Các bảng sau đây tính toán thành phần theo thể tích và thành phần theo khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen theo thành phần CH4 trong biogas trong 4 trường hợp: 5%, 10%, 15% và 20% thể tích Hydrogen trong biogas.
Bảng 3.1. Tính toán thành phần theo thể tích và khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen với 5% thể tích hydrogen trong biogas.
BIOGAS BLEND BLEND
%V %V %M
CH4 CO2 H2/biogas CH4 CO2 H2 CH4 CO2 H2
100 0 5 0.952381 0 0.047619 0.993789 0 0.006211 95 5 5 0.904762 0.047619 0.047619 0.868571 0.125714 0.005714 90 10 5 0.857143 0.095238 0.047619 0.761905 0.232804 0.005291 85 15 5 0.809524 0.142857 0.047619 0.669951 0.325123 0.004926 80 20 5 0.761905 0.190476 0.047619 0.589862 0.40553 0.004608 75 25 5 0.714286 0.238095 0.047619 0.519481 0.47619 0.004329 70 30 5 0.666667 0.285714 0.047619 0.457143 0.538776 0.004082 65 35 5 0.619048 0.333333 0.047619 0.401544 0.594595 0.003861 60 40 5 0.571429 0.380952 0.047619 0.351648 0.644689 0.003663 55 45 5 0.52381 0.428571 0.047619 0.30662 0.689895 0.003484 50 50 5 0.47619 0.47619 0.047619 0.265781 0.730897 0.003322
Bảng 3.2. Tính toán thành phần theo thể tích và khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen với 10% thể tích hydrogen trong biogas.
BIOGAS BLEND BLEND
%V %V %M
CH4 CO2 H2/biogas CH4 CO2 H2 CH4 CO2 H2
100 0 5 0.952381 0 0.047619 0.993789 0 0.006211 95 5 5 0.904762 0.047619 0.047619 0.868571 0.125714 0.005714 90 10 5 0.857143 0.095238 0.047619 0.761905 0.232804 0.005291 85 15 5 0.809524 0.142857 0.047619 0.669951 0.325123 0.004926 80 20 5 0.761905 0.190476 0.047619 0.589862 0.40553 0.004608 75 25 5 0.714286 0.238095 0.047619 0.519481 0.47619 0.004329 70 30 5 0.666667 0.285714 0.047619 0.457143 0.538776 0.004082 65 35 5 0.619048 0.333333 0.047619 0.401544 0.594595 0.003861 60 40 5 0.571429 0.380952 0.047619 0.351648 0.644689 0.003663 55 45 5 0.52381 0.428571 0.047619 0.30662 0.689895 0.003484 50 50 5 0.47619 0.47619 0.047619 0.265781 0.730897 0.003322
Bảng 3.3. Tính toán thành phần theo thể tích và khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen với 15% thể tích hydrogen trong biogas.
BIOGAS BLEND BLEND
%V %V %M
CH4 CO2 H2/biogas CH4 CO2 H2 CH4 CO2 H2
100 0 15 0.869565 0 0.130435 0.981595 0 0.018405 95 5 15 0.826087 0.043478 0.130435 0.858757 0.124294 0.016949 90 10 15 0.782609 0.086957 0.130435 0.753927 0.230366 0.015707 85 15 15 0.73913 0.130435 0.130435 0.663415 0.321951 0.014634 80 20 15 0.695652 0.173913 0.130435 0.584475 0.401826 0.013699 75 25 15 0.652174 0.217391 0.130435 0.515021 0.472103 0.012876 70 30 15 0.608696 0.26087 0.130435 0.453441 0.534413 0.012146 65 35 15 0.565217 0.304348 0.130435 0.398467 0.590038 0.011494 60 40 15 0.521739 0.347826 0.130435 0.349091 0.64 0.010909 55 45 15 0.478261 0.391304 0.130435 0.304498 0.685121 0.010381 50 50 15 0.434783 0.434783 0.130435 0.264026 0.726073 0.009901
Bảng 3.4. Tính toán thành phần theo thể tích và khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen với 20% thể tích hydrogen trong biogas.
BIOGAS
%V
BLEND
%V
BLEND
%M
CH4 CO2 H2/biogas CH4 CO2 H2 CH4 CO2 H2
100 0 20 0.833333 0 0.166667 0.97561 0 0.02439 95 5 20 0.791667 0.041667 0.166667 0.853933 0.123596 0.022472 90 10 20 0.75 0.083333 0.166667 0.75 0.229167 0.020833 85 15 20 0.708333 0.125 0.166667 0.660194 0.320388 0.019417 80 20 20 0.666667 0.166667 0.166667 0.581818 0.4 0.018182 75 25 20 0.625 0.208333 0.166667 0.512821 0.470085 0.017094 70 30 20 0.583333 0.25 0.166667 0.451613 0.532258 0.016129 65 35 20 0.541667 0.291667 0.166667 0.396947 0.587786 0.015267 60 40 20 0.5 0.333333 0.166667 0.347826 0.637681 0.014493 55 45 20 0.458333 0.375 0.166667 0.303448 0.682759 0.013793 50 50 20 0.416667 0.416667 0.166667 0.263158 0.723684 0.013158
3.5.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas đến hệ số tương đương
fi_M8C2_BG30_n4000_M8C2_vs-H2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 60 120 180 240 300 360
5%H2 10%H2
15%H2 20%H2
M8C2 H2
Hình 3.33. Biến thiên hệ số tương đương khi thay đổi thành phần hydrogen chứa trong nhiên liệu biogas M8C2, động cơ chạy ở tốc độ 4000 vòng/phút, bướm ga mở 30 độ
Hình 3.33 so sánh biến thiên hệ số tương đương khi thay đổi thành phần hydrogen chứa trong nhiên liệu biogas M8C2. Động cơ chạy ở tốc độ 4000 vòng/phút, bướm ga mở 30 độ, cung cấp hỗn hợp biogas-hydrogen thông qua van công suất và van làm đậm. Hệ số tương đương chỉ giảm nhẹ từ 1,09 ứng với 5% hydrogen pha vào biogas xuống 1,06 ứng với 20% hydrogen pha vào biogas.
Bảng 3.5. So sánh hệ số tương đương khi thay đổi % thể tích hydrogen trong biogas
Kết quả này cho thấy với nhiên liệu biogas cho trước và điều kiện cung cấp nhiên liệu không thay đổi thì hệ số tương đương chỉ bị ảnh hưởng nhẹ khi thành phần H2 pha vào biogas nhỏ hơn 20%.
Trong cùng điều kiện vận hành và cung cấp nhiên liệu, khi động cơ chạy ở tốc độ 4000 vòng/phút, bướm ga đóng 30 độ thì hệ số tương đương của hỗn hợp là f=1,13 nếu cung cấp biogas M8C2 thuần nhất và f=1,04 nếu cung cấp hydrogen thuần nhất
5%H2 10%H2 15%H2 20%H2
1.09 1.09 1.07 1.06
pres_BG30_n4000_M8C2_S3_vs-H2
-40000 -30000 -20000 -10000 0 10000
0 30 60 90 120 150 180 210 240
5%H2 10%H2
15%H2 20%H2
Hình 3.34. Biến thiên áp suất trên đường nạp khi pha dưới 20% hydrogen vào biogas chứa 80% CH4
Các bảng tính thành phần các chất khí trong hỗn hợp nhiên liệu cho thấy do khối lượng riêng của hydrogen rất bé nên thành phần khối lượng của nó trong nhiên liệu rất nhỏ và không thay đổi đáng kể khi pha dưới 20% H2 vào biogas.
Do đó biến thiên áp suất trên đường nạp hầu như không thay đổi khi pha dưới 20% hydrogen vào biogas chứa 80% CH4 (hình 3.34)
BG30, n4000, M8C2,=270 độ
5% H2 20% H2
CH4
xy
0,07/0,15 (min/max) 0,05/0,2 (min/max)
CH4
zy
0,07/0,15 (min/max) 0,05/0,2 (min/max)
H2
xy
0,005/0,015 (min/max) 0,01/0,05 (min/max)
H2 zy
0,005/0,015 (min/max) 0,01/0,05 (min/max)
xy
0,7/2,6 (min/max) 0,5/2 (min/max)
zy
0,7/2,6 (min/max) 0,5/2 (min/max)
Hình 3.35. Đường đồng mức CH4, H2, f khi pha 5% và khi pha 20% hydrogen vào nhiên liệu biogas chứa 80% CH4
Hình 3.35. so sánh đường đồng mức CH4, H2, f khi pha 5% và khi pha 20%
hydrogen vào nhiên liệu biogas chứa 80% CH4. Chúng ta thấy sự phân bố nồng độ nhiên liệu cũng như hệ số tương đương f trên mặt cắt dọc zy đồng đều hơn trên mặt cắt dọc zy. Điều này không phụ thuộc vào hàm lượng hydrogen pha vào biogas. Tuy nhiên mức độ dao động của hệ số tương đương f khi hàm lượng hydrogen trong nhiên liệu cao thấp hơn khi hàm lượng hydrogen trong nhiên liệu thấp. Cụ thể trên mặt cắt dọc xy, f thay đổi từ 0,7 đến 2,6 trong trường hợp pha 5% hydrogen và thay đổi từ 0,5 đến 2 trong trường hợp pha 20% hydrogen vào biogas M8C2.
3.5.2.2. Ảnh hưởng của thành phần biogas đến hệ số tương đương
Hình 3.36 so sánh biến thiên áp suất trên đường nạp khi thay đổi thành phần biogas cung cấp cho động cơ. Thành phần H2 làm giàu hỗn hợp được giữ nguyên không đổi là 20% theo thể tích biogas. Chúng ta thấy thành phần biogas hầu như không ảnh hưởng gì đáng kể đến biến thiên áp suất trên đường nạp. Do đó nó không ảnh hưởng đến sự đóng, mở van cung cấp ga. Tuy nhiên thành phần biogas ảnh hưởng rất mạnh đến hệ số tương đương khi giữ nguyên điều kiện nạp. Khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng thì cùng lưu lượng biogas nạp vào động cơ sẽ mang theo lượng nhiên liệu nhiều hơn. Hình 3.37 cho thấy hệ số tương đương chỉ đạt 0,72 khi sử dụng biogas M6C4 nhưng tăng lên đến 1,29 khi sử dụng biogas M9C1.
Khi thay đổi hàm lượng H2 trong biogas rộng hơn thì hệ số tương đương thay đổi nhưng thấp hơn khi thay đổi thành phần biogas. Hình 3.38 cho thấy khi tăng hàm lượng H2 pha vào biogas M8C2 từ 0% lên 75% thì f giảm từ 1,12 xuống 1.
Do đó, khi thay đổi hàm lượng hydrogen pha vào biogas với hàm lượng nhỏ hơn 20%, hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ có thể giữ nguyên. Khi pha với hàm lượng lớn hơn giá trị này thì hệ thống cung cấp nhiên liệu thay đổi nhẹ. Tuy nhiên khi thay đổi thành phần biogas thì cần phải điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu để đảm bảo thành phần hỗn hợp hợp lý ở các chế độ công tác khác nhau của động cơ.
pres_BG30_n4000_20H2_vs-MC
-40000 -30000 -20000 -10000 0 10000
0 30 60 90 120 150 180 210 240
M6C4 M7C3
M8C2 M9C1
Hình 3.36. Biến thiên áp suất trên đường nạp khi thay đổi thành phần biogas cung cấp cho động cơ
fi_BG30_20H2_n4000_vs-MC
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 60 120 180 240 300 360
M6C4 M7C3
M8C2 M9C1
Hình 3.37. Hệ số tương đương khi sử dụng biogas M6C4 và khi sử dụng biogas M9C1.
fi_M8C2_BG30_n4000_vs-H2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 60 120 180 240 300 360
0%H2 20%H2 50%H2 75%H2
Hình 3.38. Hệ số tương đương khi tăng hàm lượng H2 khi pha vào biogas M8C2 từ 0%
lên 75%