Nhiên liệu dầu khí - Hoa Hữu Thu Phần 5 pps

49
Tây Ban Nha
0,5 - 0,5 -
Anh
25 - 21 4
Thụy Điển
42 - 41,5 0,5
Xăng không chì dùng ở châu Âu chia làm 3 loại:
1 - Mức độ bình thường (Regular-grade) được dùng chủ yếu ở Đức, có RON từ 92 ÷
93 và MON từ 82 ÷ 83.
2 - Nhiên liệu động cơ chuẩn dùng cho tất cả các nước trong khối cộng đồng châu Âu
có RON cực tiểu là 95, MON cực tiểu là 85 (những nước không thuộc cộng đồng châu Âu
cũng dùng là Áo, Phần Lan, Đan Mạch, Thuỵ Điển và Thụy Sĩ, tính đến năm 1990).
3 - Nhiên liệu có chỉ s
ố octan cao RON 98 và MON 88. Các nước dùng xăng này là
Pháp, Hà Lan.
Bảng 20 giới thiệu việc dùng nhiên liệu động cơ xăng không chì trên thế giới.
Toàn bộ châu Âu dùng xăng không pha chì khoảng 118 triệu tấn/năm chiếm khoảng
26% thị trường nhiên liệu.
Như trên đã trình bày, tuỳ thuộc vào giá trị RON và MON người ta chia xăng ôtô
thành các cấp độ khác nhau và như thế thành phần hóa học của chúng cũng khác nhau và
ngay xăng cùng cấp độ (Eurosuper với RON 95, MON 85) cũng có hàm lượng olefin và
aromat khác nhau tuỳ thuộ
c vào từng quốc gia châu Âu (bảng 21). Bảng 22 cho biết hàm
lượng olefin và aromat trong các xăng có cấp độ khác nhau ở châu Âu.
Bảng 21.
Hàm lượng olefin và aromat của các nhiên liệu không chì châu Âu (cấp độ
Eurosuper với RON 95, MON 85)
Hàm lượng olefin

(%V)
Hàm lượng aromat
(%V)
Quốc gia
RON 95 MON 85 RON 95 MON 85
Tây Đức
7,7 22,4 38,9 45,5
Italia
5,9 13,8 35,3 43,4
Bỉ
7,4 14,4 36,0 45,0
Anh
6,4 9,0 35,8 43,6
Đan Mạch, Thụy Điển
9,1 18,2 42,1 45,6
Phụ gia quan trọng và phổ biến nhất thay thế cho các hợp chất cơ chì là MTBE (metyl-
tec-butylete). Việc sử dụng MTBE trong xăng không chì ở châu Âu được trình bày trong
bảng 23.



50
Bảng 22.
Sự khác nhau của các loại xăng không chì ở châu Âu
Kiểu xăng
Hàm lượng olefin trung bình
(%V)
Hàm lượng aromat trung bình
(%V)
Regular (Đức)

12,1 31,8
Eurosuper (EEC)
7.3 37,6
Superpremium (Pháp)
5,4 50,1
Ta thấy rằng MTBE được dùng trong tất cả các loại xăng. Ngoài MTBE người ta còn
dùng các tác nhân làm tăng chỉ số octan khác là:
-
TAME, (Tec-amylmetyl ete).
-
Metanol với hàm lượng trung bình ~ 1,2 %.
-
Tec-butanol hàm lượng trung bình ~ 1,4 %.
Người ta cũng có thể kết hợp các ancol này với MTBE thêm vào thành phần của xăng
không chì.
Bảng 23.
Việc sử dụng MTBE trong xăng không chì ở châu Âu
Hàm lượng MTBE quan sát được (%
trọng lượng)
Nước Kiểu xăng
Phần nhiên liệu
chứa MTBE
Cực tiểu Trung bình Cực đại
Bỉ
Eurosuper 100 0,8 2,1 4,0
Superpremium 64 1,0 6,8 11,4
Eurosuper 42 0,7 1,1 1,6
Đức
Regular 42 0,1 0,5 1,1
Anh

Eurosuper 25 - 4,4 -
Italia
Eurosuper 50 2,2 4,0 6,2
Sự có mặt của các hợp chất chứa oxi dường như không có bất kì ảnh hưởng gì đến hộp
xúc tác xử lí khí thải. Tuy nhiên, các nhà sản xuất ôtô không muốn có một khoảng quá
rộng về nồng độ của các cấu tử chứa oxi. Bởi vì họ phải nghiên cứu những thành phần
phân cực có thể cho nhiên liệu ôtô để thu được sự cháy thoả mãn trong tất cả các trường
hợp. Ví dụ, sự khác nhau về t
ỉ lệ đương lượng các cấu tử của xăng do sự thay đổi hàm
lượng MTBE có thể làm thay đổi sự phát thải các sản phẩm chưa cháy hết (CO và CH)
trong giai đoạn đầu khi hộp xúc tác chưa hoạt động.
Nói tóm lại, xăng không chì là một tổ hợp phức tạp của các hiđrocacbon và các phụ gia.
Phụ gia tăng chỉ số octan là các hợp chất chứa oxi như MTBE, CH
3
OH, C
2
H
5
OH, (CH
3
)
3
C-


51
OH, tec-amylmetylete Thành phần xăng này có thể có thay đổi nhỏ tuỳ thuộc vào khí hậu
và địa hình cụ thể của từng nước sử dụng xăng.
Các nhà nghiên cứu cho rằng phụ gia C
2

H
5
OH cho xăng có triển vọng sáng sủa nhất vì
C
2
H
5
OH không độc hại, và người ta có thể sản xuất được những lượng rất lớn từ nguồn
nguyên liệu nông nghiệp và dầu mỏ.
3.3 Nhiên liệu điezen (DO)
Khi chưng cất sơ cấp dầu thô ta thu được phân đoạn sôi giữa 200°C và 320°C. Phân
đoạn này được gọi là gazoin hay dầu điezen. Dầu gazoin thu được từ các sản phẩm
crackinh nhiệt và crackinh xúc tác rất khác với gazoin thu được từ chưng cất trực tiếp dầu
thô do thành phần của chúng đã bị biến đổi. Hàm lượng parafin đã bị giảm đi do sự hình
thành các hiđrocacbon không bão hoà và hiđrocacbon thơm, chất lượ
ng nổ và chỉ số xetan
của dầu bị giảm đi.
Tên gọi dầu gazoin có nguồn gốc từ việc dùng dầu này để sản xuất khí thắp sáng bằng
crackinh và mặc dầu ngày nay người ta không còn dùng nữa nhưng tên phân đoạn này vẫn
được giữ nguyên vì những lượng lớn dầu vẫn được dùng để sản xuất khí ướt. Vì mục đích
này, dầu gazoin phải có đặc trưng parafin để khi crackinh nhiệt ng
ười ta thu được hiệu suất
cao khí có nhiệt trị lớn. Bởi vậy, dầu gazoin phải là distillat cất trực tiếp từ dầu mỏ parafin.
Nhiên liệu điezen (Diezel fuel) có cùng một khoảng nhiệt độ chưng cất (200 ÷ 320°C)
như dầu gazoin và dĩ nhiên chúng là cùng một nhiên liệu nhưng được sử dụng cho động cơ
nén - nổ (được gọi là động cơ điezen) vì thế chúng được gọi là nhiên liệu đ
iezen. Các động
cơ điezen có rất nhiều dạng và tốc độ, sử dụng một khoảng rất rộng các nhiên liệu từ các
distillat của dầu thô đến các phân đoạn chưng cất dầu than đá và các dầu thực vật.
3.3.1. Dầu gazoin

Vì là một sản phẩm thu được từ chưng cất nên dầu gazoin thay đổi về thành phần
tuỳ theo bản chất của dầu thô nhưng một số
tính chất đặc trưng phải được thoả mãn
đó là điểm chớp cháy, khoảng nhiệt độ chưng cất (từ 200 ÷ 320°C). Bảng dưới đây
minh hoạ một số tính chất của dầu gazoin khác nhau tùy theo khối lượng riêng của
chúng.
Bảng 24. Thành phần và tính chất của các dầu gazoin
T
ỷ
tr
ọ
n
g

(
15
,
5 / 15
,
5°C
)

0,84 0,88 0,86
Điểm chớ
p
chá
y,
°C
200 186 186
Đ

ộ
nhớt Redwood ở 37
,
7°C
35 33 37
Nhi
ệ
t đ
ộ
khoản
g
sôi thấ
p
nhất
,
°C
220 200 210
% chưn
g
cất tới 300°C
65 34 47
Chỉ số xeta
n
62 34 47
Cặn cacbon Conradson
(
% trọn
g
lượn
g)

0,02 0,07 0,02
Điểm rót
,
°C
−
4 −9 −12


52
Công dụng chính của dầu gazoin là dùng để sản xuất khí ướt và tách benzen từ khí
than (coal gas), nhưng dầu gazoin có thể được dùng làm nhiên liệu cho động cơ điezen tuỳ
thuộc vào chỉ số xetan của nó. Nếu chỉ số xetan cao thì nó rất thích hợp cho các động cơ
điezen cỡ nhỏ và tốc độ cao. Nếu độ nhớt của dầu gazoin cao thì không thích hợp cho các
động cơ điezen chạy đường biển, trong công nghiệp có tốc độ thấ
p vì việc bơm nhiên liệu
khó khăn.
3.3.2. Nhiên liệu điezen và động cơ điezen
Những tính chất của nhiên liệu điezen được giải thích tốt nhất sau khi nghiên cứu các
đặc trưng của động cơ nén-nổ - động cơ điezen. Sơ đồ động cơ nén-nổ điezen được cho
trên hình 7.

Hình 7
Sơ đồ động cơ nén-nổ điezen
Nguyên lí cơ bản của động cơ này là dựa trên nhiệt nén làm bốc cháy nhiên liệu.
Nhiên liệu được tiêm vào buồng nén mà ở đó không khí đã được nén tới 1 áp lực từ 41,5 -
45,5 kg/cm
2
và đạt tới nhiệt độ ít nhất là 500°C. Nhiệt độ này đủ để làm bốc cháy nhiên
liệu và khí dãn nở làm tăng áp lực lên tới trên 70 kg/cm
2

. Áp lực này tác động lên pittong
và làm động cơ chuyển động. Trong động cơ nén-nổ 4 kì bình thường, 1 vòng có thể chia
thành 4 kì:
1.
Hút không khí vào xilanh, sau đó van vào đóng lại.
2.
Nén không khí trong xilanh tới một thể tích xác định (trong kì nén này áp suất và
nhiệt độ tăng lên), khi đó nhiên liệu điezen được phun vào buồng nén.
3.
Nhiên liệu cháy. Khí cháy dãn nở trong khi tất cả các van đóng, áp lực tác động
lên đầu pittong làm máy chuyển động.


53
4.
Van xả mở và khí cháy được thải ra ngoài buồng nén. Kì này hoàn thành 1 vòng
của động cơ và vòng tiếp theo được bắt đầu với việc đóng van xả. Như vậy có 1
kì sinh công và 3 kì không tải cho hai chuyển động của tay quay.
Trong động cơ 2 kì không khí bị nén như trên, nhưng ngay gần đầu kì sinh công, van
xả mở ra và xilanh được quét bằng không khí sạch từ 1 máy bơm sao cho kì trở lại nén
không khí sạch. Nén không khí sạch là cần thiết để đạt hiệu quả của tay quay và độ
ng cơ
làm việc mạnh hơn và êm hơn so với động cơ bốn kì có cùng cỡ và tốc độ.
Những thuận lợi chủ yếu của động cơ điezen là sự gọn gàng của động cơ, sạch sẽ và
hiệu quả nhiệt cao, có thể kể ra như sau:
1.
Với mục đích hàng hải, động cơ điezen chiếm chỗ ít hơn so với động cơ hơi nước
có cùng công suất năng lượng.
2.
Nó không tiêu tốn nước vì nước làm lạnh có thể quay vòng.

3.
Với mục đích chạy đường bộ, hệ thống tiêm nhiên liệu của động cơ điezen hiệu
quả hơn động cơ xăng và tiêu tốn nhiên liệu chỉ vào khoảng một nửa cho cùng
một cung đường.
4.
Động cơ có thể xuất phát trong điều kiện lạnh và có thể đạt được công suất hầu
như ngay thức thời, một thuận lợi rất lớn so với bất kì động cơ hơi nước nào.
5.
Được kết hợp với việc sản xuất điện thì động cơ điezen hiệu quả hơn bất kì động
cơ nào khác để cung cấp năng lượng cho việc sử dụng trung gian.
6.
Động cơ điezen làm việc với hiệu suất nhiệt cao khoảng 30 ÷ 35%.
Như trên đã trình bày, trong chu trình làm việc của động cơ điezen, nhiên liệu tự bốc
cháy trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tới hạn, không cần mồi lửa từ bugi. Vì thế tính
chất quan trọng của nhiên liệu điezen là chất lượng cháy của nó. Đầu tiên, nhiên liệu phải
có khả năng dễ dàng cháy ở nhiệ
t độ nén đủ thấp để đảm bảo sự cháy, thậm chí khi xuất
phát ở điều kiện nhiệt độ thấp. Thứ hai, thời gian giữa khi tiêm nhiên liệu vào xilanh và
cháy phải không được quá dài hay quá nhiều dầu trong xilanh khi sự cháy xảy ra và như
thế áp suất cao không cân bằng sẽ sinh ra và động cơ hoạt động không tốt.
Bởi vậy, chất lượng cháy của nhiên liệu điezen phải được đo bằng nhiệt
độ cháy tức
thời và bằng các phép thử động cơ được chế tạo đặc biệt để thu được các giá trị số đối với
sự trễ cháy.
Nhiệt độ cháy tức thời (SIT - Spontaneous Ignition Temperature) liên quan rất nhiều
đến hàm lượng hiđro của dầu và đồng thời nó được xem như phép đo sự tiện lợi của việc
dùng nhiên liệu điezen. Một phương pháp chuẩn là điểm chớ
p cháy trong khí quyển oxi
được xác định bằng cách nhỏ từng giọt dầu vào một cái cốc kim loại được đốt nóng liên
tục.

Một giá trị nhiệt độ thấp của sự tự bốc cháy trong oxi được xem là thuận tiện cho việc
dùng dầu đó. Phép thử này chỉ là một chỉ dẫn rất chung cho sự tiện lợi của việc dùng nhiên
liệu điezen.
Giá trị SIT của xăng ôtô (OC 75) là khoảng 500°C, củ
a dầu điezen (chỉ số xetan 50) là
260°C và của octan là 235°C.


54
Phương pháp tốt nhất đánh giá chất lượng nhiên liệu điezen là thử trong động cơ,
nhưng một phương pháp thử gần đúng có thể thu được là xác định tỉ lệ parafin trong nhiên
liệu điezen.
Trong trường hợp các nhiên liệu đi từ dầu mỏ thì hàm lượng parafin càng cao thì chất
lượng cháy càng tốt. Điều này không phải luôn đúng với các nhiên liệu thu được từ đá dầu
và các phân đoạn thu
được từ than đá.
Một phép thử khác là điểm anilin. Người ta dựa trên thực tế là các hiđrocacbon thơm
trộn lẫn dễ dàng với anilin ở nhiệt độ phòng, nhưng với các parafin cần đốt nóng tới một
nhiệt độ tương đối cao chúng mới trộn lẫn hoàn toàn với anilin. Ví dụ, hiđrocacbon thơm,
hexylbenzen có điểm anilin < −12°C, trong khi đó một parafin (octan) có giá trị là 15,1°C.
Như vậy điểm anilin cao là một chỉ dẫn về hàm lượng parafin cao và như th
ế tính tiện lợi
sử dụng cao. Điểm anilin được chuyển thành chỉ số điezen theo biểu thức:

Chỉ số điezen không thật tin tưởng như chỉ số xetan nhưng nó là một chỉ dẫn hữu ích
khi không có điều kiện thử động cơ. Về giá trị số, chỉ số điezen thường cao hơn 3 đơn vị so
với chỉ số xetan và nó có thể chuyển thành ch
ỉ số xetan theo công thức sau:
Chỉ số xêtan
(tính toán)

= Chỉ số điezen + 0,068 × T
sôi trung bình (°F)
− 22
Khi chất lượng cháy được thử trong một động cơ điezen chuẩn thì kết quả được biểu
thị bằng chỉ số xetan. Xetan là một parafin, C
16
H
34
có chất lượng cháy cao và người ta gắn
cho nó có chỉ số xetan bằng 100. α-Metylnaphtalen là một hiđrocacbon thơm mà người ta
quy ước nó có chỉ số xetan bằng 0. Chúng tạo nên thang đo chỉ số xetan. Vậy chỉ số xetan
của một nhiên liệu điezen là phần trăm theo thể tích của xetan trong hỗn hợp hai
hiđrocacbon xetan và α-metylnaphtalen mà nó có cùng chất lượng nổ như nhiên liệu đó.
Có hai phương pháp xác định chỉ số xetan bằng động cơ
. Trong một động cơ điezen,
có một khoảng thời gian trễ cháy xác định từ 0,5 ÷ 10 mili giây giữa thời điểm tiêm nhiên
liệu và thời điểm cháy. Khoảng thời gian trễ cháy này là không đổi đối với một nhiên
liệu đã cho khi đo theo góc quay của tay quay của động cơ. Khoảng thời gian trễ cháy
được dùng làm phép đo chất lượng cháy và được gọi là chỉ số xetan.
-
Phương pháp 1 đo trực tiếp thời gian trễ cháy ở các điều kiện bình thường qua số
độ góc mà tay quay quay. Để làm điều này cần phải dùng một thiết bị ghi được sự
thay đổi áp suất và điểm chính xác khi van mở. Thông thường người ta sử dụng
một chỉ thị tia catot gồm một thiết bị van ion nhiệt kết hợp với áp suất và thời gian
quay và như vậy cho phép đo được góc trễ
hay góc quay của maniven.
-
Phương pháp 2 đơn giản hơn. Một hộp điều tốc được gắn vào van tiết lưu và
chúng được gắn vào đầu hút của động cơ. Khi van này đóng lại thì áp suất của hộp
điều tốc bị giảm đi, áp suất nén là nhỏ hơn, thời gian trễ tăng lên cho đến khi

không xảy ra sự nổ và phát ra khói trắng. Áp suất không khí trong hộp điều tốc ở
điểm này được coi nh
ư một hàm của thời gian trễ và được so sánh với áp suất
Điểm anilin (°F)
×
Trọng lượng (API)
Chỉ số điezen =
100


55
tương tự từ hỗn hợp của nhiên liệu so sánh và kết quả được biểu thị bằng chỉ số
xetan.
Ở Mĩ, người ta dùng một động cơ CFR đã được tiêu chuẩn hoá để tiến hành phép thử
dưới những điều kiện chuẩn về nhiệt độ không khí, tốc độ, tốc độ nhiên liệu và nhiệt độ
làm lạnh. Tỉ lệ nén có thể thay đổi
được và được đo so với một thời gian trễ chuẩn. Bởi vậy
ý nghĩa chung của chất lượng cháy là nhiên liệu có thời gian trễ cháy thích hợp trong động
cơ. Một chỉ số xetan cao, vượt quá 48 là cần thiết cho động cơ tốc độ cao nhưng một động
cơ tốc độ thấp không đòi hỏi như vậy bởi vì nó đòi hỏi nhiều thời gian cho sự cháy. Ở nhiệt
độ không khí cao hơn hay sự trộn không khí vào nhiên liệu kĩ càng hơn sẽ cần nhiên liệu
với chỉ số xetan thấp hơn ở cùng một tốc độ. Thật vậy, mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và
chỉ số xetan là gần đúng như sau:
Tốc độ độn
g
cơ
(
v/
p
h

)
Chỉ số xetan thích hợ
p

> 1500
60
÷
50
1500 ÷ 800 55
÷
45
800 ÷ 400 50
÷
35
400 ÷ 100 40
÷
30
< 100
30
÷
15
Ảnh hưởng của việc sử dụng một nhiên liệu có chỉ số xetan quá thấp là tập trung quá
nhiều nhiên liệu trong xilanh trước khi sự cháy xảy ra, như thế một áp lực cao sẽ được hình
thành và trở nên nghe thấy “tiếng gõ điezen”.
Những phép thử hoá học và vật lí cho nhiên liệu điezen
Một số phép thử cần thiết cho nhiên liệu điezen như: phép thử độ tinh khiết (độ sạch),
hàm lượng tro, chất sa lắng, hàm lượng nước và hàm lượng asphalt. Hàm lượng tro thấp là
rất quan trọng trong việc làm giảm sự hao mòn động cơ. Trong một dầu chưng cất hàm
lượng tro không được quá 0,01%. Hàm lượng chất sa lắng và nước phải không có trong
dầu, nhưng thực tế hàm lượng nước chỉ cần không vượt quá 0,25%. Các asphalt hay các

asphalaten là những chất có thành phần rất phức tạp. Chúng có trọng lượng phân tử lớn và
có khuynh hướng bị cháy không hoàn toàn, gây nên cặn cacbon bám vào động cơ. Có hai
kiểu asphalt chính. Một kiểu được gọi là asphalt cứng, nó không tan trong ete dầu hoả. Một
kiểu khác được gọi là asphalt mềm, nó được kết tủa từ một dung dịch trong ete của dầu khi
thêm ancol vào dung dịch đó. Asphalt mềm gần như không gây nên sự khó chịu như
asphalt rắn. Các động cơ đ
iezen có thể chạy rất tốt khi trong dầu có chứa hàm lượng cao
asphalt mềm. Các động cơ điezen tốc độ rất thấp có thể dùng dầu có chứa từ 4 ÷ 8%
asphalt rắn, nhưng các động cơ tốc độ cao thì hàm lượng asphalt rắn phải nhỏ hơn. Với
thể tích buồng đốt giới hạn, thời gian cần thiết cho sự cháy là ngắn thì dầu có chứa hàm
lượng asphalt rắn > 0,1% là không đảm bảo. Nói chung, các d
ầu chưng cất cần phải
không chứa các vết asphalt mới dùng tốt cho các động cơ điezen.
Để loại các hạt sa lắng hay các hạt asphalt, thường người ta dùng phương pháp lọc.
Còn để làm tăng chỉ số xetan của dầu hay làm giảm thời gian trễ cháy người ta thường
dùng phụ gia etyl nitrat, C
2
H
5
ONO
2
, iso-amyl nitrat hay axetoperoxit.


56
Khi thêm các lượng nhỏ từ 1 ÷ 1,5% các chất trên sẽ làm tăng chỉ số xetan lên 23 ÷
29%. Một điều bất tiện là khi thêm các chất làm tăng chỉ số xetan sẽ làm cho động cơ khó
khởi động ở điều kiện lạnh, vì thế việc sử dụng các phụ gia loại này không được phổ biến.
3.4 Nhiên liệu khí
Nhiên liệu khí là các nhiên liệu được đốt cháy ở trạng thái khí trong không khí hay oxi

tạo ra nhiệt sử dụng cho mục đích dân dụng hay công nghiệp. Đặc trưng chính của các
nhiên liệu khí là không chứa các chất bẩn vô cơ, hàm lượng nhiên liệu cao, thuận tiện và
hiệu quả trong sử dụng, nhưng hệ thống dẫn khí, bảo quản và tàng trữ lại đắt nhất trong tất
cả các nhiên liệu. Các nhiên liệu khí quan trọng từ dầu mỏ và khí thiên nhiên là:
- Khí thiên nhiên (natural gas);
-
Khí hóa lỏng - LPG (Liquified Petroleum Gas);
-
Khí từ nhà máy lọc dầu (refinery gas);
-
Khí được sản xuất từ dầu (Oil gas from oil gasification Processes).
Hai khí quan trọng nhất là hiđro và axetilen được sử dụng rất rộng rãi để hàn, cắt
kim loại, Các nhiên liệu khí còn lại được gọi tên là:
-
Khí giàu, nếu nhiệt trị của nó lớn hơn 4000 kcal/Nm3;
-
Khí nghèo, nếu nhiệt trị của nó nhỏ hơn 1500 kcal/Nm3.
Các khí hiđrocacbon là những khí giàu, còn khí lò hay khí sản xuất là những khí
nghèo.
Nhiệt trị không phải là thông số thỏa đáng trong phân loại công nghệ nhiên liệu khí.
Nhiệt thoát ra từ một lò đốt dùng nhiên liệu khí phụ thuộc vào chỉ số Wobbe. Chỉ số này
được xác định như sau:

kcal/Nm
3


trong đó C.V là nhiệt trị của khí hay hỗn hợp khí.
Bảng 25. Phân loại nhiên liệu khí theo chỉ số Wobbe
Loại nhóm nhiên liệu khí Chỉ số Wobbe, kcal/Nm

3

1 -
2 -
3
7650 ± 380
4
6790 ± 285
5
6400 ± 285
6
5870 ± 240
7
5350 ± 285
C.V
Wobbe Index =
√ Tỉ trọng khí


57
Chỉ số Wobbe có thứ nguyên cùng với thứ nguyên của nhiệt trị. Độ bắt cháy nhanh
của khí phụ thuộc vào tốc độ truyền lửa của nó. Các khí giàu có chỉ số Wobbe > 8500 (ví
dụ, khí thiên nhiên từ 9000 đến 13000, LPG từ 18000 đến 22000 kcal/Nm
3
).
Người ta có thể phân loại nhiên liệu khí dựa vào chỉ số Wobbe (bảng 25).
Thông thường các khí giàu thuộc về nhóm 1, 2; còn các khí nghèo thuộc về nhóm 5, 6,
7.
3.4.1.1 Khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên thường là hỗn hợp của các hiđrocacbon parafin mà trong đó metan

(CH
4
) là thành phần chủ yếu. Khí thiên nhiên tồn tại trong các mỏ khí trong lòng đất, đồng
thời cũng tồn tại trong các mỏ dầu, gọi là khí đồng hành. Khí đồng hành sau khi lấy từ
giếng dầu lên, được xử lí loại bỏ hơi nước và bùn cát phân tán, sau đó được xử lí để thu hồi
phần xăng và khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG). Khi khí thiên nhiên chứa rất ít phần
condensat (< 5 mg/m
3
) có thể thu hồi được thì người ta gọi là khí thiên nhiên khô, còn khi
khí thiên nhiên chứa phần condensat nhiều hơn (> 50 mg/m
3
), người ta gọi là khí thiên
nhiên ướt. Phần condensat được thu hồi này chính là xăng tự nhiên và xăng này được sử
dụng để trộn với các nhiên liệu khác. Việc thu hồi condensat từ khí thiên nhiên được thực
hiện bằng cách nén và làm lạnh, hay hấp phụ trên các vật liệu rắn xốp. Thành phần điển
hình và tính chất của khí thiên nhiên được trình bày trong bảng 26.
Khí thiên nhiên ở một số mỏ chứa nhiều N
2
, CO
2
và một lượng heli có khả năng thu
hồi. Đôi khi H
2
S cũng có trong thành phần khí thiên nhiên, người ta có thể thu hồi lưu
huỳnh dưới dạng nguyên tố. Khí thiên nhiên không có H
2
S được gọi là khí ngọt.
Khí thiên nhiên được dùng làm nhiên liệu để nấu nướng, sưởi ấm và đốt nóng công
nghiệp. Khí thiên nhiên còn được dùng làm nguyên liệu đầu sản xuất phân bón, và là
nguồn cung cấp cacbon và hiđro cho công nghiệp hóa học.

Bảng 26. Thành phần và tính chất của khí thiên nhiên
Thành phần (% thể tích) Khí khô và ngọt Khí ướt và ngọt
CH
4
96,91 77,22
C
2
H
6
1,33 11,18
C
3
H
8
0,19 5,83
C
4
H
10
0,05 2,34
C
5
H
12
0,02 1,18
CO
2
0,82 0,80
N
2

0,68 1,39
Nhiệt trị thô, kcal/Nm
3
(khô) 9000 11200
Tỉ trọng (không khí = 1) 0,574 0,741


58
Sau khi đã được xử lí tại mỏ, khí thiên nhiên được đưa đến các căn hộ qua mạng lưới
ống dẫn (đường kính 0,5 ÷ 0,6 m) với áp suất từ 15 ÷ 30 kg/cm
2
.
Ở vùng khí hậu lạnh, khí thiên nhiên phải được loại nước (đehiđrat hóa) để tránh sự
tạo thành các tinh thể nước lẫn metan, etan, propan và iso-butan, các tinh thể này bền vững
ở nhiệt độ dưới 19°C.
3.4.1.2 Khí hóa lỏng (LPG)
LPG chủ yếu là hỗn hợp của propan và butan. LPG chủ yếu được sử dụng làm khí
đốt nấu ăn, đốt nóng công nghiệp trong các lò đốt. Các hiđrocacbon C
3
và C
4
dễ dàng bị
hóa lỏng ở nhiệt độ thường với áp suất nén không lớn lắm. Do đó propan và butan được
hóa lỏng, lưu kho và vận chuyển trong các thiết bị hình trụ bằng kim loại nhẹ. Nói chung,
LPG công nghiệp là hỗn hợp gồm khoảng 80% butan và 20% propan. LPG được sản xuất
từ khí thiên nhiên ướt và từ khí nhà máy lọc dầu. Tính chất các cấu tử chính của LPG
được cho trong bảng 27.
Bảng 27. Tính chất của các cấu tử chính c
ủa LPG
Khí tinh khiết

b
utan
p
ro
p
an
Đi
ểmsôi(
°
C)
–0
,
5 – 42
Áp su
ất hóa lỏng ở nhiệt độ th
ư
ờng (at)
3
10
N
hi
ệ
t tr
ị
th
ô

(
k
c

al
/Nm
3
)

30608
2
3670
Khí (không khí
=
1)
2
1,52
Tỉ trọng
Lỏn
g
0
,
5844 0
,
5079
G
i
ớ
i h
ạ
n n
ổ

t

r
o
n
g
kh
ô
n
g
khí
(%)
1,9
÷
8,5
2,2
÷
9,5
Lư
ợ
n
g
khôn
g
khí chá
y
l
ý
thu
y
ết
(

N
m
3
/N
m
3
)
30
,
94 23
,
80
%S
0,02
0,02
Nhi
ệt độ bốccháy(
°
C)
500 480
Nhi
ệt độ ngọnlửa trong không khí (
°
C)
1925
1995
LPG có nhiệt trị cao, tỉ trọng cao, tỉ lệ cháy với không khí cao và tốc độ truyền lửa
thấp. Vì LPG không mùi nên người ta thường thêm vào LPG các chất có mùi như
mecaptan hay H
2

S để phát hiện sự rò rỉ của vật chứa hay các đường ống dẫn.
LPG là nhiên liệu dân dụng rất phổ biến vì sử dụng tiện lợi và cho nhiều nhiệt, đồng thời
LPG cũng là một nhiên liệu rất phổ biến cho đốt nóng công nghiệp mà những nhiên liệu
khác khó có thể thay thế.
Propan và butan cũng còn được sử dụng để làm giàu các khí nghèo như “khí thành
phố”. Butan được pha loãng bằng không khí tạo ra những nhiên liệu thích hợ
p cho tốc độ
đốt nóng có thể điều khiển được. Ví dụ hỗn hợp gồm 20% butan và 80% không khí có
nhiệt trị 6136 kcal/Nm
3
, và nằm ngoài giới hạn nổ của butan trong không khí. Trong thực
tế, LPG được dùng rộng rãi làm nhiên liệu dân dụng đã được pha loãng bằng khí trơ như
nitơ hay không khí để giảm nhiệt trị của nó, và đảm bảo khống chế được tốc độ đốt nóng
nhằm tránh các nguy hiểm có thể xảy ra khi nhiệt độ cháy quá cao.


59
Propan và butan còn được dùng để sản xuất nhiều sản phẩm hóa học khác như từ butan
sản xuất axit axetic, butanđien, Vì LPG nặng hơn không khí nên LPG có xu hướng chìm
xuống khi các vật chứa bị rò rỉ. Dưới dây là một số đặc trưng của LPG công nghiệp.
LPG gồm 80% butan và 20% propan có nhiệt trị khoảng 29.275 kcal/Nm
3
, tỉ trọng là
1,9 (so với không khí là 1), lượng không khí cháy lý thuyết tương ứng là 29 Nm
3
/Nm
3
.
LPG gồm 70% propan và 30% butan (thường dùng cho mục đích dân dụng) có nhiệt
trị khoảng 25.775 kcal/Nm

3
, tỉ trọng 1,65 (so với không khí là 1), lượng không khí cháy lý
thuyết là 26 Nm
3
/Nm
3
.
3.4.1.3 Khí từ nhà máy lọc dầu
Khi chưng cất dầu thô và thực hiện các quá trình chế biến dầu ở nhà máy lọc dầu
người ta thường thu được các khí:
- Parafin như metan, etan, propan, butan.
- Olefin như etilen, propen, buten.
- Các khí khác như hiđro sunfua, hiđro.
Thông thường các hiđrocacbon C
3
và C
4
được tách ra khỏi khí nhà máy lọc dầu bằng
cách hóa lỏng và bán trên thị trường dưới dạng các khí LPG. Từ hiđro sunfua người ta thu
hồi lấy lưu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric. Hiđro và các hiđrocacbon cao hơn
được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất trong công nghiệp hóa dầu, còn các khí khác không
thể thu hồi thì được đốt trong không khí để giảm ô nhiễm.
Tùy thuộc vào bản chất của dầu thô và phạm vi chế biến các sản ph
ẩm dầu, thành phần
các khí từ nhà máy lọc dầu có thể như sau:
Propen + propan
40 ÷ 55%
Buten + butan > 30%
Etilen + etan
8 ÷ 12%

Metan
8 ÷ 10%
Hiđro
6 ÷ 8%
Hiđro sunfua
6 ÷ 8%
Nhiệt trị, kcal/Nm
3
(khô) 20,500
Tỉ trọng (so với không khí = 1) 1,35
Hiệu suất khí từ nhà máy lọc dầu dưới dạng LPG tùy thuộc vào các quá trình chế biến
ở nhà máy. Hiệu suất thu hồi LPG thông thường từ các quá trình chế biến được trình bày
trong bảng 28.


60
Bảng 28
Hiệu suất thu hồi LPG từ các quá trình chế biến trong nhà máy lọc dầu
Quá trình chế biến
Nguyên liệu đầu
(NLĐ)
Sản phẩm
chủ yếu
Hiệu suất LPG, % trọng luợng
theo NLĐ
Visbreakinh /cockinh Cặn, dầu nặng Cốc
5 ÷ 10
Refominh xúc tác Naphta nhẹ Aromat, xăng
5 ÷ 10
Ankyl hóa /polime

hóa
Các khí C
4
H
10
và
olefin
Xăng
10 ÷ 15
Crackinh xúc tác Dầu gazoin
Olefin C
2
, C
3
cho hóa
dầu
15 ÷ 20
3.4.1.4 Khí được sản xuất từ dầu - Khí dầu (Oil Gasification Processes - Oil gas)
Khí dầu được sản xuất bằng cách khí hóa các sản phẩm dầu. Khí dầu được sử dụng
làm nhiên liệu khí hay được sử dụng làm khí tổng hợp dùng để sản xuất amoniac trong các
nhà máy phân đạm. Nguyên liệu đầu dùng để khí hóa dầu là các phân đoạn nhẹ và trung
bình hay các dầu nặng. Khí hóa dầu có thể là crackinh, crackinh với hơi nước hoặc oxi hóa
không hoàn toàn dầu.
Khi môi trường khí hóa là oxi và hơi nước, thì quá trình khí hóa dầu được biểu diễn
theo các phương trình phản
ứng sau:
C
x
H
y

+
x
2
O
2
→ xCO +
y
2
H
2

(phản ứng oxi hóa không hoàn toàn, phát nhiệt)
C
x
H
y
+ xH
2
O → xCO + (x +
y
2
)H
2

(phản ứng refominh với hơi nước, thu nhiệt)
C
n
H
2n+2
+ nH

2
O → nCO + (2n + 1)H
2

(phản ứng crackinh với hơi nước, thu nhiệt)
Các quá trình khí hóa dầu được phân loại như sau:
- Quá trình vòng không xúc tác - quá trình Semet-Solvay;
- Quá trình vòng xúc tác - quá trình Segas và quá trình Onia-Gegi;
- Quá trình refominh xúc tác với hơi nước liên tục;
- Quá trình đốt cháy không hoàn toàn - quá trình Koppers-Totzek, Shell và Texaw;
- Quá trình hiđro hóa.
Trong số các quá trình trên, các quá trình Semet-Solvay, Segas, Onia-Gegi và
refominh với hơi nước naphta là quan trọng.