张译芳，汪 熙，滕凯凯
作者简介：张译芳（1990－），女，长安大学汽车学院硕士研究生，动力机械及工程专业。
汪 熙（1990－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，流体机械及工程专业。
滕凯凯（1989－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。
摘 要：为了探讨二甲醚作为汽车代用燃料的可行性，本文首先介绍了二甲醚燃料的基本性质和生产工艺；然后对二甲醚的理论空气量、低热值、混合气热值等重要参数进行计算或估算，并与柴油的相应参数进行了对比。结果表明，二甲醚的低热值比柴油低，但两则的混合气热值相当，二甲醚的污染物排放量比柴油的低。因此，二甲醚是柴油的理想替代品。
关键词：二甲醚；代用燃料；特性参数；柴油
Abstract：In order to discuss the feasibility of dimethyl ether as a substitute fuel for vehicles，firstly，the basic properties and production process of dimethyl ether fuel were introduced．Then the theoretical air volume，the low calorific value，the calo－rific value of the mixture and other characteristic parameters of dimethyl ether were calculated or estimated，and with the cor－responding parameters of the diesel were compared．The results showed that the low calorific value of dimethyl ether lower than that of diesel，but the mixed gas calorific values are quite，and dimethyl ether pollutant emissions are lower than that of the diesel．So dimethyl ether is an ideal substitute for diesel fuel．
Key words：Dimethyl ether；Substitute fuel；Characteristic parameter；Diesel
1 引 言
全球汽车工业的飞速发展，带来了原油短缺和环境污染等一系列问题。原油储量的逐年减少和日益严重的环境污染问题使得世界各国都在大力发展新型可再生清洁能源。二甲醚就是众多可再生清洁能源中的一种。目前，国内外关于二甲醚作为柴油机代用燃料的研究已有10多年的历史，研究重点是如何开发适合二甲醚燃料特性的发动机，实现高效清洁燃烧［1］。深入了解二甲醚的特性参数和生产工艺是发展二甲醚汽车的基础。本文中除了介绍二甲醚的基本物化性质和生产工艺外，还计算了二甲醚的各个特性参数，并与柴油进行对比分析，为二甲醚作为柴油替代品提供了一定的参考依据。
2 二甲醚燃料
二甲醚（DME）又称为甲醚、氧化甲等，其物理性质和液化石油气（LPG）很相似。表1所示为二甲醚的基本物理化学性质。
表1 二甲醚的物理化学性质
在常温常压下，二甲醚是一种无色、有轻微醚香味的气体，在－25℃或0．5～0．6MPa的条件下可被液化。二甲醚无致癌性但有神经毒性、刺激性和麻醉作用，通过呼吸道或皮肤吸收过量的二甲醚，会引起麻醉、失去知觉或呼吸器官损伤。由于二甲醚具有易压缩、冷凝、气化及能与大多数极性或非极性有机溶剂互溶的特性，因此广泛用作气雾剂、制冷剂、燃料、发泡剂及化工原料。二甲醚作为燃料时，燃烧性能好，热效率高，污染物排放低。二甲醚的诸多优点，为其作为汽车代用燃料气奠定了基础。
2．2 二甲醚的生产工艺
二甲醚最初的生产方法是甲醇脱水法，甲醇脱水法又分为甲醇液相脱水法和甲醇气相脱水法。近年来，随着二甲醚的需求量不断增大和科学技术的不断进步，世界各国相继开发出成本低、操作条件好，污染小的二甲醚生产工艺［2－3］。主要包括合成气一步法和合成气二步法。
（1）甲醇液相脱水法
预热后的甲醇以液体的形式进入反应器，在无机酸（浓硫酸、磷酸等）的催化作用下，进行脱水反应生成二甲醚。在110～160℃的反应温度下，甲醇的转化率可达到90％以上。甲醇液相脱水法的反应温度较低，转化率较高，生产流程简单，能耗较低，因此可以使生产成本大大降低。但是该方法存在设备腐蚀、环境污染严重等缺点，在国外已逐步被淘汰，在国内仍有个别厂家在使用这种方法生产二甲醚，并不断改进该方法。例如，采用液体复合酸代替单一酸作为脱水剂，用于改变单一酸脱水时的共沸现象。
（2）甲醇气相脱水法
甲醇经过加热汽化后，进入反应器，在分子筛催化剂的催化作用下，进行气相催化脱水反应，反应产物通过循环水进行冷却冷凝。气相为副反应产生的二甲醚、不凝气、甲醇的饱和蒸汽，随后对这些气相产物进行分离、提纯，便可得到二甲醚。在200℃的反应温度下，甲醇的转化率可达到75％～85％。甲醇气相脱水法操作较为简单，自动化程度较高，废水废气的排放很少，可达到国家规定的排放标准。
（3）合成气一步法
合成气一步法制二甲醚是指由合成气直接制取得到二甲醚，总的反应方程式为：
该方法以合成气（CO＋H2）为原料，在同一个反应器中完成甲醇合成反应和甲醇脱水反应。同时伴随水—煤气变换反应，其分步反应方程式为：
反应结束后得到二甲醚和甲醇等的混合物，混合物经过蒸馏分离得到二甲醚，而甲醇则送回到反应器中继续进行反应。该方法的关键在于选用高活性和高选择性的双功能催化剂。目前，中科院大连化学物理研究所已经研制了性能良好的双功能催化剂，并在此基础上开发了固定床合成气一步法制取二甲醚的新工艺。
（4）合成气二步法
和一步法相比，合成气二步法是将甲醇合成反应和甲醇脱水反应分开进行，先由合成气制取甲醇，然后甲醇在催化剂的作用下脱水制取二甲醚。该方法具有生产工艺成熟，设备适用性广，后处理较为简单等优点。
（5）CO2加H2合成法
由式（1）和式（2）可以得出，合成气一步法在制取二甲醚的过程中，会伴随水—煤气的变换反应，生成1mol的二甲醚就会产生1mol CO2，即在生产过程中有1／3的CO被转化成了CO2。这样不仅增加生产成本，消耗过多原料，而且产生的CO2会造成温室效应。因此对合成气一步法制取二甲醚过程中产生的CO2进行回收再利用具有重要的现实意义，目前，世界上很多国家都对CO2加H2合成二甲醚的催化剂和工艺方法进行研究，但大都还处于探索研究阶段，CO2转化率较低。
3 二甲醚燃料在汽车上的应用
3．1 柴油机代用燃料的选择
目前，天然气和甲醇是较好的汽车代用燃料。天然气和甲醇作为汽油的替代品，应用于汽油机上的技术已经非常成熟，但是要想把天然气和甲醇应用于柴油机上却存在很多难题。
天然气作为汽油的替代品，应用最为广泛的是油气两用，包括CNG—汽油两用燃料汽车和CNG—汽油双燃料汽车。全国很多城市的出租车都由原来的单一汽油车变为了CNG—汽油两用燃料汽车，并且“油改气”的技术也日渐趋于成熟。但是要想把天然气作为柴油的替代品却存在诸多问题：由于柴油机是压燃式发动机，着火方式是高压使柴油自燃，负荷采用量调节的方式，所以不能发展CNG—柴油两用燃料汽车，只能考虑发展CNG—柴油双燃料汽车；然而由于柴油机的压缩比过高，天然气的加入量少，会产生发动机突爆等一系列问题。如果改装降低发动机压缩比，那么改装后的发动机会存在两种燃料缺一不可的情况，并且柴油机改装成CNG—柴油双燃料发动机后，不能明显改变其经济性，除碳烟以外，CO、HC、NOX的排放都会升高。而且对于增压柴油机，动力性能会明显下降。
甲醇燃料作为汽油的替代品，已经开发出了车用甲醇汽油M15，M25，M85和车用燃料甲醇M100。甲醇替代汽油应用于发动机上的技术已经非常成功。但要应用于柴油机上却存在很多难题。一方面甲醇的沸点、十六烷值、闪点都比柴油低很多；另一方面，在不改变柴油机压缩比的情况下，掺入过量的甲醇会出现突爆现象，并且甲醇和柴油的相容性较差。
除此之外，由于天然气、甲醇等汽车代用燃料的十六烷值都小于10，远远小于柴油的十六烷值44～55，因此它们只适合于点燃式发动机。而二甲醚的十六烷值为55～60，比柴油的十六烷值还高，且具有优良的压缩性，特别适合于压燃式发动机，是柴油的理想替代品。
3．2 二甲醚和柴油的基本参数计算比较
在二甲醚燃料汽车技术的研究和产品的开发过程中，二甲醚的基础性能参数有着不可或缺的作用。汽车发动机各个系统的设计都与燃料的基础性能参数密切相关，所以，计算二甲醚的特性参数具有重要的理论意义和现实意义。
（1）理论空气量的计算
理论空气量是指1kg燃料完全燃烧所需要的空气量，理论空气量是发动机进气系统设计的基础，也是燃料计算以及燃气系统设计的基础［4］。燃料的主要成分是碳（C）、氢（H）、氧（O），其他成分数量很少，计算时可略去不计，若以质量分数表示1kg燃料中各元素的含量，则：
g C＋g H＋g O＝100％ （3）
式中：g C表示1kg燃料中碳的质量分数；
g H表示1kg燃料中氢的质量分数；
g O表示1kg燃料中氧的质量分数。
空气中的主要元素是氧（O2）和氮（N2）。按质量计算，O2约占23％，N2约占77％。燃料中的碳（C）、氢（H）完全燃烧，其化学反应方程式和化学反应的当量关系分别为：
则，按照化学反应当量关系，可求出1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量：
式中：L0表示燃料完全燃烧理论上所需要的空气量，kg／kg燃料；
二甲醚的分子式为CH3OCH3，则1kg的中碳（C）、氢（H）、氧（O）的质量分数分别为：
将g C＝52．2％、g H＝13．0％、g O＝34．8％带入（6）式中可得：
即1kg的二甲醚完全燃烧时，理论上所需要的空气量为9．06kg。
柴油是多种烃类的混合物，其各元素的质量分数不能经过简单计算得出，查阅参考文献可得：g C＝87％、g H＝12．6％、g O＝0．4％［5］。将柴油的各质量分数带入式中可得：
即1kg的柴油完全燃烧时，理论上所需要的空气量为14．45kg，二甲醚的理论空气量比柴油少37．3％。
（2）低热值
燃料的低热值是指一定质量的燃料完全燃烧，其燃烧产物中的水蒸气以气态存在时的发热量，也称净热。燃料的低热值可以通过热值仪测定，在不具备测定条件下可由式（7）［6］进行估算。
hμ＝4．1868×（8100×g C＋24600×g H）（k J／kg） （7）
式中：hμ表示燃料的低热值，k J／kg。
将二甲醚的g C＝52．2％、g H＝13．0％带入式（7）中可得：
hμ＝4．1868×（8100×52．2％＋24600× 13．0％）＝31092．0（k J／kg）
即二甲醚的低热值约为31．09MJ／kg。考虑到估算误差并扣除二甲醚的汽化潜热，二甲醚的实际测试低热值大约为28．43MJ／kg。
将柴油的g C＝87％、g H＝12．6％带入（7）式中可得：
hμ＝4．1868×（8100×87％＋24600×12．6％）＝42481．78（k J／kg）
即柴油的低热值约为42．48MJ／kg。
燃料的低热值直接影响汽车运行中的燃料消耗量，从而影响燃料的经济性。燃料的低热值越大，则汽车的百公里燃料消耗量越小，经济性也就越好。反之，燃料消耗量增大，经济性下降。二甲醚的低热值低于柴油的低热值，所以汽车运行过程中，二甲醚的经济性低于柴油。
（3）混合气热值
混合气热值是指1kmol可燃混合气完全燃烧所放出的热量。当发动机排量和进气条件一定时，每循环加给工质的热量取决于单位体积可燃混合气的热值，而不是决定于燃料的热值［2］。所以混合气热值是衡量汽车动力性的重要指标，理论混合气热值（过量空气系数为1）可按式（8）［6］进行计算。
式中：Hm表示可燃混合气热值；
α表示过量空气系数，理论混合气的α＝1；
m T表示燃料分子量；
L0表示理论空气量，kmol／kg。
对于二甲醚：将L0＝0．312（kmol／kg燃料）、hμ＝28430．0（k J／kg）、m T＝46带入式中可得：
即 二 甲 醚 的 混 合 气 热 值 为85186．29k J／kmol。
柴油机是在压缩终点向气缸内喷入液体状态的燃料，体积不及空气体积的1／10000，在计算时可忽略不计，认为燃烧前的工质是纯空气。
对于柴油：将L0＝0．498（kmol／kg燃料）带入（8）式中，可得：
二甲醚的理论混合气热值和柴油的混合气热值相当。所以，用二甲醚替代车用柴油，不会使汽车的动力性能下降。
3．3 二甲醚可作为柴油替代品的优势
如表2所示，列出了二甲醚和柴油的主要物理化学性质，通过表2中的数据对比，可以得出二甲醚作柴油发动机代用燃料的优势。
表2 二甲醚与柴油的主要物理化学特性比较
（1）由表2可得，二甲醚的十六烷值高于柴油的十六烷值，而自燃温度比柴油低。这首先使得二甲醚适用于压燃式发动机；其次，二甲醚的十六烷值较高，其自燃性也较好，可以缩短着火延迟期，从而降低NOX的排放和燃烧噪声及振动。
（2）柴油的主要成分是烃类化合物的，包括烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃、多环芳烃等，其分子结构中不仅含有C－H键和C－C键，还含有C＝C，柴油中的氧含量仅为0．4％。燃烧过程中，在氧浓度较低，气体温度较高的燃烧区域，燃油分子容易发生高温裂解或氧化裂解产生含有C≡C键的乙炔，乙炔是柴油机碳烟生成的重要中间物。二甲醚是最简单的一种醚结构，其化学结构式如图1所示，其分子结构不含C－C键，只含有C－H键和C－O键，并且二甲醚中的氧含量为34．8％，这就使得二甲醚可以充分燃烧，减少污染物的生成和排放。
图1 二甲醚的化学结构式
（3）二甲醚的沸点很低，被喷入气缸后就可以被汽化，其雾化特性明显优于柴油。
（4）二甲醚和柴油的理论混合气热值相当，用二甲醚代替柴油，不会使汽车的动力性下降。
（5）二甲醚是一种可再生能源，除了可以从煤和天然气中提炼外，也可以从生物质中提炼，现在很多国家都在研究CO2加H2合成二甲醚的生产工艺，一旦研究成功，将大幅降低其生产成本。
4 结论
本文通过对二甲醚的物化特性和生产工艺的分析，以及对其特性参数的计算，得到以下结论：
（1）二甲醚是一种可再生能源，随着其生产工艺的不断创新，二甲醚的生产成本将大大降低。用其作为柴油机代用燃料，符合能源可持续发展的总体要求。
（2）二甲醚自身含有34．8％的氧，其理论空气量较柴油少5．39kg。其低热值比柴油低，二者混合气热值相当。把二甲醚作为柴油的替代品，发动机的经济性会下降，动力性则不受影响。
（3）在二甲醚的燃烧过程中基本不生成碳烟，其他排放污染物也比柴油低，是一种清洁环保能源。
本文中并没有对二甲醚的经济性作深入研究，要把二甲醚汽车推入汽车市场，还需要对其经济性作深入分析。
参考文献
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