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

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - NGUYỄN QUANG HIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIẢM PHÁT THẢI NOx CHO ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC SỬ DỤNG UREA CBHD: Ths Nguyễn Huy Chiến CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Sinh viên: Nguyễn Quang Hiệp Mã số sinh viên: 2018605632 Hà Nội – Năm 2022 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii LỜI NÓI ĐẦU x TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIẢM PHÁT THẢI NOx CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Thành phần khí thải động diesel chế hình thành 1.1.1 Thành phần khí thải động diesel 1.1.2 Cơ chế hình thành chất khí thải diesel 1.1.3 Yêu cầu giảm phát thải độc hại 1.1.4 Tiêu chuẩn khí thải Euro Việt Nam Các biện pháp xử lý khí thải diesel 10 1.2.1 Các biện pháp kết cấu 10 1.2.2 Các biện pháp xử lý sau cửa thải 13 Kết luận chương 19 BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC (SCR) 20 Nhiệm vụ phân loại 20 2.1.1 Nhiệm vụ 20 2.1.2 Phân loại 20 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 47 2.2.1 Cấu tạo chung SCR 47 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 48 Các chi tiết xử lý xúc tác SCR 49 2.3.1 Bộ xúc tác khử NOx 49 2.3.2 Thiết bị chứa urea 50 2.3.3 Bơm cấp urea 50 ii 2.3.4 BĐK điều khiển lượng urea phun vào đường thải 51 2.3.5 Vòi phun urea 52 Kết luận chương 53 MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC 54 Cơ sở tính tốn mơ 54 3.1.1 Cơ sở lý thuyết để tính tốn mơ SCR 54 3.1.2 Cơ chế phản ứng SCR 57 3.1.3 Tính tốn lượng urea cần cung cấp 57 Mô xử lý xúc tác phần mềm AVL-BOOST 59 3.2.1 Mơ hình xử lý xúc tác chọn lọc AVL-BOOST 59 3.2.2 Mô phần mềm AVL-BOOST 60 Kết luận chương 63 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC BOOST 66 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tỷ lệ thành phần khí thải động diesel [1] ………………2 Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dư lượng khơng khí λ [1].………………… Hình 1.3 Q trình hình thành PM ………………………………………………….6 Hình 1.4 Giới hạn NOx, PM động diesel xe tải ……………………… Hình 1.5 Sơ đồ ln hồi khí thải ………………………………………………….11 Hình 1.6 Kết cấu chung lọc DPF hãng Johnson Matthey ……………… 14 Hình 1.7 Nguyên lý kết cấu lọc kín chất thải dạng hạt DPF ……………….15 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống LNT.…………………………………………………… 16 Hình 1.9 Quá trình hấp phụ NOx hỗn hợp nghèo ………………………….17 Hình 1.10 Các phản ứng buồng xử lý ………………………………… 17 Hình 1.11 Q trình giải phóng N2 hỗn hợp giàu nhiên liệu ……………….18 Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống SCR ……………………… 19 Hình 2.1 Ơ-xy hóa NH3 theo nhiệt độ hệ xúc tác Zeolite 23 Hình 2.2 Sơ đồ trình khử NOx NH3 24 Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ mức lưu lượng khí xả khác 25 Hình 2.4 Hiệu suất chuyển đổi NOx phụ thuộc tỷ lệ mol rNO2 /NOx 200 oC 26 Hình 2.5 Hiệu suất chuyển đổi NOx tạo thành N2O theo nhiệt độ với thành phần NO2 khác hệ xúc tác Zeolite 27 Hình 2.6 Nồng độ muối a-môn theo thành phần SO3 28 Hình 2.7 Hiệu chuyển đổi theo tỷ lệ mol rNH3/NOx nhiệt độ khác hệ xúc tác Zeolite 29 Hình 2.8 Cơ chế khử NOx ê-ta-non 30 Hình 2.9 Hiệu suất khử NOx theo nhiệt độ hệ xúc tác Ag/Al2O3 31 Hình 2.10 Ảnh hưởng SO2 H2O đến hiệu suất khử NOx với Ê-ta-non hệ xúc tác Ag/Al2O3 32 iv Hình 2.11 Sơ đồ chế khử NOx hy-đrô các-bon 33 Hình 2.12 Hiệu suất khử NOx với hy-đrô các-bon 33 Hình 2.13 Cơ chế khử NO NH3 hệ xúc tác V2O5 35 Hình 2.14 Sơ đồ lắp đặt SCR đường thải 36 Hình 2.15 Ảnh hưởng thành phần NO2 đến hiệu khử NOx 36 Hình 2.16 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian thử bền động với nhiên liệu chứa 350 ppm lưu huỳnh nhiệt độ thấp 37 Hình 2.17 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian thử bền động với nhiên liệu chứa 1620 ppm lưu huỳnh nhiệt độ thấp 38 Hình 2.18 Hiệu khử NOx theo nhiệt độ hệ xúc tác Zeolite (Cu-Zeolite Fe-Zeolite) 39 Hình 2.19 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) giàu (khơng có O2) với xúc tác Cu-Zeolite 40 Hình 2.20 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) giàu (khơng có O2) với xúc tác Fe-Zeolite 40 Hình 2.21 Xúc tác Al2O3 SiO2 với 1% Rh, Pd Pt 41 Hình 2.22 Xúc tác Al2O3 SiO2 với 1% Rh, Pd Pt 42 Hình 2.23 Tạo N2 N2O từ NO xúc tác Pt 42 Hình 2.24 Hấp phụ NO Al2O3 Hấp phụ NO2 Al2O3 44 Hình 2.25 Sơ đồ khối điều khiển vòng hở SCR 44 Hình 2.26 Sơ đồ tổng quát với hệ điều khiển kín 45 Hình 2.27 Sơ đồ điều khiển vịng kín sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến NOx 46 Hình 2.28 Sơ đồ điều khiển vịng kín với tín hiệu phản hồi từ cảm biến NH3 47 Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý làm việc SCR 48 Hình 2.30 Bộ xúc tác khử NOx 49 v Hình 2.31 Cấu trúc monolith 49 Hình 2.32 Bình chứa urea 50 Hình 2.33 Kết cấu hoạt động bơm urea loại lăn 51 Hình 2.34 Kết cấu vòi phun urea 52 Hình 3.1 Mơ hình lị phản ứng (CAT1) với điều kiện biên (ATB1, ATB2) 59 Hình Ảnh hưởng lưu lượng khí xả đến hiệu suất khử NOx 61 Hình 3.3 Ảnh hưởng NO2 đến hiệu suất khử NOx 62 Hình 3.4 Ảnh hưởng NH3 đến hiệu suất khử NOx 62 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động 59 Bảng 3.2 Thông số cấu trúc xúc tác 60 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ĐCĐT Diễn giải Thứ nguyên Động đốt - Mã lực - Bộ điều khiển - Cảm biến - Pulse Width Modulation (Điều khiển lƣợng phun dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông) - N2 Khí ni-tơ - O2 Khí ơ-xy - CO Các-bon mơ-nơ-xít - CO2 Các-bon đi-ơ-xít - HC Hy-đrơ các-bon - PM Particulate Matter (Phát thải dạng hạt) - NOx Các ô-xít ni-tơ - NO Ni-tơ ô-xít - NO2 Ni-tơ đi-ô-xít - N2O Đi-ni-tơ ơ-xít - SOx Các lƣu huỳnh ơ-xít - NH3 Am-mô-ni-ắc - C3H6 Prô-pen - ∆H 298 En-tan-pi 298 oC - Hệ số phản ứng - V2O5 Vanadium (Va-na-đi, Va-na-đi ơ-xít) - Cu-Zeolite Xúc tác Zeolite sử dụng cation Cu - Fe-Zeolite Xúc tác Zeolite sử dụng cation Fe - Pt Platinum (Bạch kim) - Rh Rhodium - ML BĐK CB PWM R viii Pd Palladium - Ag Bạc - Al2O3 Aluminium oxide (nhơm ơ-xít) - SiO2 Silicon dioxide, Silica (Si-líc đi-ơ-xít, si-li-ca) - TiO2 Titanium dioxide, titania (ti-tan đi-ơ-xít) - WO3 Vonfram trioxide (vơn-phờ-ram tri-ơ-xít) - H2SO4 Sulfuric acid (a-xít sun-phu-ríc) - HCNO Fulminic acid (a-xít phu-mi-níc) - Barium nitrate (Muối Ba-ri ni-tơ-rát) - Barium oxide (Ba-ri Ơ-xít) - Ba(NO3)2 BaO NH4(HSO4) Ammonium hydrogen sulfate (Muối a-môn hy-đrô sun-phát) - Ammonium sulfate (Muối a-môn sun-phát) - Zeolite Mordenit - Cu-MOR Zeolite Mordenit sử dụng cation Cu - Fe-MOR Zeolite Mordenit sử dụng cation Fe - Số Reynolds - NH3/NOx Tỷ lệ mol NH3 so với NOx - r Tỷ lệ mol thành phần NO2 hỗn hợp NOx - Tỷ lệ mol NH3 so với SO3 - DOC Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ơ-xy hóa) - EGR Exhaust Gas Recirculation (hệ thống luân hồi khí thải) - DPF Diesel Particulate Filter (bộ lọc hạt PM kiểu kín) - SCR Selective Catalytic Reduction (bộ xử lý xúc tác chọn lọc) - (NH4)2SO4 MOR Re r NO2/NOx r NH3/SO3 NH3-SCR Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử trực tiếp am-môni-ắc - ix Urea-SCR HC-SCR EtOH-SCR LNT φ SV GHSV Qx Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử gián tiếp am-môni-ắc thông qua urea - Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử hy-đrô các-bon - Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử ê-tanon - Lean NOx Trap (Bộ hấp phụ NOx bẫy hỗn hợp nghèo) - Hệ số dư lượng khơng khí - Space velocity (vận tốc không gian) s1- Gas hourly space velocity (vận tốc khơng gian tính theo giờ) h-1 Lƣu lƣợng khí xả l/ph Phần mềm mơ hãng AVL (Áo) - ESC Chu trình gồm 13 chế độ có trạng thái ổn định - ETC Chu trình thử gồm 1800 chế độ chuyển tiếp diễn nhanh theo giây - ATB (Điều kiện biên) - CAT (Lị phản ứng xúc tác) - PTN Phịng thí nghiệm - LCD Liquid-crystal display (Màn hình hiển thị) - AVLBOOST 58 Trong đó: CNOx vao,: nồng độ NOx khí xả vào xử lý xúc tác (ppm) CNOx ra, : nồng độ NOx khí xả xử lý xúc tác (ppm) Lượng urea cần cung cấp cho hệ thống: Số mol urea: (3-15) Trong đó: nNH3 : số mol NH3 cần cung cấp cho hệ thống Khối lượng urea (3-16) Trong đó: Murea : Khối lượng phân tử urea, Murea =60 (g/mol) Khối lượng dung dịch urea (chứa 32,5% urea): (3-17) Thể tích dung dịch chứa 32,5% ure: (3-18) Trong đó: 𝜌ddurea : khối lượng riêng dung dịch urea, 𝜌ddurea =1,082 (kg/lít), 30 oC, rNH3/NOx : tỷ số mol NH3 so với NOx cần cung cấp 59 Lượng NH3 dư: (3-19) Mô xử lý xúc tác phần mềm AVL-BOOST 3.2.1 Mơ hình xử lý xúc tác chọn lọc AVL-BOOST Bộ SCR coi lò phản ứng (CAT1) với điều kiện biên đầu vào (ATB1) đầu (ATB2) [2], thể Hình 3.1 CAT1 ATB1 ATB2 Hình 3.1 Mơ hình lò phản ứng (CAT1) với điều kiện biên (ATB1, ATB2) Trong mô này, tác giả sử dụng modun “aftertreament”-xử lý khí thải phần mềm AVL-BOOST, bỏ qua trình việc tạo thành thành phần độc hại từ động Trong đó, đầu vào thành phần riêng khí thải động cơ, nhiệt độ xúc tác, áp suất chênh lệch khảo sát động D243 băng thử động Kiểu động kỳ (Đường kính x Hành trình) (110 mm x 125mm) Số xy-lanh Cơng suất định mức 80 ML Tốc độ quay định mức 2200 v/ph Tỷ số nén 16:1 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động 60 Chất xúc tác yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc trưng hệ thống SCR Trong mô này, lựa chọn xúc tác cho chuyển đổi NOx chủ yếu bao gồm: V2O5 -WO3 /TiO2 Các thông số cấu trúc xúc tác thể Bảng 3.2 Kiểu xúc tác Xúc tác chọn lọc SCR Thể tích (l) 6,5 Chiều dài (mm) 228,6 Số lượng lỗ/1inch (cpsi) 400 Kích thước lỗ (mm) 0,1905 Bề dày thành lỗ (mm) 0,01905 Bảng 3.2 Thông số cấu trúc xúc tác 3.2.2 Mô phần mềm AVL-BOOST 3.2.2.1 Mục đích mơ i) Xây dựng mối quan hệ hiệu chuyển đổi NOx với nhiệt độ, ii) Đánh giá ảnh hưởng nhân tố ảnh hưởng đến hiệu chuyển đổi, iii) Tạo sở thực tính tốn kích thước, kết cấu xúc tác cho động 3.2.2.2 Mô đánh giá nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất khử NOx a Ảnh hưởng lưu lượng khí xả đến hiệu suất khử NOx Với kết mơ Hình 3.2, cho thấy ảnh hưởng lưu lượng khí thải Qx đến hiệu chuyển đổi NOx, với thành phần khí: 5% O2, 5% H2O, 880 ppm NOx 880 ppm HCNO Với nhiệt độ 200 oC hiệu suất chuyển đổi cịn thấp, cỡ khoảng 20% Khi nhiệt độ tăng đến 250 oC hiệu 61 suất tăng lên trung bình 50% với lưu lượng khí xả tăng từ 200-400 kg/h Ở đây, ta nhận thấy hiệu suất chuyển đổi tỷ lệ nghịch với lưu lượng khí xả, tức tăng lưu lượng khí xả hiệu suất chuyển đổi giảm Điều giải thích thơng số “thời gian lưu trú khí xả bề mặt vật liệu xúc tác” giảm tăng lưu lượng khí xả (tương đương tốc độ dịng khí xả) Hình Ảnh hưởng lưu lượng khí xả đến hiệu suất khử NOx Thành phần khí xả 5% O2, 5% H2O, 880 ppm NOx 880 ppm HCNO, với lưu lượng khí thải thay đổi từ 200-400 kg/h Kết mô cho thấy hiệu khử suy giảm nhiệt độ xúc tác từ 450 oC trở lên Với nhiệt độ cao, trình chọn lọc khử NOx giảm mà q trình ơ-xy hóa NH3 lại tăng lên nên làm hiệu chuyển đổi NOx SCR giảm Ảnh hưởng NO2 đến hiệu suất khử NOx Thành phần NO2 ảnh hưởng đến hiệu chuyển đổi NOx rõ rệt với vùng nhiệt độ thấp xúc tác: từ 200-300 oC Thành phần NO2 tăng lên 62 làm phản ứng chọn lọc khử NOx tăng số lượng phản ứng nhanh nên làm tăng hiệu chuyển đổi NOx Hình 3.3 Ảnh hưởng NO2 đến hiệu suất khử NOx Thành phần khí xả 5% O2, 5% H2O 880 ppm HCNO lưu lượng khí xả 300 kg/h, với thành phần NO2 thay đổi Nồng độ NOx 880 ppm Ảnh hưởng NH3 đến hiệu suất khử NOx Hình 3.4 Ảnh hưởng NH3 đến hiệu suất khử NOx 63 Thành phần khí xả 5% H2O 5% O2, lưu lượng khí xả 300 kg/h, với lượng NH3 thay đổi Nồng độ NOx 880 ppm Ảnh hưởng tỷ lệ mol rNH3/NOx đến hiệu chuyển đổi thể rõ việc tăng tỷ lệ mol làm tăng hiệu suất khử trung bình Tuy nhiên, tăng tỷ lệ mol đến giới hạn định hiệu chuyển đổi NO x giảm Điều giải thích lượng NH3 có thừa mà khơng tham gia phản ứng khử NOx nên bị ơ-xy hóa trở thành NOx, làm cho hiệu chuyển đổi NOx giảm nhiều Kết luận chương Trên sở khảo sát nhân tố ảnh hưởng đến hiệu chuyển đổi NOx hệ thống urea-SCR xây dựng quan hệ tỷ lệ mol rNH3/NOx theo nhiệt độ, nồng độ NOx, lưu lượng khí xả Ảnh hưởng tỷ lệ NO2/NOx cho thấy cần thiết việc lắp đặt DOC trước SCR Ngồi việc xử lý CO, HC làm tăng hiệu chuyển đổi NOx, đặc biệt vùng nhiệt độ thấp 64 KẾT LUẬN Sau thời gian làm đồ án với đề tài “Nghiên cứu công nghệ giảm phát thải NOx cho động diesel phương pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea.”, em hoàn thành đề tài với giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn Ths.Nguyễn Huy Chiến Đề tài đưa giải pháp có tính khả thi việc cắt giảm thành phần khí thải độc hại NOx cho động diesel lắp xe tải nhẹ: Biện pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea (urea-SCR) Biện pháp đảm bảo cho động diesel đạt tiêu chuẩn khí thải mức (Euro 4) Tuy nhiên thời gian hạn chế, nhiều phần chưa trang bị thời gian học tập trường, tài liệu tham khảo hạn chế chưa cập nhật đầy đủ tài liệu xe nên không tránh khỏi thiếu sót mong thầy dẫn thêm Qua thời gian tuần làm đồ án tốt nghiệp em nâng cao kiến thức công nghệ thông tin như: Word, AutoCAD, Internet,… phục vụ cho công tác sau Ðồng thời qua thân em cần phải cố gắng học hỏi tìm tịi để đáp ứng yêu cầu người cán kỹ thuật ngành công nghệ ô tô 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Phạm Minh Tuấn (2013), Khí thải Động ô nhiễm môi trường, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2].AVL BOOST (2006), Aftertreatment [3].Đinh Xuân Thành,Phạm Minh Hiếu (2014),Giáo trình khí xả vấn đề nhiễm mơi trường, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4].Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo Dục, Hà Nội [5].Đinh Xuân Thành (2012), Nghiên cứu giảm khí thải độc hại cho động Diesel tang áp lắp xe buýt, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6].Nguyễn Tuấn Nghĩa (2014), Kết cấu tính tốn động đốt trong,Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [7] Held, W., Koenig, A., Richter, T., Puppe, L (1990), “Catalytic NOx reduction in net oxidizing exhaust gas”, SAE Technical Paper [8] Walde, T., Nakasone, O., (2007), Smart NOx sensor - Application in diesel systems, In 5th Car Training Institute Exhaust Systems Forum, Nürtingen, Germany [9] Willi, R (1996), Low-Temperature selective catalytic reduction of NOxcatalytic behavior and kinetic modeling, Dissertation, ETH Zürich [10].https://moitruonghopnhat.com/ky-thuat-xu-ly-khi-thai-nox-moi-nhat1771.html 66 PHỤ LỤC BOOST Hình PL.1 Cửa sổ Boost – Kích thước xúc tác Hình PL.2 Cửa sổ Boost – Thông số xúc tác 67 Hình PL.3 Cửa sổ Boost – Các tham số Hagen-Poisseuille-Law Hình PL.4 Cửa sổ Boost – Mơ tả phần tử ống xúc tác 68 Hình PL.5 Cửa sổ Boost – Đặc trưng vật lý xúc tác Hình PL.6 Cửa sổ Boost – Truyền nhiệt lõi xúc tác 69 Hình PL.7 Cửa sổ Boost – Chọn mơ hình xúc tác SCR Hình PL.8 Cửa sổ Boost – Định nghĩa phản ứng xảy 70 Hình PL.9 Cửa sổ Boost - Hình PL.10 Cửa sổ Boost – Điều kiện biên v nhiệt độ khí 71 Hình PL.11 Cửa sổ Boost – Điều kiện biên lưu lượng khí xả Hình PL.12 Cửa sổ Boost – Điều kiện biên đầu vào v thành phần khí thải - 72 Hình PL.13 Cửa sổ Boost – Điều kiện biên đầu vào v thành phần khí thải - Hình PL.14 Cửa sổ Boost – Điều kiện biên đầu ... thức cho người dân mua sử dụng xe có hiệu kinh tế cao Bên cạnh đề xử lý khí thải tơ biện pháp vô quan trọng Hiện công nghệ giảm phát thải NOx cho động diesel phương pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử. .. đạt 90%) chủ yếu sử dụng phương tiện diesel cỡ nhỏ tính kinh tế xa hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc SCR 19 b Bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR) Phương pháp xử lý xúc tác chọn lọc khử NOx (SCR-Selective... Bởi lý em khoa giao đề tài Đồ án tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIẢM PHÁT THẢI NOx CHO ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC SỬ DỤNG UREA. ” để tổng kết đánh giá trình học tập,