清潔燃料二甲醚的燃燒特性研究

李曉光,肖 松

(1.遼寧城市建設設計有限公司，撫順 113308；2.臨沂大學 機械與車輛工程學院，臨沂 276000)

0 引 言

二甲醚作為一種新型清潔能源，與煤炭和石油相比，其燃燒產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，可以顯著降低酸雨形成以及PM顆粒物的排放。由于二甲醚燃燒后污染物排放量低的特點，被譽為二十一世紀新型清潔能源，可作為替代燃煤、燃油的環境友好型能源[1-2]。

二甲醚作為新型清潔能源，其具有較高的十六烷值，并且與液化石油氣具有相似的物理特性，但是飽和蒸氣壓比液化石油氣低；此外，在可燃極限方面，二甲醚的下限值高于液化石油氣一倍。因此，二甲醚的存儲和運輸安全性由于液化石油氣。由于二甲醚分子中包含一個氧原子，其含氧量高達35%，燃燒時具備富氧燃燒的特性，同時其具有更高的預混氣的熱值和絕熱燃燒溫度，使得其具有更好的燃燒性能，更高的熱效率及更充分燃燒的特點[3-18]。

二甲醚要替代傳統能源成為主流燃料，必須對其燃燒特性進行研究，分析其低位發熱值、理論空氣量實際空氣量以及理論燃燒溫度，從而證明其作為替代燃料的優勢。

1 二甲醚低位發熱值計算

二甲醚的低位發熱值(QDME)是指單位標準體積二甲醚的高位發熱值減掉水蒸氣的汽化潛熱后，二甲醚燃燒所產生的熱量，其計算公式如下：

(1)

其中，參數IDME、ICO2和IH2O分別表示二甲醚、二氧化碳和水的反應物與生成物焓值；其值分別為-146，-393.505，-241.826 kJ/mol。

2 二甲醚燃燒理論空氣量與煙氣量

二甲醚燃燒理論空氣量和煙氣量分別指二甲醚完全燃燒所消耗的空氣數量及完全燃燒后所產生的煙氣數量，二者理論計算公式如下：

二甲醚的理論空氣量為：

(2)

二甲醚的理論煙氣量為：

3×3.76=16.3Nm3/m3

(3)

3 二甲醚理論燃燒溫度

二甲醚理論燃燒溫度是指，其在定容或者是定壓條件下進行燃燒時產生的熱量，當與外界沒有能量交換時，產生的熱量全部用于反應物反應的過程，此時燃燒產物溫度達到最高值，該溫度稱為二甲醚理論燃燒溫度。質量守恒以及能量守恒是進行二甲醚理論燃燒溫度計算分析的基礎，其計算公式如下：

(4)

其中，Qnet代表低發熱值；cg代表二甲醚的平均定壓比熱容；tg代表二甲醚溫度；α代表過量空氣系數；Va代表氣體的體積；ca代表空氣的平均定壓比熱容；ta代表空氣溫度；Qf代表二甲醚分解熱損失。

(5)

假設溫度求出的相似理論燃燒溫度2 301大于1 800 ℃，因此需要考慮分解熱的損失，計算公式如下：

Qf=CCO2VCO2ΔT+CH2OVH2OΔT=4 217 kJ

(6)

將公式(5)和(6)代入公式(4)，可以得到二甲醚準確的理論燃燒溫度：

TDME=2256

(7)

4 結束語

本文對清潔燃料二甲醚的燃燒特性進行了研究，分別計算了二甲醚的低位發熱值、燃燒理論空氣量與煙氣量及理論燃燒溫度，其數值分別為61 003.93 kJ/m3，14.285 7 Nm3/m3和16.3 Nm3/m3及2 256 ℃。此外，我們將上述理論計算所獲得的參數分別與傳統氣體燃料液化石油氣、天然氣以及發生爐煤氣的相關物性進行了對比，見表1。

表1 四種燃料的物性對比表

根據表1，可以清楚發現二甲醚的低位發熱值最高，這表明二甲醚去除水蒸氣的氣化潛熱所吸收的能量之外，燃燒所放出的熱量遠遠高于其它三種燃料；產生單位熱量條件下，二甲醚理論空氣量與煙氣量比液化石油氣和天然氣要低，證明了二甲醚作為燃料的性能指標優于其他三種燃料；二甲醚理論燃燒溫度最高，這表明二甲醚燃燒時所需的空氣量和生產的煙氣量相對較少，避免了煙氣帶走熱量而造成的熱量損失。因此，二甲醚作為新型清潔能源與傳統燃氣能源相比具有明顯的優勢。