一种双层金属结构的ANG吸附储罐的制作方法

本发明涉及天然气储运技术领域，特别是涉及一种双层金属结构的ANG吸附储罐。

技术背景

天然气作为清洁能源，主要成分是CH₄，在燃烧时产生的CO₂是燃煤的57%，燃油的71%，而在三大化石燃料中产生的热值最高，污染最小，是一种理想的清洁燃料，在化石能源中增长最快（年均1.8%）。由于天然气的高效、清洁、安全性好、经济性高以及资源丰富等特点，经济效益以及社会效益可观，对于天然气的开发利用以及储运技术国内外做了广泛而深入的研究。

目前，天然气储运技术通常有PNG、LNG、CNG、ANG以及NGH，其中ANG储运技术是利用具有高比表面积和丰富的微孔结构的吸附剂对天然气进行吸附储存。在城市燃气储运领域中，相比较其他储运技术，ANG储运技术条件温和（3-6MPa），设备要求低，安全性高，储罐结构设计较为灵活，被认为最有发展潜力的储运技术。

ANG储运技术中，天然气通过吸附作用吸附在多孔吸附剂中，在吸附和脱附过程中，容易受到吸附热效应的影响。而在实际吸附过程中，会放出一定的热量而从使温度升高，相比于等温吸附而言，气体储存能力下降；另一方面在脱附过程中会吸收一定的热量，从而导致温度降低，进而使得脱附量下降。因而，在储罐结构设计时应充分考虑吸附热效应的影响，从而提高储气能力。

对于吸附热效应的解决办法主要有：（1）针对活性炭，在活性炭中添加具有导热性能的金属材料或导热材料；（2）针对储罐 ，主要包括在储罐中安装换热设备或者填放相变储热材料，以及通过对储罐结构进行特殊设计从而提高储罐罐体的导热系数。专利CN1236075通过在储罐内部加入电热丝类加热装置，在快放气时连通电源，虽有效缓解脱热效应问题，但对于吸附过程热效应尚未解决，并且增加了罐内结构减少了活性炭的填充率；专利CN102502925A在一定程度上缓解吸附热效应问题，并且结构相对简单，专利CN204026132U采用翅片换热器配合U形管中灌有冷凝水，吸附容量高，但是在活性炭装填过程较为复杂，并且活性炭不容易更换；专利CN104406040A采用球形结构，虽然储气量大，但是热效应消除并不明显。

以上专利文献中涉及的ANG储罐都在一定程度上对ANG储运过程中的某些方面如储气量或吸附热效应影响的消除起到作用，然而，针对以上专利当应用于车载储运过程中，由于路面原因，汽车加速或减速，储罐各处受力不均，储罐结构所能承受的力有限，其安全性有待考察。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述专利中存在的问题以及结合他们的优点设计一种双层金属结构的ANG吸附储罐，旨在解决天然气在储运过程中遇到的一些问题，如吸附热效应、活性炭装填、活性炭在运输过程中粉碎而堵塞、降低活性炭在储运过程中的粉碎率以及ANG储罐运输过程中的承载力等。

本发明通过如下技术方案实现：

一种双层金属结构的ANG吸附储罐，包括具有双层金属结构的储罐主体、位于储罐主体上的天然气出口管、设置在所述储罐主体顶端的放散口和安全阀、设置在所述储罐主体底端的天然气进气口和排污口，所述的储罐主体内置有换热系统与支撑系统，所述储罐主体的底部设置有缓冲支座，

所述的支撑系统包括由上至下平行间隔设置的若干圆形支撑板、沿支撑板周向竖直固连于各支撑板边缘之间的若干立管，各个支撑板之间填充设置多孔吸附剂，所述的支撑板上均匀布置有若干孔径大于所述多孔吸附剂的散热孔；

所述的换热系统包括装填在所述储罐主体双层金属结构之间的相变储热材料、竖立于所述储罐主体中央的螺旋盘管，螺旋盘管的两侧由支撑板所固定，其出、入口分别连接对称设置在所述储罐主体顶部的冷却水出口管、冷却水进口管。

进一步地，所述缓冲支座采用钢板橡胶支座，可以在一定程度上起到减振的作用，可以有效缓冲储罐在车载运输过程中因路面原因车辆左右转弯及上下坡时所产生的冲击力。

进一步地，所述的立管通过卡箍与支撑板相连接，固定牢靠，拆装方便，便于拆卸与检修。

进一步地，所述的支撑板由至少两块板材可拆卸地拼接而成，拼接式的支撑板可方便地进行拆卸组装。

进一步地，所述的相变储热材料采用石蜡/膨胀石墨复合相变材料，储热密度较高，导热性能好，储/放热时间少。

进一步地，所述螺旋盘管为扁平型带有肋片的异形盘管，且所述螺旋盘管螺旋圈数与支撑板的数量相一致，其间距最小处分别穿过支撑板上的散热孔，不仅有效的增加了传热面积，还增加了冷凝水在盘管中的湍动，提高了传热速率。

进一步地，所述的支撑板上、天然气进气口、天然气出口、放散口还设置有防堵塞的金属丝网。

进一步地，各支撑板上的多孔吸附剂之间均匀设置有若干热导性强的紫铜薄片，一方面增强导热性，另一方面减少多孔吸附剂间的摩擦碰撞以减少粉碎率，防止堵塞。

进一步地，所述储罐主体上还设置有四个手孔，所述手孔两两对称，且两对手孔中心连线在空间上相互垂直，使活性炭易于装填。

进一步地，所述的所述储罐主体上还对称设置有若干插入有热电偶的热电偶测温口，成对的热电偶插入深度相同，便于及时获取罐内径向和轴向各处的温度参数。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

（1）有效缓解热效应的影响，提高有效储气量。一方面在罐体双层金属之间内置复合相变储热材料，在进行吸附作用时能有效将吸附热储存起来，在脱附时又能将部分热释放出来，在一定程度上可以降低温度差，其作用远大于罐体与空气之间对流作用而缓解的热效应；另一方面，设计了一种异形的扁平型带有肋片的螺旋盘管，不仅有效的增加了传热面积，还增加了冷凝水在盘管中的湍动，提高了传热速率。

（2）适用范围更广、安全性能高。利用双层金属之间的复合相变储热材料如石蜡/膨胀石墨复合相变材料的柔韧性，以及储罐底部的钢板橡胶支座，可以有效缓冲储罐在车载运输过程中因路面原因车辆左右转弯及上下坡时所产生的冲击力。

（3）储罐内部结构便于拆卸与检修。总共有5块支撑板，每块支撑板又可以由4部分拼接而成，支撑板通过卡箍与立管相连通，各块支撑板之间又相互独立，以备在检修时带来不必要的麻烦。

（4）活性炭易于装填以及减少粉碎率。通过4个不同位置两两对称的手孔以及罐体内的支撑板，可直接将活性炭放置在附有金属丝网的支撑板上，另外每一层支撑板上的活性炭由紫铜薄片分成6瓣，一方面增强导热性，另一方面减少活性炭间的摩擦碰撞以减少粉碎率。

（5）活性炭再生方便。在储罐进行再生过程中，将螺旋盘管中循环冷凝水排出，再通过天然气进气口通入高温氮气进行置换，从而实现再生。

附图说明

图1为本发明实施例的吸附储罐罐体的主视图。

图2为本发明实施例的吸附储罐罐体的左视图。

图3为本发明实施例的支撑板及立管连接的三维结构图。

图4为本发明实施例的支撑板的俯视图。

图5为本发明实施例的螺旋盘管的三维结构图。

图中各结构表示为：1-冷却水进口管，2-放散口，3-冷却水出口管，4-安全阀，5-手孔，6-热电偶测温口，7-缓冲支座，8-排污口，9-天然气进气口，10-天然气出口管，11-支撑板，12-散热孔，13-卡箍，14-立管，15-螺旋盘管。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1至图5所示，一种双层金属结构的ANG吸附储罐，包括具有双层金属结构的储罐主体、位于储罐主体上的天然气出口管10、设置在所述储罐主体顶端的放散口2和安全阀4、设置在所述储罐主体底端的天然气进气口9和排污口8，排污口8位于储罐的最底端，所述的储罐主体内置有换热系统与支撑系统，所述储罐主体的底部设置有缓冲支座7，储罐主体的内径是1300mm，双层间的间距d=8cm，罐体总高度为2800mm，罐的容积为2.0m³。

如图3和图4所示，所述的支撑系统包括由上至下平行间隔设置的5块圆形支撑板11、沿支撑板11周向竖直固连于各支撑板11边缘之间的4根立管14，所述支撑板11总共分为5层，层高为266mm，将储罐的内部空间分成5部分，每块支撑板11由五块板材可拆卸地拼接而成，拼接式的支撑板可方便地进行拆卸组装。

所述的立管14通过卡箍13与支撑板11相连接，固定牢靠，拆装方便，便于拆卸与检修；各个支撑板11之间填充设置活性炭，所述的支撑板11上均匀布置有若干孔径大于活性炭直径的散热孔12，其孔径小于一般活性炭的直径，设计取作25mm。

如图5所示，所述的换热系统包括装填在所述储罐主体双层金属结构之间的相变储热材料、竖立于所述储罐主体中央的螺旋盘管15，螺旋盘管15的两侧由支撑板11所固定，其出、入口分别连接对称设置在所述储罐主体顶部的冷却水出口管3、冷却水进口管1。

具体而言，所述的相变储热材料采用石蜡/膨胀石墨复合相变材料，所述相变储热材料为复合相变储热材料，可以将吸附过程中的热蓄存起来，储热密度较高，导热性能好，储/放热时间少；另一方面由于复合相变储热材料在脱附时又能将部分热释放出来，在一定程度上可以降低温度差，其作用远大于罐体与空气之间对流作用而缓解的热效应。

具体而言，所述螺旋盘管15为扁平型带有肋片的异形盘管，且所述螺旋盘管15螺旋圈数与支撑板11的数量相一致，也是5圈，其间距最小处分别穿过支撑板11上的散热孔12，螺旋盘管15内通有循环冷凝水，不仅有效的增加了传热面积，还增加了冷凝水在盘管中的湍动，提高了传热速率。

具体而言，所述的支撑板11上、天然气进气口9、天然气出口10、放散口2还设置有防堵塞的金属丝网，所述支撑板11上先放置金属丝网，金属丝网上再放置孔径大于散热孔的活性炭。

具体而言，各支撑板11上的活性炭之间均匀设置有若干热导性强的紫铜薄片，一方面增强导热性，另一方面减少活性炭间的摩擦碰撞以减少粉碎率，防止堵塞。

具体而言，所述储罐主体上还设置有四个手孔5，所述手孔5两两对称，且两对手孔5中心连线在空间上相互垂直，使活性炭易于装填。

具体而言，所述的所述储罐主体上还对称设置有4个插入有热电偶的热电偶测温口6，热电偶的规格为Φ1，各电偶分布在罐体四个不同方向，两两对称，且插入罐体的深度相同，热电偶显示的温度可以在电脑上显示，成对的热电偶插入深度相同，便于及时获取罐内径向和轴向各处的温度参数。

具体而言，所述缓冲支座7采用钢板橡胶支座，可以在一定程度上起到减振的作用，可以有效缓冲储罐在车载运输过程中因路面原因车辆左右转弯及上下坡时所产生的冲击力。同时，结合双层金属之间的复合相变储热材料如石蜡/膨胀石墨复合相变材料的柔韧性，以及储罐底部的钢板橡胶支座，可以进一步有效缓冲储罐在车载运输过程中因路面原因车辆左右转弯及上下坡时所产生的冲击力。

经上游预吸附罐处理过后的甲烷含量应大于90%，含水量不超过5%，活性炭填充率按70%算，选取的活性炭体积吸附比按110V/V计算，其应用实施过程主要包括以下步骤：

1、ANG吸附储罐进气

经上游过来的天然气气体达到4MPa时，打开流量计前后阀门以及吸附储罐入口阀门，再缓慢地打开流量计前针阀，通过针阀调节气瓶进气流量和压力， 10～15分钟充满ANG吸附储罐。若中间过程存在进气压力达不到4.0MPa，在2.0MPa及以下，则系统将启动压缩机进行压缩，使之气压保持在4.0MPa左右进行充气。记录当前进气时间、气瓶入口气体组成、入口流量、入口压力、入口温度以及螺旋盘管15入口流量、入口温度和出口温度；气瓶内部热电偶值和深度。

2、吸附储罐内部热电偶深度的调节

通过调节热电偶在吸附储罐内位置的变化，测量吸附储罐内部温度在径向、轴向的变化值，记录当前气瓶内部热电偶值和深度。

3、停止吸附储罐进气

当吸附储罐充气时间已到了10分钟左右，流量计已显示达到了所需要的流量，吸附储罐内部热电偶值已变化不大，吸附储罐压力稳定在4.0MPa时，先缓慢地关闭天然气入口调压阀，再关闭预吸附B2罐前后阀门，之后进入下一步放气流程。记录当前时间、吸附储罐入口气体组成、入口流量、入口压力、入口温度以及盘管入口流量、入口温度和出口温度；气瓶内部热电偶值和深度。

4、ANG吸附储罐放气

把流量计前后阀门关闭，打开流量计旁路阀门和下游的阀门，确认下游管网所需的压力，且下游调压阀门设定所需的调压压力值，天然气从吸附储罐入口出来，通过流量计前针阀，调节天然气出口流量，再经过流量计计量后，并经过下游调压阀调压到所需压力，输送到下游用户，若中间过程存在供气压力达不到4.0MPa，在0.5MPa及以下时，则系统将启动压缩机进行压缩，使之气压保持在4.0MPa左右进行供气。记录当前时间、吸附储罐出口气体组成、出口流量、出口压力、出口温度以及螺旋盘管15入口流量、入口温度和出口温度。

5、吸附储罐内部热电偶值和深度调节

通过调节热电偶在吸附储罐内位置的变化，测量吸附储罐内部温度在径向、轴向的变化值，记录当前吸附储罐内部热电偶值和深度。

6、停止吸附储罐放气

计算出口流量是否已达到了所需的流量，吸附储罐内部热电偶值已变化不大，吸附储罐压力已达到所需压力数值，关闭下游调压阀以及阀门，之后进入下一步，完成吸附储罐充放运行过程。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。