“新型液體燃料”——二甲醚在國內(nèi)外開發(fā)概況

1、中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）i中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論文）計(jì)（論文）“新型液體燃料新型液體燃料”二甲醚在國內(nèi)外的開發(fā)概況二甲醚在國內(nèi)外的開發(fā)概況姓 名： 學(xué) 號(hào)：性 別：專 業(yè):批 次：電子郵箱：聯(lián)系方式：學(xué)習(xí)中心： 指導(dǎo)教師： 中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）ii“新型液體燃料新型液體燃料”二甲醚在國內(nèi)外的開發(fā)概況二甲醚在國內(nèi)外的開發(fā)概況摘 要將二甲醚用作替代能源，是我國抑制高油價(jià)影響的重要措施之一

2、。制取二甲醚的工藝主要有二步法和一步法，其中，對(duì)煤深加工并采用二步法制取 DME 是我國較為現(xiàn)實(shí)、合理的工藝路線。二甲醚因?yàn)楸旧砗醯木壒?，具有燃燒效率高的特點(diǎn)，通過對(duì)其燃燒機(jī)理進(jìn)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?xì)庀啾容^，二甲醚燃燒效率提高3.05.0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(dòng)機(jī)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)鍵詞關(guān)鍵詞：二甲醚；燃燒機(jī)理；富氧燃燒；二步法工藝；一步法；替代；低排放；氮氧化物；能源中國石油大學(xué)（北京

3、）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）iii目 錄第一章第一章 引引 言言.11.1 研究概況.1第二章第二章 二甲醚的發(fā)展及國內(nèi)外開發(fā)概況二甲醚的發(fā)展及國內(nèi)外開發(fā)概況.62.1 二甲醚的特性2.2 二甲醚的制取與生產(chǎn)物耗 2.3 二甲醚燃燒機(jī)理分析 2.3.1 DME 燃燒效率分析 2.3.2 DME 排放性能分析2.4 二甲醚應(yīng)用前途2.5 二甲醚國內(nèi)外發(fā)展的調(diào)研2.6 二甲醚燃料與橡膠密封件的相容性研究第三章第三章 總總 結(jié)結(jié).3參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).4 中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3

4、第一章第一章 引引 言言1.11.1 研究概況研究概況實(shí)施替代能源戰(zhàn)略是我國抑制高油價(jià)影響的重要國策。二甲醚作為一種優(yōu)質(zhì)、現(xiàn)實(shí)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(duì)于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)與生態(tài)平衡具有重要意義。第二章第二章 二甲醚發(fā)展及國內(nèi)開發(fā)概況二甲醚發(fā)展及國內(nèi)開發(fā)概況2.12.1 二甲醚的特性二甲醚的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理化性質(zhì)理化性質(zhì)二甲醚二甲醚(D

5、ME)(DME)進(jìn)口液化石油氣進(jìn)口液化石油氣（C C3 3CC4 440406060）進(jìn)口液化天然氣進(jìn)口液化天然氣（澳大利亞（澳大利亞 LNGLNG）分子量62.075218.3液相低位熱值MJ/kg（kcal/kg）28.845.9750.06氣相低位熱值MJ/m3（kcal/m3）46.07109.2440.22液體密度kg/m3668520465氣體密度kg/m32.062.380.82十六烷值55101.0 的原因是為了避免不完全燃燒情況發(fā)生，而付出的代價(jià)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(duì)于 DME，其自身含氧，由于改善了燃?xì)馀c空氣的混合效果，且氧氣與氮?dú)庵容^

6、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， 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(gè)原因。（3） 民用燃具燃燒效率分析對(duì)于民用燃具，假定 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(shí)減少的 O2、N2量為：（1.50-1.30）O2 +（0.790.21）N2摩爾。經(jīng)計(jì)算，與同等熱值的乙烷（或其他燃?xì)猓┍容^，減少的這部分熱損失為3.05.0左右。中國石

7、油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 xxxxxxxx 批次專升本畢業(yè)論文批次專升本畢業(yè)論文7（4） 火焰?zhèn)鳠崮芰υ黾覦ME 燃燒時(shí)，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(shí)，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(qiáng)，提高了裝置內(nèi)有效利用熱。2.3.22.3.2 DMEDME 排放性能分析排放性能分析DME 是一種清潔燃料，燃燒過程中無殘?jiān)?、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

8、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(huì)太高，不會(huì)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(shí)，部分氮?dú)鈺?huì)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?xì)浠衔锟砂l(fā)生反應(yīng)生成具有強(qiáng)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(shí)間增加而增加，因此，DME 燃燒時(shí)，氮氧化物生成量有增加的趨勢(shì)，要引起注意。 2.42.4 二甲醚的應(yīng)用前景二甲醚的應(yīng)用前景二

9、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(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)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)展成為一門成熟技中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 xxxxxxxx 批次專升本畢業(yè)論文批次專升本畢業(yè)論文8術(shù)。2005 年，我國液化石油氣消耗量為 1852 萬噸，其中進(jìn)口量為 615 萬噸；預(yù)計(jì)到 2010 年，僅民用燃料這一塊，二甲醚需求量就可達(dá) 1000 萬 t/a 以上，尤其隨著原油價(jià)格的不斷上漲，社會(huì)對(duì)這種清潔能源的需求

10、量會(huì)進(jìn)一步增加。（2）替代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料替代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要問題是尾氣氮氧化物與黑煙的排放，會(huì)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(dòng)機(jī)潔凈燃料直接壓燃，實(shí)現(xiàn)無煙、無硫燃燒和低 NOx 排放，尾氣排放能夠達(dá)到歐排放標(biāo)準(zhǔn)。我國開發(fā)的二甲醚柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的運(yùn)行表明，使用 DME 后可使發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)輸。而 2005 年中國的汽車保有量已達(dá) 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

11、也極為可觀。 2.52.5 二甲醚的國內(nèi)外發(fā)展的調(diào)研二甲醚的國內(nèi)外發(fā)展的調(diào)研國內(nèi)外 DME 生產(chǎn)現(xiàn)狀目前，世界上 DME 的生產(chǎn)大國為美、德、英等，主要生產(chǎn)廠家有杜邦公司、阿克蘇公司、德國聯(lián)合萊茵褐煤公司等，世界總生產(chǎn)能力超過 20 萬噸/年，產(chǎn)量超過 15 萬噸/年。其中杜邦公司由甲醇制二甲醚的生產(chǎn)裝置能力為3.0 萬噸/年；德國聯(lián)合萊因褐煤燃料公司現(xiàn)有二甲醚生產(chǎn)能力已達(dá)到 6 萬噸/年。歐洲生產(chǎn)二甲醚的廠家還有漢堡的 DMA 公司和荷蘭的阿克蘇公司，生產(chǎn)能力均達(dá)萬噸級(jí)，澳大利亞 CSR 有限公司（悉尼）有 1 萬噸/年的生產(chǎn)能力。日本早期生產(chǎn)二甲醚采用磷鋁酸鈣催化劑工藝，現(xiàn)住友精化公司成為

12、日本最大的二甲醚生產(chǎn)廠家，日本三井東壓化學(xué)公司、日本鋼鐵公司（NKK）公司也有 DME 裝置；中國臺(tái)灣康盛公司二甲醚生產(chǎn)能力約為 1.8 萬噸/年。中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 xxxxxxxx 批次專升本畢業(yè)論文批次專升本畢業(yè)論文9國內(nèi)二甲醚生產(chǎn)起步較晚。前幾年，由于技術(shù)方面的原因，我國僅有江蘇吳縣合成化工廠、武漢硫酸廠等少數(shù)幾個(gè)廠家生產(chǎn)，總產(chǎn)量約為 3000 噸/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)市場(chǎng)的需求。近年來，我國二甲醚的生產(chǎn)有了新的發(fā)展，廣東中山市精細(xì)化工實(shí)業(yè)有限采用西南化工研究院技術(shù)建成高純度二甲醚 2500 噸年工業(yè)化裝置，目前裝置規(guī)模已達(dá) 5000 噸/

13、年。成都華陽威遠(yuǎn)天然氣化工廠 2000 噸/年二甲醚生產(chǎn)裝置于 1995 年 12 月一次投料試車成功，生產(chǎn)出氣霧劑用的二甲醚產(chǎn)品。上海石油化工研究院建成 800 噸/年裝置，并在江蘇昆山建成 1000 噸/年二甲醚工業(yè)示范裝置。陜西新型燃料燃具公司與中科院山西煤化所共同研制開發(fā)燃料級(jí)二甲醚生產(chǎn)技術(shù)，于 1997 年 6 月建成投產(chǎn)了 500 噸/年級(jí)生產(chǎn)線；另外，安徽省蒙城縣化肥廠、浙江諸暨新亞化工公司、廣東江門氮肥廠和浙江義烏光陽化工實(shí)業(yè)有限公司均建有 10002500噸/年生產(chǎn)裝置。山東久泰科技股份有限公司(前身山東臨沂魯明化工有限公司)于 2002 年建成 5000 噸/年生產(chǎn)裝置，今

14、年 10 月份 3 萬噸/年二甲醚裝置已建成投產(chǎn)，并計(jì)劃于明年擴(kuò)建至 10 萬噸/年，采用自主開發(fā)的液相兩步法工藝技術(shù)。山東久泰公司還計(jì)劃與內(nèi)蒙古鄂爾多斯市合作建設(shè) 100 萬噸/年DME 裝置。重慶英力燃化公司采用清華大學(xué)一步法二甲醚技術(shù)建設(shè)了能力為3000 噸/年的示范裝置，于 2003 年底前投產(chǎn)。目前國內(nèi)生產(chǎn)能力已超過 5 萬噸/年。2.62.6 二甲醚燃料與橡膠密封件的相容性研究二甲醚燃料與橡膠密封件的相容性研究二甲醚的沸點(diǎn)為-24.19，在常溫（20）下為氣態(tài)，因此需要加壓（超過其在使用溫度下的飽和蒸氣壓力），使其成為液體在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃用。這就要求汽車燃油供給系統(tǒng)及油箱必須良好密封、

15、保壓。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常用燃油供給系統(tǒng)中的橡膠密封件在長(zhǎng)期與二甲醚接觸后會(huì)發(fā)生溶脹老化，力學(xué)性能也隨之變差而失效。由于二甲醚粘度很低，直接在發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用會(huì)引起精密偶件的磨損，通常需要添加一定比例的潤(rùn)滑劑改善其潤(rùn)滑性能。由于不同中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 xxxxxxxx 批次專升本畢業(yè)論文批次專升本畢業(yè)論文10的橡膠材料耐不同介質(zhì)的能力存在差異，因此研究既耐二甲醚又耐潤(rùn)滑劑的密封橡膠有極重要的應(yīng)用價(jià)值。 橡膠的耐油性取決于橡膠的結(jié)構(gòu)和有機(jī)介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。橡膠與溶劑的相互作用遵循相似相溶的原理，即認(rèn)為與溶劑極性相近的橡膠容易溶解于該溶劑中，具有相似極性的液體能溶解

16、相同的溶質(zhì)（即可互溶）這一原理對(duì)于合理地選取試驗(yàn)橡膠具有重要的指導(dǎo)意義。 耐純二甲醚橡膠的試驗(yàn)研究 確定二甲醚燃料的極性對(duì)選擇與之相適應(yīng)的橡膠材料具有重要作用。液體二甲醚是一種極性溶劑，其極性是由分子鏈中間的氧原子引起的。選用丁晴橡膠、三元乙丙橡膠和硅橡膠（Silicone） 進(jìn)行耐二甲醚溶脹試驗(yàn)，3 種橡膠的極性強(qiáng)弱依次為：NBR Silicone EPDM。丁晴橡膠是丙烯晴和丁二烯的共聚物，是最常用的耐油橡膠，它的極性強(qiáng)且隨著丙烯晴含量的增大而增加，從而耐油性明顯提高。三元乙丙橡膠呈極性，對(duì)各種極性介質(zhì)有很好的穩(wěn)定性。在通用橡膠中，三元乙丙橡膠具有最好的耐老化性能。硅橡膠呈弱極性，其耐高低

17、溫性能在 3 種橡膠中最好，這對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來說相當(dāng)重要。所選取的 3 種橡膠耐二甲醚性能的優(yōu)劣排序依次為：EPDM NBR Silicone。硅橡膠不耐二甲醚是由于它們的極性相近。三元乙丙橡膠與丁晴橡膠相比，其極性與二甲醚極性的差異最明顯，所以耐二甲醚性能最好。 耐含潤(rùn)滑劑二甲醚的橡膠性能研究 二甲醚是一種低粘度液體。試驗(yàn)表明，當(dāng)用純二甲醚作為燃料時(shí)，燃油系統(tǒng)中的精密偶件磨損很快。改進(jìn)二甲醚潤(rùn)滑性能的主要方法是在其中加入潤(rùn)滑添加劑。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)中，由于偶件間的間隙很小（約 24m），它的潤(rùn)滑方式主要是邊界潤(rùn)滑。在邊界潤(rùn)滑中，液體的粘度對(duì)潤(rùn)滑的影響很小，起作用的是靠極性分子通過物理吸附

18、或化學(xué)吸附在金屬表面形成的單分中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 xxxxxxxx 批次專升本畢業(yè)論文批次專升本畢業(yè)論文11子油膜。試驗(yàn)證明，含有極性分子頭的植物油是良好的邊界潤(rùn)滑添加劑，在二甲醚中添加一定比例的植物油可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)精密偶件的磨損，同時(shí)不會(huì)顯著改變其良好的燃燒特性。有關(guān)含潤(rùn)滑劑二甲醚的極性問題目前尚無明確的闡述，但可以通過不同極性橡膠對(duì)其的溶脹差異來初步預(yù)測(cè)確定。從氯丁橡膠、天然橡膠（NR）及三元乙丙橡膠在含潤(rùn)滑劑二甲醚中浸泡 96h 后的體積變化率（V）來看，三元乙丙橡膠和天然橡膠的溶脹程度明顯大于氯丁橡膠。由于三元乙丙橡膠和天然橡膠均為非極

19、性橡膠，而氯丁橡膠則帶有一定極性，因此根據(jù)相似相溶的原則，初步判斷含潤(rùn)滑劑的二甲醚可能具有非極性特徵。 進(jìn)一步的耐溶劑試驗(yàn)以此為依據(jù)選取不同試驗(yàn)橡膠，以優(yōu)選出最適合實(shí)際使用的密封橡膠。根據(jù)上述分析，耐含潤(rùn)滑劑二甲醚的橡膠應(yīng)具有較強(qiáng)的極性，因此進(jìn)一步的試驗(yàn)不選擇非極性橡膠（如三元乙丙橡膠、天然橡膠等）及弱極性橡膠（如硅橡膠、氯丁橡膠等）。兼顧橡膠的其他力學(xué)性能及其在車用發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用環(huán)境，選用丁橡膠、氟橡膠及氟硅橡膠進(jìn)行耐溶劑試驗(yàn)。對(duì)于氟橡膠和氟硅橡膠來說，橡膠分子結(jié)構(gòu)中在側(cè)鏈上由氟原子取代了原有的氫原子，因而大大增強(qiáng)了橡膠的極性。氟橡膠和氟硅橡膠對(duì)眾多化學(xué)溶劑均有很好的穩(wěn)定性。氟橡膠具有較好的

20、力學(xué)性能、拉斷強(qiáng)度和硬度。氟硅橡膠在保持了硅橡膠的一系列優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，又具有氟橡膠的耐油性、耐溶劑性。它與氟橡膠相比，耐油性相當(dāng)，耐寒性、耐壓縮永久變形性更優(yōu)，而且從高溫到低溫都顯示出了優(yōu)良的性能，是一種理想的耐油橡膠。 3 種橡膠在一定時(shí)間浸泡后均有不同程度的溶脹，但它們?nèi)苊浀某潭缺热冶鹉z和天然橡膠的溶脹大大降低，溶脹率大小的排序依次為 FMQ NBR FPM。拉斷強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率反映了橡膠材料的機(jī)械性能。對(duì)于這 2項(xiàng)指標(biāo)，氟硅橡膠在較長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間后變化不大，性能最優(yōu)，而丁晴橡膠和氟橡膠均有明顯的降低。氟硅橡膠的硬度變化在 3 種橡膠中表現(xiàn)最為穩(wěn)定。 中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中