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甲醇制二甲醚大型化装置工程开发
作者/来源:李淑芳,黄维柱 (四川天一科技股份有限公司,四川 成都 610225)   日期: 2009-05-19   点击率:9915
1 二甲醚市场需求分析
1.1  二甲醚市场环境分析
    国家对二甲醚等能源替代产业的发展十分重视。2006年7月4日,国家发改委下发的《二甲醚产业发展座谈会会议纪要》,进一步确定了二甲醚作为替代能源之一在中国能源化工中的地位,以及二甲醚生产向大型化发展的方向;2007年国家发改委和建设部先后颁布了二甲醚化工行业标准(HG/T3934-2007)和城镇燃气用二甲醚标准(CJ/T259-2007),促进了二甲醚作为液化气替代能源的发展进程。2008年10月车用二甲醚国家标准(20080752-T-606)草案出台,预计2009年正式颁布。近几年来能源市场产销的事实表明,二甲醚是具有较好发展前景的替代能源产品,是适合我国能源结构的替代燃料。
    虽然2008年受世界金融危机的影响,全球石油价格大幅度下跌,造成醇醚替代能源的市场价格也出现下滑,但从世界能源贮量和结构来看,目前的状况是暂时的。长远看,以煤为原料生产洁净的二甲醚燃料,作为石油资源的补充,对于解决我国石油短缺和环境保护问题,具有重要的经济意义和战略意义。
1.2  国内二甲醚市场需求分析
1.2.1  气雾剂领域
    二甲醚2005年的消费量为30 kt,2006年为40 kt,2007年为40 kt。随着人们生活水平的提高,预计2010年我国二甲醚在气雾剂领域的消费量将达到60 kt,2015年将达到100 kt。
1.2.2  化工原料领域
    二甲醚作为化工原料,可用于硫酸二甲酯,N,N-二甲基苯胺,二甲基硫醚,烯烃,聚丙烯等多种化工产品的生产。二甲醚在化工原料领域2005年的消费量为15 kt,2006年为20 kt,2007年为50 kt,预计2010年二甲醚在化工原料领域的消费量将达到100 kt,2015年将达到200 kt。
1.2.3  替代液化石油气
    我国液化气的表观消费量2004年为20.12 Mt,2005年为20.29 Mt,2007年为25 Mt。预计2010年国内LPG表观消费量将达34 Mt左右,2015年将达40 Mt左右。
    二甲醚不仅可按一定比例(15%~20%)掺入液化气(LPG)中,使液化气燃烧更加完全,降低析炭量,并可降低尾气中的一氧化碳和碳氢化合物含量;在生产成本低于液化气时可全面替代液化石油气。
    近年来二甲醚掺烧到液化气中,已占国内消费量的90%左右。2005年的消费量大约为170 kt,2006年大约为280 kt,2007年大约为1580 kt。2008年受全球金融危机、石油原油降价的影响,二甲醚的需求受到严重影响,但从长远看,单一生产液化气作为燃料的企业将越来越少,液化气将主要用作烯烃、丙烯生产的原料,预计到2010年,二甲醚直接替代液化气的比例可达25%,则二甲醚的需求量为10.88 Mt左右;2015年二甲醚的需求量为12.80 Mt左右。
1.2.4 替代柴油
    中国柴油消费增长很快,2004~2007年年增长率均在15.3%以上,预计2010年国内柴油消费量将达到130.50 Mt左右,2015年将达到155 Mt。
    由于二甲醚具有优良的燃烧性能,方便、清洁、十六烷值高、动力性能好、污染少、稍加压即为液体,易贮存,作为车用替代燃料,有液化气、天然气、甲醇、乙醇等不可比拟的综合优势。
2005年第一台具有自主知识产权的二甲醚客车在上海投用后,2007年、2008年上海、山东临沂、河南等有近100台二甲醚汽车投入试用,预计在2010年将推出二甲醚汽车2000辆,2010~2015年间国内二甲醚汽车将会加速发展。
    二甲醚作为柴油的替代燃料,2005年消费量为3 kt,2006年为10 kt,2007年为20 kt。按其对柴油的替代率为5%计算,预计2010年约需二甲醚6.5 Mt左右,2015年约需7.7 Mt。随着二甲醚汽车的成熟、完善,市场空间巨大。
    综上分析,二甲醚主要市场还是对液化气的替代和掺烧。车用燃料的潜在市场需求量也是很大的,预计到2010年全国合计消费量约为17.54 Mt,2015年全国合计消费量将达20.80 Mt左右。见表1。
表1  我国二甲醚的消费与需求预测         kt
消费构成
2005年
消费量
2006年
消费量
2007年
消费量
2010年
需求量
2015年
需求量
气雾剂等
30
40
40
60
100
民用燃料
170
280
1580
10880
12800
化工原料
15
20
50
100
200
柴油替代燃料
3
10
20
6500
7700
合计
218
350
1690
17540
20800
 
国内二甲能力现状分析
    随着二甲醚用途的日益扩展,市场潜在需求逐步增大,我国二甲醚工业发展迅速,已成为世界上最大的二甲醚生产和消费大国。据统计,2006年我国二甲醚生产能力为480 kt,2007年二甲醚生产能力大幅增加,至1970 kt,2008年二甲醚生产能力已超过3 Mt。到目前为止,国内已建成规模从10 kt/a到20 kt/a的二甲醚装置近60家,主要分布在河北、山东、河南、内蒙古、四川、云南、江苏、浙江、广东等地。预计2009年投产的二甲醚装置还有十余家,投产后总生产能力在1 Mt/a左右,2010年还缺口13.5 Mt。因此建设大型化二甲醚装置,有坚实的市场需求基础。
二甲大型化装置优势
3.1 符合国家发展政策
    国家发改委于2006年7月7日发布了《关于加强煤化工项目建设管理,促进产业健康发展的通知》,其中要求一般不应批准规模在1 Mt/a以下的二甲醚项目;2007年国家科委又将甲醇制二甲醚大型化的工程开发列为国家科技支撑计划重点项目,这对中国大型二甲醚项目的建设起了一定的推动作用,也促进了中国二甲醚行业的产业化和规模化发展。
    随着二甲醚市场的不断开发和甲醇制二甲醚工艺技术的不断创新完善,甲醇制二甲醚生产规模从2005年的10 kt/a级居多,发展到2008年200 kt/a级的居多,预计2009年新建的甲醇制二甲醚装置将以400 kt/a以上的大型化生产装置居多。
3.2  装置废热综合利用高,能耗低
    由于大型化装置的比投资(单位年产量的投资额)相对较低,增加少量投资即可实施更多节能降耗措施,因此废热(反应产生的热量、蒸汽冷凝水、生产废水热量)利用效果比中小规模装置好。单是蒸汽消耗一项,吨产品就可节省蒸汽0.2 t,按蒸汽均价120元/吨计,一个年产1 Mt的装置就节省蒸汽费用2400万元。节省循环水费用200万元。不同规模二甲醚装置蒸汽、水耗比较见表2。
表2  不同规模二甲醚装置能耗比较分析
消费构成
2005年
消费量
2006年
消费量
2007年
消费量
2010年
需求量
2015年
需求量
气雾剂等
30
40
40
60
100
民用燃料
170
280
1580
10880
12800
化工原料
15
20
50
100
200
柴油替代燃料
3
10
20
6500
7700
218
350
1690
17540
20800
 
3.3  装置比投资低,成本低
    由于大型化装置投资低,在成本结构中固定资产折旧和维修费用所占的比例较低,10 kt/a装置吨DME产品固定资产折旧和维修费用约120元,200 kt/a装置约80元,100 kt/a装置约45元,而1000 kt/a装置约32元。另外,大型化二甲醚装置的甲醇和能量消耗低,也是成本降低的主要原因。
    不同规模二甲醚装置比较分析见表3。
表3  不同规模的二甲醚装置投资、成本比较
规模
100 kt/a
200 kt/a
400 kt/a以上
投资
2.8
1.5
1.0(基准)
占地
3.0
1.7
1.0(基准)
蒸汽消耗
1.4
1.2
1.0(基准)
甲醇消耗
1.01
1.0
1.0(基准)
折旧和维修
2.67
1.77
1.0(基准)
生产管理成本
3.2
1.6
1.0(基准)
 
我公司二甲大型化工
    四川天一科技股份有限公司和西南化工研究设计院长期致力于甲醇制二甲醚生产技术的开发,获国家专利技术两项。采用我们的专利技术在全国建成的甲醇制二甲醚装置有60多家,2007年我公司承担了国家科技部科技支撑项目——甲醇制二甲醚大型化工程开发课题,2008年在完成大型化工艺流程模拟和200 kt/a装置开车模拟数据验证的基础上,完成了甲醇制二甲醚大型化的工程开发,并开展了年产400 kt甲醇制二甲醚的工程设计和年产500 kt、1 Mt甲醇制二甲醚装置的PDP编制。
4.1  甲醇制二甲醚大型化装置工艺流程
图1  甲醇制二甲醚大型化装置工艺流程图
    流程示意如图1。原料甲醇经多级换热汽化后与反应器出来的反应产物换热,进入多段冷激式固定床反应器,进行气相催化脱水反应,反应产物经多级换热冷却后进入精馏系统,分离得到产品二甲醚,釜液返回甲醇汽化提馏塔,将甲醇提浓循环使用,生产废水从甲醇汽化提馏塔底部排出。
4.2  二甲醚大型化的工艺技术特点
    西南化工研究设计院和四川天一科技股份有限公司开发的完善、先进、独特的大型化生产工艺技术,处于世界先进水平。该工艺有以下特点。
    (1)以粗甲醇为原料,大幅度降低生产成本。以粗甲醇为原料生产二甲醚的技术已经在数套200 kt/a装置上得到验证。
    (2)反应器采用多段冷激式固定床,催化剂装填容量大,投资低,反应温度适当,副反应少,易于大型化。既避免了绝热式固定床反应器温升太高,造成副反应增加、甲醇单程转化率偏低的弱点,又克服了换热式固定床和等温管式固定床反应器尺寸大、投资高、催化剂装填容量小的缺点(专利保护关键技术)。
    (3)采用结构独特的汽化提馏塔和分离工艺,不设置用于回收未反应甲醇的甲醇提浓塔。既简化流程、减少投资,又有效地减少蒸汽消耗。吨产品二甲醚的蒸汽消耗比国内外同类技术低0.5 t以上。同时也避免了甲醇提浓塔(常压操作)操作过程中的甲醇损耗,有效地保证了甲醇的低消耗(专利保护关键技术)。
    (4)采用自行研究开发的专用催化剂,规模生产,活性好、热稳定性好;经多套工业装置验证,脱水反应选择性在99.5%以上,从而使甲醇单耗降到最低。
4.3  大型化装置主要操作指标
    反应系统  压力0.5~1.2 MPa,温度230~400 ℃
    精馏系统  压力0.6~1.0 MPa,温度45~155 ℃
4.4 装置性能指标
    (1)原料  甲醇或粗醇
    (2)产品  二甲醚≥99.0%,执行国家化工行业标准(HG/T3934-2007)
    (3)二甲醚装置消耗(表4,以每吨DME产品计,不含公用工程耗电)
表4  二甲醚装置消耗情况
名  称
消耗量
甲醇(粗甲醇折纯)/t
1.395
水蒸气(≥1.3MPa)/t
1.0
循环冷却水(≥0.35 MPa,≤32 ℃)/t
70.00
仪表空气(0.4~0.6 MPa,≤32 ℃)/m3
1.200
电(380/220 V,50Hz)kW·h
6.00
催化剂(专用)/kg
0.05
 
4.5  装置占地(按100 kt/a 二甲醚装置考虑)
    生产装置  55×30 m2
    原料、产品贮罐区  根据储存周期确定。
    公用工程  根据具体情况确定。
甲醇制二甲大型化装置技术关键
    (1)先进的工艺技术,使生产装置流程简洁、技术可靠
    大型化的工艺技术是本公司在数十套工业装置成功运行的生产实践基础上,优化出的先进工艺流程。工艺的先进性体现在装置热量的综合利用和能耗降低方面,本装置采用多级换热设备将反应器出来的反应物热量充分利用,并将蒸汽冷凝水、生产废水废热一并回收,有效利用,既节省了蒸汽消耗,又节省循环水消耗。随着二甲醚生产厂家越来越多,二甲醚市场竞争也越来越激烈,装置流程简洁,投资少、能耗低、产品质量高,是企业在竞争中保持优势的前提。
    (2)主要设备的大型化技术
    二甲醚大型化的技术关键之二是反应器的大型化。1 Mt/a规模的反应器直径为5 m,由于直径增大或分布器设计问题可能导致反应器径向气流分布不均匀,催化剂的利用率下降,最终的结果是达不到设计转化率,从而使甲醇循环量增加,能耗增加;由于径向气流分布不均匀,可能导致催化剂床层局部温升过高,反应不平稳。由此看来反应器放大设计的关键是催化剂床层的合理分布和进气管分布器的设计。西南院长期从事变压吸附吸附塔的气体分布研究,对气体分布器的大型化设计经验丰富。大型化装置采取多段冷激式反应器和独特的分布器结构解决这一问题。多年来研究的各种反应器数学模型已经过100 kt/a、200 kt/a工业装置的验证和修正。以1 Mt甲醇制二甲醚装置为例,主要设备见表5。
表5  1 Mt/a甲醇制二甲醚装置主要设备一览表
类型
反应器
塔类
最大的换热器
最大的定型设备
设备名称
反应器
汽化塔
精馏塔
粗甲醚冷凝器
甲醇进料泵
规格
φ5000
φ5000
φ4400
φ3000,
F=3285m2
Q=160m3/h,
H=200m
结构型式
多段冷激式
导向型浮阀塔
导向型浮阀塔
固定管壳
磁力泵
重量/t
112
224.3
154.5
91
 
设备加工
国内可加工
国内可加工
国内可加工
国内可加工
多家厂商提供
运输
整体运输可行
分段运输可行
分段运输可行
整体运输可行
可行
 
    (3)适用于大型化装置的专有催化剂
    本公司和西南化工研究设计院,长期从事甲醇制二甲醚催化剂的开发、研究、生产,我们承担的科技部科技支撑项目——甲醇制二甲醚大型化工程开发课题,涵盖了适用于大型化装置催化剂的研制。经过多年努力,我们研制出的催化剂热稳定性好、强度高,能抗击径向气流分布不均和轴向气流的冲刷。
    (4)装置大型化的生产安全保证
    甲醇和二甲醚均是甲类易燃易爆物质,装置大型化以后,设备最大直径为5 m,设备(塔类)最高接近50 m,热力管道最大Φ900 mm,反应系统为高温带压,如何保证装置安全平稳运行,这也是二甲醚装置大型化的技术关键,我们设计的装置设置了20多套自动控制系统和多套安全联锁控制系统,规范、专业化的设计,以及多年的设计经验,将大型化装置发生火灾、爆炸危险程度降至最低。
    (5)可靠的技术支撑和工程放大的经验
    四川天一科技股份有限公司和西南化工研究设计院长期从事应用化工的研究开发工作,有丰富的工程放大经验。2005年至2007年将二甲醚装置放大到10 kt/a、100 , kt/a、200 kt/a,装置一次投料试车都100%成功,是目前国际、国内提供技术建设二甲醚工业化装置最多的单位。
6  成本及效益分析(表6)
  表6  二甲醚生产成本
项目
消耗
单价/元/t
费用/元
原、辅材料
 
 
2795
甲醇
1.395 t
2000
2790
催化剂
0.050 kg
100
5.0
公用工程
 
 
174.76
6 kW·h
0.50
3.0
循环冷却水
70 t
0.2
14.0
蒸汽
1.0 t
120
120
仪表空气
1.2 m3
0.2
0.24
补充水
2.0 t
1.80
3.6
工资及附加费
 
 
1.92
折旧及维修
 
 
32
合计
 
 
2969.76
    注明:本项目总定员为48人,工资及附加费按40000元/(人·年)计算。
    装置大型化后,二甲醚装置管理成本很低,二甲醚的生产成本主要取决于甲醇原料成本和蒸汽消耗,甲醇原料、蒸汽消耗和管理成本的降低,给二甲醚生产带来明显经济效益,按吨产品最低盈利200元计,1 Mt/a装置年利润就可达2亿,2年左右就能收回投资。而每吨产品能有200元的利润是很容易做到的。
    可见规模效益,这是小装置无法抗衡的。
结  论
    (1)从二甲醚市场潜在需求和工程开发的成熟度来看,建设甲醇制二甲醚大型化工业装置的先决条件都具备了。
    (2)四川天一科技股份有限公司和西南化工研究设计院联合推出的甲醇制二甲醚大型化生产技术为国内同类领先技术、世界先进水平。
    (3)甲醇制二甲醚大型化装置在投资、节能、降低生产成本等方面远远优于小型装置。
    (4)在未来越来越激烈的二甲醚市场竞争中,年产400 kt以上规模的甲醇制二甲醚大型化装置将占主流地位。
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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