基于合成气的二甲醚和氢能:中国能源技术的一种战略选择

1000054清华大学学报(自然科学版)第48卷第6期11-2223/N J Tsinghua Univ(Sci Tech)1023-1026基于合成气的二甲醚和氢能:中国能源技术的一种战略选择王刚,朱兵(清华大学化学工程系,北京100084)摘要:合成气利用是对于中国目前和长远期有较大影响合成气的主要成分是CO和H2,可以由煤炭和天然的能源政策。为了考查其中的制蘑料和制氢两项技术,选取气为基础制备。合成气有多种用途,包括制氢或了由媒和夭然气生产合成气进而生产二甲醚和氢能的几种Co、制合成燃料或燃料添加剂、制低碳烃、制含氧有代表性的路线进行了系统分析。并就能量效率、折合合成化合物等。能耗等指标进行了比较分析。对二甲醚和氢能在中国能源技本文主要考察合成气利用中对中国能源政策有的源妆术是解决中国能薄问题的重要选项,其中二甲技水在较大影响的制燃料和制氢两项用途,这里的燃料则不久的将来为中国的石油替代发挥重要作用。以二甲醚( dimethyl ether,DME)为例。选取部分典关键词:能源技术;合成气;二甲醚;氢能型的由合成气生产二甲醚和氢能的系统进行了对比分析,在此基础上讨论了二甲醚和氢能对中国能源中图分类号:TK01文献标识码:A文章编号:1000-0054(2008)06-1023-04技术选择战略的意义1二甲醚生产系统Syngas-based DME and hydrogen甲醚十六烷值为55~60,高于柴油,液化后production systems: An option in可以直接作柴油的替代燃料,也可用作民用生活燃Chinas energy technology strategy料。它还克服了甲醇燃料低温启动性和加速性能差ANG Gang, ZHU Bing的缺点,效率高,污染低(Department of Chemical Engineering, Tsinghua University,1.1生产系统由合成气制备二甲醚主要有2种方法:一种是Abstract: Fuel production and hydrogen production greatly affect合成气先合成甲醇然后脱水制备二甲醚,另一种是application. To evaluate the fuel production and the hy直接由合成气合成二甲醚。综合考虑不同源头不同production, several production systems of dimethyl etherand hydrogen manufactured by reactions of syngas made from coal制备方法以及是否联产电力,本文选取了4种生产and natural gas were analyzed with the energy efficiency and the系统(如表1)。它们分别来自文[2-4]的研究。compared. The results show that syngas-based energy technology is表1选取的4种二甲醚生产系统a8 ood choice for solving Chin.’ s energy problems and that DME系统编号源头生产方法联产电力参考文献technology is promising to play an important role in substituting oilin the near future天然气一步法否Key words: energy technology, syngas, dimethyl ether (DME);天然气一步法步法是[4]两步法中国的资源禀赋把由煤基、天然气基合成气出发的能源技术选择提到了战略的高度。随着石油资中国煤化工源的逐渐匮乏,越来越多的研究者开始侧重研究如收稿日基金项dyHCNMHG何更有效地利用另两种化石能源一煤、天然气,其作老),男(汉),辽宁,硕士中由合成气出发的各种技术选择成为关注的焦点。通讯联系人:朱兵,副研究员,Emai: bingzhou@ tsinghua,edu,cn1024清华大学学报(自然科学版)2008,48(6)这4种系统各有特点但总体上是相似的本文12能量效率与折合合成能耗只简要介绍第3个即煤气化一步法合成二甲醚并联所选4种二甲醚制备系统的基本输入输出如表产电力的系统的流程2所示。其中F为单位时间天然气进料量,Fc为生图1是该系统的简要流程图。煤气化生成的合产单位二甲醚所需煤的进料量,Wm为净功输出表成气经脱硫处理后进入合成器,得到二甲醚、甲醇、中Wm根据原文献中数据进行了一定的换算,负值未反应气体和水的混合物然后混合物进入分离器,代表消耗的外部电力。气相送去发电,富含二甲醚的吸收相则继续脱除本文主要考察系统的能量效率7和折合合成能CO2,分离出二甲醚产品,其余部分经吸收剂再生,耗q当系统既有化工产品又有电产出时,分别循环回二甲醚合成和吸收单元。当系统只有化工产品产出时,7=Qu /(Wnet+Qin).DMEL DME I吸收相cO2co气化炉_废锅净化鬥合成鬥吸收分离其中:Qn为输入系统的原料总能量,Qam为化工产品的总能量。考虑了生产系统所需要的电力在发电空气气相空分DME DME过程中的效率,分离(Qin-Wnet/n )F.蒸汽吸收剂L水其中:7。为发电效率,F为化工产品产量。在计算过再生程中,煤热值为26.71MJ/kg,二甲醚热值为28.40烟气MJ/kg,天然气热值为36.00MJ/m3。天然气联合循电环发电的效率为50.11%3,整体煤气化联合循环图1煤气化一步法生产二甲醚系统流程图(integrated gasification combined cycle, IGCC)*电效率44.64%。计算结果如表2所示表2所选二甲醚生产系统的输人输出数据能量效率与折合合成能耗生产系统F/(m-t") Fc/(t-t Woe /(MJ-t 7/% q/(MJ- kg二甲醚天然气120043.38二甲醚-动力天然气2927一步法煤气化两步法煤气化7.0619694824880基于上述情况及计算结果,有以下几点认识4)煤基系统的效率比天然气基系统要低。1)从天然气制备二甲醚的两个系统的能量效率来看动力联产系统的能量效率比分产系统好单2氢能生产系统纯的二甲醚合成所副产的蒸汽无法充分利用,造成氢能作为清洁能源,具有很多优势,是世界范围了大量能量损失与动力系统相结合之后,回收了这内能源研究的热点。首先氢热值非常高,几乎是汽油部分能量以及尾气中的能量,系统的能量利用效率的3倍。其次,氢的燃烧性能好燃烧充分而且稳定提高了32个百分点。从折合合成能耗来看联产时氢燃烧时只生成HO,既避免了环境污染,也避免折合合成能耗比分产时下降了约8.5%。了温室气体的排放。2)天然气生产二甲醚的效率高于天然气联合循环的发电效率。生产化工产品的能量效率要好于2.1生产系统发电,这也是适用于煤化工系统的。选取6种大规模制氢系统(如表3所示)。前33)一步法合成二甲醚要比两步法合成效率高。个肺出在所考察的系统中,一步法合成比二步法效率高了备中国煤化工气,区别在于重整制统都是由煤制备合9.6个百分点,其折合合成能耗也下降了7.7%成CNMHG和发电方式,同时步法合成二甲醚的工艺在经济上更合理,市场竞争这些制氢系统还联产电力,都分为减排CO2和不减力更强,技术上开始逐渐成熟并走向工业化排2种情况王刚,等:基于合成气的二甲醚和氢能:中国能源技术的一种战略1025表3选取的6种氢能生产系统CO2经过冷却压缩得到高压液态CO2。系统编号源头生产方法参考文献由煤生产合成气,进而生产氢和电力的3个系天然气蒸汽重整[6]统中,既有常规的分离方法和发电方式,也有新兴的天然气部分氧化[6]膜分离技术和燃料电池技术,它们更多地代表了未天然气自热重整煤PSA分离氢气来技术的发展方向。煤膜分离氢气[7,8图3是同时结合了膜分离和燃料电池的生产系煤膜分离+燃料电池[7,8]统的流程图。从氢气膜分离器出来的合成气(主PSA_ pressure swing adsorption,变压吸附,要成分CO、H2、CO2),送到燃料电池的阳极,并产天然气制氢根据合成气生产方法的不同,主要生电能。阳极的残余气体和氧气一起在燃气轮机燃有蒸汽重整法部分氧化法、自热重整法3种方法。烧发电,尾气产生蒸汽送往蒸汽轮机发电最后尾气蒸汽重整和部分氧化都是传统的合成气制造工艺。成份是CO2和水蒸气冷凝后回收CO2并压缩。阴自热重整则是结合了部分氧化和绝热蒸汽重整,不极的残余气体先是在余热锅炉里产生蒸汽并冷却,需要外来热源,绝热操作,设备简单而且投资费用然后送往燃气轮机发电并再次回收热量产生蒸汽低。下面简要介绍一下蒸汽重整法的流程6蒸汽都送往蒸汽轮机发电图2是简要的流程图天然气尾气脱蒜汽合成气水煤气气液变压吸氢气气化炉合成气脱硫气膜分离氢气硫重整器转换器「分离器「附分离空烟空气「阳极高压液态明极轮机蒸汽分离[CQ|CO2分离冷凝蒸汽放空轮机轮机图2天然气蒸汽重整制氢图3氢电联产系统(膜分离与燃料电池)天然气经过脱硫、预热、重整生成合成气,经过高温水煤气转换器、低温水煤气转换器并分离出水22能量效率与折合合成能耗之后得到主要成分为水和氢气的合成气,经过变压所选6个系统基本数据如表4所示,包括进料吸附分离得到氢气产品尾气送回蒸汽重整器。从蒸能量、氢产量减排率、电产量等,其中煤气化的3种汽重整器出来的尾气产生蒸汽使蒸汽轮机发电,然系统进料量和氢产量是根据文献进行换算得到的。表后用MEA分离法(即一乙醇胺吸收法)分离出CO,4中还列出了系统的能量效率7和折合合成能耗q表4制氢系统基本数据能量效率和折合合成能耗生产系统进料能量氢产量减排率电产量/MW7/%/(M].kg)未减排减排未减排减排未减排减排1.天然气蒸汽重整457.8227.9028.8152.0166.32.天然气部分氧化519.6242.48219.968.6153.0158.23.天然气自热重整483.5242.6.70.870.969.3180.6185.94.煤气化PSA分离1854.9389.5475.0中国煤化工180.12365.煤气化膜分离854.9CNMHG6.煤气化燃料电池185.938995156.61026清华大学学报(自然科学版)2008,48(6)基于上述情况及计算结果,有以下几点认识:源战略和环境污染问题,而二甲醚更多地着眼于在1)在天然气的这3个系统中,无论是否减排不久的将来石油能源短缺时的能源替代,两项技术CO2都是蒸汽重整法能量效率最高其次是自热重之间并不是简单的选择问题两条路线可以并行整法,部分氧化法相对最低。发展2)煤气化的这3个系统,对于应用PSA分离基于中国的国情,笔者认为二甲醚是当前一个方式和常规发电方式的氢电联产系统,减排时的效较好的选择。二甲醚技术作为洁净煤技术的一种,能率比不减排的效率下降近6个百分点。其下降幅度够有效地控制含硫含氮的污染物,并在一定程度上要大于天然气系统减排时的下降幅度,这主要是由控制二氧化碳。同时,与氢能相比较,可以较方便地于煤炭的含碳比率要高于天然气。对于都考虑减排应用于现在的汽车系统。的由煤气化制氢的这3个系统,膜分离能量效率要中国国家发改委2006年7月下发了“国家发改好于PSA吸附分离,加入燃料电池的系统效率更高。委办公厅关于印发二甲醚产业发展座谈会纪要的通3)从折合合成能耗上看,天然气部分氧化法的知”,支持二甲醚产业的发展。“城用二甲醚行业标折合能耗很低,在不减排的时候比蒸汽重整略高,减准”近期也在中国建设部获得通过相信在国家相关排时是这3种重整方法中最低的。这是因为自热重政策的支持下,二甲醚的相关技术的研究和推广会整法生产了更多的电力。仍需注意的是,这3种天然得到进一步的发展。气法的二氧化碳减排效率是不一样的,如果部分氧参考文献( References)化法减排效率也达到蒸汽重整法的90%,其能耗会1] Wender i. Reactions of synthesis Gas C. Fuel Processing大幅上升。Technology,1996,48(3):189-2872]谢光全,谢闵.天然气制二甲醚经济评价[石油与天然气4)这3种煤气化制备氢能的方法和能量效率化工,2001,30(5):221-224显示的结果一样,技术水平越高,折合合成能耗越XIE Guangquan, XIE Min. Technical and economical低。燃料电池循环甚至降低到了比天然气还低的U]. Chem Eng Oil and Gas, 2001, 30(5): 221-224.水平。5)氢能的获得有化石燃料制氢微生物制氢、[3]江华,倪维斗,徐恒泳,等,与发电联合的新型二甲醚生产电解水制氢等多种方法,目前还是以这里介绍的化流程设计和分析[J].天然气化工,2003,28(3):34-38JIANG Hua, NI Weidou, XU Hengyong, et al. Design and石燃料制氢为主。从长远来看,为了解决能源短缺问analysis of a new DMe production process with power题和环境污染问题,用化石燃料制氢并不是良好的cogeneration [. Natural Gas Chem Indu, 2003, 28(3)34-38.(in Chinese)途径。[4]陈斌,金红光,高林.二甲醚分产与二甲醚动力联产的比较3二甲醚、氢能与中国的能源技术战略[].工程热物理学报,2006,27(5):721-724CHEN Bin, JIN Hongguang, GAO Lin. The study of前面分析介绍了几种由煤或天然气制备合成气DME/ power individual generation and polygeneration [J].J进而生产二甲醚和氢能的系统并对比了系统能量[5汉生,任飞,王金福浆态床一步法二甲醚产业化技术开Eng Thermophysics, 2006, 27(5): 721-724.(in Chinese效率、折合合成能耗等指标这些技术都是先把煤炭发研究进展[门].化工进展,2004,23(9):921-924或者天然气制备成合成气,然后进一步合成二甲醚LI Hansheng, REN Fei, WANG Jinfu. Process in氢气等清洁能源产品。在生产化工产品的同时把能development of direct mass production technique of dimethylether from synthesis gas in a slurry reactor [] Chem Indu量综合利用进行发电,有效地提高了系统的效率。而and Eng Process, 2004, 23(9):921-924.(in Chinese)合成气也为分离二氧化碳提供了可能性。[6]张斌,倪维斗,李政,考虑减排CO2的几种大规模制氢系统中国的能源状况是“多煤、少油、有气”,煤炭在术经济分析(上)[门].天然气工业,2004,24(1);101中国的能源结构中占了相当大的比例,发挥着重要ZHANG Bin, NI Weidou, LI Zheng. Technical and的作用。而天然气资源与其他国家地区相比并不是economical analysis of several large-scale hydrogen-producing很丰富,按照等热值计算的天然气价格是煤的数倍ystem of mitigating CO, discharge (1)[J]. Natural Gas从这种现状出发决策者必须正视由煤炭出发的能7中国煤化工 Chinese)n from coal, MITRE源技术CNMH GUSA MITRE, 2002从生产的产品而言,二甲醚和氢能两者并不是[8 Yamashita K, Barreto L. Energyplexes for the 21st century tCoal gasification for co-production hydrogen, electricity and对等的能源技术路线。氢能的着眼点在于长远的能liquid Fuels [J]. Energy, 2005, 30(13):2453-2473.