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氮肥及甲醇企业联产洁净能源二甲醚专利技术简介
河南省石油和化学工业协会 总工 杨奇申
前 言
能源是国民经济发展的基础，中国经济发展中最值得注意的关键问题之一就是能源结构问题。我国石油、天然气资源相对不足，从1993年起，我国已从石油出口国变为进口国，且石油短缺状况呈逐年递增态势。2002年，我国进口原油7000万吨，成品油3000万吨。据预测，到2005年，我国石油进口量将达到11500万吨，2010年将达到15000万吨。因此，今后我国对能源的需求完全建立在石油和天然气进口上是危险的和不可靠的，必须实施多元化能源政策。
与此相反，我国煤炭储量世界第一，已探明的一次性能源总量中煤占96 %，每年产量占世界产量的35%左右，达12~13亿吨。因此，在能源产业方面，煤炭开发和综合利用必将成为我国经济可持续发展的重要支柱。但目前我国煤炭的利用大部分以直接燃烧方式进行，效率低下，浪费严重，同时对环境造成较大污染。2000年我国煤的一次能源消费量占63%，而世界平均值仅占25%，绝对量消耗仅次于美国。因此，尽快采用高效洁净煤技术，将煤炭转化为二次能源，对于我国经济发展、环境保护与生态平衡具有重要意义。随着煤化工和碳一化学发展，人们越来越关注煤除了制合成氨和甲醇以外的其他化工产品及煤作为替代石油资源的新途径。随着二甲醚工业化技术完善及煤化工多产联产技术的成熟，二甲醚作为液化石油气、柴油燃料替代品及化工原料等具有巨大发展潜力。
我国环保能源一直十分紧缺，特别是洁净民用和车用燃料，是目前最受重视的问题之一。商用汽油、煤油和天然气由于含硫等众多复杂成份，对环境破坏较为严重；民用液化石油气杂质更多，且还存在压力过高及爆炸隐患。另外，我国汽车工业发展较快，同时也带来了发动机燃料价格大幅上涨，汽车燃料短缺势必制约汽车工业发展。因此，依靠煤的汽化和液化，发展清洁燃料，也是我国经济高速发展面临的现实问题。国内专家预测二甲醚（DME）经济，在未来的二十年中将成为解决中国能源与环境问题的重大关键产品。
时不我待：发展清洁能源技术迫在眉睫
中国的经济要在30年内保持高速发展，中国的人口环境随着经济的发展仍然在不断恶化。据有关专家预测，2030年，中国的人口将达到15~16亿的顶峰。这正是我国资源和环境状况可以承载的人口极限，一旦可持续发展的问题在此之前没有解决，整个国家的资源和环境系统将要造成很难逆转的严重后果。而我国的环境问题，在很大程度上取决于能源的利用。发展可靠的清洁能源，是一个十分紧迫的问题。人们直接使用的汽油、柴油、电池、电能、甲醇、氢气等等终端能源，其实都属于一种能源载体，所谓的清洁能源，应该是清洁的能源载体，将较“肮脏”的自然资源（如原油、煤炭等）转换成清洁的能源载体，作为燃料和动力。只要这种能源载体在生产和使用过程中对环境危害很小，就是清洁能源。所谓可靠的清洁能源，必须具备如下几个特征：
●资源量丰富。可以基本上立足于我国国内的能源资源。
●环境友好。其排放物对环境的影响很小。
?技术可行。其技术基本成熟，或作适当努力可在五年到十年左右成熟，可以在大范围内使用。即在总体能源平衡中占相当的份额。
●经济可行。其成本要有竞争力，可以逐步占据能源市场，形成相当的经济规模。
●易于实现。其运行所需的基础设施和现有的基础设施能基本相容，不需要完全另搞一套和增加过大的基础工业投资。
鉴于我国的煤炭资源丰富、油气资源相当有限、天然气和煤层气资源分布距用能中心较远、较分散、且我国的管网系统很不发达、几十年内可再生能源在总体能源平衡中不可能占很大份额的国情，如何合理利用我国的能源资源，尤其是煤炭资源，寻找新型的清洁能源载体已经迫在眉睫。
远水不解近渴：氢能仍然可望不可及
有人说，氢能是零排放的能源，氢气燃烧只产生水，没有任何污染。氢能是解决未来能源与环境问题的最佳途径，这一点是完全正确的，我们应该大力发展“氢能经济”。然而，这在近20~30年内只是可望不可及的。据估计，氢能源要真正成为世界的替代能源，像第一代能源煤炭，第二代能源石油大规模“登场”至少是20~30年以后的事了。而我国最重要的这30年时间里，迫切需要一种技术成熟、经济性好、污染排放介于石油和氢能之间、环境可以承受的燃料，这就是二甲醚。
二甲醚的性质和用途
二甲醚在常温、常压下为无色、无味气体，其分子式是CH3OCH3，物理性能和液化石油气（LPG，一般是丙烷和丁烷的混合物）相似，由于其自身含氧、因此燃烧性能好、热效率高，燃烧过程中无残液、无黑烟，是一种优质、清洁的燃料。开发二甲醚清洁燃料的生产技术，已成为当前世界能源、环境和化工领域的研究热点。
下表是二甲醚，柴油，和LPG的物理化学性质比较。
表1 柴油和二甲醚的化学性质和物理性质
物理性质 单位 二甲醚 柴油 液化石油气
分子式 CH3OCH3 CxHy C3H8 ~ C4H10
分子量 47 190~220 44~56
沸点 ℃ －24.9 180~360 －42.1
液化密度 g/cm3 0.668 0.84 0.501
化学计量空气/燃料比 kg/ kg 9.01 4.61 2.72
辛烷值 55~60 40~55
气化潜热 kJ/kg 460(－20℃) 270
低热值 MJ/kg 28.43 42.5 46.36
着火点 ℃ 235 250 470
液体粘度 0.15 4.4~5.4
含碳百分比 % 52.2 86 81.8
含氢百分比 % 13.0 14 18.2~17.9
含氧百分比 % 34.8 0 0
在20℃下的气体压力 bar 5.1 0 8.4
从表1可以看出，二甲醚的性质和液化石油气（LPG）十分相似，在较低压力（5.1bar）就是液态，故液化石油气的基础设施完全用于DME长途运输可以用槽车，也可以用低压城市管道，同时还可以用15kg重的罐分配到用户。
二甲醚由于其良好的产品性能及优越的环保性能，应用范围和前景也越来越广阔。
1、替代液化石油气 二甲醚在压力下为液体，性能与液化石油气相似，可代替液化石油气的罐装设备、液化气罐及液化气灶等基本通用，不存在技术问题,可替代液化气作为民用燃料在液化石油气价格较高的地区可以推广，特别适用于不宜建立燃气管网的地区。中国广大农村还以煤与柴草为燃料，对大气环境产生较大污染。因此，随着全面建设小康社会总目标的确定和广大城乡居民生活水平的提高，民用洁净燃料的问题急待解决。将二甲醚作为民用燃料，若按5户消耗二甲醚0.5t/a计，仅500万户家庭需二甲醚50万吨。因此，只要能将二甲醚的成本降至与液化石油气有竞争力的价格，它的市场潜力很大。二甲醚的特点：一是可燃性好。二甲醚本身就是含氧燃料添加剂，燃烧充分，不析炭，几乎无残留物，废气无毒，符合卫生标准；二是液化压力低，常温下蒸气压力约0.5MPa，低于液化气和天然气，在室温下可压缩成液体，可用液化气储罐灌装，确保运输安全，同时因其常温下为气体，不需预热，随用随开，快捷方便；三是无毒，二甲醚对人体呼吸道、皮肤有轻微刺激作用，但对人体无毒性反应；四是安全可以控制，其爆炸下限比液化气高1.3倍，爆炸隐患大大减小；五是其燃烧值高，为31590kJ/kg。
2000年我国进口的3000万吨成品油中有2000万吨是液化石油气，而目前我国液化气年消费量在3500~4000万吨。如果用二甲醚替代进口部分液化气，约需二甲醚2500万吨/年。但我国现有二甲醚产量最多为3~3.5万吨/年，均用于气溶胶，尚未大量用于燃料。因此，二甲醚作为民用燃料替代液化石油气，特别是在广大农村，具有量大面广的发展前景。
2、替代柴油发动机燃料 柴油发动机的主要问题是尾气中的氮氧化物与黑烟排放，从而形成酸雨、破坏臭氧层。研究表明，二甲醚的十六烷值较高（50~55），是理想的柴油发动机洁净燃料。它可直接压燃，燃烧过程可实现低NOx排放，实现无烟、无硫燃烧，并可降低噪音。用二甲醚作为柴油机的清洁燃料，即使是自然吸气式柴油机也不必经过太多改装或加装后处理设备既可达到欧洲-Ⅲ和美国超低排放车辆标准。据有关资料显示，在大马力的坦克及重载运输设备等军事装备上，其动力能源中添加二甲醚后，其发动机爆发力大为增加，极大地提高了部队战斗力和机动性；在远洋运输事业中，我国运载船舶发动机排放由于不符合发达国家沿海制定标准，而不得已转口卸货，造成非常大的经济损失。
国外近几年已开展了有关研究工作，我国使用无铅汽油刚提入日程，柴油发动机污染问题已逐渐受到重视。随着我国车辆保有量的增加，对燃料的需求与日俱增，尤其对柴油燃料的需求更大。
二甲醚相对甲醇来说，其突出优点是无毒性和无腐蚀性，对发动机和燃油系统的密封，垫片材料以及金属的影响要小很多。
二甲醚除了可供汽车使用和作为民用燃料外，还能用做燃料电池、火力发电厂等燃料。对二甲醚进一步脱水处理还可得到化学工业的基础原料——乙烯。
3、替代现有的气雾推动剂 由于老式气雾推动剂“氟里昂”对大气臭氧层具有破坏作用，已全部淘汰，改用液化气和二甲醚。二甲醚以其无毒无味，且便于制成水溶性气雾剂，价格低廉，较好的环境保护，已日益被广大使用企业认可。我省鹤壁天元化工股份有限公司年需二甲醚气雾推动剂就在万吨以上，市场潜力巨大。目前，国内70%二甲醚用作生产气雾剂。气雾剂制品已成为二甲醚当前最重要的应用市场。
4、高纯度二甲醚是良好的精细化工原料 二甲醚的沸点较低、汽化热大、汽化效果好，其冷凝和蒸发特性接近氯氟烃，二甲醚将是替代氯氟烃制冷剂（用于无氟冰箱和空调器等）的主要品种之一。
另外，二甲醚用作其它数十种下游精细化工产品。如：醋酸、药品、乙烯、醋酸甲酯、二甲基苯胺等，同时还是一种最理想的环保型发泡剂。
因此，二甲醚作为商品已被世界各国广泛关注，称为二十一世纪的阳光工程。在新世纪全面建设小康社会，大力发展节能环保工程的新形式下，以二甲醚为主要能源产品战略的实施，将会有不可替代的作用！
二甲醚技术现状及发展趋势
早期的二甲醚是由甲醇生产中的副产物提纯而获得的。工业生产二甲醚过去采用甲醇经硫酸脱水而制得，由于该法腐蚀严重，环境污染大而被逐渐淘汰。现在国内制取二甲醚主要采用甲醇气相催化脱水工艺，又称为“两步法”，这种生产工艺虽腐蚀小，无污染，但必须先获得甲醇，而后采能制得二甲醚，所以此法生产二甲醚投资大、能耗高、成本高。产品价格直接受甲醇市场影响，降低了抗市场风险的能力。
由气体直接通过催化剂床层合成二甲醚又称为“一步法”制二甲醚。“一步法”制二甲醚是CO与H2通过双塔催化反应而制得。反应过程如下：
CO+2H2 催化剂 CH3OH （1）
2CH3OH 催化剂 CH3OCH3+H2O （2）
首先是CO与H2生成甲醇和少量二甲醚的混合物；而后是甲醇脱水生成二甲醚及水。由于“一步法”与上述两种方法相比制二甲醚，具有工艺流程短、投资相对较少、成本低，且不污染环境，经济效益显著等优点。较“两步法”更为先进。
近年来，随着“一步法”生产工艺的深入研究，其工艺过程的一些缺陷正又制约了发展。由于上述反应（2）中不断有水的生成，而反应气中较高的CO会在这种适宜的温度、催化剂作用下发生类似于合成氨厂的“变换反应”（3），产生CO2。而CO2的产生，不仅增加了工艺中脱碳设备的投资，而且降低了二甲醚的转化率。
CO＋H2O 催化剂 CO2＋H2 （3）
河南省石化协会的工程技术人员与山西煤化所、石家庄正元高效塔器开发公司、河南天一公司、北京思创系统工程有限公司等单位联合对小氮肥企业生产装置进行开发实验，已获国家发明专利（专利号：ZL01106607.5），并进行了工业化生产，具备大工业化生产的工艺要求。该工艺的主要特点是利用大部分原合成氨或甲醇设备，在增加二甲醚合成、精馏后即可实现。本发明的最大特点是充分利用甲醇反应热来实现二甲醚的脱水反应，又利用二甲醚反应热进行精馏，不仅减少了“二步法”的加热耗能问题，也避免了“一步法”生产二甲醚过程中的“变换反应”，从而实现二甲醚的优质、高产、低耗的生产。为该燃料的普及应用奠定了必要的经济基础。同时为企业能带来丰厚利润成为可能！
在我国以煤为原料的中、小合成氨生产企业，截止2001年底有近500家，合成氨生产能力约2100万吨，是我国支农战线上的主流企业，遍布全国基层的县、乡，拥有较为完善的销售网络。这些企业在现有基础上稍加改造，即可成为二甲醚生产的主导企业，可生产99.9%的精制二甲醚和民用燃料，为我国中、小氮肥企业在短时间内成为农用化肥、工业及民用燃料、精细化工生产基地打下良好的基础。同时，对增强县级财政自给能力，减轻国家对支农企业财政补贴负担，使其更好地为农业生产服务，在农村全面建设小康生活有较大地推动作用。我省现有小氮肥企业48家，占全国的10%，是巨大的二甲醚生产源，如能尽快的在小氮肥企业实施“双塔二步一次合成法”制二甲醚的生产工艺，不仅有巨大的经济效益，也有良好的社会意义。
“双塔二步一次合成法”制二甲醚的生产工艺说明：
原料气经油水分离器，分离掉油水后进甲醇合成塔，在一定温度、压力及催化剂作用下，合成为粗甲醇，粗甲醇热气体和氢、氮气混合物直接进醚合成塔，在一定温度、压力及催化剂作用下，甲醇脱水生成二甲醚，醇醚混合物经废热锅炉、水冷、氨冷冷却后送入醇醚分离器，分离后的气体经洗涤送精炼工段；（或甲烷化工段即：构成甲醇、甲醚、甲烷化三甲工艺），而分离出的醇醚混合物送入中间储槽，后送特殊精馏工段，生产出高纯度二甲醚99.9%或配制成醇醚民用燃料替代石油液化气出售（见流程示意图）。本工艺最终产品为精二甲醚、精甲醇、醇醚混合燃料、粗甲醇四种。
去精炼或甲烷化
原料气
甲醇 二甲醚
油分 甲醇合成塔 二甲醚合成塔 废热锅炉 冷却分离 “二塔”精馏
（联产二甲醚流程示意图）
利用氮肥厂生产二甲醚的经济分析
（1）、消耗定额（以1吨二甲醚计）
序号 项目 单位 规格 数量
1 原 料 煤 T C=84% 1.5
2 软 水 T 11
3 冷 却 水 T 300
4 电 度 1500
5 蒸 汽 耗 T 1.0
6 双催化剂 Kg 0.07
7 精脱硫剂 Kg 0.02
(2)岗位定员
序号 岗位 定员 班次 总人数
1 气体净化 1 4 4
2 二甲醚合成 4 4 16
3 分 析 2 4 8
4 产品销售 2 1 2
5 管理人员 2 1 2
合计 32
（3）二甲醚成本估算（按一吨二甲醚计）
序号 项目 单位 单价（元） 总价（元）
1 原料煤 T 600 900
2 冷却水 T 0.04 12
3 软水 T 0.3 33
4 电 度 0.3 450
5 蒸汽 T 50 50
6 双催化剂 150
7 折旧 100
8 维修费 40
9 工资及附加费 54
10 销售及管理费 30
11 税金 250
总计 1919
说明：
1）各地区因原材料及动力价格不一样，其成本也不一样；
2）人工费只计算二甲醚装置范围内的人工工资及附加费；
3）折旧及维修费只计算了二甲醚装置范围内的投资费及维修费。
（4）企业经济效益和社会效益
以年产两万吨二甲醚计算。设备投资约350万元。包括甲醇二甲醚合成设备、精馏设备、精脱氨设备。（其中不含流动资金、安装及专利使用费等）
以全部生产醇、醚民用燃料，按最低售价4000元/吨。（现在液化气出厂价4800元/吨）年产20000吨，年销售收入8000万元，实现最低利税3000万元。在不到半年内既可收回全部投资，经济效益十分可观。若销售精二甲醚（吨售价6000元）则效益将更加明显！
“双塔一步法”制二甲醚或醇醚燃料工艺，是针对我国独有的以“煤头”、“气头”为原料的中、小型氮肥厂和煤气化工程而设计的。如果有联醇装置则只需投资400万元左右既可实现年产万吨级二甲醚生产线。目前化肥销售市场很不稳定，淡旺季价差较大，流资较大，财务费用较高，效益连年下滑，不少氮肥厂已难以维系走到停产、倒闭的边沿。这时如果将一部分化肥生产能力改建生产二甲醚及醇醚燃料，起到平衡淡旺季生产负荷、调整化肥企业产品结构单一、提高经济效益。可谓一举两得！在今天化肥形势日益严峻，经济效益连年下滑的情况下，欲想使企业走出困境，再创辉煌，只有走综合发展之路。把氮肥企业变成化肥基地、能源基地、综合化工基地。实现“三基”目标，这样才能使你的企业在激烈的市场竞争中立于不败之地！并使我国独有的小氮肥厂重现昔日光辉！
项目进展情况
该项目已引起河南省政府、省发改委、的高度重视，相继有多家化工有限公司批准实施。现在河北省邱县氮肥厂采用该专利技术，并于06年2月8日建成投产，一次开车成功，实现1万吨／年精二甲醚的工业化生产。经生产运行证明：反应自热平衡、产品质量稳定、（达到99.9%的精二甲醚质量标准）成本低廉、（每吨二甲醚约消耗1.6吨粗甲醇，1.0吨蒸汽）工艺简单、（增加3台设备）投资很省（年产1万吨二甲醚投资在300万以内）。经检索查新该技术处于国际领先水平！
建议和设想
（以河南省为例）河南省是农业大省，煤炭资源大省、同时也是化肥生产大省。坚持用高新技术和先进适用创新技术改造提升传统产业、优化工业结构，提高工业整体素质和效益。整合工业资源，加快产业聚合，调整企业组织结构，培育发展一批具有核心竞争能力的大型企业集团是未来企业发展的方向。化肥工业是我省化工行业的一只重要力量，截止到2002年底，河南省氮肥企业拥有53家。其中，大氮肥1家，中氮肥4家，小氮肥48家。尿素生产企业20家，碳酸氢铵生产企业33家。合成氨生产能力约480万吨。70%的氮肥企业拥有联产甲醇生产装置，生产能力约60万吨。若有50%来联产二甲醚年可生产15万吨，从而在根本上解决目前是由液化气的紧张局面，并且节约大量石油资源，实现一举多赢。
化肥是常年生产、季节性销售的商品，销售市场很不稳定，淡旺季价差较大，流资需求较大，财务费用较高。欲想使企业走出困境，再创辉煌，只有走综合发展之路，充分利用现有生产设备，拉长链条，使淡旺季生产负荷平衡、增加有效生产天数，摆脱产品结构单一的格局、提高经济效益。把氮肥企业变成支农化肥基地、工业及民用能源基地、综合化工基地。这样才能使你的企业在激烈的市场竞争中立于不败之地！并使我国独有的小氮肥厂重现昔日光辉！
化肥企业遍布全国基层的县、乡，拥有较为完善的销售网络。这些企业在现有基础上稍加改造，即可成为二甲醚生产的主导企业，可生产99.9%的精制二甲醚和民用燃料，为我国中、小氮肥企业在短时间内成为农用化肥、工业及民用燃料、精细化工生产基地打下良好的基础。同时，对增强县级财政自给能力，减轻国家对支农企业财政补贴负担，使其更好地为农业生产服务，在农村全面建设小康有较大地推动作用。如能尽快的在中、小氮肥企业实施“双塔一步法”制二甲醚的生产工艺，调整产品结构，并以此为契机大力发展企业集团，形成东西南北中的供应基地，不仅有巨大的经济效益，也有良好的社会效益。
用煤为原料生产二甲醚作为一种极有前途的代用清洁燃料，它的生产和应用受到世界各国的广泛关注，被称为21世纪的洁净燃料。利用“甲醇脱水制取二甲醚”适于已有联醇装置的氮肥厂。是投资少、见效快、极易实现工业化规模的一种模式，为解决我国中、小城市及发达地区农村的民用洁净燃料，可利用其一部分或全部加甲醇生产民用二甲醚液化气。从煤出发制取二甲醚是补充我国车用和民用燃料不足的一个十分现实的途径，并可改善我国大气质量和生态环境，有重大的经济和社会效益。由于我省的能源结构特点，煤或天然气制二甲醚适合我国国情。
有关专家认为较现实的是，在近20~30年内，在我国早日建立“二甲醚经济”，无论是民用替代石油液化气，或是大规模替代柴油，或是用于发电，其制备、储运、分配都比较容易解决。这与我国西部大开发和经济、环境协调发展的战略完全相符，并能促进新一代汽车、电力等能源工业的发展，比氢能经济更加“摸得着，做得着”。时间紧迫，有关部门应充分重视，及早全面规划。应该有一个高层次的发展二甲醚经济的目标，政府、工业部门、研究部门相结合，详细规划技术、市场、基础设施、政策等问题，在发展上有跨越式的前进。应充分利用比较分散的天然气资源和我国丰富的煤炭资源，大力推进煤的气化，使之有高转化效率，且扩大单炉规模，达到日处理煤2000~5000吨/天；发展一次通过煤制气为中心的电、化工原料、液体超清洁燃料的多联产，即IJCC模式，建立二甲醚的局部网络。
大力发展二甲醚工业可以在我省工业基础较发达和煤炭资源丰富的郑州、焦作、鹤壁等地区开始试点。生产出来的二甲醚第一步是家用或是用于生产其他高附加的化工产品，主要供应东部处于发达地区和石油液化气主要消费地区。同时进行多产联产系统的试点，联产电力和二甲醚，用城市燃气管网或槽车，供给本地居民，来改变小城镇及乡村的能源结构，改善环境，保护生态，提高当地人民的生活质量。
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河南省石油和化学工业协会 总工 杨奇申
前 言
能源是国民经济发展的基础，中国经济发展中最值得注意的关键问题之一就是能源结构问题。我国石油、天然气资源相对不足，从1993年起，我国已从石油出口国变为进口国，且石油短缺状况呈逐年递增态势。2002年，我国进口原油7000万吨，成品油3000万吨。据预测，到2005年，我国石油进口量将达到11500万吨，2010年将达到15000万吨。因此，今后我国对能源的需求完全建立在石油和天然气进口上是危险的和不可靠的，必须实施多元化能源政策。
与此相反，我国煤炭储量世界第一，已探明的一次性能源总量中煤占96 %，每年产量占世界产量的35%左右，达12~13亿吨。因此，在能源产业方面，煤炭开发和综合利用必将成为我国经济可持续发展的重要支柱。但目前我国煤炭的利用大部分以直接燃烧方式进行，效率低下，浪费严重，同时对环境造成较大污染。2000年我国煤的一次能源消费量占63%，而世界平均值仅占25%，绝对量消耗仅次于美国。因此，尽快采用高效洁净煤技术，将煤炭转化为二次能源，对于我国经济发展、环境保护与生态平衡具有重要意义。随着煤化工和碳一化学发展，人们越来越关注煤除了制合成氨和甲醇以外的其他化工产品及煤作为替代石油资源的新途径。随着二甲醚工业化技术完善及煤化工多产联产技术的成熟，二甲醚作为液化石油气、柴油燃料替代品及化工原料等具有巨大发展潜力。
我国环保能源一直十分紧缺，特别是洁净民用和车用燃料，是目前最受重视的问题之一。商用汽油、煤油和天然气由于含硫等众多复杂成份，对环境破坏较为严重；民用液化石油气杂质更多，且还存在压力过高及爆炸隐患。另外，我国汽车工业发展较快，同时也带来了发动机燃料价格大幅上涨，汽车燃料短缺势必制约汽车工业发展。因此，依靠煤的汽化和液化，发展清洁燃料，也是我国经济高速发展面临的现实问题。国内专家预测二甲醚（DME）经济，在未来的二十年中将成为解决中国能源与环境问题的重大关键产品。
时不我待：发展清洁能源技术迫在眉睫
中国的经济要在30年内保持高速发展，中国的人口环境随着经济的发展仍然在不断恶化。据有关专家预测，2030年，中国的人口将达到15~16亿的顶峰。这正是我国资源和环境状况可以承载的人口极限，一旦可持续发展的问题在此之前没有解决，整个国家的资源和环境系统将要造成很难逆转的严重后果。而我国的环境问题，在很大程度上取决于能源的利用。发展可靠的清洁能源，是一个十分紧迫的问题。人们直接使用的汽油、柴油、电池、电能、甲醇、氢气等等终端能源，其实都属于一种能源载体，所谓的清洁能源，应该是清洁的能源载体，将较“肮脏”的自然资源（如原油、煤炭等）转换成清洁的能源载体，作为燃料和动力。只要这种能源载体在生产和使用过程中对环境危害很小，就是清洁能源。所谓可靠的清洁能源，必须具备如下几个特征：
●资源量丰富。可以基本上立足于我国国内的能源资源。
●环境友好。其排放物对环境的影响很小。
?技术可行。其技术基本成熟，或作适当努力可在五年到十年左右成熟，可以在大范围内使用。即在总体能源平衡中占相当的份额。
●经济可行。其成本要有竞争力，可以逐步占据能源市场，形成相当的经济规模。
●易于实现。其运行所需的基础设施和现有的基础设施能基本相容，不需要完全另搞一套和增加过大的基础工业投资。
鉴于我国的煤炭资源丰富、油气资源相当有限、天然气和煤层气资源分布距用能中心较远、较分散、且我国的管网系统很不发达、几十年内可再生能源在总体能源平衡中不可能占很大份额的国情，如何合理利用我国的能源资源，尤其是煤炭资源，寻找新型的清洁能源载体已经迫在眉睫。
远水不解近渴：氢能仍然可望不可及
有人说，氢能是零排放的能源，氢气燃烧只产生水，没有任何污染。氢能是解决未来能源与环境问题的最佳途径，这一点是完全正确的，我们应该大力发展“氢能经济”。然而，这在近20~30年内只是可望不可及的。据估计，氢能源要真正成为世界的替代能源，像第一代能源煤炭，第二代能源石油大规模“登场”至少是20~30年以后的事了。而我国最重要的这30年时间里，迫切需要一种技术成熟、经济性好、污染排放介于石油和氢能之间、环境可以承受的燃料，这就是二甲醚。
二甲醚的性质和用途
二甲醚在常温、常压下为无色、无味气体，其分子式是CH3OCH3，物理性能和液化石油气（LPG，一般是丙烷和丁烷的混合物）相似，由于其自身含氧、因此燃烧性能好、热效率高，燃烧过程中无残液、无黑烟，是一种优质、清洁的燃料。开发二甲醚清洁燃料的生产技术，已成为当前世界能源、环境和化工领域的研究热点。
下表是二甲醚，柴油，和LPG的物理化学性质比较。
表1 柴油和二甲醚的化学性质和物理性质
物理性质 单位 二甲醚 柴油 液化石油气
分子式 CH3OCH3 CxHy C3H8 ~ C4H10
分子量 47 190~220 44~56
沸点 ℃ －24.9 180~360 －42.1
液化密度 g/cm3 0.668 0.84 0.501
化学计量空气/燃料比 kg/ kg 9.01 4.61 2.72
辛烷值 55~60 40~55
气化潜热 kJ/kg 460(－20℃) 270
低热值 MJ/kg 28.43 42.5 46.36
着火点 ℃ 235 250 470
液体粘度 0.15 4.4~5.4
含碳百分比 % 52.2 86 81.8
含氢百分比 % 13.0 14 18.2~17.9
含氧百分比 % 34.8 0 0
在20℃下的气体压力 bar 5.1 0 8.4
从表1可以看出，二甲醚的性质和液化石油气（LPG）十分相似，在较低压力（5.1bar）就是液态，故液化石油气的基础设施完全用于DME长途运输可以用槽车，也可以用低压城市管道，同时还可以用15kg重的罐分配到用户。
二甲醚由于其良好的产品性能及优越的环保性能，应用范围和前景也越来越广阔。
1、替代液化石油气 二甲醚在压力下为液体，性能与液化石油气相似，可代替液化石油气的罐装设备、液化气罐及液化气灶等基本通用，不存在技术问题,可替代液化气作为民用燃料在液化石油气价格较高的地区可以推广，特别适用于不宜建立燃气管网的地区。中国广大农村还以煤与柴草为燃料，对大气环境产生较大污染。因此，随着全面建设小康社会总目标的确定和广大城乡居民生活水平的提高，民用洁净燃料的问题急待解决。将二甲醚作为民用燃料，若按5户消耗二甲醚0.5t/a计，仅500万户家庭需二甲醚50万吨。因此，只要能将二甲醚的成本降至与液化石油气有竞争力的价格，它的市场潜力很大。二甲醚的特点：一是可燃性好。二甲醚本身就是含氧燃料添加剂，燃烧充分，不析炭，几乎无残留物，废气无毒，符合卫生标准；二是液化压力低，常温下蒸气压力约0.5MPa，低于液化气和天然气，在室温下可压缩成液体，可用液化气储罐灌装，确保运输安全，同时因其常温下为气体，不需预热，随用随开，快捷方便；三是无毒，二甲醚对人体呼吸道、皮肤有轻微刺激作用，但对人体无毒性反应；四是安全可以控制，其爆炸下限比液化气高1.3倍，爆炸隐患大大减小；五是其燃烧值高，为31590kJ/kg。
2000年我国进口的3000万吨成品油中有2000万吨是液化石油气，而目前我国液化气年消费量在3500~4000万吨。如果用二甲醚替代进口部分液化气，约需二甲醚2500万吨/年。但我国现有二甲醚产量最多为3~3.5万吨/年，均用于气溶胶，尚未大量用于燃料。因此，二甲醚作为民用燃料替代液化石油气，特别是在广大农村，具有量大面广的发展前景。
2、替代柴油发动机燃料 柴油发动机的主要问题是尾气中的氮氧化物与黑烟排放，从而形成酸雨、破坏臭氧层。研究表明，二甲醚的十六烷值较高（50~55），是理想的柴油发动机洁净燃料。它可直接压燃，燃烧过程可实现低NOx排放，实现无烟、无硫燃烧，并可降低噪音。用二甲醚作为柴油机的清洁燃料，即使是自然吸气式柴油机也不必经过太多改装或加装后处理设备既可达到欧洲-Ⅲ和美国超低排放车辆标准。据有关资料显示，在大马力的坦克及重载运输设备等军事装备上，其动力能源中添加二甲醚后，其发动机爆发力大为增加，极大地提高了部队战斗力和机动性；在远洋运输事业中，我国运载船舶发动机排放由于不符合发达国家沿海制定标准，而不得已转口卸货，造成非常大的经济损失。
国外近几年已开展了有关研究工作，我国使用无铅汽油刚提入日程，柴油发动机污染问题已逐渐受到重视。随着我国车辆保有量的增加，对燃料的需求与日俱增，尤其对柴油燃料的需求更大。
二甲醚相对甲醇来说，其突出优点是无毒性和无腐蚀性，对发动机和燃油系统的密封，垫片材料以及金属的影响要小很多。
二甲醚除了可供汽车使用和作为民用燃料外，还能用做燃料电池、火力发电厂等燃料。对二甲醚进一步脱水处理还可得到化学工业的基础原料——乙烯。
3、替代现有的气雾推动剂 由于老式气雾推动剂“氟里昂”对大气臭氧层具有破坏作用，已全部淘汰，改用液化气和二甲醚。二甲醚以其无毒无味，且便于制成水溶性气雾剂，价格低廉，较好的环境保护，已日益被广大使用企业认可。我省鹤壁天元化工股份有限公司年需二甲醚气雾推动剂就在万吨以上，市场潜力巨大。目前，国内70%二甲醚用作生产气雾剂。气雾剂制品已成为二甲醚当前最重要的应用市场。
4、高纯度二甲醚是良好的精细化工原料 二甲醚的沸点较低、汽化热大、汽化效果好，其冷凝和蒸发特性接近氯氟烃，二甲醚将是替代氯氟烃制冷剂（用于无氟冰箱和空调器等）的主要品种之一。
另外，二甲醚用作其它数十种下游精细化工产品。如：醋酸、药品、乙烯、醋酸甲酯、二甲基苯胺等，同时还是一种最理想的环保型发泡剂。
因此，二甲醚作为商品已被世界各国广泛关注，称为二十一世纪的阳光工程。在新世纪全面建设小康社会，大力发展节能环保工程的新形式下，以二甲醚为主要能源产品战略的实施，将会有不可替代的作用！
二甲醚技术现状及发展趋势
早期的二甲醚是由甲醇生产中的副产物提纯而获得的。工业生产二甲醚过去采用甲醇经硫酸脱水而制得，由于该法腐蚀严重，环境污染大而被逐渐淘汰。现在国内制取二甲醚主要采用甲醇气相催化脱水工艺，又称为“两步法”，这种生产工艺虽腐蚀小，无污染，但必须先获得甲醇，而后采能制得二甲醚，所以此法生产二甲醚投资大、能耗高、成本高。产品价格直接受甲醇市场影响，降低了抗市场风险的能力。
由气体直接通过催化剂床层合成二甲醚又称为“一步法”制二甲醚。“一步法”制二甲醚是CO与H2通过双塔催化反应而制得。反应过程如下：
CO+2H2 催化剂 CH3OH （1）
2CH3OH 催化剂 CH3OCH3+H2O （2）
首先是CO与H2生成甲醇和少量二甲醚的混合物；而后是甲醇脱水生成二甲醚及水。由于“一步法”与上述两种方法相比制二甲醚，具有工艺流程短、投资相对较少、成本低，且不污染环境，经济效益显著等优点。较“两步法”更为先进。
近年来，随着“一步法”生产工艺的深入研究，其工艺过程的一些缺陷正又制约了发展。由于上述反应（2）中不断有水的生成，而反应气中较高的CO会在这种适宜的温度、催化剂作用下发生类似于合成氨厂的“变换反应”（3），产生CO2。而CO2的产生，不仅增加了工艺中脱碳设备的投资，而且降低了二甲醚的转化率。
CO＋H2O 催化剂 CO2＋H2 （3）
河南省石化协会的工程技术人员与山西煤化所、石家庄正元高效塔器开发公司、河南天一公司、北京思创系统工程有限公司等单位联合对小氮肥企业生产装置进行开发实验，已获国家发明专利（专利号：ZL01106607.5），并进行了工业化生产，具备大工业化生产的工艺要求。该工艺的主要特点是利用大部分原合成氨或甲醇设备，在增加二甲醚合成、精馏后即可实现。本发明的最大特点是充分利用甲醇反应热来实现二甲醚的脱水反应，又利用二甲醚反应热进行精馏，不仅减少了“二步法”的加热耗能问题，也避免了“一步法”生产二甲醚过程中的“变换反应”，从而实现二甲醚的优质、高产、低耗的生产。为该燃料的普及应用奠定了必要的经济基础。同时为企业能带来丰厚利润成为可能！
在我国以煤为原料的中、小合成氨生产企业，截止2001年底有近500家，合成氨生产能力约2100万吨，是我国支农战线上的主流企业，遍布全国基层的县、乡，拥有较为完善的销售网络。这些企业在现有基础上稍加改造，即可成为二甲醚生产的主导企业，可生产99.9%的精制二甲醚和民用燃料，为我国中、小氮肥企业在短时间内成为农用化肥、工业及民用燃料、精细化工生产基地打下良好的基础。同时，对增强县级财政自给能力，减轻国家对支农企业财政补贴负担，使其更好地为农业生产服务，在农村全面建设小康生活有较大地推动作用。我省现有小氮肥企业48家，占全国的10%，是巨大的二甲醚生产源，如能尽快的在小氮肥企业实施“双塔二步一次合成法”制二甲醚的生产工艺，不仅有巨大的经济效益，也有良好的社会意义。
“双塔二步一次合成法”制二甲醚的生产工艺说明：
原料气经油水分离器，分离掉油水后进甲醇合成塔，在一定温度、压力及催化剂作用下，合成为粗甲醇，粗甲醇热气体和氢、氮气混合物直接进醚合成塔，在一定温度、压力及催化剂作用下，甲醇脱水生成二甲醚，醇醚混合物经废热锅炉、水冷、氨冷冷却后送入醇醚分离器，分离后的气体经洗涤送精炼工段；（或甲烷化工段即：构成甲醇、甲醚、甲烷化三甲工艺），而分离出的醇醚混合物送入中间储槽，后送特殊精馏工段，生产出高纯度二甲醚99.9%或配制成醇醚民用燃料替代石油液化气出售（见流程示意图）。本工艺最终产品为精二甲醚、精甲醇、醇醚混合燃料、粗甲醇四种。
去精炼或甲烷化
原料气
甲醇 二甲醚
油分 甲醇合成塔 二甲醚合成塔 废热锅炉 冷却分离 “二塔”精馏
（联产二甲醚流程示意图）
利用氮肥厂生产二甲醚的经济分析
（1）、消耗定额（以1吨二甲醚计）
序号 项目 单位 规格 数量
1 原 料 煤 T C=84% 1.5
2 软 水 T 11
3 冷 却 水 T 300
4 电 度 1500
5 蒸 汽 耗 T 1.0
6 双催化剂 Kg 0.07
7 精脱硫剂 Kg 0.02
(2)岗位定员
序号 岗位 定员 班次 总人数
1 气体净化 1 4 4
2 二甲醚合成 4 4 16
3 分 析 2 4 8
4 产品销售 2 1 2
5 管理人员 2 1 2
合计 32
（3）二甲醚成本估算（按一吨二甲醚计）
序号 项目 单位 单价（元） 总价（元）
1 原料煤 T 600 900
2 冷却水 T 0.04 12
3 软水 T 0.3 33
4 电 度 0.3 450
5 蒸汽 T 50 50
6 双催化剂 150
7 折旧 100
8 维修费 40
9 工资及附加费 54
10 销售及管理费 30
11 税金 250
总计 1919
说明：
1）各地区因原材料及动力价格不一样，其成本也不一样；
2）人工费只计算二甲醚装置范围内的人工工资及附加费；
3）折旧及维修费只计算了二甲醚装置范围内的投资费及维修费。
（4）企业经济效益和社会效益
以年产两万吨二甲醚计算。设备投资约350万元。包括甲醇二甲醚合成设备、精馏设备、精脱氨设备。（其中不含流动资金、安装及专利使用费等）
以全部生产醇、醚民用燃料，按最低售价4000元/吨。（现在液化气出厂价4800元/吨）年产20000吨，年销售收入8000万元，实现最低利税3000万元。在不到半年内既可收回全部投资，经济效益十分可观。若销售精二甲醚（吨售价6000元）则效益将更加明显！
“双塔一步法”制二甲醚或醇醚燃料工艺，是针对我国独有的以“煤头”、“气头”为原料的中、小型氮肥厂和煤气化工程而设计的。如果有联醇装置则只需投资400万元左右既可实现年产万吨级二甲醚生产线。目前化肥销售市场很不稳定，淡旺季价差较大，流资较大，财务费用较高，效益连年下滑，不少氮肥厂已难以维系走到停产、倒闭的边沿。这时如果将一部分化肥生产能力改建生产二甲醚及醇醚燃料，起到平衡淡旺季生产负荷、调整化肥企业产品结构单一、提高经济效益。可谓一举两得！在今天化肥形势日益严峻，经济效益连年下滑的情况下，欲想使企业走出困境，再创辉煌，只有走综合发展之路。把氮肥企业变成化肥基地、能源基地、综合化工基地。实现“三基”目标，这样才能使你的企业在激烈的市场竞争中立于不败之地！并使我国独有的小氮肥厂重现昔日光辉！
项目进展情况
该项目已引起河南省政府、省发改委、的高度重视，相继有多家化工有限公司批准实施。现在河北省邱县氮肥厂采用该专利技术，并于06年2月8日建成投产，一次开车成功，实现1万吨／年精二甲醚的工业化生产。经生产运行证明：反应自热平衡、产品质量稳定、（达到99.9%的精二甲醚质量标准）成本低廉、（每吨二甲醚约消耗1.6吨粗甲醇，1.0吨蒸汽）工艺简单、（增加3台设备）投资很省（年产1万吨二甲醚投资在300万以内）。经检索查新该技术处于国际领先水平！
建议和设想
（以河南省为例）河南省是农业大省，煤炭资源大省、同时也是化肥生产大省。坚持用高新技术和先进适用创新技术改造提升传统产业、优化工业结构，提高工业整体素质和效益。整合工业资源，加快产业聚合，调整企业组织结构，培育发展一批具有核心竞争能力的大型企业集团是未来企业发展的方向。化肥工业是我省化工行业的一只重要力量，截止到2002年底，河南省氮肥企业拥有53家。其中，大氮肥1家，中氮肥4家，小氮肥48家。尿素生产企业20家，碳酸氢铵生产企业33家。合成氨生产能力约480万吨。70%的氮肥企业拥有联产甲醇生产装置，生产能力约60万吨。若有50%来联产二甲醚年可生产15万吨，从而在根本上解决目前是由液化气的紧张局面，并且节约大量石油资源，实现一举多赢。
化肥是常年生产、季节性销售的商品，销售市场很不稳定，淡旺季价差较大，流资需求较大，财务费用较高。欲想使企业走出困境，再创辉煌，只有走综合发展之路，充分利用现有生产设备，拉长链条，使淡旺季生产负荷平衡、增加有效生产天数，摆脱产品结构单一的格局、提高经济效益。把氮肥企业变成支农化肥基地、工业及民用能源基地、综合化工基地。这样才能使你的企业在激烈的市场竞争中立于不败之地！并使我国独有的小氮肥厂重现昔日光辉！
化肥企业遍布全国基层的县、乡，拥有较为完善的销售网络。这些企业在现有基础上稍加改造，即可成为二甲醚生产的主导企业，可生产99.9%的精制二甲醚和民用燃料，为我国中、小氮肥企业在短时间内成为农用化肥、工业及民用燃料、精细化工生产基地打下良好的基础。同时，对增强县级财政自给能力，减轻国家对支农企业财政补贴负担，使其更好地为农业生产服务，在农村全面建设小康有较大地推动作用。如能尽快的在中、小氮肥企业实施“双塔一步法”制二甲醚的生产工艺，调整产品结构，并以此为契机大力发展企业集团，形成东西南北中的供应基地，不仅有巨大的经济效益，也有良好的社会效益。
用煤为原料生产二甲醚作为一种极有前途的代用清洁燃料，它的生产和应用受到世界各国的广泛关注，被称为21世纪的洁净燃料。利用“甲醇脱水制取二甲醚”适于已有联醇装置的氮肥厂。是投资少、见效快、极易实现工业化规模的一种模式，为解决我国中、小城市及发达地区农村的民用洁净燃料，可利用其一部分或全部加甲醇生产民用二甲醚液化气。从煤出发制取二甲醚是补充我国车用和民用燃料不足的一个十分现实的途径，并可改善我国大气质量和生态环境，有重大的经济和社会效益。由于我省的能源结构特点，煤或天然气制二甲醚适合我国国情。
有关专家认为较现实的是，在近20~30年内，在我国早日建立“二甲醚经济”，无论是民用替代石油液化气，或是大规模替代柴油，或是用于发电，其制备、储运、分配都比较容易解决。这与我国西部大开发和经济、环境协调发展的战略完全相符，并能促进新一代汽车、电力等能源工业的发展，比氢能经济更加“摸得着，做得着”。时间紧迫，有关部门应充分重视，及早全面规划。应该有一个高层次的发展二甲醚经济的目标，政府、工业部门、研究部门相结合，详细规划技术、市场、基础设施、政策等问题，在发展上有跨越式的前进。应充分利用比较分散的天然气资源和我国丰富的煤炭资源，大力推进煤的气化，使之有高转化效率，且扩大单炉规模，达到日处理煤2000~5000吨/天；发展一次通过煤制气为中心的电、化工原料、液体超清洁燃料的多联产，即IJCC模式，建立二甲醚的局部网络。
大力发展二甲醚工业可以在我省工业基础较发达和煤炭资源丰富的郑州、焦作、鹤壁等地区开始试点。生产出来的二甲醚第一步是家用或是用于生产其他高附加的化工产品，主要供应东部处于发达地区和石油液化气主要消费地区。同时进行多产联产系统的试点，联产电力和二甲醚，用城市燃气管网或槽车，供给本地居民，来改变小城镇及乡村的能源结构，改善环境，保护生态，提高当地人民的生活质量。