Giáo trình “Khí xả xử lý Khí xả

LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình “Khí xả xử lý Khí xả” đƣợc biên soạn theo chƣơng trình giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Máy Động Lực tài liệu tham khảo quan trọng sinh viên ngành Cơ khí chuyên dùng trƣờng Đại học giao thông vận tải Hiện nay, nhiễm khí vấn đề thời nóng bỏng giới khơng phải riêng quốc gia Mơi trƣờng khí có nhiều biến đổi rõ rệt có ảnh hƣởng xấu đến ngƣời sinh vật Một nguồn gây nhiễm từ Khí xả động đốt – động chiếm tới 80% tổng số lƣợng tiêu thụ giới Tại Việt Nam, với bùng nổ dân số q trình cơng nghiệp hố kéo theo việc sử dụng phƣơng tiện giao thông vận tải phục vụ cho nhu cầu vận chuyển nhƣ lại ngƣời tăng nhanh Khi phƣơng tiện giao thông vận tải hoạt động dẫn tới chất độc hại Khí xả phát tán vào mơi trƣờng gây ô nhiễm Hàm lƣợng nhiều chất độc hại khơng khí từ Khí xả loại phƣơng tiện vƣợt tiêu chuẩn cho phép gây tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt thành phố lớn nhƣ Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh Trƣớc yêu cầu thực tế nhằm cung cấp kiến thức cần thiết liên quan cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Máy Động Lực nói riêng sinh viên thuộc ngành Kỹ thuật khí nói chung, cán giảng dạy thuộc Bộ mơn Động đốt PGS.TS Lê Hoài Đức chủ trì tổ chức biên soạn giáo trình Giáo trình gồm chƣơng phân cơng biên soạn nhƣ sau: PGS.TS Lê Hoài Đức – chủ biên biên soạn chƣơng 1, Th.s Khƣơng Thị Hà – biên soạn chƣơng Th.s Lê Công Báo Th.s Nguyễn Thìn Quỳnh – biên soạn chƣơng Giáo trình đƣợc viết sở đề cƣơng mơn học Khí xả xử lý Khí xả đƣợc Hội đồng Khoa học đào tạo trƣờng Đại học Giao thông vận tải phê duyệt Nội dung đƣợc trình bày giáo trình vấn đề Khí xả xử lý Khí xả động đốt đáp ứng đƣợc phần quan trọng yêu cầu sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh nhà nghiên cứu Chúng xin chân thành cám ơn tập thể cán giảng dạy Bộ mơn Động đốt trong, Khoa Cơ khí, trƣờng Đại học Giao thơng vận tải đóng góp cho nội dung sách Kính mong nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp bạn đọc đồng nghiệp Mọi thông tin xin gửi Bộ môn Động đốt trong, Khoa Cơ khí, Trƣờng Đại học Giao thơng vận tải CÁC TÁC GIẢ KHÍ THẢI VÀ XỬ LÝ KHÍ THẢI Bảng ký hiệu viết tắt Ký hiệu Ý nghĩa Ghi NOx Ơxít nitơ NO2 Pe - ơxít - nitơ NO Mono – xít - nitơ HC Hydrocarbons CO Carbon monoxide CO2 Carbon dioxide SOx Lƣu huỳnh ơxít PM Paticulates Matter – Phát thải dạng hạt RW Reference Mass - khối lƣợng tham chiếu GVWR Gross vehicle weight rating - Mức khối lƣợng tham chiếu phƣơng tiện NMHC None Metal Hyđrocacbon - Tổng lƣợng thải HC không bao gồm metal (CH4) HDV Heavy Duty Vehicles - Xe hạng nặng LDV Light duty vehicles - Xe hạng nhẹ EPA Environment Protection Authority - Hiệp hội bảo vệ môi trƣờng lbs lbs: pound (cân Anh, 1pound = 0,45359237kg) LPG Liquefied Petroleum Gas - Khí dầu mỏ hóa lỏng LDT Light duty Trucks - Xe tải hạng nhẹ MDPV Medium-duty Passenger Vehicles - Xe chở khách hàng trung bình: 8,501 - 10,000 lbs GVWR Mean (max) Giá trị trung bình (cực đại) KHÍ THẢI VÀ XỬ LÝ KHÍ THẢI mi/h mile/hour – dặm/giờ (1 mile =1,609 km) JC08 Japanese JC08 Cycle - Chu trình thử Nhật Bản năm 2008 JE05 Japanese 2005 emission - Phát thải Nhật Bản năm 2005 Parts per million volumetric Dry - Tỷ lệ thể tích ppmvd@15%O2 oxy 15% VOC Volatile organic compound - Hợp chất hữu dễ bay CI Compression ignition - Cháy nén Direct Injection - Phun trực tiếp DI KHÍ THẢI VÀ XỬ LÝ KHÍ THẢI Chƣơng TỔNG QUAN VỀ KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 CÁC NGUỒN TẠO RA KHÍ XẢ VÀ BỤI 1.1.1 Khí vấn đề nhiễm mơi trƣờng Khí lớp vỏ trái đất với ranh giới dƣới bề mặt thuỷ quyển, thạch ranh giới khoảng khơng hành tinh Khí trái đất đƣợc hình thành nƣớc, chất khí từ thuỷ thạch Khí trái đất có cấu trúc phân lớp với tầng đặc trƣng từ dƣới lên nhƣ sau: Tầng đối lƣu, tầng bình lƣu, tầng trung gian, tầng điện ly • Tầng đối lƣu tầng thấp khí quyển, ln có chuyển động đối lƣu khối khơng khí bị nung từ mặt đất, thành phần khí đồng Ranh giới tầng đối lƣu khoảng - km hai cực 16 - 18 km vùng xích đạo Tầng đối lƣu nơi tập trung nhiều nƣớc, bụi tƣợng thời tiết nhƣ mây, mƣa, tuyết, mƣa đá, bão v.v Tầng bình lƣu nằm tầng đối lƣu với ranh giới dao động khoảng độ cao 50 km Khơng khí tầng bình lƣu lỗng hơn, chứa bụi tƣợng thời tiết Ở độ cao khoảng 25 km tầng bình lƣu tồn lớp • khơng khí giàu khí Ozon (O3) thƣờng đƣợc gọi tầng Ozon • Bên tầng bình lƣu độ cao 80 km đƣợc gọi tầng trung gian Nhiệt độ tầng giảm dần theo độ cao • Từ độ cao 80 km đến 500 km gọi tầng nhiệt, nhiệt độ ban ngày thƣờng cao, nhƣng ban đêm xuống thấp Từ độ cao 500 km trở lên đƣợc gọi tầng điện ly Do tác động tia tử ngoại, phân tử khơng khí lỗng tầng bị phân huỷ thành ion nhẹ nhƣ He+, H+, O++ Tầng điện ly nơi xuất cực quang phản xạ sóng ngắn vơ tuyến Giới hạn bên ngồi khí khó xác định, thông thƣờng ngƣời ta ƣớc định vào khoảng từ 1000 - 2000 kilơmét • Cấu trúc tầng khí đƣợc hình thành kết lực hấp dẫn nguồn phát sinh khí từ bề mặt trái đất, có tác động to lớn việc bảo vệ trì sống trái đất Thành phần khí trái đất ổn định theo phƣơng nằm ngang phân dị theo phƣơng thẳng đứng Phần lớn khối lƣợng 5.10 15 tồn khí tập trung tầng đối lƣu bình lƣu Thành phần khí trái đất gồm chủ yếu Nitơ, Oxy, nƣớc, CO2, H2, O3, NH4, khí trơ Trong tầng đối lƣu, thành phần chất khí chủ yếu tƣơng đối ổn định, nhƣng nồng độ CO2 nƣớc dao động mạnh Lƣợng nƣớc thay đổi theo thời tiết khí KHÍ THẢI VÀ XỬ LÝ KHÍ THẢI hậu, từ 4% thể tích vào mùa nóng ẩm tới 0,4 % mùa khơ lạnh Trong khơng khí tầng đối lƣu thƣờng có lƣợng định khí SO bụi Trong tầng bình lƣu ln tồn q trình hình thành phá huỷ khí ozon, dẫn tới việc xuất lớp ozon mỏng với chiều dày điều kiện mật độ khơng khí bình thƣờng khoảng vài chục xăngtimet Lớp khí có tác dụng ngăn tia tử ngoại chiếu xuống bề mặt trái đất Hiện nay, hoạt động ngƣời, lớp khí ozon có xu hƣởng mỏng dần, đe doạ tới sống ngƣời sinh vật trái đất Sự gia tăng tiêu thụ nhiên liệu hố thạch lồi ngƣời làm cho nồng độ khí CO2 khí tăng lên Sự gia tăng khí CO khí nhà kính khác khí trái đất làm nhiệt độ trái đất tăng lên Theo tính tốn nhà khoa học, nồng độ CO2 khí tăng gấp đơi, nhiệt độ bề mặt o trái đất tăng lên khoảng C Các số liệu nghiên cứu cho thấy nhiệt độ trái đất tăng 0,5oC khoảng thời gian từ 1885 đến 1940 thay đổi nồng độ CO2 khí từ 0,027% đến 0,035% Dự báo, khơng có biện pháp khắc phục hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ trái đất tăng lên 1,5 - 4,5 oC vào năm 2050 Trên giới, ô nhiễm môi trƣờng đƣợc hiểu việc chuyển chất thải lƣợng vào mơi trƣờng đến mức có khả gây hại đến sức khoẻ ngƣời, đến phát triển sinh vật làm suy giảm chất lƣợng môi trƣờng Các tác nhân ô nhiễm bao gồm chất thải dạng khí (Khí xả), lỏng (nƣớc thải), rắn (chất thải rắn) chứa hoá chất tác nhân vật lý, sinh học dạng lƣợng nhƣ nhiệt độ, xạ Tuy nhiên, môi trƣờng đƣợc coi bị nhiễm hàm lƣợng, nồng độ cƣờng độ tác nhân đạt đến mức có khả tác động xấu đến ngƣời, sinh vật vật liệu Ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí có mặt chất lạ biến đổi quan trọng thành phần khơng khí, làm cho khơng khí khơng gây mùi khó chịu, giảm thị lực nhìn xa bụi Theo TCVN 5966-1995, nhiễm khơng khí có mặt chất khí sinh từ hoạt động ngƣời trình tự nhiên với nồng độ đủ lớn thời gian đủ lâu ảnh hƣởng đến thoải mái, dễ chịu sức khoẻ, lợi ích ngƣời mơi trƣờng Hiện nay, nhiễm khí vấn đề thời nóng bỏng giới riêng quốc gia Môi trƣờng khí có nhiều biến đổi rõ rệt có ảnh hƣởng xấu đến ngƣời sinh vật Trong thực tế có hai nguồn gây nhiễm khí quyển, nguồn nhiễm tự nhiên nguồn ô nhiễm nhân tạo gắn liền với hoạt động ngƣời Hàng năm ngƣời khai thác sử dụng hàng tỉ than đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời thải vào mơi trƣờng khối lƣợng lớn chất thải khác nhƣ: chất thải sinh hoạt, chất thải từ nhà máy xí nghiệp làm cho hàm lƣợng bụi loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng KHÍ THẢI VÀ XỬ LÝ KHÍ THẢI 1.1.2 Nguồn nhiễm tự nhiên Núi lửa: Núi lửa phun nham thạch nóng nhiều khói bụi giàu sunfua, mêtan loại khí khác Khơng khí chứa bụi lan toả xa đƣợc phun lên cao ▪ Cháy rừng: Các đám cháy rừng đồng cỏ trình tự nhiên xảy sấm chớp, cọ sát thảm thực vật khô nhƣ tre, cỏ Các đám cháy thƣờng lan truyền rộng, phát thải nhiều bụi khí ▪ Bão bụi gây nên gió mạnh bão, mƣa bào mịn đất sa mạc, đất trồng gió thổi tung lên thành bụi Nƣớc biển bốc với sóng biển tung bọt mang theo bụi muối lan truyền vào không khí ▪ Các q trình phân huỷ, thối rữa xác động, thực vật tự nhiên phát thải nhiều chất khí, phản ứng hố học khí tự nhiên hình thành khí sunfua, nitrit, loại muối v.v Các loại bụi, khí gây nhiễm khơng khí ▪ Các hoạt độngtự nhiên làm tăng hàm lƣợng bụi thời điểm khơng gian nhƣ gió lốc, bão sa mạc mang theo bụi đất mặt đất tung vào bầu khơng khí Núi lửa phun vào bầu khí lƣợng bụi khí khổng lồ Những tƣợng xảy liên tục phát tán nhanh vùng rộng lớn làm giảm hàm lƣợng bụi khí Các tƣợng phân hủy, thối rữa động thực vật xảy thƣờng xuyên thải vào khơng khí lƣợng khí độc hại Các tƣợng sấm chớp, mây, mƣa, xạ hệ mặt trời vũ trụ thông qua phản ứng phân hủy kết hợp chất tồn cân khơng khí tạo chất có hại Nhìn chung nhiễm khơng khí thiên nhiên tạo khối lƣợng lớn song thƣờng phân bố không gian rộng đồng nên gây nguy hại Mặt khác, sinh vật mặt đất qua hàng ngàn hàng vạn năm quen thích ứng đƣợc với thay đổi nói 1.1.3 Nguồn nhiễm nhân tạo Nguồn gây ô nhiễm nhân tạo đa dạng, nhƣng chủ yếu hoạt động công nghiệp, đốt cháy nhiên liệu hoá thạch hoạt động phƣơng tiện giao thơng Nguồn nhiễm cơng nghiệp hai q trình sản xuất gây ra: ▪ Quá trình đốt nhiên liệu thải nhiều khí độc qua ống khói nhà máy vào khơng khí ▪ Do bốc hơi, rị rỉ, thất dây chuyền sản xuất sản phẩm đƣờng ống dẫn tải Nguồn thải q trình sản xuất đƣợc hút thổi hệ thống thơng gió ▪ Các ngành cơng nghiệp chủ yếu gây ô nhiễm không khí bao gồm: nhiệt điện; vật liệu xây dựng; hố chất phân bón; dệt giấy; luyện kim; thực phẩm; Các KHÍ THẢI VÀ XỬ LÝ KHÍ THẢI xí nghiệp khí; Các nhà máy thuộc ngành công nghiệp nhẹ; Giao thông vận tải; bên cạnh phải kể đến sinh hoạt ngƣời Các nguồn gây ô nhiễm nhân tạo nguy hiểm chỗ dễ xảy tƣợng cục với nồng độ cao gây tác hại đến ngƣời sinh vật Các nguồn chất ô nhiễm nhân tạo đƣợc khái quát bảng 1.1 Bảng 1.1 Các nguồn vật chất gây ô nhiễm chủ yếu Chất nhiễm Nguồn nhiễm Ơxít bon (CO, CO2) dụng lƣợng đốt nhiên li - Giao thơng vận tải - Các lị đốt rácnhà máy dân dụng - Các nhiệt điện - Các ngành cơng nghiệp sử - Phân hủy yếm khí Bụi than, tro Các nguồn đốt nhiên liệu thải với khí cacsbon xít Bụi Berili Chế hóa quặng luyện kim Hợp chất chứa kim Nitơ ơxít loại có độc tính cao- Các nhà máy hóa chất - Các sở sản xuất luyện kim - Các phân đạm, phân tổng hợp NPK xuất hóa chất - Đốt nhiên liệu sản xuất thuốc trừ dịch hại ác sản phẩm thuốc trừ dịch Lƣu huỳnh ơxít Hyđrơ Cácbon - Cơ sở sản xuất hóa chất Các nhà nhiệt - Đốt-nhiên liệu máy - Công nghệ sơn trang trí sơn - Luyện sản xuất cần làm dung môi kim - Các công đoạn đốt ác sở sản xuất hóa chất hữu - Luyện kim 1.1.4 Các dạng thải vào khơng khí Các chất dạng khí: Là chất điều kiện thơng thƣờng tồn thể khí KHÍ THẢI VÀ XỬ LÝ KHÍ THẢI nhƣ: CO, CO2, NOx, SOx Các chất thải dạng bụi: Là hạt chất rắn đƣợc phân tán khơng khí có kích thƣớc khác (từ 1/10 đến hàng nghìn micromet) Các chất dạng hơi: Thể khí chất điều kiện bình thƣờng chất lỏng, chất rắn: benzene, I ốt, tetratyl chì Các chất dạng hạt: Là tập hợp phần tử chất lỏng chất rắn tạo thành hạt nhỏ li ti phân tán khơng khí Các chất thải khí, hơi, bụi hay dạng hạt có tác hại hay nhiều phụ thuộc vào thân tính chất chúng Có nhiều cách phân loại bụi, khí độc Dƣới góc độ thu gom tách lọc ta phân loại theo dải kích thƣớc nhƣ bảng 1.2 dƣới đây: Bảng 1.2 Phân loại bụi khí độc theo dải kích thước Loại Dải kích thƣớc (μm) m) Đặc tính Bụi 0,1 ÷ 1000-2000 Phát sinh q trình đập, phá, nổ, mài, khoan Các chất rắn nhƣ đá, quặng, than, kim loại Một số bụi có dạng sợi có nguồn gốc hóa học, thực vật khống Các bụi lớn lắng đọng trọng lực, bụi nhỏ có khuynh hƣớng bay lơ lửng khơng khí Khói I 0,001 ÷ 0,1 Đƣợc tạo ngƣng tụ hạt chất rắn q trình làm nóng chảy kim loại phản ứng hóa học Khói II 0,01 ÷ 0,1 Đƣợc tạo q trình đốt cháy nhiên liệu Sƣơng 0,1 ÷ 10 Là sản phẩm ngƣng tụ hạt chất lỏng Là thể khí mà điều kiện bình thƣờng chúng Hơi 0,005 thể lỏng rắn Là vật chất mà điều kiện nhiệt độ áp suất Khí 0,0005 thơng thƣờng chúng khơng dạng thể lỏng rắn 1.2 TÌNH HÌNH Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG DO KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ Ô TÔ GÂY RA Ở VIỆT NAM 1.2.1 Sự phát triển phƣơng tiện giao thông Việt Nam Trong năm gần đây, với bùng nổ dân số, để phục vụ nhu cầu lại ngƣời số lƣợng phƣơng tiện giao thơng vận tải theo tăng lên Riêng Việt Nam, với phát triển kinh tế xã hội, tốc độ tăng hàng năm phƣơng tiện nêu cao - Phương tiện vận tải đường Số lƣợng phƣơng tiện giới đƣờng tăng nhanh, mạnh thời gian qua KHÍ THẢI VÀ XỬ LÝ KHÍ THẢI 10 Tính đến năm 2011, số lƣợng xe máy đạt số 33.906.433 triệu chiếc, số lƣợng ô tô đạt 1.428.002 chiếc; tốc độ tăng trƣởng loại xe đạt 12%/ giai đoạn 2009- 2011, xe có tốc độ tăng cao 17%/năm, xe tải khoảng 13%, xe khách tăng không đáng kể; xe máy tăng khoảng 15% Bảng 1.3 Số lượng phương tiện giới đường Loại phƣơng tiện 2007 2009 2010 2011 Tổng ô tô 1.106.617 1.137.933 1.274.084 1.428.002 Xe 301.195 483.566 556.945 659.452 Xe khách 89.240 103.502 97.468 102.805 Xe tải 316.914 476.401 552.244 609.200 Mô tô, xe máy 21.721.282 33.906.433 Nguồn: Cục Đăng kiểm Việt Nam (đơn vị: chiếc) - Phương tiện vận tải đường sắt: tổng số phƣơng tiện lƣu hành 7.561 có 491 đầu máy, 6.994 toa xe 76 phƣơng tiện chuyên dùng - Phương tiện vận tải đường thủy nội địa: tổng số phƣơng tiện 241.782 Tổng trọng tải tàu hàng đạt 12.042.881 tàu khách đạt 486.106 khách Độ tuổi trung bình tàu 12,67 năm; tổng công suất máy 10.486.832 CV - Phương tiện vận tải hàng không: hãng hàng không Việt Nam khai thác 95 tàu bay, số tàu bay sở hữu 43 chiếc, chiếm 45,3% với tuổi trung bình đội tàu bay 6,6 tuổi (trong đó: đội tàu bay Vietnam Airlines có 80 gồm: 10 B777, 09 A320, 11 A330-200/300, 32 A321, 02 F70 16 ATR72) Phƣơng tiện giao thông tập trung chủ yếu thành phố lớn nhƣ thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội Hầu hết phƣơng tiện giao thông đô thị phƣơng tiện cá nhân Giao thơng cơng cộng thành phố Hồ Chí Minh đáp ứng không 5% nhu cầu giao thông Trên 70% dân số sử dụng phƣơng tiện cá nhân, chủ yếu mô tô, xe máy Mặc dù số lƣợng ôtô cá nhân tăng lên nhanh năm gần đây, mô tô xe máy chiếm đa số, thành phố Hồ Chí Minh, 98% hộ gia đình sở hữu mơ tơ/xe máy Ở Hà Nội, số lƣợng xe máy chiếm 87% phƣơng tiện giao thông Xe đạp, loại phƣơng tiện thân thiện với môi trƣờng giảm mạnh Dịch vụ giao thông công cộng Hà Nội bao gồm xe bu t, taxi, xe ôm, nhiên tỷ lệ giao thông công cộng chiếm phần nhỏ giao thông đô thị Phƣơng tiện lƣu hành Việt Nam bao gồm nhiều loại, có nhiều phƣơng tiện cũ, tiêu thụ nhiên liệu lớn, ồn phát thải độc hại cao Thực Nghị định 92/2001/NĐ-CP ngày 11/12/2001 điều kiện kinh doanh vận tải ôtô Nghị định 23/2004/NĐ-CP ngày 13/01/2004 niên hạn sử dụng ôtô tải