二甲醚用作城镇燃气时LPG灶具改造的应用研究.doc

二甲醚用作城镇燃气时在LPG灶具改造分解燃烧的
应用研究
将清洁能源二甲醚用作替代能源，是我国抑制高油价影响的重要措施之一。DME的主要性质与LPG相类似，可以替代LPG用作城镇燃气。DME自身含氧，具有燃烧效率高的特点，从DME的燃烧机理研究中发现，同等热量条件下，与天然气、液化石油气等相比，DME燃烧效率提高3%～5%左右，推广应用前景十分广阔。本文总结了在实践工作中摸索出的有效经验，创新民用燃气领域的应用技术，结合国家当前发布的有关政策、法规，提出了相应的解决办法。
二甲醚；灶具；城镇燃气；液化石油气；分解燃烧技术应用
一、二甲醚用作城镇燃气的必要性
目前，煤炭、石油和天然气是世界上最主要的一次能源。石油消费已经位居一次能源之首，石油的生产与供应已成为世界经济发展的重要依据。我国是一个能源消费大国，一次能源的总消费量仅次于美国，居世界第二位。随着能源消费结构的变化，我国原油、石油产品和天然气的进口量逐渐增加，不仅消耗大量外汇，而且也影响到我国的能源安全。与世界一次能源构成不同的是中国以煤为主，煤占一次能源的比例为60%左右，由于煤的高效、洁净利用难度大，使用过程中已对人类生存环境带来严重污染。同时，由于中国人均能源资源严重不足，人均石油储量不到世界平均水平的1/10，人均煤炭储量仅为世界平均值的1/2。据有关专家预测，到2010年，中国石油供需缺口1亿吨，天然气缺口400亿立方米。因此，开发洁净能源已迫在眉睫。
城镇燃气是一种洁净能源，其中包括天然气、液化石油气、人工煤气等。近年来，随着西气东输的实施，我国城市天然气有了快速的发展，由于天然气燃料的优越性所在，许多城市已经或正在由原有的人工煤气转换为天然气，天然气的比例逐年增加。我国天然气的储量并不太多，而且储存设施有限，天然气供应的可靠性还不太高。前几年冬季用气高峰时出现过“天然气荒”，由此应该得到警觉。从目前我国城镇燃气供应最广泛的液化石油气来讲，其液化储存方便，设施简单，既可瓶装供应，又可管道供应，受到各地的欢迎，因此许多中小城镇乃至农村都有广阔的市场。但随着国际上原油价格的上涨，液化石油气的价格也在不断上涨。许多村镇用户由于经济上承受不了，纷纷弃之不用，改烧薪木。开发城镇燃气的新气源已势在必行。
我国是一个煤炭资源相对丰富的国家，煤炭的生产总量和消费总量均居世界第一位。因此，以煤为原料制取洁净的气体燃料和液体燃料，是提高能源品质、减少环境污染的主要技术路线，也是减少油气进口、增强能源安全的重要措施。
以煤为原料制取洁净的气体和液体燃料，世界上已经研究了几十年，许多工艺已经工业化，我国在这方面也开展了许多基础研究与应用研究，积累了丰富的理论基础与实践经验。煤液化的工艺路线有多种，有直接液化和间接液化之分，选用何种工艺路线，主要取决于目标产品的需求和经济性。由煤生产二甲醚的选择性好，比直接液化或间接液化过程的产品分布简单，后加工比较方便，因此应该是煤制城镇燃气的首选产品之一。
综上所述，不论从天然气和液化石油气的保障供应和价格遏制来看，还是从环保的角度来讲，都需要有新的城镇燃气的气源来补充和调节。研究二甲醚用作城镇燃气的补充或调峰气源的技术与设备是非常必要的。
二、二甲醚的特性
二甲醚分子式为C2H60，分子量46.07，二甲醚是一种比较惰性的非腐蚀性有机物，其主要的理化性质见表1.在常温、常压下二甲醚是一种无色易燃有轻微醚香味的气体，在空气中的允许浓度为400×10-6。它具有与液化石油气（LPG）相似的特性。二甲醚具有一般醚类的性质，二甲醚对金属无腐蚀性，不刺激人体皮肤，不致癌，对大气臭氧层无破坏作用，在对流层中易于降解，长期暴露于空气中，不会形成过氧化物。所以，二甲醚是一种优良的绿色化工产品。二甲醚与其它燃料特性比较见表1。
表二是二甲醚与其它燃料特性比较。从表中数据可知，在同等温度条件下，二甲醚的饱和蒸气压低于液化石油气，其存储、运输、使用等均比液化石油气安全。二甲醚在空气中的爆炸下限比液化石油气高一倍，因此，在使用过程中，二甲醚作为燃料比液化石油气安全。虽然二甲醚的热值比液化石油气低，但由于二甲醚自身含氧，在燃烧过程中所需空气量远低于液化石油气，从而使得二甲醚的预混气热值和理论燃烧温度都高于液化石油气。但其燃烧消耗量大，正是目前二甲醚在应用中的缺点。
表1 二甲醚的理化性质
项目
性质
化学式
CH3OCH3
正常沸点/0C
-24.9
闪点/0C
-41
自燃温度/0C
235
临界温度/0C
127
熔点/0C
-141.5
饱和蒸气压（200C）/Mpa
0.51
临界压力/ Mpa
5.37
临界密度/kg/L
0.2174
热值/kj/kg
28410
气化潜热（-200C）/KJ/kg
460
空气中爆炸极限/%
3～17
对水的相对密度
0.66
对空气的相对密度
1.62
液态密度（200C）/kg/L
0.67
表2 二甲醚与天然气、液化石油气特性比较

二甲醚
天然气
液化石油气
相对分子质量
46. 069
16. 043
44. 097
沸点（℃）
-24.9
-161.5
-42.1
凝固点（℃）
-141.4
-182.5
-187.7
临界温度（℃）
126.8
-82.6
96.7
临界压力（MPa）
5.37
4.60
4.25
20℃蒸气压（MPa）
0.53
超临界状态
0.83
沸点汽化潜热（kj/kg）
466.9
509.9
425.7
液态低热值（（MJ/kg）
28.44
-
47.16
液态高热值（MJ/kg）
31.09
-
51.26
标况气态低热值（MJ/m3）
58.50
35.89
92.83
标况气态高热值（MJ/m3）
63.16
39.85
100.90
15℃气态低热值（MJ/m3）
55.46
34.02
88.00
15℃气态高热值（MJ/m3）
59.87
37.78
95.65
相对密度
1.592
0.554
1.550
15℃华白数（（MJ/m3）
47.45
50.76
76.83
火焰传播速度（（m/s）
0.50
0.38
0.42
燃烧势
-
40.3
48.2
二甲醚燃烧势
-
53.0
57.4
爆炸下限（体积分数）%
3.5
5.0
2.1
爆炸上限（体积分数）%
24.5
15.0
9.5
理论空气量（m3/m3）
14.28
9.52
23.80
理论燃烧温度（℃）
2250
2043
2055
理论烟气量（m3/m3）
16.28
10.52
25.80
自燃温度（℃）
235
540
460
平均热值/kj/kg
28410

含氧量/%
34.8

动量扩散系数（m2/s）
11.00
14.50
3.81
热量扩散系数（（m2/s）
6.01
19.57
5.11
空气中质量扩散系数（m2/s）
11.00
19.60
8.80
三、DME燃烧效率分析
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”。究其主要原因，一方面在于能源价格飙升下DME的价格优势，而另一方面则是其燃烧效率高和燃烧产物排放洁净的显著特点。
1、DME燃烧效率分析
二甲醚易燃，燃烧时火焰略带光亮，气态低位热值为64.58 MJ/m3，同等质量条件下，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34.8%，理论燃烧温度可达2250℃，燃烧性能较好，热效率也较高。
本身含氧，需要添加的理论空气量相应减少
DME燃烧反应：C2H6O十3O2 2CO2+3H2O
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，当遇到低温表面时，将放出大量的分解热，这就是富氧燃烧火焰具有较大传热能力的原因之一。
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是一种清洁燃料，燃烧过程中无残渣、无黑烟，CO、CO2及烟气排放量降低，具有富氧燃烧的火焰特性。
2民用燃具
二甲醚在经改造作民用燃具，炉头温度达到800℃，二甲醚在高温下发生合成气的燃烧，反应式：
主反应：CH3OCH3 2CH2O+H2
2CH2O 2CO+2H2
副反应：2CO+2H2 CH4+H2+CO
可见，其燃烧物已不是二甲醚本身，是甲烷含量较高的合成气，因而燃烧热值和理论温度都达到了LPG液化石油气。
商用燃具加入二甲醚分解重整器实现二甲醚在分解燃烧，其效果在同等条件下等同LPG液化石油气。
3 工业燃烧器
工业燃烧器的热功率大于商用灶的100倍，大于民用燃气灶1000倍，要实现二甲醚转化的合成气燃烧，必须实用“二甲醚转化天然气工业应用方法”才能做到。
四、城镇燃气用二甲醚的应用
近年来，随着国际油价的不断攀升以及各国对环境保护和可持续发展的要求日益强烈，寻求新型燃料已成当务之急。二甲醚作为环保燃料，以其良好的燃烧性能和低污染物排放性能受到越来越多的关注。二甲醚用作城镇燃气，已经进行过许多研究与试用，已显现出新能源的作用，为二甲醚的实际应用打下了一定基础。但在设备与技术方面，用二甲醚替代现有燃气，大规模应用于民用领域还有许多工程技术问题有待解决，还需要在标准、规范、储配设施及应用技术等方面进行研究开发。如作为民用燃气特性的进一步研究、适合其性能的储存输送参数的研究、储存输送设备及燃烧器具的研究、有关标准、工程设计规范及技术措施的编制等课题的研究函待开展。二甲醚与液化石油气性质虽有相似之处，但是二甲醚有其特殊性，需要制订二甲醚城镇燃气应用的整体研究规划。要开发二甲醚用作城镇燃气的专用设备，开辟二甲醚单独供应城镇燃气的市场。
灶具是燃气用于民用领域的常用设备，设计合理的灶具可以使燃气燃烧稳定，达到较高的热效率和较低的污染物排放量。目前二甲醚的应用主要是利用现有的液化石油气系统，而在应急情况下，如何解决暂时的灶具问题，需要对现有的液化石油气灶具如何适应二甲醚进行研究。
五、燃烧对比实验：
烧开2600ml水所耗气量和所用时间对比实验
内 容
DME灶
LPG灶
雄淳专用灶
试验用水重量（ml/kg）
2600/2.6
2600/2.6
2600/2.6
试验用水温度（0C）
17
17
17
实验开始时的室温（0C）
20
20
20
实验结束时的室温（0C）
21
21
21
实验开始时气瓶总重（kg）
26.25
27.67
25.15
实验结束时气瓶总重（kg）
26.2
27.62
25.07
实验所耗气体重量（kg）
0.05
0.05
0.08
实验开始时燃气表读数（m3）
1.514
5.334
2.1285
实验结束时燃气表读数（m3）
1.546
5.369
2.175
实验所耗气体体积（m3）
0.032
0.035
0.0465
实验所用时间
7分23 秒
8分16 秒
7分32秒
上表说明，烧开同样重量、温度的水，DME灶所用的时间、耗气量均优于LPG灶和雄淳专用灶。

每小时耗气量的测定
内 容
DME灶
LPG灶
雄淳专用灶
实验开始时的室温（0C）
20
20
20
实验结束时的室温（0C）
25
25
22
实验开始时气瓶总重（kg）
27.4
28.35
24.9
实验结束时气瓶总重（kg）
26.9
27.85
24.25
实验所耗气体重量（kg）
0.05
0.5
0.65
实验开始时燃气表读数（m3）
0.864
4.974
2.2805
实验结束时燃气表读数（m3）
1.134
5.240
2.6475
实验所耗气体体积（m3）
0.27
0.266
0.367
实验所用时间
1时0 分0秒
1时0分0秒
1时0分0秒
实验开始时炉头温度（0C）
24
24
24
实验停止时炉头温度（0C）
877
704
775
每小时耗气量（kg/h，m3/h）
0.5/0.27
0.5/0.266
0.65/0.367
上表说明，在相同时间内，DME灶的耗气量与LPG灶相同，比雄淳专用灶省30%，热效率却比LPG、雄淳专用灶提高了24.57%和13%。

每公斤气体燃烧时间的测定
内 容
DME灶
LPG灶
雄淳专用灶
实验开始时的室温（0C）
17
20
20
实验结束时的室温（0C）
19
21
21
实验开始时气瓶总重（kg）
24.15
27.55
28.85
实验结束时气瓶总重（kg）
23.15
26.55
27.85
实验所耗气体重量（kg）
1.00
1.00
1.00
实验开始时燃气表读数（m3）
2.922
5.406
2.648
实验结束时燃气表读数（m3）
3.497
5.946
3.250
实验所耗气体体积（m3）
0.575
0.54
0.602
实验所用时间
2时45分20秒
2时10分34秒
1时37分7秒
每公斤气体燃烧时间
2时45分20秒
2时10分34秒
1时37分7秒
每公斤气体体积（m3）
0.575
0.54
0.602
上表说明，在气体重量相同的条件下，DME灶燃烧时间最长，LPG灶次之，雄淳专用灶最短。DME、LPG灶的燃烧时间是雄淳专用灶的一倍多。
每m3气体重量及燃烧时间的测定
内 容
DME灶
LPG灶
雄淳专用灶
实验开始时的室温（0C）
20
20
20
实验结束时的室温（0C）
21
21
21
实验开始时气瓶总重（kg）
23.15
26.50
27.80
实验结束时气瓶总重（kg）
21.40
24.60
26.05
实验所耗气体重量（kg）
1.75
1.90
1.75
实验开始时燃气表读数（m3）
3.497
5.9465
3.2505
实验结束时燃气表读数（m3）
4.497
6.9465
4.2505
实验所耗气体体积（m3）
1
1
1
实验所用时间
4时49分27秒
4时4分28秒
2时41分50秒
每m3气体燃烧时间
4时49分27秒
4时4分28秒
2时41分50秒
每m3气体重量（kg）
1.75
1.9
1.75
上表说明，相同体积的不同气体，重量不同，燃烧时间也不相同。DME灶燃烧时间较长，耗气量较LPG灶节省16%，而雄淳专用灶虽然耗气量与DME灶相同，但燃烧时间只有DME灶和LPG灶的一半。
燃烧效果：
内 容
DME灶
LPG灶
雄淳专用灶
炉头最高温度（0C）
877
704
775
每小时耗气量（kg/h，m3/h）
0.50 / 0.270
0.50 / 0.266
0.65 / 0.367
烧开2600ml水所耗气体重量（kg）
0.05
0.05
0.08
烧开2600ml水所耗气体体积（m3）
0.0320
0.0350
0.0465
烧开2600ml水所用时间
7分23 秒
8分16 秒
7分32秒
每公斤气体燃烧时间
2时45分
2时10分
1时37分
每公斤气体体积（m3）
0.575
0.540
0.602
每m3气体燃烧时间
4时49分
4时4分
2时41分
每m3气体重量（kg）
1.75
1.90
1.75
注：雄淳专用灶测试数据均以小炉头计。
以上结果表明，在灶具内、外喷嘴孔径不变的条件下，DME灶与LPG灶耗气量相同，DME灶热效率比LPG灶提高24.57%。且改造后的DME灶能适应DME、LPG两种气源。而雄淳专用灶则比新改的DME灶耗气量高出23%，热效率低13%，且只能适应DME一种气源使用。改造应用非常成功。
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