2.1. Yêu cầu chất lượng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
2.1.1. Tiêu chuẩn khí thiên nhiên và biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
Với thành phần chủ yếu là khí methane, biogas có thể so sánh với khí thiên nhiên về tính chất cũng như mục đích sử dụng. Tùy theo quy mơ sản xuất và mục
đích sử dụng, biogas có thể được hịa vào mạng lưới khí thiên nhiên để vận chuyển đến nơi tiêu thụ. Khi đó, tiêu chuẩn dành cho khí thiên nhiên hồn tồn có thể áp
dụng cho biogas.
Bảng 2.1 tổng hợp công nghệ ứng dụng biogas và những tiêu chuẩn về chất lượng biogas sử dụng cho các mục đích khác nhau. Nhiên liệu biogas sử dụng cho các phương tiện giao thông cơ giới phải nâng cấp đạt chất lượng cao (tương đương
Bảng 2.1: Công nghệ ứng dụng biogas và yêu cầu xử lý [5], [6]
Công nghệ sử dụng Yêu cầu xử lý các chất khí
Đun nấu (Nồi hơi) H2S<1000 ppm, Áp suất: 0,8-2,5 kPa, loại bỏ cặn
Động cơ đốt trong H2S<100 ppm, Áp suất: 0,8-2,5 kPa, loại bỏ cặn, siloxanes
Microturbines H2S đạt 70 ppm, Áp suất 520 kPa loại bỏ cặn, siloxanes
Pin nhiên liệu
PEM: CO <10 ppm, loại bỏ H2S
PAFC: H2S <20 ppm, CO <10 ppm, Halogens < 1 ppm MCFC: H2S <10 ppm đối với nhiên liệu
H2S <0,5 ppm đối với stec, Halogens <1 ppm SOFC: H2S <1 ppm, Halogens <1 ppm
Động cơ Stirling H2S<1000 ppm, Áp suất: 1-14 kPa
Nâng cấp thành khí thiên nhiên
H2S < 4 ppm, CH4> 95%, CO2<2 % thể tích, H2O <(10-4) kg/mm3, loại bỏ cặn, siloxanes, Áp suất >3000 kPa
Đối với một số thiết bị như nồi hơi, động cơ đốt ngoài Stirling, tiêu chuẩn
khi sử dụng nhiên liệu biogas ít nghiêm ngặt hơn do chúng là loại thiết bị đốt ngoài. Các loại động cơ đốt trong và microturbines đòi hỏi các tiêu chuẩn cao hơn về hàm lượng các tạp chất có trong biogas. Trong khi đó, biogas khi sử dụng cho pin nhiên liệu cần được xử lý nghiêm ngặt nhất vì những tạp chất có mặt trong biogas sẽ tác
động rất xấu đến các q trình điện hóa. Ngồi ra, biogas có thể nâng cấp để hịa
vào mạng lưới khí thiên nhiên sử dụng cho các phương tiện giao thông cơ giới. Các bộ tiêu chuẩn chất lượng khí thiên nhiên được áp dụng hiện nay trên thế giới gồm:
Bộ tiêu chuẩn của tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO: mô tả chỉ định những tiêu
chuẩn chất lượng mà không nêu lên giới hạn của những tiêu chuẩn này gồm: – ISO 13868 “Natural gas – Quality designation” (Khí thiên nhiên –
Các tiêu chuẩn).
– ISO 13443 “Natural gas – Standard reference conditions” (Khí thiên
– ISO 15403 “Natural gas – Designation of the quality of natural gas for use as a compressed fuel for vehicles” (Khí thiên nhiên – Tiêu chuẩn
chất lượng yêu cầu đối với việc sử dụng như nhiên liệu khí nén cho
phương tiện giao thơng).
Bộ tiêu chuẩn của Đức: DVGW (Deutsche Vereinigung des Gas–und
Wasserfaches) G 260 “Gasbeschaffenheit”, mô tả các yêu cầu đối với tất cả các
khí khác sử dụng làm nhiên liệu với mục đích thay thế khí thiên nhiên. Bộ tiêu chuẩn này đưa ra giới hạn nghiêm ngặt về chỉ số Wobbe cho từng đối tượng sử dụng tùy thuộc thành phần khí cũng như khả năng xử lý có thể.
Ngồi ra cịn có bộ tiêu chuẩn của châu Âu EN 437 phức tạp hơn trong đó mơ tả chi tiết giới hạn và các u cầu về chỉ số Wobbe.
Có nhiều thơng số được sử dụng để so sánh các tính chất của nhiên liệu
biogas với khí thiên nhiên. Giá trị các thông số vật lý phổ biến như nhiệt trị cháy thấp, khối lượng riêng, tỉ số khơng khí/nhiên liệu, chỉ số Wobbe,... được trình bày trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Giá trị các thông số vật lý cơ bản của khí thiên nhiên và biogas [6]
Thơng số Đơn vị Khí chơn
lấp Biogas từ hầm ủ kỵ khí Khí thiên nhiên vùng Biển Bắc Khí thiên nhiên ở Hà Lan Nhiệt trị cháy thấp MJ/Nm3 kWh/Nm3 MJ/kg 16 4,40 12,30 23 6,50 20,20 40 11 47 31,6 8,8 38
Khối lượng riêng kg/Nm3 1,30 1,20 0,84 0,80
Chỉ số Wobbe MJ/Nm3 >18 >27 >55 >43,70
Chỉ số Methane >130 >135 70 -
2.1.2. Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay thế khí thiên nhiên
Nhiệt trị cháy (Heating Value-HV):
Theo tiêu chuẩn ISO 6976 có thể xác định nhiệt trị cháy của nhiên liệu khí dựa trên thành phần hỗn hợp nhiên liệu và các giá trị nhiệt trị cháy tương ứng của
các khí thành phần trong hỗn hợp. Giá trị nhiệt trị cháy của các khí tiêu biểu có mặt trong nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí tổng hợp, biogas,...) được cho chi tiết trong tiêu chuẩn này.
Tỷ trọng tiêu chuẩn (Specific Gravity – SG):
Tỷ trọng tiêu chuẩn của khí là tỷ số giữa khối lượng riêng của khí nhiên liệu (Mg) và khối lượng riêng của khơng khí khơ (Ma) xác định tại cùng nhiệt độ và áp suất được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ISO 6976. Trong điều kiện áp suất tiêu
chuẩn (101,325 kPa) có thể xem cả khí nhiên liệu và khơng khí như khí lý tưởng, cơng thức xác định tỷ trọng của khí được đơn giản hóa như sau:
a g
M M
d (2.1)
Chỉ số Wobbe (Wobbe Index):
Chỉ số Wobbe (WI) là thông số quan trọng của khí thiên nhiên và các nhiên liệu khí thay thế khác. Đây là giá trị thường xuyên được quy định trong các bộ tiêu chuẩn cung cấp nhiên liệu khí, làm khí đốt hay làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông cơ giới. Chỉ số Wobbe được sử dụng để so sánh nhiệt lượng sinh ra
trong quá trình cháy của những nhiên liệu khí có thành phần khác nhau. Lượng nhiệt sinh ra trong q trình cháy của nhiên liệu khí tỷ lệ tuyến tính với chỉ số Wobbe. Nếu hai loại nhiên liệu có cùng giá trị chỉ số Wobbe thì các thơng số cài đặt liên quan đến áp suất tại van cấp khí và năng lượng đầu ra sẽ giống hệt nhau. Chỉ số Wobbe là một yếu tố quan trọng để giảm thiểu tác động của biến nhiễu trong q
trình cung cấp khí, do đó được sử dụng như một tiêu chuẩn để tăng hiệu quả của các thiết bị sử dụng khí như đầu đốt, tuabin khí hay động cơ,…
Chỉ số Wobbe được xác định thông qua giá trị nhiệt trị cháy (HV) và tỷ trọng tiêu chuẩn của nhiên liệu khí (d) theo phương trình sau:
d HV
WI (2.2) Tùy thuộc giá trị nhiệt trị cháy, với nhiệt trị cháy cao (HHV) hay nhiệt trị cháy thấp (LHV) mà ta cũng có chỉ số Wobbe tương ứng cao và thấp. Tiêu chuẩn về chỉ số Wobbe được quy định cụ thể trong bảng tiêu chuẩn về nhiên liệu khí ở châu Âu được trình bày trong bảng 2.3. Theo quy định này, có hai nhóm nhiên liệu khí: nhóm có nhiệt trị cháy cao (nhóm H) và nhóm có nhiệt trị cháy thấp (nhóm L). Nhóm H dành cho khí có chứa một lượng lớn methane và kèm theo một số hydrocacbon khác. Nhóm L dành cho khí có chứa ít methane hơn và chứa một lượng đáng kể nitơ hoặc khí cacbonic.
Bảng 2.3: Các tiêu chí theo bộ tiêu chuẩn DVGW G 260 [6]
Thông số Ký
hiệu Đơn vị Nhóm L Nhóm H Ghi chú
Tỷ trọng chuẩn d – 0,55 – 0,70 Cho phép sai lệch Nhiệt trị cháy HV kWh/m 3 MJ/m3 8,40 – 13,10 30,20 – 47,20 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
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.
Khả năng chống kích nổ của nhiên liệu lỏng (xăng) được xác định trên động cơ tiêu chuẩn 1 xylanh Cooperative Fuel Research (CFR) thông qua 2 chỉ tiêu RON (chỉ số octane nghiên cứu) và MON (chỉ số octane động cơ) sử dụng hỗn hợp quy chiếu là 2, 2, 4 trimethylpentane (đặc trưng bởi ON=100) và n-heptane (đặc trưng
bởi ON=0). Thang đo của chỉ số octane không phù hợp với khí thiên nhiên khi mà
giá trị đặc trưng của chỉ số octane của khí thiên nhiên thường trong khoảng 115-
130, và 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 là chỉ số methane và được tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
ISO đề xuất và phát triển. 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 khí nhiên liệu có lẫn nhiều hydrocacbon nặng thì khả năng chống kích nổ hay chỉ số methane (MN) sẽ giảm. Với nhiên liệu khí có chứa thành phần CO2, khí có khả năng chống kích nổ cao thì chỉ số methane của loại nhiên liệu khí này sẽ tăng. Biogas có chứa một lượng lớn khí CO2, do vậy trong q trình 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 có thể được biểu diễn bởi cơng thức 2.3 [6]:
MN = 1,624 (MON) – 119,1 (2.3)
MON của nhiên liệu khí có thể được xác định dựa vào thành phần khí theo biểu thức 2.4 [6]:
MON=(137,78xmethane)+(29,948xethane)+(-18,193xpropane)+(-167,062xbutane)+
(181,233xCO2) + (26,994xN2) (2.4)
Với x là thành phần mol của các khí thành phần tương ứng có trong hỗn hợp.
Theo tiêu chuẩn châu Âu EN 437, giá trị của chỉ số methane đối với nhiên liệu khí phải nằm trong khoảng 70 -100.
Năm 1999, Thụy Điển đã phát triển một bộ tiêu chuẩn quốc gia đối với
biogas làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông cơ giới theo yêu cầu của các nhà sản xuất ô tô Thụy Điển trên cơ sở thiết kế hệ thống nhiên liệu cho động cơ. Các
thơng số chính của tiêu chuẩn được mơ tả trong bảng 2.4. Bộ tiêu chuẩn này của
Bảng 2.4: Tiêu chuẩn sử dụng biogas làm nhiên liệu của Thụy Điển [6]
Thông số Đơn vị Giới hạn quy định Ghi chú Chỉ số Wobbe thấp MJ/Nm3 43,90 – 47,31 [CH4] = 95 – 99%
MON (Motor Octane Number) - >130 ISO 15403
Điểm sương của nước 0C < tambiant – 5
CO2 + O2 + N2 %vol < 5
O2 %vol < 1
Tổng lượng lưu huỳnh mg/Nm3 < 23
NH3 mg/Nm3 20
Ngoài ra, một số quốc gia khác như Thụy Sĩ, Đức, Pháp đã xây dựng bộ tiêu chuẩn riêng để ứng dụng biogas làm nhiên liệu tương tự như khí thiên nhiên.