清洁能源——二甲醚的生产制作

熊江勇

（南京信息职业技术学院汽车工程学院，江苏 南京 210013）

前言

表1预测了在将来，人类对于能源的需求。在许多国家的政府大力开发石化能源的可替代产品的同时,二甲醚作为一种近年来受到普遍关注的新能源正是现阶段解决能源替代问题的最佳手段之一。作为二甲醚尤为显著的两大特性，绿色清洁和可再生，引起了全球重视，这种现象在一些极度缺乏能源的发达国家表现得更为突出。几十年来，二甲醚工业的迅猛扩大使之成为全球新兴的能源资源工业之一。此外，二甲醚燃料来源广泛，可以从煤、天然气、煤层气、生物有机物等为原料来大量制取。

DME的制作方法一般有以下两种：一是二步法，二是一步法。二步法就是将合成气合成甲醇，然后再经过脱水来生产二甲醚。一步法则是由原料气一次合成二甲醚。另外，二氧化碳加氢也可以合成DME法已经得到了开发研究。

表1 全球能源消费预测

1 二甲醚合成的二步法

二步法有由两个过程完成的。首先由合成气合成甲醇，然后甲醇在固体酸催化剂的作用下发生非均匀相反应脱水而产生 DME。国外部分国家则采用含γ-Al2O3/SiO2来制成ZSM-5分子筛为脱水催化剂。整个过程的反应温度应控制在280-340℃之间，反应压力控制在 0.5-0.8MPa之间。甲醇的转化率单程在70%-85%，而DME的选择性可以大于98%。二步法生产二甲醚的生产工艺已经非常成熟了，具有工艺流程易简单、无腐蚀性、易操控、装置适应性强、后处理强和规模大的优点，目前已经被广泛应用于工业生产流程。但该工艺要经过加工甲醇，甲醇的精馏和甲醇的脱水等，时间跨度很长，所以硬件设备投资很大。目前国内外DME的生产所采用的二步法合成工艺所耗费太高，并且行业的竞争越来越激烈。

表2 二甲醚与柴油特性对比

2 二甲醚合成一步法

DME生产制作的 一步法则是由煤气或者天然气合成混合气后，将混合的合成气进入合成反应器内，经过甲醇合成和甲醇脱水这两个反应过程和交换反应来形成甲醇和 DME的混合物，混合物经蒸馏装置分离得到DME，未参与反应的甲醇则返回反应器。混合气在催化剂的催化下生成的甲醇则会马上转化为DME，这样破坏了甲醇合成反应的平衡，使整个反应则向生成甲醇的方向发展，于是这样就可以提高合成气的转化率。浆态床将复合催化剂磨细悬浮于惰性介质溶液中，合成气首先溶解于惰性介质溶液， 然后通过扩散作用与催化剂颗粒接触，发生甲醇合成与脱水的反应生产二甲醚，因此反应是在气、液、固三相中进行。 由于惰性介质的存在，使反应器具有良好的传热性能，反应可以在恒温下进行。

DME合成一步法一般可以分为气相发和液相法两种。液相一步法工艺通常运用的是浆态床将复合催化剂磨细悬浮于惰性介质溶液中，合成气首先溶解于惰性介质溶液， 然后通过扩散作用与催化剂颗粒接触，发生甲醇合成与脱水的反应生产二甲醚，因此反应是在气、液、固三相中进行。 由于惰性介质的存在，使反应器具有良好的传热性能，反应可以在恒温下进行。相一步法是一种固定床生产方式，合成气在固体催化剂表面上进行反应生成二甲醚。

DME一步法一般都采用双功能的催化剂，此种催化剂一般是由两种催化剂通过物理混合而成的，其中一类是甲醇脱水催化剂，而另一类是合成甲醇催化剂。目前国外开发具有代表性的一步法工艺有：美国 Air Products 工艺、丹麦 Tops φe 工艺和日本NKK 工艺。

DME一步法和DME二步法相比，DME一步法合成没有甲醇合成的中间过程，一步法的工艺流程相对简单、投资小、设备少，操作费用低等优点，最终是DME生产制作成本得到降低，经济效益得到稳步提升。所以，DME一步法是目前国内外的发展趋势。但直到目前为止，国际上 DME一步法生产工艺仍然不太成熟，所以国内的相关企业还没有产业化来生产DME。

3 二氧化碳制备二甲醚

近些年来，随着DME的需求量进一步的增加，投资小、操作条件好且相对污染小的新型工艺应运产生。由于我国煤炭资源非常丰富，所以想通过煤炭来制作二甲醚已经成为人们关心的话题。目前有一些科研人员已经对这方面的知识展开研究。将二氧化碳作为原材料合成 DME的新路径目前已经处于探索阶段了。二氧化碳是目前已知的最丰富的碳资源，它会引起温室效应破坏生态环境。但由于二氧化碳加氢制作甲醇会受到热力平衡的限制，所以科研人员会更加关注二氧化碳直接制作DME。因为这样就可以打破二氧化碳加氢制作甲醇的热力学平衡的限制，提高二氧化碳的转换效率。目前这一课题已经在相关机构展开研究，并已经取得了一定进展。

针对目前日益严峻的环境问题和能源危机问题，二甲醚发动机研究无疑是热点话题，并且二甲醚发动机具有不需要对柴油机构造进行大改的极大优势。综上所述，二甲醚作为清洁替代燃料具有很强的优势和潜力。在很多先进国家和地区，二甲醚发动机技术已经有所建树，但在我国，该方面的研究还是相当欠缺的。寻找二甲醚的原料，实现清洁燃料代替化石燃料在内燃机上的使用，对于能源危机的缓解和环境问题的改进持有巨大的战略意义。