二甲醚的用途及需求

二甲醚生产技术及应用

4、二甲醚的用途及需求

二甲醚简称DME，是一种无毒醚类化合物，它从煤、天然气等多种资源中制取。二甲醚是重要的化工原料，可用于许多精细化学品的合成，如制备低碳稀烃、二甲醚还可羰基化、烃基化、氧化生成一系列有机化工产品；同时在制药、燃料、农药等工业中有许多独特的用途，可以用作气雾剂的抛射剂、发泡剂等，代替氟利昂作为致冷剂。由于二甲醚有优良的燃烧性能，能实现高效清洁燃烧，在交通运输、发电、民用、燃气等领域有着十分美好的应用前景。

二甲醚含氧量为34.8%，组分单一，碳链短，燃烧性能良好，热效率高，燃烧过程中无残液，无黑烟，是一种优质、清洁的燃料。二甲醚可用作汽车燃料、民用燃气。二甲醚有很高的十六烷值可作为汽车燃料使用，尾气排放能够达到欧Ш排放标准，替代柴油时十六烷值比柴油高10%，发动机爆发力大，性能好。二甲醚作为民用燃料可具备燃烧充分、无残液、不析碳的优点。DME目前主要应用于气雾剂、发泡剂、化学中间体和燃料，其中目前民用燃料的用量最大，我国用于民用燃气的DME约占总产量的80%以上。

表4.1 二甲醚物性参数

中国的资源概况是缺油少气，煤炭丰富。按公布的数据证实，中国煤炭储量为1145亿吨，占全球的11.6％，至少可开采116年。而中

国石油储量为33亿吨，占全球的2.2％，可开采年仅为20.2年。目前在中国已探明的一次能源总量中煤炭占了96％。2005年中国能源生产总量为222，468万吨标准煤，一次能源生产总量206，324万吨标准煤，发电量24，146亿千瓦小时，均居世界第二位。当年新增发电装机容量达7000万千瓦。在能源消费结构中，煤品燃料占68.7％，油品燃料占21.2％，天然气占2.8％，水电、核电和风电占7.3％。以煤为主的能源结构是支撑中国发展的主要条件。世界及中国主要一次能源概况见表：

表4.2 世界及中国主要一次能源概况

4.1、二甲醚替代柴油

国内外研究表明，目前二甲醚是仅此于氢燃料的清洁燃料，有望成为主要石油代替产品。二甲醚常温、常压下是气态，加压到5～6个大气压可以变为液体，物理性质类似于液化石油气。二甲醚十六烷值大于55，高于柴油，可作为理想的柴油替代品。二甲醚低毒、低腐蚀性，燃烧时有害气体排放量明显低于汽、柴油，能显著缓解城市汽车尾气污染。

二甲醚作为车用燃料，涉及到方方面面的工作，如发动机的改造，供应站的建立，环保政策等等，这些除了企业的努力外，更需要国家

政策的扶持，否则是难以推广的。作为国家新兴能源产业，应努力争取国家有关部门在产业化及配套政策上加以扶持，以促进我国二甲醚工业的快速、健康发展。

汽车发动机特别是柴油发动机的主要环境污染是氮氧化物的排放和颗粒物质——黑烟的生成。而其中氮氧化物对环境的破坏作用特别大，它不仅会形成城市及周边地区的酸而，还会严重破坏地球的臭氧层。

表4.1.1 二甲醚和一些燃料的性质

表4.1.2 二甲醚与汽油性质比较

研究表明，二甲醚是柴油发动机理想的替代燃料。常规发动机代用燃料液化石油气、天然气、甲醇，它们的十六烷值都小十lo，只适合于点燃式发动机。而二甲醚十六烷值大于55，具有优良的压缩性，非常适合于压燃式发动机，可用作柴油机的代用燃料。

普通柴油发动机通过燃烧系统的优化和压力高达200MPb的高压燃油喷射，发动机的氮氧化物才可控制在3.8g／hp-h左右，若要进一步将氮氧化物控制在3.8g／hp-h以下，必须采用废气再循环技术和废气后处理技术，但这些技术目前还有待于完善和发展。

2005年1月，国家科技部给山东久泰化工科技股份有限公司下达了“十五”国家科技攻关计划“清洁汽车产业化关键技术研究与示范”项目中《二甲醚汽车的应用研究》课题科技攻关计划，由山东久泰化工科技股份有限公司牵头，联合上海交大、西安交大和吉林大学，进行二甲醚替代汽、柴油在大型公交车、中巴车和小轿车上的研究，并且要求在研究成功的基础上，在山东省临沂市组织不少于30辆车的公交和出租车队，向全国示范，于2007年4、5月份国家将组织专家验收。并在示范成功的基础上，向全国推广。由于上海交大、西安交大和吉林大学均属国内名牌大学，特别是在汽车研究开发方面技术力量处国内领先位臵，有雄厚的实力，目前研究工作顺利完成，进行鉴定后即可开展组织示范车队的有关工作。如下图4.1.1、4.1.2和4.1.3就是此项目完成样车改装图，分别代表纯二甲醚客车、二甲醚和柴油混烧小轿车和二甲醚和柴油动力客车。山东省临沂市将在科技部项目验收完成后进行示范推广，山东久泰化工科技股份有限公司已经得到

临沂市政府关于在临沂市推广二甲醚公交车和出租车得批文，这必将在全国推广二甲醚起到良好得示范作用。

图4.1.1纯二甲醚客车图4.1.2二甲醚柴油混合动力轿车

图4.1.3 二甲醚柴油混合动力客车

研究表明，现有汽车发动机只需略加改造就能使用二甲醚燃料。现二甲醚生产成本低于柴油，污染都也远低于液态丙烷等低污染替代燃料。实验表明，使用二甲醚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%。与柴油机相比，燃用DME后，发动机完全消除了碳烟排放，氮氧化物排放降低50%～70%，未燃碳氢排放降低30%，CO排放降低20%，排放指标不仅满足欧洲Ⅱ和Ⅲ标准，而且接近欧洲于2005年实施排放标准和美国加州超低排放标准。

上海交大、西安交大以及日本已完成以二甲醚作为汽车燃料的试

验，试验显示出二甲醚燃料高效率和低污染的优点，可实现无烟排放，可降低噪声和减少氮氧化物的排放，说排放废气可达到或低于美国加州有关重型汽车和客车的尾气排放标准。

柴油发动机的主要问题是氮氧化物的排放和颗粒物质—黑烟，其中氮氧化物是会形成市区酸雨，破坏臭氧层。二甲醚燃料排放指标及二甲醚燃料在重型卡车中的排放指标分别见下表。

表4.1.3 二甲醚燃料满足加州小型车超低排放指标

表4.1.4 二甲醚燃料满足加州中型车超低排放指标

表4.1.5 二甲醚燃料满足加州重型卡车的排放指标

使用二甲醚为燃料，仅需对原柴油机的燃油系统稍作改进。在保持原柴油机的高热效率及同样的输出功率、扭矩及燃油经济性的同时，不需使用任务废气再循环系统和废气处理装臵，氮氧化物就能大幅降低，达到2g（bhp·h）以下，这样，控制氮氧化物和微粒排放的矛盾也不复存在，碳烟排放为零，没有任何加速烟度，微米排放也大幅降低。除上述特性外，发动机燃烧噪声可降低10bB（A）左右。与柴油相比，二甲醚主要特性可归纳为：

（1）二甲醚分子结构中无C—C键，只要C—O和C—H键，且含有34.8％的氧，燃烧后生产的碳烟微粒少，并容许采用较大的EGR，降低NO X排放。

（2）二甲醚的十六烷值高于柴油，自燃温度低，滞燃期比柴油短，NO x 排放与燃烧噪音比柴油低。

（3）二甲醚的低热值比柴油低，仅为柴油的64.7％，但二甲醚与空气的理论混合气热值比柴油高5％（二甲醚为3066kj/kg,柴油为3911kj/kg），因此，二甲醚发动机的功率可以高于柴油机。

（4）二甲醚的汽化潜热大，为柴油的1.64倍，采用直喷燃烧方式可大幅度低柴油机缸内最高燃烧温度，改善NO X的排放。

（5）二甲醚的常压下－24.9℃就汽化成气体。为了保证二甲醚再燃油系统不汽化，造成输送管道内气阻，必须对燃油加压。

（6）二甲醚对金属无腐蚀性，所以对燃油系统的材料没有特殊的要求。然而，天然橡胶与二甲醚不能共存，长期与二甲醚接触会溶胀老化，

必须寻找合适的密封材料。目前，这项工作已经取得阶段性成果。

国家曾在CA498A柴油机燃用二甲醚燃料，相关检测结果表明，采用氧化催化剂处理后其排放水平可达欧Ⅲ，见表4.1.6：

表4.1.6 CA498车用二甲醚发动机ESC13工况下的检测结果

单位：g/kw·h

表4.1.7 柴油机和燃用二甲醚燃料的性能对比

二甲醚可以从煤、天然气或生物质中制取，有稳定可靠的原料来源，饱和蒸气压低于LPG可以沿用LPG的基础设施。采用DME的汽车动力性、经济性、大规模生产时成本仅为1100元/吨左右，可以较好的满足汽车对代用燃料的基本要求：原料来源稳定、长期；环境友好；基础设施投资少；汽车动力性好；经济性好、燃料成本低，因此是一种优秀的车用柴油机的代用燃料。

二甲醚还可以用作燃气汽车燃料，只需对车辆进行部分改装，无需改动动力系统，只须增加一套燃气系统即可，汽车尾气排放量低，可应用在城市公交车、出租车、家庭用车上，其动力性能与93＃汽油相当，有优良的性价比，燃料成本可降低10％。使用二甲醚，尾气无需催化转化处理，氮氧化物及黑烟微粒排放就能满足美国加利福尼亚燃料汽车超低排放尾气的要求，并可降低发动机噪音，山东久泰化工科技股份有限公司现已在50多台汽油汽车上采用二甲醚燃料，并已成功运行4年多，并有行使30万公里的记录，各项性能指标优越，大规模推广使用清洁燃料二甲醚用作替代汽油汽车的基础条件已基本具备，图4.1.4就是二甲醚燃气汽车样车图。

图4.1.4 二甲醚燃气汽车

经过几十年的发展，目前我国已成为一个汽车大国，2004年汽车销量520万辆，2006年全国汽车销售量接近700万辆，预计2010年我国汽车的年产量将达到1000万辆，中国将成为世界最大的汽车消费国家之一，届时我国汽车保有量为5000~6000万辆。

汽车产量与保有量的快速上升，将会刺激国内车用燃料油需求的快速增长。1990~2003我国车用燃料油（汽、煤、柴）产量从5038万吨增长到13400万吨，平均增长率为7.8；成品油（汽、煤、柴油）消费量从4900万吨增长到14100万吨，平均增长率为8.5％。近年我国成品油消费中，2004年度柴油约占63.4％，2006年消费量为11646万吨，近年来柴油消费量增长率一直在9.0％以上。

2006年全国柴油消费量6710万吨，2006达到11646万吨，而汽油消费量为5210万吨，柴油所在比重增加到69％，同时对进口柴油需求显著增多。柴油消费量预计2010年国内将达到13053万吨左右，2015年将达到15500万吨。二甲醚作为良好的替代燃料，按其对柴油的替代率为5％计算（相对柴油的二甲醚消费替代比为1.336），2010年约需要二甲醚870万吨，2020年约需1330万吨。

同时，国内原油供需矛盾更加突出，2006年我国原油进口量达到1.452吨，并且每年都以9.0％以上的速度在增加。所以替代能源的开发、研究和推广是我国的一项长期重要工作，是关系到我国能源安全性的重大课题。

表4.1.8 我国柴油需求

单位：万吨

4.2二甲醚替代液化石油气：

石油资源日益枯竭，国际能源结构正在从以石油为单一能源结构向石油、天然气、煤等多种能源过渡。我国石油资源日趋紧缺，2005年中国石油消费量将超过3.0亿吨，其中进口将超过其总用量的40%。

因此寻找对环境友好、技术成熟、经济上可接受的代用燃料迫在眉睫。我国缺油少气，但煤炭资源丰富，化学工业也相应的从石油化工为主原料路线向石油化工与C1化工并存或多原料路线的方向过渡。为此，以煤、天然气、生物质为原料合成二甲醚已经成为热点。

20世纪七十年代，国外有人提出用甲醇制得的二甲醚加入城市煤气，或将二甲醚替代液化石油气作为民用燃料。二甲醚与液化石油气性质见表4.2.1所示

二甲醚在常温、常压下为无色、无味、无臭气体，二甲醚在常温、常压下为气态，常温时可在5个大气压下液化，具有与液化气相似的性质。从表4.2.1数据可以看出，在同等温度下，二甲醚的饱和蒸汽压低于液化石油气。因此，储存、运输时比液化石油气安全。二甲醚在空气中的爆炸极限比液化石油气高1倍，使用中作为燃料也比液化石油气安全，同时，它的爆炸极限（如表），比丙烷气丁烷气也高，蒸汽危险指数比丙、丁烷都小(指数越小越安全)，所以安全性优于丙烷、丁烷。表4.2.2，显示出二甲醚与液化石油气、天然气性质得比较。

表4.2.2 二甲醚与液化气、天然气性质比较

二甲醚作民用清洁燃料有诸多优点：(1)在同等温度条件下，二甲醚的饱和蒸汽压低于液化气，其储存、运输等比液化气安全；(2)二平醚在空气中的爆炸下限比液化气高一倍，因此在使用过程中，二甲醚作为燃料比液化气安全；(3)虽然二甲醚热值仅为液化石油气的0.687，但由于二甲醚本身含氧，在燃烧过程中所需空气量仅为液化石油气的0.615，，从而使得二甲醚的预混合热值与理论燃烧温度均高于液化气（1.079：1）, 其理论燃烧温度比液化石油气高195℃（9.5％）。(4)二甲醚自身含氧，组分单一，碳链短，燃烧性能良好，热效率高，燃烧过程中无残液，无黑烟，是一种优质、清洁的燃料;(5二甲醚易于压缩，贮存压力1.35MPa，低于液化石油气的1.92MPa，故更为安全，且可利用现有的液化石油气罐、槽车等容器及管道，灶具经过简单改装及可通用，故易于推广，而二甲醚与液化石油气混合使用，混配比低于50％，则无需对原有液化石油气灶在进行改装。

DME具有燃料的主要性质，其热值约为64.686MJ/m3，且其本身含氧量为34.8%，能够充分燃烧，不析碳、无残液，是一种理想的清洁燃料。以前主要由于其成本较高、生产及应用研究深度以及替代积极性等问题限制了在燃料领域的应用。

二甲醚可替代煤气、液化石油气用于民用燃料。二甲醚常温下蒸

气压力为0.5MPa，同等温度下，二甲醚的饱和蒸气压低于液化气，储存运输比液化石油气更安全，若二甲醚单独用作燃料，其压力等级符合液化气要求，可用现有的液化气罐集中统一罐装，灶具只需要做简单改动即可。二甲醚作为民用燃料时，燃烧充分，无残液，不析碳，和丙烷相比燃烧每公斤丙烷需消耗氧气3.6kg，而燃烧每公斤二甲醚仅耗氧2.08kg，少耗7m3空气，避免了大量空气中氮气被加热到高温排放，因此燃烧效率高。

国内有关产品质量检验站针对二甲醚液化气，参考CJ4-83家用煤气灶标准，用人工煤气灶进行实验检测的结果表明：“着火性能、燃烧工况、热流量、热效率、烟气成分等符合煤气灶GB16410-1996的技术指标”，“正常使用条件下二甲醚燃料及配套燃具不会对人体造成伤害，对空气不构成污染”，“在使用配套的燃具燃烧后，室内空气中甲醇、甲醛及CO残留量均符合国家居住区大气卫生标准及居室空气质量标准”,情况见下表。

表4.2.3 二甲醚灶燃烧后有害残留量

表4.2.4 二甲醚灶燃烧后环境卫生检测

表4.2.5 二甲醚灶具燃料检测结果

表4.2.6 我国即将颁布的二甲醚行业标准

二甲醚可单独作民用燃料使用，也可以以一定比例掺入液化气中一起燃烧。二甲醚的掺入可使液化气燃烧更加完全，降低析炭的可能性，并降低尾气中的CO与碳氢化合物含量。

液化石油气主要组分是低碳烃，它富含C3和C4的烷烃与烯烃，还含有少量C5烃类。由于C5组分沸点较高，蒸气压较低，又不能与C3或C4组分一起完全燃烧，有残液留在液化石油气钢瓶中。如在液化石油气中添加少量二甲醚，它不但能提高C5的气化效率，还增加C3、C4与C5间的互溶性，从而消除液化石油气钢瓶中残液，避免燃烧时析炭，

具有可观的经济效益。

图4.2.1 二甲醚燃烧效果图4.2.2 二甲醚取暖

另外，二甲醚还可以掺入城市煤气或天然气中混烧。二甲醚热值为64686kj/m3，如将一定比例的二甲醚加入到热值为15907kj/m3的城市煤气或热值为37674kj/m3的天然气中，可解决城市煤气高峰时气量不足问题，降低城市煤气中CO含量，增加使用安全性，改善煤气质量，提高燃气热值。二甲醚单独作为燃气可以采用管道输送，也可用原LPG储罐冲装销售。由于二甲醚与LPG相溶性非常好，质量较差的LPG（即含烯烃和C5较多）的液化气，加入20～30%的DME，火焰质量明显改善（蓝色火焰），火焰温度提高，并且无残液或残液很少。

液化石油气早在20世纪五六十年代就在我国推广使用了，由于液化石油气供应不足，五十年代各地就想法寻找替代品。近年来LPG供应十分紧张，山东久泰化工科技股份有限公司从2001年开始从事二甲醚地研究和生产，2002年自主开发了液相法工艺技术，建立0.5万吨/年的中试装臵，2003年建成3万吨DME装臵，并且顺利扩产到5万吨，目前生产能力达到15万吨，再建项目总量为180万吨，其中60万吨2007年即可投产，届时将达到75万吨/年的生产能力，主要将作为民用燃料。2006年经山东省技术监督局、消防局、组织国家建设部、中国城市燃气协会等单位鉴定，认为二甲醚可以作为民用燃气，符合国家推广新型能源和城镇燃气发展的有关政策。经国家燃气用具监督中心及山东省产品质量检验研究院检测，认为二甲醚的有关参数和性能，

符合城镇燃气有关标准要求，建议政府有关部门对二甲醚作为新型能源和民用燃气给予政策上的支持。国家建设部2006年4月10日（建标[2006]78号）文，在“关于印发《2006年建设部归口工业产品行业标准制订、修订计划》的通知”一文中要求制定城镇燃气用二甲醚标准，由中国市政工程华北设计研究院主编，山东久泰化工科技股份有限公司、新奥集团、泸天化等参加编制《城镇燃气用二甲醚标准》2006年底已完成报批稿，即将颁布执行，这将为二甲醚得大力推广应用铺平道路。

二甲醚与液化气混配成为复合燃气后，有液化气所不可比拟的诸多优势：1、能提高燃烧质量，使燃烧更充分。 2、能有效减少红火苗，比液化气更清洁，更环保。3、能有效带动液化气中60%以上残液的燃烧。4、降低液化气经营企业的成本，提高了价格竞争力，能为客户创造更大的利润空间。山东久泰化工科技股份有限公司二甲醚复合燃气已得到山东、江苏、安徽等各专业液化气经营者的信赖，更得到了广大消费者的普遍接受与认可。目前在山东、江苏、安徽、广东等地等地区建立了销售网络，发展了30余个区域代理商，与他们建立了良好而稳固的合作关系，其中山东10个，江苏7个，安徽3个，每月销售二甲醚10000余吨，这些公司通过我们的技术指导都能独立操作二甲醚与液化气的混配，混配比例为1：4，这样每月这些代理商销售二甲醚复合燃气50000多吨，大约有100多万个家庭在使用二甲醚复合燃气，已得到了广大消费者的高度认可和信赖，二甲醚复合燃气不仅可以用于瓶装供气，还可以用于管道供气。

我国自1990年开始大量进口液化石油气，伴随着南方沿海地区需求迅速膨胀，年进口量从1990年的11.7万吨增加到2000年的482万

吨，2004年达到638万吨，年均增长率高达15%， 2006年我国国内液化石油气商品消费量为2133.69万吨。预计未来一段时间内液化石油气进口量将持续大幅增长，所以即使二甲醚只能取代其中一部分，其需求量也相当可观。

我国LPG产量绝大部分来自炼油厂，只有少部分来自油气田。2006年我国LPG的产量1613.7万吨，全年LPG消费总量为2133.69万吨，进口量仅2004年就达到638.6万吨。目前LPG市场总体表现为供不应求，；进口量占表观消费量的1/3左右。据预测，到2010年我国LPG 的市场缺口将达1000万吨，如表4.2.7所示：

表4.2.7 我国LPG的生产与消费情况

从以上分析来看，我国民用燃料市场容量极大，LPG供需缺口也很大，这为DME用作民用燃料提供了极好的前景和广阔的市场。

到2010年，按全国对LPG的替代率为20％计算，则二甲醚的需求量为600万吨，2020年约为860万吨。

4.3、二甲醚替代溶解乙炔：

随着二甲醚在化工、燃料方面的广泛应用，它作为气焊、气割气，代替传统的气焊、气割气乙炔已越来越受到人们的青睐。乙炔替代气的使用源于1970年，当时美国在丙烷气中添加助燃添加剂，开始在工业上代替乙炔气用于金属焊接和切割，80年代基本代替乙炔气，到90年代美国几乎没有使用乙炔气作为切割气使用了。近几年来我国在金属气焊、切割行业也逐步采用丙烷气、液化气、天然气作为切割气，但目前仍然是以乙炔为主占90％左右。山东久泰化工科技股份有限公司长期以来采用自己生产二甲醚，经气焊、气割实际应用，已取得理想的效果，与传统的气焊、气割用气——乙炔相比，已在很多方面显示出了潜在的优势。

表4.3.1 二甲醚性质

从上表4.3.1可以看出，二甲醚在常温时可在5个大气压下液化，具有与液化气相似的性质，并且二甲醚组分单一，碳链短，所以燃烧

性能良好，热效率高，燃烧过程无残液、无黑烟，是一种优良的清洁燃料。

表4.3.2乙炔的性质

从表4.3.2可知，乙炔的爆炸范围很宽，所以安全性不高，用于气焊、气割时，需将乙炔溶于丙酮中才能使用, 在15℃和总压力为15大气压时，乙炔在丙酮中的溶解度为237克／升，一瓶只能装乙炔3kg 左右，所以在焊接，气割过程中，经常更换乙炔气瓶。

从下表4.3.3可以看出，目前应用几种切割气乙炔、汽油、丙烷（石油液化气）、丙烯、无论从安全、环保、燃料费用，切割质量、切割速度等方面衡量，二甲醚是比较理想的气割气代替燃料之一。

表4.3.3、不同切割气的一些性能比较：