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(shè)設(shè)計(jì)有限公司，撫順 113308；2.臨沂大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)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(chǎn)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(diǎn)，被譽(yù)為二十一世紀(jì)新型清潔能源，可作為替代燃煤、燃油的環(huán)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(chǔ)和運(yùn)輸安全性由于液化石油氣。由于二甲醚分子中包含一個(gè)氧原子，其含氧量高達(dá)35%，燃燒時(shí)具備富氧燃燒的特性，同時(shí)其具有更高的預(yù)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(diǎn)[3-18]。

二甲醚要替代傳統(tǒng)能源成為主流燃料，必須對(duì)其燃燒特性進(jìn)行研究，分析其低位發(fā)熱值、理論空氣量實(shí)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(yōu)勢(shì)。

1 二甲醚低位發(fā)熱值計(jì)算

二甲醚的低位發(fā)熱值(QDME)是指單位標(biāo)準(zhǔn)體積二甲醚的高位發(fā)熱值減掉水蒸氣的汽化潛熱后，二甲醚燃燒所產(chǎn)生的熱量，其計(jì)算公式如下：

(1)

其中，參數(shù)IDME、ICO2和IH2O分別表示二甲醚、二氧化碳和水的反應(yīng)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(shù)量及完全燃燒后所產(chǎn)生的煙氣數(shù)量，二者理論計(jì)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(jìn)行燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，當(dāng)與外界沒有能量交換時(shí)，產(chǎn)生的熱量全部用于反應(yīng)物反應(yīng)的過程，此時(shí)燃燒產(chǎn)物溫度達(dá)到最高值，該溫度稱為二甲醚理論燃燒溫度。質(zhì)量守恒以及能量守恒是進(jìn)行二甲醚理論燃燒溫度計(jì)算分析的基礎(chǔ)，其計(jì)算公式如下：

(4)

其中，Qnet代表低發(fā)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(shù)；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(shè)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(jì)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(zhǔn)確的理論燃燒溫度：

TDME=2256

(7)

4 結(jié)束語

本文對(duì)清潔燃料二甲醚的燃燒特性進(jìn)行了研究，分別計(jì)算了二甲醚的低位發(fā)熱值、燃燒理論空氣量與煙氣量及理論燃燒溫度，其數(shù)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(jì)算所獲得的參數(shù)分別與傳統(tǒng)氣體燃料液化石油氣、天然氣以及發(fā)生爐煤氣的相關(guān)物性進(jìn)行了對(duì)比，見表1。

表1 四種燃料的物性對(duì)比表

根據(jù)表1，可以清楚發(fā)現(xiàn)二甲醚的低位發(fā)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它三種燃料；產(chǎn)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(biāo)優(yōu)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(shí)所需的空氣量和生產(chǎn)的煙氣量相對(duì)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(tǒng)燃?xì)饽茉聪啾染哂忻黠@的優(yōu)勢(shì)。