近期日本二甲醚应用技术进展(下).docx

近期日本二甲醚应用技术进展（下） 另外，日本产业技术综合研究所（AIST）研究了二甲醚中的杂质对发动机的各种影响，并为二甲醚燃料标准的制订提供依据。试验结果表明：水是最有害的杂质，它使得二甲醚燃烧不完全，并使排放气中出现甲醛；甲酸甲酯增加了CO和碳烃化合物的排放；混入的丙烷轻微增加了碳烃化合物的排放；甲醇轻微增加了碳烃化合物的排放；当催化剂温度没有达到足够高时，不能分解CO、碳烃化合物和甲醛。 综上所述，二甲醚（DME）汽车仍然处在基础研究和样车研发阶段，距二甲醚汽车的大规模生产还有很长的道路要走。从研究方向来看，二甲醚燃料在发动机和汽车的应用方面，国内研究与国外相比，差距并不大。但在相关领域的技术储备和产品实现能力上，日本依然占有较大的优势。因此，在未来二甲醚汽车产品研发和最终实用汽车实现方面，国内仍有较大差距。3.3 DME替代LPG作锅炉燃料DME发电及用作锅炉燃料也是日本DME应用的一个重要组成部分。早在2001年，日本政府所属的日本油气和金属国家公司（JOGMEC）便向日立、三菱重工以及Yanmar有限公司提供财政资助，用于研发集中式和分布式中小型燃气轮机发电机组以及重油锅炉改烧DME研究，JOC公司也获得资助开展DME制替代天然气研究。目前，这几项技术已基本进入工业化应用阶段。日本80%的锅炉燃料为重油，将烧重油的锅炉改为烧DME，技术难度较小，可很快打开DME销售市场。因此，日本将DME锅炉设备排在DME应用市场的第一位，2009年1月，新潟（8104t/a）DME装置的第一车DME燃料产品即送往一个使用DME锅炉的鱼产品加工厂，该厂所购锅炉设备为日立公司生产，由通产省提供财政补贴。3.4 DME重整制氢用子燃料电池日本三菱重工于2001年进行DME在固定式发电站的应用研究，Osaka Gas有限公司于2001年起进行了用于固定高分子型燃料电池的DME重整系统、DME固定高分子型燃料电池以及采用该燃料电池的汽车的研发。JGC公司也开展了用于燃料电池汽车的革新低温DME蒸汽重整系统的研发，其30kW车载式集成式DME重整系统具有体积小（70L）、启动快、响应灵敏的特点。JGC公司还开发出一种体积只有9.8L的3kW集成式DME重整系统。日本东京大学与京都大学、出光兴业等机构共同开发出以DME为原料高效生产氢气的催化剂，该催化剂以价格低于贵金属的铜为原料，可以低成本生产，催化剂长时间使用后其催化性能也不降低，可在温度相对较低的环境下制取氢气。该技术的意义在于，汽车进入燃料电池时代后，DME有望成为汽车和柴油卡车的共同燃料，这样，只需在市场上建立起单一DME输配分销设施，就可满足汽车、卡车及锅炉、分布式发电设备对DME的需求。3.5 DME作化学原料主要是指经DME生产乙烯、丙烯。2005年，JGC公司进行了DME制丙烯的工艺开发。同年，日本出光工程公司也进行了以DME为原料制低级烯烃的研究开发，该项目得到日本油气和金属国家公司（JOGMEC）的资助。该工艺采用高抗结炭的改进MFI沸石催化剂，进行了两个月的台架实验。实验结果表明，低碳烯烃的选择性大于70%，反应器用PRO进行了模拟，能源消耗有望低于轻油裂解工艺，但DME价格是该工艺经济性的关键因素。日本北九州大学也进行了DME制低碳烯烃的研究。研究表明，采用较小的催化剂颗粒，在450-470以及较低的DME/N2比的条件下，有利于获得较高的C，和C，烯烃产率。经过600h运行后，催化剂活性只降低了4%，催化剂可运行1000h而不必再生。更高级的烯烃很容易裂解为C3和C4烯烃。3.6 用作含水物质的脱水剂日本研究人员最近发现二甲醚对高比表面积的含水物质，如煤炭（次烟煤和褐煤）、污泥等具有很好的脱水效果，采用这种脱水工艺可大大节省脱水过程中的能耗。该工艺的基本概念是通过将高含水多孔物质在室温条件下与液态二甲醚（DME）进行物理接触来萃取多孔物质中的水分。DME在常温状态下液化后可溶解约8%的水分，将液化DME与被干燥物接触后，DME中的水含量逐渐增加到饱和量，而多孔物质也几乎完全被干燥。可将污水处理厂含水量78%的污泥泥饼干燥到含水量30%以下。通过减压将DME从DME混合物中蒸发出来，再通过闪蒸将DME和水分离。DME蒸汽是在换热器中进行加压冷却的，而冷凝潜热则再被用于换热器中DME的蒸发，工艺中包含了多级加压和多级闪蒸。通过加压之后，DME的温度降到50以下。由于DME的比热容比只有1.11，压缩机的能耗得到降低。考虑压缩机的绝热效率和净热效率，脱水过程消耗的总能量大约为1100kJ/kg水，而传统的高温干燥技术的理论值为2100kJ/kg水。该工艺不仅具有显著的潜在发展前景，且与其他脱水工艺相比更加紧凑。4 日本DME的贮运与加注设施DME的运输、贮存和加注基础设施8，一直是DME应用推广的一个瓶颈，这其中涉及到大量的政策、法规和标准的修改和制订，这是一个相当费钱费力费时的工作。这些工作包括用现有LPG贮运设施改用DME、与LPG的混合试验、DME的快速加注、密封材料的低成本化以及DME加注站与CNG加注站并列的安全与法规问题。4.1 DME贮运设施的建设早在2002-2004年，日本横浜液化气转运基地（YLT）进行了多次以LPG贮运设施换用DME的试验。试验结果表明，LPG贮运设施完全可以换用DME，但必须更换密封料、填料和软管等。此外，产业技术综合研究所爆炸安全研究中心、东京大学、横浜国立大学、Tokitekuno、岩谷产业、神乐汽化工程和伊藤忠Enekusu还共同进行了DME加注站的安全性试验，这对于DME汽车能否普及非常重要。对于DME加注站的安全性，进行了如下研究：DME泄漏时扩散浓度分布的测定；假设泄漏时着火的情况下DME扩散燃烧火焰特性和火焰影响的测定；爆炸冲击波威力的测定；DME加注站各种设定事故风险分析；安全性对策的研讨，即风险再评价；确保必须的安全距离的研究。出于便利考虑，DME加注站最好与CNG加气站建设在一起，这样便于汽车加注DME或CNG。但根据日本现行高压气体安保法规，设置DME快速加注站，其与CNG加注站的距离应为20m。这样就要占很大场地，难以沿干线道路设置。此外，按日本现行消防法，加油站不能并设DME加注站。因此，需要修改现行法规，放宽规定，争取实现至少与现有CNG加注站并设的方案。如果这一方案得以实现，就可能沿干线道路设置，形成DME加注站网。根据以上研究的结果，将制定出DME加注站的各项标准方案，提交给日本原子能安全安保院等部门，即使逐一通过，估计也要花3-4a时间。4.2 DME的快速加注由于DME能量密度低，DME汽车的油箱要加大一倍，同时由于DME的蒸汽压较低，使得DME的加注速度很慢，因此必须研发出高速的DME加注设施。作为DME汽车的设定对象货车和公交车，要求的加注量与LPG乘用车是不同的，DME加注流量应达到80L/min。用LPG汽车的加注设施加注DME的实验表明，其输送能力太小，只达到目标加注流量的大约1/4。此外，随着DME加注的进行，流量会显著降低，有时甚致出现2-3L/min的情况。出现的问题要点归纳如下：随着加注的进行，容器内压增高，流量降低；在气温很高的夏季，容器温度上升使内压增高，加注流量比开始时降低许多；相对于LPG，随着温度上升，DME饱和蒸汽压增高幅度较大，因而流量降低幅度也大；对于油箱容量较大的DME汽车，加注时间很长。对此，Tokikotekuno、宫人阀门制作所、五十铃中央研究所、伊藤忠Enekusu和横浜液化气转运基地5家公司开展了研发工作，首先放弃LPG汽车用的加压加注装置，采用均压加注方式。其次，研发了一种快速加注装置功能测试机，进行了各种试验。试制了加注均压管线一体化喷嘴。试验结果表明，用均压方式充装可确保达到80L/min的稳定流量，这种采用均压方式的充装装置是世界首创的，同时还研制了与此配套的辅助设备。第三，开发了配备液体管线和气相管线流量计的DME高精度计量装置。在充装过程中DME液流中的蒸汽影。向计量的精准性，该系统可校正加注过程中从油箱到贮槽管道中的蒸汽量，实现了精度误差土1%的计量。4.3 低成本密封材料的开发DME由于对LPG贮运装置的密封材料具有腐蚀性，造成了许多问题。而现有的抗DME腐蚀的密封材料成本又较高，因此，有必要开发一种低成本的耐DME密封材料。耐DME的密封用橡胶研究课题由Hitiasu、东京农工大学大学院、Tokikotekuno、伊藤忠Enekusu共同承担。它们的任务是研发以通用橡胶作基材的密封用橡胶。研发的主攻方向，是通过将结晶性高的高密度聚乙烯结晶，均匀微分散在高乙烯含量的三元乙丙橡胶（EPDM，又名乙烯丙烯橡胶）中，达到抑制DME浸透和膨润的效果。目前利用聚乙烯微分散试制的EPDM合成橡胶进行的试验结果表明，随乙烯含量增加，重量变化率（膨润率）虽有所减少，但橡胶弹性反而会丧失。今后的研究方向是研制橡胶弹性不丧失的材料，并研究配比和组成。5 结语与建议用DME替代石化燃料柴油对于我国来讲，在能源安全和环境保护两方面具有重大意义。我国生产DME的原料十分丰富，除煤炭外，还有焦炉气、生物质等，可大大降低对石油的依赖性。DME发动机排放气中颗粒物（PM）几乎为零，NOx排放量也极低，对环境保护十分有利。此外，如果一部分DME由生物质合成，还可实现零碳化。目前，因中国与日本国情不同，在二甲醚替代燃料的使用领域上，稍有不同。我国主要在LPG掺烧，日本除了LPG掺烧外，还有DME锅炉。但在替代柴油卡车领域，中日两国是完全一致的。此外，在替代柴油的二甲醚发电机组、二甲醚锅炉以及二甲醚燃料电池等领域，日本走在中国前面，我国目前还没有开展实质性的研发工作。分散式和集中式二甲醚发电机组以及二甲醚燃料电池也是对我国极有意义的能源方式，在我国广东、福建等沿海地区，利用中东地区的低价甲醇，就地转化为二甲醚，采用分散式和集中式二甲醚发电机组发电，作为中小企业的备用或常用电源，这样可缓解用电高峰的电力紧张问题以及北煤南运对铁路的压力，但其经济性有待评估。而如果在国内建成二甲醚输配分销系统，二甲醚则有可能成为二甲醚燃料电池汽车的车用替代燃料。参考文献：1 Yotaro Ohno.DME in Japan C /4th Asian DME Conference，November 12-14，2007，Fukuoka，Japan.2 Shinichi Suzuki.DME Utilization R&D Activities Supported by JOGMEC Program in Japan C /4th Asian DME Conference，November 12-14，2007，Fukuoka，Japan.3 Akira Ishiwada.DME Promotion Project By Japan DME Ltd. C /4th Asian DME Conference，November 12-14，2007，Fukuoka，Japan.4 Kaoru Fujimoto.The New technology and Political Developments on DME in Japan C /3rd International DME Conference & 5th Asian DME Conference，Sept，21-24，2008，Shanghai，China.5 CHO Wonjun.Development of KOGAS DME process C /3rd Intemational DME Conference & 5th Asian DME Conference， Sept.21-24，2008，Shanghai，China. -全文完-