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节能减排

摘要:煤基醇醚燃料是适合我国能源结构的一种新型替代能源。本文首先分析了发展煤基醇醚燃料的政策依据,然后对我国的醇醚燃料的发展现状、规模、能耗和排放进行了分析;接着又从煤基醇醚燃料的生产环节和车辆运用环节进行了详细的节能减排分析,最后在煤基醇醚燃料的节能减排效益进行了评估后,提出了发展醇醚燃料产业的建议。 
   关键词:醇醚燃料;甲醇;二甲醚;节能减排;煤炭 

   我国的资源结构特点是“缺油、少气、相对富煤”,煤炭在我国整个能源消费体系中比例约占75%。考虑到太阳能、水力、风能、核能等新能源在未来会有一定程度的发展,这将使煤炭的消费比例有可能下降到50%。但可以确定的是煤炭现在是、将来仍是我国能源消费的主力。 
我国煤炭年开采量是20多亿吨,通过计算,替代5000万吨的汽油要2亿多吨煤,占年开采量的1/10。虽然煤是不可再生能源,通过节能减排改造和控制,每年用两亿多吨煤基甲醇和二甲醚作为车用或民用燃料,可以实现石油基燃料一定份额的替代。 
   一、发展煤基醇醚燃料的政策依据 
   1. 国家领导人对醇醚燃料产业发展高度重视 
   (1) 早在2005年12月,胡锦涛总书记、温家宝总理对“煤基醇醚燃料以替代汽油、柴油”的建议做出批示,要求“进行科学论证,从总体上提出开发方向和重点”。 
   (2) 2006年11月20日上午,国务院副总理曾培炎主持召开会议,指示要“搞好煤炭液化,煤制甲醇、二甲醚、烯烃和煤基多联产技术的试验示范和开发应用” 。 
   (3)2008年9月9日,李克强副总理听取“醇醚燃料产业发展关键问题”汇报,对我国煤基能源和醇醚产业发展做出指示。 
   2. 国家发改委明确将煤基醇醚燃料列入“十一五”十大重点节能工程 
   发改环资[2006]1457号文“关于印发“十一五”十大重点节能工程实施意见的通知”中的“石油替代产品”部分提及“煤炭液化生产石油产品;发展醇醚燃料代油,包括利用工业副产可燃气生产甲醇、二甲醚,非粮食类原料生产燃料乙醇等;鼓励发展生物质柴油。推广大比例甲醇催化燃烧技术和醇醚燃料尾气净化技术。” 
在“石油替代产品”部分提及两个有关发展醇醚燃料的配套措施:一是“加快煤层气、焦炉气等副产可燃气生产醇醚燃料的推广使用,研发大型煤制醇醚装置。研究解决车用甲醇热值低、遇水分层、低温启动差、高温气阻、腐蚀毒性防范等问题。”;二是“制定鼓励公共交通及节能交通方式的政策、法规,鼓励使用燃气车,加强燃气网络和维修网络建设,鼓励使用醇醚燃料汽车”。 
   3. 在国家发改委多次发文中提出鼓励醇醚燃料发展 
   (1) 2006年6月,国家发改委组织近百名专家——“中国煤基替代燃料发展研究报告”。 
   (2) 2007年9月,发改能源[2007]337号文《关于发展替代能源的指导意见(征求意见稿)》。 
   (3) 2007年9月,发改办工业[2007]2235号文《我国醇醚燃料及醇醚清洁汽车发展专题报告(征求意见稿)》。 
   (4) 2007年12月,《产业结构调整指导目录(2007本)(征求意见稿)》,将发展醇醚燃料列为产业结构调整目录。 
   4. 国标委对醇醚燃料标准制定给予大力支持 
   (1) 《M15甲醇汽油》、《M85甲醇汽油》和《变性燃料甲醇》三项标准列入国家标准制定计划。目前M85标准和变性燃料甲醇已经进入等待发布阶段。M15标准进展顺利,年内将会出台。 
   (2) 由国标委批准,于2008年9月13日在太原正式成立的“全国醇醚燃料标准化技术委员会”,为醇醚燃料标准化体系建立提供了组织保证。 
   二、煤基醇醚燃料的发展现状 
   1.我国甲醇和二甲醚生产现状 
   我国甲醇生产主要以煤为原料,其次是天然气和焦炉煤气。 
   截至2008年底, 国内共有甲醇生产企业180多家,产能超过2070万吨/年,产量为1126.3万吨。国内煤制甲醇企业共有140多家,产能合计约1270万吨/年,占总产能的61%;天然气制甲醇的企业为23家,产能合计600万吨/年,占29%;焦炉煤气制甲醇的企业约有13家,产能合计为200万吨/年,占10%。 
   2007年我国一共有二甲醚生产企业30家,产能合计261万吨/年,产量约130吨。2008年我国新增二甲醚产能147.5万吨/年,总产能达到408.5万吨/年。2009-2010年,我国计划投产的二甲醚项目14个,产能合计395万吨/年。预计2010年我国二甲醚产能将达到803.5万吨/年. 
   2. 我国甲醇和二甲醚用于燃料的现状 
   据不完全统计,2008年我国甲醇燃料用于替代汽油达200万吨以上,二甲醚燃料用于替代石油液化气达20万吨以上,我国石油液化气对外依存度由2003年的31.6%下降到目前的20%左右。甲醇、二甲醚代用燃料为缓解国内油气供应矛盾发挥了积极作用。 
我国低比例掺烧技术趋于成熟,已经有18个省、市在掺烧,10个省市有地方标准。据山西省不完全统计,自推广甲醇汽油以来,山西省全省加注低比例甲醇汽油达5000万辆次,在用车甲醇话改造达3000辆以上。 
   3. 煤基醇醚燃料产业化的能耗和排放问题 
   (1)全生命周期分析法煤基醇醚燃料的能耗和排放 
生命周期评价是评价一个产品系统从原材料的提取和加工,到产品生产、包装、市场营销、使用、再使用和产品维护,直至再循环和最终废物处置整个阶段的环境和资源影响的方法。 
   美国能源部阿冈国家实验室提出“从矿井到车轮”的燃料评价体系。这个体系分为“从矿井到加油站”和“机动车使用”两个阶段。并对煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制油三种煤基液体燃料与传统燃料进行了全生命周期的能耗和排放对比。结果表明:三种煤基燃料较汽油在全生命周期内化石能源使用量上增加了100%-130%,温室气体排放量增加了140%-220%。但是,一个主要的优势是煤基燃料可以把石油资源消费量减少95%以上。 
   在排放大气污染物方面,三种煤基燃料的硫氧化物都增加了389%以上,氮氧化物也增加了70%-120%,颗粒物的排放量增加了20以上。一氧化碳排放量与传统柴油基本持平,而挥发性有机物的排放则减少了50%-60%,特别需要指出的是,二甲醚替代燃料的颗粒物排放水平非常低,但是煤质二甲醚燃料整个生命周期中的颗粒物排放则比传统柴油高出将近30倍,主要发生在资源开采和燃料上游阶段。 
   间接液化和二甲醚技术较直接液化的技术能耗相对较高,但在经济性方面二甲醚占有明显优势。 
   (2)影响煤基醇醚燃料能耗和排放的原因分析 
   在我国目前的技术条件下,煤基液体燃料与传统汽柴油相比,在资源开采、燃料生产和运输中,多消耗5-9倍的化石能源,并且导致温室气体的排放总量增加了5-15倍。造成这种情况的主要原因是目前我国大型化工企业生产煤基液体燃料时的能源效率大约为40%-50%,与石油炼厂高达90%的平均炼制效率相差甚远。除此之外,还有以下几点原因: 
   a. 煤炭开采过程中未考虑到煤层气的充分利用 
   b. 煤炭转化过程中未考虑到多联产技术的能源综合利用 
   c. 醇醚燃料应用过程中未考虑的成熟的尾气净化技术。 
   d. 醇醚燃料应用过程中未考虑到温室气体的合理利用。 
   三、醇醚燃料生产过程的节能减排分析 
   能够适应于节能减排和循环经济的理想的合成甲醇的原料主要煤层气、普通煤和劣质煤三类。煤层气经过重整后的合成气可以直接生产甲醇,该方法转化效率高,污染物排放少,对大气环境的影响极小。普通煤炼焦的副产物焦炉煤气和荒焦炉煤气也是制备甲醇的原料。普通煤和劣质煤经气化后的煤基合成气也可用来制备甲醇,但其生产成本要比煤层气和焦炉煤气高。甲醇经过进一步反应就可以制备成二甲醚。 
   1. 从煤炭开采洗选运输环节上进行节能减排技术改进 
   a. 瓦斯抽采必须与矿井同时设计、同时施工、同时投入生产和使用。合理安排瓦斯抽采与井下采场布局,避免瓦斯抽采与采煤之间的相互影响,使矿井瓦斯抽采利用率达到60%。 
   b.综合利用煤矸石、煤泥,其发电余热可集中供热。煤矸石、煤泥等资源的综合利用率要提高到70%。纯岩矸石和半煤岩矸石必须分运分堆,纯岩矸石尽量不出井。 
   c. 积极采用“保水开采”的设计方案,充分净化、处理和利用矿井水,保证矿井水利用率达到70%。 
   d. 煤矿应就近配套建设选煤厂或集中选煤厂。 
   e. 加强对现有选煤厂技术改造,淘汰落后工艺,减少电耗、水耗和介质消耗。积极发展动力煤入洗,高硫、高灰动力煤必须全部入洗。灰分大于25%的商品煤,应就近使用,减少长途运输。 
   2. 煤炭气化生产醇醚环节的节能减排 
   (1)通过多联产技术促进甲醇和二甲醚生产过程中的节能减排 
   煤炭气化生产醇醚燃料过程的节能减排的基础是大力发展煤炭气化多联产技术,集中实现煤电、甲醇、热、煤气四联供。目前国内的煤炭气化多联产模式不同,最终做到能源的最大化的节能减排,见图1。 
   (2)通过现有甲醇和二甲醚生产过程中的技术改进促进节能减排 
   甲醇、二甲醚生产过程中的节能减排,主要从煤炭气化炉设备、合成气和尾气净 

   煤炭气化炉的设计方案要保证气化产物中生成更多的CO,而非最终产物CO2。同时要注意气化过程的热量的高效率利用。 
合成气和尾气净化设备要考虑到原料气体的低温脱硫、脱氮。保证这些有害物质不向环境排放。反应器转化设备要保证控温精确、反应能量高效利用。 
反应气体分离设备大多数用到精馏、吸收设备。而精馏设备是合成甲醇和二甲醚过程中的最大的耗能设备。必须要采用反应精馏、废热高效回收利用来实现能量的充分  利用。 
   (3)大力发展CO2捕集、回收、储存和利用技术降低温室气体排放 
   煤炭中的C元素含量达到90%以上,这意味着煤炭的气化燃烧利用过程就是一个C元素向CO2转化的过程,不管是煤炭发电燃烧,还是煤炭气化生产醇醚做车用燃料。因此,煤炭转化过程中必须要注重CO2的捕集、回收、储存和利用。对于CO2的利用,主要有作为气肥用于植物生长、合成转化为可降解塑料、碳酸丙烯酯等化工产品、作为饮料啤酒原料\注入地下提高油气抽采收率等。 
   四、醇醚燃料运用过程的节能减排 
   由于煤基甲醇和二甲醚作为车用燃料应用属于煤炭资源的高碳能源低碳化利用,燃烧过程中的导致颗粒排放的C-C键大大减少,因此最终车辆使用的尾气排放比起石油基高碳燃料来说,尾气中常规排放物将会大大减少。 
   1. 煤基甲醇应用于车用燃料的节能减排分析 
煤基甲醇的利用主要和汽油以M15、M85、M100三种方式进行燃料替代。整体上,甲醇燃料的CO、NOx、碳氢化合物等常规排放较之纯汽油有明显的降低。对于非常规排放会有一定程度的升高,但通过三元催化剂催化转化,可使高比例甲醇汽油的未燃甲醇、甲醛排放降低到接近和低于汽油的排放水平。 
美国3大汽车公司对19辆灵活燃料车车队进行了M15、M85尾气排放测试,结果表明: 
   M85的尾气常规污染物中:CO排放比汽油低37%, NOx排放与汽油相当,碳氢化合物排放减少28.5%。 
   M85的尾气非常规污染物:甲醛排放约为应用纯汽油的3~4倍;其他有毒气体:苯、1,3-丁二烯、乙醛分别比汽油降低84%、93%、75%;汽油没有甲醇排放,M15、M85仅有3%的甲醇排放。 
   M15的尾气污染物排放中除增加了甲醇排放外,NOX排放一样,其余污染物排放比汽油都略有降低。 
   2. 煤基二甲醚应用于车用燃料的节能减排分析 
   二甲醚被认为是21世纪最具吸引力的柴油机代用燃料。在多种柴油机上所进行的燃用二甲醚的试验结果表明,发动机噪声大大下降,其排放烟度为零,其它主要排放指标要大大低于欧Ⅲ标准。 
   五、综合经济效益分析 
   推广燃料甲醇与甲醇汽车,可实现以下综合效益: 
   (1)可一定程度减少我国对原油和成品油的进口依赖,而且可以节约大量外汇,减轻了对石油资源的绝对依赖; 
   (2)合理利用了我国丰富的煤炭资源,特别是为废弃的高硫劣质煤、排空的焦炉煤气等找到了一条综合利用、环保节能的出路。既加大了资源的高效利用,又降低了燃料甲醇的生产成本。 
   (3)使用燃料甲醇和甲醇汽车可从源头上降低环境污染,大幅度降低汽车尾气排放,改善大气质量,一举多得。 
   六、结论与建议 
   由此看来,只要煤基甲醇和二甲醚能够在原料选择上不影响煤炭的主体供应、生产路线上实现热电和多种原料的多联产、生产环节上进行大力的技术改造,就一定能在整个醇醚燃料生命周期内最大限度降低能源消耗和温室气体排放,最终达到或接近现有汽柴油生命周期的能耗和排放水平。 
为此,提出醇醚燃料下阶段节能减排发展建议: 
   1 建议国家对优质煤炭直接气化项目进行限制和管理,鼓励焦炉气或黄焦炉煤气制甲醇和二甲醚、劣质煤气化制甲醇和二甲醚项目建设。 
   2 建议国家对煤炭发电项目进行必要的规模化限制和排放管理,大力鼓励核电、水电、风电发展。 
   3 建议国家对技术相对成熟的多联产项目给于政策扶持,大力促进煤炭的综合利用。 
   4 建议国家加大二氧化碳捕获和减排技术攻关力度,进一步降低二氧化碳减排水平。 
   5 建议国家对煤基醇醚燃料产业给于乙醇燃料一样的政策优惠和扶持,鼓励醇醚燃料在煤炭资源相对丰富的地区展开大规模推广。 
  6 建议国家组织汽车生产厂家积极开展醇醚燃料车辆的开发和产业化示范工作,同时出台相关配套政策和标准,促进醇醚燃料合法化进入替代油品市场。

 

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