应用

华东某联合加油加气站，一个450 L的LNG气瓶，在加气、冷损失检验中，工作一天后测量其天然气排放量约为2.2 kg，整个站天然气平均排放量约11.0 kg，年排放量约为3.3 t。据测算，连接本装置后，一个LNG瓶一天的排放量约为0.066 kg，其碳排放量降低97%以上，测算出整个站每年可降低3.2 t天然气排放量，由此可见，该加油加气站投用本装置后，可基本杜绝甲烷现场排放，大大降低碳排放量，符合国家环境保护的相关法律法规，还提高了企业的安全系数，综合效益明显。

4 结论

(1) 开发出一种移动组合式ANG瓶吸附天然气回收装置，本装置由5个撬块构成，分别为气化器撬块、缓冲瓶撬块、真空泵撬块、压缩机撬块、ANG气瓶撬块。本装置具有真空系统和压缩吸附回收系统，能够满足生产需要。

(2) 本装置可在中压(～4 MPa)下高效吸附天然气，充气比达80以上，优于同等压力下CNG工艺的充气比。当降低充气速度，充气过程同时对ANG瓶降温(淋水)，可提高充气量。

(3) 本装置工艺简单，技术先进，操作方便，自动化程度高，系统投资以及运行费用低。本装置具有高效、安全、便携、移动、可拆、监控、变频、触摸屏控制等优点，具有较好的社会效益、环境效益和经济效益。本装置设计为移动组合式成套装置，能广泛应用于各种天然气回收场合。

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(编辑 王亚新)

(1.BranchofChangzhou,JiangsuProvinceSpecialEquipmentSafetySupervisionInstructionInstitute,

ChangzhouJiangsu213016,China;2.JiangsuProvincialKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationTechnology,

ChangzhouUniversity,ChangzhouJiangsu213016,China)

There are many chances for natural gas to emit from gas fields or natural gas stations into the air, and the discharged gas not only leads to serious safety hazard and potential environmental issue, but also brings about unregenerate energy resource waste and economic losses. Natural gas recovery technology has not yet been popular for industrial applications, because there are generally some disadvantages for the existing recovery technologies, such as high pressure, high energy consumption, high requirements of equipment condition, non-portable and non-detachable in use. Therefore, a mobile combined adsorption natural gas (ANG) recovery equipment was developed, which was composed of five skids for portability, including gasifier skid, buffer bottle skid, vacuum pump skid, compressor skid and ANG cylinder skid. Then, the design and selection of devices for each skid were conducted, the equipment performance was evaluated, and the field application case was introduced. The equipment can collect the natural gas discharged from the gas fields or the natural gas cylinders or the LNG cylinders into the gasifier and the buffer tank, and then compress and store the natural gas into the ANG cylinder by the compressor, to realize to adsorb and recover the natural gas high efficiently in a medium pressure (～4 MPa) and with a volumetric ratio of the filled gas to ANG cylinder of more than 80. Meanwhile, the field application of the equipment showed that the carbon emissions in the field would be reduced by more than 97%. The equipment has advantages of high efficiency, safety, detachable, portable and mobile, auto-control and touch screen control.

ANG cylinder; Natural gas; Adsorption; Recovery equipment

2017-02-04

2017-03-14

江苏省高校“青蓝工程”资助项目(SCZ1409700002)；江苏省科技成果转化专项资金(BA2015166)；常州市科技支撑计划(工业)(CE20150085)。

宁晔(1967-)，男，高级工程师, 从事油气回收基础理论及其应用等方面研究；E-mail:ningye666@163.com。

黄维秋(1965-)，男，博士，教授，从事油气回收基础理论及其应用等方面研究；E-mail: hwq213@cczu.edu.cn。

1006-396X(2017)02-0077-05

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE81； X74

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.02.014