清洁燃料二甲醚的技术发展现状

　　为了解决能源和环境问题，世界各国在制定严格的汽车排放法规的同时，大力研究和发展各种代用燃料。随着我国经济的高速发展，能源紧缺现象日益突出，特别是石油、天然气等关系国计民生的重要能源越来越多地依赖进口，能源问题已受到高度重视。另外由于汽车工业的迅猛发展和全世界汽车保有量的持续增长，汽车排放物对环境污染日益严重。

　　工业上二甲醚（DME）可以通过煤炭或天然气转化得到，能利用我国丰富的煤炭和天然气资源，弥补我国石油资源的不足，解决能源利用和环境污染问题，二甲醚（DME）的生产和应用对我国能源化工和环境保护有着极其重要的战略意义。

　　一、二甲醚（DME）的物化性质

　　二甲醚（Dimethyl Ether），简称DME，又称甲醚，其化学式为C2H6O，相对分子质量为46，二甲醚的组成决定了其物化性能，其物化性能与柴油的比较见下表1[1]。

　　表1二甲醚与柴油物化性能比较

　　项目

　　二甲醚

　　0号柴油

　　H/C原子比

　　3

　　2～2.3

　　含氧量/%

　　34.8

　　0

　　密度（液相）/(kg/m3)

　　661（-24.8℃）

　　780～860

　　沸点/℃（常压）

　　-24.8

　　200～330

　　蒸发潜热/(kJ/kg)

　　467（-24.8℃）

　　270

　　气/液容积比℃

　　624

　　150

　　理论空燃比

　　8.98

　　14.3

　　低热值/(MJ/kg)

　　27.60

　　42.50

　　理论混合气热值/(MJ/m3)

　　3.71

　　3.79

　　十六烷值

　　55～66

　　40～60

　　着火极限/%

　　3.4～19

　　1.5～8.2

　　着火温度（常压下）/℃

　　235

　　250

　　二甲醚在常温常压下是一种无色、无味气体属于醚的同系物，具有轻微的醚香味。但与用作麻醉剂的乙醚不一样，二甲醚对环境十分友好，在大气中二甲醚能够在短时间内分解为水和二氧化碳（半衰期只要5天）[1]。另外无腐蚀性，无致癌性，易溶于水、醇、醚类化合物。作为柴油机代用燃料，二甲醚具有十六烷值高（天然气、液化石油气和醇类燃料的十六烷都小于10，不能直接作为柴油机代用燃料，而只能作为汽油机的代用燃料），不含S、N等杂质，加上组成中的含O，尾气排放造成的环境污染小，是比较理想的清洁燃料。

　　二、二甲醚（DME）的合成技术

　　二甲醚的生产方法主要有两步法和一步法，两步法即先制取甲醇，再用甲醇液相脱水法或气相脱水法生产二甲醚。一步法即以合成气一步合成二甲醚，分为两相法和三相法。前者通过采用气固相反应器，合成气是在固体催化剂表面进行反应；后者则引入惰性溶剂，将合成气扩散至悬浮于惰性溶剂中的催化剂表面进行反应，也称之为浆态床法[2]。

　　2.1 二步法合成工艺

　　二步法合成工艺首先将煤或天然气等原料转化成合成气，合成气进一步转化成甲醇，然后脱水变成二甲醚。

　　2.2.1 以天然气为原料制取二甲醚[1]

　　由天然气合成DME的反应式如下：

　　改质反应：

　　CH4+H2O→CO+3H2 -206.3kJ/mol

　　CO+H2O→CO2+H2 +41.0kJ/mol

　　甲醇合成反应：

　　CO+2H2→CH3OH +90.4 kJ/mol

　　CO2+3H2→CH3OH +H2O +49.4 kJ/mol

　　脱水反应：

　　2CH3OH→CH3OCH3+H2O +23.4kJ/mol

　　2.2.2 以煤为原料制取二甲醚

　　由煤合成DME的过程如下：

　　煤（C）→气化→水煤气（CO、H2）→甲醇（CH3OH）→二甲醚，其基本反应式与天然气一致。

　　2.2 一步法合成工艺[1]

　　一步法合成工艺主要包括3个反应：

　　CO2+3H2→CH3OH +H2O

　　CO+H2O→CO2+H2

　　2CH3OH→CH3OCH3+H2O

　　在一步法合成二甲醚的工艺中，使用双功能催化剂，使这3个反应同时发生，并能够使二甲醚的产率最高。

　　三、二甲醚（DME）在汽车上的应用

　　二甲醚（DME）在汽车上应用的主要要渠道是用作压燃式发动机的燃料，使用方式有以二甲醚（DME）作为点火促进物质和直接燃烧纯液态二甲醚（DME）。

　　4.1 二甲醚（DME）在柴油机中作为点火促进物质

　　二甲醚的十六烷值高、自燃性好，因此把二甲醚作为部分燃料使其进入发动机气缸，在压缩行程的后期先行燃烧，预先使缸内温度升高，对主燃料的着火有促进作用，从而改善发动机的性能和排放特性。按燃料的供给方式不同可分为混合喷射式和二甲醚预混、柴油（或甲醇）喷射式两种[1]。混合喷射顾名思义是将二甲醚和与柴油或其他燃料混合后由喷油器喷入气缸。二甲醚预混、柴油（或甲醇）喷射式是指二甲醚以预混的方式进入气缸，柴油（或甲醇）仍利用原喷油装置喷入气缸。

　　4.2 柴油机燃用纯二甲醚（DME）

　　这种方式利用燃油喷射装置直接向气缸内喷射液态二甲醚。由于二甲醚的十六烷值较高，因此适用于用作压燃式发动机的燃料。[1]在柴油机上，加装一套储气装置和加压设备，即相当于把柴油机改造成二甲醚发动机，另外还需配备一定压力的储气瓶。发动机工作时，在压缩冲程终了时，液态二甲醚经过高压泵和喷油器喷入气缸，经过与空气混合在高温作用下自燃、燃烧膨胀。

　　4.3 柴油掺烧二甲醚

　　长安大学在柴油中添加10%的二甲醚，以缸内直接喷射的方式在柴油机上使用。结果显示，发动机燃烧含10%二甲醚的柴油，低速扭矩增加；燃油经济性提高，外特性上比油耗平均降低10g/kW？h；NOX、HC得到不同程度的提高，CO维持在压燃发动机的水平；可见污染物排放明显降低，碳烟的消光系数k值降低50%[3]。

　　武汉理工大学在对燃油系统不做改变的情况下，YC6108QC型柴油机供油提前角为4°CA时，燃用20%二甲醚燃用，除HC之外各项均达到GB1796-1999(欧Ⅰ标准)和GB3847-1999标准[4]

　　4.4 二甲醚混合燃料点燃式

　　二甲醚大多数应用于压燃式发动机，另外，在适当加入抑制自燃的物质之后，也可以应用于预混、点燃式发动机。二甲醚应用于点燃式发动机有两种形式，一种是常压气态、带压储存式，另一种是常压液态式。

　　四、对二甲醚（DME）的展望

　　1995年以来，丹麦技术大学、Haldor Topsoe A/S、AVL、AMOCO公司等相继对二甲醚用于柴油机进行了研究，结果表明，燃用二甲醚的发动机在保持原柴油机高热效率和动力性的前提下，不用任何废气再循环系统和废气处理装置，氮氧化物就能大幅降低，碳烟排放为零。由于二甲醚的良好性能，各国都十分看好二甲醚汽车的时常前景和环保效益，纷纷开展二甲醚燃料发动机与汽车的研法。

　　我国煤炭资源丰富，可以将煤转化为清洁的二甲醚燃料，这完全符合我国能源结果和经济、环境协调发展的可持续战略。二甲醚燃料可以替代柴油、汽油作为汽车燃料，还可以作为民用燃料，其制备和储运都容易解决，对国民经济的可持续发展具有重要意义，我们有理由相信二甲醚将是21世纪的清洁燃料。

　　五、结语

　　（1）二甲醚现在还面临生产设备和生产技术的难题，还亟待解决。

　　（2）加大二甲醚科研力度，降低二甲醚的生产成本，要使成为不但是高效、清洁、安全的燃料，最主要的还要使二甲醚成为价格低廉的燃料。

　　（3）目前，推广和应用是二甲醚发展的关键。二甲醚作为清洁燃料需要政府的大力扶持和帮助。应该统筹规划在没有油气资源而煤炭资源丰富的地区，建立大型生产基地。