1.2. Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
1.2.2.Các tiêu chí xác định tiêu chuẩn đối với khí thiên nhiên và nhiên liệu thay
thay thế khí thiên nhiên
1.2.2.1. Nhiệt trị cháy (Heating Value-HV)
Theo tiêu chuẩn ISO 6976 cĩ thể xác định nhiệt trị cháy của nhiên liệu khí dựa trên thành phần hỗn hợp nhiên liệu khí 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 cĩ mặt trong nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí tổng hợp, biogas,...) được cho chi tiết trong tiêu chuẩn này.
1.2.2.2. Tỉ trọng tiêu chuẩn (Specific Gravity – SG)
Tỉ trọng tiêu chuẩn của khí là tỉ lệ giữa khối lượng riêng của khí và khối lượng riêng của khơng khí khơ xác định tại cùng nhiệt độ và áp suất được tiêu chuẩn hĩa theo tiêu chuẩn ISO 6976. Trong điều kiện áp suất tiêu chuẩn (101,325kPa) cĩ thể xem cả nhiên liệu khí và khơng khí như khí lý tưởng, khi đĩ cơng thức xác định tỉ trọng khí được đơn giản hĩa như sau:
a g
M M d
1.2.2.3. Chỉ số Wobbe (Wobbe Index)
Chỉ số Wobbe (WI) là thơng số quan trọng của khí thiên nhiên và các nhiên liệu thay thế dạng khí khác. Đây là giá trị được quy định trong các bộ tiêu chuẩn cung cấp nhiên liệu khí, làm khí đốt hay làm nhiên liệu trong lĩnh vực giao thơng vận tải. Chỉ số Wobbe được sử dụng để so sánh nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cháy của những nhiên liệu khí cĩ thành phần khác nhau. Lượng nhiệt sinh ra trong q trình cháy của nhiên liệu khí tỉ lệ tuyến tính với chỉ số Wobbe [61]. Nếu hai loại nhiên liệu cĩ 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 và do đĩ được sử dụng như một tiêu chuẩn để tăng hiệu quả của các thiết bị sử dụng khí như đầu đốt, turbine khí hay động cơ,…
Chỉ số Wobbe được xác định thơng qua giá trị nhiệt trị cháy HV và tỉ trọng tiêu chuẩn của nhiên liệu khí d:
d HV
Tùy thuộc giá trị nhiệt trị cháy là nhiệt trị cao hay nhiệt trị thấp mà ta cũng cĩ chỉ số Wobbe cao và thấp [41]. Tiêu chuẩn về chỉ số Wobbe được quy định cụ thể trong bảng tiêu chuẩn về nhiên liệu khí ở châu Âu (Bảng 1.3). Theo quy định của châu Âu, cĩ hai nhĩm nhiên liệu khí: nhĩm cĩ nhiệt trị cháy cao (nhĩm H) và nhĩm cĩ nhiệt trị cháy thấp (nhĩm L). Nhĩm H dành cho khí cĩ chứa một lượng lớn methane và kèm theo một số hydrocarbon khác. Nhĩm L dành cho khí cĩ chứa ít methane hơn và chứa một lượng đáng kể nitơ hoặc khí carbonic.
Bảng 1.3. Các tiêu chí theo bộ tiêu chuẩn DVGW G 260
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.