二甲醚用作民用燃料的發展前景和面臨問題

摘 要

摘要：分析了二甲醚的性質及其作為城鎮燃氣的可行性，探討了二甲醚的發展前景，指出了二甲醚用于城鎮燃氣面臨的問題，對二甲醚的推廣使用提出了建議。關鍵詞：二甲醚；城鎮燃氣；液化石油
摘要：分析了二甲醚的性質及其作為城鎮燃氣的可行性，探討了二甲醚的發展前景，指出了二甲醚用于城鎮燃氣面臨的問題，對二甲醚的推廣使用提出了建議。
關鍵詞：二甲醚；城鎮燃氣；液化石油氣摻混二甲醚
Development Prospect and Problems in Use of Dimethyl Ether as Domestic Fuel
ZHANG Shaowei
Abstract：The property of dimethyl ether and its feasibility as city gas are analyzed.The development prospect of dimethyl ether is discussed.The problems in use of dimethyl ether as city gas are pointed out.The proposals on popularizing and using dimethyl ether are made.
Key words：dimethyl ether；city gas；LPG mixing dimethyl ether
1 概述
    隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，不論城市還是廣大鄉鎮對潔凈燃料的需求量都與日俱增[1～3]。近年來，全球石油及其產品的價格大幅度上漲，直接影響到城鎮燃氣和車用燃料的價格。因此，利用煤為原料制取二甲醚，對于抑制車用燃料、城鎮燃氣的價格上漲，改變我國城鎮的燃料構成，改善生態環境，實現可持續發展，乃至對我國的能源戰略，均有重要的意義[4～5]。
    我國是以煤炭為主要能源的國家，煤炭的生產總量和消費總量均占世界第一位。每年以燃燒方式消耗的煤炭達10×108t/a，占整個煤炭消費量的70%，燃燒產生的污染物排放量占全國總排放量的比例很大。煤直接燃燒既浪費能源，又嚴重污染環境。現在二甲醚作為替代能源逐漸顯示出優勢，得到了世界各國的廣泛重視。自20世紀80年代我國就開始對二甲醚用作燃料進行了開發研究。二甲醚主要以煤為原料制成，而我國有著豐富的煤炭資源，以煤為原料生產二甲醚，使其得到廣泛使用，符合我國的能源政策，有利于環境的改善，是我國目前解決能源問題的一條途徑[6]。
    據統計，我國二甲醚的消費結構中，民用燃料占絕對主導地位，為94%，車用燃料僅為2%，其他用途占4%。2008年底，我國共有二甲醚生產企業57家，產能合計約620×104t/a。雖然從2008年下半年起受國際金融危機的影響，裝置開工率下降，但2008年產量仍達310×104t/a，我國已經成為全球最大的二甲醚生產國。
2 二甲醚的性質和發展前景[6]
    二甲醚(Dimethyl Ether，簡稱DME)是一種易液化儲存與輸送的可燃氣體，在常溫常壓下為氣態，20℃下飽和蒸氣壓為0.5MPa，易液化。液態二甲醚的性質與液化石油氣相似。二甲醚具有較好的混溶性，能與大多數極性和非極性有機溶劑混溶，加入少量助劑后就可與水以任意比例互溶。二甲醚與天然氣、液化石油氣、甲醇、柴油的主要物理化學性質見表1。
表1 二甲醚和一些燃料的性質比較
項目
二甲醚
液化石油氣
天然氣
甲醇
柴油
低熱值/(MJ·kg-1)
28.8
46.3
50.O
19.5
42.5
20℃液體密度/(kg·m-3)
668
501
720
790
840
十六烷值
55～60
5
＜10
5
38～53
標準大氣壓下沸點/℃
-25
-43
-162
65
180～360
理論空燃比/(kg·kg-1)
9.O
15.6
17.2
6.5
14.6
自燃溫度/℃
235
470
650
450
250
在空氣中的爆炸極限
(體積分數)/%
3.4～
17.0
1.7～
9.4
5.O～
15.0
—
—
    二甲醚易燃，燃燒時火焰略帶光亮，燃燒性能好，熱效率高，燃燒過程中無殘渣、無黑煙，C0、NO排放量低。二甲醚質量分數在95%以上時可直接作為城鎮燃氣使用。因此，二甲醚將可能是取代液化石油氣的一種理想的清潔燃料[7～8]。
    二甲醚還可摻入空氣、液化石油氣、人工煤氣、天然氣直接混燒或作為城鎮燃氣的調峰氣源[9～10]。二甲醚含有一個氧基，與液化石油氣摻混燃燒，可以改善現有燃燒裝置的燃燒性能，使燃燒更加完全。
    二甲醚的飽和蒸氣壓低于液化石油氣，儲存運輸比液化石油氣更安全。但因沸點高，二甲醚在中國北方寒冷的冬季使用時，在液化石油氣中摻混的質量分數不能高于15%。
    二甲醚在空氣中的爆炸下限比液化石油氣高1倍，在使用過程中，比液化石油氣更安全。
    二甲醚十六烷值高，氣化潛熱大。用它代替柴油作為汽車的燃料，可使發動機的功率提高10%～15%，熱效率提高2%～3%，燃燒噪聲可以降低5～10dB，而且C0、N0等污染物的排放量也很低。
    由此看來，二甲醚由于其獨特的物理化學性質，作為民用燃料可以替代液化石油氣，作為車用燃料可以替代汽油、柴油，具有廣闊的發展前景。
    在城鎮燃氣領域，建設部于2007年8月21日頒布CJ/T 259—2007《城鎮燃氣用二甲醚》行業標準，使二甲醚作為液化石油氣的替代燃料具有了合法身份與依據，可以正式進入城鎮作為替代燃料進行推廣。另一方面，從國家替代能源的戰略高度弗看，《城鎮燃氣用二甲醚》行業標準的實施有助于二甲醚作為民用燃料的推廣，緩解目前我國天然氣、溶化石油氣、柴油供應的巨大壓力。
3 二甲醚用于居民燃料面臨的問題
3.1 標準的相對滯后
    作為替代新能源，二甲醚在產業大發展的同時，卻遭遇國家標準相對滯后的局面。建設部頒布的《城鎮燃氣用二甲醚》自2008年1月1日起實施。但這個標準只是行業標準，僅僅是針對純二甲醚用于城鎮燃氣的通行證，而二甲醚摻混于液化石油氣的摻混標準和儲運等標準卻沒有出臺，這帶來了二甲醚在實際應用上的不規范。
    目前在國內民用液化石油氣領域，二甲醚摻混液化石油氣已經形成了相當規模的市場。一些液化石油氣的充裝單位向液化石油氣鋼瓶中摻入液態二甲醚早已是行業內“公開的秘密”，摻入液化石油氣的二甲醚質量分數為15%～35%，二甲醚摻混液化石油氣的國家標準的相對滯后使得市場比較混亂[12]。在液化石油氣鋼瓶中摻入二甲醚后出現的問題有：①液化石油氣鋼瓶閥門、調壓器、膠管和集中供氣高壓連接管大量漏氣；②用戶反映現在的“液化石油氣”不耐燒；③在現有液化石油氣爐灶特別是熱水器點火時易熄火并發出“呼呼”的“放炮”聲；④液化石油氣集中供氣工程中，管道接口、活接頭等連接處漏氣嚴重。
    因此，2008年3月7日國家質量監督檢驗檢疫總局《關于氣瓶充裝有關問題的通知》(質檢特函[2008]17號)規定，禁止向裝有液化石油氣的鋼瓶中摻二甲醚。由于二甲醚專用鋼瓶尚沒有進入市場流通，也就基本上等于禁止往液化石油氣中摻二甲醚的行為。
    二甲醚含有一個氧基，與液化石油氣摻混燃燒，不僅可以改善現有燃燒裝置的燃燒性能，而且可將液化石油氣罐內的殘液帶出一起燃燒，提高了液化石油氣的利用率。從這方面說，液化石油氣中摻入二甲醚是可行的，同時也可以緩解液化石油氣供應不足的問題。但二甲醚成本低于液化石油氣，摻混后的液化石油氣價格如何確定是個問題；同時，對北方寒冷地區應根據使用溫度高低，調整二甲醚的摻混比例，避免壓力過低影響使用。如果監管不力，將導致部分企業不規范運作，過度追求經濟利益，從而損害消費者的權益。
    因此，行業內迫切需要一個國家標準和配套的管理條例來規范市場：明確是否可以在液化石油氣中摻入二甲醚，如果允許摻混，摻混的比例范圍是多少，摻混氣體安全范圍是多少，摻混后的價格如何確定，摻混的比例如果超過了標準或管理條例規定的范圍，應采取什么樣的措施進行整改和處罰等等；同時，還應建立二甲醚的生產與儲運管理標準，包括原料、加工、生產、包裝、儲存、運輸、與其他燃料混配等過程的相關管理規范。
3.2 二甲醚對橡膠件的腐蝕影響[13～15]
    在液化石油氣鋼瓶中充裝摻有二甲醚的液化石油氣起始于2006年，到了2007年液化石油氣瓶閥門漏氣問題逐漸暴露出來，并呈上升之勢。據國家燃氣用具質量監督檢驗中心對液化石油氣瓶閥橡膠密封圈進行的耐液體腐蝕能力實驗，測試不同濃度的二甲醚對液化石油氣瓶閥橡膠密封圈的腐蝕程度。實驗結果顯示：①二甲醚對液化石油氣瓶閥用橡膠密封圈有明顯的腐蝕影響，質量分數為20%二甲醚和80%丙烷的混合液，能使瓶閥橡膠密封圈的外徑由13.6mm收縮至12.9mm，隨著摻混二甲醚含量的增加，其密封圈的外徑收縮量也在加大，而由橡膠密封圈密封的瓶閥內徑為13.20mm，這樣收縮后的橡膠密封圈與瓶閥之間有了間隙，橡膠密封圈密封性能降低，產生漏氣現象。②液化石油氣對橡膠密封圈影響較小，其中影響最大的正戊烷對橡膠密封圈影響也很小，橡膠密封圈的外徑由13.6mm收縮至13.54mm，并不會影響密封圈的密封性能。
    液化石油氣的主要成分為丙烷、丁烷及戊烷，不帶氧原子。而二甲醚所攜帶的氧原子具有一定的氧化性，與液化石油氣鋼瓶用的閥門密封圈材料(常用的是順丁橡膠或丁腈橡膠)會發生化學反應，造成順丁橡膠或丁腈橡膠的“腐蝕”而導致閥門漏氣。同時二甲醚是一種有機化合物，液體狀態的二甲醚是一種溶劑，與順丁橡膠或丁腈橡膠接觸后，橡膠開始“腫脹”，繼而橡膠被“溶解”并加速橡膠老化，最終橡膠“彈性失效”而失去密封性能，從而導致閥門的漏氣。液化石油氣鋼瓶閥漏氣的概率隨摻入二甲醚的比例增大而增大，出現漏氣的時間隨摻入二甲醚的比例增大而縮短，橡膠密封圈的體積損失率隨之加大，漏氣的可能性也隨之增加。
    因此，用液化石油氣鋼瓶儲存和運輸二甲醚或液化石油氣中摻混二甲醚均存在瓶閥漏氣的嚴重安全隱患。國家質量監督檢驗檢疫總局《關于氣瓶充裝有關問題的通知》(質檢特函[2008]17號)提出：不得在民用液化石油氣中摻入二甲醚充入液化石油氣鋼瓶或在焊接氣瓶中擅自加入不明化學添加劑。主要是為了避免因二甲醚造成液化石油氣瓶閥泄漏而帶來的安全問題。
    同理，對于與液化石油氣鋼瓶配套使用的瓶裝液化石油氣調壓器來說，二甲醚對其中的橡膠膜片會產生明顯的腐蝕作用，使其收縮、變形、失去彈性，繼而造成調壓作用的失效和密封失效，發生安全事故。因此，必須考慮制造儲存和運輸二甲醚的專用瓶閥和配套使用的專用調壓器。
3.3 燃具適應性問題[16～18]
    由于熱值、華白數、燃燒勢等燃燒參數的變化，二甲醚將對燃具的燃燒狀況產生影響，因此，二甲醚作為居民燃料在市場上廣泛使用，還需要考慮燃具燃燒適應性的問題。
    現在國內已有不少將液化石油氣燃具或天然氣燃具轉換為二甲醚燃具或二甲醚摻混液化石油氣燃具的成功試驗研究，結果證明這種燃氣轉換是可行的。只是在這種燃氣轉換試驗中，仍然存在一個標準指導的問題。以城鎮家庭中應用最為廣泛的家用燃氣灶和家用燃氣快速熱水器為例，目前多數試驗研究的技術性能指標都是參照現行國家標準如GB 16411—2007《家用燃氣灶具》和GB 6932—2001《家用燃氣快速熱水器》。而這兩個標準中適用對象是以天然氣、人工煤氣、液化石油氣3種氣源為主的燃具，不包括二甲醚或二甲醚摻混液化石油氣燃具。
    因此，當二甲醚或二甲醚摻混液化石油氣燃具得到廣泛應用的時候，同樣需要一個國家標準來規范管理燃具市場。
4 結論和建議
    ① 我國城鎮的民用燃料是以天然氣、人工煤氣、液化石油氣為主，與它們相比，二甲醚作為從煤轉化而來的清潔燃料，用作民用燃料有許多優點。雖然目前中國二甲醚行業還存在一些問題，但二甲醚的應用及市場前景仍然光明，在國家政策的支持下，發展勢頭值得期待。
    ② 為保證二甲醚在民用燃料市場的健康發展，應盡快研究制定二甲醚進入城鎮燃氣的分類標準、二甲醚城鎮燃氣工程設計規范等，深入開展二甲醚與其他燃氣互換性、經濟上的可行性研究和二甲醚作為城鎮燃氣應用的技術研究，對推動二甲醚在城鎮燃氣領域中的應用具有重要意義。
    ③ 由于二甲醚對于現有燃氣系統(包括閥門、表具、調壓器、灶具、熱水器、集中供氣連接管等)的普通橡膠和塑料有一定腐蝕作用，用液化石油氣鋼瓶儲存二甲醚和將液化石油氣凋壓器用于二甲醚都存在著較大的安全隱患，應組織力量加快攻關，早日研究、設計、制造出專門用于儲存、運輸、灌裝、實際應用二甲醚的專用設備、部件和燃具。
    ④ 由于二甲醚的熱值與液化石油氣不同，其價格應由燃氣主管部門會同技術監督、工商管理等部門，根據二甲醚與液化石油氣的價格差別和燃料的稀缺程度備案或審批確定。同時對進入市場的二甲醚混合氣的質量進行監督、抽查，確保二甲醚混合氣的質量達標，保護廣大消費者的合法權益。
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(本文作者：張紹偉 邢臺市液化石油氣公司 河北邢臺 054000)