專利名稱：用于存儲天然氣的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于存儲天然氣的方法和系統。
背景技術：
天然氣(NG)被認為是諸如運輸技術中可替代燃料。其提供更好的燃燒并使廢氣污染最小化。此外，其低價和豐富的可用性使得其作為車輛燃料更具吸引力。NG包括超過80%的甲烷氣體，甲烷氣體具有比其他碳氫燃料(例如，丁烷、柴油燃料、汽油等)更高的每單位質量熱值(50. lMJ/kg，LHV)。近年來，出于能量存儲和運輸的目的，已經提出用吸附天然氣存儲系統作為壓縮天然氣的替代。在吸附性存儲系統中，天然氣分子被捕獲于固體吸附劑的微小孔中；被吸附·分子在固體吸附劑表面上比在體相上更穩定。因此，天然氣的吸附性存儲被預期比“純”壓縮存儲更有效。例如在第20020023539號專利中已經提出了一種用于吸附和存儲機動車輛中的氣態碳氫燃料的系統。該系統實現了燃料以高碳數組分和低碳數組分的分離，這增加了系統的復雜性。此外，低碳數組分被加壓至約20MPa (約200巴)以用于存儲，這仍需要大量壓縮開銷，其增加了存儲的成本。因此，需要提供尋求解決以上問題中的至少一個問題的用于將NG存儲到吸附劑存儲裝置中的方法和系統。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種用于將NG存儲到吸附劑存儲裝置中的方法，該方法包括以下步驟將液相的NG提供至第一熱交換器；利用第一熱交換器使NG氣化；以及將氣相的NG饋送到吸附劑存儲裝置中。利用所述第一熱交換器使NG氣化的步驟可包括冷卻用于熱交換的液體以使NG氣化。該方法還可包括利用被冷卻的液體以進行進一步處理。可利用第一熱交換器使NG氣化，以使得氣相的NG在低溫溫度下被饋送到吸附劑存儲裝置中以用于冷卻吸附劑存儲裝置的吸附劑材料。該方法還可包括對用于饋送到吸附劑存儲裝置中的氣相的NG的壓力進行調節。NG可在接近大氣壓力的壓力下被饋送到吸附劑存儲裝置中。將氣態的NG饋送到吸附劑存儲裝置中的步驟可包括冷卻吸附劑存儲裝置的吸附劑材料。冷卻吸附劑存儲裝置的吸附劑材料可利用第二熱交換器進行。第二熱交換器可被并入吸附劑存儲裝置中。該方法還可包括利用壓力擺動方法將NG從吸附劑存儲裝置排出。將NG從吸附劑存儲裝置排出的步驟還可包括加熱吸附劑存儲裝置的吸附劑材料。加熱吸附劑存儲裝置的吸附劑材料可利用第二熱交換器進行。根據本發明的第二方面提供了一種用于存儲NG的系統，所述系統包括第一熱交換器，用于使NG氣化；吸附劑存儲裝置；將液相的NG提供至第一熱交換器的裝置；以及將氣相的NG從第一熱交換器饋送到吸附劑存儲裝置中的裝置。該系統還可包括對用于饋送到吸附劑存儲裝置中的氣相的NG的壓力進行調節的
>J-U ρ α裝直。該系統還可包括利用壓力擺動方法將NG從吸附劑存儲裝置排出的裝置。該系統還可包括第二熱交換器，第二熱交換器用于冷卻或加熱吸附劑存儲裝置中的吸附劑材料。第二熱交換器可被并入吸附劑存儲裝置中。


通過下面的書面描述，僅通過舉例并結合附圖，本發明的實施方式將得到更好的理解并對本領域普通技術人員來說是顯而易見的，在附圖中圖I是示出根據示例性實施方式在天然氣吸附裝置中的先進系統的視圖；圖2是示出在(a)2000放大率和(b)200000放大率時活性碳的掃描電子顯微(SEM)照片的視圖；圖3是示出在低溫溫度(120至220K)時甲烷吸收能力與壓力之間的關系的視圖；圖4是示出在接近環境溫度的溫度(278至338K)下甲烷吸收能力與壓力之間的關系的視圖；圖5是示出在本發明的實施方式中的天然氣容積存儲能力與傳統壓縮氣體的比較的視圖；圖6是示出示例性實施方式的在低溫溫度下的先進天然氣填充系統的處理通道的視圖；圖7是示出根據示例性實施方式的在用于10公升ANG汽缸的不同的閥系數值下天然氣排放率的模擬結果的視圖；以及圖8是示出根據示例性實施方式用于將NG存儲到吸附劑存儲裝置中的方法的流程圖。
具體實施例方式圖I描繪了本發明的一個實施方式并提供了 ANG存儲裝置11連同區域冷卻系統的示意圖，該冷卻系統包括液化天然氣(LNG)雙壁罐I、兩個熱交換器4和12、以及ANG存儲裝置11，ANG存儲裝置11完全填滿了固體吸附劑14。根據示例性實施方式，處理包含將大約-162° C的液化天然氣在高于-150° C的溫度下相變成蒸汽態。所述液相NG被允許經過低溫連接2進入發生相變的熱交換器4。具有諸如在30° C與35° C之間的典型溫度的環境條件下的水從入口 5進入熱交換器4 ;利用來自LNG的冷能產生溫度范圍為18° C至27° C的冷卻水并在出口 3處離開熱交換器4。所產生的冷卻水可用于各種目的，例如建筑物冷卻等。
在熱交換器4中的LNG再次氣化之后約_150° C的低溫溫度的天然氣蒸汽通過管道6利用電控壓力調節器7，在約I至I. 5巴的接近大氣壓的壓力下被填充到吸附存儲裝置內。調節器7連接至位于ANG存儲裝置11的填充口處的快速連接器8。再次氣化后的NG蒸汽被調節至適當的填充壓力，適當的填充壓力通常為接近大氣壓的壓力以用于填充。填充過程繼續直至ANG存儲裝置11在預定壓力下完全充滿。接下來，ANG存儲裝置11關閉并開始升溫至環境溫度，通常在10° C至40° C的范圍中，在該范圍中氣體或系統壓力處于其設計壓力，優選40巴。以這種方式，由于在吸附過程中低溫溫度的NG使固體吸附劑14冷卻，所以在吸附期間填充過程無需附加的冷卻。在排放期間，NG蒸汽從出口 9離開ANG存儲裝置11。解吸附過程利用壓力擺動(swing)方法實施，在壓力擺動方法中當ANG存儲裝置11中的壓力下降時NG蒸汽從固體吸附劑14的表面解除吸附。可使用流量調節器(未示出)來獲得所需的排放率。優選的實施方式中無需附加的加熱，以使ANG存儲裝置11優選高度便攜并且實現方便。·
在吸附階段中，NG蒸汽的填充率可通過冷卻吸附床來增加，而在解吸附階段中，排放率可通過加熱吸附劑來增加。更具體地，在示例性實施方式中，在提高填充率的情況下的冷水、或者在提高排放率的情況下的熱水可通過與ANG存儲裝置11合并的熱交換器12來分配。冷水或熱水從入口 13進入熱交換器12并在出口 10處離開熱交換器12。具有用于此目的所需溫度的冷水或熱水可利用用戶邊界處的再循環系統進行供應和維持。優選地，市場上可購得的薄壁碳鋼可用于所提出的具有高達40巴的設計壓力的ANG存儲裝置11。根據本發明的不同實施方式，提出的便攜式存儲裝置可以是氣瓶、汽缸、容器或其媒質。優選地，從LNG的雙壁罐I經由熱交換器4在再次氣化后直接流出的NG蒸汽被調節至約14至20psig (磅/平方英寸)(=0.956至I. 38巴)的接近大氣壓的壓力，NG從該壓力下被填充到ANG存儲裝置11。無需額外的壓縮動力(compression power)就將NG壓縮至使用傳統方法所需的通常在30至40巴之間的存儲壓力。在優選的但非限制性的實施方式中，可在ANG存儲裝置11的填充口和排放口處安裝不銹鋼燒結過濾器以阻止固體吸附劑逸入網狀物。ANG存儲裝置11裝滿了固體吸附劑以作為吸附性存儲裝置操作，在該吸附性存儲裝置中天然氣以低壓即30至40巴存儲。在工業中使用的實際固體吸附劑中，浙青基活性碳為用于天然氣吸收的最有前景的吸附劑之一。這是因為i)其雙峰孔徑分布使被吸附物分子良好地進入內部孔中，以及ii)其良好的熱傳導性允許改善吸附性氣體存儲裝置的熱管理。天然氣(NG)被存儲在活性碳的孔中以及碳粒子周圍的空間中。吸附劑分子與NG分子形成分子間作用力，并且吸附劑分子將氣態分子捕獲到孔表面上。這導致在相同的壓力下存儲密度高于壓縮氣體的存儲密度。因此，結果就是固體吸附劑的孔容積優選盡可能地大以使氣體存儲最大化。另一方面，圍繞固體吸附劑的空間優選被最小化，因為該空間中的氣體被期望具有其正常的密度。
所使用的固體吸附劑可以為具有較高的特定孔表面面積的任意多孔材料。在優選的但非限制性的實施方式中，使用的多孔的浙青基活性碳(AC)粉末具有大于3000!!! -1的孔表面面積，大約2(^10- -1的孔容積以及20 A的平均孔徑。實驗上，發現在接近環境溫度的溫度以及40巴的壓力下，存儲容量比傳統的壓縮氣體的存儲容量高大約4倍。在示例性實施方式中，ANG存儲裝置11在容積存儲能力方面所表現的性能在此處被定義為氣態燃料的體積m3相對于存儲床體積，V/V。優選地，ANG存儲裝置11中所裝的AC具有適當的裝填密度以控制AC分子與NC分子之間的傳送阻力，從而使NG到ANG存儲裝置11的填充和NG從ANG存儲裝置11的排放進行流線型優化。優選地，ANG存儲裝置11中所裝的AC與ANG存儲裝置11的壁保持最小的間隙以增強徑向方向和縱向方向上的吸附和解吸附處理。
圖2 (a)和2 (b)示出了在實施方式中的可用于ANG存儲裝置11的活性碳的掃描電子顯微圖(SEM),具有孔表面面積大于300011 '孔容積為20xl(T7m3g'平均孔徑為20 A的熱物理性質。觀察到，表面結構為片狀層，片狀層之間設置有多孔的空隙。在吸附期間，被吸附分子可通過van der Waals (范德瓦爾斯)作用和靜電力沉積在孔的空位上。回到圖1，根據本發明的實施方式，NG首先在約120至130K的低溫溫度下填充到ANG存儲裝置11中。NG被允許從LNG的雙壁罐I經由熱交換器4直接流出。在優選的實施方式中有利地未設立用于固體吸附劑的冷卻源，即使吸附的放熱過程產生熱。相反地，低溫狀態下的NG蒸汽被用于使固體吸附劑冷卻從而優選地提供較大的存儲容量。吸附過程涉及在固體吸附劑內產生熱(B卩，放熱過程)的蒸汽吸收。對于示例性實施方式中的低溫溫度下的蒸汽吸附，對吸附劑的附加冷卻優選受到被吸附物/蒸汽自身的影響。在本發明的實施方式中，通過利用壓力節省熱鎖(pressure savingheatlock)使NG從固體吸附劑自然脫氣，實現NG從ANG存儲裝置11的解吸附。 在一些實施方式中，通過從機動車引擎經由ANG存儲裝置中的熱交換器供給諸如熱水的外部熱源來增強解吸附過程。在優選的但非限制性的實施方式中，ANG存儲裝置11包括翅片管熱交換器，吸附劑材料設置在翅片管之間的空隙空間。優選地，市場上可購得的厚壁銅合金翅片管可用于所提出的用于高達40巴設計壓力的ANG存儲裝置11中的熱交換器。從LNG的雙壁罐經由熱交換器4在再次氣化后直接流出的NG蒸汽被調節至接近大氣壓的壓力(14至20psig)，NG從該壓力下被填充到ANG存儲裝置11中。與將NG壓縮至對應存儲壓力即30至40巴的傳統的存儲方法相比較，在一些實施方式中可能無需額外的壓縮動力。根據本發明的實施方式，再次氣化后的NG的初始溫度和壓力被控制使得ANG存儲裝置11可被調整為最終的環境溫度和壓力。圖3示出了本發明的實施方式的利用浙青基活性碳作為吸附劑的甲烷氣體吸收的試驗性等溫線數據。等溫線數據以120至220K的溫度范圍以及高達13巴的壓力的壓力-濃度-溫度(P-q-T)比例圖形描繪。從圖3可以看到，對于全部壓力甚至在接近大氣壓的壓力下，在最低溫度即120K處觀察到最大吸收能力(uptake capacity)。吸收能力隨著固體吸附劑的溫度的增加而降低。此外，從120K和140K處獲得的數據，可以看到，當固體吸附劑溫度低于臨界溫度(190. 3K)時吸收能力隨著增加的系統壓力急劇增加。當溫度接近臨界溫度(在160K和190K)并超過臨界溫度(在200K和220K)時，觀察到隨著壓力增加而單調地增加。圖3可在設置根據本發明的實施方式的用于填充的初始溫度和壓力方面提供指導。圖4示出了本發明的實施方式的利用浙青基活性碳作為吸附劑的甲烷氣體吸收的另一試驗性等溫線數據。等溫線數據以278至338K的溫度范圍以及高達25巴的壓力的壓力-濃度-溫度(P-q-T)比例圖形描繪。從圖4可以看到，在最低溫度即278K處觀察到最大吸收能力，而且吸收能力隨著固體吸附劑的溫度的增加而降低。另外，圖4所獲得的吸收能力曲線顯示與圖3所獲得的吸收能力曲線類似的走向；由此吸收能力隨著用于高于臨界溫度的吸附劑溫度的壓力單調地增加。圖4可用作根據本發明的實施方式對最終的吸收性存儲溫度和壓力的參考。圖5概述了利用圖3和圖4中的數據所得到的由氣態燃料的體積m3相對于存儲 床體積而定義的估計的容積存儲能力。可以看出，由固體吸附劑的質量(kg)相對于存儲床體積(m3)而定義的裝填密度對估計容積存儲能力是重要的。從圖5可看出，對于裝填密度380kg · m_3和300kg · m_3，吸附性存儲能力分別為144V · V—1和114V · V—1 ;在相同的條件下即在環境溫度(25° C)和40巴壓力下大致高于傳統壓縮氣體的吸附性存儲能力(其通常具有40V · V—1的值)3至4倍。因此，與壓縮氣體有關的傳統方法相比較，根據本發明的實施方式的方法可有利地增加低壓下的容積存儲能力。在本發明的示例性實施方式中，示出天然氣在接近臨界溫度的溫度下和在接近大氣壓的壓力下被充填或填充的處理路徑的諸如圖6所示的圖表可用于確定初始溫度和壓力。圖6中的空圓圈示出了在對應壓力和等溫線處的實驗性吸收能力。另一方面，實線示出了利用吸附模型，即T0th方程式預測的吸收能力。通過虛線箭頭線示出了用于吸附性存儲系統的實施方式的處理路徑。在將NG蒸汽填充至吸附性存儲裝置前，決定最終的存儲壓力。例如，在圖6中，最終的存儲壓力被設置在40巴和25° C。為了預測初始填充壓力和溫度，首先，與y軸平行地畫出豎直線，該豎直線在點A處與等溫線曲線(25° C)相交。水平線諸如600、602將與對應的等溫線曲線諸如604、606相交。因此，初始填充壓力和溫度可被確定為對于對應等溫線曲線的相交點。作為一個實施例，NG在用于-93° C的蒸汽溫度的接近大氣壓的壓力即I巴(交點B)的初始填充壓力下被填充到吸附性存儲裝置中。當NG被完全填充到ANG存儲裝置中時，該裝置關閉并允許升溫至25° C的環境溫度。根據圖6的表示，最終的氣體或系統壓力為40巴的設計壓力，因而消除了對壓縮裝置諸如壓縮機的需求并允許在I巴下進行填充，并且獲得了與需要在40巴進行填充的傳統填充方法相關而設計的40巴的最終壓力。在不同的實施方式中，填充處理可在最少壓縮動力的幫助下在高于大氣壓的壓力下進行。例如，為了在25° C的環境溫度下獲得40巴(設計壓力)的最終氣體或系統壓力，2.5巴的初始填充壓力被用于-73° C處的蒸汽溫度(交點C)。因此，可使用某些壓縮裝置將蒸汽調制到2. 5巴壓力以用于填充。圖7概述了根據示例性實施方式的10公升ANG容器的模擬結果，其包括在30巴至接近大氣壓的壓力范圍下具有不同的排放率即不同的閥系數值(Cv)的NG蒸汽。固體吸附劑被裝填到ANG容器內的翅片管熱交換器的間隙空間中。在排放期間，將來自熱源的熱供給至熱交換器。所使用的閥系數值的范圍為O. I至O. 5，其中較小值對應于較低的流速，即閥中的較高摩擦。從圖7可以看到排放率隨著閥系數值增加而增加。因此，通過模擬結果，可以發現在示例性實施方式中可優選通過調節閥容易地控制天然氣的排放，而無需使用復雜的裝置。圖8示出了根據示例性實施方式用于將NG存儲到吸附劑存儲裝置中的方法的流程圖800。在步驟802中，將液相的NG提供至第一熱交換器。在步驟804中，利用第一熱交換器將NG氣化。在步驟806中，將處于氣相的NG饋送到吸附劑存儲裝置中。
本領域技術人員應理解，在不背離寬泛描述的本發明的精神和范圍的情況下，可以對具體實施方式
中所示的本發明進行各種改變和/或修改。因此，本文中的實施方式被認為在所有方面是示意性而非限制性的。
權利要求
1.用于將NG存儲到吸附劑存儲裝置中的方法，所述方法包括以下步驟 將液相的NG提供至第一熱交換器； 利用所述第一熱交換器使所述NG氣化；以及 將氣相的NG饋送到所述吸附劑存儲裝置中。
2.如權利要求I所述的方法，其中，利用所述第一熱交換器使所述NG氣化的步驟包括冷卻用于熱交換的液體以使所述NG氣化。
3.如權利要求2所述的方法，還包括利用被冷卻的液體進行進一步處理。
4.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，利用所述第一熱交換器使所述NG氣化，使得所述氣相的NG在低溫溫度下被饋送到所述吸附劑存儲裝置中以用于冷卻所述吸附劑存儲裝置的吸附劑材料。
5.如前述權利要求中任一項所述的方法，還包括對用于饋送到所述吸附劑存儲裝置中的所述氣相的NG的壓力進行調節。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述NG在接近大氣壓的壓力下被饋送到所述吸附劑存儲裝置中。
7.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，將所述氣態的NG饋送到所述吸附劑存儲裝置中的步驟包括冷卻所述吸附劑存儲裝置的吸附劑材料。
8.如權利要求7所述的方法，其中，冷卻所述吸附劑存儲裝置的吸附劑材料利用第二熱交換器進行。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述第二熱交換器被并入所述吸附劑存儲裝置中。
10.如前述權利要求中任一項所述的方法，還包括利用壓力擺動方法將所述NG從所述吸附劑存儲裝置排出。
11.如權利要求9所述的方法，其中，將所述NG從所述吸附劑存儲裝置排出的步驟還包括加熱所述吸附劑存儲裝置的吸附劑材料。
12.如權利要求10所述的方法，其中，加熱所述吸附劑存儲裝置的吸附劑材料利用所述第二熱交換器進行。
13.用于存儲NG的系統，所述系統包括 第一熱交換器，用于使所述NG氣化； 吸附劑存儲裝置； 將液相的NG提供至所述第一熱交換器的裝置；以及 將氣相的NG從所述第一熱交換器饋送到所述吸附劑存儲裝置中的裝置。
14.如權利要求12所述的系統，還包括對用于饋送到所述吸附劑存儲裝置中的所述氣相的NG的壓力進行調節的裝置。
15.如權利要求12或13所述的系統，還包括利用壓力擺動方法將所述NG從所述吸附劑存儲裝置排出的裝置。
16.如權利要求12或14所述的系統，還包括第二熱交換器，所述第二熱交換器用于冷卻或加熱所述吸附劑存儲裝置中的吸附劑材料。
17.如權利要求15所述的方法，其中所述第二熱交換器被并入所述吸附劑存儲裝置中。
全文摘要
用于將NG存儲到吸附劑存儲裝置中的方法和系統。該方法包括以下步驟將液相的NG提供至第一熱交換器；利用該第一熱交換器使NG氣化；以及將氣相的NG饋送到吸附劑存儲裝置中。
文檔編號B01D53/02GK102946973SQ201180029851
公開日2013年2月27日 申請日期2011年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者伍金泉, 盧偉順, 卡茲·阿夫扎勒·拉曼, 彼得玉特·巴蘭·薩哈 申請人:新加坡國立大學