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关于二甲醚替代能源的思考
作者/来源:汤 洪,许建平,孙 炳(四川天一科技股份有限公司,四川 成都 610225)   日期: 2009-05-15   点击率:2970

1 替代能源的要素与二甲醚燃料

按照可持续发展战略思想,替代能源应具备以下要素。

1)有充足的资源。没有丰富的资源支持,就无法保证替代能源的大规模生产,也不能真正解决能源的替代问题。

2)有环保性。替代能源应有较好的环境特性,其生产与应用如果对环境造成消极影响,则不是理想的替代能源。

3)有经济性。替代能源的生产成本应低于现有能源的生产成本,否则没有市场竞争力。

任何产品的生产成本由生产装置建设以及生产过程中自然资源、社会资源、人力资源的消耗量表征。替代能源也不例外,替代能源的发展也要遵循经济规律。

替代能源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。比如风能、太阳能的利用等,从目前的情况看,最大的问题是投资过高,设备效率低。事实上,风能发电是要靠国家补贴才能维持生产的。其高投入已经说明形成生产装置(固定资产)过程中消耗了大量资源,因此成本就高。生产成本高的能源生产方法是不可取的。

所以生产成本最能说明问题。每个历史时期都有与该时期相适应的能源,生产成本高的替代能源就是与所处历史时期不相适应。

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液体燃料的巨大需求。

尽管替代能源使用和推广的基本前提之一是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。比如生物质能源,植物生长需要化肥、农药这些是需要消耗能源的,而从植物到燃料的生产过程也必然要消耗能源,这些能源也是不可再生的;从生物到燃料的加工过程也会产生污染。又及,需要政府补贴的替代能源是不宜大力发展的。

我国是能源消费大国,虽然石油储量产量不能满足消费需求,但并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),即作为运输工具(车、船、飞机)动力用的液体燃料。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,需要大量进口,石油的对外依存度连续几年超过45%。动力用液体燃料自给不足的问题将制约我国社会经济的发展,影响我国经济的相对独立,直至影响我国的能源安全。因此,寻找新的液体燃料以补充石油缺口,应是目前能源工作的当务之急。

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。当然,有一定的经济性是前提条件。

二甲醚燃料具备上述替代能源的诸要素,理应优先发展。近年来关注二甲醚燃料的除中国以外,还有日本、韩国和一些欧盟国家。这些国家注重的主要是二甲醚的环保特性。比如日本,规划中的二甲醚燃料主要是用于发电和车用。而在中国,由于燃料油的巨大缺口,又有相对丰富的煤炭资源作为二甲醚生产的原料,发展煤基二甲醚替代能源更是一举多得的事情。

2  煤基燃料油和煤基醇醚替代能源的比较

煤基燃料油也具备上述替代能源的诸要素,所以有必要作比较。

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、车辆、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,1.5 t甲醇与1 t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1 Mt/a的煤制油装置与1.5 Mt/a的煤制甲醇装置投资进行比较。1 Mt/a煤制油装置的投资超过120亿元,而1.5 Mt/a的煤制甲醇装置投资只有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,每吨油品的煤炭消耗均在4.5 t以上;而煤制甲醇每吨甲醇的原料煤消耗不到2 t1.5 t甲醇的煤炭消耗不到3 t。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

生产过程二氧化碳排放比较

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。油品不含氧,甲醇、二甲醚含氧。煤制醇醚既用了水中的氢原子又用了水中的氧原子;而煤制油只用了水中的氢原子,没有用水中的氧原子,这样氧原子最终是以二氧化碳的形式排放的。而且水中的2个氧原子要消耗煤炭中的1个原子碳,由此也可推断煤制醇醚的原料利用率高。又由于煤制油的煤炭消耗量大,燃料煤中的碳也都是以二氧化碳的形式排放的。部分工艺中还有煤变成二氧化碳,所以煤制油过程的二氧化碳排放量相对较大。每吨混合油的二氧化碳排放量在8.5 t左右,而生产1.5 t甲醇二氧化碳排放量只有5.0 t左右。因此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。

燃烧尾气比较

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组成简单,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,故燃烧尾气中自然不会有硫的化合物。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。

3  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如下。

1)为含氧化合物。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)无CC链,燃烧过程不产生黑烟(析碳)。

3)燃烧尾气中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较强的市场竞争力。

因此,甲醇和二甲醚不管从生产过程还是对环境影响的角度看,作为替代能源是很合适的。表1是甲醇和二甲醚燃料的对比情况。

1  甲醇燃料与二甲醚燃料的对比分析表

比较项目

甲醇燃料

二甲醚燃料

毒性

中毒危害

无毒

燃料替代对象

汽油

柴油、液化气

可否做民用燃料

适用发动机

点燃式,汽油发动机

压燃式,柴油发动机

发动机热效率

基准

20%30%

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

尾气中的二氧化碳

相对较高

较低

替代对象消费量

汽油约50 Mt/a

柴油约120 Mt/a液化气约22 Mt/a

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50 Mt。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120 Mt,液化石油气年消费量约22 Mt。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。

4  二甲醚作为替代能源的特性

二甲醚具有与液化石油气(LPG)相似的物理性质,从安全性和环保性来看,二甲醚均优于液化石油气。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。

二甲醚可替代柴油。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包括行车试验在内的各种试验。试验结果表明,二甲醚燃料热效率高、污染小、噪声小。其主要特性如下。

1)二甲醚分子结构中无CC键,只有COCH键,且含34.78%的氧,燃烧后生成的炭烟微粒少,并容许采用较大的EGR,降低NOx排放。

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

3)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。

4)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降低柴油机缸内最高燃烧温度,改善NOx排放。

5)常压下二甲醚在-24.9 ℃就汽化成气体。为避免造成输送管道内气阻,保证二甲醚不汽化,二甲醚应加压储存和输送。

6)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。

7)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,解决溶胶问题。丁腈橡胶(耐油橡胶)不适用于作为二甲醚的密封材料。

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替代燃料。

5 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。甲醇气相法是目前国内外使用最多的二甲醚工业生产方法。

5.1  合成气一步法

国内外有多家研究机构对合成气一步法进行了研究开发,如丹麦Topsφe、美国APCI和日本JFE公司,国内清华大学、山西煤化所、大连化物所、浙江大学、华东理工大学等都进行了合成气一步法的研究和探索。

合成气一步法的主要特点在于反应的优势,合成二甲醚所需的三个化学反应(CO变换、合成甲醇和甲醇脱水)在一个反应器中完成,而且合成气单程转化率高,可达40%75%,理论上可以简化生产流程。但合成气一步法的关键性问题尚未解决,工业化技术尚未成熟。按现有技术水平,生产成本比甲醇法高。

5.2  甲醇液相法,

液相法的特点是反应温度低,甲醇在反应器中的单程转化率比气相法高,达95%以上。这样循环使用的甲醇量少,理论上可减少一定的蒸汽消耗。但由于液相法固有的特点,也存在一些问题,如电力消耗高,单台反应器生产能力低等。在地域和资源配置适宜的情况下,有一定的市场竞争力。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技术,建有2300 kt/a生产装置。

5.3  甲醇气相法

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。目前已投产的、拟建和在建的二甲醚生产装置多为甲醇气相法。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、中科院大连化学物理研究所、上海石油科学研究院、北京大学等。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。

西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司经多年研究开发,形成了完整、先进、独特的甲醇气相法二甲醚生产技术。与国内外现有甲醇气相法比较,有较大的改进和创新,处于国际先进水平。该技术的先进性和可靠性已在近年投产的40多套二甲醚生产装置上得到验证。目前转让技术并进行工程设计的装置已经超过70套,其中100 kt/a200 kt/a装置已超过30套,市场占有率在80%以上。

6  二甲醚替代能源的市场前景

1)替代液化石油气

二甲醚可以以与液化石油气按一定比例混合或单独作为燃料,替代液化石油气。其主要应用领域有: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。近几年我国的液化石油气消费量在22 Mt/a左右。随着人民生活水平的提高和工业应用领域的拓宽,液化石油气的需求量将逐年增加。如按每年需求量增长8%计,2015年液化石油气的需求量将达到37.70 Mt/a。由于液化气可作为高附加值的乙烯、丙烯等烯烃生产的原料,新建和改扩建的大型炼油装置均不再销售液化石油气产品,因此今后液化石油气的生产销售量不但不会大幅增加,反而会有下降趋势。二甲醚恰好是填补液化气缺口的最好燃料。按二甲醚与液化石油气的替代比为1.31计,如在2015年替代率为1/3,届时二甲醚的需求量将超过16 Mt/a。如果二甲醚生产成本有竞争力(取决于煤炭价格),则替代率会更高,二甲醚的需求量也会更大。因此,我们认为二甲醚可全面替代液化石油气。

2)替代柴油

    如果说二甲醚替代液化石油气的消费量可以由市场本身来决定,那么替代柴油则完全不同。尽管煤基二甲醚替代柴油有环保、成本低等多方面优势,从技术层面也具备了必要的条件,但能否顺利实施替代还取决于国家的政策支持力度。因为二甲醚替代柴油作车用燃料,涉及车辆制造、二甲醚储存、运输输送、加注站建设等诸多问题,需要大量的资金投入。二甲醚逐渐替代柴油可能还需要一段时间,或者两三年,或者五六年。但柴油的需求量很大,哪怕只替代10%,按替代比1.31计,二甲醚替代柴油的年消费量也在15 Mt以上。因此到2015年,二甲醚作为替代能源的消费总量达到30 Mt/a是可能的。

7   

二甲醚作为燃料,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,是市场前景很好的替代燃料。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。

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 
           中科院大连化物所  中科院山西煤化所  西安交通大学  山东科技大学  北京理工大学  华东理工大学 
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