清洁燃料二甲醚的燃烧特性研究

李晓光,肖 松

(1.辽宁城市建设设计有限公司，抚顺 113308；2.临沂大学 机械与车辆工程学院，临沂 276000)

0 引 言

二甲醚作为一种新型清洁能源，与煤炭和石油相比，其燃烧产物只包含二氧化碳和水而不包含氮氧化合物及硫氧化合物，可以显著降低酸雨形成以及PM颗粒物的排放。由于二甲醚燃烧后污染物排放量低的特点，被誉为二十一世纪新型清洁能源，可作为替代燃煤、燃油的环境友好型能源[1-2]。

二甲醚作为新型清洁能源，其具有较高的十六烷值，并且与液化石油气具有相似的物理特性，但是饱和蒸气压比液化石油气低；此外，在可燃极限方面，二甲醚的下限值高于液化石油气一倍。因此，二甲醚的存储和运输安全性由于液化石油气。由于二甲醚分子中包含一个氧原子，其含氧量高达35%，燃烧时具备富氧燃烧的特性，同时其具有更高的预混气的热值和绝热燃烧温度，使得其具有更好的燃烧性能，更高的热效率及更充分燃烧的特点[3-18]。

二甲醚要替代传统能源成为主流燃料，必须对其燃烧特性进行研究，分析其低位发热值、理论空气量实际空气量以及理论燃烧温度，从而证明其作为替代燃料的优势。

1 二甲醚低位发热值计算

二甲醚的低位发热值(QDME)是指单位标准体积二甲醚的高位发热值减掉水蒸气的汽化潜热后，二甲醚燃烧所产生的热量，其计算公式如下：

(1)

其中，参数IDME、ICO2和IH2O分别表示二甲醚、二氧化碳和水的反应物与生成物焓值；其值分别为-146，-393.505，-241.826 kJ/mol。

2 二甲醚燃烧理论空气量与烟气量

二甲醚燃烧理论空气量和烟气量分别指二甲醚完全燃烧所消耗的空气数量及完全燃烧后所产生的烟气数量，二者理论计算公式如下：

二甲醚的理论空气量为：

(2)

二甲醚的理论烟气量为：

3×3.76=16.3Nm3/m3

(3)

3 二甲醚理论燃烧温度

二甲醚理论燃烧温度是指，其在定容或者是定压条件下进行燃烧时产生的热量，当与外界没有能量交换时，产生的热量全部用于反应物反应的过程，此时燃烧产物温度达到最高值，该温度称为二甲醚理论燃烧温度。质量守恒以及能量守恒是进行二甲醚理论燃烧温度计算分析的基础，其计算公式如下：

(4)

其中，Qnet代表低发热值；cg代表二甲醚的平均定压比热容；tg代表二甲醚温度；α代表过量空气系数；Va代表气体的体积；ca代表空气的平均定压比热容；ta代表空气温度；Qf代表二甲醚分解热损失。

(5)

假设温度求出的相似理论燃烧温度2 301大于1 800 ℃，因此需要考虑分解热的损失，计算公式如下：

Qf=CCO2VCO2ΔT+CH2OVH2OΔT=4 217 kJ

(6)

将公式(5)和(6)代入公式(4)，可以得到二甲醚准确的理论燃烧温度：

TDME=2256

(7)

4 结束语

本文对清洁燃料二甲醚的燃烧特性进行了研究，分别计算了二甲醚的低位发热值、燃烧理论空气量与烟气量及理论燃烧温度，其数值分别为61 003.93 kJ/m3，14.285 7 Nm3/m3和16.3 Nm3/m3及2 256 ℃。此外，我们将上述理论计算所获得的参数分别与传统气体燃料液化石油气、天然气以及发生炉煤气的相关物性进行了对比，见表1。

表1 四种燃料的物性对比表

根据表1，可以清楚发现二甲醚的低位发热值最高，这表明二甲醚去除水蒸气的气化潜热所吸收的能量之外，燃烧所放出的热量远远高于其它三种燃料；产生单位热量条件下，二甲醚理论空气量与烟气量比液化石油气和天然气要低，证明了二甲醚作为燃料的性能指标优于其他三种燃料；二甲醚理论燃烧温度最高，这表明二甲醚燃烧时所需的空气量和生产的烟气量相对较少，避免了烟气带走热量而造成的热量损失。因此，二甲醚作为新型清洁能源与传统燃气能源相比具有明显的优势。