二甲醚燃料的燃烧性能研究

二甲醚燃料的燃烧性能研究
摘要：将二甲醚用作替代能源，是我国抑制高油价影响的重要措施之一。

制取二甲醚的工艺主要有二步法和一步法，其中，对煤深加工并采用二步法制取DME 是我国较为现实、合理的工艺路线。

二甲醚因为本身含氧的缘故，具有燃烧效率高的特点，通过对其燃烧机理进行研究分析发现，同等热量条件下，与天然气、液化石油气等其它燃气相比较，二甲醚燃烧效率提高3.0～5.0%左右，而由于其十六烷值较高，特性与柴油相近的原因，可作为理想的柴油发动机洁净燃料，排放性能优越，因此，推广应用前景十分广阔。

而需要注意的是，由于二甲醚具有富氧燃烧特性，燃烧温度较高，必须关注其氮氧化物的排放情况。

关键词：二甲醚；燃烧机理；富氧燃烧；二步法工艺；一步法；替代；低排放；氮氧化物；能源。

1、引言
实施替代能源战略是我国抑制高油价影响的重要国策。

二甲醚作为一种优质、现实的替代能源，产业发展前景十分广阔，从战略的高度，全面、系统、深入地研究二甲醚生产及其利用技术，符合我国能源发展方向，对于我国经济发展、环境保护与生态平衡具有重要意义。

2、二甲醚特性
二甲醚分子式为C2H6O，分子量46.07，常压下是一种无色气体，具有与液化石油气（LPG）相似的特性，二甲醚与其它燃料特性比较如下表1。

表1：二甲醚与其它燃料特性比较
3、二甲醚的制取与生产物耗
二甲醚（DME）可以用天然气和煤作为原料来生产。

中国煤炭储藏量十分丰富,通过对煤深加工办法得到DME是合理途径。

目前国内外DME的生产工艺主要有三种。

（1）二步法
以煤炭为原料，先制甲醇，再由甲醇脱水得到DME，该工艺在国内外均已十分成熟。

按目前的工艺条件，一般是2.5吨煤炭（劣质煤）可以合成1吨DME。

a) 先由煤氧吹气化以后得到合成气，其主要组分是CO + H2 ；
b) CO + 2H2→CH3OH （甲醇生产）
c) CO2 + 3H2→CH3OH+ H2O （甲醇生产）
d) CO + H2O→CO2 + H2
e) 2CH3OH→CH3OCH3 + H2O （二甲醚生产）
（2）一步法
据报道，一步法工艺已在美国、日本、丹麦等国开发成功，并进入中试阶段，预期不久将可建设工业化装置。

目前，该工艺正在趋于成熟，通过相应的催化剂，在浆态床反应器中直接由合成气转换成二甲醚。

一步法的关键点在于催化剂的特性，目前多采用双功能催化剂，这种催化剂一般由2类催化剂物理混合而成，其中一类为合成甲醇催化剂，另一类为甲醇脱水催化剂。

一步法制DME的反应可分为以下几个步骤：
a) CO+H2→CH3OH (-ΔH=90.7kJ/mol)(1)
b) 2CH3OH→CH3OCH3+H2O(-ΔH=23.5kJ/mol) (2)
c) CO+H2O→CO2+H2(-ΔH=41.2kJ/mol) (3)
总反应式为：
3CO+3H2→CH3OCH3+ CO2 (-ΔH=246.1kJ/mol)
二步法虽然转化率方面不如一步法，但生产工艺成熟，装置适应性广，后处理简单。

一步法生产DME主要用作燃料，如生产高纯度DME，还需进一步分离提纯。

从技术发展趋势看，一步法具有流程短、设备效率高、操作压力低和CO单程转化率高等特点，设备投资、操作费用及生产成本都较两步法大幅度降低。

因此，经济上更加合理，市场上更具竞争力，总体上来说更具技术优势。

虽然它是近年才发展起来的新工艺，但却是目前世界上开发大型
装置的重点技术与方向。

（3） CO2加氢直接合成二甲醚法
该工艺作为合成DME的一种新路径正处于探索阶段。

CO2是地球上最丰富的碳资源，由它引起的温室效应已给人类生态平衡带来了巨大的损失。

因此，以CO2为原料合成各种化学品来实现CO2的循环利用已引起各国重视。

CO2加氢直接合成DME就是在这种大背景下，提出的DME的一种新制取方法。

是世界经济可持续发展的重要战略方向，具有极大的开发价值。

（4）二甲醚生产物耗
前已述及，2.5吨劣质煤炭可以生产出1吨甲醇，但随着煤炭加工技术的发展，该消耗数据有一定的下降空间。

当煤炭价格为为150元/吨时，甲醇的生产成本约为800元/吨；按照二甲醚生产装置物耗数据，采用二步法工艺，1.5吨甲醇可以生产1吨二甲醚，DME生产成本约为2000元/吨左右。

当用其替代液化石油气（LPG）作为燃料时，等热值计算的结果是1.59吨DME相当于1吨LPG，即相当于3180元/吨的LPG。

从目前高油价的市场情况看，推广二甲醚应用有良好的前景。

4、二甲醚燃烧机理分析
二甲醚用作燃料替代LPG被市场看好，被誉为“二十一世纪的新能源”。

究其主要原因，一方面在于能源价格高企下DME的价格优势，而另一方面则是其燃烧效率高和燃烧产物排放洁净的显著特点。

4.1 DME燃烧效率分析
二甲醚易燃，燃烧时火焰略带光亮，气态低位热值为64.58MJ/m3（15425kcal/m3），同等质量条件下，理论热值约为汽柴油的64%。

以质量计，二甲醚本身含氧量高达34.8%，理论燃烧温度可达2250℃，燃烧性能较好，热效率也较高。

（1）因为本身含氧，需要添加的理论空气量（N2量）相应减少
DME燃烧反应分子式为C2H6O +3 O2—→2CO2 +3 H2O
将其与乙烷燃烧过程比较： C2H6 +3.5 O2—→2CO2 +3 H2O
由上述反应方程式可知，1.0摩尔体积的DME与相同摩尔体积乙烷燃烧过程比较，乙烷所需要的氧气量较二甲醚多0.5摩尔，而DME气相热值与乙烷热值（气态低位热值为
64.36MJ/m3）基本相同。

亦即，假定燃烧效率相同，获得相同的燃烧热量，1.0摩尔的DME 燃烧时，混入的氧气量较乙烷可降低0.5摩尔。

我们知道，空气中1.0摩尔氧气附带3.76摩尔的氮气和其它惰性气体，因此，上述DME及乙烷完整的燃烧反应方程式应为：C2H6O +3 O2 +3×3.76N2—→2CO2 +3 H2O +3×3.76N2
C2H6 +3.5 O2+3.5×3.76N2—→2CO2 +3 H2O +3.5×3.76N2
上两式表明，在燃烧温度不太高的情形下，反应前后N2的摩尔数不变。

N2虽然进入燃烧区，但并未参加氧化反应，相反，它带走DME部分燃烧热，进而影响热效率。

因此，降低不参与反应的N2量（空气量），则减少了热损失，相当于提高了DME的热效率，这是DME 热效率高的其中一个原因。

（2）燃烧状况改善，过剩空气系数降低
一般情况下，燃烧装置空气系数α控制范围为：工业燃烧装置α=1.05～1.20；民用α=1.30～1.80。

从提高燃烧效率方面讲，理想情况下，α=1.0时，如果能确保空气与燃气混合充分、燃烧完全，燃烧效率最高。

实际燃烧过程中，取α>1.0的原因是为了避免不完全燃烧情况发生，而付出的代价则是需加热不参与反应剩余的O2、N2，导致热效率降低。

对于DME，其自身含氧，由于改善了燃气与空气的混合效果，且氧气与氮气之比较普通空气大，属“富氧燃烧”工况，因而改善了燃烧状况；而另外一方面，氧气与DME混合情况趋好，除混入的空气总量可以相应降低外，还可以将空气系数控制在较低位置，α适当朝1.0方向降低，即减少剩余空气量，减少不参与燃烧的O2、N2量，自然，这是DME燃烧效率提高的另一个原因。

（3）民用燃具燃烧效率分析
对于民用燃具，假定α由1.50降为1.30，不参与燃烧的O2、N2量减少，1.0摩尔体积的DME燃烧时减少的O2、N2量为：（1.50-1.30）×〔O2 +（0.79÷0.21）N2〕摩尔。

经计算，与同等热值的乙烷（或其他燃气）比较，减少的这部分热损失为3.0～5.0%左右。

（4）火焰传热能力增加
DME燃烧时，火焰温度增加，烟气温度也随之升高，增加了分解热，当遇到低温表面时，将放出大量的分解热，这就是富氧燃烧火焰具有较大传热能力的原因之一。

（5）燃烧装置内有效利用热得以提高
由于富氧燃烧火焰温度高，燃烧装置内温压增大，辐射换热量增强，提高了装置内有效利用热。

4.2 DME排放性能分析
DME是一种清洁燃料，燃烧过程中无残渣、无黑烟，CO、CO2及烟气排放量降低，具有富氧燃烧的火焰特性。

由于其燃烧温度提高，氧气浓度相应增加，因此，必须特别重视其氮氧化物生成量情况〔1〕。

（1）民用燃具
燃烧温度不会太高，不会出现氮氧化物生成量显著增加的情况〔2〕。

（2）工业燃烧装置
燃烧装置内燃烧温度相当高时，部分氮气会分解，生成氮原子，继而与氧结合成氮的氧化物NO和NO2，这两者通称为NOx，是极有害的产物。

在太阳紫外线照射下，NOx与碳氢化合物可发生反应生成具有强氧化能力的有害物质，并形成光化学烟雾。

此外，NOx生成的硝酸也是酸雨的主要组分。

燃烧生成NOx的浓度，随燃烧温度、O2浓度和停留时间增加而增加，因此，DME燃烧时，氮氧化物生成量有增加的趋势，要引起注意。

5、二甲醚的应用前景
二甲醚可以由煤炭转化而成，具体到我国贫油少气多煤的能源现状，将资源优势和技术优势结合，大力发展二甲醚作为能源的替代品，具有非常广阔的前景，
（1）替代液化石油气作为燃料
二甲醚替代液化石油气（LPG）用作燃料可望在近期发展成为一门成熟技术。

2005年，我国液化石油气消耗量为1852万吨，其中进口量为615万吨；预计到2010年，仅民用燃料这一块，二甲醚需求量就可达1000万t/a以上，尤其随着原油价格的不断上涨，社会对这种清洁能源的需求量会进一步增加。

（2）替代柴油发动机燃料
柴油发动机的主要问题是尾气氮氧化物与黑烟的排放，会形成酸雨并破坏臭氧层。

由于二甲醚十六烷值较柴油略高，可作为理想的柴油发动机洁净燃料直接压燃，实现无烟、无硫燃烧和低NOx排放，尾气排放能够达到欧Ⅲ排放标准。

我国开发的二甲醚柴油发动机汽车的运行表明，使用DME后可使发动机功率提高10-15%，热效率提高2-3%，噪音降低10-15%。

2005年我国柴油生产量为11062万吨，其中有75%左右的柴油用于交通运输。

而2005年中国的汽车保有量已达3800万辆。

可见，二甲醚即使只是部分替代柴油，哪怕是10%，所需数量也极为可观。

6、结束语
从二甲醚的燃烧机理分析，同等热量条件下，与天然气、液化石油气等其它燃气相比较，二甲醚燃烧效率提高5%左右，而由于其十六烷值较高，特性与柴油相近的原因，可作为理想的柴油发动机洁净燃料，排放性能优越，因此，推广应用前景十分广阔。

而需要注意的是，由于二甲醚具有富氧燃烧特性，燃烧温度较高，必须关注其氮氧化物的排放情况。

参考文献：
〔1〕霍然.工程燃烧概论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2001年.
〔2〕同济大学，重庆建筑大学，哈尔滨建筑大学，北京建筑工程学院.燃气燃烧与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2000年.
-全文完-。