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二甲醚作为工业燃料应用研究
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
2020年10月
一、二甲醚简介-------------------------------------------------------------------------3
二、二甲醚要紧用途---------------------------------------------------------------------------4
一、用途-----------------------------------------------------------------------------------4
二、利用优势-----------------------------------------------------------------------------4
三、二甲醚物理性质----------------------------------------------------------------------------5
四、二甲醚的燃烧性质-------------------------------------------------------------------------6
一、燃烧性质-----------------------------------------------------------------------------6
二、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
一、用于工业炉窑-----------------------------------------------------------------------9
二、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紧缩液体,具有轻微醚香味。
相对密度(20℃),熔点℃,沸点℃,室温下蒸气压约为,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,无侵蚀、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,但与用作镇痛剂的乙醚不一样,毒性极低;能溶解各类化学物质;由于其具有易紧缩、冷凝、气化及与许多极性或非极性溶剂互溶特性,普遍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,用途比较普遍。
二甲醚作为一种新兴的大体化工原料,由于其良好的易紧缩、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,能够明显降低甲醛生产本钱,在大型甲醛装置中更显示出其优越性。
二甲醚易紧缩、易贮存、燃烧效率高、污染低,作为民用燃料气其储运、燃烧平安性、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,能够替代柴油成为柴油发动机的理想燃料,与甲醇燃料汽车相较,不存在汽车冷启动问题。
它仍是以后制取低碳烯烃的要紧原料之一。
作为工业用燃料,二甲醚的进展潜力庞大,应用领域愈来愈多:
国内陶瓷业已经普遍采纳二甲醚做燃料,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、本钱低、平安、环保;在日本也用于发电燃料。
由于石油资源欠缺及人们环保意识的增强,二甲醚作为清洁燃料而日趋受到重视,成为最近几年来国内外竞相开发的性能优越的碳一化工产品。
其在燃烧时可不能产生破坏环境的气体,且能廉价而大量地生产,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、国内优先进展的产业。
二、二甲醚要紧用途
1用途:
①、能够替代液化气,或与液化气复合作为民用燃料和工业燃料。
②、作为推动剂,溶剂等,用于生产自喷漆、彩带、发泡胶等,能够替代氟利昂作制冷剂,是一种优良的精细化工原料。
③、能够替代乙炔作为工业切割气。
④、能够替代汽、柴油作为车用燃料。
⑤、作为工业原料用于陶瓷、发电燃料等。
二、利用优势:
二甲醚作为复合燃气的优势:
①、价钱比液化气廉价;
②、有效减少红火苗,锅、壶没有黑烟,比液化气更清洁、更环保。
③、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,用完后大体无残液,使燃烧更充分。
④、平安无毒,压力比液化气低,贮存运输比较平安,即便泄露也可不能中毒。
精醚在精细化工领域的优势
①、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较具有互溶性强、雾化好和喷涂成效光亮美观的优势。
②、生产聚氨脂泡沫填缝剂,要紧优势是环保、溶解性好、本钱降低。
③、生产杀虫剂及空气清新剂,要紧优势是:
气味柔和,雾化成效好、压力稳固、环保清洁、本钱低。
二甲醚作为切割气主体的优势:
①、切割面滑腻,节省加工时刻,切割速度快。
②、挥发性能好,无余气。
③、价钱廉价,比乙炔节约本钱60%以上。
④、平安、环保。
燃烧时不产生有害气体,对操作工人的躯体健康可不能产生职业病。
二甲醚替代柴油作为车用燃料的优势:
①、十六烷值比柴油高10%-15%。
②、低温启动成效好,噪音比柴油发动机降低2%-3%。
③、动力足、爬坡能力强。
④、燃烧充分清洁、排放好,不必任何处置即可达到欧Ⅲ以上标准。
⑤、比柴油有良好的价钱本钱优胜。
三、二甲醚物理性质
分子式:
CH3OCH3
分子量:
物理性状,1atm):
透明无臭气体
沸点:
℃
熔点:
℃
闪点(开杯法):
-℃
密度(20℃):
0.661g/ml
临界压力:
atm
临界温度:
℃
临界密度:
0.242g/ml
自燃温度:
350℃
爆炸极限(空气中)(体积):
~℅
蒸汽压(20℃),Mpa(atm)
燃烧热(气态):
1455KJ/mol
生成热(气态):
KJ/mol
熔融热:
Kg
蒸发烧(-℃):
KJ/Kg
生成自由能:
KJ/mol
熵(25℃):
J/
表面张力(气相),mN/m(dyn/cm):
-40.℃:
21
-20℃:
18
-10℃:
16
气体粘度,μPaS(μP):
0℃:
20℃:
介电常数(25℃):
5.02F/m(esn)
贝壳松脂丁醇值:
60
比热:
体膨胀:
1~324
四、二甲醚的燃烧性质
1、燃烧性质
平均热值:
31450kJ/kg
理论空气量:
6.96m3/kg
理论烟气量/:
7.46m3/kg
预混气热值/:
4219kJ/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:
%
2、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”。
究其要紧缘故,一方面在于能源价钱高企下DME的价钱优势,而另一方面那么是其燃烧效率高和燃烧产物排放干净的显著特点。
DME燃烧效率分析
二甲醚易燃,燃烧时火焰略带光亮,一样质量条件下,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%,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燃烧反映分子式为C2H6O+3O2—→2CO2+3H2O
将其与乙烷燃烧进程比较:
C2H6+O2—→2CO2+3H2O
由上述反映方程式可知,摩尔体积的DME与相同摩尔体积乙烷燃烧进程比较,乙烷所需要的氧气量较二甲醚多摩尔,而DME气相热值与乙烷热值(气态低位热值为m3)大体相同。
亦即,假定燃烧效率相同,取得相同的燃烧热量,摩尔的DME燃烧时,混入的氧气量较乙烷可降低摩尔。
咱们明白,空气中摩尔氧气附带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映方程式应为:
C2H6O+3O2+3×—→2CO2+3H2O+3×
C2H6+O2+×—→2CO2+3H2O+×
上两式说明,在燃烧温度不太高的情形下,反映前后N2的摩尔数不变。
N2尽管进入燃烧区,但并未参加氧化反映,相反,它带走DME部份燃烧热,进而阻碍热效率。
因此,降低不参与反映的N2量(空气量),那么减少了热损失,相当于提高了DME的热效率,这是DME热效率高的其中一个缘故。
燃烧状况改善,多余空气系数降低
一样情形下,燃烧装置空气系数α操纵范围为:
工业燃烧装置α=~;民用α=~。
从提高燃烧效率方面讲,理想情形下,α=时,若是能确保空气与燃气混合充分、燃烧完全,燃烧效率最高。
实际燃烧进程中,取α>的缘故是为了幸免不完全燃烧情形发生,而付出的代价那么是需加热不参与反映剩余的O二、N2,致使热效率降低。
关于DME,其自身含氧,由于改善了燃气与空气的混合成效,且氧气与氮气之比较一般空气大,属“富氧燃烧”工况,因此改善了燃烧状况;而另外一方面,氧气与DME混合情形趋好,除混入的空气总量能够相应降低外,还能够将空气系数操纵在较低位置,α适当朝方向降低,即减少剩余空气量,减少不参与燃烧的O二、N2量,自然,这是DME燃烧效率提高的另一个缘故。
民用燃具燃烧效率分析
关于民用燃具,假定α由降为,不参与燃烧的O二、N2量减少,摩尔体积的DME燃烧时减少的O二、N2量为:
()×〔O2+(÷)N2〕摩尔。
经计算,与一样热值的乙烷(或其他燃气)比较,减少的这部份热损失为~%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,当碰到低温表面时,将放出大量的分解热,这确实是富氧燃烧火焰具有较大传热能力的缘故之一。
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。
DME排放性能分析
DME是一种清洁燃料,燃烧进程中无残渣、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固,在常温下可不能与金属钠发生反映,对碱、氧化剂及还原剂都十分稳固。
二甲醚在空气中十分稳固,无侵蚀性,微毒,不致癌。
混溶性专门好,能够和大多数极性和非极性有机溶剂混溶。
通常它会发生如下反映:
1、在常温下能溶于强酸(H2SO4、Hcl等)生成盐,生成的盐不稳固,遇水后专门快分解成为原先的醚。
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映。
与一氧化碳反映生成乙酸甲酯;同系化反映还能够生成乙酸乙酯、醋酐。
与二氧化碳反映生成甲氧基乙酸。
与发烟硫酸或三氧化硫反映生成硫酸二甲酯。
与氰化氢反映生成乙腈。
二甲醚与其他醚化合物不同,即便将它长期寄存,也可不能生成过氧化物,不论是将它单独利用,仍是将它与其它紧缩气体混合利用,当压力加到(75psig)时,也可不能产生过氧化物。
另据资料报导,通过历时长达5年的专门实验及工业应用,其结果说明DME在整个实验及利用进程中均未发觉有过氧化物产生,也没发生过有关的平安事故。
在国外,自1984年以来,在生产、利用、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的稳固性还表此刻它在较大的pH值转变范围内也十分稳固,不产生水解。
DME的稳固性使它能经受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,二甲醚能够用于工业炉窑用燃料,并可替代乙炔气用于工业切割。
一、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。
利用二甲醚为工业炉窑用燃料还具有平安、环保的特点,对环境超级友好。
二、用于工业切割气
二甲醚替代乙炔用于工业切割及焊接,已经取得了普遍的应用。
与乙炔气相较,二甲醚具有如下优势:
①、切割面滑腻,节省加工时刻,切割速度快。
②、挥发性能好,无余气。
③、价钱廉价,比乙炔节约本钱60%以上。
④、平安、环保。
燃烧时不产生有害气体,对操作工人的躯体健康可不能产生职业病。
3、多种工业用燃料技术经济指标比较
工业用燃料要紧有煤气、天然气、重油、乙炔气等,现就这些燃料与二甲醚做如下比较。
理化性能
二甲醚
煤气
天然气
重油
乙炔
分子量
------
------
液相低位热值(MJ/kg)
------
42~
气相低位热值(MJ/m3)
------
液体密度(kg/m3)
661
------
465
气体密度(kg/m3)
十六烷值
>55
<10
<10
理论空气量(m3/m3)
爆炸极限(体积分数%)
~17
~40
~15
~80
沸点(℃)
—25
—
—
理论燃烧温度(℃)
2250
2043
3200
氧含量(%)
0
0
20℃时的蒸汽压(MPa)
KPa/℃
MPa/℃
经济性比较
各类燃料目前的价钱
二甲醚:
元/NM3,2860元/吨(本钱价)
天然气:
元/NM3
煤气:
元/NM3
重油:
2900元/吨(燕化重油)
乙炔:
25元/M3
单位二甲醚产生的热值与其它燃料的对应值
1NM3二甲醚→天然气
1NM3二甲醚→煤气
1NM3二甲醚→乙炔
1kg二甲醚→kg重油
经济性比较
依据上述数据,产生100MJ的热值消耗各类燃料所需的费用如下:
二甲醚
天然气
煤气
重油
乙炔
费用(元)
由上表可知,产生一样的热值,从经济性上考虑,费用从高到低依次为乙炔>煤气>二甲醚>重油>天然气
其它方面
①、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爱惜政策;
②、从我国资源情形看,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,从可持续进展来看,二甲醚具有明显优势;
③、二甲醚不含硫、粉尘及其它金属杂质,在燃烧进程中对产品质量没有任何阻碍,如烧制的陶瓷洁白纯净,用于炼钢时可不能将其它杂质带入成品钢中,提高了产品的质量,进而能够提高产品的价钱,带来较好的经济效益。
这一点较煤气、重油均有优势;
④、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、利用平安性上,二甲醚的爆炸极限范围小于煤气及乙炔,具有更好的利用平安性。
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,对设备的需求视情形而定:
一、自建二甲醚装置
能够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,切断原先的天然气或煤气供给,以二甲醚代替之。
依照压力需要,能够决定是不是需要新增二甲醚泵或其它加压设施。
依照需求量情形,和原先的流量计和阀门情形,决定是不是改换流量计和阀门。
若是原先的流量计及操纵阀门计量范围偏大或偏小,那么改换;若是量程比较适合那么没必要改换。
二、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同意二甲醚。
同时依照需求情形,决定是不是需要新增二甲醚泵或其它加压设施。
相应的平安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
一、从二甲醚理化性质看,二甲醚完全能够替代天然气、液化气、煤气等用于工业燃料;
二、从燃烧性能及热值看,二甲醚是一种超卓的工业用燃料;
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、从平安环保角度看,二甲醚要优于目前所用的工业燃料;
五、从可持续进展看,二甲醚属于煤化工系列产品,原料来源丰硕,具有最好的可持续性;
六、利用二甲醚作工业燃料符合目前国家的产业政策及能源政策;
7、从利用设备看,没有特殊要求,能够当即投入利用;
八、从投资上考虑,二甲醚要优于煤气;
九、从经济角度考虑,二甲醚要优于煤气及乙炔,逊于天然气及重油。
但天然气和重油均属于石化产品,其需求量的稳固和足额供给及以后偏忧,如FCC技术的进展及重油深加工项目的实施,重油供给有可能偏紧。
综合上述,二甲醚是一种优秀的工业用清洁燃料,能够作为目前工业用燃料的替代品。
九、附录:
二甲醚标准
1、发改委标准
2007年4月13日,国家发改委发布了《二甲醚》(HG/T3934-2007)化工行业标准,该标准自2007年10月1日实施。
该技术标准如下:
项目
I型
II型
二甲醚的质量分数/%≥
99
甲醇的质量分数/%≤
水的质量分数≤
铜片腐蚀试验≤
----
1级
酸度(以H2SO4计)/%≤
----
注:
I型产品作为制冷剂时检测酸度
2、建设部标准
建设部于2007年8月发布《城镇燃气用二甲醚》(CJ/T259-2007)产品标准,自2020年1月1日实施。
该技术标准如下:
项目
质量指标
二甲醚质量分数/%
≥99
甲醇质量分数/%
≤
水质量分数/%
≤
铜片腐蚀试验
≤1
3、日本发电用燃料级二甲醚标准
指标
含量范围WT%
二甲醚
±
甲醇
±
水
±
高级醚等含氧物
±
液体密度,25℃
高热值(液态),kcal/kg
7152
低热值(液态),kcal/kg
6449
热值(气态),kcal/kg
6636
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- 甲醚 作为 工业 燃料 应用 研究