摘要：將二甲醚用作替代能源，是我國抑制高油價影響的重要措施之一。制取二甲醚的工藝主要有二步法和一步法，其中，對煤深加工并采用二步法制取DME 是我國較為現(xiàn)實、合理的工藝路線。二甲醚因為本身含氧的緣故，具有燃燒效率高的特點，通過對其燃燒機理進行研究分析發(fā)現(xiàn)，同等熱量條件下，與天然氣、液化石油氣等其它燃氣相比較，二甲醚燃燒效率提高3.0～5.0%左右，而由于其十六烷值較高，特性與柴油相近的原因，可作為理想的柴油發(fā)動機潔凈燃料，排放性能優(yōu)越，因此，推廣應(yīng)用前景十分廣闊。而需要注意的是，由于二甲醚具有富氧燃燒特性，燃燒溫度較高，必須關(guān)注其氮氧化物的排放情況。

關(guān)鍵詞：二甲醚；燃燒機理；富氧燃燒；二步法工藝；一步法；替代；低排放；氮氧化物；能源。

1、???? 引言

實施替代能源戰(zhàn)略是我國抑制高油價影響的重要國策。二甲醚作為一種優(yōu)質(zhì)、現(xiàn)實的替代能源，產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景十分廣闊，從戰(zhàn)略的高度，全面、系統(tǒng)、深入地研究二甲醚生產(chǎn)及其利用技術(shù)，符合我國能源發(fā)展方向，對于我國經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護與生態(tài)平衡具有重要意義。

2、???? 二甲醚特性

二甲醚分子式為C2H6O，分子量46.07，常壓下是一種無色氣體，具有與液化石油氣（LPG）相似的特性，二甲醚與其它燃料特性比較如下表1。

表1：二甲醚與其它燃料特性比較

3、???? 二甲醚的制取與生產(chǎn)物耗

二甲醚（DME）可以用天然氣和煤作為原料來生產(chǎn)。中國煤炭儲藏量十分豐富,通過對煤深加工辦法得到DME是合理途徑。目前國內(nèi)外DME的生產(chǎn)工藝主要有三種。

（1）???? 二步法

以煤炭為原料，先制甲醇，再由甲醇脫水得到DME，該工藝在國內(nèi)外均已十分成熟。按目前的工藝條件，一般是2.5噸煤炭（劣質(zhì)煤）可以合成1噸DME。

a)????? 先由煤氧吹氣化以后得到合成氣，其主要組分是CO + H2 ；

b)????? CO + 2H2→CH3OH （甲醇生產(chǎn)）

c)????? CO2 + 3H2→CH3OH+ H2O （甲醇生產(chǎn)）

d)????? CO + H2O→CO2 + H2

e)????? 2CH3OH→CH3OCH3 + H2O （二甲醚生產(chǎn)）

（2）???? 一步法

據(jù)報道，一步法工藝已在美國、日本、丹麥等國開發(fā)成功，并進入中試階段，預(yù)期不久將可建設(shè)工業(yè)化裝置。目前，該工藝正在趨于成熟，通過相應(yīng)的催化劑，在漿態(tài)床反應(yīng)器中直接由合成氣轉(zhuǎn)換成二甲醚。

一步法的關(guān)鍵點在于催化劑的特性，目前多采用雙功能催化劑，這種催化劑一般由2類催化劑物理混合而成，其中一類為合成甲醇催化劑，另一類為甲醇脫水催化劑。一步法制DME的反應(yīng)可分為以下幾個步驟：

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)

總反應(yīng)式為：

3CO+3H2→CH3OCH3+ CO2 (-ΔH=246.1kJ/mol)

二步法雖然轉(zhuǎn)化率方面不如一步法，但生產(chǎn)工藝成熟，裝置適應(yīng)性廣，后處理簡單。一步法生產(chǎn)DME主要用作燃料，如生產(chǎn)高純度DME，還需進一步分離提純。從技術(shù)發(fā)展趨勢看，一步法具有流程短、設(shè)備效率高、操作壓力低和CO單程轉(zhuǎn)化率高等特點，設(shè)備投資、操作費用及生產(chǎn)成本都較兩步法大幅度降低。因此，經(jīng)濟上更加合理，市場上更具競爭力，總體上來說更具技術(shù)優(yōu)勢。雖然它是近年才發(fā)展起來的新工藝，但卻是目前世界上開發(fā)大型裝置的重點技術(shù)與方向。

（3）???? CO2加氫直接合成二甲醚法

該工藝作為合成DME的一種新路徑正處于探索階段。CO2是地球上最豐富的碳資源，由它引起的溫室效應(yīng)已給人類生態(tài)平衡帶來了巨大的損失。因此，以CO2為原料合成各種化學(xué)品來實現(xiàn)CO2的循環(huán)利用已引起各國重視。CO2加氫直接合成DME就是在這種大背景下，提出的DME的一種新制取方法。是世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向，具有極大的開發(fā)價值。

（4）???? 二甲醚生產(chǎn)物耗

前已述及，2.5噸劣質(zhì)煤炭可以生產(chǎn)出1噸甲醇，但隨著煤炭加工技術(shù)的發(fā)展，該消耗數(shù)據(jù)有一定的下降空間。當(dāng)煤炭價格為為150元/噸時，甲醇的生產(chǎn)成本約為800元/噸；按照二甲醚生產(chǎn)裝置物耗數(shù)據(jù)，采用二步法工藝，1.5噸甲醇可以生產(chǎn)1噸二甲醚，DME生產(chǎn)成本約為2000元/噸左右。

當(dāng)用其替代液化石油氣（LPG）作為燃料時，等熱值計算的結(jié)果是1.59噸DME相當(dāng)于1噸LPG，即相當(dāng)于3180元/噸的LPG。從目前高油價的市場情況看，推廣二甲醚應(yīng)用有良好的前景。

4、???? 二甲醚燃燒機理分析

二甲醚用作燃料替代LPG被市場看好，被譽為“二十一世紀的新能源”。究其主要原因，一方面在于能源價格高企下DME的價格優(yōu)勢，而另一方面則是其燃燒效率高和燃燒產(chǎn)物排放潔凈的顯著特點。

4.1?????? DME燃燒效率分析

二甲醚易燃，燃燒時火焰略帶光亮，氣態(tài)低位熱值為64.58MJ/m3（15425kcal/m3），同等質(zhì)量條件下，理論熱值約為汽柴油的64%。以質(zhì)量計，二甲醚本身含氧量高達34.8%，理論燃燒溫度可達2250℃，燃燒性能較好，熱效率也較高。

（1）??? 因為本身含氧，需要添加的理論空氣量（N2量）相應(yīng)減少

DME燃燒反應(yīng)分子式為? ???C2H6O +3 O2—→2CO2 ?+3 H2O

將其與乙烷燃燒過程比較：??? C2H6 +3.5 O2—→2CO2 ?+3 H2O

由上述反應(yīng)方程式可知，1.0摩爾體積的DME與相同摩爾體積乙烷燃燒過程比較，乙烷所需要的氧氣量較二甲醚多0.5摩爾，而DME氣相熱值與乙烷熱值（氣態(tài)低位熱值為64.36MJ/m3）基本相同。亦即，假定燃燒效率相同，獲得相同的燃燒熱量，1.0摩爾的DME燃燒時，混入的氧氣量較乙烷可降低0.5摩爾。我們知道，空氣中1.0摩爾氧氣附帶3.76摩爾的氮氣和其它惰性氣體，因此，上述DME及乙烷完整的燃燒反應(yīng)方程式應(yīng)為：

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

上兩式表明，在燃燒溫度不太高的情形下，反應(yīng)前后N2的摩爾數(shù)不變。N2雖然進入燃燒區(qū)，但并未參加氧化反應(yīng)，相反，它帶走DME部分燃燒熱，進而影響熱效率。因此，降低不參與反應(yīng)的N2量（空氣量），則減少了熱損失，相當(dāng)于提高了DME的熱效率，這是DME熱效率高的其中一個原因。

（2）??? 燃燒狀況改善，過?？諝庀禂?shù)降低

一般情況下，燃燒裝置空氣系數(shù)α控制范圍為：工業(yè)燃燒裝置α=1.05～1.20；民用α=1.30～1.80。從提高燃燒效率方面講，理想情況下，α=1.0時，如果能確?？諝馀c燃氣混合充分、燃燒完全，燃燒效率最高。實際燃燒過程中，取α>1.0的原因是為了避免不完全燃燒情況發(fā)生，而付出的代價則是需加熱不參與反應(yīng)剩余的O2、N2，導(dǎo)致熱效率降低。

對于DME，其自身含氧，由于改善了燃氣與空氣的混合效果，且氧氣與氮氣之比較普通空氣大，屬“富氧燃燒”工況，因而改善了燃燒狀況；而另外一方面，氧氣與DME混合情況趨好，除混入的空氣總量可以相應(yīng)降低外，還可以將空氣系數(shù)控制在較低位置，α適當(dāng)朝1.0方向降低，即減少剩余空氣量，減少不參與燃燒的O2、N2量，自然，這是DME燃燒效率提高的另一個原因。

（3）??? 民用燃具燃燒效率分析

對于民用燃具，假定α由1.50降為1.30，不參與燃燒的O2、N2量減少，1.0摩爾體積的DME燃燒時減少的O2、N2量為：（1.50-1.30）×〔O2 +（0.79÷0.21）N2〕摩爾。

經(jīng)計算，與同等熱值的乙烷（或其他燃氣）比較，減少的這部分熱損失為3.0～5.0%左右。

（4）??? 火焰?zhèn)鳠崮芰υ黾?/p>

DME燃燒時，火焰溫度增加，煙氣溫度也隨之升高，增加了分解熱，當(dāng)遇到低溫表面時，將放出大量的分解熱，這就是富氧燃燒火焰具有較大傳熱能力的原因之一。

（5）??? 燃燒裝置內(nèi)有效利用熱得以提高

由于富氧燃燒火焰溫度高，燃燒裝置內(nèi)溫壓增大，輻射換熱量增強，提高了裝置內(nèi)有效利用熱。

4.2?????? DME排放性能分析

DME是一種清潔燃料，燃燒過程中無殘渣、無黑煙，CO、CO2及煙氣排放量降低，具有富氧燃燒的火焰特性。由于其燃燒溫度提高，氧氣濃度相應(yīng)增加，因此，必須特別重視其氮氧化物生成量情況〔1〕。

（1）???? 民用燃具

燃燒溫度不會太高，不會出現(xiàn)氮氧化物生成量顯著增加的情況〔2〕。

（2）???? 工業(yè)燃燒裝置

燃燒裝置內(nèi)燃燒溫度相當(dāng)高時，部分氮氣會分解，生成氮原子，繼而與氧結(jié)合成氮的氧化物NO和NO2，這兩者通稱為NOx，是極有害的產(chǎn)物。在太陽紫外線照射下，NOx與碳氫化合物可發(fā)生反應(yīng)生成具有強氧化能力的有害物質(zhì)，并形成光化學(xué)煙霧。此外，NOx生成的硝酸也是酸雨的主要組分。

燃燒生成NOx的濃度，隨燃燒溫度、O2濃度和停留時間增加而增加，因此，DME燃燒時，氮氧化物生成量有增加的趨勢，要引起注意。

5、???? 二甲醚的應(yīng)用前景

二甲醚可以由煤炭轉(zhuǎn)化而成，具體到我國貧油少氣多煤的能源現(xiàn)狀，將資源優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢結(jié)合，大力發(fā)展二甲醚作為能源的替代品，具有非常廣闊的前景，

（1）????????? 替代液化石油氣作為燃料

二甲醚替代液化石油氣（LPG）用作燃料可望在近期發(fā)展成為一門成熟技術(shù)。2005年，我國液化石油氣消耗量為1852萬噸，其中進口量為615萬噸；預(yù)計到2010年，僅民用燃料這一塊，二甲醚需求量就可達1000萬t/a以上，尤其隨著原油價格的不斷上漲，社會對這種清潔能源的需求量會進一步增加。

（2）????????? 替代柴油發(fā)動機燃料

柴油發(fā)動機的主要問題是尾氣氮氧化物與黑煙的排放，會形成酸雨并破壞臭氧層。由于二甲醚十六烷值較柴油略高，可作為理想的柴油發(fā)動機潔凈燃料直接壓燃，實現(xiàn)無煙、無硫燃燒和低NOx排放，尾氣排放能夠達到歐Ⅲ排放標(biāo)準。我國開發(fā)的二甲醚柴油發(fā)動機汽車的運行表明，使用DME后可使發(fā)動機功率提高10-15%，熱效率提高2-3%，噪音降低10-15%。

2005年我國柴油生產(chǎn)量為11062萬噸，其中有75%左右的柴油用于交通運輸。而2005年中國的汽車保有量已達3800萬輛?？梢?，二甲醚即使只是部分替代柴油，哪怕是10%，所需數(shù)量也極為可觀。

6、???? 結(jié)束語

從二甲醚的燃燒機理分析，同等熱量條件下，與天然氣、液化石油氣等其它燃氣相比較，二甲醚燃燒效率提高5%左右，而由于其十六烷值較高，特性與柴油相近的原因，可作為理想的柴油發(fā)動機潔凈燃料，排放性能優(yōu)越，因此，推廣應(yīng)用前景十分廣闊。而需要注意的是，由于二甲醚具有富氧燃燒特性，燃燒溫度較高，必須關(guān)注其氮氧化物的排放情況。

參考文獻：

〔1〕???? 霍然.工程燃燒概論[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2001年.

〔2〕??? 同濟大學(xué)，重慶建筑大學(xué)，哈爾濱建筑大學(xué)，北京建筑工程學(xué)院.燃氣燃燒與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000年.