清潔能源
——二甲醚的生產制作

熊江勇

（南京信息職業技術學院汽車工程學院，江蘇 南京 210013）

前言

表1預測了在將來，人類對于能源的需求。在許多國家的政府大力開發石化能源的可替代產品的同時,二甲醚作為一種近年來受到普遍關注的新能源正是現階段解決能源替代問題的最佳手段之一。作為二甲醚尤為顯著的兩大特性，綠色清潔和可再生，引起了全球重視，這種現象在一些極度缺乏能源的發達國家表現得更為突出。幾十年來，二甲醚工業的迅猛擴大使之成為全球新興的能源資源工業之一。此外，二甲醚燃料來源廣泛，可以從煤、天然氣、煤層氣、生物有機物等為原料來大量制取。

DME的制作方法一般有以下兩種：一是二步法，二是一步法。二步法就是將合成氣合成甲醇，然后再經過脫水來生產二甲醚。一步法則是由原料氣一次合成二甲醚。另外，二氧化碳加氫也可以合成DME法已經得到了開發研究。

表1 全球能源消費預測

1 二甲醚合成的二步法

二步法有由兩個過程完成的。首先由合成氣合成甲醇，然后甲醇在固體酸催化劑的作用下發生非均勻相反應脫水而產生 DME。國外部分國家則采用含γ-Al2O3/SiO2來制成ZSM-5分子篩為脫水催化劑。整個過程的反應溫度應控制在280-340℃之間，反應壓力控制在 0.5-0.8MPa之間。甲醇的轉化率單程在70%-85%，而DME的選擇性可以大于98%。二步法生產二甲醚的生產工藝已經非常成熟了，具有工藝流程易簡單、無腐蝕性、易操控、裝置適應性強、后處理強和規模大的優點，目前已經被廣泛應用于工業生產流程。但該工藝要經過加工甲醇，甲醇的精餾和甲醇的脫水等，時間跨度很長，所以硬件設備投資很大。目前國內外DME的生產所采用的二步法合成工藝所耗費太高，并且行業的競爭越來越激烈。

表2 二甲醚與柴油特性對比

2 二甲醚合成一步法

DME生產制作的 一步法則是由煤氣或者天然氣合成混合氣后，將混合的合成氣進入合成反應器內，經過甲醇合成和甲醇脫水這兩個反應過程和交換反應來形成甲醇和 DME的混合物，混合物經蒸餾裝置分離得到DME，未參與反應的甲醇則返回反應器。混合氣在催化劑的催化下生成的甲醇則會馬上轉化為DME，這樣破壞了甲醇合成反應的平衡，使整個反應則向生成甲醇的方向發展，于是這樣就可以提高合成氣的轉化率。漿態床將復合催化劑磨細懸浮于惰性介質溶液中，合成氣首先溶解于惰性介質溶液， 然后通過擴散作用與催化劑顆粒接觸，發生甲醇合成與脫水的反應生產二甲醚，因此反應是在氣、液、固三相中進行。 由于惰性介質的存在，使反應器具有良好的傳熱性能，反應可以在恒溫下進行。

DME合成一步法一般可以分為氣相發和液相法兩種。液相一步法工藝通常運用的是漿態床將復合催化劑磨細懸浮于惰性介質溶液中，合成氣首先溶解于惰性介質溶液， 然后通過擴散作用與催化劑顆粒接觸，發生甲醇合成與脫水的反應生產二甲醚，因此反應是在氣、液、固三相中進行。 由于惰性介質的存在，使反應器具有良好的傳熱性能，反應可以在恒溫下進行。相一步法是一種固定床生產方式，合成氣在固體催化劑表面上進行反應生成二甲醚。

DME一步法一般都采用雙功能的催化劑，此種催化劑一般是由兩種催化劑通過物理混合而成的，其中一類是甲醇脫水催化劑，而另一類是合成甲醇催化劑。目前國外開發具有代表性的一步法工藝有：美國 Air Products 工藝、丹麥 Tops φe 工藝和日本NKK 工藝。

DME一步法和DME二步法相比，DME一步法合成沒有甲醇合成的中間過程，一步法的工藝流程相對簡單、投資小、設備少，操作費用低等優點，最終是DME生產制作成本得到降低，經濟效益得到穩步提升。所以，DME一步法是目前國內外的發展趨勢。但直到目前為止，國際上 DME一步法生產工藝仍然不太成熟，所以國內的相關企業還沒有產業化來生產DME。

3 二氧化碳制備二甲醚

近些年來，隨著DME的需求量進一步的增加，投資小、操作條件好且相對污染小的新型工藝應運產生。由于我國煤炭資源非常豐富，所以想通過煤炭來制作二甲醚已經成為人們關心的話題。目前有一些科研人員已經對這方面的知識展開研究。將二氧化碳作為原材料合成 DME的新路徑目前已經處于探索階段了。二氧化碳是目前已知的最豐富的碳資源，它會引起溫室效應破壞生態環境。但由于二氧化碳加氫制作甲醇會受到熱力平衡的限制，所以科研人員會更加關注二氧化碳直接制作DME。因為這樣就可以打破二氧化碳加氫制作甲醇的熱力學平衡的限制，提高二氧化碳的轉換效率。目前這一課題已經在相關機構展開研究，并已經取得了一定進展。

針對目前日益嚴峻的環境問題和能源危機問題，二甲醚發動機研究無疑是熱點話題，并且二甲醚發動機具有不需要對柴油機構造進行大改的極大優勢。綜上所述，二甲醚作為清潔替代燃料具有很強的優勢和潛力。在很多先進國家和地區，二甲醚發動機技術已經有所建樹，但在我國，該方面的研究還是相當欠缺的。尋找二甲醚的原料，實現清潔燃料代替化石燃料在內燃機上的使用，對于能源危機的緩解和環境問題的改進持有巨大的戰略意義。