二甲醚用作城鎮燃氣的技術及其經濟性

摘 要

摘要：國內二甲醚產能增長較快，亟待研發其安全高效利用技術，拓展利用途徑，以加快推進市場化進程。城鎮燃氣是二甲醚利用最為現實、市場前景最為廣闊的領域。開發安全、經濟可行的
摘要：國內二甲醚產能增長較快，亟待研發其安全高效利用技術，拓展利用途徑，以加快推進市場化進程。城鎮燃氣是二甲醚利用最為現實、市場前景最為廣闊的領域。開發安全、經濟可行的瓶裝二甲醚、LPG復合燃料供氣以及以二甲醚為原料生產代天然氣產品供應城市管網的技術，可以極大提高二甲醚利用量，有效破解目前國內二甲醚產能相對過剩的難題。為此，分析了二甲醚利用中存在的國家標準缺失、市場監管力度不夠、產業化程度低等問題；同時對二甲醚作為替代能源的技術經濟性進行了深入研究，結論指出：等熱量的二甲醚價格比天然氣、液化石油氣分別低15%、10%以上時，就具有經濟可行性。從遠景看，二甲醚作為柴油汽車替代燃料市場容量大，但需要攻克的難題也較多；而作為城市管網調峰與事故應急氣源，則還有許多需要用試驗進行驗證的技術內容。
關鍵詞：二甲醚；能源；城鎮燃氣；替代燃料；復合燃料技術經濟性
    近幾年，我國二甲醚(DME)產業依托國內煤炭資源相對豐富的優勢，呈現出良好的發展勢頭，預計到2010年前后，我國DME產能將超過1500×104t/a。產能的快速增長，需要有市場需求量作為支撐。DME的安全高效利用這個焦點問題就成為當務之急。
1 DME的主要利用途徑
1.1 用作城鎮燃氣
    城鎮燃氣領域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，到2010年，全國城鎮燃氣領域需要消耗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和區域管網供應。按照DME的特性以及國家相關規定，所有氣瓶、燃燒設備以及輸配、運輸、儲存等環節都得采用DME專用設備，主要原因是DME對部分密封橡膠具有一定的溶脹性。解決這一技術問題不存在任何難點；但對于一個獨立的、相對封閉的供氣系統，無論是氣源供應保障、設備運行安全，還是系統靈活性、可靠性、經濟性等方面，都必定受到較大的制約和影響。與LPG設施不兼容，使用范圍受到限制，降低了實施的便利性，影響市場拓展空間。再者，市場培育需要一定時間，推廣上也存在一定難度。
1.1.2與LPG混合作為復合燃料瓶裝供應
    將DME與LPG按照一定的比例在瓶內液相混合，利用已有LPG自身的供氣系統和相關設施供氣，但供氣系統的所有設施都需要經過相應改進。這種復合燃料瓶裝供應模式在技術、經濟方面都較為可行，氣源有保障，靈活性、可靠性也較高，特別是成本相對較低。難點在于市場監管和國家標準的缺失。技術方面的問題是需要研制出能夠適應這種復合燃料特性的、且具有經濟優勢的各類設備，以及確定合理的配比。
1.1.3供應城鎮燃氣管網
    以DME作為原料，調制成合格的代天然氣產品供應城市管網，用于日常供氣或調峰氣源及事故應急氣源。這一利用途徑具有利用量大、可以產生規模效益的特點，市場前景較好。難點是需要解決諸如工藝流程優化、原料的配制比例、燃燒特性及燃氣互換性研究等一系列技術問題。
1.2 替代柴油用作汽車燃料
    該領域的技術發展方向是開發DME汽車發動機或者能夠適應DME的柴油發動機以及相應的燃料供應系統。利用DME十六烷值與柴油相當的特性，采用直接壓燃方式，以DME替代柴油作為汽車燃料。但這一領域的難點較多，比如加注站規劃、設計、建設等，涉及技術、政策及市場層面。
2 DME用作城鎮燃氣的技術
2.1 DME的制備
    DME可由天然氣或煤炭作為原料來生產。一般來說，生產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劣質煤炭可以生產出1.0t DME。若煤炭價格為500元/t，DME生產成本則為2600～3000元/t。
2.2 DME用作城鎮燃氣的標準和要求
    DME用作城鎮燃氣的基本要求：①相關設備必須能夠適應DME特性的要求；②與原有氣源具有互換性；③不損害消費者利益。對于質量指標及技術方面的要求，在現階段“國標”尚不夠完善的情況下，主要是將已頒布的“國標”、行業標準與地方標準結合起來進行設計、制造及運行管理，解決DME使用過程中的安全技術等問題。現有的標準有：“國標”《城鎮燃氣分類和基本特性》(GB/T 13611—2006)、化工行業標準《二甲醚》(HG/T 3934—2007)、建設部行業標準《城鎮燃氣用二甲醚》(CJ/T 259—2007)等。DME用作城鎮燃氣的具體要求包括：①必須限定熱值的變化范圍，與原有氣源的熱值應該相當，以解決氣體體積結算統一等問題；②DME用作城鎮燃氣時，華白指數和燃燒勢參數應該在“國標”規定的范圍內；③安全性能各項指標符合要求。
    除理論分析之外，燃燒試驗驗證也相當關鍵。對燃燒器具進行氣源適配性測試，可更進一步提高DME用作城鎮燃氣的可行性[4]。測試內容有燃燒工況、點火、煙氣排放指標、熱效率、熱負荷、熱水產率等。
2.3 DME與LPG復合燃料供應
DME與LPG混合后作為復合燃料供應，利用的是原有的LPG供應系統設施及燃燒器具。因此，控制DME的摻混比例使之完全適應原系統的要求是關鍵點。控制LPG中摻混DME比例的依據是：①復合燃料的燃燒特性參數符合“國標”《城鎮燃氣分類和基本特性》要求，即華白指數與燃燒勢變化范圍在允許范圍之內，并通過氣源適配性測試[5～6]；②熱值下降幅度在可接受的范圍內。國內典型的LPG中摻混不同比例(質量比)DME后的復合燃料主要燃燒特性參數見表1。
表1 國產典型LPG中摻混DME后的主要燃燒性參數表
項目
摻混比例(質量比)
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/MJ·m-3
75.78
78.71
80.39
燃燒勢(CP)
44.00
43.80
43.68
由表1可知，將DME摻混比例控制在20%以下，可以同時兼顧燃燒特性參數的變化范圍和熱值降低幅度都滿足要求。
2.4 生產12T類別代天然氣
DME不能單獨作為原料生產出合格的12T代天然氣產品供應管網，須與天然氣或其他氣相密度小、華白指數高的燃氣(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氣體)混合、調配[7]。以DME為原料的幾種典型的混合氣參數見表2。
表2 幾種典型的混合氣參數表
混合氣
混合比例/%
低位熱值
華白指數
燃燒勢
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
質量比
17.6:72.7:9.7
DME:焦爐氣:西氣東輸氣
氣相體積比
13.5:22.5:64
36.0
48.2
52.47
質量比
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，燃燒特性參數變化范圍符合要求，可以互換，安全指標同樣符合要求。但DME摻混比例不高，質量比在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，而且實施過程缺乏便利性。
2.5 DME代天然氣用于城市管網調峰或應急供氣
    作為12T天然氣管網的事故應急供氣，特殊情況下，天然氣中摻混DME的比例可適當增加，且可以采用提高熱值的措施抑制華白指數值的下滑。DME的混配比例須進行燃燒性能測試后獲得。
    DME用于城市管網的調峰氣源，還存在眾多局限，有些技術內容還需要進一步論證和研究：①不能單獨成為調峰氣源，必須與大量的天然氣(質量比占50%以上)混合后，才能成為合格的產品氣供應管網。②含有一定比例DME的混合氣體作為管網氣源，對CNG汽車等會構成一定影響——高壓狀態下重組分凝結問題須引起重視。此外，管網內的其他用戶使用該混合氣體時，產品質量是否會受到影響，需進行專題研究。③管道輸送壓力會因此受到限制，必須考慮烴露點變化問題，避免DME凝結。
3 DME的經濟性分析
    DME的經濟性主要體現在其與LPG、天然氣及其他競爭能源的價格優勢。一般來說，來源于煤炭原料的DME，在高石油價格背景下，替代天然氣和LPG，均存在經濟優勢。如果等熱量的DME價格比天然氣低15%以上，比LPG低10%以上時，具有顯著的經濟可行性(見表3)。
表3 等熱量條件下DME與天然氣和LPG價格對照表
天然氣價格/元·m-3
對應DME價格/元·t-1
對應LPG價格/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 結束語
    1) 發展DME產業符合我國貧油少氣多煤的能源現狀。
    2) DME用于城鎮燃氣的相關技術標準制訂，儲運與利用環節的工藝技術路線確立、設備的研發，都是需要進一步開展的工作。暫時存在的技術障礙是可以逾越的。
    3) DME替代LPG，在技術、經濟方面均具有可行性。特別是DME與LPG混合瓶裝供應，包括小區管道供應，推廣應用具有現實性，經濟優勢相對明顯，且市場前景廣闊。開發市場的最佳時機應該是高油價、特別是LPG價格高企時期。
    4) 一旦市場監管難題破解，DME與LPG復合燃料的發展前景大有可為。
    5) 遠期看，DME作為柴油汽車替代燃料，市場容量大，但需要攻克的難題也較多。包括汽車發動機及燃料供應系統技術、加注站建設等。
    6) DME作為城市管網調峰與事故應急氣源的意義重大，但理論分析結果不太樂觀，還有許多需要用試驗來進行驗證的技術內容。
    7) DME作為城市管網調峰和事故應急的工藝流程、氣源互換性研究等，需要進行大量的實驗和深入研究，以便掌握相關數據，確定合理的摻混方式和比例。
    8) 國家標準滯后或缺失，制約了產業的快速發展，需要全社會共同關注并推進此項工作的落實。
參考文獻
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(本文作者：羅東曉1，2 張秀琴3 1.新奧燃氣控股有限公司；2.中山大學；3.中國市政工程華北設計研究總院)