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新型燃料——二甲醚(上)
作者/来源:刘芃 叶秋云 郑敏 陈鹏   日期: 2008-05-20   点击率:1691
1 二甲醚的应用前景
二甲醚(dimethyl ether,简称DME),是一种无毒含氧燃料,常温下为无色、具有轻醚香味、无臭的气体,~0.5MPa压力下即可液化,其物理性质与液化石油气(LPG)相似,易于储存与运输。二甲醚无腐蚀性、无致癌性,还具有优良的混溶性,能同大多数极性和非极性有机溶剂混溶。二甲醚能从煤、煤层气、天然气、生物质等多种资源制取。用煤气化生产二甲醚,不仅可以解决煤炭直接燃烧带来的不便和环境污染,还能在世界能源消费结构从石油转向煤和天然气的过程中,扮演重要的角色。二甲醚作为一种新型二次能源,有利于优化我国能源结构,减少对石油资源的依存度,有效地保护环境。目前我国DME项目建设正掀起一股热潮。由西南化工研究设计院和四川天一科技有限公司自主开发设计建成的山东玉皇20万吨/年甲醇脱水制二甲醚生产装置(已开工投产),为目前国内最大单套生产装置之一。
针对我国煤炭储量丰富,石油和天然气资源相对不足的能源资源特色,发展洁净的二次能源二甲醚,对于我国经济高速发展、环境保护和生态平衡具有重大战略意义。国家已把发展节能和新能源汽车列入中长期科技发展规划和“十一五”计划。二甲醚具有很好的燃烧效果。液化石油气、天然气、甲醇等的十六烷值都小于10,只适合于点燃式发动机,而二甲醚的十六烷值大于55,具有优良的压缩性,非常适合压燃式发动机,是柴油发动机理想的替代燃料。上海交通大学、上海汽车工业(集团)总公司、上海柴油机股份有限公司和上海焦化厂正在联合开发二甲醚燃料城市公共汽车,目标是计划建立示范车队,推广二甲醚燃料汽车。太原理工大学内燃机研究所试验表明,二甲醚作为车用燃料比天然气和液化气都要清洁。
专家认为,我国经济要保持快速发展,迫切需要一种技术成熟、经济性好、清洁安全的替代能源。二甲醚的生产和应用,是我国未来能源技术实现跨越式发展比较有前途的领域之一。最近5年内我国二甲醚市场需求量将达500~1000万吨。DME作为车用燃料有利于缓解我国柴油供应紧张的局面,市场前景十分广阔。
 
2 二甲醚替代柴油的技术分析
目前,代用燃料的研究非常广泛。所谓代用燃料,是指能够取代或部分取代当前内燃机传统燃料(汽油、柴油、煤油)的燃料。就代用燃料种类来说可以分为两类:一是液体燃料,主要有醇类(甲醇、乙醇)、生物柴油等。二是气体燃料,主要有天然气、液化石油气、二甲醚(DME)等。就代用燃料的实际使用来说,首先要求内燃机的发动机本身不做大的改动即可使用,其次应有足够的资源,生产、运输、使用和保管比较安全、方便。此外,不会因为使用代用燃料而使发动机的动力性、经济性、排放性、耐久性有所降低。DME用于车用燃料可以缓解柴油供应紧张的局面,同时,由于DME能实现无烟燃烧、超低排放,亦可减轻汽车尾气排放对环境造成的压力。
二甲醚作为柴油的理想替代燃料,具有以下优点:
(1)二甲醚的汽化性能比柴油好,容易和气缸内的空气充分混合。由于其分子结构含氧,没有C-C键,因此可以实现无烟燃烧,彻底解决柴油机冒黑烟问题。发动机尾气中的CO和HC排放也可以降低。
(2)DME的汽化潜热(410kJ/kg)比柴油(250kJ/kg)大,可大幅降低最高燃烧温度,也有利于降低NO排放。二甲醚的热值(27.6MJ/kg)虽然比柴油(43MJ/kg)低,但二甲醚的理论混合气热值(3.71MJ/m3)却与柴油(3.83MJ/m3)相当接近,同时,发动机燃用二甲醚时的热效率稍高,因此,发动机的动力性不会下降。
(3)尾气中NOx的产生取决于高温、富氧和燃烧持续时间。其中温度是最主要的因素:发动机负荷增大,缸内温度增加,所以NOx排放增加。二甲醚NOx排放程度比柴油小,一方面是由于DME的沸点较低(-24.9℃),能够快速形成良好的混合气,从而缩短了滞燃期,使柴油机具有良好的冷启动性能。参加预混燃烧的量较少,使得气缸内的最高燃烧压力与温度降低,从而抑止NOx的生成;另一方面,二甲醚具有较大的汽化潜热,在汽化过程中吸收大量的热量,缸内温度下降,这也在一定程度上抑止NOx的生成,有利于降低NO排放和燃烧噪声。DME的十六烷值(~55)高于普通柴油,可直接压燃,且燃烧过程可实现低氮氧化物、无硫和无烟排放。

国内外大量实验研究表明,二甲醚液化后可直接用作汽车燃料,其燃烧效果优于甲醇燃料,除具有甲醇燃料所有优点外,还克服了甲醇低温启动性能和加速性能差的缺点。二甲醚具有高效洁净燃料的优点,实现无烟燃烧,并可降低噪声,在Navistar 8缸7.3L柴油机上燃用DME燃料显示,发动机氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳氢和醛类有害排放均达到世界最严格的美国加州中型车超低排放量(ULEV)标准。

1  二甲醚与柴油和液化石油气的主要物化性质及燃烧性质比较

物性

二甲醚

柴油

液化石油气

分子式

CH3OCH3

CXHY

C3H8C4H10

分子量

46

190220

4458

沸点(℃

-24.9

180360

-42.1

液态密度(g/cm3

0.668

0.840

0.501

化学计量空气与燃料比值(kg/kg

9.0

14.6

12.7

十六烷值

5560

4055

 

汽化潜热(kJ/kg

460(-20℃)

270

427

低热值(MJ/kg)

28.43

42.50

46.36

着火点(℃

235

250

470

爆炸下限(%

3.5

 

1.7

液体粘度(Pa/s

0.15

4.45.4

 

含碳量(%

52.2

86.0

81.8

含氢量(%

13.0

14.0

18.217.2

含氧量(%

35

0

0

20℃下的气体压力(Pa

5.1×105

0

8.4×105

理论空气量(m3/kg

6.96

 

11.32

预混气热值(kg/m3

4219

 

3909

理论燃烧温度(℃

2250

 

2055

二甲醚替代柴油作为柴油发动机燃料,可以通过两种途径来实现:一是二甲醚与柴油按一定比例掺合,调制成柴油-二甲醚油品替代柴油。另一种方法是直接以二甲醚作柴油发动机燃料而替代柴油。美国能源开发署(DOE)等机构研究表明,如果添加10%左右的二甲醚到柴油中,调制出的柴油-二甲醚混合油品其综合输出功率与等量柴油相当,在全负荷的情况下还可以节省8%的柴油,同时在污染物的排放方面具有明显优势。然而目前二甲醚与柴油直接掺合存在一个很大的技术难点,即二甲醚不能均匀稳定地掺合到柴油中。
近年来不少研发机构针对二甲醚与柴油按比例掺合这一关键技术进行了大量研究工作,提出了一些有希望的方案,包括化学掺合方法:1)柴油的最佳掺合物为醛-醇缩合物,特别是甲醇与甲醛的缩合物,这是比较成熟的技术,在欧洲已有工业生产;2)利用二甲醚(甲醇)合成系列衍生化合物,这些液体含氧化合物与柴油具有很好的互溶性,按一定比例(10%,相当于整个体系中含氧4%)掺合,则同样达到等量柴油的功率,同时其污染物排放也减低了28%左右;3)选用合适的乳化剂,表面活性剂,高碳醇醚和稳定剂等将一定比例的二甲醚和柴油调制成均一的油品;4)以二甲醚为原料氧化偶联合成具有低挥发性、与柴油能相溶的高碳含氧化合物作为柴油添加剂,如甲缩醛(DMM), 原甲酸三甲酯(TMM),二甲氧基二甲醚(DOMDEM)等高碳含氧化合物,这些新的合成过程尚需进一步的研究。化学掺合的方法在应用上最易推广,但这些化合物的合成和应用关键在于化学工艺上取得突破,使产品的生产具有经济上的可行性。为此,在研究开发上尚需有较大的投入。物理方法:根据二甲醚的气化特性,在油箱和加油系统进行技术改造,并提供相应的压力系统,在加压的条件下使二甲醚液化与柴油混合。通过加压使二甲醚与柴油按一定比例掺合作为代用燃料,对于我国现阶段甚至中期内解决柴油短缺和提高柴油使用率是一个很有价值的方案。因为我国柴油使用面较大,除了专门的柴油机车外还有大量的农用运输和机械车辆使用柴油。要想不改变现有发动机系统,只解决油箱加压、改造进油系统,牵涉到车辆的改造,难度较大,需要多方面的配合试点才能推广。
直接以二甲醚作为柴油发动机燃料,目前仍存在一些急需解决的问题,需要对现有柴油发动机及加油系统进行逐步改造方能见效。从上世纪90年代开始,丹麦技术大学、Haldor TopSOe A/S、Navistar、AVL、AMOCO公司等即开展了将二甲醚用作柴油机燃料的研究。研究结果显示了二甲醚燃料作为柴油机的洁净代用燃料,实现压燃式发动机超低排放的前景。近年来欧美、日、韩等发达国家十分关注二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益,纷纷开展二甲醚燃料发动机的研发。欧洲VOLVO汽车公司研制出的燃用二甲醚燃料的大客车样车和卡车,现在已开始扩大范围的应用试验。日本通产省、JFE公司、五十铃汽车公司和交通公害研究所等分别研制了二甲醚燃料卡车、集装箱车、小型巴士和城市大客车,, , 目前处于试验运营阶段。到目前为止,国外的二甲醚汽车尚处于试验、示范阶段,无商业化发动机和汽车产品。
我国关于二甲醚作为柴油机代用燃料及发动机的研究几乎与国外同步。2000年,在美国福特汽车公司和国家自然科学基金委员会的资助下,西安交通大学能源与动力工程学院汽车工程系采用DME代替柴油进行柴油发动机试验研究,与一汽合作开发了我国第一辆改用DME的柴油发动机汽车。实验表明,采用DME代替柴油,实现了柴油机超低排放。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%。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%。排放测试表明,DME燃烧排放达到欧III标准和美国加州中型载重车及客车尾气超低排放(ULEV)标准。2005年,上海交通大学燃料与环境技术研究中心与上海汽车工业(集团)公司成功研制了我国第一台DME城市客车,2005年4月27日通过国家科技部的成果验收。该车动力强,噪声低,排放远优于欧III排放限值,一次加注燃料可行驶300km。山东久泰化工公司已有10辆汽车使用DME作燃料,连续应用一年多,CO排放量为0.01×10-6,HC排放量为4×10-6,环保性能良好。
纵观国内外二甲醚燃料发动机研发现状,不难发现,在二甲醚发动机实现产业化的过程中还存在诸多问题:
1)虽然二甲醚燃料具有高蒸汽压、较高的压缩性、低沸点、压燃性好及混合气形成容易等特性,但在常温、常压下为气态,其理化特性与柴油有很大不同,需要研制并优化适合二甲醚燃料的发动机燃料供给系统。另外,二甲醚热值仅为柴油热值的64.7%,二甲醚液体密度只有柴油密度的78.5%,为了达到原柴油机的动力性,以体积计二甲醚供给量约是柴油的1.9倍。
2)由于二甲醚理化特性引起的发动机燃料喷射和燃烧系统与常规柴油发动机的差异,包括发动机进气与燃烧系统匹配、增压与性能匹配等的研究将很大程度影响二甲醚发动机的整机性能。
3)二甲醚的粘度低(为柴油的1/20),容易使高压供油系统中二甲醚泄漏,也容易使配件发生早期磨损。且二甲醚虽然对金属无腐蚀,但对普通橡胶、塑料有腐蚀作用。针对二甲醚燃料引起的发动机部件磨损、泄漏及与可靠性相关的问题,发动机有关系统密封、润滑和材料相容性及有关部件的优化设计与定型是本研究的重点与难点。
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