二甲醚作为工业燃料的应用研究

1、PAGE 二甲醚作为工业燃料的应用研究北京清华同仁科技有限责任公司2008年10月目录一、二甲醚简介3二、二甲醚主要用途4 1、用途4 2、使用优势4三、二甲醚物理性质5四、二甲醚的燃烧性质6 1、燃烧性质6 2、二甲醚燃烧基理分析6五、二甲醚化学性质8六、二甲醚工业燃料的应用9 1、用于工业炉窑9 2、用于工业切割气9 3、多种工业原料经济指标比较10七、二甲醚作为工业原料所需的设备12八、结论12九、附录：二甲醚标准13一、二甲醚简介 二甲醚又称甲醚，简称DME，分子式CH3OCH3，在常压下是一种无色气体或压缩液体，具有轻微醚香味。相对密度（20）0.661，熔点-141.5，沸点-24

2、.9，室温下蒸气压约为0.5MPa，与石油液化气（LPG）相似。溶于水及醇、乙醚、丙酮、氯仿等多种有机溶剂。易燃，在燃烧时火焰略带光亮。常温下DME具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀、无致癌性，但在辐射或加热条件下可分解成甲烷、乙烷、甲醛等。二甲醚是醚的同系物，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；由于其具有易压缩、冷凝、气化及与许多极性或非极性溶剂互溶特性，广泛用于气雾制品喷射剂、氟利昂替代制冷剂、溶剂等，另外也可用于化学品合成，用途比较广泛。 二甲醚作为一种新兴的基本化工原料，由于其良好的易压缩、冷凝、汽化特性，使得二甲醚在制药、燃料、农药等化学工业中有许多独特的用途。如高

3、纯度的二甲醚可代替氟里昂用作气溶胶喷射剂和致冷剂，减少对大气环境的污染和臭氧层的破坏。由于其良好的水溶性、油溶性，使得其应用范围大大优于丙烷、丁烷等石油化学品。代替甲醇用作甲醛生产的新原料，可以明显降低甲醛生产成本，在大型甲醛装置中更显示出其优越性。二甲醚易压缩、易贮存、燃烧效率高、污染低，作为民用燃料气其储运、燃烧安全性、预混气热值和理论燃烧温度等性能指标均优于石油液化气，可作为城市管道煤气的调峰气、液化气掺混气。作为车用燃料二甲醚具有较高的十六烷值，可以替代柴油成为柴油发动机的理想燃料，与甲醇燃料汽车相比，不存在汽车冷启动问题。它还是未来制取低碳烯烃的主要原料之一。 作为工业用燃料，二甲醚

4、的发展潜力巨大，应用领域越来越多：国内陶瓷业已经广泛采用二甲醚做燃料，烧制出的陶瓷洁白纯净；替代乙炔作为切割气主体，切割质量好、成本低、安全、环保；在日本也用于发电燃料。 由于石油资源短缺及人们环保意识的增强，二甲醚作为清洁燃料而日益受到重视，成为近年来国内外竞相开发的性能优越的碳一化工产品。其在燃烧时不会产生破坏环境的气体，且能便宜而大量地生产，因此被期望成为21世纪的能源之一。二甲醚特有的理化性能奠定了其在国际、国内市场上的基础产业地位，是目前国际、国内优先发展的产业。二、二甲醚主要用途1 用途： = 1 * GB3 、可以替代液化气，或与液化气复合作为民用燃料和工业燃料。 = 2 * G

5、B3 、作为推进剂，溶剂等，用于生产自喷漆、彩带、发泡胶等，可以替代氟利昂作制冷剂，是一种优良的精细化工原料。 = 3 * GB3 、可以替代乙炔作为工业切割气。 = 4 * GB3 、可以替代汽、柴油作为车用燃料。 = 5 * GB3 、作为工业原料用于陶瓷、发电燃料等。2、使用优势：2.1 二甲醚作为复合燃气的优势： = 1 * GB3 、价格比液化气便宜； = 2 * GB3 、有效减少红火苗，锅、壶没有黑烟，比液化气更清洁、更环保。 = 3 * GB3 、提高燃烧质量和热效率，发挥两种气体的优势，有效带动液化气中80%以上残液的燃烧，用完后基本无残液，使燃烧更充分。 = 4 * GB3

6、 、安全无毒，压力比液化气低，储存运输比较安全，即使泄露也不会中毒。2.2 精醚在精细化工领域的优势 = 1 * GB3 、生产自喷漆溶解性好、挥发性好、喷到物体上无麻点，在生产自喷漆上跟丙丁烷相比具有互溶性强、雾化好和喷涂效果光亮美观的优点。 = 2 * GB3 、生产聚氨脂泡沫填缝剂，主要优点是环保、溶解性好、成本降低。 = 3 * GB3 、生产杀虫剂及空气清新剂，主要优点是：气味柔和，雾化效果好、压力稳定、环保清洁、成本低。2.3 二甲醚作为切割气主体的优势： = 1 * GB3 、切割面光滑，节省加工时间，切割速度快。 = 2 * GB3 、挥发性能好，无余气。 = 3 * GB3

7、、价格便宜，比乙炔节约成本60%以上。 = 4 * GB3 、安全、环保。燃烧时不产生有害气体，对操作工人的身体健康不会产生职业病。2.4 二甲醚替代柴油作为车用燃料的优势： = 1 * GB3 、十六烷值比柴油高10%-15%。 = 2 * GB3 、低温启动效果好，噪音比柴油发动机降低2%-3%。 = 3 * GB3 、动力足、爬坡能力强。 = 4 * GB3 、燃烧充分清洁、排放好，无须任何处理即可达到欧以上标准。 = 5 * GB3 、比柴油有良好的价格成本优胜。三、二甲醚物理性质分子式：CH3OCH3分子量：46.07物理性状(101.3Kpa，1atm)：透明无臭气体沸点：-24.

8、9熔点： -141.5闪点(开杯法)：-41.4密度(20)： 0.661 g/ml临界压力：5.36 atm临界温度：126.9 临界密度：0.242 g/ml自燃温度：350爆炸极限(空气中) (体积)：3.418.2蒸汽压(20)，Mpa(atm) 0.53(5.24)燃烧热(气态)： 1455 KJ/mol生成热(气态)： -185.5 KJ/mol熔融热：107.3KJ/Kg蒸发热(-24.8)： 467.4 KJ/Kg 生成自由能： -114.3 KJ/mol熵(25)： 266.8 J/(mol.K)表面张力(气相)，mN/m(dyn/cm) ：-40.：21-20：18-10：

9、16气体粘度，Pa S(P) ：0：82.520：85.5介电常数(25)： 5.02 F/m(esn)贝壳松脂丁醇值：60比热：2.37体膨胀：1324四、二甲醚的燃烧性质1、燃烧性质 平均热值： 31450 kJ/kg 理论空气量 ：6.96 m3/kg 理论烟气量/ ：7.46 m3/kg 预混气热值/： 4219 kJ/kg 液相低位热值：28800kJ/kg 气相低位热值：64580kJ/m3 十六烷值：55 理论燃烧温度：2250 氧含量：34.82、二甲醚燃烧机理分析二甲醚用作燃料替代LPG被市场看好，被誉为“二十一世纪的新能源”。究其主要原因，一方面在于能源价格高企下DME的价

10、格优势，而另一方面则是其燃烧效率高和燃烧产物排放洁净的显著特点。2.1 DME燃烧效率分析 二甲醚易燃，燃烧时火焰略带光亮，同等质量条件下，理论热值约为汽柴油的64。以质量计，二甲醚本身含氧量高达34.8，理论燃烧温度可达2250，燃烧性能较好，热效率也较高。 因为本身含氧，需要添加的理论空气量（N2量）相应减少 DME燃烧反应分子式为 C2H6O +3 O22CO2 +3 H2O 将其与乙烷燃烧过程比较： C2H6 +3.5 O22CO2 +3 H2O 由上述反应方程式可知，1.0摩尔体积的DME与相同摩尔体积乙烷燃烧过程比较，乙烷所需要的氧气量较二甲醚多0.5摩尔，而DME气相热值与乙烷热

11、值（气态低位热值为64.36MJ/m3）基本相同。亦即，假定燃烧效率相同，获得相同的燃烧热量，1.0摩尔的DME燃烧时，混入的氧气量较乙烷可降低0.5摩尔。我们知道，空气中1.0摩尔氧气附带3.76摩尔的氮气和其它惰性气体，因此，上述DME及乙烷完整的燃烧反应方程式应为：C2H6O +3 O2 +33.76N22CO2 +3 H2O +33.76N2 C2H6 +3.5 O2+3.53.76N22CO2 +3 H2O +3.53.76N2 上两式表明，在燃烧温度不太高的情形下，反应前后N2的摩尔数不变。N2虽然进入燃烧区，但并未参加氧化反应，相反，它带走DME部分燃烧热，进而影响热效率。因此，

12、降低不参与反应的N2量（空气量），则减少了热损失，相当于提高了DME的热效率，这是DME热效率高的其中一个原因。 燃烧状况改善，过剩空气系数降低 一般情况下，燃烧装置空气系数控制范围为：工业燃烧装置1.051.20；民用1.301.80。从提高燃烧效率方面讲，理想情况下，1.0时，如果能确保空气与燃气混合充分、燃烧完全，燃烧效率最高。实际燃烧过程中，取1.0的原因是为了避免不完全燃烧情况发生，而付出的代价则是需加热不参与反应剩余的O2、N2，导致热效率降低。对于DME，其自身含氧，由于改善了燃气与空气的混合效果，且氧气与氮气之比较普通空气大，属“富氧燃烧”工况，因而改善了燃烧状况；而另外一方面

13、，氧气与DME混合情况趋好，除混入的空气总量可以相应降低外，还可以将空气系数控制在较低位置，适当朝1.0方向降低，即减少剩余空气量，减少不参与燃烧的O2、N2量，自然，这是DME燃烧效率提高的另一个原因。民用燃具燃烧效率分析对于民用燃具，假定由1.50降为1.30，不参与燃烧的O2、N2量减少，1.0摩尔体积的DME燃烧时减少的O2、N2量为：（1.50-1.30）O2 +（0.790.21）N2摩尔。经计算，与同等热值的乙烷（或其他燃气）比较，减少的这部分热损失为3.05.0左右。火焰传热能力增加DME燃烧时，火焰温度增加，烟气温度也随之升高，增加了分解热，当遇到低温表面时，将放出大量的分解

14、热，这就是富氧燃烧火焰具有较大传热能力的原因之一。燃烧装置内有效利用热得以提高由于富氧燃烧火焰温度高，燃烧装置内温压增大，辐射换热量增强，提高了装置内有效利用热。2.2 DME排放性能分析DME是一种清洁燃料，燃烧过程中无残渣、无黑烟，CO、CO2及烟气排放量降低，具有富氧燃烧的火焰特性。五、二甲醚化学性质 二甲醚C-O-C的键角为110度，氢原子与两个烷基相连，分子的极性较小，而它的亲水性能极强。相对来讲，它的化学性质比较稳定，在常温下不会与金属钠发生反应，对碱、氧化剂及还原剂都十分稳定。二甲醚在空气中十分稳定，无腐蚀性，微毒，不致癌。混溶性很好，可以和大多数极性和非极性有机溶剂混溶。通常它

15、会发生如下反应：1、在常温下能溶于强酸(H2SO4、Hcl等)生成盐，生成的盐不稳定，遇水后很快分解成为原来的醚。2、醚可与三氟化硼、溴化镁或格利雅试剂等化合物中的价电子层缺电子化合物生成络合物。3、它与稀硫酸在加热加压下可生成相应的醇。4、作为一种重要的化学中间体，二甲醚在催化剂存在下与苯发生烷基化反应。与一氧化碳反应生成乙酸甲酯；同系化反应还可以生成乙酸乙酯、醋酐。与二氧化碳反应生成甲氧基乙酸。与发烟硫酸或三氧化硫反应生成硫酸二甲酯。与氰化氢反应生成乙腈。二甲醚与其他醚化合物不同，即使将它长期存放，也不会生成过氧化物，不论是将它单独使用，还是将它与其它压缩气体混合使用，当压力加到0.571

16、Mpa(75psig)时，也不会产生过氧化物。另据资料报道，经过历时长达5年的专门试验及工业应用，其结果表明DME在整个试验及使用过程中均未发现有过氧化物产生，也没发生过有关的安全事故。在国外，自1984年以来，在生产、使用、灌装及运输中从未发生过二甲醚形成过氧化物而致爆炸的报告。DME的稳定性还表现在它在较大的pH值变化范围内也十分稳定，不产生水解。DME的稳定性使它能承受350的高温而不分解。六、二甲醚作为工业燃料的应用作为工业燃料，二甲醚可以用于工业炉窑用燃料，并可替代乙炔气用于工业切割。 1、用于工业炉窑作为工业炉窑用燃料，二甲醚目前已经用于陶瓷、玻璃的制造。由于二甲醚为清洁燃料，不含

17、细微颗粒、硫等杂质，因此烧制出的产品如陶瓷洁白纯净，无瑕疵，品质高。使用二甲醚为工业炉窑用燃料还具有安全、环保的特点，对环境非常友好。2、用于工业切割气二甲醚替代乙炔用于工业切割及焊接，已经得到了广泛的应用。与乙炔气相比，二甲醚具有如下优势： = 1 * GB3 、切割面光滑，节省加工时间，切割速度快。 = 2 * GB3 、挥发性能好，无余气。 = 3 * GB3 、价格便宜，比乙炔节约成本60%以上。 = 4 * GB3 、安全、环保。燃烧时不产生有害气体，对操作工人的身体健康不会产生职业病。3、多种工业用燃料技术经济指标比较工业用燃料主要有煤气、天然气、重油、乙炔气等，现就这些燃料与二甲

18、醚做如下比较。3.1 理化性能二甲醚煤气天然气重油乙炔分子量46.0716.0426.04液相低位热值（MJ/kg）28.850.0642 44.5气相低位热值（MJ/m3）64.5817.2735.9157.97液体密度(kg/m3)6614650.940.62气体密度(kg/m3)2.060.780.91十六烷值551010理论空气量（m3/ m3）14.289.52爆炸极限（体积分数%）3.5174.5405.3152.180沸点（）25161.583.8理论燃烧温度（）225020433200氧含量（%）34.80020时的蒸汽压（MPa）0.5353.32 KPa /-168.84.

19、053 MPa/16.8 3.2 经济性比较3.2.1 各种燃料目前的价格二甲醚：5.8元/NM3，2860元/吨（成本价）天然气：2.09元/NM3煤气：2.05元/NM3重油：2900元/吨（燕化重油）乙炔：25元/M33.2.2 单位二甲醚产生的热值与其它燃料的对应值1NM3二甲醚1.80NM3天然气1NM3二甲醚3.74NM3煤气1NM3二甲醚1.114NM3乙炔1 kg二甲醚0.67 kg重油3.2.3 经济性比较依据上述数据，产生100MJ的热值消耗各种燃料所需的费用如下：二甲醚天然气煤气重油乙炔费用（元）8.945.8211.876.7443.13由上表可知，产生同样的热值，从经

20、济性上考虑，费用从高到低依次为乙炔煤气二甲醚重油天然气3.3 其它方面 = 1 * GB3 、在上述燃料中，二甲醚、天然气属于清洁能源，对环境友好，符合我国目前强调的环境保护政策； = 2 * GB3 、从我国资源情况看，我国属于“贫油、少气、富煤”，重油来源于石油，而二甲醚属于煤化工下游产品，因此，从可持续发展来看，二甲醚具有明显优势； = 3 * GB3 、二甲醚不含硫、粉尘及其它金属杂质，在燃烧过程中对产品质量没有任何影响，如烧制的陶瓷洁白纯净，用于炼钢时不会将其它杂质带入成品钢中，提高了产品的质量，进而可以提高产品的价格，带来较好的经济效益。这一点较煤气、重油均有优势； = 4 * G

21、B3 、投资上，建设一套二甲醚装置的投资远远低于建设一套煤气发生装置。 = 5 * GB3 、使用安全性上，二甲醚的爆炸极限范围小于煤气及乙炔，具有更好的使用安全性。七、二甲醚作为工业原料所需的设备以二甲醚替代天然气或煤气用于工业燃料，对设备的需求视情况而定：1、自建二甲醚装置可以将二甲醚从成品罐引出管线，与原有的天然气或煤气管线碰头，切断原来的天然气或煤气供应，以二甲醚代替之。根据压力需要，可以决定是否需要新增二甲醚泵或其它加压设施。根据需求量情况，以及原来的流量计和阀门情况，决定是否更换流量计和阀门。如果原来的流量计及控制阀门计量范围偏大或偏小，则更换；如果量程比较合适则不必更换。2、外购二甲醚需要建设适当规模的二甲醚储罐，并配置适当的驳接设施来接受二甲醚。同时根据需求情况，决定是否需要新增二甲醚泵或其它加压设施。相应的安全消防设施及容器附件要配套。其它与自建二甲醚装置相同。 八、结论1、从二甲醚理化性质看，二甲醚完全可以替代天然气、液化气、煤气等用于工业燃料；2、从燃烧性能及热值看，二甲醚是一种出色的工业用燃料；3、从加工产品质量看，二甲醚要优于煤气、重油等现用工业原料；4、从安全环保角度看，二甲醚要优于目前所