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开发应用 几种天然气制二甲醚方案用于解决国内天然气应用的探讨 张昊志 倪维斗 江华 清华大学热能工程系 北京 100084 摘要 在国内 天然气储量较高 但地域分布极不均衡 多分布在西部等偏远地区 同时对天然气开发不足 对其利用的 解决方案有限 将天然气转化为清洁能源二甲醚 DME 替代现有的化工原料或燃料 可以有效的解决国内天然气的利用 本文通过对中国科学院大连化物所的新型二甲醚工艺 概念性纯氧工艺以及美国空气产品公司的DME工艺进行模拟和技术 经济性分析对比 并对关键参数如当地参考发电效率 规模 天然气价格和电价等进行灵敏度分析 说明大连化物所的新型二 甲醚生产方案更适合在国内偏远地区进行大规模DME生产 关键词 二甲醚 天然气 发电效率 一步法 经济性 中图分类号 TQ 21 文献标识码 B 文章编号 100129219 2004 06228206 收稿日期 2004 07 12 作者简介 张昊志 1977 硕士 电话013810028602 zhz00 mails tsinghua 0 前言 二甲醚 DME 的性质与液化石油气 LPG 相 似 却比LPG更安全 燃烧效率更高 用于替代柴油 也具有很大优势 是一种清洁高效的新型燃料 制 备DME采用新型的一步法方案更能减少能耗 降 低投资和成本 但目前世界上DME的产量不大 一 步法方案还只停留在研究和中小型示范阶段 因此 研究推广大规模的DME生产方案成为亟待解决的 问题 天然气在国际能源应用比例逐年上升 是今后 石油的主要替代能源之一 目前 世界范围内天然 气在能源消费比例中占24 左右 预计到本世纪中 叶将上升到40 我国天然气资源较为丰富 但因 为传统的 重油轻气 方针和技术落后问题 使得天 然气无论从开发到应用都处在落后阶段 天然气在 能源消费比例中只占到约3 还有很大的发展空 间 国内天然气资源分布特点是分布不均匀 西部 和偏远不发达地区储量大 因此如何利用该地区大 量天然气资源成为热点 以天然气制DME 将难液化 难车载的气体资 源转化为液体燃料 可以解决国内天然气的利用 尤 其是分散天然气资源的利用问题 其次 可以带动当 地的经济发展 再者 清洁的DME产品可以改善我 国液体燃料短缺及环境污染问题 最后 以天然气制 燃料 可以解决因石油资源依赖进口带来的能源 经 济和国防安全问题 目前国际上美国空气产品公 司 丹麦的托普索公司 日本N KK公司等都在致力 于开发DME的一步法生产工艺 国内如中国科学 院大连化学物理研究所 华东理工大学 太原理工大 学煤化所 清华大学 山西煤化所和兰州化物所等也 都在DME生产工艺开发上有很大进展 本文目的 是通过探讨不同的以天然气制DME工艺 为国内 天然气利用提供一种有效的解决方案 1 二甲醚生产工艺探讨 本文探讨了3种工艺 大连化物所的以空气为 基础的DME生产工艺 以纯氧为基础的概念性工 艺 以及空气产品公司的纯氧循环DME生产工艺 3种工艺分别代表了单程一次通过新型空气法 单 程一次通过传统纯氧方案和传统纯氧循环流程工 艺 为本文的讨论提供了比较全面的比较基础 111 大连化物所以空气为基础的新型DME生产 工艺 大连化物所目前正在对其 空气部分氧化制合 成气 单程一次通过 尾气联产发电 的新型一步法 DME生产工艺 图 1 进行研究 其研究领域主要集 中在对天然气制合成气反应和DME反应的机理 82 天然气化工2004年第29卷 催化剂 及其反应器的研究 其采用的合成气反应催 化剂Ni La2Mg2Al2O3和DME反应催化剂Cu2Zn2 Al HZSM25都处于国际前列 该工艺将在大庆进 行500t a DME的生产装置中试 图1 DICP空气方案流程 Fig11 DICP concept process with air as feedstock 该工艺具有如下特点 1 去掉空分部分的投 资 2 氮气可作为稀释气体 减缓了催化剂床层的 过热 现象 3 空气做氧化剂可大大降低加压反应 条件下爆炸的危险性 但以空气做反应气体 采用 循环工艺会增大能耗 因此采用单程一次通过联产 电力工艺 固定床反应器对大规模反应热量控制不 足 因此DICP采用一个浆态床串接一个固定床的 工艺 另外 由于尾气热值较低 约3116MJ Nm3 采用了可燃烧低热值燃料的GE的LM2500型燃气 轮机 112 大连化物所以纯氧为基础的概念性DME生 产工艺 DICP的空气工艺虽然去掉了昂贵的空分系 统 但却由于引入大量N2导致流程中设备庞大 同 时也造成压缩机功耗和投资的增加 本文中引入了 传统的纯氧单程一次通过尾气联产发电流程 在原 有的空气流程中 增加了空分设备 并将原料空气改 为纯氧 其它流程配置与空气方案相同 如CO的转 化率仍取为90 此种方式提供了一个相似比较 基准下的纯氧流程与空气法流程 从而更合理的对 比两种工艺的优劣 空气法中由于N2存在 反应 气体分压降低 因此纯氧工艺中降低了合成气反应 器和DME反应器的反应压力 113 空气产品公司的纯氧循环反应DME生产工 艺 美国空气产品公司发展了液相甲醇 LPMEO2 HTM 和液相DME工艺 LPDMETM 图 2 该公 司的液相法DME工艺 采用液相淤浆床反应器 并 相继完成了10t a DME的中试装置及在美国的德 克萨斯州的Laporte放大试验 10t d 图2 Air Products工艺流程 Fig 2 DME process of Air Products 态床反应器最主要的优点是能够很好的控制催 化反应的温度 重油介质的热容大 使得合成气和 催化剂在进行强烈反应时 催化剂不会局部过热 浆态床反应器的另一个优点是可以在线添加和去除 催化剂 这样就减少了维护成本 另外 浆态床适合 CO含量高的煤基合成气 为了防止惰性气体在循 环工艺中的累积 该工艺中的反应循环气体以1 4 的比例对外弛放气体 114 工艺反应条件对比 几种工艺的反应条件对比见表1 92第6期张昊志等 几种天然气制二甲醚方案用于解决国内天然气应用的探讨 表1 工艺反应条件对比 Table 1 Reaction condition comparison of several DME processesW DICP AirDICP OxygenAir Products 反应原料 CH4 Air H2O CO2 1 214 018 014 CH4 O2 H2O CO2 1 01504 018 014 CH4 O2 CO2 2 1 11255 合成气催化部分氧化反应器催化部分氧化反应器部分氧化反应器 反应器 反应条件 8bar 850 XCH4 97134 51486bar 850 XCH4 97134 241132bar 1316 XCH4 98105 合成气H2 CO 1195 1H2 CO 1195 1H2 CO 1108 1 DME 反应器 反应条件 240 52bar XCO 90 SCO 78 反应条件 240 52bar XCO 90 SCO 78 反应条件 250 50bar XCO 78 SCO 67 2 工艺技术经济对比 本文假设DME的工厂生产能力为90 因此 模拟的工艺规模为年耗天然气原料1516万t DICP的两种工艺年产DME 15175万t AP工艺则 年产DME 2017万t 考虑到联产电力对整体工艺 的影响 文中采用 单位折合天然气耗量 单位折 合CO2排放量 热效率 及 折合能耗 对三种工 艺进行评价 它们均把工艺发电或耗电量按一定的 参考发电效率折合到原料消耗或能耗中 它们的定 义如下 折合天然气原料耗量 TCNG FeedNG Eelec elec HHVCH4 1 总天然气消耗量 TNG FeedNG FuelNG Eelec elec HHVCH4 2 折合CO2排放量 TCCO2 ExtCO2 Eelec Ext CO2 3 热效率 th Ef uel Efeed Eelec elec 100 4 等效甲醇产量 MeOHeq mol DMEmol 2 MeOHmol 5 其中 TCNG为折合天然气原料耗量 TNG为消 耗天然气总量 FeedNG为天然气原料总量 FuelNG 为补充天然气燃料量 Eelec为电力消耗或产出 消耗 取负 产出取正 elec为发电效率 HHVCH4为天然气 的高热值 HHV Ext CO2为单位发电量CO2排放 表2 工艺分析结果对比 Table 2 Comparison of process analytical results 单位 Nm3 t DMEDICP空气DICP纯氧Air Products TCNG kg kg 1227 0183 1239 0184 1217 0183 TNG kg kg 1329 01903 1301 01895 1372 0193 折合CO2排放量 kg kg 164167 0131 176109 0133 180161 0134 热效率016501660164 其中TCNG为折合天然气原料消耗 TNG为总折合天然气消耗 包 括天然气燃料 表2是假设参考发电效率为50 时得到的比 较结果 可以看到折合天然气原料消耗3种工艺类 似 AP工艺最低 总天然气耗量DICP的两种工艺 明显低于AP工艺 而折合CO2排放量DICP两种 工艺低于AP工艺 热效率DICP两种工艺较高 因此在当地参考发电效率为50 时 DICP的两种 工艺相对AP工艺较好 从经济性角度考虑 当经济性基本假设如表3 所示时 得到如表4的DME工艺投资和成本的比 较结果 表3 经济分析基本假设 Table 3 Basic data assumed for economic evaluation 项 目数据项 目数据 贴现率 IR 0110CRF30111 寿命期 t a25汇率 US RMB 1 8128 能力利用系数0190天然气价格 元 Nm30166 年运行和维护费用 占总投资比例 0104电价 元 kWh0125 3 1 年投资系数 将总投资折合为每年的费用 CRF IR 1 1 1 IR t 03 天然气化工2004年第29卷 表4 几种DME生产工艺得到的DME成本 Table 4 DME production costs of several processes 工 艺 不联产电力联产电力 DICP A DICP O DICP A DICP OAir Products 总投资 百万元490535786807701 DME成本 元 t16751670141414331431 由表4可见 虽然不联产电力可以明显节省投 资 但却使DME成本升高很多 由此可以看到联产 电力的优势 在假设的天然气和电价下 DICP空 气法DME成本最低 由此说明该方案在国内具有 较大经济可行性 3 灵敏度分析 上文在特定条件下 如一定的参考发电效率 天 然气价格和电价等 对3种工艺进行对比 得到DICP 空气法方案在3种工艺中技术经济性最优 而对实 际情况 尤其是国内 不同地区的参考发电效率 天 然气价格和电价有很大区别 从而造成3种工艺技 术经济性对比变化 为了更全面的反应3种工艺间 的关系 本文对上述3个参数进行了灵敏度分析 图3 天然气消耗随发电效率变化图4 CO2排放随发电效率变化图5 热效率随发电效率变化 Fig13 Change of natural gas consum2Fig14 Change of CO2exhaustFig15 Change of thermal efficiency ption with electricity efficiencywith electricity efficiencywith electricity efficiency 311 当地参考发电效率对3种工艺的影响 由图3 图5看到 当地参考发电效率越高 则 DICP的两种工艺天然气原料消耗 CO2排放均升 高 达到一定值后 48 大于AP工艺 热效率则 均降低 达到一定值后 48 低于AP工艺 因 此当地参考发电效率越低 则DICP的两种工艺越 有优势 反之AP工艺较好 通常 对国内东部等较 发达地区 采用大型燃气蒸汽轮机天然气联合循环 发电 其效率可以达到55 以上 DICP的单程一次 通过工艺不具有优势 对于偏远地区 由于受到当地 发电规模和设备的限制 通常发电效率偏低 45 以 下 DICP的两种工艺具有较大优势 针对我国天 然气资源多分布在偏远 如西部 地区的特点 DICP 工艺成为首选的方案 312 电价和天然气价格对三种工艺的影响 天然气价格和电价对DME成本均有较大影响 针 对国内天然气价格和电价的不均衡状况 本文讨论了3 种工艺DME成本随上述两个因素变化的规律 由图6看到 随电价升高 DICP两种工艺DME成 本明显降低 由于AP工艺需要由电网供电 因此其 DME成本随电价升高而升高 由图7可见 随天然气 价格升高三种工艺DME成本明显升高 AP工艺随天 然气价格变化相对则更敏感 因此DICP两种工艺更 适合在电价相对较高 天然气价格相对偏低地区 如国 内西部地区 推广 另外 DICP纯氧工艺由于引入昂 贵空分系统 使得DME成本较其空气方案高 4 规模对DME工艺的影响 本文讨论的为年产20万t DME的工艺规模 目前由于DME生产的一步法工艺还没有工业化 规模较小 但今后对DME的大量需求 DME生产 的大规模工业化势在必行 DME作为燃料要与柴 油进行竞争 就必须寻找一种经济性好的大规模生 产方案 下面分别对年产5万t 10万t 20万t 50 万t 100万t和200万t的DME生产工艺进行模拟 分析 模拟条件为天然气价格0166元 Nm3 电价 0125元 kWh 由图8看到 随规模增大 尽管3种工艺投资均 增大 但由于规模效应 投资增大比例远远小于规模 增大比例 另外 当规模达到100万t a后 DICP 纯氧工艺由于空分系统的强规模效应 其投资已经 低于DICP空气法方案 由图9 虽然在不同规模 下 单位DME投资AP工艺始终较低 但DICP两 种工艺的DME成本却低于AP工艺 说明联产电力 13第6期张昊志等 几种天然气制二甲醚方案用于解决国内天然气应用的探讨 具有很大优势 由图10 DICP两种工艺随规模变 化更敏感 因此随规模增大 DICP两种工艺的DME 成本逐渐低于AP工艺 由此说明DICP两种工艺 相对更适合大规模推广 还可以注意到 尽管100 万t a以上规模后DICP纯氧工艺的DME成本低 于其空气法工艺 但由于引入空分系统增加了系统 复杂性 降低了流动性 因此DICP空气法更适合在 偏远地区应用 通过上述分析说明 在偏远地区推广大规模 DICP空气法工艺 是解决我国偏远地区天然气利 用的有效途径 图6 20万t a规模DME成本随电价变化图7 DME成本随天然气价格变化 Fig16 Change of DME production costs with electricity price 200 000 t a Fig17 Change of DME production costs with natural gas price 图8 投资随规模变化图9 单位DME投资随规模变化 Fig18 Change of investment with production capacity Fig19 Change of unit DME production costs with production capacity 图10 不同规模DME成本变化 Fig110 Change of DME production costs with production capacity 23 天然气化工2004年第29卷 5 结论 我国天然气资源分布极不均衡 对天然气应用 解决方案不成熟 针对我国天然气资源多分布在偏 远 如西部 地区的特点 本文力图寻找一种适用于 我国的解决天然气利用的可行方案 通过对以大连 化物所工艺为基础的两种DME生产流程 以空气 产品公司工艺为基础DME生产工艺进行流程模拟 和技术经济性分析 并对关键参数如当地参考发电 效率 DME生产规模 天然气价格和电价等进行灵 敏度分析 本文得出结论 采用大连化物所以空气为 基础的 联产电力的新型DME生产方案 更适合在 电价相对较高 天然气价格相对较低地区进行大规 模DME生产 而上述地区的典型代表正是我国偏 远富天然气地区 因此DICP新型空气法制DME 成为解决我国天然气利用的一条有前景方案 在国 内东部大城市 由于长距离输送 天然气价格很高 若在天然气产地就地将其转化为高附加值的液体化 工产品则具有很大经济优势 对当地的经济也有很 大促进作用 本文通过论证说明大规模的DICP空 气法方案具有发展潜力 但在实际生产应用中 DME在国内只进行小规模生产 在国际大规模的一 步法生产工艺也没有建成 还只停留在研究和小中 型示范阶段 其推广还需要一定的过渡时期 参考文献 1 倪维斗 靳晖 李政 郑洪 等 1 二甲醚经济与中国的 能源环境 1 节能与环保月刊 2002 6 102151 2 焦树建 1 整体煤气化燃气 蒸汽联合循环 IGCC M 1 北京 中国电力出版社 19961 3 冯元琦 1 联醇生产 M 1 北京 化学工业出版社 19891 4 Ryan E Katofsky1The Production of Fluid Fuels from Biomass R PU CEES Report No 279 Center for En2 ergy and Environmental Studies The Engineering Quad2 rangle Princeton University Princeton New Jersey 08544 1993 06 5 John Bwgild Hansen Haldor Topsoe A s Bodil Voss Large Scale Manufacture of Dimethyl Ether a New Al2 ternative Diesel Fuel from Natural Gas R SAE TECH2 NICAL PAPER SERIES 1995 6 X D Peng A W Wang B A Toseland P J A Tijm Air Product and Chemical Inc single2step syngas2to2dimethyl ether processes for optimal productivity minimal emis2 sions and natural gas2derived syngas J Ind Eng Chem Res 1999 38 4381 4388 7 Carlo N Hamelinck Future Prospects for Production of Methanol andHydrogen from Biomass R Report NWS2E22001249 Department of Science Technology and Society Copernicus Institute Universiteit Utrecht 2001 09 8 焦树建 燃气 蒸汽联合循环 M 北京 机械工业出 版社 2000 02 9 G N Choi S J Kramer et al Design Economics of a Once2Through Natural Gas Fischer2Tropsch Plant With Power Co2production C Proceedings of Coal Liquefac2 tion 2 严格要求控制好聚合釜喷料后的釜内压力 不能超高 312 氢气缓冲罐带水及时排除 氢气缓冲罐可能出现带水情