二甲醚发动机的研究与开发

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能源是国民经济发展的基础，从能源消费总量来看，我国已是仅次于美国的世界第二能源生产与消费国，世界第一煤炭生产与消费国，世界第三石油消费国。石油资源，从世界可采储量平均开采水平看，只剩40年。从1993年起， 我国已从石油出口国变为进口国，且这种石油短缺状况逐年加剧，2003年我国石油消耗2.9亿吨, 其中进口石油高达11963万吨，超过1/3的石油消量从国外进口。预计到2010年，我国石油进口量将达到15000万吨，根据国研中心的研究报告，到2020年，中国的石油需求量的下限为4.5亿吨，上限为6.1亿吨。而预计届时国内的产量只有1.8亿到2亿吨，这就意味着中国石油对海外资源的依存度至少将达到55％以上，与目前美国58％的对外依存度大体相当。我国石油的需求将严重不足。中国能源安全问题已成为国家十分棘手和亟待解决的问题。
　　同时由能源利用过程中产生的环境污染问题日趋严重，全国开展检测的338个城市中， 空气环境处于中度或重度污染的城市占63.5％,我国是世界最大的SO2排放国，我国酸雨区已占国土面积的30％，由二氧化硫等导致的酸雨污染每年给中国造成的损失超过1100亿元。在另一方面，我国的汽车排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。据统计，近年来上海城区内机动车排放的CO、HC和NOx已分别占总排污负荷的86％、90％和56％，北京在非采暖期，城区内机动车排放的CO、HC和NOx已分别占总排污负荷的60％、86.8％和54.7％。城市中车辆尾气的污染日益严重。
　　作为世界上人口最多的发展中国家，我国能源的开发利用面临着经济增长和环境保护的巨大压力，能源已成为我国可持续发展的关键，可能成为今后限制我国经济发展的瓶颈，因此如何在后石油时代，针对我国自然条件和“富煤、少油、有气”的能源资源特色，如何合理利用我国的能源资源，尤其是煤炭资源，寻找新型的清洁能源载体已经迫在眉睫。对于我国经济发展、环境保护与生态平衡具有重大战略意义。
　　1、新的二次能源－二甲醚
　　二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带，是能量携带者，理想的二次能源，应能高效、清洁制备与利用，同时易于貯存及输运，二甲醚(Dimethyl ether)，简称DME正符合这一要求。二甲醚燃料的制取可以煤、天然气、煤层气、生物有机物等为原料产生合成气一氧化碳和氢气，然后常规通过二步法先制得甲醇，进一步脱水制成二甲醚。新工艺是由合成气一步法高效制备二甲醚，可显著降低二甲醚的生产成本。二甲醚含氧量为34.8%，它无毒性，常温常压下为气态，常温时可在五个大气压下液化，具有与液化石油气相似的物性， 易于储存与输运。
　　根据我国自然条件和能源资源特色，我们可以构想，在未来，将污染严重的煤炭，转化为洁净的二甲醚，供给本地的能源消费，来改善西部地区环境，保护生态。
　　同样西部的天然气资源可转化为易于储运的二甲醚；，用油罐车运输到资源贫乏东部地区。二甲醚作为洁净的二次能源广泛用于汽车、小型热电冷联供、发动机热泵、大型燃气轮机、燃料电池及家庭灶具、热水器等，将形成一个新的二甲醚能源经济（DME Economy），二甲醚作为一种新型二次能源具有巨大的发展潜力。
　　2、我国二甲醚燃料的发展前景
　　二甲醚作为二次能源的生产成本，取决于二甲醚燃料制造工艺和生产规模，AMOCO公司曾对生产成本有一预算，若以天然气为原料，采用Topsoe公司一步法制备二甲醚的工艺，按每天生产42000桶的规模，生产成本低于柴油和汽油，为柴油的84%,汽油的45%。根据我国学者有关研究表明，采用煤，以浆态床一步法大规模制取DME，成本在1200－1400元/吨左右。采用天然气，投资及消耗以美国的2370kt/a装置为基准，天然气价格按新疆天然气井口价0.520元/立方米考虑，以甲醇脱水工艺装置，DME的产品成本约为1527元/吨；以合成气一步法工艺装置， DME的产品成本约为1405元/吨[1]。1吨柴油和1.48吨DME发热量相同，可见与柴油的价格相比，二甲醚具有很强的竞争性。今后若采取以一步法浆态床反应器为核心的多联产系统，将使生产DME设备的基本投资，单位能量的成本，能耗进一步下降。
　　在我国由于二甲醚燃料的环保性和对国家能源安全的重要性，已经引起有关部门的高度重视，在今后5－10年内将有大的发展，我国陕西、四川、山东、新疆、上海将上一批规模不等的二甲醚制造基地。山东临沂市久泰化工股份有限公司在建的年产3万吨二甲醚装置已于2003年底正式投入生产。 年产6.5万吨二甲醚的二期工程将于2005年建成，同时该公司计划在3－5年内在内蒙建成年产150万吨甲醇、100万吨甲醚、30万吨碳酸二甲酯装置，预计建成后将成为世界上规模最大的二甲醚生产线。宁夏煤业集团有限责任公司与中煤能源集团公司就宁夏年产83万吨煤基二甲醚示范项目2003年在银川签约筹建。泸天化集团与日本TOYO会社合作年产40万吨甲醇、10万吨二甲醚项目正在建设中，这标志着我国已开始大规模运用天然气产品代替石油产品，该项目设计生产能力为日产甲醇1350吨，日产二甲醚340吨。
　　二甲醚在我国的发展，将以替代LPG民用和替代柴油作为汽车燃料为切入点，刺激国内的二甲醚生产与应用，进一步扩展到小型热冷电装置、发动机热泵、燃气轮机发电、燃料电池等。预计在5－10年内有望成为我国能源经济的主要支柱之一。

　　3、新一代清洁能源汽车 － 二甲醚燃料汽车
　　随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，正面临汽车能源需求与大气环境保护的双重巨大压力。因此如何针对我国自然条件和能源资源特色，逐步改变汽车能源结构，降低汽车对石油燃料的依赖性，发展汽车清洁代用燃料，控制汽车有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响，已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研究课题。二甲醚由于十六烷值大于55，见表1，具有优良的压缩性，非常适合于压燃式发动机，可十分理想地用作柴油机洁净代用燃料。
表1 燃料理化特性
        二甲醚
DME(CH3-O-CH3)         柴油
(CnH1.8n)         液化石油气(C3H8)        天然气(CH4)        甲醇(CH3-OH)
低热值 MJ/kg        28.8        42.5        46.3        50.0        19.5
液体粘度 kg/m-s        0.15        2-4        0.15        -        -
液体密度 kg/m3        668        840        501        720@-162℃        790
十六烷值        >>55        38-53        <10        <10        5
沸点 ℃        -25        180-360        -43        -162        65
理论空燃比 kg/kg        9.0        14.6        15.6        17.2        6.5
自燃温度 ℃        235        250        470        650        450
　　1995年丹麦技术大学、Haldor Topsoe A/S、Navistar、AVL、AMOCO公司等首先将二甲醚用做柴油机燃料[2,3]，性能研究结果表明，燃用二甲醚燃料的发动机，仅对原柴油机的燃油系统进行了一些改造，喷射压力降低到200 - 300 bar，在保持原柴油机高热效率和同样的输出功率、扭矩及燃油经济性的前提下，不用任何废气再循环系统和废气处理装置，氮氧化物就能大幅降低，达到2g/bhp-hr以下, 同时，碳烟排放为零，没有任何加速烟度，微粒排放也大幅降低，仅来自润滑油。在广泛用于卡车和大客车动力的Navistar 8缸7.3升柴油机上燃用了二甲醚燃料后，发动机氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳氢和醛类有害排放全面满足了世界上最严格的美国加里弗尼亚州中型车超低排放车(ULEV)标准。这些研究结果表明了二甲醚燃料可十分理想地作为洁净代用燃料，实现柴油发动机超低排放的前景。由于DME燃料的卓越性能，二甲醚燃料发动机技术已引起到西方发达国家政府和专家高度重视。近年来欧美、日韩等发达国家十分看好二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益，纷纷开展二甲醚燃料发动机与汽车的研发。在欧洲VOLVO汽车公司研制出了燃用二甲醚燃料的大客车样车用于试车与示范, 在日本JFE、产业技术综合研究所、COOP低公害车开发会社、交通公害研究所、五十铃汽车公司和伊藤忠会社等分别研制了燃用二甲醚燃料的卡车样车和城市客车样车，计划在5年内小规模推广[3－12]。
　　在国内，我们与国际二甲醚燃料发动机研究几乎同步，上海交通大学、西安交通大学、天津大学等各自开展了二甲醚燃料喷雾和燃烧特性、发动机性能的研究[13-19]。
　　上海交通大学燃烧与环境技术中心自1997年承担了我国首项有关二甲醚燃料的国家项目“新型低排污二甲醚燃料喷雾特性和燃烧机理的研究”，对二甲醚燃料喷射过程，包括二甲醚燃料的泵端、嘴端油管压力和针阀升程、音速、闪急沸腾雾化现象和燃烧过程及二甲醚发动机可靠性进行了深入系统的研究，揭示了二甲醚燃料发动机喷射特性、燃烧机理与排放特性，实现了发动机无碳烟排放和NOx排放大幅降低。进一步开展了二甲醚燃料可控预混合燃烧研究，提出一种低压喷射二甲醚预混合燃烧的新方式，研制了二甲醚低压共轨式电控燃油喷射系统，发动机NOx仅为数十ppm，成功地解决了匀质预混合气压燃燃烧的着火控制和均匀浓预混合气制备两个关键技术，同时大大简化了发动机燃油喷射系统。目前已获三项国家发明专利。
　　4、上海将成为首先推广二甲醚燃料汽车的城市
　　上海将会成为首先推广二甲醚燃料汽车的城市，上海目前公交客车保有量为1.9万辆,其中以柴油机为动力的公交客车已有9000多辆，目前柴油车的比例正在不断增加。由于目前我国柴油机制造的总体水平还较低，柴油机排污指标基本处于国外先进国家八十年代的水平，单车污染物排放量往往是目前西方国家的数倍, 排气污染问题十分严重。城市公交汽车由于行驶里程多，运行又集中于市区，据有关单位统计上海道路上的重型柴油大客车和汽油车因汽缸容量大、排污量大，氮氧化物排放的贡献率占70％，因而城市公交汽车已成为城市机动车尾气污染治理的重中之重。由于DME燃料的卓越性能和超低排放， 二甲醚燃料汽车的将有望成为新一代城市客车。在国家科技部“清洁汽车行动计划”和上海市科委的支持下，上海交通大学、上海汽车工业总公司、上海柴油机股份有限公司和上海焦化厂正在联合开发二甲醚燃料城市公交汽车，目标是计划建立示范车队，推广二甲醚燃料汽车。缓解石油和煤炭供需矛盾，改善城市大气质量
　　5、结论
　　作为世界上人口最多的发展中国家，我国能源的开发利用面临着经济增长和环境保护的巨大压力，能源已成为我国可持续发展的关键。针对我国自然条件和“富煤、少油、有气”的能源资源特色，发展可从煤、天然气、煤层气和生物质制得的洁净二次能源－二甲醚,对于我国经济发展、环境保护与生态平衡具有重大战略意义。
　　二甲醚能广泛用于汽车、小型热电冷联供、发动机热泵、大型燃气轮机、燃料电池及家庭灶具、热水器等，将形成一个新的二甲醚能源经济（DME Economy），二甲醚作为一种新型二次能源具有巨大的发展潜力，将成为我国能源经济的主要支柱之一。