二甲醚用作城镇燃气的技术及其经济性

摘 要

摘要：国内二甲醚产能增长较快，亟待研发其安全高效利用技术，拓展利用途径，以加快推进市场化进程。城镇燃气是二甲醚利用最为现实、市场前景最为广阔的领域。开发安全、经济可行的
摘要：国内二甲醚产能增长较快，亟待研发其安全高效利用技术，拓展利用途径，以加快推进市场化进程。城镇燃气是二甲醚利用最为现实、市场前景最为广阔的领域。开发安全、经济可行的瓶装二甲醚、LPG复合燃料供气以及以二甲醚为原料生产代天然气产品供应城市管网的技术，可以极大提高二甲醚利用量，有效破解目前国内二甲醚产能相对过剩的难题。为此，分析了二甲醚利用中存在的国家标准缺失、市场监管力度不够、产业化程度低等问题；同时对二甲醚作为替代能源的技术经济性进行了深入研究，结论指出：等热量的二甲醚价格比天然气、液化石油气分别低15%、10%以上时，就具有经济可行性。从远景看，二甲醚作为柴油汽车替代燃料市场容量大，但需要攻克的难题也较多；而作为城市管网调峰与事故应急气源，则还有许多需要用试验进行验证的技术内容。
关键词：二甲醚；能源；城镇燃气；替代燃料；复合燃料技术经济性
    近几年，我国二甲醚(DME)产业依托国内煤炭资源相对丰富的优势，呈现出良好的发展势头，预计到2010年前后，我国DME产能将超过1500×104t/a。产能的快速增长，需要有市场需求量作为支撑。DME的安全高效利用这个焦点问题就成为当务之急。
1 DME的主要利用途径
1.1 用作城镇燃气
    城镇燃气领域DME替代的主要是LPG和天然气。以DME替代5%的LPG和5%的天然气计，到2010年，全国城镇燃气领域需要消耗DME的总量就为480×104t/a。
1.1.1纯DME气体燃料
    纯DME作为气体燃料，利用方式包括瓶装供应和区域管网供应。按照DME的特性以及国家相关规定，所有气瓶、燃烧设备以及输配、运输、储存等环节都得采用DME专用设备，主要原因是DME对部分密封橡胶具有一定的溶胀性。解决这一技术问题不存在任何难点；但对于一个独立的、相对封闭的供气系统，无论是气源供应保障、设备运行安全，还是系统灵活性、可靠性、经济性等方面，都必定受到较大的制约和影响。与LPG设施不兼容，使用范围受到限制，降低了实施的便利性，影响市场拓展空间。再者，市场培育需要一定时间，推广上也存在一定难度。
1.1.2与LPG混合作为复合燃料瓶装供应
    将DME与LPG按照一定的比例在瓶内液相混合，利用已有LPG自身的供气系统和相关设施供气，但供气系统的所有设施都需要经过相应改进。这种复合燃料瓶装供应模式在技术、经济方面都较为可行，气源有保障，灵活性、可靠性也较高，特别是成本相对较低。难点在于市场监管和国家标准的缺失。技术方面的问题是需要研制出能够适应这种复合燃料特性的、且具有经济优势的各类设备，以及确定合理的配比。
1.1.3供应城镇燃气管网
    以DME作为原料，调制成合格的代天然气产品供应城市管网，用于日常供气或调峰气源及事故应急气源。这一利用途径具有利用量大、可以产生规模效益的特点，市场前景较好。难点是需要解决诸如工艺流程优化、原料的配制比例、燃烧特性及燃气互换性研究等一系列技术问题。
1.2 替代柴油用作汽车燃料
    该领域的技术发展方向是开发DME汽车发动机或者能够适应DME的柴油发动机以及相应的燃料供应系统。利用DME十六烷值与柴油相当的特性，采用直接压燃方式，以DME替代柴油作为汽车燃料。但这一领域的难点较多，比如加注站规划、设计、建设等，涉及技术、政策及市场层面。
2 DME用作城镇燃气的技术
2.1 DME的制备
    DME可由天然气或煤炭作为原料来生产。一般来说，生产DME采用二步法工艺，先由煤炭或天然气制取甲醇，再由甲醇脱水得到DME[1～3]。2.5t劣质煤炭可以生产出1.0t DME。若煤炭价格为500元/t，DME生产成本则为2600～3000元/t。
2.2 DME用作城镇燃气的标准和要求
    DME用作城镇燃气的基本要求：①相关设备必须能够适应DME特性的要求；②与原有气源具有互换性；③不损害消费者利益。对于质量指标及技术方面的要求，在现阶段“国标”尚不够完善的情况下，主要是将已颁布的“国标”、行业标准与地方标准结合起来进行设计、制造及运行管理，解决DME使用过程中的安全技术等问题。现有的标准有：“国标”《城镇燃气分类和基本特性》(GB/T 13611—2006)、化工行业标准《二甲醚》(HG/T 3934—2007)、建设部行业标准《城镇燃气用二甲醚》(CJ/T 259—2007)等。DME用作城镇燃气的具体要求包括：①必须限定热值的变化范围，与原有气源的热值应该相当，以解决气体体积结算统一等问题；②DME用作城镇燃气时，华白指数和燃烧势参数应该在“国标”规定的范围内；③安全性能各项指标符合要求。
    除理论分析之外，燃烧试验验证也相当关键。对燃烧器具进行气源适配性测试，可更进一步提高DME用作城镇燃气的可行性[4]。测试内容有燃烧工况、点火、烟气排放指标、热效率、热负荷、热水产率等。
2.3 DME与LPG复合燃料供应
DME与LPG混合后作为复合燃料供应，利用的是原有的LPG供应系统设施及燃烧器具。因此，控制DME的掺混比例使之完全适应原系统的要求是关键点。控制LPG中掺混DME比例的依据是：①复合燃料的燃烧特性参数符合“国标”《城镇燃气分类和基本特性》要求，即华白指数与燃烧势变化范围在允许范围之内，并通过气源适配性测试[5～6]；②热值下降幅度在可接受的范围内。国内典型的LPG中掺混不同比例(质量比)DME后的复合燃料主要燃烧特性参数见表1。
表1 国产典型LPG中掺混DME后的主要燃烧性参数表
项目
掺混比例(质量比)
LPG:DME=2:1
LPG:DME=3:1
LPG:DME=4:1
气相低位热值/MJ·m-3
93.08
97.05
99.48
华白指数/MJ·m-3
75.78
78.71
80.39
燃烧势(CP)
44.00
43.80
43.68
由表1可知，将DME掺混比例控制在20%以下，可以同时兼顾燃烧特性参数的变化范围和热值降低幅度都满足要求。
2.4 生产12T类别代天然气
DME不能单独作为原料生产出合格的12T代天然气产品供应管网，须与天然气或其他气相密度小、华白指数高的燃气(比如含有氢气的人工煤气、或含有大量甲烷气体的煤层气等可燃气体)混合、调配[7]。以DME为原料的几种典型的混合气参数见表2。
表2 几种典型的混合气参数表
混合气
混合比例/%
低位热值
华白指数
燃烧势
DME:西气东输气:空气
MJ/m3
DME:西气东输气:空气
气相体积比
7.5:85.9:6.6
36.0
48.2
37.36
质量比
17.6:72.7:9.7
DME:焦炉气:西气东输气
气相体积比
13.5:22.5:64
36.0
48.2
52.47
质量比
31.8:13.7:54.5
DME:油制气:西气东输气
气相体积比
9.8:20.5:69.7
36.0
48.2
49.12
质量比
23.0:17.5:59.5
DME:炼厂气:西气东输气
气相体积比
10.0:68.0:22.0
36.0
48.2
69.02
质量比
23.6:57.5:18.9
   表2表明：混合气的热值与原12T天然气相等，燃烧特性参数变化范围符合要求，可以互换，安全指标同样符合要求。但DME掺混比例不高，质量比在20%左右且须添加大量天然气(一般在50%以上)。因此，DME使用量受到制约，而且实施过程缺乏便利性。
2.5 DME代天然气用于城市管网调峰或应急供气
    作为12T天然气管网的事故应急供气，特殊情况下，天然气中掺混DME的比例可适当增加，且可以采用提高热值的措施抑制华白指数值的下滑。DME的混配比例须进行燃烧性能测试后获得。
    DME用于城市管网的调峰气源，还存在众多局限，有些技术内容还需要进一步论证和研究：①不能单独成为调峰气源，必须与大量的天然气(质量比占50%以上)混合后，才能成为合格的产品气供应管网。②含有一定比例DME的混合气体作为管网气源，对CNG汽车等会构成一定影响——高压状态下重组分凝结问题须引起重视。此外，管网内的其他用户使用该混合气体时，产品质量是否会受到影响，需进行专题研究。③管道输送压力会因此受到限制，必须考虑烃露点变化问题，避免DME凝结。
3 DME的经济性分析
    DME的经济性主要体现在其与LPG、天然气及其他竞争能源的价格优势。一般来说，来源于煤炭原料的DME，在高石油价格背景下，替代天然气和LPG，均存在经济优势。如果等热量的DME价格比天然气低15%以上，比LPG低10%以上时，具有显著的经济可行性(见表3)。
表3 等热量条件下DME与天然气和LPG价格对照表
天然气价格/元·m-3
对应DME价格/元·t-1
对应LPG价格/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 结束语
    1) 发展DME产业符合我国贫油少气多煤的能源现状。
    2) DME用于城镇燃气的相关技术标准制订，储运与利用环节的工艺技术路线确立、设备的研发，都是需要进一步开展的工作。暂时存在的技术障碍是可以逾越的。
    3) DME替代LPG，在技术、经济方面均具有可行性。特别是DME与LPG混合瓶装供应，包括小区管道供应，推广应用具有现实性，经济优势相对明显，且市场前景广阔。开发市场的最佳时机应该是高油价、特别是LPG价格高企时期。
    4) 一旦市场监管难题破解，DME与LPG复合燃料的发展前景大有可为。
    5) 远期看，DME作为柴油汽车替代燃料，市场容量大，但需要攻克的难题也较多。包括汽车发动机及燃料供应系统技术、加注站建设等。
    6) DME作为城市管网调峰与事故应急气源的意义重大，但理论分析结果不太乐观，还有许多需要用试验来进行验证的技术内容。
    7) DME作为城市管网调峰和事故应急的工艺流程、气源互换性研究等，需要进行大量的实验和深入研究，以便掌握相关数据，确定合理的掺混方式和比例。
    8) 国家标准滞后或缺失，制约了产业的快速发展，需要全社会共同关注并推进此项工作的落实。
参考文献
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[2] 罗东晓.DME及其应用技术分析[J].天然气工业，2008，28(1)：134-136.
[3] 逢进，马亮.DME的制造及其燃烧应用[J].煤气与热力，2002(6)：235-238.
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[5] 罗东晓，杨艳丽.DME燃料的燃烧性能研究[J].上海煤气，2007(4)：4-6，30.
[6] 申威，张阿玲，韩为建.车用替代燃料能源消费和温室气体排放对比研究[J].天然气工业，2006，26(11)：105-107.
[7] 罗东晓.以二甲醚为原料生产代天然气的方法：中国，ZL200610122686.7[P].2009-07-01.
 
(本文作者：罗东晓1，2 张秀琴3 1.新奥燃气控股有限公司；2.中山大学；3.中国市政工程华北设计研究总院)