一种中低压吸附天然气用钢瓶的制造方法及天然气充装和使用方法 【技术领域】
本发明涉及到中低压吸附式储存天然气用钢瓶以及向该钢瓶内充装天然气的方法和使用钢瓶内天然气的方法。
背景技术
天然气作为一种清洁能源，燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值高、洁净等优点。天然气来源广泛，已被广泛应用于发电、化工原料、民用及商业燃气、车用能源等领域。然而，由于在标准温度和压力下的超临界特性，天然气此时具有非常低的密度，这就使得天然气相比常规的液态燃料拥有很低的体积能量密度。因此需要采取一定的技术措施来达到正常大量使用天然气的目的。国家“十五”计划中明确提出了扩大天然气的使用力度，但其利用速度和发展规模都将受制于产地与市场间的天然气储运环节。目前，天然气的储存和运输方式可分为：压缩天然气(CNG)、管输天然气(PNG)、液化天然气(LNG)、吸附天然气(ANG)和水合天然气(NGH)。目前在全球范围内，管输天然气是天然气运输的最主要方式，适用于长距离运输。压缩天然气的储存压力高达20Mpa，可应用于CNG汽车、小区供气及城市天然气管网调峰等方面。我国CNG技术已发展20多年，形成了成熟的产业发展模式，随着燃料油价格的上涨，其优势会与日俱增。但CNG技术存在多级压缩的高功耗、高压充装设备的投资大、高压气瓶的质量重、成本高及安全性能有待进一步完善等问题。LNG是将天然气在低于其沸点(-161℃)的温度下将天然气液化进行低温储存的技术，其对于储存容器的设计和补给过程要求非常高，仅适用于部分车用运输行业。NGH作为一种新的天然气安全储运技术逐渐得到关注，但其对储运条件要求很高，其由水合物状态释放天然气的工业应用开发仍在试验阶段。相比而言，在较低压力状态下通过物理吸附作用获得较高储存能量密度的ANG技术在吸附与制造技术、安全性能方面都有着CNG所无法比拟的优势，作为一种灵活适应和开发下游市场、降低单一储运方式的呆滞性和风险性、丰富天然气产业链方面都表现出其巨大的发展潜能。
吸附储存天然气(ANG)技术是在容器中装入高比表面积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、中压(6.0MPa)下将天然气吸附储存的技术。ANG的最大优点在于较低压力下即2.5～6.0MPa，仅为CNG的1/4～1/5，即可获得接近于高压下CNG的储存能量密度。当容器中压力低于外界时，气体被吸附在吸附剂固体微孔的表面，得以储存；当外界的压力低于容器中压力时，气体从吸附剂固体表面脱附而出供应外界。这种吸附现象属于物理吸附。
美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国早在上世纪七八十年代便开展了该技术的研究，国内致力于该技术的开发历史相对滞后。吸附储运技术主要包括吸附剂的制备及其相关技术研究，其中吸附剂的制备主要包含两个技术要素：粉体吸附剂的制备和成型技术；相关技术主要包括吸附剂使用寿命及其影响因素、吸附容器的开发等。相比较而言，吸附剂的制备与成型技术以及相关使用性能研究已相对成熟，但对于吸附容器的开发，随着近几年工业应用需求的增加，才逐渐开展起来。ANG的储存压力比CNG低，其容器的设计压力也较低，质量较轻。在国内CNG容器有统一标准，已实现批量生产和大规模应用，但吸附容器仍处于研究阶段。吸附容器有其自身特点，即要充分考虑吸附热效应和吸附剂的再生。对于吸附剂再生问题，主要考虑其再生技术要求，一般是在真空下把容器温度升高150℃左右即可。对于吸附热效应问题，应从以下两个方面考虑：①在车用燃料的储存方面，可充分利用ANG储气压力低的特点，开发出既利于合理利用汽车有效空间也利于散热的薄壁异型容器，但受到材料和加工水平的限制，目前国内尚无开发此类容器的能力；②在规模储运或燃气调峰方面，可在既有的CNG容器设计基础上，在其内部安装适宜的调温盘管即可满足ANG的要求。因此，在CNG容器设计制造技术的基础上进行ANG容器地制造是一条较为合理的发展思路。目前，国外发达国家由于容器制造水平较高，ANG容器仍在市场占有较大份额；而仅将吸附技术用于发展轻质、异形车载ANG容器；目前尚没有关于吸附式天然气钢瓶制造方法的相关报道。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种中低压吸附式天然气用钢瓶的制造方法。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种使用中低压吸附式天然气钢瓶充装天然气的方法。
本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种中低压吸附式天然气钢瓶内天然气的使用方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该中低压吸附式天然气用钢瓶的制造方法，其特征在于包括下述步骤：
①按国标GB 5100焊接钢瓶的壳体，并且该壳体的公称容积不大于75L；
②在振动频率为80-200赫兹的状态下将比表面积为1500m2～3000m2颗粒状多孔炭质吸附剂充入所述的壳体内，吸附剂的填充密度为0.2～0.3Kg/L；
③在所述壳体的入口处安装防止充、放气过程中吸附剂被天然气带出壳体的过滤装置，然后拧入阀门；
④按国标GB/T19206-2003加入加臭剂，然后拧紧阀门，即制得能用于中低压吸附式天然气用钢瓶。
所述的过滤装置为筛网，其孔径不大于15μm。
所述加臭剂的浓度大于等于4g/L。
一种中低压吸附式天然气钢瓶的充装方法，其特征在于包括下述步骤：
①打开阀门，在基准温度0-40℃时，在公称工作压力下以0.5～2.0m3/h的充装速率将天然气匀速充入所述的钢瓶内；其中所述的公称工作压力为2.5～4.0Mpa；
②关闭阀门，将充装了天然气的钢瓶静置8～12小时，即得到充装了天然气的钢瓶。
其特征在于充装过程中可在钢瓶外采用冷水或冰水喷淋的方法来维持所述的基准温度。
其特征在于所述的天然气中甲烷浓度大于等于86％，多碳组分的浓度小于5％。
其特征在于所述壳体在重复充装天然气时，钢瓶内的残余压力应小于等于0.05MPa，重复充装压力为所述公称工作压力的0.05～0.15倍。
所述充装了天然气的钢瓶在以大于等于2.0m3/h、且小于10m3/h的速率连续放气时，需在0～40℃的温度条件下进行。
所述充装了天然气的钢瓶在15-25℃的环境温度范围内，其一次连续放气量大于等于所述钢瓶内天然气充装量的60％。
其特征在于大流量连续使用天然气时可采用多个钢瓶并联使用。
本发明涉及到的吸附瓶与常规的天然气储存钢瓶相比，具有其安全性能高、移动可靠性好、储气能力强、充装重复性好、充装工艺简单、生产成本低等优点，填补了目前中低压移动式天然气储存技术的空白。
【附图说明】
图1本发明实施例局部剖视结构的平面示意图。
图2为本发明实施例涉及的天然气充装流程示意图。
【具体实施方式】
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1-实施例5
如图1所示为钢瓶的剖视结构图，依据国家标准GB 5100《钢制焊接气瓶》由专业生产厂家焊接制造壳体1，该壳体在20℃时的最大限定压力为4.0MPa，水压试验压力为7.5MPa(表压)，公称容积不大于75L。
将天然气炭质吸附填料11，在振动频率为80-200赫兹的状态下一起加入到壳体内；吸附填料11的比表面积为1500～3000m2、颗粒大小为0.1～2mm，自由堆积密度为100～400Kg/m3。
吸附填料充装完毕后，在瓶体的入口处安装上用孔径小于等于15μm筛网做成的过滤装置2，然后将阀门3拧入，该钢瓶即制造完成。
通过阀门3向瓶体内注入加臭剂，该加臭剂应符合GB/T 19206-2003《天然气用有机硫化合物加臭剂的要求和测试方法》的要求，且钢瓶内加臭剂的浓度为4-10g/L。
如图2所示为向钢瓶内充装天然气的流程示意图，采用增压机4可将较低压力的天然气增压到吸附瓶的充装压力2.5～4.0MPa，在15-25℃下通过截止阀5、充装管路6和流量计7进入充装用汇流排8，通过流量计7可对天然气的充装速率进行控制；实施例1至实施例5的充装速率为0.5～2.0m3/h；采用压力表9可读取钢瓶的实时充装压力；采用安全阀10作为泄放装置，在充装压力高于钢瓶的最大充装压力时打开，可有效保护充装安全。
由于充装过程中会产生吸附热，因此需要控制充装的温度，温度控制方法可选用冷水或冰水喷淋钢瓶外壁的外部排热法。所充装的天然气化学组分要求符合GB17820-1999的要求，本实施例中甲烷浓度大于86％，其多碳组分浓度小于5％。充装完毕后瓶体静置8～12小时。
充装完成后的吸附瓶，需要使用时，打开阀门，在压力作用下天然气即会在吸附填料上脱附、释放。
当钢瓶在以大于等于2.0m3/h、且小于10m3/h的速率连续大流量放气时，可采用多个钢瓶并联、在15℃～30℃的温度条件下进行，并且其一次连续放气量大于等于所述钢瓶内天然气充装量的60％。
实施例1至实施例5的具体的制造参数和充装参数如表1所示。
表1
实 施 例 编 号 容积 (L) 空瓶 重 (Kg) 震动 频率 (赫 兹) 填料 堆积 密度 (Kg/ m3) 填料 比表 面积 (m2/g ) 填料 重量 (Kg) 加臭 剂 重量 (Kg) 充装 温度 (℃) 充装 压力 (Mpa) 充装 时间 (小 时) 充装 量 (Kg) 静置 时间 (小 时) 1 74 36.5 85 250 1650 21.96 0.3 25 2.5 1 3.2 12 2 40.3 25.3 100 320 1500 13.3 0.15 25 4.0 2 2.5 8 3 8.0 11.1 95 320 1900 4.2 0.03 22 3.8 0.5 0.8 8 4 52.6 38.7 100 270 2100 15.5 0.2 19 4.0 2.5 2.52 12 5 42.8 26.8 90 270 2450 12.5 0.18 20 4.0 2.5 2.03 8
上述充装了天然气的钢瓶的一次释放量如表2所示
表2
放气速率 (m3/h) 放气温度(℃) 一次释放量 (Kg) 占钢瓶内天然 气总量的比例 (％) 实施例1 4.2 21 2.7 84 实施例1和实 施例2并联 5.9 24 4.44 78 实施例3 4.1 22 0.6 75 实施例4 3.8 15 1.98 78 实施例5 4.0 20 1.6 80