本發(fā)明涉及天然氣儲運技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種雙層金屬結(jié)構(gòu)的ANG吸附儲罐。

技術(shù)背景

天然氣作為清潔能源，主要成分是CH₄，在燃燒時產(chǎn)生的CO₂是燃煤的57%，燃油的71%，而在三大化石燃料中產(chǎn)生的熱值最高，污染最小，是一種理想的清潔燃料，在化石能源中增長最快（年均1.8%）。由于天然氣的高效、清潔、安全性好、經(jīng)濟性高以及資源豐富等特點，經(jīng)濟效益以及社會效益可觀，對于天然氣的開發(fā)利用以及儲運技術(shù)國內(nèi)外做了廣泛而深入的研究。

目前，天然氣儲運技術(shù)通常有PNG、LNG、CNG、ANG以及NGH，其中ANG儲運技術(shù)是利用具有高比表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)的吸附劑對天然氣進行吸附儲存。在城市燃氣儲運領(lǐng)域中，相比較其他儲運技術(shù)，ANG儲運技術(shù)條件溫和（3-6MPa），設(shè)備要求低，安全性高，儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計較為靈活，被認為最有發(fā)展?jié)摿Φ膬\技術(shù)。

ANG儲運技術(shù)中，天然氣通過吸附作用吸附在多孔吸附劑中，在吸附和脫附過程中，容易受到吸附熱效應(yīng)的影響。而在實際吸附過程中，會放出一定的熱量而從使溫度升高，相比于等溫吸附而言，氣體儲存能力下降；另一方面在脫附過程中會吸收一定的熱量，從而導(dǎo)致溫度降低，進而使得脫附量下降。因而，在儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮吸附熱效應(yīng)的影響，從而提高儲氣能力。

對于吸附熱效應(yīng)的解決辦法主要有：（1）針對活性炭，在活性炭中添加具有導(dǎo)熱性能的金屬材料或?qū)岵牧?；?）針對儲罐 ，主要包括在儲罐中安裝換熱設(shè)備或者填放相變儲熱材料，以及通過對儲罐結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計從而提高儲罐罐體的導(dǎo)熱系數(shù)。專利CN1236075通過在儲罐內(nèi)部加入電熱絲類加熱裝置，在快放氣時連通電源，雖有效緩解脫熱效應(yīng)問題，但對于吸附過程熱效應(yīng)尚未解決，并且增加了罐內(nèi)結(jié)構(gòu)減少了活性炭的填充率；專利CN102502925A在一定程度上緩解吸附熱效應(yīng)問題，并且結(jié)構(gòu)相對簡單，專利CN204026132U采用翅片換熱器配合U形管中灌有冷凝水，吸附容量高，但是在活性炭裝填過程較為復(fù)雜，并且活性炭不容易更換；專利CN104406040A采用球形結(jié)構(gòu)，雖然儲氣量大，但是熱效應(yīng)消除并不明顯。

以上專利文獻中涉及的ANG儲罐都在一定程度上對ANG儲運過程中的某些方面如儲氣量或吸附熱效應(yīng)影響的消除起到作用，然而，針對以上專利當(dāng)應(yīng)用于車載儲運過程中，由于路面原因，汽車加速或減速，儲罐各處受力不均，儲罐結(jié)構(gòu)所能承受的力有限，其安全性有待考察。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述專利中存在的問題以及結(jié)合他們的優(yōu)點設(shè)計一種雙層金屬結(jié)構(gòu)的ANG吸附儲罐，旨在解決天然氣在儲運過程中遇到的一些問題，如吸附熱效應(yīng)、活性炭裝填、活性炭在運輸過程中粉碎而堵塞、降低活性炭在儲運過程中的粉碎率以及ANG儲罐運輸過程中的承載力等。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種雙層金屬結(jié)構(gòu)的ANG吸附儲罐，包括具有雙層金屬結(jié)構(gòu)的儲罐主體、位于儲罐主體上的天然氣出口管、設(shè)置在所述儲罐主體頂端的放散口和安全閥、設(shè)置在所述儲罐主體底端的天然氣進氣口和排污口，所述的儲罐主體內(nèi)置有換熱系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)，所述儲罐主體的底部設(shè)置有緩沖支座，

所述的支撐系統(tǒng)包括由上至下平行間隔設(shè)置的若干圓形支撐板、沿支撐板周向豎直固連于各支撐板邊緣之間的若干立管，各個支撐板之間填充設(shè)置多孔吸附劑，所述的支撐板上均勻布置有若干孔徑大于所述多孔吸附劑的散熱孔；

所述的換熱系統(tǒng)包括裝填在所述儲罐主體雙層金屬結(jié)構(gòu)之間的相變儲熱材料、豎立于所述儲罐主體中央的螺旋盤管，螺旋盤管的兩側(cè)由支撐板所固定，其出、入口分別連接對稱設(shè)置在所述儲罐主體頂部的冷卻水出口管、冷卻水進口管。

進一步地，所述緩沖支座采用鋼板橡膠支座，可以在一定程度上起到減振的作用，可以有效緩沖儲罐在車載運輸過程中因路面原因車輛左右轉(zhuǎn)彎及上下坡時所產(chǎn)生的沖擊力。

進一步地，所述的立管通過卡箍與支撐板相連接，固定牢靠，拆裝方便，便于拆卸與檢修。

進一步地，所述的支撐板由至少兩塊板材可拆卸地拼接而成，拼接式的支撐板可方便地進行拆卸組裝。

進一步地，所述的相變儲熱材料采用石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料，儲熱密度較高，導(dǎo)熱性能好，儲/放熱時間少。

進一步地，所述螺旋盤管為扁平型帶有肋片的異形盤管，且所述螺旋盤管螺旋圈數(shù)與支撐板的數(shù)量相一致，其間距最小處分別穿過支撐板上的散熱孔，不僅有效的增加了傳熱面積，還增加了冷凝水在盤管中的湍動，提高了傳熱速率。

進一步地，所述的支撐板上、天然氣進氣口、天然氣出口、放散口還設(shè)置有防堵塞的金屬絲網(wǎng)。

進一步地，各支撐板上的多孔吸附劑之間均勻設(shè)置有若干熱導(dǎo)性強的紫銅薄片，一方面增強導(dǎo)熱性，另一方面減少多孔吸附劑間的摩擦碰撞以減少粉碎率，防止堵塞。

進一步地，所述儲罐主體上還設(shè)置有四個手孔，所述手孔兩兩對稱，且兩對手孔中心連線在空間上相互垂直，使活性炭易于裝填。

進一步地，所述的所述儲罐主體上還對稱設(shè)置有若干插入有熱電偶的熱電偶測溫口，成對的熱電偶插入深度相同，便于及時獲取罐內(nèi)徑向和軸向各處的溫度參數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點：

（1）有效緩解熱效應(yīng)的影響，提高有效儲氣量。一方面在罐體雙層金屬之間內(nèi)置復(fù)合相變儲熱材料，在進行吸附作用時能有效將吸附熱儲存起來，在脫附時又能將部分熱釋放出來，在一定程度上可以降低溫度差，其作用遠大于罐體與空氣之間對流作用而緩解的熱效應(yīng)；另一方面，設(shè)計了一種異形的扁平型帶有肋片的螺旋盤管，不僅有效的增加了傳熱面積，還增加了冷凝水在盤管中的湍動，提高了傳熱速率。

（2）適用范圍更廣、安全性能高。利用雙層金屬之間的復(fù)合相變儲熱材料如石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的柔韌性，以及儲罐底部的鋼板橡膠支座，可以有效緩沖儲罐在車載運輸過程中因路面原因車輛左右轉(zhuǎn)彎及上下坡時所產(chǎn)生的沖擊力。

（3）儲罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)便于拆卸與檢修。總共有5塊支撐板，每塊支撐板又可以由4部分拼接而成，支撐板通過卡箍與立管相連通，各塊支撐板之間又相互獨立，以備在檢修時帶來不必要的麻煩。

（4）活性炭易于裝填以及減少粉碎率。通過4個不同位置兩兩對稱的手孔以及罐體內(nèi)的支撐板，可直接將活性炭放置在附有金屬絲網(wǎng)的支撐板上，另外每一層支撐板上的活性炭由紫銅薄片分成6瓣，一方面增強導(dǎo)熱性，另一方面減少活性炭間的摩擦碰撞以減少粉碎率。

（5）活性炭再生方便。在儲罐進行再生過程中，將螺旋盤管中循環(huán)冷凝水排出，再通過天然氣進氣口通入高溫氮氣進行置換，從而實現(xiàn)再生。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的吸附儲罐罐體的主視圖。

圖2為本發(fā)明實施例的吸附儲罐罐體的左視圖。

圖3為本發(fā)明實施例的支撐板及立管連接的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明實施例的支撐板的俯視圖。

圖5為本發(fā)明實施例的螺旋盤管的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖中各結(jié)構(gòu)表示為：1-冷卻水進口管，2-放散口，3-冷卻水出口管，4-安全閥，5-手孔，6-熱電偶測溫口，7-緩沖支座，8-排污口，9-天然氣進氣口，10-天然氣出口管，11-支撐板，12-散熱孔，13-卡箍，14-立管，15-螺旋盤管。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明的目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實施方式并不因此限定于以下實施例。

如圖1至圖5所示，一種雙層金屬結(jié)構(gòu)的ANG吸附儲罐，包括具有雙層金屬結(jié)構(gòu)的儲罐主體、位于儲罐主體上的天然氣出口管10、設(shè)置在所述儲罐主體頂端的放散口2和安全閥4、設(shè)置在所述儲罐主體底端的天然氣進氣口9和排污口8，排污口8位于儲罐的最底端，所述的儲罐主體內(nèi)置有換熱系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)，所述儲罐主體的底部設(shè)置有緩沖支座7，儲罐主體的內(nèi)徑是1300mm，雙層間的間距d=8cm，罐體總高度為2800mm，罐的容積為2.0m³。

如圖3和圖4所示，所述的支撐系統(tǒng)包括由上至下平行間隔設(shè)置的5塊圓形支撐板11、沿支撐板11周向豎直固連于各支撐板11邊緣之間的4根立管14，所述支撐板11總共分為5層，層高為266mm，將儲罐的內(nèi)部空間分成5部分，每塊支撐板11由五塊板材可拆卸地拼接而成，拼接式的支撐板可方便地進行拆卸組裝。

所述的立管14通過卡箍13與支撐板11相連接，固定牢靠，拆裝方便，便于拆卸與檢修；各個支撐板11之間填充設(shè)置活性炭，所述的支撐板11上均勻布置有若干孔徑大于活性炭直徑的散熱孔12，其孔徑小于一般活性炭的直徑，設(shè)計取作25mm。

如圖5所示，所述的換熱系統(tǒng)包括裝填在所述儲罐主體雙層金屬結(jié)構(gòu)之間的相變儲熱材料、豎立于所述儲罐主體中央的螺旋盤管15，螺旋盤管15的兩側(cè)由支撐板11所固定，其出、入口分別連接對稱設(shè)置在所述儲罐主體頂部的冷卻水出口管3、冷卻水進口管1。

具體而言，所述的相變儲熱材料采用石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料，所述相變儲熱材料為復(fù)合相變儲熱材料，可以將吸附過程中的熱蓄存起來，儲熱密度較高，導(dǎo)熱性能好，儲/放熱時間少；另一方面由于復(fù)合相變儲熱材料在脫附時又能將部分熱釋放出來，在一定程度上可以降低溫度差，其作用遠大于罐體與空氣之間對流作用而緩解的熱效應(yīng)。

具體而言，所述螺旋盤管15為扁平型帶有肋片的異形盤管，且所述螺旋盤管15螺旋圈數(shù)與支撐板11的數(shù)量相一致，也是5圈，其間距最小處分別穿過支撐板11上的散熱孔12，螺旋盤管15內(nèi)通有循環(huán)冷凝水，不僅有效的增加了傳熱面積，還增加了冷凝水在盤管中的湍動，提高了傳熱速率。

具體而言，所述的支撐板11上、天然氣進氣口9、天然氣出口10、放散口2還設(shè)置有防堵塞的金屬絲網(wǎng)，所述支撐板11上先放置金屬絲網(wǎng)，金屬絲網(wǎng)上再放置孔徑大于散熱孔的活性炭。

具體而言，各支撐板11上的活性炭之間均勻設(shè)置有若干熱導(dǎo)性強的紫銅薄片，一方面增強導(dǎo)熱性，另一方面減少活性炭間的摩擦碰撞以減少粉碎率，防止堵塞。

具體而言，所述儲罐主體上還設(shè)置有四個手孔5，所述手孔5兩兩對稱，且兩對手孔5中心連線在空間上相互垂直，使活性炭易于裝填。

具體而言，所述的所述儲罐主體上還對稱設(shè)置有4個插入有熱電偶的熱電偶測溫口6，熱電偶的規(guī)格為Φ1，各電偶分布在罐體四個不同方向，兩兩對稱，且插入罐體的深度相同，熱電偶顯示的溫度可以在電腦上顯示，成對的熱電偶插入深度相同，便于及時獲取罐內(nèi)徑向和軸向各處的溫度參數(shù)。

具體而言，所述緩沖支座7采用鋼板橡膠支座，可以在一定程度上起到減振的作用，可以有效緩沖儲罐在車載運輸過程中因路面原因車輛左右轉(zhuǎn)彎及上下坡時所產(chǎn)生的沖擊力。同時，結(jié)合雙層金屬之間的復(fù)合相變儲熱材料如石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的柔韌性，以及儲罐底部的鋼板橡膠支座，可以進一步有效緩沖儲罐在車載運輸過程中因路面原因車輛左右轉(zhuǎn)彎及上下坡時所產(chǎn)生的沖擊力。

經(jīng)上游預(yù)吸附罐處理過后的甲烷含量應(yīng)大于90%，含水量不超過5%，活性炭填充率按70%算，選取的活性炭體積吸附比按110V/V計算，其應(yīng)用實施過程主要包括以下步驟：

1、ANG吸附儲罐進氣

經(jīng)上游過來的天然氣氣體達到4MPa時，打開流量計前后閥門以及吸附儲罐入口閥門，再緩慢地打開流量計前針閥，通過針閥調(diào)節(jié)氣瓶進氣流量和壓力， 10～15分鐘充滿ANG吸附儲罐。若中間過程存在進氣壓力達不到4.0MPa，在2.0MPa及以下，則系統(tǒng)將啟動壓縮機進行壓縮，使之氣壓保持在4.0MPa左右進行充氣。記錄當(dāng)前進氣時間、氣瓶入口氣體組成、入口流量、入口壓力、入口溫度以及螺旋盤管15入口流量、入口溫度和出口溫度；氣瓶內(nèi)部熱電偶值和深度。

2、吸附儲罐內(nèi)部熱電偶深度的調(diào)節(jié)

通過調(diào)節(jié)熱電偶在吸附儲罐內(nèi)位置的變化，測量吸附儲罐內(nèi)部溫度在徑向、軸向的變化值，記錄當(dāng)前氣瓶內(nèi)部熱電偶值和深度。

3、停止吸附儲罐進氣

當(dāng)吸附儲罐充氣時間已到了10分鐘左右，流量計已顯示達到了所需要的流量，吸附儲罐內(nèi)部熱電偶值已變化不大，吸附儲罐壓力穩(wěn)定在4.0MPa時，先緩慢地關(guān)閉天然氣入口調(diào)壓閥，再關(guān)閉預(yù)吸附B2罐前后閥門，之后進入下一步放氣流程。記錄當(dāng)前時間、吸附儲罐入口氣體組成、入口流量、入口壓力、入口溫度以及盤管入口流量、入口溫度和出口溫度；氣瓶內(nèi)部熱電偶值和深度。

4、ANG吸附儲罐放氣

把流量計前后閥門關(guān)閉，打開流量計旁路閥門和下游的閥門，確認下游管網(wǎng)所需的壓力，且下游調(diào)壓閥門設(shè)定所需的調(diào)壓壓力值，天然氣從吸附儲罐入口出來，通過流量計前針閥，調(diào)節(jié)天然氣出口流量，再經(jīng)過流量計計量后，并經(jīng)過下游調(diào)壓閥調(diào)壓到所需壓力，輸送到下游用戶，若中間過程存在供氣壓力達不到4.0MPa，在0.5MPa及以下時，則系統(tǒng)將啟動壓縮機進行壓縮，使之氣壓保持在4.0MPa左右進行供氣。記錄當(dāng)前時間、吸附儲罐出口氣體組成、出口流量、出口壓力、出口溫度以及螺旋盤管15入口流量、入口溫度和出口溫度。

5、吸附儲罐內(nèi)部熱電偶值和深度調(diào)節(jié)

通過調(diào)節(jié)熱電偶在吸附儲罐內(nèi)位置的變化，測量吸附儲罐內(nèi)部溫度在徑向、軸向的變化值，記錄當(dāng)前吸附儲罐內(nèi)部熱電偶值和深度。

6、停止吸附儲罐放氣

計算出口流量是否已達到了所需的流量，吸附儲罐內(nèi)部熱電偶值已變化不大，吸附儲罐壓力已達到所需壓力數(shù)值，關(guān)閉下游調(diào)壓閥以及閥門，之后進入下一步，完成吸附儲罐充放運行過程。

本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。