Tính toán mô phỏng quá trình khử nox trong môi trường plasma không sinh nhiệt có chắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  - LƯU NGỌC CAO TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH KHỬ NOx TRONG MƠI TRƯỜNG PLASMA KHƠNG SINH NHIỆT CÓ CHẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  - LƯU NGỌC CAO TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH KHỬ NOx TRONG MƠI TRƯỜNG PLASMA KHƠNG SINH NHIỆT CĨ CHẮN Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN QUANG VINH Hà Nội – Năm 2014 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên Lưu Ngọc Cao Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL i Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực Bộ môn động đốt cho phép thực luận văn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Quang Vinh hướng dẫn tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận văn Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ mơn Phịng thí nghiệm Động đốt - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn Ban Giám đốc Công ty làm việc hậu thuẫn động viên suốt trình học tập Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận văn đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận văn Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian học tập Học viên Lưu Ngọc Cao Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL ii Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI NOx TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Ảnh hưởng khí thải động đến sức khỏe người 1.2 Thành phần phát thải NOx 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Ảnh hưởng NOx đến môi trường 1.3 Cơ chế hình thành NOx động đốt 1.3.1 Cơ chế hình thành monoxit nitơ (NO) 1.3.2 Cơ chế hình thành dioxit nitơ (NO2) 1.3.3 Cơ chế hình thành nitơ oxit (N2O) 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành NOx 1.4.1 Động đánh lửa cưỡng (SI - Spark Ignition) 1.4.2 Động nén nổ (CI - Compression Ignition) 10 1.5 Các biện pháp xử lý khí thải động đốt 12 1.5.1 Xử lý khí thải động xăng 13 1.5.2 Xử lý khí thải động diesel 17 CHƯƠNG PLASMA VÀ ỨNG DỤNG PLASMA TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 31 2.1 Định nghĩa plasma 31 2.2 Đặc tính plasma 31 2.2.1 Nhiệt độ mật độ plasma 31 2.2.2 Điện trường plasma (cầu Debye) 32 2.2.3 Tần số dao động plasma 33 2.3 Phân loại plasma 34 2.3.1 Plasma nóng (thermal plasma) 34 2.3.2 Plasma lạnh (non-thermal plasma) 35 2.4 Phương pháp tạo plasma 36 2.4.1 Năng lượng cần thiết để tạo plasma 36 2.4.2 Các phương pháp tạo plasma thông dụng 39 2.5 Nguyên lý chung 44 2.6 Một số nghiên cứu ứng dụng plasma xử lý khí thải 44 2.6.1 Loại bỏ PM 44 2.6.2 Loại bỏ HC 47 2.6.3 Loại bỏ NOx 49 CHƯƠNG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH KHỬ NOX TRONG MƠI TRƯỜNG PLASMA KHƠNG SINH NHIỆT CĨ CHẮN 58 3.1 Cơ chế phản ứng khử NOx môi trường plasma 58 3.2 Xây dựng mơ hình tính tốn 59 3.3 Kết tính tốn nhận xét 63 Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL iii Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ oxy tới hiệu suất khử 63 3.3.2 Ảnh hưởng cường độ dòng điện tới hiệu suất khử 70 3.3.3 Ảnh hưởng nồng độ khí ban đầu 74 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75 Kết luận 75 Hướng phát triển 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL iv Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải rD Bán kính Debye T N n0 e0 Te k ωpl ε0 me Nhiệt độ tuyệt đối Mật độ phân tử Là mật độ điện tử Là điện tích Nhiệt độ điện tử Hằng số Boltzman Tần số plasma điện tử Hằng số điện môi khoảng trống Khối lượng điện tử α Độ ion hóa plasma DBD RF Dielectric Barier Discharge - phóng điện qua rào cản điện môi Radio Frequency - tần số radio PM Particulate Matter - chất thải dạng hạt SCR Selective Catalytic Reduction - xúc tác chọn lọc DPF Diesel Paticle Filter - lọc PM Q Lưu lượng khí thải qua lị phản ứng plasma I Cường độ dòng điện cung cấp cho lò phản ứng plasma T Thời gian khí thải lưu giữ lị phản ứng V Thể tích mơi trường plasma lị phản ứng yconc[i] Nồng độ ban đầu phân tử nguyên tử thứ i eqcf Equilibrium constant of formation - số cân hình thành phân tử nguyên tử lò phản ứng Forward reaction rate coefficient - hệ số tốc độ phản ứng thuận Reverse reaction rate of coefficient - hệ số tốc độ phản ứng nghịch reackf reackb Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL v Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Tên bảng biểu Trang Bảng 4.1 Nồng độ (ppm) phân tử khí với Q = 0.5L/min 66 Bảng 4.2 Nồng độ (ppm) phân tử khí với Q = 1L/min 68 Bảng 4.3 Nồng độ (ppm) phần tử khí với Q = 1,5 L/min 69 Bảng 4.4 Nồng độ (ppm) phần tử khí với Q = L/min 71 Bảng 4.5 Nồng độ (ppm) phân tử khí theo cường độ dòng điện 73 Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL vi Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Sự thay đổi hàm lượng NO theo hệ số dư lượng không khí lambda Hình 1.2 Ảnh hưởng tỷ lệ khí ln hồi tới hàm lượng NO Hình 1.3 Ảnh hưởng góc đánh lửa tới hàm lượng NO 10 Hình 1.4 Kết cấu xử lý xúc tác ba đường 14 Hình 1.5 Cấu tạo cảm biến oxi 16 Hình 1.6 Nguyên lý làm việc cấu tạo lọc chát thải dạng hạt 18 Hình 1.7 Nguyên lý làm việc cấu tạo xử lý xúc tác oxi hóa DOC 21 Hình 1.8 Ngun lý làm việc bẫy NOx 22 Hình 1.9 Nguyên lý làm việc xử lý xúc tác chọn lọc SCR 24 Hình 1.10 Hệ thống lọc tái sinh liên tục CRT 26 Hình 1.11 Nguyên lý làm việc hệ thống lọc tái sinh liên tục CRT 27 Hình 1.12 Hệ thống xử lý khí thải diesel kết hợp CRT SCR 28 Hình 1.13 Hệ thống xử lý khí thải kết hợp DOC-DPF-SCR 29 Hình 1.14 Lò phản ứng plasma kết hợp xúc tác SCR 30 Hình 2.1 Sự hình thành mơi trường plasma 31 Hình 2.2 Khối cầu Debye 33 Hình 2.3 Số điện tích âm điện tích dương plasma 33 Hình 2.4 Một số kỹ thuật tạo plasma thơng dụng 40 Hình 2.5 Tạo plasma phóng điện nguồn vi sóng 40 Hình 2.6 Sơ đồ tạo plasma phóng điện tần số radio 41 Hình 2.7 Sơ đồ tạo plasma phóng điện điện hoa 42 Hình 2.8 Sơ đồ tạo plasma phóng điện có rào cản điện mơi 43 Hình 2.9 Ngun lý xử lý khí thải mơi trường plasma 44 Hình 3.1 Cơ chế phản ứng hóa học loại bỏ PM mơi trường plasma 45 Hình 3.2 Lị phản ứng tạo plasma phóng điện có rào cản điện mơi 45 Hình 3.3 Cấu trúc lị phản ứng DBD khơng đồng 46 Hình 3.4 Hiệu lượng loại bỏ PM 47 Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL vii Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Hình 3.5 Đồ thị thể nồng độ HC xử lý lò phản ứng DBD 49 Hình 3.6 Hệ thống loại bỏ NOx phóng điện hoa 50 Hình 3.7 Nồng độ NO NOx theo tần số xung 51 Hình 3.8 Nồng độ NO theo tần số t=7.45s t=13.6s 52 Hình 3.9 NO, NOx chuyển đổi tạo thành NO2, O2, N2O 53 Hình 3.10 Chuyển đổi NO NOx tạo thành NO2 nồng độ N2O hệ có NO, O2 N2 523K 52 Hình 3.11 Sự chuyển đổi NO, NOx nồng độ N2O, CO CO2 theo lượng cung cấp cho lò phản ứng 55 Hình 3.12 Sự chuyển đổi NO NOx nồng độ N2O, CO CO2 theo lượng cung cấp cho lị phản ứng hệ có NO, N2 C2H4 56 Hình 4.0 Kích thước lị phản ứng plasma Hình 4.1 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo nồng độ O2 với Q = 0.5L/min 62 Hình 4.2 Nồng độ phân tử khí thay đổi nồng độ O2 với Q =1L/min 64 Hình 4.3 Nồng độ phân tử khí thay đổi nồng độ O2 với Q =1.5L/min 65 Hình 4.4 Nồng độ phân tử khí thay đổi nồng độ O2 với Q =2.0L/min 67 Hình 4.5 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo cường độ dịng điện 68 Hình 4.6 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo diễn biến thời gian với I=1.2mA 69 Hình 4.7 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo diễn biến thời gian với I=1.8mA 69 Hình 4.8 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo diễn biến thời gian với I =2.0mA 70 Hình 4.9 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo diễn biến thời gian với NO = 150ppm 71 Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL viii Bộ môn : Động đốt 3.3.1.1 Luận văn tốt nghiệp Trường hợp Q = 0,5 L/min Bảng 4.1 Nồng độ(ppm)các phần tử khí thay đổi theo nồng độ 𝑂2 tại Q = 0,5 L/min Phần tử 𝑶𝟐 =0% 𝑶𝟐 =5% 𝑶𝟐 =10% 𝑶𝟐 =15% 𝑶𝟐 =20% N 9,10474.10-6 0,002351497 0,001355055 0,000977054 0,00075175 N2 999825,0155 949798,4036 899801,7601 849805,9639 799810,5545 NO 66,08211021 0,001836045 0,000915229 0,000620997 0,00047707 NO2 0,519343443 0,090121755 0,11303089 0,109126355 0,099403009 N2O 0,009711223 0,480313817 0,429371589 1,308148184 0,179020384 O 0,000133359 3,81062.10-6 3,74053.10-6 3,71707.10-6 3,70595.10-6 O2 0,520352495 49644,12819 99207,38329 148769,1421 198381,0266 NO3 1,75152.10-10 6,79878.10-9 1,52012.10-8 2,36448.10-8 3,11224.10-8 O3 0,000162459 346,7647069 775,6410343 1206,617995 1588,28739 N2O4 7,885679588 47,81344958 49,15506 49,55003414 48,89120347 N2O5 0,102170779 0,181255861 1,280496276 2,003930736 1,246596999 NOx 74,599015 48,56697801 50,97887402 52,97185602 50,41669703 Dựa vào kết ta có đồ thị thể ảnh hưởng cùa nồng độ O2 tới chuyển đổi NOx lò phản ứng plasma Hình 4.1 Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 64 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Q = 0.5 (L/min); I = (mA) KN = 7000; KO = 3500000; NO = 100ppm Nồng độ phần tử khí (ppm) 80 70 NOx 60 NO 50 NO2 40 N2O N 2O NO3 30 N2O4 20 N2O5 NO NOx 10 0% 5% 10% 15% 20% Tỷ lệ (%) O2 khí thải ban đầu 25% Hình 4.1 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo nồng độ O2 với Q = 0,5L/min Đồ thị cho thấy tỷ lệ oxy khí thải khơng nên nồng độ NO bị oxy hóa O2 nhỏ cịn khí thải cao, cịn nồng độ phần tử khí khác nhỏ nên nồng độ NOx khí thải cao Khi tăng dần tỷ lệ oxy khí thải lên 5% nồng độ NO khí thải sau khỏi lị phản ứng giảm dần phản ứng oxy hóa NO xảy mãnh liệt, đồng thời nồng độ N2O4 khí thải cũng tăng lên phản ứng phụ cũng xảy mãnh liệt Do nồng độ NO giảm mạnh tăng nồng độ N2O4 nên nồng độ NOx khí thải giảm khơng triệt để Khi tiếp tục tăng tỷ lệ O2 khí thải nồng độ phần tử khí gần không thay đổi phản ứng xảy triệt để Kết cũng giống với kết nghiên cứu số nhà khoa học (đã đưa phần 3.2.3) Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 65 Bộ môn : Động đốt 3.3.1.2 Luận văn tốt nghiệp Trường hợp với lưu lượng Q = L/min Bảng 4.2 Nồng độ (ppm) phần tử khí thay đổi theo nồng độ O2 Q =1 L/min Phần tử 𝑶𝟐 =0% 𝑶𝟐 =5% 𝑶𝟐 =10% 𝑶𝟐 =15% 𝑶𝟐 =20% N 7,28956.10-06 0,002213369 0,001228365 0,000879165 0,000683232 N2 999816,522 949794,9601 899799,191 849804,0986 799809,2773 NO 82,83947588 0,004709313 0,001927972 0,001239032 0,00090895 NO2 0,524429994 0,099563975 0,144443162 0,154120844 0,148967211 N2O 0,004252376 0,20456287 0,219938253 1,173121746 0,16530267 O 0,0001080 3,80634.10-06 3,7365 10-06 3,71323.10-06 3,70154.10-06 O2 0,233885338 49866,59109 99645,83566 149423,6294 199201,0715 NO3 1,41208.10-10 2,49132.10-09 6,68107.10-09 1,09063.10-08 1,51429.10-08 O3 4,7272.10-05 126,9055518 340,7619299 556,4277496 772,6713158 N2O4 3,791546976 47,83229953 48,94120554 49,36963128 49,56437311 N2O5 0,044979457 0,086614563 0,335909771 0,631442214 0,928958781 NOx 87,20468466 48,22773973 49,64334638 51,32955511 50,8084638 Dựa vào kết ta có đồ thị thể ảnh hưởng cùa nồng độ O2 tới chuyển đổi NOx lò phản ứng plasma Hình 4.2 Khi tăng lưu lượng khí thải vào lò phản ứng plasma tức giảm thời gian xử lý khí thải Với tỷ lệ oxy vào lị phản ứng 0% nồng độ NOx cao so với trường hợp lưu lượng khí thải nhỏ Điều chứng tỏ khí thải khơng có O2, thời gian xử lý khí thải lâu nồng độ NOx giảm.khi tăng tỷ lệ oxy khí thải lên nồng độ phần tử khí chênh lệch khơng đáng kể so với trường hợp lưu lượng khí thải 0,5 L/min Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 66 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Q = L/min; I = mA KN= 7000; KO = 3500000; NO = 100 ppm 100 90 80 Nồng độ phần tử (ppm) 70 NO NOx 60 NO2 50 N2O NO3 40 N2O4 30 N2O4 N2O5 20 NO NOx 10 0% 5% 10% 15% 20% 25% Tỷ lệ (%) O2 khí thải ban đầu Hình 4.2 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo nồng độ O2 với Q = L/min 3.3.1.3 Trường hợp với lưu lượng Q = 1,5 L/min Bảng 4.3 Nồng độ (ppm) phần tử khí thay đổi theo nồng độ O2 tại Q=1,5 L/min Phần tử 𝑶𝟐 =0% 𝑶𝟐 =5% 𝑶𝟐 =10% 𝑶𝟐 =15% 𝑶𝟐 =20% N 6,79488.10-6 0,002138042 0,00117236 0,000832748 0,000644253 N2 999904,5934 949904,7397 899903,3793 849902,3461 799902,1731 NO 88,77724258 0,0106873 0,003265336 0,001925509 0,001397123 NO2 0,525789451 0,10197712 0,160060796 0,179098004 0,182321963 N2O 0,002670727 0,110383371 0,141653781 0,107574792 0,118446414 O 0,000101039 3,80538E-06 3,73552E-06 3,71173E-06 3,70061E-06 O2 0,144705504 49947,75091 99805,85207 149739,0645 199518,8966 NO3 1,32603.10-10 1,03163.10-9 3,79545.10-9 6,72549.10-9 9,40135.10-9 O3 2,5457.10-5 52,40070954 193,4749045 343,0307589 479,6118462 N2O4 2,434404123 47,7906919 48,84450594 49,3934767 49,46325474 N2O5 0,028289754 0,045536697 0,151816976 0,307678142 0,463672989 NOx 91,768394 48,155457 49,301307 49,8975701 50,22908801 Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 67 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Dựa vào kết ta có đồ thị thể ảnh hưởng nồng độ oxy tới hiệu suất lò phản ứng plasma lưu lượng khí thải 1,5 L/min (Hình 4.3) Q = 1,5 L/min; I = mA KN = 7000; KO = 3500000; NO = 100ppm 100 Nồng độ phần tử khí (ppm) 90 80 NOx 70 NO NO2 N2O NO3 N2O4 N2O5 NOx 60 50 40 N2O4 30 20 NO 10 0% 5% 10% 15% 20% Tỷ lệ (%) O2 có khí thải ban đầu 25% Hình 4.3 Nồng độ phân tử thay đổi theo nồng độ O2 với Q = 1,5 L/min Đồ thị cho thấy khí thải khơng có oxy nồng độ NOx cao so với trường hợp lưu lượng nhỏ thời gian khí thải xử lý nhỏ Khi tăng tỷ lệ oxy cao khí thải nồng độ NOx so với hai trường hợp chênh lệch lượng nhỏ Khi nồng độ oxy khí thải tăng, phản ứng oxy hóa NO diễn mãnh liệt NO có khí thải bị oxy hóa O2 khử N2 nên lượng NO khí thải gần khơng Khi có tăng tỷ lệ oxy nồng độ phần tử khí cũng khơng thay đổi nhiều 3.3.1.4 Trường hợp với lưu lượng Q = L/min Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 68 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Bảng 4.4 Nồng độ (ppm) phần tử khí thay đổi theo nồng độ O2 tại Q = L/min Phần tử 𝑶𝟐 =0% 𝑶𝟐 =5% 𝑶𝟐 =10% 𝑶𝟐 =15% 𝑶𝟐 =20% N 6,5924.10-6 0,00053324 0,001138453 0,000897 0,000599 N2 999928.814 949903,9886 899902,8896 849902 799901,6 NO 91.525 0,035391055 0,005032596 0,000792 0,002674 NO2 0.526 0,728063139 0,169562083 0,144248 0,225796 N2O 0.002 0,052574181 0,102248934 0,076912 0,073777 O 9,8150.10-5 3,79973.10-6 3,73398.10-6 3,72.10-6 3,7.10-6 O2 0.105 49984.04069 99877,57863 149846,2 199763,1 NO3 1,288.10-10 3,23146.10-10 2,39936.10-9 1,74.10-8 4,64.10-9 O3 1,7436.10-5 16,23860764 122,2164858 887,5035 236,4914 N2O4 1.777 47,6151564 48,78662118 49,12034 49,32975 N2O5 0.021 0,031388075 0,094787433 0,182421 0,194212 NOx 94.148 48,46257285 49,15825463 49,52471 49,82621 Dựa vào kết ta có đồ thị thể ảnh hưởng nồng độ oxy tới hiệu suất lò phản ứng plasma lưu lượng khí thải L/min (Hình 4.4) Khi tiếp tục tăng lưu lượng khí thải với tỷ lệ oxy khơng vào lị phản ứng nồng độ NOx lại tăng lên Thời gian xử nhỏ nên nồng độ NO chuyển đổi không đáng kể Các kết tính tốn mơ cho thấy tăng tỷ lệ oxy khí thải nồng độ NOx giảm mạnh với giá trị lưu lượng khí thải khác Kết tính tốn mô tương đồng với kết thực nghiệm mà số nhà khoa học công bố (đã nêu phần 3.2.3) Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 69 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Q = L/min; I = mA KN = 7000; KO = 3500000; NO = 100 ppm 100,000 90,000 Nồng độ phần tử 80,000 70,000 NO 60,000 NO2 50,000 N2O NO3 40,000 N2O4 30,000 N2O5 20,000 NOx 10,000 0,000 0% 5% 10% 15% 20% 25% Tỷ lệ (%) O2 khí thải ban đầu Hình 4.4 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo nồng độ O2 với Q = 2L/min 3.3.2 Ảnh hưởng cường độ dòng điện tới hiệu suất khử Nhằm đánh giá xác khử thành phần khí lị phản ứng cũng có cách nhìn nhiều hướng khử lò phản ứng ta tiến hành tăng cường độ dòng điện lò phản ứng lên mức 1.2mA, 1.5mA, 1.8mA, 2.0mA với điều kiện ban đầu giữ nguyên Q=0.5L/min, O2=5%, KO=7000, KN=3500000, NO=100ppm, thể tích lị phản ứng 286,3.10-3 m3 Bước tính 10000000 tức khoảng thời gian h = 200ns Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 70 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Bảng 4.5 Nồng độ phân tử khí (ppm) theo cường độ dịng điện I=0 I = 1mA I =1.2mA I =1.5mA I =1.8mA I =2.0mA NO 100 0,0017408 0,0020302 0,0244489 0,00241388 0,002628 NO2 0,0892585 0,0922524 0,09551675 0,08319148 0,084210 N2O 0,5052214 0,5119945 0,52219837 0,45270745 0,458500 NO3 7,20E-09 7,30E-09 N2O4 47,81194 47,812 N2O5 0,2214384 0,2232533 0,22548486 0,19328028 0,19418182 NOx 100 48,629599 48,641530 48,6814233 7,45E-09 6,46E-09 6,55E-09 47,8137744 40,6557022 41,387295 40,656 41,3955214 Q=0,5L/min; KO=7000; KN=3500000; NO=100ppm 100 NO2 N2O NO3 NOx N2O4 NO N2O5 Nồng Độ Các Thành Phần Khí ( ppm ) 80 60 40 20 0 0,2 0,4 0,6 -20 0,8 1,2 1,4 1,6 1,8 Cường Độ Dịng Điện Hình 4.5 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo cường độ dịng điện Đồ thị cho ta thấy nồng độ phân tử khí NO NOx lị phản ứng plasma khử có giảm dần ta tiến hành tăng cường độ lị phản ứng lên Để tìm hiểu cách sâu sắc thay đổi phân tử lò phản ứng Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 71 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp plasma ta tiến hành tăng cường độ dòng điện I lò nên ta xem xét khử theo thời gian Từ đồ thị cho ta thấy tiến hành tăng cường độ dòng điện lò phản ứng lên I =1.2mA lượng phân tử khí NO bị khử giảm dần theo thời gian đạt giá trị sấp xỉ thời gian 7.6 giây, lượng NO lúc vào vùng ổn định tăng giảm lượng NO tăng giảm chút khơng đáng kể Q=0,5 L/min; I=1,2mA; KN=7000; KO=3500000; NO=100ppm 120 NOX NO2 N2O NO3 NO Thành Phần Các Phân Tử Khí 100 80 60 40 20 0 -20 10 12 14 16 18 20 22 Thời Gian Khử Các Phân Tử Khí Hình 4.6 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo diễn biến thời gian với I=1.2mA Tiến hành tăng cường độ dòng điện lò phản ứng lên I=1.8mA ta thấy đồ thị có độ dốc cao so với độ dốc I=1.2mA lượng NO khử lò với tốc độ nhanh tốc độ khử I=1.2mA đạt giá trị sấp xỉ khơng thời gian 4.2 giây sau lượng NO vào vùng ổn định Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 72 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Q=0,5L/min; I=1,8mA; KN=7000; KO=3500000; NO=100ppm 100 NO2 Nồng độ phân tử khí ( ppm ) 90 N2O NO3 NO NOX 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 12 14 16 18 20 22 Thời gian khử phân tử khí Hình 4.7 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo diễn biến thời gian với I=1.8mA Q=0,5L/min; I=2,0mA; KN=7000; KO=3500000; NO=100ppm 100 NO2 N2O NO3 NO NOX Nồng độ phân tử khí ( ppm ) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 12 14 16 18 20 22 Thời gian khử phân tử khí Hình 4.8 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo diễn biến thời gian với I=2.0mA Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 73 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Tiếp tục tiến hành tăng cường độ dòng điện lên I=2.0mA lượng NO khử nhanh điểm gần 2.4s vào vùng ổn định Từ đồ thị Hình 4.6 ; 4.7 ; 4.8 cho ta thấy ta tăng cường độ dịng điện lị phản ứng lên khử NO diễn mạnh tăng cường độ dịng điện lên dịch chuyển tương đối phân tử khí nguyên tử khí tăng lên trình va chạm hạt chất khí ngày mãnh liệt tạo thành hạt mang điện tích, hạt electron Ion thời gian khử phân tử khí NO sấp xỉ giảm dần vào vùng ổn định đạt ngưỡng 3.3.3 Ảnh hưởng nồng độ khí ban đầu Từ đồ thị ta thấy, tăng nồng độ NO lên thời gian khử NO kéo dài Lượng NO xấp xỉ không 10.4 giây sau vào vùng ổn định, từ đồ thị ta thấy tăng lượng NO lên đồng nghĩa với lượng NOx tăng lên theo Q=0,5L/min; I=1,0mA; KN=10500; KO=5250000; NO=150ppm 150 NO2 Nồng độ phân tử khí (ppm) 130 N2O NO3 NOX NO 110 90 70 50 30 10 -10 10 12 14 16 18 20 Thời gian khử phân tử khí Hình 4.9 Nồng độ phân tử khí thay đổi theo thời gian thay đổi nồng độ NO = 150ppm Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 74 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Ngày vấn đề môi trường tất quốc gia quan tâm cách sâu sắc để bảo vệ môi trường quốc gia đưa quy định nghiêm ngặt tiêu chuẩn khí thải động việc nghiên cứu ứng dụng lò phản ứng plasma loại bỏ thành phần độc hại khí thải động quan tâm nghiên cứu Trong luận văn tìm hiểu vấn đề sau:  Các thành phần độc hại khí thải động cơ, chế hình thành thành phần khí thải, biện pháp xử lý khí thải  Tìm hiểu plasma: định nghĩa, đặc tính, phân loại plasma, phương pháp tạo plasma  Tìm hiểu ứng dụng plasma xử lý khí thải động  Tính tốn mơ q trình khử NOx plasma có rào cản điện mơi Khi tăng lưu lượng khí thải qua lị phản ứng plasma từ 0,5 L/min ÷ L/min thời gian phản ứng giảm Với trường hợp khí thải khơng có oxy nồng độ NOx khí thải khỏi lị phản ứng tăng dần Với trường hợp khí thải có nồng độ oxy nồng độ NOx có thay đổi khơng đáng kể Khi thành phần khí thải khơng có oxy nồng độ NOx khỏi lị phản ứng cao phản ứng oxy hóa NO oxy không xảy Khi tăng dần hàm lượng oxy khí thải nồng độ NO có khí thải gần bị oxy hóa hồn tồn oxy Nồng độ NOx giảm mạnh tăng hàm lượng oxy từ 0% ÷ 5% Khi tiếp tục tăng hàm lượng oxy từ 5% ÷ 20% nồng độ NOx khỏi lò phản ứng thay đổi lượng nhỏ Mặt khác với điều kiện ban đầu không thay đổi mà tiến hành thay đổi cường độ dòng điện lị phản ứng plasma lên 1,2mA ÷ 2.0mA dịch chuyển tương đối phần tử khí ngun tử khí tăng lên q trình va chạm hạt chất khí ngày mãnh liệt tạo thành hạt mang điện tích, electron Ion trình khử NO diễn nhanh dẫn đến lượng NOx giảm nhanh Khi tăng cường độ dòng điện lị phản ứng lên thời gian khử cũng giảm tương ứng với giá trị cường độ dòng điện Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 75 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp Khi tăng lượng NO lên mà điều kiện ban đầu khơng thay đổi thời gian khử NO cũng tăng lên lúc mật độ NO tăng lên cũng đồng nghĩa với lượng NOx khí thải tăng lên theo Hướng phát triển - Hiệu chuẩn kiểm chứng mơ hình với lị phản ứng plasma động Sau sử dụng mơ hình sau nghiên cứu tối ưu hóa tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động - Nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm giảm phát thải NOx phản ứng plasma Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 76 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Shuiliang Plasma Reactors for Diesel Particulate Matter Removal Chemical Research Group, Research Institute of Innovative Technology for the Earth, Kyoto 619-0292, Japan [2] Grujicic M, Cao G, Rao AM, Tritt TM, Nayak S UV-light enhanced oxidation of carbon nanotubes Appl Surf Sci 2003; 214: 289-303 [3] Fanick ER, Bykowski BB Simultaneous reduction of diesel particulate and NOx using a pasma SAE paper 1994; Paper No 942070 [4] Thomas SE, Martin AR, Raybone D, et al Non thermal plasma after treatment of particulates-theoretical limits and impact on reactor design SAE Paper 2000; Paper No 2000-01-1926 [5] Yao S, Yamamoto S, Kodama S, et al An Innovative after-treatment system for diesel pm removal International conference on automotive technologies, Istanbul, Turkey 2008 [6] Ronny Brandebburg, Alexander Schwock, David Cameron, Justyna Jaskowiak and Katherina Ulrich Plasma treatment for environment protection [7] J.-O Chae Non-thermal plasma for diesel exhaust treatment Journal of Electrostatics 57 (2003) 251–262 [8] Y.Yankelevich, M.Wolf, R.Baksht, A.Pokryvailo, J.Vinogradov, B.Rivin, and E Sher NOx Diesel Exhaust Treatment Using Pulsed Corona Discharge: The Pulse Repetition Rate Effect [9] Ai-Min Zhu, Qi Sun, Jin-Hai Niu, Yong Xu, and Zhi-Min Song Conversion of NO in NO/N2, NO/O2/N2, NO/C2H4/N2 and NO/C2H4/O2/N2 Systems by Dielectric Barrier Discharge Plasmas Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol 25, No 4, August 2005 DOI: 10.1007/s11090-004-3134-7 [10] GS.TS Phạm Minh Tuấn Khí thải động nhiễm mơi trường [11] TS Trần Quang Vinh Chuyên đề xử lý NOx Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 77 Bộ môn : Động đốt Luận văn tốt nghiệp [12] Chong-Lin Song, Feng Bin, Ze-Min Tao, Fang-Cheng Li, Qi-Fei Huang Simultaneous removals of NOx, HC and PMfrom diesel exhaust emissions by dielectric barrier discharges State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China [13] Bernie M Penetrante, Raymond C Brusasco and Joseph D Wander Plasmaassisted catalytic reduction of NOx from stationary diesel engines [14] Tạ Phương Hòa Plasma ứng dụng vật liệu polime Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 78 ... phần NOx động đốt  Chương 2: Plasma ứng dụng plasma xử lý khí thải động  Chương 3: Tính tốn mơ q trình khử NOx mơi trường plasma khơng sinh nhiệt có chắn Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL Bộ môn... NOX TRONG MƠI TRƯỜNG PLASMA KHƠNG SINH NHIỆT CĨ CHẮN 58 3.1 Cơ chế phản ứng khử NOx môi trường plasma 58 3.2 Xây dựng mơ hình tính tốn 59 3.3 Kết tính tốn nhận...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  - LƯU NGỌC CAO TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH KHỬ NOx TRONG MƠI TRƯỜNG PLASMA KHƠNG SINH NHIỆT CĨ CHẮN Chun ngành: KỸ THUẬT CƠ