Nghiên ứu giảm thành phần độ hại trong khí thải động ơ đốt trong bằng phương pháp phản ứng xú tá trướ một phần nhiên liệu

Nguyễn Thế Lơng Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội - động đốt 2005 - 2007 Ngành: Động đốt Hà Nội 2007 Luận văn thạc sĩ khoa học Nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động đốt phơng pháp phản ứng xúc tác trớc phần nhiên liệu Nguyễn Thế Lơng Hà nội 2007 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131699831000000 Trung t©m sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội Lời mở đầu Trong thời kỳ công nghiệp hóa đại hóa đất nớc với lên ngành kinh tế, động đốt ngày giữ vai trò quan trọng đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nh nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải nh nhiều ngành có kinh tế khác Vấn đề ô nhiễm môi trờng động đốt sử dụng nhiên liệu truyền thống (xăng diesel) phát thải đặt câu hỏi cho nhà nghiên cứu để giảm đợc ô nhiễm Một hớng nghiên cứu dùng nhiên liệu thay nhiên liệu sạch, ví dụ nh nhiên liệu cồn nhiên liệu hydro Nhiên liệu hyđrô loại nhiên liệu từ lâu đà đợc nhà nghiên cứu cân nhắc sử dụng cho động đốt Nhiên liệu có u điểm cháy nhanh, trị số ốc tan cao nên cho phép động làm việc tốc độ cao, nhờ mà dễ dàng tăng công suất động Thêm nữa, khí thải động hydro sạch, giới hạn thành phần hỗn hợp để đảm bảo khả cháy tốt rộng nên động làm việc với hỗn hợp loÃng, góp phần làm tăng tính kinh tế sử dụng động Tuy nhiên, nhiên liệu hydro có nhợc điểm so với nhiên liệu xăng diesel nhiệt trị mole thấp nên không thay đổi kết cấu động chuyển từ động chạy xăng diesel sang động chạy hoàn toàn hydro công suất động bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay hoàn toàn xăng diesel khó khăn tốn nhiên liệu có tỷ trọng thấp Chính vậy, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro nh thành phần phụ gia cho nhiên liệu xăng diesel Với phơng pháp này, hydro đợc cấp tỷ lệ nhỏ vào động để hòa trộn với nhiên liệu xăng diesel Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu tốt nên giảm đợc thành phần độc hại khí Học viên: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trờng ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội thải, mở rộng giới hạn cháy tăng tính chống kích nổ cho động không thay đổi kết cấu động so với dùng xăng diesel Vấn đề đặt cần có nguồn cung cấp hydro ổn định tiện lợi xe để động hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói Trong đề tài tốt nghiệp Em đa hớng nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động xăng cách tạo cung cấp nhiên liệu giàu hydro cho động phơng pháp phản ứng xúc tác phần nhiên liệu xăng nhờ khí thải động Hiện Việt Nam, lợng xe máy lu hành lớn ngày phát triển mạnh nguyên nhân gây « nhiƠm m«i trêng Do vËy Em ®· chän ®èi tợng nghiên cứu động xe máy Super Dream Hon Da Việt Nam sản xuất với mục đích góp phần giảm đợc phần ô nhiễm xe máy gây Nội dung tốt nghiệp gồm hai phần, thứ nghiên cứu thiết kế xúc tác nhiên liệu khí thải để tạo nhiên liệu giàu hydro khảo nghiệm động để xác định thành phần hòa trộn phù hợp để đảm bảo thành phần khí thải động đợc cải thiện công suất suất tiêu hao nhiên liệu không giảm so với chạy nhiên liệu xăng túy Em xin chân thành cám ơn thầy TS Hoàng Đình Long đà giúp đỡ bảo cho em nhiều Cám ơn thầy cô môn động đốt trong, phòng thí nghiệm động đốt đà tạo điều kiện thời gian nh trang thiết bị thí nghiệm để em hoàn thành đồ án Học viên cao học KS Nguyễn Thế Lơng Học viên: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trờng ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội Mục lục Lời mở đầu Môc lôc PhÇn Tổng quan tình hình ô nhiễm Cơ sở lý thuyết trình xúc tác nhiên liệu Chơng Tình hình ô nhiễm môi trờng sức ép giảm ô nhiễm khí thải động 1.1 Tình hình ô nhiễm môi trờng khí thải động 1.2 Các tiêu chuẩn khí thải động đốt 10 Chơng Tổng quan biện pháp giảm thành phần ô nhiễm khí thải động đốt mục đích nghiên cứu đề tài 11 2.1 Đặc điểm phát thải động đốt 11 2.2 C¸c biện pháp giảm ô nhiễm khí thải 14 2.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối u hoá thiết kế động c¬ 14 2.2.2 Giảm thành phần độc hại biện pháp lý khí thải 18 2.2.3 Thay đổi cách sử dụng nhiên liệu dùng nhiên liệu thay .25 2.2.4 Phơng pháp sản xuất hyđrô nhiên liệu giàu hyđrô cho nhiên liệu thay thÕ 27 2.3 Mục đích phạm vi nghiên cứu đề tài 32 2.3.1 Mục đích đề tài .32 2.3.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài 32 2.3.3 Động nghiên cứu 32 Chơng Mô hình toán nghiên cứu trình Sản Xuất hyđrô phơng pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 33 3.1 Giíi thiƯu chung .33 3.2 Các phản ứng xúc tác biến đổi nhiệt hóa xăng 34 3.3 Tốc độ phản ứng biến đổi nhiệt hóa xăng 37 3.4 Các phơng trình .40 3.4.1 TÝnh chÊt cña khÝ 43 3.4.2 HƯ sè trao ®ỉi nhiƯt trao đổi chất .43 3.5 Kết tính toán 45 Ch¬ng thư nghiƯm động với xúc tác nhiên liệu tận dụng nhiƯt khÝ th¶i 48 4.1 §éng c¬ thư nghiƯm 48 4.2 ThiÕt kÕ bé xóc t¸c dùng cho động xe Super Dream 49 4.2.1 Yêu cầu xúc tác 49 4.2.2 Phơng án thiÕt kÕ 49 Học viên: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trờng ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội 4.2.3 Tính lợng nhiên liệu cần thiết đa vào xúc tác lợng nhiệt tiêu thụ 51 4.2.4 ThiÕt kÕ bé xóc t¸c .53 Phần Trang thiết bị thí nghiệm 55 Ch¬ng Giới thiệu chung băng thử động lực dùng cho xe máy 55 5.1 Giới thiệu băng thư cho xe m¸y 55 5.2 C¬ së lý thuyÕt 57 5.2.1 PhÐp ®o tèc ®é 57 5.2.2 PhÐp ®o lùc 61 5.2.3 Xác định công suất xe 64 5.3 Phép đo công st qua phÇn mỊm MMI 65 5.3.1 Thông số đo công suất (Parameter 65) 65 5.3.2 KÕt qu¶ cđa phÐp ®o tÜnh 66 Chơng Giới thiệu chung Tủ phân tích khí thải dùng cho xe máy 67 6.1 Nguyên lý hoạt động hệ thống 67 6.1.1 Nguyên lý làm việc hƯ thèng ®o CO 67 6.1.2 Nguyên lý làm việc hệ thống đo NO x NO .69 6.1.3 Nguyên lý làm việc cđa hƯ thèng ®o O .70 6.1.4 Nguyên lý làm việc hệ thống đo C n H m .72 6.2 §o thành phần khí thải theo thời gian thực 74 Phần Kết thực đánh giá 77 Chơng Kết Thí nghiệm 77 7.1 KÕt qu¶ thử nghiệm không lắp xúc tác 77 7.2 Kết đo sử dụng biện pháp luân hồi khí thải 77 7.3 Kết đo sử dụng xúc tác nhiên liệu 77 Chơng Xử lý đánh giá kết 78 8.1 Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu .79 8.2 Hàm lợng CO khí thải động 80 8.3 Hàm Lợng HC khí thải .81 8.4 Hàm lợng NO x khÝ th¶i 81 Chơng Kết luận hớng phát triển đề tài 82 9.1 Két luận đề tài 82 9.2 Híng phát triển đề tài .83 Tài liệu tham khảo 84 Phụ lục: Chơng trình giải mô hình toán trình biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng để tạo nhiên liệu giàu hyđrô 87 Tóm tắt luận văn 99 Häc viªn: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trờng ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội PhầN Tổng quan tình hình ô nhiễm Cơ sở lý thuyết trình xúc tác nhiên liệu Chơng Tổng quan Về tình hình ô nhiễm môi trờng sức ép giảm ô nhiễm khí thải động 1.1 Tình hình ô nhiễm môi trờng khí thải động 1.1.1 Các thành phần ô nhiễm khí thải động Trong trình hoạt động phơng tiện giao thông phát thải vào không khí khối lợng lớn loại khói, khí độc nh CO, CO 2, hydrocacbon, NO x , SO , khói đen, chì dạng hạt khác Tùy theo loại động loại nhiên liệu mà khối lợng chất thải độc hại chiếm tỷ lệ khác khí xả - Cacbon monoxit (CO): CO sản phẩm cháy không hoàn toàn nhiên liệu Xe cộ nguyên nhân chủ yếu gây độ tập trung CO cao khu vực đô thị CO có lực hemoglobin cao gấp 200 lần so với O Vì xâm nhập vào thể CO liên kết với hemoglobin máu, cản trở việc tiếp nhận O 2, gây nghẹt thở Chính tính chất CO mà có hại phụ nữ có thai ngời mác bệnh tim mạch Trong nhiễm độc CO cấp tính nhẹ, triệu chứng: nhức đầu, buồn nôn, mệt mỏi, rối lọan thị giác Trong nhiễm độc cấp tính CO thể nặng, theo phát triển tình trạng thiếu oxy máu mô, hệ thần kinh hệ tim mạch bị tổn thơng, rối lọan hô hấp, liệt hô hấp dẫn tíi tư vong - Cacbon dioxit (CO 2): Trong nh÷ng năm gần ngời ta ý nhiều đến giao thông vận tải góp phần thải CO khí nhà kính quan trọng Trên toàn giới khoảng 15% CO không khí phơng tiện giao thông vận tải thải CO chất gây ngạt Bình thờng tỷ lƯ CO kh«ng khÝ tõ 0,3 – 0,4% nồng độ thấp CO kích thích trung tâm hô Học viên: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trờng ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội hấp Những nghiên cứu gần cho thấy nồng độ CO 5% đà gây trở ngại cho hô hấp Tiếp xúc với CO nồng độ 15% ngời ta làm việc đợc nồng độ 30 60 % gây nguy hiểm tính mạng cho ngêi - Hydro cacbon (Cn H m ) Cã nguồn thải Hydrocacbon từ phơng tiện giao thông: - Từ khí thải - Thoát cách bay - Thoát từ cacte ( lợng thấp nhng lại chứa hydrocacbon cấu tạo phức tạp, có khả gây ung th ngời) Các hydrocacbon chất độc gây rối loạn hô hấp, nồng độ thấp chúng làm sng tấy màng phổi, làm thu hẹp cuống phổi, làm viêm mắt, viêm mũi Hít phải hydrocacbon nồng độ 40 mg/L dẫn đến tức ngực, chóng mặt, rối loạn giác quan, gây cảm giác buồn nôn Ngoài chúng đợc coi nguyên nhân gây ung th phổi, họng đờng hô hấp - Các oxit nitơ (NO x) khu đô thị, giao thông thải khoảng 50% lợng NO x không khí NO x đợc dùng để hỗn hợp NO NO không khí đồng thời có mặt NO NO đóng vai trò qua trọng ô nhiễm không khí NO x kết hợp vớ Hemoglobin (Hb) tạo thành Methemoglobin (Met Hb), làm Hb không vận chuyển đợc oxy, gây ngạt cho thể Sau thời gian tiềm tàng dẫn tới phù phổi cấp, tím tái biểu co giật hôn mê Khi tiếp xúc với NOx nồng độ thấp (nhiễm độc mÃn tính) có biểu sau: kích ứng mắt, rối lọan tiêu hóa, viêm phế quản, tổn thơng - Sunfua dioxit (SO 2) Trong lÜnh vùc « nhiƠm kh«ng khÝ, SO2 chất ô nhiễm hàng đầu thờng đợc quy kết nguyên nhân quan trọng gây tác hại cho sức khỏe ngời dân đô thị SO2 kích ứng niêm mạc mắt đờng hô hấp nồng độ cao, SO gây viêm kết mạc, bỏng đục giác mạc Trờng hợp tiếp xúc ạt với SO làm chết ngời nguyên nhân ngng hô hấp Tác hại SO chức phổi nói chung mạnh có mặt hạt bụi không khí hô hấp Ngoài ra, SO Học viên: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trờng ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội gây tác hại cho quan tạo máu (tủy, lách), gây nhiễm độc da, gây rối loạn chuyển hóa protein đờng, gây thiếu vitamin B vµ C, øc chÕ enzym oxydaza - Khãi đen, chì dạng hạt Động diesel thải khói đen gấp 7,5 lần so với động xăng Nguyên nhân gây khói đen xe diesel nguyªn liƯu cã nguyªn tư cacbon Nguyªn tư cacbon nguyên nhân gây 90% tợng hấp thụ ánh sáng 30% tợng giảm tầm nhìn ngời đờng, gây nguy hiểm, không an toàn giao thông Chì tác nhân gây ô nhiễm quan trọng Chì có khí thải động xăng ngời ta pha tetraethyl chì Pb(C H 5)4 vào xăng để chống kích nổ Hơi chì theo khí thải phân tán vào không khí, rÊt cã h¹i cho søc kháe cđa ngêi, gia súc cối Xe diesel không chứa chì, nhng lại thải nhiều hạt lơ lửng không khí Các hạt kết hợp với SO x thải không khí gây bệnh nh viêm cuống phổi, hen suyễn Có số hạt có khả gây ung th Chì xâm nhập vào đờng hô hấp, đờng da Độc tính chì nồng độ cao đà đợc biết đến từ lâu Nhng, tác động chì nồng độ thấp đợc đánh giá cách đầy đủ hai thập kỷ gần Do mà mức độ chì chấp nhận đợc ngày trở nên thấp, việc sử dụng xăng không pha chì ngày trở nên phổ biến nhiều nớc đà cấm hoàn toàn việc sử dụng xăng pha chì Ngoài trình cháy không hết nhiên liệu thải bụi cacbon Bụi xâm nhập vào thể chủ yếu qua đờng hô hấp Các hạt bụi có đờng kính lớn 10 àm luẩn quẩn đờng hô hấp trên, sau chúng xuống đờng hô hấp dới Phần lớn hạt bụi cã kÝch thíc tõ – 10 µm lu ë đờng hô hấp tới phổi lắng đọng ô nhiễm tác dụng trọng lực Nguy hiểm hạt bụi có kích thớc 5àm gọi bụi hô hấp, đọng lại hầu hết phế nang Một số hạt đợc làm màng nhầy, số hạt lọt vào máu số trở thành dị vật phổi Bụi kích thích học gây khó khăn cho hoạt động phổi Chúng gây Học viên: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trờng ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội nên bệnh đờng hô hấp, bệnh hen suyễn, viêm cuống phổi, bệnh viêm phổi, trớc hết dạng bệnh bụi phổi Tiếng ồn Tiếng ồn dạng ô nhiễm phổ biến đô thị Trong nguồn sinh tiếng ồn đô thị phơng tiện giao thông vận tải ®ãng vai trß chđ u: 60 – 80 % ngn sinh ồn đô thị phơng tiện giao thông nguyên nhân sau: - Tiếng ồn động cơ, ống xả - Tiếng ồn rung động phận xe Độ ồn phụ thuộc vào tình trạngkỹ thuật xe Nếu xe đợc bảo dỡng tốt, tình trạng máy hoàn hảo, tình trạng thùng xe khung xe chắn, độ giảm xóc tốt tiếng ồn giảm - Tiếng ồn đóng cửa xe, còi xe, phanh xe, tơng tác lốp xe mặt đờng, nhiều lúc tiếng la hét phụ xe đà gây giật hốt hoảng cho ngời đờng v.v Tiếng ồn gây tác hại lớn đến toàn thể nói chung quan thính giác nói riêng.Tiếng ồn mạnh, thờng xuyên gây nên bệnh đau đầu, chóng mặt, cảm giác sợ hÃi, bực tức vô cớ, trạng thái tâm thần bất ổn, mệt mỏi Tiếng ồn gây thay ®ỉi hƯ thèng tim – m¹ch, kÌm theo sù rối loạn trơng lực mạch máu, rối loạn nhịp tim Tiếng ồn làm rối loạn chức bình thờng dày, làm giảm bớt tiết dịch vị, ảnh hởng đến co bóp bình thờng dày 1.1.2 Tình hình ô nhiễm môi trờng khí thải động giới Việt Nam Môi trờng sống nhân loại ngày bị ô nhiễm nặng chất thải từ hoạt động ngời gây ra, mà nguồn chất thải khí thải phơng tiện giao thông giới Trong trình hoạt động phơng tiện giao thông phát thải vào không khí khối lợng lớn loại khói, khí độc nh CO, CO 2, hydrocacbon (HC), NO x, SO , khói đen, chì chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe ngời mà lâu dài phá hoại giới sinh vật nuôi sống ngời Học viên: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trờng ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trờng ĐHBK Hà Nội Tùy theo loại động loại nhiên liệu sử dụng mà khối lợng thành phần chất thải độc hại chiếm tỷ lệ khác Theo số liệu thống kê Mỹ, chất ô nhiễm phát thải từ phơng tiện chiếm 40ữ50% tổng hàm lợng HC, 50% tổng hàm lợng NO X 80ữ90% tổng hàm lợng CO khu vực thành phố [1] nớc phát triển khác nh Châu âu Nhật Bản xảy vấn đề tơng tự Trong năm gần với phát triển kinh tế tình hình ô nhiễm môi trờng ngày trầm trọng số lợng động sử dụng ngày nhiều Trung bình hàng năm giới sản xuất thêm 40 triệu động cơ, mức độ phát triển ô tô, xe máy ngày mạnh, đặc biệt khu đô thị Châu Không kiểm soát khí thải, loại phơng tiện thải môi trờng lợng đáng kể chất hyđrôxit bon (HC), ôxít cácbon (CO) khói bụi Các chất góp phần quan trọng gây ô nhiễm không khí nhiều nớc Châu á, nơi mà xe 2-3 bánh chiếm phần lớn đội xe giới Trên giới đội xe 2và bánh gia tăng với triệu năm dựa số bán 20 triệu xe không sử dụng 13 triệu xe hàng năm Những nớc có mật độ xe đông Đài Loan, Trung Quốc, Thái Lan, Malaysia ấn Độ Các nớc Châu tâm đến vấn đề ô nhiễm số lợng lớn xe máy gây Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiệm môi trờng khí thải động cha nghiêm trọng nh nớc phát triển số lợng phơng tiện giao thông vận tải giới cha nhiều so với họ nhng đà đến mức đáng lo ngại Theo số liệu cập nhật tháng năm 2002, số lợng phơng tiện giao thông-chỉ tính phơng tiện giao thông giới đờng Việt Nam đà 10.000.000 xe gắn máy, 600.000 xe ô tô loại số lợng phơng tiện giao thông gia tăng cách nhanh chóng, đặc biệt hai đô thị lớn Hà nội Thành phố Hồ Chí Minh [2] Ví dụ, theo báo cáo cảnh sát giao thông Hà Nội, thời điểm cuối năm 2006, số lợng ô tô đăng ký lu Học viên: Nguyễn Thế Lơng - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí §éng lùc - trêng §HBK Hµ Néi