多方案煤制二甲醚的成本比较.docx

1、第30卷第4期2007年10月煤炭转化COALCONVERSIONVol.30No.4Oct.2007多方案煤制二甲酰的成本比较.张一惟D黄河2）李政3）倪维斗"摘要经济成本作为影响煤制二甲醒市场发展的重要因素一直是人们关心的问题.考虑由生产和运输两个主要环节组成的不同煤制二甲醒情景，选择多种工艺和方法，设计了8条技术路线.并对由这些路线计算所得的二甲醒成本进行分析和比较，在此基础上对各技术路线进行了敏感性分析.计算结果表明，在假定的条件下，采用在煤炭产地一步生产出二甲酸再运输的方式交货成本最低，最具竞争力.敏感性分析表明，投资成本和原料价格对二甲醒成本的影响最大.关键词煤制二甲醒，

2、技术路钱，成本比较中图分类号0引言煤制二甲醒既可以作为液化石油气（LPG）的替代品，也有可能作为车用柴油的替代品，因此是一种有望在我国得到大力发展的替代燃料.最终到达市场的煤制二甲醒的生产和运输情景大致有两类，一是首先在生产地制造甲醇，将甲醇运输到市场地后脱水制成最终使用的二甲醒；二是在生产地直接制成二甲酰，随后将二甲醍产品运输到市场地.实际中迫切需要回答的一个问题是:从经济角度看，上述两种情景中哪一种成本更合算？产生上述问题的主要原因在于甲醇和二甲隧的物理性质不同，从而导致运输方式和运输费用的不同.二甲醒在常温常压下为气体，因此运输过程需要加压容器，会加大运输成本；甲醇在常温常压下为液体，单

3、位产品的运输费用应当低于二甲醒，但由于最终在市场地需要脱除一定质量的水，部分抵消了运输费用低的优势.正是因为存在上述正、负两方面的因素，导致无法简单、直接地回答两种方式孰优孰劣.为此，本文试图通过考核这两种生产和运输情景，设计多条技术路线，对其成本进行计算比较，以期在一定程度上对该问题作出解答.为使成本计算的结果具有可比性，各条路线均以入厂原料煤为起点，到达市场的二甲醒为终端产品，分别计算生产和运输环节的成本，最终加和得到总成本（即交货成本）.1技术路线选择1.1生产方式本文涉及的生产方式见表1.其中，煤制二甲酰气相一步半法是气相两步法的改进，与传统的以精甲醇为原料的两步法不同的是将二甲醒生产

4、装置和甲醇装置直接相连，用甲醇合成气相产物（粗甲醇）直接作为二甲醒合成原料，并充分利用甲醇生产中的能最，这种方法与传统两步法相比降低了二甲醒成本和能耗，用它代替气相两步法，另外，山东久泰公司开发的甲醇制二甲醒液相法新工艺由于缺乏相关资料，故不列入讨论范畴.«1选定的生产方式Table1SelectedproductiontechniquesRawmaterialProductsProductiontechniques(shortenedforms)CoalMeOHGasphaseMeOHsynthesis(GPMeOH)LiquidphaseMeOHsynthesis(LPMeOH)

5、MeOHDMEFixedbedMeOHdehydration(MeOHdehydration)CoalDMEGPMeOHintegratedwithMeOHdehydration(integratedGPDME)Single-stepliquidphaseDMEsynthesis(LPDME)12运输方式选用的运输方式有公路和铁路运输.为了能较为清楚地反映各种运输方式的特点，在一条技术路线中只采用一种运输方式，不考虑不同方式的组合.公路运输中，考虑到运输任务长期稳定，自行组建车队运输.国家重点基础研究发展规划（973）项目（2OO5CB2212O7）.1）硕士生；2）博士后；3）教授、博土生导

6、师,4）中国工程院院士、教授、博士生导牌，清华大学热能工程系,100084北京收稿日期：2007-06-19；修回日期：2007-08-01张一惟等多方案煤制二甲醒的成本比较87铁路运输中，考虑到在中国铁路运输属于国家部门，因此采取的是租用铁路罐车的方式进行运输，运费按文献3中规定计算.又考虑到一般工厂离国家修建的铁路有一雄距离，因此需要自行修建一段接轨铁路,使火车能直接通到工厂内部，方便运输.研究之初曾考虑过管道运输，但初步计算的结果显示，由于管网修建成本高而导致在考虑的运量和距离范围内其运输成本过高，缺乏竞争力，因此下文中未将其列入讨论范畴.1.3选定的技术路线根据选定的生产和运输方式，组

7、合成8条技术路线(见表2).表2技术路线清单Table2ListofselectedtechnicalpathwaysNo.TechnicalpathwaysScenario11234GPMeOH+truck&MeOHtank+MeOHdehydrationGPMeOH+train&MeOHtank+MeOHdehydrationLPMcOH+truck&MeOHunk+MeOHdehydrationLPMeOH+train&MeOHtank+MeOHdehydrationScenario25678IntegratedGPDME+truck&伽Epres

8、surizedtankIntegratedGPDME+train&DMEpressuriredtankLPDME+truck&DMEpressurizedtankLPDME+train&DMEpressurizedtank2经济成本计算在进行计算之前，首先需要给定统一的假设条件(见表3).应该指出，计算的结果和假设的条件是有较大关系的.表3主要假设ItemAnnualDMEyield/(ta-1)Annualproducingdays/(d,a-1)Discountrate/%Plantlifetime/aStraight-linedistance/kmAverages

9、alary/RMB(personyear)1Value500000300102020024000Table3Keyassumptions|Referencedequipmentcm?Depreciationcharge|Plantcapacity)*Equipment<x»tLabor&Fixedoperatingcmt计算中涉及多方面的数据，包括原料和各种能源价格、汇率、主要设备的参考价格及规模、各种生产数据和运输数据等.在数据选取时尽量以国内的数据为主，国外的数据为辅.在同一参数有多组数据可供选择时，尽量选取来源可信度高、工业背景相似、条目说明清楚、时间较近的数据，

10、并尽可能保持数据来源的一致性；另外，为了统一基础，将其中的价格费用数据折算修正到2005年时的水平.各条技术路线最终成本单位均为元/t二甲酵.虽然不同文献中经济性计算所用清单的具体条目各不相同，但简单来说成本都可以分为两部分，即：pathwayoper.pathwayCdepr.p«thwy式中:Cp*thw”代表某一技术路线的成本;Coper,pathway代表该路线的运行成本如,ghw”代表该路线的折旧费用.由于难以找到详细的数据按工业方法估算，本文选择的是参数估算类经济分析方法，即不考虑投资资金的组成、还贷、产品的销售问题和税收问题，只是以主要设备造价为计算基础，考虑各类运维费

11、用以及物质和能量的输入，从而得到其生产运输成本，大致计算流程见图1.图1中TCI(totalcapitalinvestment)是环节的总投资,CRF(annualcapitalrecoveryfactor)是年均投资费用率.各条路线所用的计算步骤相似，下面以“煤气相一步半法合成DME+汽车、DME储槽”路线为例进Scale&locationfacton)r_IInrartmentcoot(acton|Rawmatgrid&utilitiegcomua>ptiw»|materiij&utilitiespricesVariableopwiingeo<

12、t|IOperatingcostI图1成本计算流程图Fig.Flowchartofcostcalculation行说明.2.1生产成本该路线的生产环节由一个气相一步半法煤制二甲酰工厂组成.投资费用包括工厂的建设费用和初期工厂开始生产所需投入的流动资金，操作费用包括日常的原料、能源等消耗费用、工厂的运行维护费用、人员的工资以及监督管理费用等.煤气相一步半法合成二甲醍的大致生产流程见第88页图2.生产成本的计算步骤见第88页表4,未注明时,单位“元”指2005年人民币.在计算固定投资的时候以煤处理制浆系统为例，列出计算步骤，其他部分的计算与之类似，直接给出计算结果.RawcoalCoalhandl

13、ingSlurrypreparaUooCoal-waterslurryGoifier|RE叩曾?|WGS&cleanupAirASUSyngiBIMeOHpntbeti.|ToRawMeOHjinuatportarionlStorage&亍thesi,|PTOCeM|Unacted1图2气相一步半法煤制二甲醒流程示意图Fig.2FlowchartofintegratedGPDME2.2运输成本该路线汽车运输环节的设备是由牵引车和二甲醮储槽组成的.牵引车拖载二甲隧储槽到二甲酰工厂，由工厂的后处理设备将二甲醒加压充装到储槽中.充装完毕后，由牵引车将装满二甲酰的储槽运送.到使用地交货

14、.投资费用包括购买牵引车和二甲髓储槽的花费；操作费用包括牵引车的燃料费用、车辆和储槽的运行维护费用、人员的工资以及监督管理费用等.运输成本的计算步骤见第89页表5.衰4生产成本计算步骤Table4ApproachofproductioncostcalculationItemSymbolUnitFormulaornoteResultBasicdataAnnualDMEyieldYyt/aAssumed500000AnnualproducingdaysTdAssumed300NumberofworkersNworkerpersonAssumed250Productionefficiency7%Fr

15、omReference。57.4O21coalratiotngasifierR()2coalAssumed0.913ElectricityconsumptionUelectricitykWh/tO2FromReference"400LHVofDMEDMEMJ/kgFromReference"28.8LHVofcoalHzMJ/kgFromReference427.455PlantlifetimenyearsAssumed20Discountratei%Assumed10LocationfactorTocatioa%FromReference565Exchangerate($

16、toRMB)RekhagAverageexchangeratein2005(BankofChina)8.1949CoalpricePcoalRMB/tAssumed300ElectricitypricePelectricityRMB/(kWh)Electricitypriceoflargeindustrialusein2005(ShanxiProvince)0.34AveragesalaryPutaryRMB/(persona*)Assumed24000DepreciationchargeCoalhandling&preparationC?coalprtpMillionUSdollar

17、(M$)Calculatedin'anapproachshowedbelowindashedframe40.78ReferencedequipmentcostCmM$(2OO2)FromReference29.10'ReferencedequipmentcapacitySmtonscoal/dFromReference2367ScalefactorscalcFromReference。0.67ChemicalengineeringplantCEPCI2002FromReference"395.6Costindex(CEPC1)CEPCI2005FromReferenc

18、e”468.2EquipmentcapacitySprtonscoal/dqr1pr*T73046EquipmentcostCgM$(2005)(CEPC】2<JJ40.78ASUCasuM$Calculatedinthesameapproachofcoalhandling&preparationsystem83.17TexacocoalgasifierCgtMfierM$Thesameasabove116.67WGSCwGSM$Thesameasabove4.50CleanupsystemCK|eiolM$Thesameasabove68.03MeOHsynthesisCgpm

19、»ohM$Thesameasabove102.40DMEsynthesis&purificationCdehyipuriM$Thesameasabove33.13Storage&loadingCstof4loadM$Thesameasabove33.00Fixedcapitalinvestment(USA)FCIusaM$FCIusa=SUM(Ccoatprep.Casu)481.68Fixedcapitalinvestment(PRC)FCIprc10000RMBFCIprc=FCIusaXgtsnX&«»»守256576Wor

20、kingcapitalwc10000RMBPCIwcf'1。28508Workingcapitalis10%oftotalcapitalinvestmentTotalcapitalinvestmentTCI10000RMBTCIuFCl+WC285084AnnualcapitalrecoveryCRFozIQOXt11.75factorzbAnnualdepreciationchargeJ10000RMB/aS=TC1XCRF33497第4期张一惟等多方案煤制二甲醍的成本比较89续表4ItemSymbolUnitFormulaornoteResultOperatingcostAnnua

21、lrawmaterial.,.HDME1zixMcoaXconsumption(coal)t/a如匕913754AnnualrawmaterialcostCco«i10000RMB/aCco.1=Pc«iMco.i/1000027413AnnualelectricityconsumptionMdectnoty10000kwh/aMclecuidtyUrfccMdtyMcodR%.eoal/lO00033370AnnualelectricitycostCciectrctty10000RMB/aCek<ifid«y=PelectrnityA/eleinaty11

22、346M&QcostCm&r10000RMB/aCm&r=0.02XFCJ5132Variableoperatingcost0000RMB/aCf.rwMe=Ccm!+C'dertncwy+CM&R43891LaborcostCi”10000RMB/aC'wlary=P3“yNworker600SupervisioncostC»vptrnMon10000RMB/aC=015XCuUry90Fixedoperatingcost10000RMB/aCfixed=C*saUry+Cuiperviium690Annualoperatingcos

23、tCoper10000RMB/aCoperCv.ruMr+CfiM.d44581ProductioncostAnnualtotalproductioncostCprodtoui10000RMB/aC*prod<o(al=C&pr+Coper78078ProductioncostCnMEprodRMB/tC*DMEprod=10OOOCprodtocil/Yy1562表5运输成本计算步骤Tabic5ApproachoftransportationcostcalculationItemSymbolUnitFormuladrnoteResultllasicdata100kmdiesel

24、oilconsumptionQtSeidL/100kmDataofDongfengEQ4243Gheavytractor38.5TruckunitpricePtrvck10000RMB/truckDataofDongfengEQ4243Gheavytractor25.6411TrucklifetimeWtruckyearsAssumed10DMEpressurizedtankvolumeV,.km3Assumed30DMEpressurizedtankunitpricePtank10000RMB/tankFoundUSunitpricefromReference8»thencalcu

25、latedChinaunitpriceusingexchangerateandlocationfactormentionedabove16.1388DMEpressurizedtanklifetimeyearsAssumed20Truckaveragespeedkm/hAssumed70loadingspeedQgdL/minAssumed300Truckavailability"truth%Assumed80DriverspertruckNdriverpersons/truckAssumed2Transportationdistance乙nmkmAdded20%tostraight

26、-linedistanceinconsiderationofactualroadtransportation240DieseloilpriceRMB/LAssumed3.5DMEdensityPDMEkg/m3FromReference4670DepreciationchargeTransportcapacitypercrip%t/trip吼伽me/100020.1TripsperyearNgtrips/aAZtrip=Yy/"trip24876TimepertripTtnph/tripT_2A|ran.2OOOVudtE财160Q心10.3Numberoftrucksneededp

27、eryearNdtruckM_TtripMripMs8760米心37NumberofdriversNdnverlolalpersonNdnverlotal=Ndriveriruci74TotalnumberoftrucksneededNirKKkiotal-flduringplantlifetimetruckNtrucktotal=Ntruckntrvck74TotalnumberoftanksneededNtank<ot«ltankKT.KT37duringplantlifetimeIVtanktotal=.TotalcapitalinvestmentTCI10000RMBT

28、CI=NuiKkrotaJP+AZtankrofaj/tank2495AnnualdepreciationchargeCdepr10000RMB/aCs=TClXCRF293OperatingcostAnnualdieseloilAfdiwiL/ay2£>trantnpQdieielMdiexl.一,A/:-4597085consumption100AnnualdieseloilcostC'dicscl10000RMB/aCgyPdiMdi/l000016092007年续表5ItemSymbolUnitFormulaornoteResultM&()costC&#

29、39;mm10000RMB/aCmu=0.05XTCI125VariableoperatingcostCvariable10000RMB/aC”n*ble=CdZ1734LaborcostCaaUry10000RMB/aCsahry"PMhryA/drwenoul177.6SupervisioncostC»upervi*»O«>10000RMB/a=15XC5.nr26.64FixedoperatingcostC*fi»cd10000RMB/aC(med=+CMptrviMon204.24AnnualoperatingcostCope,1

30、0000RMB/aCoper=Cvanabk+Gi*ed1938TransportationcostAnnualtotaltransportationcostGr.ntoul10000RMB/aCtrantoul=Cdcr+Coper2231TransportationcostCr)MEtr«aRMB/tCDMEtr«n=l000C”.iK<x*l/Yy452.3总成本所增大，且成本最高和最低的路线可能发生改变，改变情况将在第4.3部分中进行讨论.由第2.1部分和第2.2部分的计算，则该路线得到二甲酰的交货成本为：CDME=CDMEprod+CDMEmn=1562+4

31、5=1607兀/t3计算结果比较分析3.1技术路线成本比较计算出的各条路线二甲醯的交货成本见图3,浅色部分是生产成本，深色部分是运输成本.1700r11111111112345678No.oftechnicalpathway图38条技术路线交货成本比较(500000tDME/a,200km)Fig.3Deliverycostcomparisonof8technicalpathways(500000tDME/a,200km)Transportationcost;Productioncosl在假设条件下（500000tDME/a,200km）,总的来说，情景一技术路线（运输甲醇）的成本略高于情景二

32、技术路线（运输DME）的成本.成本最高的技术路线是第2条，即“煤气相法合成MeOH+火车+MeOH气相脱水法合成DME”路线;成本最低的技术路线是第7条，即“煤液相一步法合成DME+汽车、DME储槽”路线.最低和最高成本之间相差大约100元/t.运输成本在整个交货成本中占的比例很小，这主要是由于所假设的条件中运输距离比较短.若距离增加，总体上情景-一成本高于情景二成本的现象将保持不变，但各路线中运输成本的比例会有3.2生产技术成本比较所涉及到的生产技术有4种：气相法制甲醇+甲醇脱水、液相法制甲醇+甲卸脱水、气相一步半法制二甲醒、液相一步法制二甲醍.它们可以分为两类生产方式：前两种是生产甲酵异地

33、脱水的方式，后两种是直接生产二甲醍的方式.单独考察生产环节的成本，结果见图4.1800r1111GPMeOH*LPMeOHIntegratedLPDMEdehydrationdehydraiionCPDME图4生产环节成本比较Fig.4Productioncostcomparison»Operatingcoftt;Depreciationcharge从图4可以看出，生产成本由高到低的排列是:气相法制甲醇+甲醇脱水液相法制甲醇+甲醇脱水气相一步半法制二甲醍液相一步法制二甲醒.总的来说，直接生产二甲醒方式的总成本要低于生产甲醇异地脱水方式的总成本，这是由于前者的总生产效率要高，且在设备上

34、省去了甲醇精僧和原料甲酵储存的装置.而对于同一种方式的两种技术，气相法转化率稍高，原料消耗较少，而液相法由于设备投资小（见第91页图5）,加之精俺能耗小，耗电少，总的成本稍低3.3运输环节成本比较情景一中运输的是甲醇，情景二中运输的是二甲醍，每种情景中均有两种运输方式：汽车和火车.比较两种情景中的运输成本，结果见第91页图6.图S生产环节总投资比较Fig.5TotalcapitalinvestmentcomparisonofproductionpartTCI张一惟等多方案煤制二甲醒的成本比较张一惟等多方案煤制二甲醒的成本比较91图6运输环节成本比较Fig.6Transportationcost

35、comparison»MeOH;DME;CIncreasedro«tafterunit*unification图6中浅色实体部分为甲醇的运输成本，深色实体部分为二甲酰的运输成本.由图6可以看出，单位质量甲醇的运输成本是要比二甲酰低的，这是由于甲醇常温常压下是液体，而二甲醒是气体，运输时需要加压液化储存，从运输设备上来说有更高的要求，因此费用会更高.但由于能剧密度不同at-甲醒约需要1.4t甲醇脱水生成.当终端产品为二甲髓的时候，情景二中每运输11二甲醒，情景一中需要运输1.4t甲醇.为了使情景之间的运输环节成本有统一的比较基础，所以以元/t二甲醮为成本单位.此时在考虑情景一

36、中的运输成本时，就要用1.4乘以甲醇的吨运输成本.图6中浅色的斜线标注部分EU为统一单位后增加的那部分费用这样一来，情景一的运输成本就要高于悄景二的运输成本；另外还可以看出，此时同一情景下火车的运输成本高于汽车.这一顺序其实与假设的条件有较大的关系，不同的运鼐和距离下将会有不同的结果，下面对这两种情况分别进行讨论.1）运量对运输成本的影响.在距离不变的情况下，运量对汽车运输的影响相对较小，火车运输成本随着运量的增加而减少，但减少的趋势逐渐变小（见图7）.图7中显示的变化规律证明了汽车是一种灵Transportationquantity/（Mt,a"1）图7运量对运输成本的影响（200

37、km）Fig.7Quantityimpactontransportationcost（200km）Bytruck；Bytrain活的适于中、小运危运输的方式，而火车适合于大运量的运输.2）距离对运输成本的影响.在运量不变的情况下，两种运输方式的成本都随着距离的增加而增加,汽车增加趋势大于火车.汽车是一种适于中、短途运输的方式，长距离时其小运量和高运行维护费用的特点使其逊色于火车；火车大运量和较低运行维护费用的特点适于长途运输，但其接轨费用较高，短距离运输时很不经济（见图8）.这也说明，当超过一定距离后，总成本最高的技术路线将是使用汽车运输°02004006008001000Trans

38、portationdistance/km图8距离对运输成本的影响（50万t/年）Fig.8Distanceimpactontransportationcost（0.5Mt/a）Bytruck>Bytrain的路线，而最低的技术路线将是使用火车运输的路线.4敏感性分析二甲醒交货成本受到生产规模、原料价格、能源价格、折现率和运输距离等诸多因素的影响由于国家政策、经济形势、资源条件和技术发展情况等的变化，这些影响因素在现实中（尤其是其未来的变化）带有不确定性，为研究这些不确定性的影响程度，需要就这些影响因素进行敏感性分析.结果表明，影响较大的两个因素是总投资和煤炭价格（见表6）.因此，提高设备

39、国产化程度减少总投资和在煤炭价格低的地方建厂可以有效地降低产品的成本.表6敏威性分析结果Table6ResultofsensitivityanalysisChangerateofdeliverycostwheneachofthefollowingimpactsdecreased20%respectively/%No.-TCIDiscountrateAnnualyrldCoalpriceElectricitypriceDistance1-9.69-5.574.02-6.73-2.90-0.58S12-9.715.584.27-6.72-2.89-0.293-9.58-5.513.976.96-2

40、.78-0.584-9.61-5.524.226.94-2.77-a295-9.725.584.22-6.83-2.83-0.516-9.72-5.594.44-6.8-2.81-0.27S27-9.32-5.353.90-7.27-2.78一0.538-9.32-5.354.14-7.23-2.77-0.285结论1）在假设条件下，情景二（煤DMEfDME）中各条技术路线的经济表现要稍好于情景一（煤MeOHfMeOHDME）中的各条技术路线.其主要原因是：在生产环节，在原料地直接生产二甲醒的技术方案从投资和运行上都比生产甲醉异地脱水的技术方案有优势；而在运输环节，虽然单位质量甲醇运价低于二甲

41、醮，但折算到等效二甲醒的基础后，运输甲醇的方案就不划算了.2）通过计算数据比较了不同运输方式的特点，结果证明了汽车运输方式适于短距离、小运量的运输，远距离运输不经济；火车运输适于长距离、较大运量的运输，短距离运输不经济.这一结论与常识一致，也说明本文在运输环节中用到的假设是合理的.3）通过对多个变化因素的敏感性分析，找出了对本文经济评价结果影响较大的因素，即总投资和煤炭价格.将来在设计时可在这两方面注意减少费用，以达到降低成本的目的.1 倪维斗，斯晖.李政等.二甲酸经济是解决中国能源与环境何的关键选科技导报,2002(6),58-60.2 刘华彦.孙勤,郑建兴等.二甲St生产技术与一步气相法新工艺设计方案J.化肥设计,2004(6):18-21.3 扶道部.铁运2000J71号.佚路货物运价道出版社，2000.4 张寒.煤制合成燃料从矿井到油箱的生命周期评价D.北京：清华大学，2005.5 麻林强.以煤气化为核心的甲醉、电的多联产系统研究D.北京：清华大学.2003.6 KreutzT.WilliamsR.ConsonniSetal.Co-productionofHydrogen.ElectricityandCO*fromCoalwithCommerciallyReadyTechnology(PartB)：E