NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIẢM PHÁT THẢI NOx CHO ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC SỬ DỤNG UREA

Thành phần khí thải động cơ diesel

Quá trình cháy trong động cơ diesel là các phản ứng cháy giữa nhiên liệu và không khí Trước đây, người ta tin rằng phản ứng này diễn ra hoàn toàn, tạo ra sản phẩm gồm CO2, H2O và N2 có trong không khí, cùng với một tỷ lệ O2 nhất định Tuy nhiên, thực tế cho thấy quá trình cháy trong động cơ diesel là không hoàn toàn.

Có hai lý do để giải thích việc đó:

Các phản ứng hóa học không bao giờ diễn ra một chiều mà luôn có tính chất thuận nghịch giữa các chất phản ứng và sản phẩm tạo ra Điều này dẫn đến việc phản ứng không thể xảy ra hoàn toàn, vì vẫn còn dư lượng các chất tham gia trong quá trình phản ứng.

Các khu vực cháy trong động cơ có điều kiện hòa trộn, nhiệt độ và tốc độ xoáy lốc khác nhau, dẫn đến việc ngọn lửa không thể đốt cháy hết lượng nhiên liệu, tạo ra các sản phẩm cháy mới như bụi và phát thải NOx Điều này làm gia tăng khối lượng và số lượng phát thải so với trường hợp cháy hoàn toàn Các thành phần khí thải bao gồm CO2, H2O, N2, O2, CO, HC cháy không hết, NOx, bụi và khói, trong đó SOx có thể xuất hiện tùy thuộc vào chất lượng nhiên liệu NOx, bụi khói, CO và HC cháy không hết được coi là phát thải độc hại từ động cơ đốt trong, với tỷ lệ các thành phần khí thải được minh họa trong Hình 1.1.

Mặc dù khối lượng phát thải chỉ chiếm khoảng 0,2% tổng khí thải, nhưng nó vẫn gây ô nhiễm không khí đáng kể Lượng phát thải này không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất nhiệt của động cơ, tuy nhiên, hiện nay có nhiều nỗ lực nhằm xử lý và giảm thiểu phát thải từ động cơ do những nguy hiểm mà chúng gây ra đối với môi trường.

2 trường tự nhiên và sức khoẻ của con người Thậm chí một phần triệu của phát thải mà giảm được cũng rất quan trọng [3]

Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1]

Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dư lượng không khí λ [1]

Khối lượng phát thải phụ thuộc vào hiệu suất và các thông số của động cơ, trong đó thời điểm phun của động cơ diesel có ảnh hưởng lớn đến tính kinh tế nhiên liệu và lượng khí thải Mặc dù các thông số động cơ không tác động mạnh đến tổng nhiệt của quá trình cháy, nhưng thời điểm và tốc độ phun lại có liên quan chặt chẽ đến nhiệt nhả ra trong chu trình làm việc của động cơ.

Hình 1.2 trình bày nồng độ các phát thải độc hại chính, bao gồm HC, CO, NOx và PM, và thể hiện mối quan hệ của chúng với hệ số dư lượng không khí λ.

Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel

1.1.2.1 Cơ chế hình thành NO x trên động cơ diesel

Việc tìm hiểu cơ chế hình thành NOx trong động cơ diesel và kiểm soát khí thải gặp khó khăn do quá trình cháy diễn ra nhanh và hỗn hợp cháy không đồng nhất NO và NO2 là hai thành phần chính của NOx, trong đó NO là khí không màu, không mùi, còn NO2 có màu nâu đỏ và mùi gắt Cả hai khí đều rất độc, nhưng NO2 độc gấp 5 lần so với NO, và phần lớn NO2 được hình thành từ quá trình ô-xy hoá NO.

NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xy-lanh ở nhiệt độ cao, theo cơ chế được Zeldovich đề xuất Thành phần chính tạo ra NO là khí N2 trong không khí nạp vào động cơ Phản ứng dây chuyền ô-xy hoá khí ni-tơ xảy ra do các nguyên tử ôxy tách ra từ phân tử O2 ở nhiệt độ cao trong quá trình cháy.

Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ phân tử N2 là:

Các phương trình cân bằng hóa học cho thấy rằng tỷ lệ NO2/NO rất nhỏ khi khí cháy ở nhiệt độ bình thường Tuy nhiên, các thí nghiệm trên động cơ xăng và diesel cho thấy NO2 có thể chiếm từ 10% đến 30% trong thành phần NOx Điều này được lý giải bởi sự chuyển đổi nhanh chóng của NO thành NO2 trong vùng ngọn lửa thông qua phản ứng hóa học.

NO + H2O→ NO2 + OH (1-2) Tiếp đó NO2 lại phản ứng và trở thành NO qua phản ứng:

Sự hình thành NO2 trong vùng ngọn lửa nóng có thể bị dập tắt khi tiếp xúc với vùng lạnh, dẫn đến tỷ lệ NO2/NO cao nhất ở chế độ tải cao của động cơ diesel Ở chế độ này, các vùng lạnh có khả năng ngăn chặn sự hình thành trở lại của NO Nồng độ cục bộ của các nguyên tử ô-xy phụ thuộc vào nồng độ phân tử ô-xy và nhiệt độ cục bộ, trong khi sự hình thành NOx chủ yếu xảy ra ở nhiệt độ trên mức nhất định.

2000 K Do đó bất kỳ kỹ thuật nào có thể khống chế được nhiệt độ tức thời trong buồng cháy dưới 2000 K thì có thể giảm được sự hình thành NOx

NOx được hình thành từ phản ứng ô-xy hóa ni-tơ trong điều kiện nhiệt độ cao trong quá trình cháy Thành phần NOx phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí λ và nhiệt độ của quá trình cháy Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tại λ = 1,05 và λ = 1,1, nơi mà nhiệt độ đủ cao để ô-xy và ni-tơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao, đồng thời nồng độ ô-xy đủ lớn để đảm bảo phản ứng diễn ra.

Động cơ diesel có đặc điểm hình thành hỗn hợp bên trong với hệ số dư lượng không khí λ nằm trong khoảng 1,2 đến 10, từ toàn tải đến không tải Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm, dẫn đến giảm thành phần NOx So với động cơ xăng, động cơ diesel thường có thành phần NOx thấp hơn, nhưng lại có tỷ lệ NO2 trong NOx cao hơn, chiếm 5-10%, trong khi động cơ xăng chỉ đạt 2-10%.

Phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành

NOx trong động cơ có buồng cháy ngăn cách được sản sinh ít hơn so với động cơ có buồng cháy thống nhất, do quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ với lượng ô-xy hạn chế, dẫn đến nhiệt độ thấp Mặc dù buồng cháy chính có nhiều ô-xy, nhiệt độ vẫn không đủ cao để tạo ra NOx nhiều Tổng hợp lại, NOx của động cơ ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ thống nhất Tuy nhiên, động cơ này có suất tiêu hao nhiên liệu lớn, làm giảm tính kinh tế, nên ngày nay ít được sử dụng.

1.1.2.2 Cơ chế hình thành PM

Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ môi trường bang Ca-li-phóc-ni-a thì

PM là các hạt khí thải không phải nước, được hòa trộn với không khí để đạt nhiệt độ dưới 51,7 o C và được tách ra thông qua bộ lọc quy định.

PM bao gồm các hạt rắn và chất lỏng bám theo, trong đó các hạt rắn bao gồm cácbon tự do, tro (PM), chất phụ gia dầu bôi trơn, cùng với các hạt và vảy do mài mòn Chất lỏng bám theo chủ yếu là các thành phần có trong nhiên liệu và dầu bôi trơn.

Các hạt bụi mịn (PM) có kích thước từ 0,01 đến 1 micromet, chủ yếu nhỏ hơn 0,3 micromet, dễ xâm nhập vào đường hô hấp và gây tổn thương cho phổi Thành phần của PM phụ thuộc nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và phương pháp hình thành khí hỗn hợp Thông thường, PM chứa nhiều thành phần độc hại khác nhau.

 14% các muối sun-phát ngậm nước,

 8% các loại khác còn lại

Các phân tử PM ban đầu lớn dần lên theo hai cách sau:

Thứ nhất, đường kính của PM tăng lên là nhờ chúng bám, dính vào nhau làm cho kích thước bề mặt lớn bằng phân tử C2H2

Phản ứng cộng hy-đrô diễn ra liên tục, dẫn đến sự hình thành các phân tử C lớn tạo thành chuỗi hạt có kích thước lớn hơn Các phân tử này có đường kính từ 10 đến 1000 nm, thường là 100 nm, với khối lượng riêng trung bình khoảng 2000 kg/m³.

PM có tính chất xốp, do đó, các phần tử PM được đặc trưng bởi tỷ lệ khối lượng trên diện tích bề mặt Điều này khiến chúng dễ dàng dính lại và cô đọng trong các phản ứng.

Cơ chế hình thành PM theo Fusco được mô tả trong Hình 1.3, cho thấy rằng 6 ứng cộng hy-đrô vẫn giữ tính chất này ngay cả khi đã rời khỏi động cơ.

Hình 1.3 Quá trình hình thành PM

Sự hình thành của PM trong động cơ theo Theo Fusco tuân theo 8 bước cơ bản Trong quá trình cháy, nhiên liệu bốc hơi và dẫn đến sự hình thành PM thông qua các quá trình khác nhau.

(1) quá trình chuyển hoá để làm tăng kích thước hạt cơ bản (bán kính hạt lớn dần lên),

(2) tham gia cộng hợp tạo thành C2H2,

(3) quá trình ô-xy hoá hình thành các hạt PM ban đầu, các hạt PM này có kích thước hạt lớn dần lên,

(4) quá trình ô-xy hoá hình thành các hạt PM ban đầu có nguồn gốc là các gốc hy-đrô các-bon (C2H2),

(5) quá trình hình thành các hạt PM hình cầu (soot particles - P),

(6) quá trình phát triển bề mặt của các phân tử C2H2 tạo thành các hạt PM hình cầu ,

(7) quá trình ô-xy hoá PM tạo thành các cụm PM trơ hình cầu thể tích đơn, lúc này khối lượng tăng lên nhưng số lượng lại giảm xuống,

(8) quá trình hợp dính, ngưng tụ, phát triển bề mặt, liên kết hạt để tạo thành chuỗi PM

Tám phần này sẽ tham gia các phản ứng phá vỡ mạch vòng, ô-xy hoá, tăng kích thước bề mặt… như ở sơ đồ trên

1.1.2.3 Cơ chế hình thành CO

Trong khí thải động cơ diesel, mặc dù tỷ lệ không khí/nhien liệu (λ) lớn hơn 1 và có thừa ô-xy, vẫn tồn tại một lượng nhỏ CO do sự hiện diện của các vùng thiếu ô-xy (λ < 1) Như thể hiện trong Hình 1.2, khi λ tăng, nồng độ CO ban đầu giảm do ô-xy tăng lên và đạt mức tối thiểu tại λ = 2 Tuy nhiên, khi λ tiếp tục tăng, nồng độ CO lại tăng trở lại do tỷ lệ tái hợp của CO với ô-xy trong quá trình giãn nở giảm, dẫn đến lượng CO còn lại trong khí thải tăng lên.

1.1.2.4 Cơ chế hình thành HC

Yêu cầu về giảm phát thải độc hại

Phát thải từ động cơ diesel chủ yếu bao gồm NOx và PM, là hai thành phần được quan tâm hàng đầu Các giới hạn phát thải theo tiêu chuẩn khí thải phổ biến tại châu Âu, Mỹ và Nhật Bản được thể hiện rõ ràng trong Hình 1.4.

Hình 1.4 Giới hạn NOx, PM đối với động cơ diesel xe tải

Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ được coi là ngặt nghèo nhất trên thế giới, yêu cầu nồng độ NOx trong khí thải ở mức thấp nhất là 2,7 g/kWh từ những năm đầu thế kỷ 21 Tiêu chuẩn của Nhật Bản theo sau với mức 3,5 g/kWh Đối với nồng độ PM, cả tiêu chuẩn của Mỹ và Nhật đều cao hơn so với tiêu chuẩn khác.

Tiêu chuẩn Châu Âu vẫn duy trì chương trình thử tĩnh, trong khi tiêu chuẩn Mỹ và Nhật đã chuyển sang áp dụng chương trình thử động.

Các tiêu chuẩn thử động cho các khu vực khác nhau có sự khác biệt rõ rệt, trong đó tiêu chuẩn Mỹ và Nhật Bản đều thấp hơn tiêu chuẩn Châu Âu Đặc biệt, tiêu chuẩn Mỹ đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt hơn về phát thải NOx, với mức 0,35 g/kWh (US 2010), so với tiêu chuẩn Nhật Bản là 1 g/kWh (JP 2008) và tiêu chuẩn Châu Âu là 2 g/kWh (EURO V, 2008).

Tiêu chuẩn khí thải Euro tại Việt Nam

Tại Việt Nam, ngoài các tiêu chuẩn khí thải áp dụng cho ô tô mới, nhà nước cũng quy định tiêu chuẩn cho xe mô tô và xe gắn máy 2 bánh, loại phương tiện phổ biến nhất hiện nay Những quy định này được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn Euro và được thể hiện qua Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng, có hiệu lực từ ngày 18/10/2011.

Theo quy định mới, phạm vi điều chỉnh bao gồm lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải cho ô tô và mô tô 2 bánh sử dụng nhiên liệu mới sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu Đối tượng áp dụng là các cơ quan quản lý nhà nước, tổ chức và cá nhân liên quan đến sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu ô tô, mô tô 2 bánh, ngoại trừ xe cơ giới đặc chủng phục vụ quốc phòng và an ninh theo quy định của Bộ Quốc phòng và Bộ Công an.

Theo quy định, từ ngày 1/1/2017, xe mô tô hai bánh được nhập khẩu hoặc sản xuất, lắp ráp mới phải tuân thủ tiêu chuẩn khí thải mức 3 Đối với ôtô, các quy định áp dụng cho xe nhập khẩu, lắp ráp và sản xuất mới sẽ được thông báo sau.

-Tiêu chuẩn khí thải Euro 4 (mức 4) chính thức áp dụng từ ngày 1/1/2017

Tiêu chuẩn Euro 4, được triển khai vào tháng 1/2005 (hoặc tháng 1/2006), nhằm mục tiêu giảm ô nhiễm không khí từ xe diesel bằng cách hạn chế mức phát thải PM và NOx.

-Tiêu chuẩn khí thải Euro 5 (mức 5) chính thức áp dụng từ ngày 1/1/2022

Tiêu chuẩn Euro 5, có hiệu lực từ tháng 9/2009 (và tháng 1/2011), đã siết chặt các giới hạn phát thải hạt từ động cơ diesel, yêu cầu tất cả xe ô tô diesel phải trang bị bộ lọc hạt Ngoài ra, Euro 5 cũng bắt đầu áp dụng giới hạn hạt cho động cơ xăng, đặc biệt là động cơ phun xăng trực tiếp Để giảm thiểu tác động của phát thải hạt mịn, tiêu chuẩn này đưa ra giới hạn về số lượng hạt cho động cơ diesel, bên cạnh giới hạn trọng lượng hạt Quy định này có hiệu lực cho các phê duyệt mới từ tháng 9/2011 và áp dụng cho tất cả xe động cơ diesel mới từ tháng 1 năm 2013.

Giới hạn khí thải Euro 5 đối với động cơ diesel:

Các biện pháp xử lý khí thải diesel

Các biện pháp kết cấu

Nhóm biện pháp kết cấu tập trung vào việc giảm thiểu phát thải chất độc hại từ buồng cháy động cơ Một số biện pháp phổ biến thường được áp dụng bao gồm cải tiến thiết kế buồng cháy, sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường và tối ưu hóa quy trình cháy để nâng cao hiệu suất và giảm ô nhiễm.

Tối ưu hóa hệ thống và cấu trúc động cơ là rất quan trọng, bao gồm hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp và cấu trúc buồng cháy Việc áp dụng điều khiển điện tử giúp quản lý chính xác lượng nhiên liệu trong chu trình, cải thiện khả năng nạp, tăng cường sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí, và đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra triệt để.

Luân hồi khí thải (EGR) là một công nghệ quan trọng trong động cơ, giúp đưa một phần khí xả trở lại buồng cháy Quá trình này làm giảm nhiệt độ cháy và hạn chế phản ứng giữa ô-xy và ni-tơ, từ đó giảm thiểu lượng khí thải NOx lên tới 50-70%.

Có ba cách giải thích cho ảnh hưởng của luân hồi khí thải đến việc giảm

NOx có vai trò quan trọng trong quá trình cháy, bao gồm việc kéo dài thời gian cháy, tăng nhiệt dung riêng và làm loãng khí nạp bằng khí trơ, chủ yếu là CO2 Giả thuyết kéo dài thời gian cháy được xác nhận qua luân hồi khí thải, tương tự như việc giảm góc phun sớm Giả thuyết tăng nhiệt lượng cho rằng việc bổ sung khí trơ vào khí nạp sẽ làm tăng nhiệt dung riêng của các phần tử phản ứng, từ đó giảm nhiệt độ cháy Cuối cùng, giả thuyết làm loãng khí nạp chỉ ra rằng luân hồi khí xả làm tăng lượng khí trơ không cháy trong hỗn hợp, dẫn đến giảm nhiệt độ trong quá trình cháy.

Hiện nay, luân hồi khí thải được chia thành hai nhóm chính: luân hồi áp suất cao và luân hồi áp suất thấp Trong đó, luân hồi áp suất thấp có cấu trúc phức tạp hơn nhưng mang lại hiệu quả tốt hơn so với luân hồi áp suất cao.

Hình 1.5 Sơ đồ luân hồi khí thải a - Luân hồi áp suất thấp; b - Luân hồi áp suất cao

Tối ưu quá trình cháy: có một số phương pháp đã được áp dụng nhằm tăng hiệu quả quá trình cháy

Tăng áp suất phun nhiên liệu giúp phân tán tốt hơn các hạt nhiên liệu, từ đó cải thiện khả năng hòa trộn với không khí Quá trình cháy sẽ diễn ra đồng đều và triệt để hơn, mang lại hiệu suất tối ưu cho động cơ.

Cháy với hỗn hợp nghèo, tức là khi tỷ lệ nhiên liệu và không khí thấp, giúp hạn chế các khu vực thiếu oxy, từ đó giảm thiểu lượng CO, HC và PM phát thải.

Tạo ra chuyển động xoáy trong dòng khí nạp là yếu tố quan trọng giúp tăng cường khả năng hòa trộn nhiên liệu, đồng thời đảm bảo không khí được phân bổ đều đến mọi khu vực trong buồng cháy Điều này không chỉ giảm thiểu tình trạng thiếu ô-xy cục bộ mà còn góp phần giảm phát thải các chất ô nhiễm như HC, CO và PM.

Phun nước kèm nhiên liệu: giảm thành phần NOx khi giảm nhiệt độ cháy trung bình trong quá trình làm việc của động cơ

Làm giàu ô-xy trong nhiên liệu: giảm thiểu việc thiếu ô-xy cục bộ, tăng khả năng cháy kiệt, do đó giảm phát thải độc hại

Ngoài các biện pháp đã đề cập, việc áp dụng công nghệ để giảm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu và giảm hàm lượng chất vô cơ cũng như phốt-pho trong dầu bôi trơn là rất quan trọng Các phương pháp này góp phần làm giảm thành phần SO2, từ đó cải thiện chất lượng môi trường.

SO3, các muội gốc vô cơ… và giảm tác động xấu đến các bộ xử lí khí thải

Sử dụng nhiên liệu thay thế là một giải pháp khả thi, không chỉ giúp giảm phát thải các chất độc hại mà còn mang lại tiềm năng đối phó với tình trạng cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch.

Các biện pháp cải tiến kết cấu động cơ và nhiên liệu chỉ mang lại hiệu quả hạn chế trong việc giảm khí thải độc hại, đồng thời gây ra mâu thuẫn giữa việc giảm phát thải và tính kinh tế Các thành phần độc hại trong khí thải không thể giảm đồng thời; ví dụ, khi áp dụng luân hồi khí xả để giảm NOx, các thành phần như PM, CO và HC lại gia tăng Tương tự, việc tối ưu hóa quá trình cháy nhằm giảm PM lại dẫn đến sự gia tăng NOx do nhiệt độ cháy tăng lên.

Để giảm thiểu các thành phần độc hại và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt, việc áp dụng biện pháp xử lý khí thải sau cửa thải là rất cần thiết.

Các biện pháp xử lý sau cửa thải

1.2.2.1 Bộ xúc tác ô-xy hóa (DOC) xử lý CO và HC

Bộ xử lý xúc tác ô-xy hóa dùng cho động cơ diesel (Diesel Oxydation

Bộ xúc tác DOC (Catalyst-DOC) được thiết kế để giảm thiểu lượng phát thải CO, HC và PM trong khí thải Khí thải từ động cơ diesel sẽ được dẫn qua bộ xúc tác ô-xy hóa để đạt được hiệu quả tối ưu trong việc xử lý ô nhiễm.

DOC, nhờ vào sự hiện diện của các chất xúc tác Platinum và Palladium, cho phép các phản ứng ô-xy hóa diễn ra dễ dàng ngay cả ở nhiệt độ thấp, giúp giảm nhiệt độ phản ứng ô-xy hóa của Hydrocarbon (HC) và Carbon monoxide (CO) từ 600 o C xuống chỉ còn 250 o C.

Các hy-đrô các-bon trong khí thải động cơ có thể tồn tại dưới dạng hơi hoặc lỏng, và trong cả hai trạng thái, chúng đều được ô-xy hóa thành CO2 và nước Khi không có bộ chuyển đổi xúc tác DOC, hy-đrô các-bon lỏng sẽ được thải ra dưới dạng bụi mịn PM Việc sử dụng bộ DOC không chỉ giúp giảm đáng kể lượng CO và HC mà còn làm giảm phát thải bụi mịn PM, góp phần cải thiện chất lượng không khí.

Tuy nhiên, bên cạnh đó, bộ DOC cũng thúc đẩy một số phản ứng ô-xy hóa và tạo thành các sản phẩm không mong muốn khác:

Sự hình thành H2SO4 trong bộ DOC làm giảm hiệu quả của các vật liệu xúc tác và khi thải ra môi trường, nó sẽ ngưng tụ thành các hạt, từ đó làm tăng lượng phát thải bụi mịn (PM) Mức độ tăng PM liên quan chặt chẽ đến sự hình thành các hạt H2SO4.

14 thiết đến hàm lượng lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu Việc NO chuyển thành

Khi qua bộ DOC, tổng lượng NOx trong khí thải không thay đổi, nhưng lượng NO2 lại tăng lên NO2 là một chất khí độc hại hơn đối với sức khỏe con người và môi trường so với NO.

1.2.2.2 Bộ lọc hạt PM kiểu kín (DPF)

Bộ lọc chất thải dạng hạt (Diesel Particulate Filter - DPF) là hệ thống phổ biến trong giao thông vận tải, giúp giảm hàm lượng PM trong khí thải Thiết bị này giữ lại các chất thải dạng hạt, ngăn không cho chúng thải ra môi trường Các bộ lọc kín có hiệu quả lọc cao, thường đạt trên 90%, mặc dù cấu trúc bên ngoài của chúng tương tự nhau, phần lõi lọc là điểm khác biệt chính.

Hình 1.6 Kết cấu chung bộ lọc DPF của hãng Johnson Matthey

Bộ DPF có cấu trúc bao gồm lõi lọc gốm xốp, được thiết kế với các rãnh bịt một đầu và sắp xếp theo kiểu so le, giúp tối ưu hóa khả năng lọc bụi và khí thải.

Hình 1.7 Nguyên lý và kết cấu bộ lọc kín chất thải dạng hạt DPF

Bộ lọc DPF hoạt động bằng cách cho khí thải đi qua các vách xốp, nơi các thành phần khí đi qua lỗ xốp trong khi các hạt bụi bị giữ lại Sau một thời gian, sự lắng đọng của các chất thải dạng hạt có thể làm tắc lỗ xốp, dẫn đến tăng áp suất trong ống thải, ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ Để khắc phục tình trạng này, cần thực hiện quá trình tái sinh lọc, trong đó các hạt bụi lắng đọng được đốt cháy bằng cách nâng cao nhiệt độ khí thải hoặc sử dụng điện.

1.2.2.3 Xử lý thành phần NO x từ khí thải diesel

Hiện nay, có hai phương pháp phổ biến trong việc xử lý khí thải NOx là bộ bẫy NOx với hỗn hợp nghèo (LNT - Lean NOx Trap) và bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR).

- Selective Catalytic Reduction) a Bộ bẫy NO x với hỗn hợp nghèo (LNT)

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống LNT

Hệ thống LNT bao gồm hai buồng xúc tác: buồng đầu tiên có van khí thải và ống rỗng (bypass leg), trong khi buồng thứ hai, gọi là buồng xử lý, được chia thành các buồng nhỏ hơn như buồng chứa chất ô-xy hoá, buồng chuyển hoá và buồng chứa bộ xúc tác LNT Các kim loại quý được sử dụng làm chất xúc tác cho các bình bao gồm Pt, Pt/Rh và Pd, được phủ lên bề mặt kim loại kiềm và kiểm thổ, thường là Kali (K) và Bari (Ba).

Bộ xử lý LNT hoạt động qua hai pha: đầu tiên, khí thải từ động cơ được đưa vào hệ thống LNT, trong khi van khí thải trên ống rỗng đóng lại, toàn bộ khí thải đi vào buồng xử lý Tại đây, quá trình cắt giảm khí NOx diễn ra thông qua việc ô-xy hóa và sử dụng các ô-xít kim loại kiềm thổ như BaO để hấp phụ khí NOx trong điều kiện nghèo.

Phương trình phản ứng trong điều kiện nghèo:

2 O2 →Ba(NO3)2 (1-10) Hai phương trình trên là quá trình ô-xy hoá NOx Hình 1.9 cho thấy quá trình hấp phụ NOx trong hỗn hợp nghèo

Hình 1.9 Quá trình hấp phụ NOx trong hỗn hợp nghèo

Do lượng NOx ngày càng tăng, cần tái tạo hệ thống bằng cách đóng van khí thải trước buồng xử lý và mở van trên ống rỗng để khí thải từ động cơ thoát ra Trong quá trình này, toàn bộ khí thải từ động cơ sẽ không được xử lý Tái tạo hệ thống được thực hiện bằng cách phun nhiên liệu vào trước buồng ô-xy hoá, như mô tả trong Hình 1.10.

Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý

Nhiên liệu được sử dụng trong quá trình này là khí mê-tan (CH4) Trong buồng chứa chất oxy hóa, CH4 sẽ trải qua quá trình oxy hóa, tạo ra các sản phẩm như carbon monoxide (CO).

CO2, H2O, và H2 Phương trình ô-xy hoá CH4 như sau:

Các khí này tiếp tục đi vào buồng chuyển hoá để thực hiện tiếp quá trình chuyển hoá khí CH4 thành khí CO2 và H2

Các khí này tiếp tục được đưa vào buồng xử lý LNT để tái tạo lại quá trình xử lý Trong điều kiện hỗn hợp giàu nhiên liệu, quá trình giải phóng N2 diễn ra thông qua các phản ứng (1-13), (1-14) và (1-15).

Hình 1.11 Quá trình giải phóng N2 trong hỗn hợp giàu nhiên liệu

Quá trình hấp phụ NOx và giải phóng N2 đã hoàn tất, sau đó van khí thải trước buồng xử lý được mở lại, trong khi van khí thải trên ống rỗng đóng lại, đánh dấu sự khởi đầu của chu trình hấp phụ NOx mới.

Nhiệm vụ

The Selective Catalytic Reduction (SCR) method is an effective continuous process for reducing nitrogen oxides (NOx) Through the action of a catalyst, NOx is converted into nitrogen (N2), significantly lowering harmful emissions.

Hệ thống điều khiển phun urea cho bộ SCR đảm bảo hoạt động ổn định trong các chế độ làm việc khác nhau của động cơ diesel có công suất khoảng 80 ML.

Phân loại

2.1.2.1 Phân loại theo chất khử

Hệ thống SCR khử NOx có khả năng sử dụng nhiều loại chất khử khác nhau như am-mô-niắc, ê-ta non và hy-đrô các-bon Tùy thuộc vào loại chất khử được áp dụng, hệ thống này có thể được phân loại một cách cụ thể.

Hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng am-mô-ni-ắc (NH3-SCR; urea- SCR)

Hệ thống xử lý xúc tác sử dụng ê-ta-non (EtOH-SCR)

Hệ thống xử lý xúc tác sử dụng hy-đrô các-bon (HC-SCR)

Hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng NH3 (NH3-SCR; urea-SCR) hoạt động dựa trên quá trình thủy phân urea thành NH3, sau đó NH3 sẽ tham gia vào phản ứng khử NOx Các phương trình phản ứng chính cho quá trình này được mô tả trong các công thức (2-1, 2-2).

*) Phản ứng thủy phân urea:

(NH2)2CO+H2O→2NH3 +CO2 (2-1) HNCO+H2O→ NH3+CO2 (2-2)

*) Phản ứng khử NO x bằng NH 3 i) Phản ứng nhanh:

2NH3 + NO+ NO2 →2N2 +3H2O ∆H 298 ∆H 298 = -378,534kJ/mol

4NH3 +4NO+O2→ 4N+6H2O (2-4) ∆H 298 = -407,129kJ/mol iii) Phản ứng chậm:

*) Phản ứng khử trực tiếp NO x bằng urea:

Khi dung dịch urea chưa được thủy phân hoàn toàn và đi vào bộ xúc tác, quá trình khử NOx vẫn diễn ra, mặc dù hiệu suất khử không cao.

2(NH2)2 CO+6NO → 5N2+2CO2+4H2O (2-6) 4HCNO+6NO → 5N2 +4CO2 +2H2O (2-7)

*) Phản ứng không mong muốn tạo đi-ni-tơ ô-xít:

Phản ứng không mong muốn trong quá trình xử lý khí thải bao gồm các phản ứng tạo ra khí N2O, một chất độc hại và là tác nhân gây hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ Những phản ứng này (2-8, 2-9, 2-10) dẫn đến sự hình thành N2O và khí NO, làm giảm hiệu quả chuyển đổi NOx Do đó, cần hạn chế các phản ứng này (2-11, 2-12) để bảo đảm hiệu quả của chất khử và tránh sai sót trong việc định lượng chất khử của hệ thống cung cấp.

Ngoài các phản ứng không mong muốn, còn tồn tại những phản ứng bất lợi cho bộ xúc tác, bao gồm hiện tượng đầu độc và tắc nghẽn bộ xúc tác Một trong những phản ứng này là phản ứng tạo muối a-môn, có thể gây ra những tác động tiêu cực đến hiệu suất của bộ xúc tác.

2NH3 +2NO2 → NH4NO3+N2+H2O ii) Phản ứng tạo cặn nhựa, po-li-me:

HNCO+3NH3 → me-la-nin(C3N6H6)x (2-17)

Nghiên cứu của Schmieg và cộng sự đã chỉ ra các thành phần chính trong quá trình ô-xy hóa NH3 ở các nhiệt độ khí xả khác nhau.

Nghiên cứu cho thấy quá trình ô-xy hóa NH3 chỉ diễn ra ở nhiệt độ trên 300 °C, với mức độ ô-xy hóa tăng theo nhiệt độ, tối đa đạt 15% ở 550 °C Điều này làm cho việc kiểm soát lượng phun urea cung cấp cho hệ thống trở nên phức tạp hơn.

Nghiên cứu chỉ ra rằng hệ xúc tác Zeolite có độ chọn lọc cao trong việc tạo ra N2, với tỷ lệ tạo NO chỉ đạt 2% và N2O là 1% tại nhiệt độ 550 o C, như thể hiện trong Hình 2.1 b Kết quả này mang ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình xúc tác.

23 trong việc xem xét việc tổn hao NH3 do ô-xy hóa, đồng thời không hình thành thêm NO làm giảm hiệu suất khử NOx của hệ thống SCR

Hình 2.1 Ô-xy hóa NH 3 theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Zeolite

Với GHSV 90000 h -1 , 300 ppm NH3, 10% O2, 5% CO2, 5% H2O

Hệ thống xử lý xúc tác NH3-SCR sử dụng xúc tác Vanadi (V2O5) trên nền chất mang TiO2/Al2O3 hoặc TiO2 để thực hiện quá trình khử.

NOx được thể hiện trên Hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ quá trình khử NO x bằng NH 3

Trong quá trình hoạt động, việc tạo NH3 in-situ trên bề mặt xúc tác V2O5 mang lại hiệu suất chuyển hóa NOx rất cao, với sản phẩm khử chủ yếu là N2 Cơ chế khử NOx bằng NH3 được minh họa rõ ràng trong Hình 2.2.

Hệ thống sử dụng NH3 trực tiếp mang lại hiệu suất khử cao hơn so với việc sử dụng NH3 gián tiếp qua thủy phân urea Tuy nhiên, phương pháp này gặp một số hạn chế do yêu cầu cồng kềnh của hệ thống chứa NH3 ở áp suất cao.

Để sử dụng NH3 trên phương tiện vận tải, giải pháp hiệu quả là áp dụng NH3 một cách gián tiếp, chấp nhận việc hiệu suất khử giảm một phần NH3 có đặc điểm khử NOx hiệu quả, góp phần giảm ô nhiễm môi trường.

Quá trình khử NOx chủ yếu diễn ra với tác nhân NO2, khi nó phản ứng trực tiếp với NH3 Trong khi đó, NO sẽ được oxi hóa một phần thành NO2 Tốc độ khử NOx đạt cao nhất khi tỉ lệ NO : NO2 : NH3 trong hỗn hợp là 1 : 1 : 2 Nghiên cứu mới nhất của Nguyễn Lê Phúc và đồng nghiệp cũng chỉ ra rằng NH3 có khả năng khử NOx rất nhanh.

Bên cạnh các phản ứng chính có lợi cho việc khử NOx nhờ xúc tác, còn tồn tại các phản ứng phụ có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của bộ xúc tác và hệ thống SCR.

Các nhân tố ảnh hưởng

- Nhiệt độ và tốc độ không gian

Hình 2.3 minh họa hiệu suất khử theo nhiệt độ tại các mức lưu lượng khí xả khác nhau Để đánh giá lưu lượng khí xả đi qua bộ xúc tác, hay còn gọi là thời gian lưu trú của khí xả trên bộ xúc tác, thông số vận tốc không gian (SV) là rất quan trọng.

Trong đó: Qx: Lưu lượng khí xả

V: Thể tích bộ xúc tác

Từ công thức ta nhận thấy khi khảo sát cùng thể tích bộ xúc tác thì lưu lượng khí xả tỷ lệ thuận với vận tốc không gian