Tiêu chuẩn Ký hiệu Đơn vị Nhĩm L Nhĩm H Ghi chú
Tỉ trọng chuẩn d 0,55 – 0,7 Cho phép sai lệch Nhiệt trị cháy HV kWh/m 3 MJ/m3 8,4 – 13,1 30,2 – 47,2 Cho phép sai lệch Chỉ số Wobbe WI kWh/m 3 MJ/m3 10,5 – 13,0 37,8 – 46,8 12,8 – 15,7 46,1 – 56,5 Quy định nghiêm ngặt 1.2.2.4. Chỉ số methane (Methane Number)
Chỉ số methane cho biết khả năng chống kích nổ của nhiên liệu khí khi sử dụng trong động cơ đốt trong, tương tự như chỉ số octane (ON) của xăng. Thang đo của chỉ số octane khơng phù hợp với khí thiên nhiên khi mà giá trị đặc trưng của chỉ số octane của khí thiên nhiên thường nằm trong khoảng 115-130 và giá trị chỉ số octane của methane là 140.
Để thể hiện đặc thù về khả năng chống kích nổ của các loại nhiên liệu khí, người ta đưa ra khái niệm mới, đĩ là chỉ số methane (MN). Chỉ số này được tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO đề xuất và phát triển [22]. Theo tiêu chuẩn này, khả năng chống kích nổ của nhiên liệu khí được xác định dựa vào hỗn hợp quy chiếu là methane tinh khiết (MN=100) và hydro (MN=0). Nếu trong thành phần nhiên liệu khí cĩ lẫn nhiều hydrocarbon nặng thì khả năng chống kích nổ hay chỉ số methane (MN) sẽ giảm. Với nhiên liệu khí cĩ chứa thành phần CO2, khí cĩ khả năng chống kích nổ cao thì chỉ số methane của loại nhiên liệu khí này sẽ tăng. Biogas chứa một lượng lớn khí CO2, do vậy trong q trình lọc loại bỏ khí CO2 cần lưu ý đến khả năng chống kích nổ phù hợp với động cơ sử dụng.
Quan hệ giữa chỉ số octane động cơ (MON) và chỉ số Methane (MN) của nhiên liệu khí cĩ thể được biểu diễn bởi cơng thức sau [7]:
MN 1, 224.(MON) 103, 42
MON của nhiên liệu khí cĩ thể được xác định dựa vào thành phần khí:
2 2
methane ethane propane but an e
CO N
MON (137, 78x ) (29, 948x ) (-18,193x ) (-167, 062x )
(181, 233x ) (26, 994x )
Với x là thành phần mol của các khí thành phần tương ứng cĩ trong hỗn hợp. Theo tiêu chuẩn châu Âu, giá trị của chỉ số methane đối với nhiên liệu khí phải nằm trong khoảng 70-100. Phụ lục 1 thể hiện tiêu chuẩn biogas qui định ở một số nước phát triển ở châu Âu.
1.3. Động cơ đốt trong chạy bằng biogas
Động cơ đốt trong sử dụng biogas làm nhiên liệu cĩ thể là động cơ đánh lửa cưỡng bức hay động cơ nhiên liệu kép. Động cơ nhiên liệu kép phun khoảng 10% đến 20% nhiên liệu diesel mồi được sử dụng rộng rãi ở dải cơng suất nhỏ vì phương án này cĩ hiệu quả phát điện cao. Tuy nhiên chúng lại cĩ nhược điểm là mức độ phát thải cao hơn. Mặt khác, phương án này cĩ thuận lợi là khi khơng cịn biogas, động cơ vẫn cĩ thể chạy hồn tồn bằng diesel [7].
Bảng 1.4. So sánh tính năng phát điện bằng biogas với những giải pháp khác nhau
Tiêu chí Động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức Động cơ nhiên liệu kép Động cơ đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ diesel Micro turbine Hiệu suất (%) 24-29 30-38 35-42 26-29
Bảo trì Cao Cao Trung bình Thấp
Đầu tư Thấp Trung bình cao Trung bình Cao
Cơng suất (kW) 5-30 30-200 >200 <100
Tuổi thọ Thấp Trung bình Cao Cao
Động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hệ thống đánh lửa truyền thống và bộ tạo hỗn hợp biogas/khơng khí. Động cơ này cĩ thể làm việc với thành phần hỗn hợp vừa đủ hay nghèo. Động cơ cỡ lớn thường làm việc với hỗn hợp nghèo ( < 1) để tăng tính hiệu quả. Bảng 1.4 so sánh tính năng phát điện bằng biogas với những giải
pháp khác nhau. Hầu hết cơng nghệ phát điện bằng nhiên liệu biogas hiện nay đều sử dụng động cơ đốt trong.
Lĩnh vực sử dụng biogas để phát điện qui mơ lớn, trên thế giới hiện nay đã sản xuất và thương mại hĩa các động cơ chuyên dùng sử dụng biogas làm nhiên liệu như hãng GE Energy Jenbacher - Úc, cĩ cơng suất từ 330kW đến 3MW [14], hoặc hãng Jinan Diesel Engine Co., Ltd của Trung Quốc sản xuất các động cơ biogas chuyên dùng cĩ cơng suất từ 150-660kW [17].
Các động cơ thiết kế chuyên dùng cho biogas thường cĩ giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống. Cơng ty Yanmar (Nhật Bản) đã thương mại hĩa máy phát điện chạy bằng biogas (từ tháng 12 năm 2007) với giá 106.000USD cho một máy cĩ cơng suất 25kW [4]. Hoặc như Hãng Shandong Shengdong Power Machinery của Trung Quốc [16] thương mại hĩa các máy phát điện chạy bằng biogas cĩ cơng suất từ 120kW đến 500kW với giá thay đổi từ 52.000USD đến 137.000USD, cao hơn gấp 3 lần so với máy phát điện chạy bằng diesel cùng cỡ (so sánh với bảng giá của trang web vatgia.com, máy phát điện diesel CUMMINS CW150S, 150KVA giá 16.479USD, máy phát điện diesel 600KVA giá 43.406USD [3]). Nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ này phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần nhiên liệu, áp suất cung cấp, v.v... Những động cơ biogas chuyên dụng này chỉ chạy được bằng biogas, khơng chạy được bằng nhiên liệu lỏng.
Một số động cơ cỡ nhỏ (cơng suất khoảng vài kW) chạy bằng biogas của Trung Quốc (như động cơ FYG2500 cơng suất 2kW của hãng Feigue, HW3500 cơng suất 3kW của hãng Huawei) cĩ kết cấu đơn giản làm việc theo nguyên lý động cơ đánh lửa cưỡng bức. Do cung cấp biogas trực tiếp cho động cơ qua bộ chế hịa khí đơn giản, điều chỉnh tải bằng cách thay đổi lượng hỗn hợp cung cấp cho động cơ (điều chỉnh theo lượng) khơng cĩ bộ điều tốc tác động phía biogas nên tốc độ động cơ khơng ổn định, động cơ thường tắt máy khi tải tăng đột ngột [7].
Để sản xuất 1kWh điện, động cơ tiêu thụ khoảng 1m3 biogas [2]. Vì vậy, để cĩ thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ trong thực tiễn, hầm biogas phải sản sinh ít nhất 10m3 biogas mỗi ngày. Do đĩ, những hầm biogas quá nhỏ khơng phù
hợp với mục đích sử dụng trên động cơ đốt trong.
Động cơ đốt trong tĩnh tại chạy bằng biogas chủ yếu dùng để kéo máy phát điện và các máy cơng tác phục vụ sản xuất và đời sống ở nơng thơn (Hình 1.7).
Vì biogas cĩ năng lượng thể tích thấp hơn khí thiên nhiên hay diesel nên cơng suất động cơ cĩ thể bị giảm khi chuyển sang chạy bằng biogas. Mức giảm này cĩ thể lên đến 13% so với động cơ chạy bằng khí thiên nhiên. Mặt khác, độ giảm cơng suất cĩ thể gia tăng nếu khơng điều chỉnh gĩc đánh lửa sớm, thay đổi kích cỡ bugi và khe hở các cực, gĩc độ phối khí…
Khi chuyển đổi động cơ xăng sang chạy bằng biogas, cơng suất định mức của nĩ cĩ thể giảm đến 30%. Cĩ thể tăng cơng suất định mức động cơ biogas nhờ tăng tỉ số nén động cơ lên =11-12 nhưng điều này lại làm tăng tải cơ và tải nhiệt lên động cơ.
Động cơ diesel cĩ thể chuyển sang chạy bằng biogas theo một trong hai cách sau:
- Động cơ nhiên liệu kép: Bổ sung bộ chế hịa khí để cung cấp biogas và cơ cấu chỉnh lượng phun diesel tối thiểu để đánh lửa mồi. Động cơ nhiên liệu kép thường sử dụng 10-20% nhiên liệu diesel để đánh lửa mồi. Biogas cĩ thể thay thế đến 80% nhiên liệu diesel. Thơng thường tính năng động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel tương đương với tính năng của động cơ khi chạy hồn tồn bằng diesel.
Khi lượng diesel của ngọn lửa pilot cao, động cơ cĩ thể bị kích nổ làm tăng áp suất và nhiệt độ động cơ. Persson (1981) cho rằng gĩc đánh lửa sớm tối ưu của động
cơ nhiên liệu kép là 24 trước ĐCT [49]. Khi động cơ nhiên liệu kép làm việc với hỗn hợp methane-khơng khí nghèo, thành phần các chất ơ nhiễm trong khí thải giảm.
- Chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas: Tỉ số nén động cơ cần giảm xuống cịn khoảng =11-12 và trang bị hệ thống cung cấp biogas. Do đặc thù biogas cĩ chứa một tỉ lệ nhất định CO2 nên hỗn hợp biogas- khơng khí cĩ tốc độ cháy chậm và khả năng chống kích nổ tốt hơn, nghĩa là cĩ thể làm việc với động cơ cĩ tốc độ thấp và tỉ số nén cao [50], [51]. Vì vậy, tỉ số nén cao và kết cấu bền vững của động cơ diesel là ưu điểm chính khi chuyển đổi thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas nghèo.
Phối hợp tạo năng lượng được định nghĩa là việc sản sinh đồng thời hai hay nhiều dạng năng lượng từ một nguồn nhiên liệu (CHP). Thơng thường là năng lượng điện và năng lượng nhiệt dưới dạng nước nĩng (Hình 1.8). Ví dụ như khi tận dụng lượng nhiệt thải ra từ động cơ kéo máy phát điện dùng để sưởi, làm nĩng nước hay chạy máy lạnh hấp thụ, hoặc sử dụng biogas để chạy lị hơi cung cấp hơi nước cho turbine hơi và tận dụng nhiệt thừa để đun nước nĩng…
Động cơ đốt trong thường được dùng nhất trong hệ thống CHP vì giá thành thấp, dễ chuyển đổi nhiệt. Turbine khí (microturbine cĩ cơng suất 25-100kW, turbine lớn cĩ cơng suất lớn hơn 100kW) cĩ hiệu suất tương đương với động cơ đánh lửa cưỡng bức cĩ thể được sử dụng trong hệ thống CHP để sản xuất đồng thời nhiệt năng và cơ năng. Việc sử dụng biogas trong các hệ thống này địi hỏi phải lọc sạch hơi nước và lọc H2S xuống dưới 1.000ppm [15].
Trong thực tế sử dụng, người ta cố gắng sao cho sự phối hợp tạo năng lượng đem lại hiệu quả cao nhất cĩ thể được trong khoảng thời gian dài nhất. Nếu biogas cĩ đủ để sản xuất 1.000kWh điện mỗi ngày thì việc sản xuất 50kW trong 20 giờ mỗi ngày sẽ hiệu quả hơn là chạy 100kW trong 10 giờ mỗi ngày.
Khi tính tốn tải nhiệt của quá trình, cần xem xét chất lượng nhiệt thu hồi được. Nguồn năng lượng dự trữ cĩ thể được bổ sung cho nguồn năng lượng này trong q trình sử dụng. Ví dụ để khống chế nhiệt độ của hệ thống kỵ khí cĩ thể phải cần đến hơn 40% năng lượng chứa trong biogas để duy trì nhiệt độ.
Hình 1.8. Sử dụng biogas trong hệ thống đồng sản xuất năng lượng
Hiệu quả sử dụng năng lượng đối với hệ thống đồng sản xuất điện năng và nhiệt năng sử dụng động cơ nhiên liệu kép biogas-diesel và động cơ biogas được giới thiệu trên Hình 1.9.
Hình 1.9. Hiệu quả sản xuất năng lượng bằng động cơ nhiên liệu kép và động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas
30-40% Điện 40-50% Nhiệt 90% Biogas 10% Diesel
Động cơ nhiên liệu kép Biogas-Diesel Máy phát điện 20-35% Điện 45-55% Nhiệt 100% Biogas Động cơ Biogas Máy phát điện Biogas Lưu lượng kế Hầm biogas Khí thải Đuốc Thiết bị sử dụng nhiệt Điện năng Chất thải Xử lý sơ bộ Chuẩn bị nguyên liệu Bùn Bộ trao đổi nhiệt
1.4. Các nghiên cứu sử dụng biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức
Derus (1983) đề nghị thành phần tối thiểu của methane trong biogas dùng cho động cơ 4 kỳ là 35% với nhiệt trị 14,89MJ/m3 [26]. Mặt khác hỗn hợp methane và carbonic khơng thể cháy được nếu thể tích carbonic lớn hơn 3 lần so với thể tích methane (Coward 1952) [25]
Jewell và các cộng sự (1986) cho rằng hiệu suất điện tối ưu đạt được 26% khi hệ thống đồng sản xuất năng lượng hoạt động ở tỉ lệ tương đương 0,8-0,9. Hiệu suất này giảm xuống dưới 20% đối với hỗn hợp giàu với tỉ lệ tương đương tăng lên đến 1,3. Hiệu suất tối ưu đạt được đối với hỗn hợp nghèo cũng được nhiều tác giả khác cơng bố. Neyeloff (1981) khẳng định hiệu suất tối ưu đạt được khi tỉ lệ khối lượng khơng khí-nhiên liệu methane nằm trong khoảng 7,69-11,76 [48].
Jewell (1986) đề xuất gĩc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ 25kW chạy bằng biogas chứa 60% methane nằm trong khoảng 33 đến 45 trước ĐCT [38]. Walsh (1986) đưa ra các kết quả nghiên cứu cho thấy động cơ 55kW sử dụng biogas tương tự cĩ gĩc đánh lửa sớm tối ưu là 45 trước ĐCT.
Sự hiện diện của một lượng lớn các chất pha lỗng biogas làm giảm nhiệt trị cũng như chỉ số Wobbe của biogas khi so sánh với khí thiên nhiên. Nhiệt sinh ra từ quá trình cháy bị các chất pha lỗng hấp thụ. Điều này làm giảm nhiệt độ cháy và cũng là nguyên nhân làm giảm tốc độ làn tràn màng lửa. Khi tỉ lệ CO2 trong biogas càng cao thì lượng nhiệt bị hấp thụ bởi CO2 càng tăng, dẫn đến nhiệt độ cháy giảm đáng kể (Hình 1.10). Nếu sấy nĩng hỗn hợp khí nạp sẽ làm tăng nhiệt độ ngọn lửa nhưng lại dẫn đến việc CO2 bị phân giải tạo ra nhiều CO hơn theo khí thải đi ra ngồi mơi trường.
Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức, cần tăng thời điểm đánh lửa sớm hơn để cĩ đủ thời gian cho ngọn lửa biogas lan tràn nhằm nhận được cơng chỉ thị cao hơn. Hình 1.11 cho thấy ví dụ về ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến cơng suất động cơ [46].
Năm 1992 G. A. Karim và I. Wierzba thuộc đại học Calgary đã nghiên cứu về các đặc tính nhiệt động lực và động lực của quá trình cháy của hỗn hợp methane- khơng khí cĩ sự hiện diện của CO2 [40]. Sau đấy, G. A. Karim tiếp tục mơ tả hiện tượng cháy biogas trong động cơ đốt trong [20], [21]. Để nâng cao các giới hạn cháy của biogas như là tốc độ cháy thấp và giới hạn khả năng cháy, K. Tanoue đã nghiên cứu việc bổ sung thêm hydro vào hỗn hợp methane nghèo [60]. Ý tưởng của việc thêm hydro vào khí thiên nhiên cũng đã được nghiên cứu trước đĩ nhằm nâng cao khả năng cháy của khí thiên nhiên trong động cơ đốt trong [20]. Hiệu suất nhiệt của động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng nhiên liệu khí methane được cải thiện khi bổ sung một lượng tương đối nhỏ hydro. Điều này càng rõ nét hơn khi động cơ làm việc với hỗn hợp cĩ độ đậm đặc nhỏ hơn 1 khá nhiều nhờ khả năng cháy nhanh hơn và cháy sạch hơn của nhiên liệu hydro so với methane. Suất tham dự tối ưu của hydro để đảm bảo tăng cơng suất động cơ mà khơng để xảy ra hiện tượng cháy kích nổ là khoảng từ 20-25% tính theo thể tích trong điều kiện thử nghiệm tỉ số nén động cơ 8,5-10, gĩc đánh lửa sớm 20o trước ĐCT, độ đậm đặc của hỗn hợp từ 0,6 đến 1,2 (Hình 1.12) [60].
Hình 1.10. Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến nhiệt độ ngọn lửa
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 400 800 1200 1600 2000 2400 50 80 100 T = 300K METHANE VÀ CARBONIC %CH Tỉ lệ tương đương Nh iệt đ ộ n go ïn lư ûa (K ) o 4 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 0 10 20 30 40 Góc đánh lủa sớm Cơng suất chỉ th ị (kW ) Methane Biogas từ rác chơn lấp
Hình 1.11. Ảnh hưởng của gĩc đánh lửa sớm đến cơng suất động cơ
Hình 1.12. Biến thiên cơng suất chỉ thị khi động cơ sử dụng hỗn hợp methane – hydrogen theo độ đậm đặc của hỗn hợp (a); theo thành phần hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu (b)
Tỉ số nén 8,5, gĩc đánh lửa sớm 20o và nhiệt độ khí nạp 298K [60]
So với khí thiên nhiên thì biogas cĩ giới hạn cháy hẹp hơn. Thành phần CO2 trong biogas càng lớn thì giới hạn cháy càng hẹp (Hình 1.13). Giới hạn cháy cịn phụ thuộc vào vận tốc dịng khí. Karim kết luận rằng khi chỉ số Reynolds tăng sẽ làm thu hẹp giới hạn cháy. Trong các thí nghiệm của ơng, khơng thể đốt cháy hỗn hợp khi chỉ số Reynolds trên 12.000 [40]. Do chứa một lượng đáng kể CO2 nên biogas cĩ thể sử dụng làm nhiên liệu trong các động cơ cĩ tỉ số nén cao mà khơng sợ kích nổ. Tuy nhiên, tốc độ cháy chậm của biogas đặc biệt trong động cơ tăng áp cĩ thể dẫn đến kích nổ khi tải lớn. Các thí nghiệm trước đĩ cho thấy cĩ thể tăng tỉ số nén đến 16:1. Tăng tỉ số nén làm tăng hiệu suất động cơ và hiệu quả chuyển đổi năng lượng tốt hơn trong buồng cháy [53]. Hình 1.14 cho thấy cơng suất tăng đáng kể khi tăng tỉ số nén, đặc biệt ở vùng hỗn hợp giàu và