Nghiên cứu giảm thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong bằng phương pháp phản ứng xúc tác trước một phần nhiên liệu

Nghiên cứu giảm thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong bằng phương pháp phản ứng xúc tác trước một phần nhiên liệu Nghiên cứu giảm thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong bằng phương pháp phản ứng xúc tác trước một phần nhiên liệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Nguyễn Thế Lương động đốt 2005 - 2007 Hà Nội 2007 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội - Luận văn thạc sĩ khoa học Ngành: Động đốt Nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động đốt phương pháp phản ứng xúc tác trước phần nhiên liệu Nguyễn Thế Lương Hà nội 2007 Trung tâm sau Đại học - trường ĐHBK Hà Nội Lời mở đầu Trong thời kỳ công nghiệp hóa đại hóa đất nước với lên ngành kinh tế, động đốt ngày giữ vai trò quan trọng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải nhiều ngành có kinh tế khác Vấn đề ô nhiễm môi trường động đốt sử dụng nhiên liệu truyền thống (xăng diesel) phát thải đặt câu hỏi cho nhà nghiên cứu để giảm ô nhiễm Một hướng nghiên cứu dùng nhiên liệu thay nhiên liệu sạch, ví dụ nhiên liệu cồn nhiên liệu hydro Nhiên liệu hyđrô loại nhiên liệu từ lâu đà nhà nghiên cứu cân nhắc sử dụng cho động đốt Nhiên liệu có ưu 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 nhược 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 thành phần phụ gia cho nhiên liệu xăng diesel Với phương pháp này, hydro 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 thành phần độc hại khí Học viên: Nguyễn Thế Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trường 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 đưa hướng nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động xăng cách tạo cung cấp nhiên liệu giàu hydro cho động phương pháp phản ứng xúc tác phần nhiên liệu xăng nhờ khí thải động Hiện Việt Nam, lượng xe máy lưu hành lớn ngày phát triển mạnh nguyên nhân gây « nhiƠm m«i tr­êng Do vËy Em ®· chän ®èi tượng nghiên cứu động xe máy Super Dream Hon Da Việt Nam sản xuất với mục đích góp phần giảm 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 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 trang thiết bị thí nghiệm để em hoàn thành đồ án Học viên cao học KS Nguyễn Thế Lương Học viên: Nguyễn Thế Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trường 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 Chương Tình hình ô nhiễm môi trường sức ép giảm ô nhiễm khí thải động 1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường khí thải động 1.2 Các tiêu chuẩn khí thải động ®èt 10 Ch­¬ng 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 Các biện pháp giảm « nhiƠm khÝ th¶i .14 2.2.1 Giảm thành phần độc hại khí thải nhờ tối ưu hoá thiết kế động 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 Phương pháp sản xuất hyđrô nhiên liệu giàu hyđrô cho nhiên liệu thay 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 nghiªn cøu 32 Chương Mô hình toán nghiên cứu trình Sản Xuất hyđrô phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu xăng 33 3.1 Giới thiÖu 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 phương trình .40 3.4.1 TÝnh chÊt cña khÝ 43 3.4.2 HÖ sè trao đổi nhiệt trao đổi chất .43 3.5 Kết tính toán 45 Ch­¬ng thử nghiệm động với xúc tác nhiên liƯu tËn dơng nhiƯt khÝ th¶i 48 4.1 Động thử nghiệm .48 4.2 ThiÕt kÕ bé xúc tác dùng cho động xe Super Dream 49 4.2.1 Yêu cầu xúc t¸c 49 4.2.2 Phương án thiết kế 49 Học viên: Nguyễn Thế Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trường ĐHBK Hà Nội 4.2.3 Tính lượng nhiên liệu cần thiết đưa vào xúc tác lượng nhiệt tiêu thụ 51 4.2.4 ThiÕt kÕ bé xóc t¸c .53 Phần Trang thiết bị thÝ nghiÖm 55 Chương Giới thiệu chung băng thử động lùc dïng cho xe m¸y 55 5.1 Giíi thiƯu băng thử cho xe máy 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 Chương 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 hệ thống đo CO 67 6.1.2 Nguyên lý làm việc hệ thống đo NO x NO .69 6.1.3 Nguyên lý làm việc 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 Chương 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 Chương Xử lý đánh giá kết .78 8.1 Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu .79 8.2 Hàm lượng CO khí thải động 80 8.3 Hàm Lượng HC khí thải .81 8.4 Hàm lượng NO x khí thải .81 Chương Kết luận hướng phát triển đề tài 82 9.1 KÐt luËn vÒ ®Ị tµi 82 9.2 Hướng phát triển đề tài .83 Tµi liƯu tham kh¶o 84 Phụ lục: Chương 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 Học viên: Nguyễn Thế Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trường ĐHBK Hà Nội PhầN Tổng quan tình hình ô nhiễm Cơ sở lý thuyết trình xúc tác nhiên liệu Chương Tổng quan Về tình hình ô nhiễm môi trường sức ép giảm ô nhiễm khí thải động 1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường khí thải động 1.1.1 Các thành phần ô nhiễm khí thải động Trong trình hoạt động phương tiện giao thông phát thải vào không khí khối lượng lớn loại khói, khí độc nh­ CO, CO , hydrocacbon, NO x , SO , khói đen, chì dạng hạt khác Tùy theo loại động loại nhiên liệu mà khối lượng 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 , gây nghẹt thở Chính tính chất CO mà có hại phụ nữ có thai người mác bệnh tim mạch Trong nhiễm độc CO cÊp tÝnh nhĐ, cã thĨ c¸c triƯu chøng: nhøc 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 thương, rèi läan h« hÊp, liƯt h« hÊp dÉn tíi tư vong - Cacbon dioxit (CO ): Trong năm gần người 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 phương tiện giao thông vận tải thải CO chất gây ngạt Bình thường tỷ lệ CO kh«ng khÝ tõ 0,3 – 0,4% ë nồng độ thấp CO kích thích trung tâm hô Học viên: Nguyễn Thế Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trường 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% người ta làm việc nồng độ 30 60 % gây nguy hiểm tính mạng cho người - Hydro cacbon (C n H m ) Cã nguồn thải Hydrocacbon từ phương tiện giao thông: - Từ khí thải - Thoát cách bay - Thoát từ cacte ( lượng thấp lại chứa hydrocacbon cấu tạo phức tạp, có khả gây ung thư người) Các hydrocacbon chất độc gây rối loạn hô hấp, nồng độ thấp chúng làm sưng 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 coi nguyên nhân gây ung thư phổi, họng đường hô hấp - Các oxit nitơ (NO x ) khu đô thị, giao thông thải khoảng 50% lượng NO x không khí NO x 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 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 thương - Sunfua dioxit (SO ) Trong lÜnh vùc « nhiƠm kh«ng khí, SO chất ô nhiễm hàng đầu thường quy kết nguyên nhân quan trọng gây tác hại cho sức khỏe người dân đô thị SO kích ứng niêm mạc mắt đường hô hấp nồng độ cao, SO gây viêm kết mạc, bỏng đục giác mạc Trường hợp tiếp xúc ạt với SO làm chết người nguyên nhân ngưng 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 Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trường ĐHBK Hà Nội gây tác hại cho quan tạo máu (tủy, lách), gây nhiễm độc da, gây rối loạn chuyển hóa protein đường, gây thiếu vitamin B C, ức chế enzym oxydaza - Khói đen, chì dạng hạt Động diesel thải khói đen gấp 7,5 lần so với động xăng Nguyên nhân gây khói đen xe diesel nguyên liệu có nguyên tử cacbon Nguyên tử cacbon nguyên nhân gây 90% tượng hấp thụ ánh sáng 30% tượng giảm tầm nhìn người đường, gây nguy hiểm, không an toàn giao thông Chì tác nhân gây ô nhiễm quan trọng Chì có khí thải động xăng người ta pha tetraethyl ch× – Pb(C H ) vào xăng để chống kích nổ Hơi chì theo khí thải phân tán vào không khí, có hại cho sức khỏe người, gia súc cối Xe diesel không chứa chì, lại thải nhiều hạt lơ lửng không khí Các hạt kết hợp với SO x thải không khí gây bệnh viêm cuống phổi, hen suyễn Có số hạt có khả gây ung thư Chì xâm nhập vào đường hô hấp, đường da Độc tính chì nồng độ cao đà biết đến từ lâu Nhưng, tác động chì nồng độ thấp đánh giá cách đầy đủ hai thập kỷ gần Do mà mức độ chì chấp nhận ngày trở nên thấp, việc sử dụng xăng không pha chì ngày trở nên phổ biến nhiều nước 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 đường hô hấp Các hạt bụi có đường kính lớn 10 àm luẩn quẩn đường hô hấp trên, sau chúng xuống đường hô hấp Phần lớn hạt bụi có kích thước từ 10 àm lưu đường hô hấp tới phổi lắng đọng ô nhiễm tác dụng trọng lực Nguy hiểm hạt bụi có kích thước 5àm gọi bụi hô hấp, đọng lại hầu hết phế nang Một số hạt 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 Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trường ĐHBK Hà Nội nên bệnh đường hô hấp, bệnh hen suyễn, viêm cuống phổi, bệnh viêm phổi, trước hết dạng bệnh bụi phổi Tiếng ồn Tiếng ồn dạng ô nhiễm phổ biến đô thị Trong nguồn sinh tiếng ồn đô thị phương tiện giao thông vận tải đóng vai trò chủ yếu: 60 80 % nguồn sinh ồn đô thị phương 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 bảo dưỡng 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, tương tác lốp xe mặt đường, nhiều lúc tiếng la hét phụ xe đà gây giật hốt hoảng cho người đường v.v Tiếng ồn gây tác hại lớn đến toàn thể nói chung quan thính giác nói riêng.Tiếng ồn mạnh, thường 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 đổi hệ thống tim mạch, kèm theo rối loạn trương lực mạch máu, rối loạn nhịp tim Tiếng ồn làm rối loạn chức bình thường dày, làm giảm bớt tiết dịch vị, ảnh hưởng đến co bóp bình thường dày 1.1.2 Tình hình ô nhiễm môi trường khí thải động giới Việt Nam Môi trường sống nhân loại ngày bị ô nhiễm nặng chất thải từ hoạt động người gây ra, mà nguồn chất thải khí thải phương tiện giao thông giới Trong trình hoạt động phương tiện giao thông phát thải vào không khí khối lượng lớn loại khói, khí độc CO, CO , hydrocacbon (HC), NO x , SO , khãi đen, chì chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe người mà lâu dài phá hoại giới sinh vật nuôi sống người Học viên: Nguyễn Thế Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hà Nội Trung tâm sau Đại học - trường ĐHBK Hà Nội Tùy theo loại động loại nhiên liệu sử dụng mà khối lượng thành phần chất thải độc hại chiếm tỷ lệ khác Theo số liệu thống kê Mỹ, chất ô nhiễm phát thải từ phương tiện chiếm 40ữ50% tổng hàm lượng HC, 50% tổng hàm lượng NO X 80ữ90% tổng hàm lượng CO khu vực thành phố [1] nước phát triển khác Châu âu Nhật Bản xảy vấn đề tương tự Trong năm gần với phát triển kinh tế tình hình ô nhiễm môi trường ngày trầm trọng số lượng 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 phương tiện thải môi trường lượng đáng kể chất hyđrôxit bon (HC), ôxít cácbon (CO) khói bụi Các chất góp phần quan trọng gây ô nhiễm không khí nhiều nước 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 nước có mật độ xe đông Đài Loan, Trung Quốc, Thái Lan, Malaysia ấn Độ Các nước Châu tâm đến vấn đề ô nhiễm số lc nghiên cứu tiếp để áp dụng công nghệ động theo quy mô công nghiệp để giảm thành phần độc hại khí thải động đáp ứng tiêu chuẩn khí thải ngày ngặt nghèo 9.2 Hướng phát triển đề tài Do thời gian hạn chế, kinh phí hạn hẹp, đặc biệt thiếu số trang thiết bị cần thiết thiết bị phân tích đo lưu lượng hyđrô khối lượng tính toán thực nghiệm có phần hạn chế Chưa đo sản phẩm trình biến đổi nhiệt hóa xúc tác Các thành phần xác định dựa phương pháp mô hình hóa, chưa xác định xác lượng hyđrô đưa vào buồng cháy Hy vọng thời gian tới tiếp tục đầu tư kinh phí trang thiết bị thí nghiệm đề tài hoàn thiệt Từ nghiên cứu mở hướng phát triển không cho động xăng mà động diesel, tiếp tục đầu tư, sản phẩm chế tạo lắp đặt phương tiện giao thông đặc biệt phương tiện thường xuyên chạy chế độ tải lớn giúp cải thiện tình trạng ô nhiễm Học viên: Nguyễn Thế Lương - Cao học 2005 Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - trường ĐHBK Hµ Néi 83 ... Em đưa hướng nghiên cứu giảm thành phần độc hại khí thải động xăng cách tạo cung cấp nhiên liệu giàu hydro cho động phương pháp phản ứng xúc tác phần nhiên liệu xăng nhờ khí thải động Hiện Việt... nhiều phương pháp cắt giảm thành phần độc hại khí thải động đà nghiên cứu, song, tiêu chuẩn khí thải ngày ngặt nghèo đòi hỏi phải có phương pháp để cắt giảm phát thải độc hại động Đề tài nghiên cứu. .. nghiên cứu phương pháp có tiềm để cắt giảm độc hại khí thải đến mức tối thiểu từ bên động phương pháp xúc tác trước phần nhiên liệu tạo nhiên liệu giàu hyđrô cho động nhờ tận dụng nhiệt khí thải Để