二甲醚替代燃料可行性评价

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第四章 二甲醚

4.1 二甲醚的资源情况

二甲醚可以从天然气、煤、煤层气和生物原料中制取，先生成甲醇，然后通过甲醇脱水制取DME。而对于我国的天然气及甲醇资源情况在前面已作了详细论述；对于煤炭资源，我国已探明直接利用的煤炭储量1886亿吨，人均探明煤炭储量145吨，按人均年消费煤炭1.45吨，即全国年产19亿吨煤计算，可以保证开采上百年[16]。对于生物质资源，我国生物资源丰富，仅农作物秸秆和薪柴等农林废弃物，年产量可分别达6亿吨和1.3亿吨，加上未予统计的城市垃圾、水生植物、野生植物等，资源量相当巨大[41]。

4.2 二甲醚的理化性质

常温常压下，二甲醚是一种无色、具有微弱的醚类芳香味的气体，室温环境下，它的蒸气压大约在0.51 MPa左右，具有惰性，无腐蚀性、无致癌性，几乎无毒。DME的化学分子式CH3-O-CH3，是最简单的醚类。其基本物理化学性质见表格：

表1二甲醚与柴油的理化性质比较[42]

项目 H/C原子比 氧含量/% 密度（g/ml） 沸点/℃（常压） 蒸发潜热/ 气/液容积比（15℃） 理论空然比 低热值/（MJ/Kg） 理论混合气热值/( 二甲醚 3 34.8 0.66 -20 465（-24.6℃） 628 9.2 27.10 3.72 柴油 2～2.3 0 0.84 180～370 273 156 14.6 42.50 3.79

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十六烷值 着火极限/（%空气中) 自燃温度（常压）/℃ 粘度（Cp） >55 3.6～18 235 0.15 40～55 1.5～8.2 250 3 4.3 二甲醚燃料的优缺点

二甲醚成为压燃式发动机最具吸引力的燃料，其主要优点可归纳为： 1)排放好。二甲醚燃料无C-C键，只有C-O和C-H键，且燃料中含有较大比例的氧，因此，燃烧后生成的微粒少，可实现无烟燃烧，解决了柴油机不能同时降低碳烟颗粒和NOx排放的矛盾。

2)噪声低。二甲醚的十六烷值高于柴油，自燃温度低，滞燃期比柴油短，因此最高燃烧温度和压力升高率都有所降低，可减少内燃机工作的粗暴性，明显降低柴油机的燃烧噪声。

3)动力性不会降低。二甲醚理论混合气热值为3066.7 kJ/kg，而柴油的理论混合气热值为2911kJ/kg。由此可知，二甲醚发动机的升功率不仅不会比柴油低，反而会升高。

4)气化潜热高。如按等重量计算，它的汽化潜热值为柴油的1.64倍，如按等放热量计算，二甲醚的汽化潜热值为柴油的2.53倍。它可大幅度降低柴油机的最高燃烧温度，改善NOx的排放。

5)冷启动性能好。二甲醚的沸点较低，能够在燃烧室内涡流较小的情况下快速形成良好的混合气，从而缩短点火延迟期，使柴油机具有较好的冷起动性能。

二甲醚燃料的主要缺点是：

1)易产生气阻。二甲醚在常压下为气态，使用中需避免发生气阻现象。 2)腐蚀橡胶。一些合成橡胶是不能和二甲醚共存的，在与二甲醚长期的接触后会被腐蚀。

3) 容易溢出泄露。在环境温度和压力下，二甲醚的爆炸极限为3-17%(在空气中的比)，范围宽广，其闪点温度低(-41℃)，而且二甲醚的低粘度同时也容易

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使其泄露汽化。

4)润滑性差，易产生磨损。二甲醚的粘度只有柴油的0.05～0.1倍，这就使得燃油润滑效果极差，柴油机上柱塞副、出油阀与出油阀座、针阀与针阀体三大相对运动的精密偶件容易因为润滑不好而产生磨损。

4.4 二甲醚燃料的发展状况[4-6]

二甲醚的工业生产技术主要有甲醇脱水工艺和合成气直接合成工艺。按反应相的不同甲醇脱水工艺又可分为液相甲醇法和气相甲醇法。目前世界上绝大多数装置采用的技术即为气相脱水法。国外开发此技术的公司主要有美国的空气产品和化学公司、丹麦的托普索（Topsφe）公司等[43]，使用这种方法合成二甲醚的成本得到大幅度的降低，据称有可能低于或相当于生产柴油的成本。

中国科学院大连化学物理研究所近年来开发了固定床合成气一步法合成二甲醚新工艺。一步法合成二甲醚,特别是浆态床一步法合成二甲醚技术,是目前新开发的技术。与传统甲醇脱水工艺相比,该工艺装置结构简单,便于移出反应热,易于实现恒温操作,并防止催化剂失活,使二甲醚在成本上更具有优势。目前,该技术正处于小试及中试阶段[43] 。清华大学、浙江大学、西南化工研究院、兰化研究院等单位均致力于该工艺的研究,并取得可喜成果。目前一步法生产二甲醚面临的几个关键问题是：需要高效、低价的煤制气工艺及设备；需要能满足大型化二甲醚生产用的反应器；解决以煤为原料制二甲醚生产过程中CO2 的利用；相关催化剂的开发与生产；成熟经济的二甲醚分离和提纯技术[44]。

总之，我国煤炭和天然气丰富,石油相对匮乏,以二甲醚作为能源载体,部分代替石油,这对于能源的优化利用及实现我国的可持续发展具有十分重要的意义。

4.5 二甲醚燃料在柴油机上的应用[8-14]

二甲醚的十六烷值高，很适合用于压燃式发动机的燃料，尤其是纯烧二甲醚可以获得相当优良的综合性能，在柴油机上，加装一套储气装置和加压设备，即可把柴油机改造成为二甲醚发动机。工作时，在压缩冲程终了附近，液态二甲醚经由原柴油机供油系统中的高压泵和喷油器喷入汽缸，迅速与缸内的空气混合并在缸内的高温作用下自燃、进行扩散燃烧。纯二甲醚发动机需要配备一

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定压力的储气瓶，同时还需要配备用以保证二甲醚保持液态的加压设备（如高压氮气瓶）。

用二甲醚作为压燃式发动机替代燃料的想法和大规模制造DME 的可能性以及其首次的发动机试验情况已经由AMOCO 公司、Haldor Topsoe A/S 公司、NAVISTAR 公司和AVL 公司联合发表于1995 年在底特律举行的SAE 年会[45]。从那时起, AVL 公司一直致力于适用于DME 的从油箱到喷嘴整套燃油系统的技术研究。这些技术研究工作是必需的, 因为现有的燃油喷射系统不适用于DME 燃料。AVL在一台货车或公共汽车柴油机上的研究表明，使用DME 作燃料，发动机能够在不带排气再循环和任何排气后处理装置的情况下满足加洲超低排放车辆标准(ULEV)针对二甲醚饱和蒸汽压高，在较低启喷压力下就能获得优异发动机性能的特点。不久，AVL又做了进一步研究，研究表明：二甲醚发动机燃烧柔和,排放好,同时还具有直喷柴油机的高热效率。在2 000 r/min,50 %负荷时二甲醚发动机的燃烧噪音与柴油机相当,而在100 %负荷时噪音比燃烧柴油时低10 dB(A) ,接近于汽油机的噪音水平,且有潜力达到加利福尼亚超低排放标准[46]。

美国一些机构对DME替代柴油做了大量工作，进行了燃烧性能对比。在中型载货汽车上的试验研究结果显示，DME和柴油在热效率、碳氢化合物CO的排放上是具有可比性的。其氮氧化物的排放量比柴油约低25%。排放指标符合美国加州标准[47]。二甲醚优良的排放性能被发现后,近年来世界各国对其进行广泛深入的研，SrenelErik Mikkelsen和S.C.SorenSon于1995年在一台风冷单缸四冲程非增压柴油机上进行了燃用二甲醚的研究[48]。实验结果表明，即使柴油机是专为柴油而设计(在燃油喷射系统针对二甲基醚的基本特点作了少量改动)， 二甲醚显示了良好的动力性能和排放性能。二甲醚和柴油在试验中不同负荷下两者热效率相同，并且二甲醚的燃烧燥声要低(实验结果显示燃烧二甲醚时的燥声比柴油低15dBA)，整个负荷范围内，二甲醚可以实现无烟燃烧，颗粒排放也极低，它的NOx排放只有柴油排放的25%,,当采用废气再循环(EGR)技术时，就可进一步降低NOx的排放而不会增加颗粒排放(由于二甲醚可实现无烟燃烧)，实验中表明，当EGR率达到30%时，NOx的排放可减少90%而颗粒并没有测到有增加。日本NKK公司在一台由3.6L柴油机稍加改装后的发动机上燃用二甲

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醚结果表明黑烟排量几乎为零,与柴油机相比NOx排放量约下降了25%, 发动机在启动、加速、停机时的响应与柴油机一样快[49]。

对小型非增压直喷式柴油机(单缸工作容积小于 0.5L)而言 ,只须对普通的供油系统稍加改装 ,对有关参数加以调整,即可燃用 DME。然而,若要实现最佳的DME燃烧过程 ,尚须研究新型的DME 供油系统 ,以便根据发动机的转速和负荷的变化,精确控制 DME 的喷油定时、喷油速率及其喷油量。目前 ,AVL 研究所为此已开发出一种先进的共轨式低压燃油喷射系统。此外 ,也有采用 HEUI 电控单体泵燃油喷射系统的报道。

Theo.Fleisch等人在一台Navistar 7.3升V-8T444E直喷涡轮增压柴油机上进行了燃用二甲醚的研究。在未改变原有供油系统的情况下，就可获得低的NOx排放和彻底的无烟排放，二甲醚燃料的经济性与柴油相当，其发动机动力性也与原机保持同一水平，实验数据充分显示了二甲基醚作为柴油机代用燃料满足将来各种排放法规的巨大潜力[50]。

我国二甲醚汽车的研究工作,自1997年由西安交大率先发起之后,上海交大、天大、北方交大、长安大学都系统地开展了二甲醚发动机及汽车的研究工作。西安交通大学已研制出二甲醚汽车样车, 通过对燃油系统和燃烧系统的优化, 发动机使用二甲醚作燃料后, 获得了优异的动力性能和很低的排放指标。另外, 西安交通大学在单缸机上使用二甲醚的研究表明二甲醚发动机具有动力性能好、热效率高、NOx、HC、CO排放低、在全部转速负荷范围内可以实现无烟燃烧，噪声降低l0dB左右，燃用DME的发动机燥声几乎和汽油一样[45]。无锡油泵油嘴研究所在CA498发动机上进行二甲醚燃油系统的研究试验,排放已达到欧Ⅲ法规。2005 年5 月, 我国自行研制的第一辆以二甲醚为燃料的城市客车亮相上海街头, 它是由上海交大联合上海汽车工业总公司等单位合作完成的[51]。这台新型客车动力强劲,车内噪音比原型车下降2.5 分贝, 排放远优于欧Ⅲ排放限值,碳烟排放为零, 彻底解决了城市公交车冒黑烟问题。所以, 我国二甲醚燃料发动机的研究基本与发达国家处于同一起跑线上。

总之，国内外各研究机构在多台发动机上用DME 做过了试验，获得如下共识:（1）颗粒和NOx排放的同时降低，随着专用燃油喷射系统（共轨系统）和

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