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关于煤基液体燃料的几点思考
作者/来源:汤洪 许建平 孙炳   日期: 2008-09-03   点击率:2783
 

(四川天一科技股份有限公司 四川成都 610225

1关于煤基燃料油和煤基醇醚替代能源

我国是能源消费大国,但不是能源很匮乏的国家。我国煤炭资源相对丰富,煤炭是我国能源的主要支柱,在总能源消费量中占主导地位。我国缺乏的是液体燃料(优质洁净燃料),即运输工具(车、船、飞机)动力用液体燃料。而这些液体燃料主要来自石油。我国的石油生产量远远满足不了社会经济发展的要求。石油需要大量进口,石油的对外依存度连续几年超过45%,而国际油价又高企于100美元/桶之上。动力用液体燃料问题将制约我国社会经济的发展,能源安全也将受到严重威胁。因此,寻找新的液体燃料来源以补充石油路线的缺口,是目前能源工作的当务之急。

按照可持续发展战略思想,大批量的新能源应具备以下条件:1)与本国的自然资源相适应。我国的煤炭资源相对丰富,以煤为原料可保证新能源的大规模生产。2)环保性。新能源的应用如果对环境造成消极影响,则不是理想的能源形式。3)经济性。新能源的生产成本必须低于石油制品(如柴油、汽油液化气等)的生产成本,必须有较强的市场竞争力。

根据我国煤炭资源相对丰富的现状,发展煤基液体燃料是补充液体燃料缺口的有效方法。

任何产品的生产成本表征其生产过程中自然资源、社会资源、人力资源的消耗量,而每个历史时期都有与该时期相适应的能源。新能源的发展也要遵循经济规律。

产品生产的资源消耗量包括:1)生产过程中实际消耗的资源;2)形成生产装置固定资产过程中消耗的资源。后者往往被人们所忽视。

比如生物质能源,植物生长需要的化肥、农药是需要消耗能源的,而从植物到燃料的生产过程也必然要消耗能源,而这些能源也是不可再生的。又比如风能发电,从目前的情况看,最大的问题是投资过高,设备效率低。其高投入已经说明其资源的消费量高。事实上,风能发电是要靠国家补贴才能维持生产的。

所以生产成本最能说明问题。生产成本高的能源生产方法就是不合理的,就是与所处历史时期不相适应的。尽管新能源使用和推广的基本前提之一是其对环境的负面影响必须小于现有能源,但也不宜过分强调能源的生物质可再生等概念性特点。又及,需要政府补贴的能源是不可取的。

还有一点要注意的,就是资源总量的问题。我国土地资源相对匮乏,风力资源更是有限,即使花大力气大投入去发展这些能源,也很难满足目前我国的液体燃料紧缺的问题。

由此可见,发展煤基燃料是补充石油基燃料缺口的最好途径。

以煤为原料生产液体燃料大体上可分为两类:一类是以煤为原料生产燃料油,包括煤直接液化制油和间接液化制油;另一类是以煤为原料生产液体替代燃料,现阶段的主要形式是煤制甲醇、二甲醚,即所谓的煤基醇醚燃料。甲醇、二甲醚可分别替代汽油、柴油和液化气。

以煤为原料生产燃料油,其明显的优势在于可直接使用。包括发动机、油品的储存、运输、输送、加油等设施,都不需要进行改造。但是我们仍然认为,发展煤基替代燃料,比发展煤制油更适合现阶段我国国情。我们可以从以下几个方面做直观的比较:

1)  投资

根据有关机构的研究结果,甲醇对汽油的替代比在1.51左右。即作为汽车燃料,消耗1.5吨甲醇与消耗1吨汽油,相同型号、相同载重的汽车行使的里程相等。因此我们以100万吨/年的煤制油装置与150万吨/年的煤制甲醇装置的投资作比较。100万吨/年的煤制油装置的投资超过120亿元,而150万吨/年的煤制甲醇装置的投资只有70亿元左右,显然煤制油的投资高得多。

2)  煤炭消耗

煤直接液化制油和间接液化制油,其每吨油品的煤炭消耗均在4.5吨以上;而煤制甲醇每吨甲醇的原料煤消耗不到2吨,1.5吨甲醇的煤炭消耗不到3吨。即当量燃料的煤炭消耗,煤制油比煤制甲醇高出50%以上。

3)  环境影响

从生产过程看,不管是煤制油还是煤制醇醚,所需要的氢均来源于水。煤制醇醚既用了水中的氢原子又用上水中的氧原子;而煤制油只用了水中的氢原子、没有用上水中的氧原子,这样氧原子最终是以二氧化碳的形式排放的。又由于煤制油的煤炭消耗量大,除了变成产品油的煤炭,其余煤炭为燃料煤,燃料煤中的碳也都是以二氧化碳的形式排放的。所以煤制油过程的二氧化碳排放量相对较大。每吨产品混合油的二氧化碳排放量8.5吨左右,而生产1.5吨甲醇的二氧化碳排放量只有5.0吨左右。因此在生产过程中当量燃料的二氧化碳排放量,煤制油比煤制甲醇高得多。

甲醇和二甲醚是含氧化合物,这是一个很重要的特性。因为含氧,燃烧需要的空气量就少,空气与燃料的混合要求就低,局部过热和燃烧不完全的可能性就低。又由于甲醇和二甲醚产品杂质成分简单,这样燃烧时不但热效率高,而且燃烧尾气有害成分含量低,比如NOx(局部过热引起)、CO(燃烧不完全引起)等有害成分的含量就比油品燃烧尾气低得多,冒黑烟(析碳,局部过热供氧不足引起)的现象也很少。甲醇和二甲醚由其生产过程决定了产品中不会有硫和硫的化合物存在,故其燃烧尾气中自然不会有硫的化合物了。甲醇和二甲醚作为汽油和柴油的替代燃料,将降低污染物的排放,对环境产生积极影响。

从以上比较可以看出,不论是从资源的合理利用方面,还是环境影响方面,与煤制油比较,煤制醇醚燃料具有明显的优势。发展煤制醇醚燃料既有较好的经济性,又符合可持续发展的战略思想。

 

2 关于甲醇燃料与二甲醚燃料

甲醇燃料与二甲醚燃料的共同特点:

1)  含氧化合物:分子中含有氧原子,燃烧需氧(空气)量少,与空气混合要求低,热效率高;

2)  C-C链,燃烧过程不产生黑烟(析碳);

3)  燃烧尾气NOXSOXCO等有害成分含量比汽油、柴油都低;

4)  生产原料可利用我国相对丰富的煤炭资源。

5)  煤基当量燃料的生产成本已有很强的市场竞争力。

因此,甲醇和二甲醚不管从生产制造还是对环境的影响的角度看,作为替代能源是很合适的。那么,甲醇和二甲醚哪种更好呢?下表是甲醇和二甲醚燃料的对比情况。

甲醇燃料与二甲醚燃料的对比分析表

   

序号

比较项目名称

甲醇燃料

二甲醚燃料

 

1

毒性

中毒危害

无毒

 

2

燃料替代对象

汽油

柴油、液化气

 

3

可否做民用燃料

 

4

适用发动机

点燃式,汽油发动机

压燃式,柴油发动机

 

5

发动机热效率

基准

20%~30%

 

6

尾气中的甲醛

偏高,比汽油高,比柴油低.熄火、点火时产生量大

低,尾气排放可达欧III

 

7

尾气中的二氧化碳

相对较高

较低

 

8

替代对象消费量

汽油约5000万吨/

柴油约12000万吨/年、液化气约2200万吨/

 

从毒性、环境特性、燃烧特性方面分析,作为替代燃料,二甲醚都优于甲醇。甲醇主要替代对象为汽油,目前国内汽油年消费量约5000万吨。二甲醚主要替代对象为柴油和液化石油气,目前国内柴油年消费量约12000万吨,液化石油气年消费量约2200万吨。因此从替代对象的市场容量及前景看,二甲醚也比甲醇更有优势。

 

3 二甲醚作为替代燃料的特性

二甲醚具有与液化石油气(LPG)相似的物理性质,二甲醚替代液化石油气作燃料,从安全性和环保性方面均优于液化石油气,主要应用领域有:居民家庭及餐馆用燃料、陶瓷、玻璃烧制等工业用燃料、金属切割和焊接燃料。二甲醚替代液化石油气作燃料,已经得到广大消费者的认可,国家也出台了相应的燃料标准,因此二甲醚替代液化石油气的燃料特性在此就不再赘述。下面主要介绍二甲醚替代柴油的燃料特性。

上海交大、西安交大以及国外已完成以二甲醚作为汽车用燃料的行车试验,试验显示二甲醚燃料热效率高、污染小、噪声小。其主要特性如下:

二甲醚分子结构中无C-C键,只有C-OC-H键,且含34.78%的氧,燃烧后生成的碳烟微粒少,并容许采用较大的EGR,降低NOx排放。

二甲醚的十六烷值高于柴油,自然温度低,滞燃期比柴油短,NOx排放与燃烧噪声比柴油低。

二甲醚的热值比柴油低,仅为柴油的64.7%,但二甲醚与空气的理论混合气热值比柴油高5%,因此,二甲, 醚发动机的功率可以高于柴油机。

二甲醚的汽化潜热大,为柴油的1.64倍,采用直喷燃烧方式可大幅度减低柴油机缸内最高燃烧温度,改善NOx排放。

二甲醚在常压下-24.9℃就汽化成气体。为保证二甲醚在燃油系统不汽化,造成输送管道内气阻,必须对燃油加压。

二甲醚对金属无腐蚀性,所以对燃料系统的金属材料没有特殊的要求。

二甲醚对许多橡胶和塑料都有溶胀作用。应选用聚四氟乙烯等含氟塑料和丁基橡胶、氟硅橡胶做密封材料解决此问题。丁腈橡胶(耐油橡胶)是不适用于二甲醚的密封材料。

从以上二甲醚在民用燃料和交通工具动力用燃料的特性看,二甲醚是比较理想的柴油的替代燃料。

 

4二甲醚生产技术现状

目前国内外二甲醚生产方法主要有两种:合成气一步法和甲醇法,甲醇法又分为甲醇气相法和甲醇液相法。

1 合成气一步法

合成合成气一步法的主要特点在于反应的优势,CO变换反应、合成甲醇反应和甲醇脱水反应在一个反应器中完成。反应平反应衡常数大,合成气单程转化率高,可达40%~75%。国外开发合成气一步法有代表性的公司包括:丹麦Topsφe(气相法)、美国APCI(浆态床)和日本JFE公司(浆态床),但都只是作了中试,未见工业化生产的报道。国内的西南化工研究设计院、山西煤化所、大连化物所、清华大学、浙江大学、华东理工大学等也正在进行合成气一步法的研究和探索。

目前合成气一步法工业化技术尚未成熟,其主要缺陷为:1催化剂使用寿命短;2)反应产物中的二氧化碳分离困难;3)二甲醚选择性低,一般为90%-95%,原料利用率低。因此按现有技术,合成合成气一步法生产二甲醚的生产成本相对偏高。此外,合成合成气一步法只能生产单一产品二甲醚,副产的甲醇仅为产品量的1%~6%且无法大幅调整。而甲醇法则可灵活调整甲醇和二甲醚两种产品的比例,以适应市场需求。

业内专家对以天然气为原料生产二甲醚作了定量比较,其结论是合成气一步法的天然气消耗、电耗比甲醇气相法高,投资也略高。这个结论与此前的一些研究结果正好相反,其主要原因是以前的研究对合成气一步法分离过程需要低温操作这点未做深入探索。

2)甲醇液相法

甲醇液相法由硫酸法发展而来,而硫酸法生产二甲醚工艺是硫酸法生产硫酸二甲酯生产流程中的前半段生产工艺。原生产硫酸二甲酯的企业都拥有液相法技术。山东久泰科技股份有限公司的复合酸液相催化脱水技术在液相法中是国内乃至世界领先的,建有300kt/a生产装置。

液相法的特点是反应在液相中进行,反应温度低,甲醇在反应器中的单程转化率比气相法高,达95%以上。这样循环的甲醇量少,理论上可减少一定的蒸汽消耗。

先进的液相法虽然在原硫酸法的基础上有了多方面的改进,而且逐渐完善。但由于液相法固有的特点,仍存在一些问题。如电力消耗高,单台反应器生产能力低,大型装置投资高、占地面积大等等。因此甲醇液相法仅有山东久泰等为数不多的几家企业使用。

3 甲醇气相法

甲醇气相催化脱水法是目前国内外使用最多的二甲醚工业生产方法。国内拥有该项技术并已工业化的有西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司、山西煤化所、上海石油科学研究院等。国内技术与国外的丹麦Topsφe、日本TEC、德国联合莱茵河褐煤公司的生产方法大同小异。

甲醇气相法具有投资低、生产成本低、技术可靠等特点,国内外均有工业化装置。目前拟建和在建的二甲醚工业生产装置多为甲醇气相法。

4)先进的甲醇气相法

西南化工研究设计院是我国最早研究开发二甲醚生产技术的研究单位之一。早在上世纪90年代就建有10余套醇醚燃料和气雾剂级二甲醚生产装置。近年来,西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司加大了甲醇气相催化脱水法的研究开发力度,开发出完善、先进的独特生产工艺技术。与国内外现有甲醇气相催化脱水法比较,有较大的改进和创新,处于国际先进水平。

该技术拥有2项中国发明专利(ZL-95-1-13028.5ZL-2004-10022020.5),将关键技术列入专利保护范围。技术先进、可靠、投资少、甲醇和水蒸汽消耗低是该技术的突出特点。尤其是中国发明专利ZL-2004-10022020.5中的精馏分离方法,有效地大幅度地降低了生产过程中的水蒸汽消耗,节能效果相当明显,同时避免了回收甲醇提浓过程中的甲醇损耗。以粗甲醇为原料生产工艺技术也在已投产的多套100 kt/a装置上得到检验。

该技术的先进性和可靠性已在近年投产的30多套二甲醚生产装置上得到验证。目前由西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司转让技术并进行工程设计的装置已经超过70套,其中100kt/a装置18套、200kt/a装置9套。

目前,西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司正在承担国家“十一五”科技支撑计划“非石油路线制备大宗化学品关键技术开发”中“甲醇制二甲醚大型化工程开发”专题任务。

 

5 结论

以煤为原料生产液体燃料,煤基醇醚燃料优于煤制油,应优先发展。二甲醚是国家认可的主要替代能源。作为燃料,二甲醚热效率高,无毒无害、对环境的负面影响小、替代对象LPG和柴油消费量大,是市场前景最好的替代燃料。二甲醚生产方法,无论从投资还是生产成本的角度看,西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司的甲醇气相法新技术是值得企业优先考虑的。只要规划和建设好二甲醚的贮存、运输(输送)、加注设施,在不远的将来,二甲醚将成为我国举足轻重的替代燃料。

作者介绍:汤洪,男,1961年生,广西梧州人,1982年毕业于浙江大学化学工程专业。教授级高级工程师,现任四川天一科技股份有限公司总工程师。长期从事碳一化学特别是甲醇及其下游产品的研发与设计工作,是甲醇气相法生产二甲醚2项中国发明专利的主要发明人。

联系方式

电话: 028-85962872,13980604026

传真: 028-85884329

E-mailcdthong@163.com , cdthong545@yahoo.com.cn

协办单位: 四川天一科技有限公司   云南高清能源开发有限公司   河南天一化工科技有限公司  
行业联盟: 中国城市燃气协会  中国二甲醚协会  中国二甲醚网  四川天一科技股份有限公司  托普索国际公司  清华大学  上海交通大学 
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