新燃料——二甲醚(DME

新燃料——二甲醚(DME

摘 要

    作為LPG和石油類的替代燃料，目前二甲醚倍受注目，文章介紹了二甲醚的性質、制法及其用途。

    作為LPG和石油類的替代燃料，目前二甲醚(DME)倍受注目。DME是具有與LPG的物理性質相類似的化學品，在燃燒時不會產生破壞環境的氣體，能便宜而大量地生產。與甲烷一樣，被期望成為21世紀的能源之一。

    1 二甲醚

    1．1概況

    DME的化學式是CH₃0CH₃，是醚的同系物，但與用作麻醉劑的乙醚不一樣，毒性極低；能溶解各種化學物質；由于加壓時容易液化，可以用作噴霧劑、致冷劑及特殊燃料。

    現在DME是由甲醇在催化劑存在下脫水合成；也可以將甲醇合成時產生的氣體分離精制制造。目前全世界二甲醚的產量不超過10×10⁴t/y。

    1．2 DME的物理性質與特性

表1列出了DME及其它燃料的性質。

表1DME與其它燃料的性質比較表

項目 二甲醚 丙烷  丁烷  甲醇 輕油(2號) 化學式 CH₃0CH₃ C₃H₈ C₄H₁₀ CH₃0H - 分子量 46.07 44.06 58.08 32.04 - 沸點℃ -24.9 -42.1 -0.5 64.5 190-350 液比重(沸點) 0.75 0.58 0.60 - -

(20℃)

0.67 0.49 0.57 0.79 0.8-0.88 蒸發潛熱kJ/kg 467 126 386 - - 蒸汽壓MPa,20℃ 0.510 0.833 0.207 - - 爆炸極限％ 3.4-27 2.2-9.5 1.9-8.5 6.2-36 - 十六烷值¹ 55 - - 5 45> 低位發熱量MJ/kg  28.9 46.5 45.8 21.1 42.5

注1 十六烷值，表示柴油著火性的指數，該值高表示著火性好。

    DME與LPG一樣是無色物質，常溫常壓下是氣體。

    沸點約-25℃，比C₃H₈高、比C₄H₁₀低。常壓下冷到-25℃或在常溫下加壓到0.5-0.6MPa，容易液化。

    在沸點時液體比重比C₃H₈、C₄H₁₀大。

    從表1可以知道其特性：

    1)液態時的低發熱量比C₃H₈、C₄H₁₀低，比CH₃0H高；

    2)十六烷值與輕油近似，具有作柴油引擎燃料的優良特性；

    3)爆炸極限比C₃H₈、C₄H₁₀范圍寬，但窄于CH₃0H。

    因此說，DME可以作為燃料被廣泛應用。

    2 DME的開發

    自然界里DME并不存在，必須由原料來制成，天然氣和煤是目前較好的原料。當然在考慮原料問題時，對礦物燃料的資源量必須同時考慮。

    由最近的統計確認的礦物燃料埋藏量的可開采年份是：(至1996年底，BP統計)石油：42年；天然氣：62年：煤：224年。其中，石油資源在21世紀迎來生產顛峰后生產量將逐漸減少。

    天然氣可開采年分比石油長20年，還在進行開發，估計將來的埋藏量可達現在3倍，不用擔心資源的枯竭：煤可開采年份300年。在DME大量生產時主要考慮用天然氣作燃料。

    2．1天然氣為原料的DME生產

    2．1．1合成工藝

    由天然氣生產DME的流程如下：

    天然氣→合成氣→甲醇→DME
    CH₄     CO/H₂   CH₃0H  CH₃0CH₃
              |_---直接法_---↑

    首先，天然氣凈化后用改質催化劑合成以CO、H₂比為主要成分的合成氣；這合成氣在銅系催化劑下合成甲醇，再由甲醇脫水生產DME。最近為簡化工程，降低建設成本，研究了直接制造DME的工藝(直接法)。

    由天然氣經由甲醇合成DME的反應式如下：

改質反應

    CH₄十H₂0←→CO十3H₂-206．3kJ／mo1
    C0十H₂0←→CO₂十H₂十41.0kJ／mol
甲醇合成反應
    C0十2H₂←→CH₃0H十90．4kJ／mol
  CO十3H₂←→CH₃0H十49．4kJ／mol
脫水反應(DME合成反應)
  2CH₃0H←→CH₃0CH₃+H₂0+23．4kJ／mol

    直接法，就是在上述反應中甲醇合成和脫水反應在一個反應器里進行的方法。

    2．1．2設備的開發要點

    上述的工程中，改質反應是采用了在一般的設備里有催化劑存在下水蒸氣改質法制造甲醇和城市煤氣等的方法。從已有的技術來看，要與LPG和燃料油競爭必須要規模大、設備大型及提高效率以達到低成本生產。

    例如，水蒸氣改質法，改質在反應管內進行，從熱傳遞和強度來看，以前的方法有尺寸的限制，故有規模特點的問題。

    但與在合成甲醇時所需的比例相比，用水蒸氣改質法得到的混合氣中H₂含量是過剩的，這將降低能效。為了改善這些問題，開發了部分氧化法(用氧的改質法)、水蒸氣改質法與部分氧化法組合系統或熱交換器型改質爐和用陶瓷薄膜的改質爐。

    在合成甲醇中，采用了在大型裝置里使用淬冷型(用于冷卻的合成氣淬冷反應器)，為了放大，提出了回收反應熱和提高能效的課題。

    最近又開發了除去反應熱，一次轉化率高的液相法。DME直接合成法也有同樣的情況，反應器的構造成了問題。

    在各階段里，共同的課題中長壽、高效的催化劑都是不可缺少。目前從天然氣制造DME還處于50kg／d一5t/d的試驗規模。

    2．2煤作原料生產DME

    在亞洲、太平洋地區有豐富的煤，但大量用作燃料有如下缺點：

    1)煤是固體，難以用管道輸送，為彌補這一點，采用煤、油(COM)和煤、水混合物
(CWM)，在輸送、貯藏方面的問題頗多，而且在成本上與石油、LPG、LNG無法競爭。

    2)煤中灰分多，會增加運輸成本，且在燃燒后還有灰的處理問題；

    3)燃燒時要產生SOx、NOx，且有煤塵產生，必須要投資很大的防止大氣污染設備；

    4)低熱值的褐煤、次煙煤等不能很好的利用。

    若能以煤作為原料制成DME，則上述缺點全都克服了。而且炭層甲烷(CMG)也可使用，它的需要量將大大地擴大。

    由煤生產DME的過程如下：

　

    煤層甲烷

      ↓                      |-^DME

煤→ 氣化→ 精制-調整→ 反映器|-C0₂

                              |_-水、甲醇

    2．3以減少C0₂排放量為目的的DME生產1997年防止地球溫室化的京都會議的目標是2010年先進國家的C0₂等溫室化氣體要比1990年削減5％以上。在成本方面，目前還未考慮以工業大規模生產，唯一在進行試驗的是C0₂的接觸加氫生產DME。

    C0₂接觸加氫是在催化劑存在的情況下，C0₂與氫反應生成乙醇及各種烴類的方法。
氫在地球上大量存在，用便宜的制造方法由水即可制得。現在進行的接觸式加氫都是反應條件的開發、研究等課題。

    3 DME的用途 

    作為能源，考慮DME有如下用途：

    1)代替柴油作運輸用燃料，由于DME的十六烷值高，完全能替代柴油。又由于在成分中含氧，因排放氣造成的環境污染少。而且已經對其進行了作為柴油替代物的燃料規格、安全性、環境影響的考察。

    2)作火力發電的燃料，在用液化天然氣的場合下是不需要大規模設備的，在這方面使用在煤與中小氣田制造的DME，將來是大有希望。在大發電廠可以考慮將DME用來作為調峰時發電用燃料。

    3)作民用燃料，因其具有與LPG相類似的特性，用作民用燃料的用途相當廣。目前在中國已有小規模使用DME作民用燃料的例子。

    4 DME的輸送與儲藏

    DME與LPG持有相似的物性，國內法規中的高壓氣體安全法規仍適用。輸送與儲藏系統也與LPG相同。對金屬無腐蝕，對運輸船只、管材、儲槽等與LPG的無太大差別。

    大容量儲槽是采用在約-25℃的低溫貯槽儲存。用低溫儲槽，只需要一般的BOG(氣化氣)的再液化設備，但所要求的壓力可以比IPG的略低。DME的蒸發潛熱與丙烷的基本相同，這將有利于降低DME的運行成本。 

    5 結論

    自80年代就開始將DME用作燃料的開發研究，一部分企業和研究機關的試驗已進入實驗室規模的驗證階段。要真正替代LPG、LNG以及石油燃料，必須要考慮制造成本。在最近的一段時間里應格外考慮與LPG的競爭。

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