CN100506957C - 以二甲醚为原料生产代天然气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种以二甲醚为原料生产代天然气的方法，以二甲醚为原料部分代替或全替代液化石油气或其它可燃气体用以生产城镇燃气，比如生产10T～13T代天然气，具有燃烧率高、环保性能好、性价比合理等优点，而且可充分利用燃气企业已有生产装置，装置改造量极小，具有投资省、建设周期短、装置启动快速、操作方便，安全可靠性高、原料转换灵活等特点，适合现有煤气生产企业降低燃气生产成本以提高经济效益、扩大产能以弥补原有气源不足、实施原料多元化以提高供气的安全可靠性，达到提高企业经济与社会效益的目的。本发明技术处于国内领先水平，在能源及燃气行业有良好的推广应用前景，可以产生明显的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用二甲醚替代液化石油气和其它燃气作为原料生产城镇燃气的方法。
背景技术
1、国家能源现状
能源是国民经济发展的基础，我国经济发展中最值得关注的三大关键问题之一就是能源结构问题。
石油资源作为一次性能源，从世界可采储量平均水平看只剩40年。具体到我国，从1993年起，已从石油出口国变为进口国，且这种石油短缺状况呈逐年递增态势。2000年，我国进口原油7000万t，成品油3000万t；到了2005年，我国原油生产量1.8亿t，进口原油1.3亿t；2010年我国石油进口量将达到2.0亿t，对外依存度超过50％。可见，今后我国对能源的需求量将越来越大，如果长期如此，这种完全建立在石油和天然气进口的能源利用结构是危险的，也是不可靠的，解决的对策是必须执行多元化的能源政策。
而另一方面，我国已探明的一次性能源总量中，煤炭占96％，每年产量占世界产量的35％左右，达12～13亿t。在能源产业方面，煤炭的开发和综合利用成为我国国民经济可持续发展的重要支柱。2000年我国一次能源消费量中煤占63％，而世界平均值仅占25％，绝对量消耗仅次于美国，凸现结构之不合理。因此，尽快采用高效洁净煤技术，将煤炭转化为二次能源，对于我国经济发展、环境保护与生态平衡都具有战略意义。
随着煤化工和碳化学的发展，人们越来越关注煤除了制合成氨和甲醇以外的其他化工产品及煤作为替代石油资源的新途径。比如以原煤作原料生产二甲醚产品。目前的现实是，二甲醚工业化技术逐步完善，煤化工多联产技术日趋成熟，二甲醚作为液化石油气、柴油替代品及化工原料等具有巨大的发展潜力。
在当今能源极度紧缺的条件下，我国发展二甲醚燃料具有重要意义：
①能够替代部分液化石油气进口，减少对外能源依存度，提高国家能源安全。2005年，我国液化石油气消耗量为1852万吨左右，其中进口量为615万吨，是世界第三大消费国和进口国。
②帮助西部富煤贫困地区发展经济。与单纯输出煤炭相比，生产二甲醚能延长煤炭产业链，有利于提高煤炭产品的附加值，对促进我国西部富煤地区经济发展具有重要作用。
③大规模替代柴油，有助于降低柴油车污染物排放，对机动车辆污染严重的大型城市能发挥明显的环境保护作用。此外，还能缓解我国炼油行业汽柴油比高而导致的柴油相对不足。
④在基础设施上具有后发优势。发达国家的基础设施已经比较完备，推广替代燃料时基础设施的改建工作量较大。我国民用液化石油气的普及程度尚不高，基础设施改建问题较少，燃料转换的代价相对较少。所以，二甲醚特别适于作为替代燃料大规模发展。
2、二甲醚(DME)理化性质
二甲醚简称DME，又称木醚、氧二甲，习惯上简称甲醚，是一种最简单的脂肪醚。其分子式为C2H6O，分子量46.07，结构式为CH3—O—CH3，常压下是一种无色气体，具有轻微醚香味。相对密度(20℃)为0.666，熔点-141.5℃，沸点-24.9℃，室温下蒸气压约为0.5MPa，与液化石油气(LPG)特性相似，具有优良的混溶性，能同大多数极性和非极性有机溶剂混溶，比如汽油、四氯化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲酯等。在100ml水中可溶解3.7ml二甲醚气体，如加入少量助剂后，二甲醚可与水以任意比互溶。二甲醚与其它相近物质的理化性质如下表1。
表1：二甲醚与其它相近物质的理化特性
| 理化性质 | 二甲醚(DME) | 柴油 | 丙烷 | 正丁烷 | 甲烷 | 甲醇 |
| 化学式 | (CH<sub>3</sub>-O-CH<sub>3</sub>) | (CnH<sub>1.8</sub>n) | (C<sub>3</sub>H<sub>8</sub>) | iC<sub>4</sub>H<sub>10</sub> | (CH<sub>4</sub>) | (CH<sub>3</sub>-OH) |
| 相对分子质量 | 46 | 190～220 | 44 | 58 | 16 | 32 |
| 液相低位热值MJ/kg(kcal/kg) | 28.8(6888) | 42.5(10150) | 46.36(11072) | 45.71(10918) | 50.06(11957) | 19.5(4800) |
| 气相低位热值MJ/m<sup>3</sup>(kcal/m<sup>3</sup>) | 64.58(15425) | 93.18(22256) | 123.57(29513) | 35.91(8578) | ||
| 液体粘度kg/m-s | 0.15 | 2～4 | 0.15 | - | - | |
| 液体密度kg/m<sup>3</sup> | 668 | 840 | 501 | 465 | 790 | |
| 气体密度kg/m<sup>3</sup> | 2.24 | 2.0102 | 2.703 | 0.7174 | ||
| 十六烷值 | >55 | 38～53 | <10 | <10 | 5 | |
| 理论空燃比kg/kg | 9.0 | 14.6 | 15.6 | 17.2 | 6.5 | |
| 理论空气量m<sup>3</sup>/m<sup>3</sup> | 14.28 | 23.8 | 31.0 | 9.52 | ||
| ***极限(体积分数％) | 3.5～17.0 | 2.1～9.5 | 1.5～8.5 | 5.0～15.0 | 5.5～36 | |
| 沸点℃ | -25 | 180～360 | -43 | -162 | 65 | |
| 自燃温度℃ | 235 | 250 | 470 | 650 | 450 | |
| 理论燃烧温度℃ | 2250 | 2055 | 2055 | 2043 | ||
| 氧含量％ | 34.8 | 50.0 | ||||
| 20℃时的蒸气压MPa | 0.53 | 0.83 | 0.21 | 超临界状态 |
二甲醚易燃，燃烧时火焰略带光亮，燃烧热(气态)为1455kJ/mol，理论热值约为汽柴油的64％，应用热值相当于汽柴油的80％左右。二甲醚十六烷值大于55，高于柴油，有望作为柴油替代品。燃烧时常规有害气体排放量低于汽柴油，有利于环境保护。常温下DME具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀、无致癌性，但在辐射或加热条件下可分解成甲烷、乙烷、甲醛等。
二甲醚的饱和蒸气压低于液化石油气，因此，储存运输比液化石油气更安全，因为本身含氧量高达34.8％，所以燃烧性能特别好，热效率高，燃烧过程中无残渣、无黑烟，CO、NO排量低；二甲醚还可掺入液化石油气、煤气或天然气混烧并能提高热量，组分含量≥95％二甲醚可直接作为替代液化石油气的燃料使用。所以，它将可能是取代液化石油气的一种理想的清洁燃料。此外，二甲醚还可用做化工原料，主要用于制造喷雾油漆、杀虫剂、空气清香剂、发胶、防锈剂和润滑剂等。
3、二甲醚用途
二甲醚用途非常广泛，可用于许多精细化学品的合成，而其最大的用途则是作为一种清洁能源用作燃料，同时，也是柴油发动机的理想燃料。其被誉为“二十一世纪的新能源”，有着广阔的市场前景和发展空间。
现有二甲醚利用技术中，一般是将二甲醚与LPG混合后，以瓶装方式供应作为民用燃料，尽管该技术已经很成熟，但有其明显的弊端：DME只能以较低比例替换LPG，使用量有限；且产品热值降低幅度较大，影响用户利益；与进口LPG(瓶装)比较，蒸汽压下降，气化能力减弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过原料替代、能够有效降低煤气生产成本、改善燃气用具燃烧性能的工艺技术与方法。即采用二甲醚(DME)替代或部分替代液化石油气(LPG)、其它可燃气体作为原料，生产符合“国标”《人工煤气》(GB/T13612—93)中产品质量要求的10T～13T天然气的具体技术。
本发明通过以下技术方案实现以二甲醚生产10～13T代天然气的目标：
一种以二甲醚为原料生产代天然气的方法，其特征在于包括以下步骤：①将液相二甲醚送至加热气化；②将气化后二甲醚送至混合器中与空气混配。
一种以二甲醚为原料生产代天然气的方法，其特征在于包括以下步骤：①将分别储存在不同高压储罐内的液相DME、LPG分别送至加热气化后混合，按体积百分比计算，其中DME的含量：0<DME≤100％，LPG的含量：0≤LPG<100％；②将气化后DME和LPG送至混合器中与空气混配。
一种以二甲醚为原料生产代天然气的方法，其特征在于包括以下步骤：①将混合储存于同一高压储罐内的液相DME与LPG混合原料气化，该液相混合原料中DME的质量含量：0<DME≤100％，LPG的质量含量：0≤LPG<100％；②将气化后“DME+LPG”混合原料送至混合器中与空气混配。
一种以二甲醚为原料生产代天然气的方法，其特征在于包括以下步骤：①将液相DME、LPG气化后与其它常温可燃气体分别送至燃气预混器中混合，按体积百分比计算，其中DME的含量：0<DME≤100％，LPG的含量：0≤LPG<100％，常温可燃气体的含量：0≤常温可燃气体<100％；②将步骤①中的DME、LPG和常温可燃气体的混合气体送至混合器中与空气混配。
一种以二甲醚为原料生产代天然气的方法，其特征在于包括以下步骤：①将液化石油气送至加热气化，同时将液相二甲醚雾化后直接与高温可燃气体换热气化，再共同进入燃气预混器中混合气化并混合，按体积百分比计算，其中DME的含量：0<DME≤100％，高温可燃气体的含量：0≤高温可燃气体<100％，LPG的含量：0≤LPG<100％；②将步骤①中的LPG、DME和高温可燃气体的混合气体送至混合器中与空气混配。
本发明以二甲醚为原料部分代替或全替代液化石油气生产城镇燃气，比如生产10T代天然气(俗称空混气)，具有燃烧率高、环保性能好、性价比合理等优点，也可以以二甲醚为原料部分代替或全替代其它可燃气体，生产出合格10～13T代天然气产品。
本发明旨在充分利用燃气企业已有生产装置，装置改造量极小，具有投资省、建设周期短、装置启动快速、操作方便，安全可靠性高、原料转换灵活等特点。适合现有煤气生产企业降低燃气生产成本以提高经济效益、扩大产能以弥补原有气源不足、实施原料多元化以提高供气的安全可靠性，达到提高企业经济与社会效益的目的。
本发明技术处于国内领先水平，在能源及燃气行业有良好的推广应用前景，可以产生明显的经济效益和社会效益。制气装置采用原料供应多源化路线，对合理调整能源利用结构、弥补国内油气战略储备缺乏、提高供气***安全稳定性，有其深远的政治、经济及社会意义。
附图说明
附图1：LPG混空气生产10T代天然气工艺流程图。
附图2：DME完全替代LPG混空气生产10T代天然气工艺流程图。
附图3a：DME部分替代LPG(液相状态下，分类储存)混空气生产10T代天然气工艺流程图。
附图3b：DME部分替代LPG(液相状态下，混合储存)混空气生产10T代天然气工艺流程图。
附图4a：DME与LPG及其它常温燃气混空气生产10～13T代天然气工艺流程图。
附图4b：DME与LPG及其它高温燃气混空气生产10～13T代天然气工艺流程图。
具体实施例
实施例1.二甲醚完全替代液化石油气生产10T代天然气
以广州市番禺港华燃气有限公司生产装置为例进行说明。
(1)港华燃气有限公司原有装置是LPG混AIR生产10T代天然气的生产装置，原有LPG混空气生产装置的工艺流程图见附图1(LPG混空气生产10T代天然气工艺流程图)，使用进口LPG作为原料，LPG典型组分为(气相体积)：C3 40％、C4 60％，相关参数如下表2。
表2：港华燃气有限公司原料(进口LPG)主要组分与燃烧特性参数
LPG气化后与AIR按一定比例混配，生产出来的产品(10T代天然气)的相关参数如下表3。混合比例为LPG∶AIR＝47.59％∶52.43％，混合气体15℃时的低位热值为50.0MJ/Nm3。
表3：港华燃气有限公司产品(10T代天然气)主要组分与燃烧特性参数
(2)原料替换后，DME混空气生产10T代天然气的工艺流程及其说明
以DME完全替代LPG生产10T代天然气工艺流程图见附图2(DME完全替代LPG混空气生产10T代天然气工艺流程图)，可充分利用已有的LPG混AIR生产10T代天然气的生产装置。
储存在高压储罐内的DME通过液相烃泵加压后，进入气化装置与加热介质(热水、蒸汽、电加热等)换热得以气化，然后与经过净化处理过的AIR按一定比例混配，制取10T代天然气。
DME与AIR的混合比例取决于产品的热值和燃烧特性参数(主要是华白指数和燃烧势指标)须符合“国标”要求，理论计算可以得出两者的掺混比例，并通过计算机***设置的“热值控制回路(热值粗调)”和“热值调节回路(微调)”予以实现。
拟替代LPG作为原料的二甲醚(DME)基本参数如下表4
表4：气相DME主要成份与燃烧特性参数
二甲醚完全替代LPG后，与空气(AIR)以相应比例混配，生产10T代天然气产品的主要组分与燃烧特性参数如下表5。
表5：DME混空气生产的10T代天然气主要成份与燃烧特性参数
(3)产品质量指标与安全性能指标分析
①产品质量与效果分析
对比“国标”要求及LPG空混气产品指标，二甲醚完全代替液化石油气(LPG)后生产的产品10T代天然气(空混气)，其华白指数、燃烧势均变化不大，完全能够符合“国标”各项要求，可以完全替代。
②安全性能分析
经过计算，LPG在空气中的***极限为：1.0～10.0％，而DME在空气中的***极限为：3.5～17.0％。依据“国标”《城镇燃气设计规范》(2002年版)要求：为确保安全，可燃气体中混入空气时，必须确保“可燃气体的体积分数应高于其***上限的2倍”。
由此可知，在DME中混入空气后，只要DME体积分数大于34％，则混合气体是安全气体。
本例中，O2含量为3.77％，即空气含量18％，DME体积分数为82％，远远高于34％，完全满足“高于其***上限的2倍”的要求，因此，二甲醚完全代替LPG后生产的产品10T代天然气(空混气)的安全性能能够满足要求。
实施例2.二甲醚部分替代液化石油气生产10T代天然气(DME与LPG液相分类储存、气化后混合方式)
同样以广州番禺港华燃气有限公司生产装置为例进行说明。
①原料部分替换后，“DME+LPG”混空气生产10T代天然气的工艺流程及其说明
以DME部分替代LPG后生产10T代天然气工艺流程图见附图3a(“DME+LPG”混空气生产10T代天然气工艺流程图)。
分别储存在高压储罐内的DME与LPG，通过各自的液相烃泵加压后，进入各自的气化装置与加热介质(热水、蒸汽、电加热等)换热得以气化，然后，这两种燃气同时与净化处理过的AIR按一定比例混配，制取10T代天然气。
DME与LPG的混合比例任意可调，其中0<DME≤100％，0≤LPG<100％；AIR掺混比例则取决于产品的热值和燃烧特性参数(华白指数、燃烧势)须符合“国标”要求，理论计算可以得出两者的掺混比例，并通过计算机***设置的“热值控制回路(热值粗调)”和“热值调节回路(微调)”予以实现。
②原有装置是LPG混AIR生产10T代天然气的生产装置，使用进口LPG作为原料，LPG典型组分为(气相体积)：C3 40％、C4 60％，相关参数上表2。
③DME气化后与部分气相LPG混合(本例设定体积分数为50％∶50％)，混合后原料的相关参数下表6。
表6：DME与LPG混配比例为50％∶50％时的相关参数
④气化后的混合原料(“DME+LPG”)与AIR按一定比例混配，生产出来的产品(10T代天然气)的相关参数如下表7。混合比例为“DME+LPG”∶AIR＝60.23％∶39.77％，混合气体15℃时的低位热值为50.0MJ/Nm3(12659kcal/Nm3)。
表7：(DME+LPG)混空气生产的10T代天然气主要成份与燃烧特性参数
⑤产品质量指标与安全性能指标分析
a)产品质量与效果分析
对比“国标”要求及上述DME部分替代LPG后的产品指标，二甲醚部分替代LPG后(两种燃料采用分别气化后与空气掺混方式)生产的产品10T代天然气(空混气)，其华白指数、燃烧势等指标均完全能够符合“国标”各项要求，毫无疑问，DME可以部分替代LPG。
b)安全性能分析
经过计算，LPG、DME在空气中的***极限分别为：1.0～10.0％、3.5～17.0％，而“DME+LPG”体积分数为50％∶50％时，其在空气中的***极限为1.8％～14.0％。依据“国标”《城镇燃气设计规范》(2002年版)要求：为确保安全，可燃气体中混入空气时，必须确保“可燃气体的体积分数应高于其***上限的2倍”。
由此可知，在“DME+LPG”中混入空气后，只要“DME+LPG”体积分数大于28％，则混合气体是安全气体。
本例中，O2含量为8.35％，即产品中空气含量39.8％，“DME+LPG”体积分数为60.2％，远远高于28％，完全满足“高于其***上限的2倍”的要求，因此，二甲醚部分代替LPG后生产的产品10T代天然气(空混气)的安全性能能够满足要求。
实施例3.二甲醚部分替代液化石油气生产10T代天然气(DME与LPG液相混合储存、同时气化方式)
也是以广州市番禺港华燃气有限公司生产装置为例进行说明。
除原料储存部分外，生产***工艺流程与“DME与LPG液相分类储存、气化后混合方式”流程完全相同，产品质量及安全性能指标完全一样。附图3b为DME部分替代LPG(液相状态下，混合储存)混空气生产10T代天然气工艺流程图。
储存在高压储罐内的DME与LPG混合原料，通过液相烃泵加压后进入气化装置与热源换热得以气化，再与净化处理过的AIR按一定比例混配，制取10T代天然气。“DME+LPG”混合原料的气化温度较纯LPG的气化温度略高，因此在气化装置内对混合原料进行加热气化时，加热介质温度较LPG气化时的温度提高0～10℃。
DME与LPG的混合比例任意可调，该液相混合原料中DME的质量含量：0<DME≤100％，LPG的质量含量：0≤LPG<100％；“DME+LPG”与AIR混合比例取决于产品的热值和燃烧特性参数(华白指数、燃烧势)须符合“国标”要求，理论计算可以得出两者的掺混比例，并通过计算机***设置的“热值控制回路(热值粗调)”和“热值调节回路(微调)”予以实现。
实施例4.DME与LPG及其它燃气混空气生产10～13T代天然气
附图4a、4b分别为DME与LPG及其它常温燃气混空气生产10～13T代天然气工艺流程图和DME与LPG及其它高温燃气混空气生产10～13T代天然气工艺流程图。
1)DME与常温可燃气体混配生产10～13T代天然气
分别储存在高压储罐内的DME与LPG，通过各自的液相烃泵加压后，进入各自的气化装置与加热介质(热水、蒸汽、电加热等)换热得以气化，同时与其它各种可燃气体(比如，水煤气、焦炉煤气、油制气、沼气、生物气、天然气、煤层气、轻烃气等。可以是1种，也可以是多种)进入燃气预混器中混合，之后，再与净化处理过的AIR按一定比例混配，制取10T～13T代天然气。
DME与LPG及其它各种可燃气体间的混合比例任意可调，其中0<DME≤100％；AIR掺混比例则取决于产品的热值和燃烧特性参数(华白指数、燃烧势)须符合“国标”要求，理论计算可以得出两者的掺混比例，并通过计算机***设置的“热值控制回路(热值粗调)”和“热值调节回路(微调)”予以实现。
2)DME与高温可燃气体混配生产10～13T代天然气
为节省能源，高压储罐内的DME不经过气化装置，而是通过液相泵加压后，借助于雾化喷嘴与高温可燃气体(比如，水煤气、焦炉煤气、油制气等)直接换热气化，再与气相LPG进入燃气预混器中混合，之后，再与净化处理过的AIR按一定比例混配，制取10T～13T天然气。
DME与LPG及其它各种可燃气体间的混合比例任意可调，其中0<DME≤100％；AIR掺混比例则取决于产品的热值和燃烧特性参数(华白指数、燃烧势)，在确保产品上述两类指标全部合格的前提下，可以计算出AIR的掺混比例。通过计算机***设置的“热值控制回路(热值粗调)”和“热值调节(微调)，可以确保产品”国标“要求。
结论
分析及实践均表明：
①二甲醚(DME)可以完全替代、也可以任意比例部分替代LPG，生产符合“国标”要求的10T代天然气；
②DME部分替代LPG时，可以采取液相分类储存、气相混合方式，也可以采取液相混合方式。两种方式尽管工艺流程有差别，但产品质量完全一样；
③DME完全替代或部分替代LPG作原料，其产品的质量、安全性能完全符合要求；
④气相DME与其它常温或高温可燃气体按一定比例混合，可生产出符合“国标”要求的12、13T代天然气，以增加产能或用于燃气管网调峰。
⑤只要具备价格优势，国内燃气市场二甲醚需求量巨大。采用“二甲醚+空气+天然气+其它燃气”的供气模式，是解决气源缺口一个很现实、很有效的办法；
⑥天然气是二甲醚强劲的竞争对手。且其价格稳定性不强，从产能到价格都受甲醇制约；
⑦目前，人们对二甲醚缺乏真正意义上的了解，与其它能源的等热值比较问题未得到认识，存在消费误区。
⑧二甲醚的微腐蚀性对LPG***的影响不容忽视。
Claims (2)
1.一种以二甲醚为原料生产代天然气的方法，其特征在于包括以下步骤：①将分别储存在不同高压储罐内的液相二甲醚、液化石油气分别送至加热气化后混合，按体积百分比计算，其中二甲醚的含量：0<二甲醚<100％，液化石油气的含量：0<液化石油气<100％；②将气化后二甲醚和液化石油气送至混合器中与空气混配，“二甲醚+液化石油气”体积分数大于28％。
2.一种以二甲醚为原料生产代天然气的方法，其特征在于包括以下步骤：①将混合储存于同一高压储罐内的液相二甲醚与液化石油气混合原料加热气化，加热介质温度比液化石油气单独气化时的温度高～10℃，上述液相混合原料中二甲醚的质量含量：0<二甲醚<100％，液化石油气的质量含量：0<液化石油气<100％；②将气化的“二甲醚+液化石油气”混合原料送至混合器中与空气混配，“二甲醚+液化石油气”体积分数大于28％。
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