Co to jest liczba metanowa i dlaczego ma znaczenie dla silnika na biogaz?

Liczba metanowa (MN) to miara odporności paliwa gazowego na spalanie stukowe w silniku z zapłonem iskrowym: im wyższa, tym mniejsze ryzyko stukania. Skala jest zdefiniowana przez mieszaniny wzorcowe: czysty metan ma MN równą 100, a wodór MN równą 0. Liczba metanowa badanego gazu jest równa procentowi objętościowemu metanu w mieszaninie z wodorem, która ma taką samą skłonność do stukania w ustalonych warunkach badania. Analogicznie do liczby oktanowej dla benzyny.

Co ją podnosi, a co obniża

Gaz ziemny, który zawiera domieszki wyższych węglowodorów, ma niższą liczbę metanową niż czysty metan. Biogaz, który składa się głównie z metanu i dużych ilości CO₂, ma ją zwykle wyższą niż gaz ziemny. Biogaz o typowym składzie ma MN rzędu 120–140 w obliczeniach; zakres zależy od zawartości CO₂ i metody obliczeń, więc jest to wartość orientacyjna. Wartość ta wykracza poza skalę 0–100, bo liczba obliczona dla gazów z dużym udziałem gazów obojętnych może przekraczać 100.

Jak się ją wyznacza

Bezpośredni pomiar wymaga specjalistycznego silnika badawczego, więc w praktyce MN oblicza się ze składu gazu (chromatografia). Istnieją różne metody obliczeniowe: jedną z nich opisuje załącznik do normy EN 16726 dotyczącej jakości gazu grupy H, a producenci silników stosują własne metody, które dają inne wyniki dla tego samego składu. Z tego powodu przy porównywaniu wartości trzeba wiedzieć, jaka metoda została użyta. Nie ma jednej uniwersalnej definicji obliczeń, a producent silnika może wymagać swojej metody.

Znaczenie dla silnika CHP

Silnik gazowy ma dopuszczalny zakres liczby metanowej zdefiniowany przez producenta. Jeśli gaz ma zbyt niską MN, silnik jest narażony na spalanie stukowe, które uszkadza tłoki i panewki. W takiej sytuacji sterownik zmniejsza obciążenie, opóźnia zapłon lub zubaża mieszankę. Dla biogazu ryzyko niskiej MN jest małe, ponieważ CO₂ działa jak balast. Częstszym problemem jest niska wartość opałowa, zanieczyszczenia (siarkowodór, siloksany, wilgoć) i zmienność składu; zob. Zmienność składu i ilości biogazu oraz Serwis silników CHP.

Gdzie liczba metanowa ma znaczenie praktyczne

• Mieszanie biogazu z innym gazem, np. dodatkiem propanu do biometanu w celu osiągnięcia wartości kalorycznej wymaganej przy wtłaczaniu do sieci; może to zmieniać MN.
• Zasilanie silników CNG biometanem. Norma EN 16723-2 (paliwo CNG do transportu) zawiera wymagania, w tym dla liczby metanowej; zob. Biometan w transporcie.
• Wodór dodawany do gazu. Domieszka H₂ obniża MN, co ma znaczenie dla silników stacjonarnych.
• Zmiana składu przy awarii odsiarczania lub podczas zakłóceń procesu. Spadek metanu przy wzroście CO₂ zazwyczaj MN podnosi.

Co robić w praktyce

1. Znać zakres MN dopuszczony przez producenta silnika i metodę, według której jest podany.
2. Wykonywać pomiar składu gazu (analizator ciągły lub okresowa chromatografia) i obliczać MN tą samą metodą.
3. Przy zmianie paliwa lub dodatku (np. wodór, propan) skonsultować wpływ na MN z producentem.
4. Notować objawy stukania (hałas, spadek mocy, zapis detektora stuków) i korelować je ze składem gazu.

Przykład: jak skład gazu wpływa na MN

Mieszanina metanu z dodatkiem etanu lub propanu ma niższą liczbę metanową niż czysty metan, a dodatek CO₂ ją podnosi. Dlatego dwa gazy o tej samej wartości opałowej mogą mieć różne MN, jeśli różnią się składem. Biogaz z fermentora, którego głównymi składnikami są CH₄ i CO₂, zachowuje się pod tym względem inaczej niż gaz sieciowy, w którym obecne są wyższe węglowodory. Po uszlachetnieniu do biometanu usuwa się większość CO₂, więc liczba metanowa spada do poziomu zbliżonego do czystego metanu, a po ewentualnym dodaniu propanu w celu skorygowania wartości kalorycznej jeszcze się obniża. W silnikach zasilanych biometanem warto więc znać skład końcowy gazu, nie tylko udział metanu.