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替代燃料二甲醚
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作为LPG和石油类的替代燃料，目前二甲醚(DME)倍受注目。DME是具有与LPG的物理性质相类似的化学品，在燃烧时不会产生破坏环境的气体，能便宜而大量地生产。与甲烷一样，被期望成为21世纪的能源之一。 1．1概况 DME的化学式是CH30CH3，是醚的同系物，但与用作麻醉剂的乙醚不一样，毒性极低；能溶解各种化学物质；由于加压时容易液化，可以用作喷雾剂、致冷剂及特殊燃料。 现在DME是由甲醇在催化剂存在下脱水合成；也可以将甲醇合成时产生的气体分离精制制造。目前全世界二甲醚的产量不超过10×104t/y。 1．2DME的物理性质与特性 表1列出了DME及其它燃料的性质。 表1DME与其它燃料的性质比较表 项目 二甲醚 丙烷 丁烷 甲醇 轻油(2号) 化学式 CH30CH3 C3H8 C4H10 CH30H - 分子量 46.07 44.06 58.08 32.04 - 沸点℃ -24.9 -42.1 -0.5 64.5 190-350 液比重(沸点) 0.75 0.58 0.60 - - (20℃) 0.67 0.49 0.57 0.79 0.8-0.88 蒸发潜热kJ/kg 467 126 386 - - 蒸汽压MPa,20℃ 0.510 0.833 0.207 - - 爆炸极限％ 3.4-27 2.2-9.5 1.9-8.5 6.2-36 - 十六烷值1 55 - - 5 45> 低位发热量MJ/kg 28.9 46.5 45.8 21.1 42.5 注1十六烷值，表示柴油着火性的指数，该值高表示着火性好。 DME与LPG一样是无色物质，常温常压下是气体。 沸点约-25℃，比C3H8高、比C4H10低。常压下冷到-25℃或在常温下加压到0.5-0.6MPa，容易液化。 在沸点时液体比重比C3H8、C4H10大。 从表1可以知道其特性： 1)液态时的低发热量比C3H8、C4H10低，比CH30H高； 2)十六烷值与轻油近似，具有作柴油引擎燃料的优良特性； 3)爆炸极限比C3H8、C4H10范围宽，但窄于CH30H。 因此说，DME可以作为燃料被广泛应用。 2DME的开发 自然界里DME并不存在，必须由原料来制成，天然气和煤是目前较好的原料。当然在考虑原料问题时，对矿物燃料的资源量必须同时考虑。 由最近的统计确认的矿物燃料埋藏量的可开采年份是：(至1996年底，BP统计)石油：42年；天然气：62年：煤：224年。其中，石油资源在21世纪迎来生产颠峰后生产量将逐渐减少。 天然气可开采年分比石油长20年，还在进行开发，估计将来的埋藏量可达现在3倍，不用担心资源的枯竭：煤可开采年份300年。在DME大量生产时主要考虑用天然气作燃料。 2．1天然气为原料的DME生产 2．1．1合成工艺 由天然气生产DME的流程如下： 天然气→合成气→甲醇→DME CH4 CO/H2 CH30H CH30CH3 |---直接法---↑ 首先，天然气净化后用改质催化剂合成以CO、H2比为主要成分的合成气；这合成气在铜系催化剂下合成甲醇，再由甲醇脱水生产DME。最近为简化工程，降低建设成本，研究了直接制造DME的工艺(直接法)。 由天然气经由甲醇合成DME的反应式如下： 改质反应 CH4十H20←→CO十3H2-206．3kJ／mo1 C0十H20←→CO2十H2十41.0kJ／mol 甲醇合成反应 C0十2H2←→CH30H十90．4kJ／mol CO十3H2←→CH30H十49．4kJ／mol 脱水反应(DME合成反应) 2CH30H←→CH30CH3+H20+23．4kJ／mol 直接法，就是在上述反应中甲醇合成和脱水反应在一个反应器里进行的方法。 2．1．2设备的开发要点 上述的工程中，改质反应是采用了在一般的设备里有催化剂存在下水蒸气改质法制造甲醇和城市煤气等的方法。从已有的技术来看，要与LPG和燃料油竞争必须要规模大、设备大型及提高效率以达到低成本生产。 例如，水蒸气改质法，改质在反应管内进行，从热传递和强度来看，以前的方法有尺寸的限制，故有规模特点的问题。 但与在合成甲醇时所需的比例相比，用水蒸气改质法得到的混合气中H2含量是过剩的，这将降低能效。为了改善这些问题，开发了部分氧化法(用氧的改质法)、水蒸气改质法与部分氧化法组合系统或热交换器型改质炉和用陶瓷薄膜的改质炉。 在合成甲醇中，采用了在大型装置里使用淬冷型(用于冷却的合成气淬冷反应器)，为了放大，提出了回收反应热和提高能效的课题。 最近又开发了除去反应热，一次转化率高的液相法。DME直接合成法也有同样的情况，反应器的构造成了问题。 在各阶段里，共同的课题中长寿、高效的催化剂都是不可缺少。目前从天然气制造DME还处于50kg／d一5t/d的试验规模。 2．2煤作原料生产DME 在亚洲、太平洋地区有丰富的煤，但大量用作燃料有如下缺点： 1)煤是固体，难以用管道输送，为弥补这一点，采用煤、油(COM)和煤、水混合物 (CWM)，在输送、贮藏方面的问题颇多，而且在成本上与石油、LPG、LNG无法竞争。 2)煤中灰分多，会增加运输成本，且在燃烧后还有灰的处理问题； 3)燃烧时要产生SOx、NOx，且有煤尘产生，必须要投资很大的防止大气污染设备； 4)低热值的褐煤、次烟煤等不能很好的利用。 若能以煤作为原料制成DME，则上述缺点全都克服了。而且炭层甲烷(CMG)也可使用，它的需要量将大大地扩大。 由煤生产DME的过程如下： 煤层甲烷 ↓ |-DME 煤→气化→精制-调整→反映器|-C02 |-水、甲醇 2．3以减少C02排放量为目的的DME生产1997年防止地球温室化的京都会议的目标是2010年先进国家的C02等温室化气体要比1990年削减5％以上。在成本方面，目前还未考虑以工业大规模生产，唯一在进行试验的是C02的接触加氢生产DME。 C02接触加氢是在催化剂存在的情况下，C02与氢反应生成乙醇及各种烃类的方法。 氢在地球上大量存在，用便宜的制造方法由水即可制得。现在进行的接触式加氢都是反应条件的开发、研究等课题。 3DME的用途 作为能源，考虑DME有如下用途： 1)代替柴油作运输用燃料，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，因排放气造成的环境污染少。而且已经对其进行了作为柴油替代物的燃料规格、安全性、环境影响的考察。 2)作火力发电的燃料，在用液化天然气的场合下是不需要大规模设备的，在这方面使用在煤与中小气田制造的DME，将来是大有希望。在大发电厂可以考虑将DME用来作为调峰时发电用燃料。 3)作民用燃料，因其具有与LPG相类似的特性，用作民用燃料的用途相当广。目前在中国已有小规模使用DME作民用燃料的例子。 4DME的输送与储藏 DME与LPG持有相似的物性，国内法规中的高压气体安全法规仍适用。输送与储藏系统也与LPG相同。对金属无腐蚀，对运输船只、管材、储槽等与LPG的无太大差别。 大容量储槽是采用在约-25℃的低温贮槽储存。用低温储槽，只需要一般的BOG(气化气)的再液化设备，但所要求的压力可以比IPG的略低。DME的蒸发潜热与丙烷的基本相同，这将有利于降低DME的运行成本。 5结论 自80年代就开始将DME用作燃料的开发研究，一部分企业和研究机关的试验已进入实验室规模的验证阶段。要真正替代LPG、LNG以及石油燃料，必须要考虑制造成本。在最近的一段时间里应格外考虑与LPG的竞争。 [search]燃料、二甲醚[/search] |
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