二甲醚用作城鎮(zhèn)燃?xì)獾募夹g(shù)及其經(jīng)濟(jì)性

摘 要

摘要：國(guó)內(nèi)二甲醚產(chǎn)能增長(zhǎng)較快，亟待研發(fā)其安全高效利用技術(shù)，拓展利用途徑，以加快推進(jìn)市場(chǎng)化進(jìn)程。城鎮(zhèn)燃?xì)馐嵌酌牙米顬楝F(xiàn)實(shí)、市場(chǎng)前景最為廣闊的領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)可行的
摘要：國(guó)內(nèi)二甲醚產(chǎn)能增長(zhǎng)較快，亟待研發(fā)其安全高效利用技術(shù)，拓展利用途徑，以加快推進(jìn)市場(chǎng)化進(jìn)程。城鎮(zhèn)燃?xì)馐嵌酌牙米顬楝F(xiàn)實(shí)、市場(chǎng)前景最為廣闊的領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)可行的瓶裝二甲醚、LPG復(fù)合燃料供氣以及以二甲醚為原料生產(chǎn)代天然氣產(chǎn)品供應(yīng)城市管網(wǎng)的技術(shù)，可以極大提高二甲醚利用量，有效破解目前國(guó)內(nèi)二甲醚產(chǎn)能相對(duì)過(guò)剩的難題。為此，分析了二甲醚利用中存在的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)缺失、市場(chǎng)監(jiān)管力度不夠、產(chǎn)業(yè)化程度低等問(wèn)題；同時(shí)對(duì)二甲醚作為替代能源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入研究，結(jié)論指出：等熱量的二甲醚價(jià)格比天然氣、液化石油氣分別低15%、10%以上時(shí)，就具有經(jīng)濟(jì)可行性。從遠(yuǎn)景看，二甲醚作為柴油汽車(chē)替代燃料市場(chǎng)容量大，但需要攻克的難題也較多；而作為城市管網(wǎng)調(diào)峰與事故應(yīng)急氣源，則還有許多需要用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的技術(shù)內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：二甲醚；能源；城鎮(zhèn)燃?xì)?；替代燃料；?fù)合燃料技術(shù)經(jīng)濟(jì)性
    近幾年，我國(guó)二甲醚(DME)產(chǎn)業(yè)依托國(guó)內(nèi)煤炭資源相對(duì)豐富的優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭，預(yù)計(jì)到2010年前后，我國(guó)DME產(chǎn)能將超過(guò)1500×104t/a。產(chǎn)能的快速增長(zhǎng)，需要有市場(chǎng)需求量作為支撐。DME的安全高效利用這個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題就成為當(dāng)務(wù)之急。
1 DME的主要利用途徑
1.1 用作城鎮(zhèn)燃?xì)?/span>
    城鎮(zhèn)燃?xì)忸I(lǐng)域DME替代的主要是LPG和天然氣。以DME替代5%的LPG和5%的天然氣計(jì)，到2010年，全國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)忸I(lǐng)域需要消耗DME的總量就為480×104t/a。
1.1.1純DME氣體燃料
    純DME作為氣體燃料，利用方式包括瓶裝供應(yīng)和區(qū)域管網(wǎng)供應(yīng)。按照DME的特性以及國(guó)家相關(guān)規(guī)定，所有氣瓶、燃燒設(shè)備以及輸配、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)都得采用DME專(zhuān)用設(shè)備，主要原因是DME對(duì)部分密封橡膠具有一定的溶脹性。解決這一技術(shù)問(wèn)題不存在任何難點(diǎn)；但對(duì)于一個(gè)獨(dú)立的、相對(duì)封閉的供氣系統(tǒng)，無(wú)論是氣源供應(yīng)保障、設(shè)備運(yùn)行安全，還是系統(tǒng)靈活性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面，都必定受到較大的制約和影響。與LPG設(shè)施不兼容，使用范圍受到限制，降低了實(shí)施的便利性，影響市場(chǎng)拓展空間。再者，市場(chǎng)培育需要一定時(shí)間，推廣上也存在一定難度。
1.1.2與LPG混合作為復(fù)合燃料瓶裝供應(yīng)
    將DME與LPG按照一定的比例在瓶?jī)?nèi)液相混合，利用已有LPG自身的供氣系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)施供氣，但供氣系統(tǒng)的所有設(shè)施都需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)改進(jìn)。這種復(fù)合燃料瓶裝供應(yīng)模式在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面都較為可行，氣源有保障，靈活性、可靠性也較高，特別是成本相對(duì)較低。難點(diǎn)在于市場(chǎng)監(jiān)管和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的缺失。技術(shù)方面的問(wèn)題是需要研制出能夠適應(yīng)這種復(fù)合燃料特性的、且具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的各類(lèi)設(shè)備，以及確定合理的配比。
1.1.3供應(yīng)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)
    以DME作為原料，調(diào)制成合格的代天然氣產(chǎn)品供應(yīng)城市管網(wǎng)，用于日常供氣或調(diào)峰氣源及事故應(yīng)急氣源。這一利用途徑具有利用量大、可以產(chǎn)生規(guī)模效益的特點(diǎn)，市場(chǎng)前景較好。難點(diǎn)是需要解決諸如工藝流程優(yōu)化、原料的配制比例、燃燒特性及燃?xì)饣Q性研究等一系列技術(shù)問(wèn)題。
1.2 替代柴油用作汽車(chē)燃料
    該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)DME汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)或者能夠適應(yīng)DME的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及相應(yīng)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)。利用DME十六烷值與柴油相當(dāng)?shù)奶匦?，采用直接壓燃方式，以DME替代柴油作為汽車(chē)燃料。但這一領(lǐng)域的難點(diǎn)較多，比如加注站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)等，涉及技術(shù)、政策及市場(chǎng)層面。
2 DME用作城鎮(zhèn)燃?xì)獾募夹g(shù)
2.1 DME的制備
    DME可由天然氣或煤炭作為原料來(lái)生產(chǎn)。一般來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)DME采用二步法工藝，先由煤炭或天然氣制取甲醇，再由甲醇脫水得到DME[1～3]。2.5t劣質(zhì)煤炭可以生產(chǎn)出1.0t DME。若煤炭?jī)r(jià)格為500元/t，DME生產(chǎn)成本則為2600～3000元/t。
2.2 DME用作城鎮(zhèn)燃?xì)獾臉?biāo)準(zhǔn)和要求
    DME用作城鎮(zhèn)燃?xì)獾幕疽螅孩傧嚓P(guān)設(shè)備必須能夠適應(yīng)DME特性的要求；②與原有氣源具有互換性；③不損害消費(fèi)者利益。對(duì)于質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)方面的要求，在現(xiàn)階段“國(guó)標(biāo)”尚不夠完善的情況下，主要是將已頒布的“國(guó)標(biāo)”、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與地方標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行管理，解決DME使用過(guò)程中的安全技術(shù)等問(wèn)題?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)有：“國(guó)標(biāo)”《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸?lèi)和基本特性》(GB/T 13611—2006)、化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《二甲醚》(HG/T 3934—2007)、建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)燃?xì)庥枚酌选?CJ/T 259—2007)等。DME用作城鎮(zhèn)燃?xì)獾木唧w要求包括：①必須限定熱值的變化范圍，與原有氣源的熱值應(yīng)該相當(dāng)，以解決氣體體積結(jié)算統(tǒng)一等問(wèn)題；②DME用作城鎮(zhèn)燃?xì)鈺r(shí)，華白指數(shù)和燃燒勢(shì)參數(shù)應(yīng)該在“國(guó)標(biāo)”規(guī)定的范圍內(nèi)；③安全性能各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。
    除理論分析之外，燃燒試驗(yàn)驗(yàn)證也相當(dāng)關(guān)鍵。對(duì)燃燒器具進(jìn)行氣源適配性測(cè)試，可更進(jìn)一步提高DME用作城鎮(zhèn)燃?xì)獾目尚行?sup>[4]。測(cè)試內(nèi)容有燃燒工況、點(diǎn)火、煙氣排放指標(biāo)、熱效率、熱負(fù)荷、熱水產(chǎn)率等。
2.3 DME與LPG復(fù)合燃料供應(yīng)
DME與LPG混合后作為復(fù)合燃料供應(yīng)，利用的是原有的LPG供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)施及燃燒器具。因此，控制DME的摻混比例使之完全適應(yīng)原系統(tǒng)的要求是關(guān)鍵點(diǎn)?？刂芁PG中摻混DME比例的依據(jù)是：①?gòu)?fù)合燃料的燃燒特性參數(shù)符合“國(guó)標(biāo)”《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸?lèi)和基本特性》要求，即華白指數(shù)與燃燒勢(shì)變化范圍在允許范圍之內(nèi)，并通過(guò)氣源適配性測(cè)試[5～6]；②熱值下降幅度在可接受的范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)典型的LPG中摻混不同比例(質(zhì)量比)DME后的復(fù)合燃料主要燃燒特性參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 國(guó)產(chǎn)典型LPG中摻混DME后的主要燃燒性參數(shù)表
項(xiàng)目
摻混比例(質(zhì)量比)
LPG:DME=2:1
LPG:DME=3:1
LPG:DME=4:1
氣相低位熱值/MJ·m-3
93.08
97.05
99.48
華白指數(shù)/MJ·m-3
75.78
78.71
80.39
燃燒勢(shì)(CP)
44.00
43.80
43.68
由表1可知，將DME摻混比例控制在20%以下，可以同時(shí)兼顧燃燒特性參數(shù)的變化范圍和熱值降低幅度都滿(mǎn)足要求。
2.4 生產(chǎn)12T類(lèi)別代天然氣
DME不能單獨(dú)作為原料生產(chǎn)出合格的12T代天然氣產(chǎn)品供應(yīng)管網(wǎng)，須與天然氣或其他氣相密度小、華白指數(shù)高的燃?xì)?比如含有氫氣的人工煤氣、或含有大量甲烷氣體的煤層氣等可燃?xì)怏w)混合、調(diào)配[7]。以DME為原料的幾種典型的混合氣參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 幾種典型的混合氣參數(shù)表
混合氣
混合比例/%
低位熱值
華白指數(shù)
燃燒勢(shì)
DME:西氣東輸氣:空氣
MJ/m3
DME:西氣東輸氣:空氣
氣相體積比
7.5:85.9:6.6
36.0
48.2
37.36
質(zhì)量比
17.6:72.7:9.7
DME:焦?fàn)t氣:西氣東輸氣
氣相體積比
13.5:22.5:64
36.0
48.2
52.47
質(zhì)量比
31.8:13.7:54.5
DME:油制氣:西氣東輸氣
氣相體積比
9.8:20.5:69.7
36.0
48.2
49.12
質(zhì)量比
23.0:17.5:59.5
DME:煉廠氣:西氣東輸氣
氣相體積比
10.0:68.0:22.0
36.0
48.2
69.02
質(zhì)量比
23.6:57.5:18.9
   表2表明：混合氣的熱值與原12T天然氣相等，燃燒特性參數(shù)變化范圍符合要求，可以互換，安全指標(biāo)同樣符合要求。但DME摻混比例不高，質(zhì)量比在20%左右且須添加大量天然氣(一般在50%以上)。因此，DME使用量受到制約，而且實(shí)施過(guò)程缺乏便利性。
2.5 DME代天然氣用于城市管網(wǎng)調(diào)峰或應(yīng)急供氣
    作為12T天然氣管網(wǎng)的事故應(yīng)急供氣，特殊情況下，天然氣中摻混DME的比例可適當(dāng)增加，且可以采用提高熱值的措施抑制華白指數(shù)值的下滑。DME的混配比例須進(jìn)行燃燒性能測(cè)試后獲得。
    DME用于城市管網(wǎng)的調(diào)峰氣源，還存在眾多局限，有些技術(shù)內(nèi)容還需要進(jìn)一步論證和研究：①不能單獨(dú)成為調(diào)峰氣源，必須與大量的天然氣(質(zhì)量比占50%以上)混合后，才能成為合格的產(chǎn)品氣供應(yīng)管網(wǎng)。②含有一定比例DME的混合氣體作為管網(wǎng)氣源，對(duì)CNG汽車(chē)等會(huì)構(gòu)成一定影響——高壓狀態(tài)下重組分凝結(jié)問(wèn)題須引起重視。此外，管網(wǎng)內(nèi)的其他用戶(hù)使用該混合氣體時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量是否會(huì)受到影響，需進(jìn)行專(zhuān)題研究。③管道輸送壓力會(huì)因此受到限制，必須考慮烴露點(diǎn)變化問(wèn)題，避免DME凝結(jié)。
3 DME的經(jīng)濟(jì)性分析
    DME的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在其與LPG、天然氣及其他競(jìng)爭(zhēng)能源的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，來(lái)源于煤炭原料的DME，在高石油價(jià)格背景下，替代天然氣和LPG，均存在經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。如果等熱量的DME價(jià)格比天然氣低15%以上，比LPG低10%以上時(shí)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)可行性(見(jiàn)表3)。
表3 等熱量條件下DME與天然氣和LPG價(jià)格對(duì)照表
天然氣價(jià)格/元·m-3
對(duì)應(yīng)DME價(jià)格/元·t-1
對(duì)應(yīng)LPG價(jià)格/元·t-1
2.50
2155
3160
2.80
2415
3540
3.00
2590
3800
3.20
2760
4050
33.50
3020
4425
3.80
3280
4810
4.00
3450
5055
4.20
3620
5300
4.50
3880
5685
4.80
4140
6065
5.00
4310
6315
5.50
4740
6945
4 結(jié)束語(yǔ)
    1) 發(fā)展DME產(chǎn)業(yè)符合我國(guó)貧油少氣多煤的能源現(xiàn)狀。
    2) DME用于城鎮(zhèn)燃?xì)獾南嚓P(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂，儲(chǔ)運(yùn)與利用環(huán)節(jié)的工藝技術(shù)路線(xiàn)確立、設(shè)備的研發(fā)，都是需要進(jìn)一步開(kāi)展的工作。暫時(shí)存在的技術(shù)障礙是可以逾越的。
    3) DME替代LPG，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面均具有可行性。特別是DME與LPG混合瓶裝供應(yīng)，包括小區(qū)管道供應(yīng)，推廣應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)性，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯，且市場(chǎng)前景廣闊。開(kāi)發(fā)市場(chǎng)的最佳時(shí)機(jī)應(yīng)該是高油價(jià)、特別是LPG價(jià)格高企時(shí)期。
    4) 一旦市場(chǎng)監(jiān)管難題破解，DME與LPG復(fù)合燃料的發(fā)展前景大有可為。
    5) 遠(yuǎn)期看，DME作為柴油汽車(chē)替代燃料，市場(chǎng)容量大，但需要攻克的難題也較多。包括汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及燃料供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)、加注站建設(shè)等。
    6) DME作為城市管網(wǎng)調(diào)峰與事故應(yīng)急氣源的意義重大，但理論分析結(jié)果不太樂(lè)觀，還有許多需要用試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證的技術(shù)內(nèi)容。
    7) DME作為城市管網(wǎng)調(diào)峰和事故應(yīng)急的工藝流程、氣源互換性研究等，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和深入研究，以便掌握相關(guān)數(shù)據(jù)，確定合理的摻混方式和比例。
    8) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)滯后或缺失，制約了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，需要全社會(huì)共同關(guān)注并推進(jìn)此項(xiàng)工作的落實(shí)。
參考文獻(xiàn)
[1] 王啟，項(xiàng)友謙.DME在城鎮(zhèn)燃?xì)忸I(lǐng)域的應(yīng)用前景[J].煤氣與熱力，2007(5)：24-27.
[2] 羅東曉.DME及其應(yīng)用技術(shù)分析[J].天然氣工業(yè)，2008，28(1)：134-136.
[3] 逢進(jìn)，馬亮.DME的制造及其燃燒應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2002(6)：235-238.
[4] 羅東曉，李明.天然氣與人工煤氣的快速經(jīng)濟(jì)置換[J].天然氣工業(yè)，2005，25(11)：111-114.
[5] 羅東曉，楊艷麗.DME燃料的燃燒性能研究[J].上海煤氣，2007(4)：4-6，30.
[6] 申威，張阿玲，韓為建.車(chē)用替代燃料能源消費(fèi)和溫室氣體排放對(duì)比研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26(11)：105-107.
[7] 羅東曉.以二甲醚為原料生產(chǎn)代天然氣的方法：中國(guó)，ZL200610122686.7[P].2009-07-01.
 
(本文作者：羅東曉1，2 張秀琴3 1.新奧燃?xì)饪毓捎邢薰荆?.中山大學(xué)；3.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院)