B GIẢM PHÁT THẢI PM CHO PHƯƠNG TIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ DIESEL pot

CHƯƠNG 1 CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ GIẢM PHÁT THẢI PM CHO PHƯƠNG TIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ DIESEL Đối với những động cơ Diesel trang bị cho các phương tiện đang lưu hành ở Việt Nam, để đảm bảo cho việc giảm phát thải PM ngoài việc thực hiện bảo dưỡng, sửa chữa đúng thời hạn thì còn có một số biện pháp rất phù hợp với điều kiện sử dụng ở nước ta đó là trang bị trên xe bộ xúc tác, lọc khí thải ( Catalyst filter). Việc chế tạo bộ xúc tác xử lý khí thải này đã được nhiều nước nghiên cứu và chế tạo thành công với nhiều phương pháp xử lý khác nhau. Ở chương IV này sẽ giới thiệu về một số hệ thống xử lý khí thải thông dụng nhất hiện nay như DOC, DPF, CRT, SCRT 1. Bộ xúc tác oxy hóa ( Diesel Oxydation Converter (DOC)) DOC còn được gọi là bộ xúc tác 2 đường cho động cơ Diesel được thiết kế để nhằm giảm phát thải carbon monoxyde (giảm 90% CO), hydrocarbons (giảm 80% HC) và diesel particulate matter (giảm 20% PM). DOC được trang bị cho các phương tiện đường bộ như xe buýt, phương tiện vận tải hay các máy móc sử dụng động cơ Diesel như trong các máy xây dựng, các máy phát điện … Mức giảm phát thải của DOC được thể hiện trên hình 1.1 : Hình 1.1: Mức giảm thải của DOC DOC có hiệu suất cao, vỏ được chế tạo bằng thép không gỉ. Bộ xúc tác DOC có thể được thiết kế một các riêng biệt hoặc kết hợp với bộ giảm thanh (Muffler). Ở rất nhiều động cơ Diesel DOC là bộ phận được trang bị thêm và có thể được thay thế riêng biệt hoặc thay thế kèm với bộ giảm thanh. 1.1.Kết cấu Bộ xúc tác DOC bao gồm phần vỏ được chế tạo bằng thép không gỉ. Chứa bên trong nó là bộ xúc tác được chế tạo bằng vật liệu quý gồm Pladium và Platinium Hình 1.2: Kết cấu DOC Catalyst 1.2. Nguyên lý làm việc Sơ đồ nguyên lý (hình 1.3) Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý DOC Khí thải từ động cơ Diesel bao gồm HC, CO các hợp chất thơm, hợp chất hữu cơ (SOF) được dẫn qua bộ xúc tác DOC. Dưới tác dụng của xúc tác Platin và Pladin xảy ra các phản ứng sau: 2 2 m n 2 2 m n 2 2 2 m n 2 2 2 CO +1/2O CO C H +(m+n/4)O mCO+n/2H O C H +(m+n/4)O mCO +n/2H O C H O+(m+n/4-0.5)O mCO +n/2H O → → → → DOC có tác dụng giảm mạnh CO và HC tuy nhiên không có khả năng lọc PM (sở dĩ DOC có thể giảm được PM là do giảm lượng HC có trong khí thải), vì vậy để tăng hiệu quả giảm phát thải của DOC người ta thường kết hợp nó với bộ lọc PM để tạo thành hệ thống CRT ( sẽ được trình bày ở phần 1.3) 1.3.Đánh giá DOC Hình 1.4: Tác dụng giảm phát thải của DOC Bằng cách kết hợp với bộ giảm thanh thông thường, DOC có khả năng giảm 20% chất thải dạng hạt, 60 % hydro cacbon và trên 85% monoxyt cacbon có trong thành phần khí thải của động cơ Diesel. Đây là giải pháp đặc biệt hiệu quả về chi phí chế tạo, làm việc linh hoạt và đáng tin cậy. Bởi vì DOC có kết cấu và nguyên lý làm việc tương đối đơn giản. Việc sử dụng DOC cũng không có yêu cầu về bảo trì vì với kết cấu sử dụng kim loại không gỉ sẽ làm tăng tuổi thọ của sản phẩm. DOC được trang bị cho nhiều loại động cơ và không đòi hỏi về giới hạn hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu. DOC là bộ xúc tác cơ bản. Từ nguyên lý và kết cấu của DOC người ta đã phát triển thành các công nghệ hiện đại hơn có hiệu quả cao hơn trong việc giảm phát thải của động cơ Diesel như hệ thống CRT, SCR, DPF… Tuy nhiên, DOC cũng có những hạn chế nhất định đó là: - Khả năng giảm phát thải PM chưa cao và không có tác dụng giảm thải NO x . - Sử dụng kim loại quý Pt, Pd… làm vật liệu xúc tác Do những ưu điểm của DOC mà việc phát triển các bộ xúc tác dựa trên kết cấu của DOC là hết sức khả quan, nó không chỉ ứng dụng riêng cho động cơ Diesel mà còn cho các phương tiện sử dụng động cơ xăng như xe máy, ô tô du lịch… Hiện nay, có một số công ty ở Việt Nam đã cho ra sản phẩm loại này như: bộ xúc tác Catalyst của công ty The Sun đạt tiêu chuẩn Euro II. Tuy nhiên, thay vì sử dụng Pt và Pd làm vật liệu xúc tác người ta sử dụng hỗn hợp xúc tác gồm: CuO/CeO 2 . Đây cũng là một bước phát triển trong việc ứng dụng công nghệ này ở Việt Nam 2. Bộ lọc hạt (Diesel Particulate Filter (DPF)) DPFs là sản phẩm thương mại được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực vận chuyển hành khách ở châu Âu và trong dịch vụ xe buýt, off road ở Mỹ cũng như ở một số nước khác. Nó được sử dụng như một bộ phận trang bị thêm cho xe, DPFs được tìm thấy nhiều trên các phương tiện đường bộ và các trang thiết bị. DPFs đã chứng tỏ được khả năng giảm bớt PM đến 90% hoặc nhiều hơn và khi tận dụng thêm bộ phận xúc tác thì công nghệ này có thể làm giảm HC và Co tới 90%. Hơn thế nữa, DPFs còn có khả năng khử khói và các hợp chất thơm từ động cơ Diesel. Tuy nhiên, DPFs lại không có tác dụng với NO x và hầu hết những mẫu thiết kế DPFs không ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ. Nhìn chung, hiệu quả hoạt động đo được trong quá trình hoạt động thực tế của DPFs là khá tốt. Công nghệ DPF được ứng dụng rất cụ thể. Điều này có nghĩa là trước khí công nghệ này được áp dụng cho một chiếc xe hoặc một máy móc thiết bị nào đó thì cần đáp ứng một số điều kiện về lựa chọn và sử dụng tiêu chuẩn. DPF cũng đòi hỏi nhiều hơn để duy trì và giám sát hiệu quả hơn các công nghệ khác chẳng hạn như DOC. Thực tế khi sử dụng DPF thường được áp dụng cho các loại xe lưu hành trên đường và có giới hạn khi áp dụng cho các phương tiện Off road. Khi trang bị trên xe DPF thường được kết hợp với các công nghệ kiểm soát NO x như SCR hay EGR. Điều này giúp hạn chế rất nhiều các loại khí độc hại do động cơ thải ra môi trường. DPF được chia là hai loại “Bị động” hay “Chủ động” tùy thuộc vào phương pháp sử dụng để tái tạo bộ lọc. Một DPF bị động là một bộ lọc phục hồi trên chiếc xe bình thường./thiết bị này hoạt động mà không có bất kỳ sự trợ giúp nào thêm.Ví dụ: như 1 bộ lọc được bọc kín, bên trong là bộ phận xúc tác. DPF chủ động hoạt động đảm bảo sao cho có thể khôi phục lại tình trạng ban đầu của bộ lọc. Ví dụ: như DPF được trang bị những công nghệ đi kèm như bổ sung hóa chất, đốt cháy bên trong bằng nhiên liệu hoặc bằng điện. Ví dụ nghiên cứu đã thông báo về hiệu quả hoạt động của DPFs thụ động: 1) Trên các xe tải hoạt động có hiệu quả đến 350000 dặm hoặc nhiều hơn 2) Trên các loại xe Off road DPF hoạt động hiệu quả 15000 giờ hoặc nhiều hơn khi hoạt động trên địa hình quanh co. 3)Và trên đầu máy xe lửa đảm bảo tới 400000km mà không thấy có vấn đề gì xảy ra Trong những trường hợp đã ứng dụng DPFs thụ động thành công trong việc kiểm soát hiệu quả hoạt động, hệ thống vận hành bền bỉ, bảo trì tối thiểu, một số yếu tố đã được phổ biến hiện tại, bao gồm: - Mới hơn, đảm bảo hoạt động tốt trong trường hợp dầu động cơ bị cháy - Đảm bảo suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ - Nhiệt độ khí thải cũng được nhà sản xuất cung cấp trước dựa vào tỷ lệ: thời gian tối thiểu / nhiệt độ Trước đây có rất nhiều những vấn đề phát sinh đối với việc ứng dụng DPF như: - Nhiệt độ khí xả không đủ để hỗ trợ tái tạo bộ lọc - Việc kích cỡ lọc cho từng phần tử cụ thể - Các thành phần của động cơ bị hao mòn hoặc hỏng hóc - Nhiên liệu Diesel có hàm lượng Sulfur quá cao - Làm sạch bộ lọc không đầy đủ - Làm việc với động cơ tăng áp, hoặc động cơ trang bị luân hồi khí thải. - Vấn đề sử dụng các cảm biến cũng ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả làm việc của hệ thống DPF. Đã có rất nhiều chiếc xe bị gián đoạn hoạt động do hỏng hóc các cảm biến. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của công nghệ đã đạt được nhiều cải thiện cho việc áp dụng công nghệ DPF. Điều này bao gồm những thông tin chi tiết liên quan đến độ thích hợp của xe và các thiết bị có trang bị DPF, bao gồm cả khả năng chuẩn đoán mẫu, các kích thước thích hợp cho bộ lọc, tận dụng nhiệt trên đường ống thải của động cơ Ngoài ra, còn có các công nghệ cải tiến được thiết kế cho hệ thống DPF để giải quyết các vấn đề như sau: - Cải thiện hệ thống xúc tác bằng việc dựa vào kết cấu bộ xúc tác, phương pháp tái tạo bộ lọc để chúng có thể bắt đầu hoạt động ngày cả khi nhiệt độ động cơ còn thấp. - Cải thiện tính chất của bộ xúc tác để hệ thống DPF ít nhạy cảm hơn với thành phần sulfur có trong khí thải. - Cải thiện thiết kế bộ lọc để tăng khả năng lọc và giảm tắc nghẽn đường xả. - Cải thiện hệ thống giám sát, chẩn đoán. - Cải thiện phương pháp làm sạch bộ lọc. Công nghệ DPF chỉ tập trung áp dụng vào lọc PM vì vậy để hoàn thiện hệ thống xử lý các khí độc hai như HC, CO, NO x cần phải kết hợp các biện pháp khác như xử dụng bộ xúc tác ( Catalyst) 2.1.Bộ lọc PM trang bị sợi đốt (Sintered Metal Filter (SMF) - hãng HJS) 2.1.1. Kết cấu Ứng dụng công nghệ DPF, đã có rất nhiều sản phẩm, hệ thống khác nhau. Sintered Metal Filter (SMF) là một ví dụ. SMF là một bộ lọc hạt của hãng HJS chủ động làm sạch bộ phận lọc bằng thiết bị đốt cháy sử dụng điện. Hình 1.4 Hình 1.4: Sintered Metal Filter Bộ lọc SMF bao gồm vỏ được chế tạo bằng thép không gỉ giúp tăng độ bền của bộ lọc. Bên trong gồm một bộ lọc và một bộ phận đốt nóng để làm sạch những hạt PM bám vào thiết bị lọc, tránh được hiện tượng tắc nghẽn đường thải làm giảm công suất động cơ. 2.1.2. Nguyên lý làm việc của SMF - Nguyên lý lọc PM: Hình 1.5: Nguyên lý lọc của SMF Khí thải có chứa PM được dẫn vào bộ phận lọc. Với kết cấu gồm nhiều tấm lọc xếp chồng lên nhau như hình 1.5, khí thải được dẫn qua các bề mặt lọc. Tại đây, các hạt PM được bộ lọc giữ lại, phần còn lại của khí thải tiếp tục được dẫn ra ngoài. - Nguyên lý làm việc của hệ thống SMF: Khí thải Nút chặn Thành gốm dạng tổ ong Hệ thống được bố trí thêm các cảm biến nhiệt độ khí thải 1, cảm biến áp suất khí thải trước bộ lọc 2, bộ lọc 3, bộ phận đốt nóng 4 và cảm biến áp suất khí thải sau lọc 5. Nguyên lý làm việc: khí thải từ động cơ Diesel được dẫn thẳng đến SMF. Trước khi đưa vào lọc người ta đo nhiệt độ và áp suất của khí thải. Tín hiệu này sẽ được gửi về ECU. Sau khi lọc xong cảm biến 5 sẽ đo áp suất của khí trên đường xả. Khi độ chênh lệch áp suất trước và sau lọc vượt quá giới hạn ECU sẽ đóng điện cho bộ phận đốt nóng để đốt cháy những hạt PM bám trên tấm lọc giúp làm giảm cản cho đường thải. Như vậy, bộ phận lọc cũng được làm sạch hoàn toàn. 2.1.3.Đánh giá SMF - Thí nghiệm kiểm tra thông số làm việc của hãng HJS: Mật độ hạt trong khí thải đo được khi sử dụng bộ lọc SMF (hình 1.7) Hình 1.6: Hệ thống SMF Hình 1.7: Khả năng lọc PM của SMF Động cơ thử nghiệm chạy ở chế độ 1400 vòng/ph và 50% tải. Khi chưa sử dụng SMF người ta đo được 100.000 hạt/ cm 3 , sau khi được lắp thêm bộ lọc SMF mật độ này chỉ còn là 1000 hạt/cm 3 . Như vậy, khả năng lọc các chất thải dạng hạt trong khí thải của động cơ Diesel của SMF đạt tới 99%. Đây là con số tối ưu cho tất cả các bộ lọc PM. Việc lắp đặt một bộ lọc trên đường ống xả gây ra áp suất cản trên đường xả hạn chế khả năng thải sạch của động cơ. Chính vì vậy, áp suất cản trở sinh ra trong quá trình động cơ hoạt động là một thông số cần quan tâm khi sử dụng một bộ lọc Hình 1.8: Áp suất cản của SMF - Ưu điểm: [...]... cho việc giảm phát thải của động cơ, nó làm việc mạnh mẽ, đáng tin cậy với b xúc tác, b lọc và thành phần vỏ b o vệ cao cấp b ng thép không gỉ Tuy nhiên, điều này lại đòi hỏi một chi phí rất lớn Việc nghiên cứu biện pháp giảm giá thành sản phẩm cũng là một hướng nghiên cứu mới cần được phát triển CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ TÍNH KHẢ THI TRONG VIỆC ÁP DỤNG CÁC BIỆN PHÁP GIẢM PHÁT THẢI NOx và PM CHO PHƯƠNG TIỆN... các loại động cơ Diesel có trang b Tua bin tăng áp.Khí thải ra sau khi được xử lý b ng CRT có thể đạt tiêu chuẩn Euro I, II, III Đây là b lọc, xúc tác được sử dụng rộng rãi nhất Khoảng 50.000 sản phẩm đã được trang b cho các xe tải, xe buýt trên khắp thế giới Tại một số thành phố lớn ở châu Âu như Berlin việc sử dụng CRT kết hợp với một số công nghệ xử lý khí thải là b t buộc cho các xe buýt lưu... trang b hệ thống điện tử điều khiển giúp tăng hiệu suất làm việc của b lọc +B lọc có thể lọc tới 99% các hạt có trong khí thải của động cơ Diesel +Mặt khác do kết cấu vỏ b ng thép không gỉ giúp tăng độ b n và có thể tự làm sạch b lọc b ng đốt cháy nên trong quá trình sử dụng b lọc SMF ít khi cần đến quá trình b o trì, sửa chữa - Nhược điểm: SMF chỉ có tác dụng với PM vì vậy khi được vào khai thác sử. .. 3 B lọc phục hồi liên tục (Continuously Regenerating Traps (CRT)) 3.1 Giới thiệu chung Là hệ thống đi đầu trong công nghệ giảm phát thải, b lọc hạt CRT loại b hầu như toàn b PM trong hệ sản phẩm thải của động cơ Diesel CRT được thiết kế b i Johnson Matthey và được kiểm định b i hệ thống EPA của Mỹ Thông quá sự hóa hợp của Platin trong b xúc tác và dựa vào b lọc, CRT có tác dụng giảm tới 90% PM, ... nhiễm: tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn khí thải là yêu cầu b t buộc đối với các cơ sở công nghiệp đang hoạt động với các cơ sở mới, cơ sở mở rộng, đặc biệt đối với các cơ sở công nghiệp có nguy cơ ô nhiễm cao - Ứng dụng các giải pháp giảm thiểu phát thải chất ô nhiễm: ứng dụng các giải pháp sản xuất sạch hơn; Lắp đặt các thiết b xử lý khí thải tại nguồn phát thải ; Cải tiến quy trình đốt nhiên liệu... gây ô nhiễm Giảm thiểu phát thải chất ô nhiễm không khí ở các làng nghề trong và ngoài đô thị: thay đổi sử dụng nhiên liệu đốt từ than sang Gas, điện; Áp dụng các biện pháp xử lý khí thải tại từng cơ sở sản xuất - Giảm ô nhiễm không khí do các hoạt động sinh hoạt tại các khu dân cư b ng các biện pháp: tuyên truyền, khuyến khích cộng đồng sử dụng các nhiên liệu sạch trong đun nấu thay b ng sử dụng dầu,... thiện hệ thống giảm phát thải cho động cơ như biện pháp luân hồi khí thải, sử dụng b xúc tác hóa học, kết hợp hệ thống điều khiển điện tử… Việc nghiên cứu chế tạo các sản phẩm ứng dụng công nghệ DPF được rất nhiều công ty trên thế giới phát triển.Điều này thuận lợi cho khả năng ứng dụng công nghệ ở Việt Nam do sự cạnh tranh giữa các hãng Tuy nhiên, muốn DPF ứng dụng thực tế ở nước ta thì cần phát triển... khai thác sử dụng cần kết hợp với các hệ thống giảm thải khác Trên thực tế khi trang b hệ thống SMF, người ta thường b trí trước b lọc SMF một b xúc tác (Hình 1.9) Hệ thống này còn được gọi là hệ thống SMF- CRT Làm như vậy, sẽ có thể kết hợp được ưu điểm của cả 2 hệ thống xử lý khí thải SMF và CRT giúp làm giảm phát thải CO, HC, PM Hình 1.9: SMF- CRT 1 .Động cơ Diesel; 2 .B xúc tác; 3.Cảm biến nhiệt... xếp với nhau thành dạng tổ ong (hình 1.17) Hình 1.17: Kết cấu b phận lọc PM B lọc PM của CRT có kết cấu giống với b lọc PM ứng dụng trong công nghệ DPF Thường được chế tạo b ng SiC có cấu tạo dạng xốp giúp tăng khả năng lọc b i và không gây b cho đường xả - Vỏ: Được chế tạo b ng thép không gỉ để tăng độ b n cho sản phẩm trong quá trình sử dụng Trong thực tế để đáp ứng các yêu cầu về kích thước, khối... của các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng sạch như khí thiên nhiên, khí hóa lỏng, cồn nhiên liệu, biodisel và điện - Thực hiện nghiêm túc các quy định của pháp luật liên quan đến phát thải của các phương tiện giao thông, như: +Triển khai có hiệu quả áp dụng tiêu chuẩn Euro 2 +Thực hiện chương trình kiểm tra và b o dưỡng: các phương tiện xe cộ đã đăng ký phải được kiểm tra về sự phát thải hàng . CÔNG NGHỆ GIẢM PHÁT THẢI PM CHO PHƯƠNG TIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ DIESEL Đối với những động cơ Diesel trang b cho các phương tiện đang lưu hành ở Việt Nam, để đảm b o cho việc giảm phát thải PM ngoài. hydrocarbons (giảm 80% HC) và diesel particulate matter (giảm 20% PM) . DOC được trang b cho các phương tiện đường b như xe buýt, phương tiện vận tải hay các máy móc sử dụng động cơ Diesel như. B xúc tác oxy hóa ( Diesel Oxydation Converter (DOC)) DOC còn được gọi là b xúc tác 2 đường cho động cơ Diesel được thiết kế để nhằm giảm phát thải carbon monoxyde (giảm 90% CO), hydrocarbons