二甲醚用作民用燃料的发展前景和面临问题

摘 要

摘要：分析了二甲醚的性质及其作为城镇燃气的可行性，探讨了二甲醚的发展前景，指出了二甲醚用于城镇燃气面临的问题，对二甲醚的推广使用提出了建议。关键词：二甲醚；城镇燃气；液化石油
摘要：分析了二甲醚的性质及其作为城镇燃气的可行性，探讨了二甲醚的发展前景，指出了二甲醚用于城镇燃气面临的问题，对二甲醚的推广使用提出了建议。
关键词：二甲醚；城镇燃气；液化石油气掺混二甲醚
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
    随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，不论城市还是广大乡镇对洁净燃料的需求量都与日俱增[1～3]。近年来，全球石油及其产品的价格大幅度上涨，直接影响到城镇燃气和车用燃料的价格。因此，利用煤为原料制取二甲醚，对于抑制车用燃料、城镇燃气的价格上涨，改变我国城镇的燃料构成，改善生态环境，实现可持续发展，乃至对我国的能源战略，均有重要的意义[4～5]。
    我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭的生产总量和消费总量均占世界第一位。每年以燃烧方式消耗的煤炭达10×108t/a，占整个煤炭消费量的70%，燃烧产生的污染物排放量占全国总排放量的比例很大。煤直接燃烧既浪费能源，又严重污染环境。现在二甲醚作为替代能源逐渐显示出优势，得到了世界各国的广泛重视。自20世纪80年代我国就开始对二甲醚用作燃料进行了开发研究。二甲醚主要以煤为原料制成，而我国有着丰富的煤炭资源，以煤为原料生产二甲醚，使其得到广泛使用，符合我国的能源政策，有利于环境的改善，是我国目前解决能源问题的一条途径[6]。
    据统计，我国二甲醚的消费结构中，民用燃料占绝对主导地位，为94%，车用燃料仅为2%，其他用途占4%。2008年底，我国共有二甲醚生产企业57家，产能合计约620×104t/a。虽然从2008年下半年起受国际金融危机的影响，装置开工率下降，但2008年产量仍达310×104t/a，我国已经成为全球最大的二甲醚生产国。
2 二甲醚的性质和发展前景[6]
    二甲醚(Dimethyl Ether，简称DME)是一种易液化储存与输送的可燃气体，在常温常压下为气态，20℃下饱和蒸气压为0.5MPa，易液化。液态二甲醚的性质与液化石油气相似。二甲醚具有较好的混溶性，能与大多数极性和非极性有机溶剂混溶，加入少量助剂后就可与水以任意比例互溶。二甲醚与天然气、液化石油气、甲醇、柴油的主要物理化学性质见表1。
表1 二甲醚和一些燃料的性质比较
项目
二甲醚
液化石油气
天然气
甲醇
柴油
低热值/(MJ·kg-1)
28.8
46.3
50.O
19.5
42.5
20℃液体密度/(kg·m-3)
668
501
720
790
840
十六烷值
55～60
5
＜10
5
38～53
标准大气压下沸点/℃
-25
-43
-162
65
180～360
理论空燃比/(kg·kg-1)
9.O
15.6
17.2
6.5
14.6
自燃温度/℃
235
470
650
450
250
在空气中的爆炸极限
(体积分数)/%
3.4～
17.0
1.7～
9.4
5.O～
15.0
—
—
    二甲醚易燃，燃烧时火焰略带光亮，燃烧性能好，热效率高，燃烧过程中无残渣、无黑烟，C0、NO排放量低。二甲醚质量分数在95%以上时可直接作为城镇燃气使用。因此，二甲醚将可能是取代液化石油气的一种理想的清洁燃料[7～8]。
    二甲醚还可掺入空气、液化石油气、人工煤气、天然气直接混烧或作为城镇燃气的调峰气源[9～10]。二甲醚含有一个氧基，与液化石油气掺混燃烧，可以改善现有燃烧装置的燃烧性能，使燃烧更加完全。
    二甲醚的饱和蒸气压低于液化石油气，储存运输比液化石油气更安全。但因沸点高，二甲醚在中国北方寒冷的冬季使用时，在液化石油气中掺混的质量分数不能高于15%。
    二甲醚在空气中的爆炸下限比液化石油气高1倍，在使用过程中，比液化石油气更安全。
    二甲醚十六烷值高，气化潜热大。用它代替柴油作为汽车的燃料，可使发动机的功率提高10%～15%，热效率提高2%～3%，燃烧噪声可以降低5～10dB，而且C0、N0等污染物的排放量也很低。
    由此看来，二甲醚由于其独特的物理化学性质，作为民用燃料可以替代液化石油气，作为车用燃料可以替代汽油、柴油，具有广阔的发展前景。
    在城镇燃气领域，建设部于2007年8月21日颁布CJ/T 259—2007《城镇燃气用二甲醚》行业标准，使二甲醚作为液化石油气的替代燃料具有了合法身份与依据，可以正式进入城镇作为替代燃料进行推广。另一方面，从国家替代能源的战略高度弗看，《城镇燃气用二甲醚》行业标准的实施有助于二甲醚作为民用燃料的推广，缓解目前我国天然气、溶化石油气、柴油供应的巨大压力。
3 二甲醚用于居民燃料面临的问题
3.1 标准的相对滞后
    作为替代新能源，二甲醚在产业大发展的同时，却遭遇国家标准相对滞后的局面。建设部颁布的《城镇燃气用二甲醚》自2008年1月1日起实施。但这个标准只是行业标准，仅仅是针对纯二甲醚用于城镇燃气的通行证，而二甲醚掺混于液化石油气的掺混标准和储运等标准却没有出台，这带来了二甲醚在实际应用上的不规范。
    目前在国内民用液化石油气领域，二甲醚掺混液化石油气已经形成了相当规模的市场。一些液化石油气的充装单位向液化石油气钢瓶中掺入液态二甲醚早已是行业内“公开的秘密”，掺入液化石油气的二甲醚质量分数为15%～35%，二甲醚掺混液化石油气的国家标准的相对滞后使得市场比较混乱[12]。在液化石油气钢瓶中掺入二甲醚后出现的问题有：①液化石油气钢瓶阀门、调压器、胶管和集中供气高压连接管大量漏气；②用户反映现在的“液化石油气”不耐烧；③在现有液化石油气炉灶特别是热水器点火时易熄火并发出“呼呼”的“放炮”声；④液化石油气集中供气工程中，管道接口、活接头等连接处漏气严重。
    因此，2008年3月7日国家质量监督检验检疫总局《关于气瓶充装有关问题的通知》(质检特函[2008]17号)规定，禁止向装有液化石油气的钢瓶中掺二甲醚。由于二甲醚专用钢瓶尚没有进入市场流通，也就基本上等于禁止往液化石油气中掺二甲醚的行为。
    二甲醚含有一个氧基，与液化石油气掺混燃烧，不仅可以改善现有燃烧装置的燃烧性能，而且可将液化石油气罐内的残液带出一起燃烧，提高了液化石油气的利用率。从这方面说，液化石油气中掺入二甲醚是可行的，同时也可以缓解液化石油气供应不足的问题。但二甲醚成本低于液化石油气，掺混后的液化石油气价格如何确定是个问题；同时，对北方寒冷地区应根据使用温度高低，调整二甲醚的掺混比例，避免压力过低影响使用。如果监管不力，将导致部分企业不规范运作，过度追求经济利益，从而损害消费者的权益。
    因此，行业内迫切需要一个国家标准和配套的管理条例来规范市场：明确是否可以在液化石油气中掺入二甲醚，如果允许掺混，掺混的比例范围是多少，掺混气体安全范围是多少，掺混后的价格如何确定，掺混的比例如果超过了标准或管理条例规定的范围，应采取什么样的措施进行整改和处罚等等；同时，还应建立二甲醚的生产与储运管理标准，包括原料、加工、生产、包装、储存、运输、与其他燃料混配等过程的相关管理规范。
3.2 二甲醚对橡胶件的腐蚀影响[13～15]
    在液化石油气钢瓶中充装掺有二甲醚的液化石油气起始于2006年，到了2007年液化石油气瓶阀门漏气问题逐渐暴露出来，并呈上升之势。据国家燃气用具质量监督检验中心对液化石油气瓶阀橡胶密封圈进行的耐液体腐蚀能力实验，测试不同浓度的二甲醚对液化石油气瓶阀橡胶密封圈的腐蚀程度。实验结果显示：①二甲醚对液化石油气瓶阀用橡胶密封圈有明显的腐蚀影响，质量分数为20%二甲醚和80%丙烷的混合液，能使瓶阀橡胶密封圈的外径由13.6mm收缩至12.9mm，随着掺混二甲醚含量的增加，其密封圈的外径收缩量也在加大，而由橡胶密封圈密封的瓶阀内径为13.20mm，这样收缩后的橡胶密封圈与瓶阀之间有了间隙，橡胶密封圈密封性能降低，产生漏气现象。②液化石油气对橡胶密封圈影响较小，其中影响最大的正戊烷对橡胶密封圈影响也很小，橡胶密封圈的外径由13.6mm收缩至13.54mm，并不会影响密封圈的密封性能。
    液化石油气的主要成分为丙烷、丁烷及戊烷，不带氧原子。而二甲醚所携带的氧原子具有一定的氧化性，与液化石油气钢瓶用的阀门密封圈材料(常用的是顺丁橡胶或丁腈橡胶)会发生化学反应，造成顺丁橡胶或丁腈橡胶的“腐蚀”而导致阀门漏气。同时二甲醚是一种有机化合物，液体状态的二甲醚是一种溶剂，与顺丁橡胶或丁腈橡胶接触后，橡胶开始“肿胀”，继而橡胶被“溶解”并加速橡胶老化，最终橡胶“弹性失效”而失去密封性能，从而导致阀门的漏气。液化石油气钢瓶阀漏气的概率随掺入二甲醚的比例增大而增大，出现漏气的时间随掺入二甲醚的比例增大而缩短，橡胶密封圈的体积损失率随之加大，漏气的可能性也随之增加。
    因此，用液化石油气钢瓶储存和运输二甲醚或液化石油气中掺混二甲醚均存在瓶阀漏气的严重安全隐患。国家质量监督检验检疫总局《关于气瓶充装有关问题的通知》(质检特函[2008]17号)提出：不得在民用液化石油气中掺入二甲醚充入液化石油气钢瓶或在焊接气瓶中擅自加入不明化学添加剂。主要是为了避免因二甲醚造成液化石油气瓶阀泄漏而带来的安全问题。
    同理，对于与液化石油气钢瓶配套使用的瓶装液化石油气调压器来说，二甲醚对其中的橡胶膜片会产生明显的腐蚀作用，使其收缩、变形、失去弹性，继而造成调压作用的失效和密封失效，发生安全事故。因此，必须考虑制造储存和运输二甲醚的专用瓶阀和配套使用的专用调压器。
3.3 燃具适应性问题[16～18]
    由于热值、华白数、燃烧势等燃烧参数的变化，二甲醚将对燃具的燃烧状况产生影响，因此，二甲醚作为居民燃料在市场上广泛使用，还需要考虑燃具燃烧适应性的问题。
    现在国内已有不少将液化石油气燃具或天然气燃具转换为二甲醚燃具或二甲醚掺混液化石油气燃具的成功试验研究，结果证明这种燃气转换是可行的。只是在这种燃气转换试验中，仍然存在一个标准指导的问题。以城镇家庭中应用最为广泛的家用燃气灶和家用燃气快速热水器为例，目前多数试验研究的技术性能指标都是参照现行国家标准如GB 16411—2007《家用燃气灶具》和GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》。而这两个标准中适用对象是以天然气、人工煤气、液化石油气3种气源为主的燃具，不包括二甲醚或二甲醚掺混液化石油气燃具。
    因此，当二甲醚或二甲醚掺混液化石油气燃具得到广泛应用的时候，同样需要一个国家标准来规范管理燃具市场。
4 结论和建议
    ① 我国城镇的民用燃料是以天然气、人工煤气、液化石油气为主，与它们相比，二甲醚作为从煤转化而来的清洁燃料，用作民用燃料有许多优点。虽然目前中国二甲醚行业还存在一些问题，但二甲醚的应用及市场前景仍然光明，在国家政策的支持下，发展势头值得期待。
    ② 为保证二甲醚在民用燃料市场的健康发展，应尽快研究制定二甲醚进入城镇燃气的分类标准、二甲醚城镇燃气工程设计规范等，深入开展二甲醚与其他燃气互换性、经济上的可行性研究和二甲醚作为城镇燃气应用的技术研究，对推动二甲醚在城镇燃气领域中的应用具有重要意义。
    ③ 由于二甲醚对于现有燃气系统(包括阀门、表具、调压器、灶具、热水器、集中供气连接管等)的普通橡胶和塑料有一定腐蚀作用，用液化石油气钢瓶储存二甲醚和将液化石油气凋压器用于二甲醚都存在着较大的安全隐患，应组织力量加快攻关，早日研究、设计、制造出专门用于储存、运输、灌装、实际应用二甲醚的专用设备、部件和燃具。
    ④ 由于二甲醚的热值与液化石油气不同，其价格应由燃气主管部门会同技术监督、工商管理等部门，根据二甲醚与液化石油气的价格差别和燃料的稀缺程度备案或审批确定。同时对进入市场的二甲醚混合气的质量进行监督、抽查，确保二甲醚混合气的质量达标，保护广大消费者的合法权益。
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(本文作者：张绍伟 邢台市液化石油气公司 河北邢台 054000)