二甲醚清洁柴油介绍.doc

云南高清能源开发有限公司 柴油添加剂二甲醚（DME）能与柴油掺合的醚类主要有DME（Dimethyl Ether，简写为DME）和二正戊基醚（Di-n-Pentanyl Ether，简写为DNPE）等。它们是柴油发动机燃料的理想替代品。均具有较高的十六烷值和优良的压缩性。DME可以从煤、天然气和生物质中提炼，由丹麦人首先在大型压燃式发动机上试验。使用DME作燃料，仅需对原柴油机的燃油系统稍作改进即可。同使用柴油相比，无需任何废气循环系统和处理装置，燃用DME发动机的热效率均可提高3%左右，NOx排放显著降低，颗粒物排放很少，炭烟排放为零，实现了无烟燃烧。因而DME具有清洁燃料的特性，可实现汽车尾气的超低排放。但它的热值低，只有柴油的64.7%，理论空燃比低，为了达到柴油机的动力性能，必须增大DME的循环供油量。DME的十六烷值比柴油高，远高于其他代用燃料，因此在柴油机上燃用DME不像甲醇、乙醇、液化石油气和天然气那样需要采用助燃措施。DME在常温常压下的蒸发压力为0.5Mpa，随着温度的升高，其蒸发压力也增大。在发动机使用条件下，为防止气阻现象发生，燃料供给系统的压力将远高于柴油机燃料供给系统（输油系统）。DME的汽化潜热几乎是柴油的两倍，由于蒸发吸热降低缸内混合气温度，有利于抑制NOx的生成。DME发动机的功率比原柴油机高10%15%；噪声低510Db（A）（接近汽油机的噪声）；热效率比柴油机高2%3%（相对值高6%7%）；在全部转速负荷范围内可以实现无烟燃烧；它的NOx、HC和CO排放分别为原柴油机的30%、40%和50%。柴油机燃用DME可以达到欧和美国超低排放（ULEV）标准，并有潜力达到欧标准。存在的主要问题是DME在常温常压下为气体，需装瓶使用（200C时,饱和蒸汽压力为0.5Mpa）。黏度为柴油的1/10，使用时润滑性和密封性较差，燃油系统要重新设计。目前DME用作汽车燃料还没有大量工业应用。享有“21世纪的清洁能源”美称的DME自从1995年作为替代燃料应用以来，以其优异的排放性能和良好的应用前景，使得传统的代用燃料压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG）黯然失色，在其后的短短四五年间赢得许多内燃机研究者的青睐。它可以替代煤气，LPG用于民用燃料，其储运、燃烧安全性等优于LPG。DME充分燃烧后生成二氧化碳和水，无残留，是清洁能源。我国第一台高速DME城市中巴车，2005年7月21日在西安交通大学通过国家科技部验收，认为该车起动容易，运行自如；在城市繁忙路段频繁加减速、换挡自如；崎岖不平路面行驶稳定，爬坡性能良好，未出现熄火和气阻现象；最高时速达到120km/h；尾气排放为零。对发展我国汽车清洁燃料，改变能源结构，降低对石油资源的依赖性具有重大意义。目前，世界DME消费量为每年150kt左右，消费领域主要是气雾剂、化学品中间体及燃料和溶剂等。其中气雾剂消费量占DME消费总量的一半以上，欧洲则超过60%，化学品中间体占35%，燃料及其他消费领域占15%。我国DME消费结构为气雾剂占80%，燃料和其他占20%。国内气雾剂级DME与燃料级DME产能每年均达10kt左右。未来几年间DME将会高速发展，主要以燃料级的发展为主。2010年代替柴油按5%计，则需要燃料级DME5.58Mt。目前，DME代替柴油已成为一种趋势，该领域消费市场前景广阔。一、DME的性质DME在常温常压下是一种无色易燃气体，具有轻微的醚香味。无腐蚀性、无毒、环境友好，在空气中长期暴露不会形成过氧化物。DME具有优良的混溶性，易溶于汽油、四氯化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲脂等多种有机溶剂，加入少量助剂后可与水以任何比例互溶。常温下蒸汽压为0.6Mpa，具有与液化石油气（LPG）相似的物理性质，对大气臭氧层无损害，在大气对流层中容易降解。DME可以成为城市煤气和液化石油气的代用品，也可作为汽车燃料。DME具有优良的燃烧性能，十六烷值高、动力性能好、污染少、稍加压即为液体，易于储存。作为车用替代燃料，具有与天然气、甲醇、丙烷、丁烷、柴油等不可比拟的综合优势。DME与各种近似燃料以及柴油的物性和燃烧性能见下表。从下表可看出，DME与液化石油气（丙烷、丁烷混合物）性质十分相近，稍一加压就变成液态，可以方便的使用储运液化石油气的基础设施。也可以用油槽车、低压管道长途运输。同时还可看出，只有DME的十六烷值高于50，比市场上销售的柴油的十六烷值还要高，是柴油理想的代用品。表一 DME及相关燃料的性质物性DME丙烷丁烷甲烷甲醇柴油分子式CH3OCH3C3H8C4H10CH4CH3OH相对分子质量4644581632碳含量/%52.281.882.97537.587氢含量/%1318.217.12550.013氧含量/%34.800012.50沸点/0C-25.1-42.0-0.5-161.564.6180370液体密度（200C）/（g/cm3）0.670.490.570.420.790.84液体运动黏度（400C）/（mm2/s）0.120.150.20.20.724饱和蒸汽压（250C）/Mpa0.60.90.2蒸发潜热/（KJ/kg）4673723585101110300气体相对密度（对空气）1.591.522.070.55理论空气比/（kg/kg）9.015.715.516.96.514.6最大燃烧速度/（cm/s）50434337-52爆炸范围/%3.4172.19.41.98.45155.5360.665发火温度/0C235470365650450250十六烷值5560510054055低发热值/（MJ/Nm3）59.391.011835.9低发热量/（MJ/kg）28.846.345.749.020.042.7二、DME作为代用柴油的特点柴油机用DME作燃料，具有以下特点：DME的十六烷值大于55，着火温度为2350C，而柴油的十六烷值为4555，着火温度为2500C，说明DME的发火性能明显高于柴油。柴油机功率提高16%，热效率提高23个百分点；DME是由两个碳原子中间夹着一个氧原子组成，不存在碳原子的直接连接，在燃烧过程中不会产生炭烟，解决了柴油机的NOx与炭烟的折衷协调难的问题。在所有运转工况中基本上做到无烟运行，即排放尾气中无可见颗粒物；汽缸中最高压力下降79Mpa，从而使工作时的噪声下降1015db，对汽缸的强度要求也相应降低；DME的氧含量为34.8%，易于完全燃烧，有利于减少尾气排放中的污染物含量。由于汽缸中燃烧温度低，NOx排放量不足燃用柴油时的60%；HC和CO的排放也下降40%左右；在柴油机中使用DME，可满足尾气排放的标准。欧洲一些国家在柴油机中燃用DME的测试结果见下表；DME直接进入大气中不会发生光化学反应，不会产生二次污染，对人体无毒害。表二 使用DME发动机排放与欧标准的比较 g/（Kwh）排放物欧标准使用DME发动机试验结果排放物欧标准使用DME发动机试验结果HC0.60.20NOx5.03.85CO2.02.17PM0.100.05表三给出了DME与美国加利福尼亚柴油标准的对比数据。使用DME，尾气不需催化转化处理，氮氧化物及黑烟微粒排放就能满足美国加利福尼亚燃料汽车超低排放尾气的要求，并可降低发动机噪声。表三 DME与美国加利福尼亚柴油排放物标准比较 g/（Kwh）排放物DME加利福尼亚标准排放物DME加利福尼亚标准CO3.27.2微粒含量0.0330.05NOX和NMHC2.42.5甲醛0.0220.025NMHC0.211.3注：NMHC为非甲烷烃类下图是使用DME和柴油进行柴油机试验的结果。DME在各方面都好于传统的柴油。三、有潜力的柴油替代燃料 DME具有优良的燃烧性能，清洁且十六烷值高，动力性能好，污染少，稍加压即为液体易于储存，作为车用替代燃料，具有天然气、甲醇、丙烷、丁烷、柴油等不可比拟的综合优势。常规的发动机代用燃料如LPG、天然气、甲醇等的十六烷值都小于10，只适用于点燃式发动机。DME的十六烷值高于柴油，具有优良的压缩性，非常适合于压燃式发动机，是柴油发动机理想的替代燃料。使用DME燃料，尾气无需催化转化处理，氮氧化物及黑烟微粒排放就能满足美国加州燃料汽车超低排放尾气要求。西安交通大学能源与动力工程学院汽车工程系在美国福特汽车公司和国家自然科学基金委员会的资助下，经过近3年的艰苦探索，研究结果表明，与柴油相比，燃用DME后，发动机完全消除了炭烟排放，NOx排放降低50%70%，未燃烃排放降低30%，CO排放降低20%。该项研究成果填补了我国在超低排放汽车研究领域的空白，在国际上处于领先水平。采用这种新型柴油代用燃料DME，实现了柴油机超低排放，排放指标不仅满足欧洲2号和3号标准，而且接近于欧洲2005年实施的排放物标准和美国加利福尼亚州超低排放标推。目前西安交通大学正在努力将该项技术推广应用到柴油车上，将推出我国首台超低排放汽车。 因为DME具有理想的十六烷值，目前主要兴趣是用作柴油替代燃料，用DME的柴油发动机的排放可满足美国加利福尼亚和西欧严格的排放标准，燃烧DME的发动机的噪声也很低。5060的十六烷值很容易满足目前和未来柴油的十六烷值标准，并且其热效率、烃和CO的排放均可与柴油相媲美，NOx量仅为柴油的25% ，烟尘则基本可消除。 醇类燃料可减少对空气的污染，实现无烟化运行，但其十六烷值较低，只能用于有点火辅助装置的发动机，且尾气中含有甲醛需要采用特殊的氧化催化器降低甲醛的含量。DME具有与柴油相同的热效率、运转柔和、燃烧噪声低，可以减少CO2排放，适用于压燃式发动机，是一种很有潜力的压燃式发动机的代用燃料。为了考察DME在柴油上的使用性能，将DME在直喷式柴油机上进行排放试验，结果表明：在任何情况下，DME无烟燃烧性能是在柴油机上柴油代用燃料最好的一种，在任何条件下，都可实现无烟燃烧，DME的CO排放量是柴油的20%，CH也只有柴油的50%，DME在柴油机上的排放见上图。 虽然DME的低热值只是柴油的64.7%，但Amoco公司的研究显示，在规定N0x排放量同样低的情况下，在压燃式发动机上试验，DME的热效率比柴油高10%，而甲醇比柴油低5%。汽油、液化石油气、乙醇在点燃式发动机（汽油机）上的热效率比柴油在压燃式发动机上的热效率低40%，压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）比柴油低15%。DME和其他代用燃料一样，与常规柴油相比，单位体积能量较低，行驶相同的路程需要较大体积的燃料。但与汽油相当，比其他代用燃料所需体积小。 DME可以与柴油以任何比例进行混合，与柴油相比，DME与柴油按20:80（质量）的比例混合，可减少炭烟排放50%，HC含量减少40%，DME与石油液化气（LPG）混合可以改善着火性能。 采用DME作为柴油使用仍然还存在着一些问题没有解决：DME的沸点为-250C，常温下呈气体状态，必须加压液化，因此要求供油系统和油箱必须密封，运输的储备要求有配套的设备以防泄漏，从而增加了成本； DME的黏度低，润滑性差，易产生偶件磨损、卡死和燃料泄漏，有人建议在柴油中掺入DME的方法解决，但这样会影响DME的优势，最佳混合比也是较难确定的；DME的热值仅为柴油的70% ，油箱体积相同时，会减少汽车的持续行使里程；DME对金属虽无腐蚀性，对储存材料也没有特殊的要求，但它会加速橡胶老化，因此对供油系统提出更高的要求。 对于DME的润滑性问题，许多人进行了研究，经过试验证明：在DME中添加500g/g的lubrizon539、hitec560或者蓖麻油，可有效提高DME的润滑性。 西安交通大学联合一汽集团大连柴油机厂和无锡油泵油嘴研究所，研制的我国第一台高速DME城市中巴车，2005年7月21日通过国家科技部验收。在全部转速负荷范围内实现无烟燃烧，热效率高，最高转速达到3200r/min（国外DME发动机的最高转速最高为2800r/min）。对发展我国汽车清洁燃料、改变能源结构，降低对石油资源的依赖具有重大意义。 DME是一种最简单的醚类化合物，可从煤、石油及天然气等多种资源中提取合成。目前我国已有山东、云南、内蒙古、四川等省、自治区生产DME，大规模生产时DME的生产成本低于柴油的成本。由于DME燃料的卓越性能，DME清洁燃料发动机技术已引起西方发达国家的高度重视，欧、美、日、韩等国家和地区十分看好DME燃料汽车市场前景和环保效益，纷纷开展DME燃料发动机与汽车的研发。欧洲VOLVO汽车公司研制出了燃用DME燃料客车样车，日本也研制成功DME燃料卡车和城市客车样车。四、车用二甲醚清洁柴油的开发（一）产品简介车用二甲醚清洁柴油是我公司在国标柴油或重油或溶剂油中加入一定比例的二甲醚、改性剂、稳定剂等物质调制而成的一种清澈透明、不沉淀、不混浊、不分层的液体燃料，其热值、蒸发性、黏度、比重、低温性能、腐蚀性能、环保性能、安全性能等指标均接近和超过国标柴油，是替代国标柴油，应用于压缩式内燃机、内燃式柴油机、燃油式工业锅炉、陶瓷窑炉等领域的理想燃料。该产品可调制出类似国标柴油的0号、-10号、-20号、-30号二甲醚清洁柴油。由于其十六烷值和含氧量高等优点，使其车辆点火容易、动力不减，燃烧充分，可在不改动发动机的情况下，直接替代国标柴油，而且在性能、排放、经济方面优于国标柴油，与柴油体积替代比在（1.031.15）：1之间，节能效率可达15%30%，该产品经云南省权威部门检测认定，其各项性能指标均达到或超过国标同类产品，尾气排放达到欧标准。（二）产品特点1、动力性强：二甲醚清洁柴油由于具有十六烷值高和含氧量高等优点，加上变性剂中独有的催化重整等作用，大大改善了国标柴油的燃烧性能，使发动机的动力性得到了增强。2、超低排放：DME的汽化潜热几乎是柴油的两倍，由于蒸发吸热降低缸内混合气温度，有利于抑制NOx的生成。在全部转速负荷范围内可以实现无烟燃烧；它的NOx、HC和CO排放分别为原柴油机的30%、40%和50%。颗粒物排放很少，炭烟排放为零，实现了无烟燃烧。因而DME具有清洁燃料的特性，可实现汽车尾气的超低排放。柴油机燃用DME可以达到欧和美国超低排放（ULEV）标准，并有潜力达到欧标准。3、凝点低：二甲醚清洁柴油的凝点和滤点比同标号柴油低510个单位，扩大了低温条件下的使用范围。4、通用性好：二甲醚清洁柴油能满足柴油发动机的结构和相关参数的要求，而不需对发动机进行任何改动。它可单独使用，也可以任何比例与国标柴油混合使用。5、适用范围广：二甲醚清洁柴油适用于各