D = AP nEXP(B/T)
5.1.4.Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành chất độc hại trong khĩi thải động cơ và các giải pháp khắc phục
DẦU MỎ VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 5.1 Sự đốt cháy nhiên liệu, vấn đề ơ nhiễm và bảo vệ mơi trường
5.1.4.Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành chất độc hại trong khĩi thải động cơ và các giải pháp khắc phục
cơ và các giải pháp khắc phục
Trong phần trên ta vừa thấy cĩ rất nhiều nguyên nhân gây ra ơ nhiễm mơi trường khơng khí. Tuy nhiên trong giới hạn của giáo trình này chỉ đề cập một cách sơ lược về các giải pháp nhằm giảm thiểu ơ nhiễm do quá trình đốt cháy nhiên liệu từ dầu mỏ, hay cụ thể hơn là các giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ các chất độc hại trong khĩi thải của động cơ và các lị đốt cơng nghiệp.
5.1.4.1. Yếu tốảnh hưởng đến sự hình thành.
Ở phần trước chúng ta đã thấy trong khĩi thải từ động cơ luơn chứa một hàm lượng các chất độc hại, thành phần và hàm lượng của các chất này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.
Ở động cơ diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỷ lệ khơng đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng cịn nồng độ NOx của hai loại động cơ này cĩ giá trị tương đương nhau. Trái lại, bồ hĩng là chất ơ nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nĩ khơng đáng kể trong động cơ xăng.
Những tạp chất, chất phụ gia của nhiên liệu và đặc biệt là lưu huỳnh cĩ ảnh hưởng lớn đến thành phần các chất ơ nhiễm trong sản phẩm cháy. Thơng thường, xăng thuơng mại chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh. Thành phần lưu huỳnh cĩ thể lên đến 0,5% đối với dầu Diesel. Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hố thành SO2, sau đĩ một bộ phận SO2 bị oxy hố tiếp thành SO3.
Để cĩ thể đưa ra được biện pháp nhằm giảm thiểu các hợp chất độc hại này thì trước hết ta cần phải biết rỏ những điều kiện nào ảnh hưởng đến sự hình thành chúng trong quá trình cháy trong động cơ.
a. Sự hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ ơtơ.
NOX được hình thành chủ yếu do sự kết hợp giữa oxi và nitơ của khơng khí ở điều kiện nhiệt độ cao. Chất ơ nhiễm này ngày nay càng được quan tâm nhiều và trong một số trường hợp, nĩ là chất ơ nhiễm chính làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động cơ.
Oxyt nitơ hình thành trong khí cháy chủ yếu là NO, sau đĩ tuỳ theo điều kiện mà nĩ cĩ thể chuyển sang các dạng tồn tại khác. Sự hình thành chúng phụ thuộc vào nhiệt độ cực đại trong buồng cháy và cả nồng độ của oxy, vì vậy các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ và nồng độ oxy trong buồng cháy sẻ ảnh hưởng đến hàm lượng các chất này trong khĩi thải.
Trường hợp động cơđánh lửa cưỡng bức.
Trong động cơ này thì những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành NOx là:
Độ giàu của hỗn hợp nhiên liệu Lượng khí thải hồi lưu lại buồng cháy Gĩc đánh lửa sớm.
Mức độ phát sinh NOx phụ thuộc vào độ giàu của hỗn hợp cơng tác thể hiện trên đồ thị sau: Nồng độ NOx NOx 1.1 1.0 0.9 0.8 Độ giàu Nhận xét:
Khi độ giàu quá lớn thì oxy trong hỗn hợp khơng đủ để đốt cháy nhiên liệu đồng thời nhiệt độ trong buồng cháy sẻ giảm đi do đĩ hàm lượng của NOx tạo thành sẻ nhỏ.
Cũng tương tự như trên khi độ giàu quá nghèo, khi đĩ trong hỗn hợp cĩ chưa nhiều oxy nhưng do phần khơng khí thừa trong hỗn hợp nhiều nên chúng hấp thụ một lượng lớn nhiệt toả ra do quá trình cháy của nhiên liệu do đĩ nhiệt độ chung trong buồng cháy cũng giảm làm cho hàm lượng của NOx tao ra giảm theo.
Trong trường hợp độ giàu gần bằng 1 (khoảng 0.98) khi đĩ nhiên liệu cĩ đủ oxy để cháy, lượng nhiệt bị hấp thụ bởi khơng khí thừa giảm, khi đĩ nhiệt độ của khí cháy đạt được cao và cĩ mặt của oxy nên hàm lượng NOx tạo thành lớn nhất.
Ảnh hưởng của lượng khí thải hồi lưu
Khi cho một lượng nhất định khí thải hồi lưu trở lại trong buồng đốt thì nĩ sẻ làm giảm nhiệt độ cực đại đạt được ở trong buồng cháy vì khí thải này cĩ nhiệt độ khơng cao nên nĩ hấp thụ một phần nhiệt toả ra từ quá trình cháy nhiên liệu. Như vậy
việc hồi lưu khí thải này cũng cho phép làm giảm hàm lượng NOx trong khĩi thải động cơ.
Tuy nhiên, lượng khí thải hồi lưu tăng quá lớn thì sẻ ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ và tăng nồng độ HC.
Ảnh hưởng tỷ lệ khí xả hồi lưu (EGR) đến nồng độ NO. (EGR: Exhaust Gas Recirculation)được trình bày ở đồ thị bên
Nồng độ các chất ơ nhiễm giảm mạnh theo sự gia tăng của tỷ lệ khí xả hồi lưu cho đến khi tỷ lệ này đạt khoảng 15-20%, đây là tỷ lệ hồi lưu lớn nhất chấp nhận được đối với động cơ làm việc ở tải cục bộ.
Ảnh hưởng của gĩc đánh lửa sớm
Gĩc đánh lửa sớm cĩ ảnh hưởng mạnh đến sự phát sinh NO. Khi tăng gĩc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình cơng tác, áp suất cực đại xuất hiện gần ĐCT hơn, do đĩ giá trị của nĩ cao hơn. Vì vậy tăng gĩc đánh lửa sớm cũng làm tăng nhiệt độ cực đại. Mặt khác, vì thời điểm cháy bắt đầu sớm hơn nên thời gian tồn tại của khí cháy ở nhiệt độ cao cũng kéo dài. Hai yếu tố này đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO.
Ảnh hưởng của gĩc đánh lửa sớm
đến nồng độ NO.
Tĩm lại, tăng gĩc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả. Trong điều kiện vận hành bình thường cửa động cơ, giảm gĩc đánh lửa 10 độ cĩ thể giảm nồng độ NO từ 20-30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ.
Trường hợp động cơ Diesel
Thơng thường động cơ diesel hoạt động với hỗn hợp nghèo tức là luơn cĩ thừa oxy trong khí cháy, như vậy ở đây NOx tạo ra phụ thuộc hồn tồn vào nhiệt độ cực đại đạt được trong buồng cháy.
Trong mọi chế độ hoạt động của động cơ, thì phần nhiên liệu cháy trước trong mỗi chu kỳ đĩng vai trị quan trọng nhất đối với sự hình thành NO, vì sau khi bị đốt cháy nhiệt độ của nĩ tăng cao, hơn nữa phần khí cháy này thường bị nén nên càng làm gia tăng nhiệt độ của nĩ, do đĩ làm tăng nồng độ NO. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mặt khác, do quá trình cháy khuếch tán, trong buồng cháy động cơ Diesel luơn tồn tại rất nhiều khu vực hay các "túi" khơng khí cĩ nhiệt độ thấp, nhờ phần khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự "tơi" NO) nhanh chĩng hơn trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức và do đĩ NO ít cĩ khuynh hướng bị phân giải hơn.
Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 200 gĩc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy. Do đĩ khi giảm gĩc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần ĐCT hơn, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ của nĩ giảm do nhiệt độ cực đại thấp. Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm gĩc phun sớm cĩ thể làm giảm đến 50% nồng độ NO trong khí xả (trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu chấp nhận được).
Đối với động cơ Diesel nĩi chung, nồng độ NOx tăng theo độ giàu trung bình. Tuy nhiên khi độ giàu thấp, nồng độ NOx giảm chậm hơn so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức do sự phân bố khơng đồng nhất của nhiên liệu. Trong quá trình cháy của động cơ Diesel, độ giàu trung bình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu trình, do đo, ở chế độ tải lớn nghĩa là
áp suất cực đại cao, nồng độ NO tăng. Hình bên trình bày biến thiên nồng độ NOx và NO trong khí xả theo độ giàu trung bình đối với động cơ Diesel phun trục tiếp tốc độ
1000v/phút và gĩc phun sớm 270 trước ĐCT.
Cũng như trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự hồi lưu khí xả làm giảm NO do giảm nhiệt độ khí cháy.
5.1.4.2. Sự hình thành monoxyt cacbon CO.
Khi nhiên liệu bị đốt cháy trong điều kiện khơng đủ oxy thì một phần nhiên liệu khơng cháy sẻ chịu tác động của nhiệt độ cao và bị phân huỷ hoặc cháy khơng hồn tồn để tạo thành monoxyt cacbon (CO). Ngồi ra ở trong điều kiện cĩ nhiệt độ cao thì một phần khí CO2 hình thành cĩ thể bị biên đổi thành CO. Phường trình phản ứng:
2C + O2 → 2CO C + CO2 → 2CO Nồng độ của CO phụ thuộc và các yếu tố sau:
Ảnh hưởng của áp suất nạp
Với cùng gĩc phun sớm, áp suất nạp càng nhỏ thì tốc độ cháy càng thấp kéo theo sự giảm áp suất và nhiệt độ cực đại trong xi lanh.
Ảnh hưởng của độ giàu
Khi nồng độ quá thấp hay quá cao đều làm gia tăng nồng độ của CO trong khĩi thải.
Ảnh hưởng của gĩc phun sớm
Gĩc phun sớm gây ảnh hưởng đến nồng độ CO trên đường xả. Nếu nhiên liệu được phun vào quá trễ, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, khi đĩ nhiệt độ giảm nhanh làm giảm khả năng cháy của nhiên liệu, do đĩ làm tăng nồng độ CO.
Ảnh hưởng của hệ số khí sĩt
Khi tăng hệ số khí sĩt, nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ phản ứng phân giải CO2 thành CO, do đĩ nồng độ CO trong sản phẩm cháy giảm. Vì vậy, hệ thống hồi lưu khí xả EGR lắp trên các động cơ hiện đại để khống chế nồng độ NOx đồng thời cũng gĩp phần làm giảm nồng độ CO ở chế độ tải thấp
5.1.4.3. Sự hình thành hydrocacbon chưa cháy.
Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơđánh lửa cưỡng bức
Trong khí xả của động cơ xăng, nồng độ HC tăng nhanh theo độ giàu của hỗn hợp. Tuy nhiên, khi độ giàu của hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng do sự bỏ lửa hay do sự cháy khơng hồn tồn diễn ra ở một số chu trình cơng tác. Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức cĩ thể do các nguyên nhân sau đây:
Sự tơi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một hỗn hợp khơng bén lửa trên mặt thành buồng cháy.
Hỗn hợp chứa trong các khơng gian chết khơng cháy được do màng lửa bị dập tắt (đây được xem là nguyên nhân chủ yếu)
Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bơi trơn trên bề mặt xi lanh trong giai đoạn nạp và nén, sau đĩ thải ra trong giai đoạn giãn nở và thải.
Sự cháy khơng hồn tồn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ giàu, thay đổi gĩc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả, đặc biệt là khi giảm tốc độ. (Chất lượng của quá trình cháy)
Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng cĩ thể gây ra sự gia tăng mức độ ơ nhiễm do sự thay đổi theo cơ chế trên đây.
Sơđồ các nguồn phát sinh HC
Ảnh hưởng của các khơng gian chết
Trong các nguyên nhân trên thì yếu tố các khơng gian chết được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC chưa cháy.
Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của động cơ Diesel
Quá trình cháy trong động cơ Diesel là một quá trình phức tạp, trong quá trình đĩ diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu rồi hồ trộn với khơng khí và biến đổi để tự bốc cháy. Khi độ đậm đặc của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng tự bắt cháy, do đĩ làm tăng nồng độ HC chưa cháy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mức độ phát sinh HC trong động cơ Diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành, ở chế độ khơng tải hay tải thấp nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải.
Nếu so sánh khơng gian chết với động cơ đánh lửa cưỡng bức thì ở động cơ Diesel khơng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong giai đoạn đầu của quá trình cháy và quá trình nén, các khơng gian chết chỉ chứa khơng khí và khí sĩt. Ảnh hưởng của lớp dầu bơi trơn bám trên mặt gương xilanh, ảnh hưởng của lớp muội than cũng như ảnh hưởng của sự tơi màng lửa đối với quá trình hình thành HC trong động cơ Diesel nhìn chung khơng đáng kể so với động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Cũng như động cơ đánh lửa cưỡng bức, sự tơi ngọn lửa diễn ra gần thành và đĩ là nguồn phát sinh HC, hiện tượng này phụ thuộc đặc biệt vào khu vực va chạm giữa tia nhiên liệu và thành buồng cháy. Sự dập tắt ngọn lửa dẫn đến sự gia tăng mạnh nồng độ HC thường chỉ diễn ra khi động cơ cĩ tỷ số nén thấp và phun trễ. Mặt khác sự dập tắt ngọn lửa cũng xảy ra khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội với sự hình thành khĩi trắng (chủ yếu là do những hạt nhiên liệu khơng cháy tạo thành).
5.1.4.4. Sự hình thành bồ hĩng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
Bồ hĩng trong khí xả động cơ Diesel phần lớn do quá trình cháy khơng hồn tồn của nhiên liệu sinh ra, chỉ cĩ một bộ phận nhỏ do sự cháy của dầu bơi trơn.
Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ Diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hĩng. Sự cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng cháy cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng cĩ nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hĩng.
Thành phần hạt bồ hĩng
Ngày nay qua nghiên cứu người ta đã xác định một cách chính xác bồ hĩng bao gồm những thành phần sau:
Cacbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư khơng khí, đặc biệt là động cơ làm việc ở chế độ đầy tải.
Dầu bơi trơn khơng cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỉ lệ lớn, lượng dầu bơi trơn tiêu hao và lượng bồ hĩng cĩ quan hệ với nhau.
Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy khơng hồn tồn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ, hệ số dư khơng khí và cấu trúc buồng đốt của động cơ.
Sunfat: Do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ơxy hố thành SO2, hoặc (SO4)2-. Các chất khác: Lưu huỳnh, canxi, phốtpho, sắt...
Thành phần hạt bồ hĩng cịn phụ thuộc vào tính chất nguyên liệu, đặc điểm quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời gian sử dụng động cơ (cũ hay mới).
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về sự phân bố kích thước hạt bồ hĩng cho thấy bồ hĩng trong khí xả tồn tại dưới hai dạng: dạng đơn và dạng tích tụ.
Dạng đơn: tồn tại ở nhiệt độ trên 5000C, ở dạng này các hạt bồ hĩng là sự kết hợp của các lớp sơ cấp hình cầu (mỗi một hạt sơ cấp hình cầu này chứa khoảng 105 ÷ 106 nguyên tử cacbon). Dạng đơn này được gọi là phần khơng hồ tan ISF (Insoluble Fraction) hay thành phần rắn SOL (Solid).
Dạng tích tụ: Do các hạt bồ hĩng liên kết lại với nhau và tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn 5000C. Các hạt bồ hĩng này được bao bọc bởi thành phần hữu cơ nặng ngưng tụ và hấp thụ trên bề mặt hạt: HC chưa cháy, HC bị ơxy hố (ceton, este, ete, axit hữu cơ) và các hydrocacbon đa nhân HAP. Thể tích tụ này cĩ thể cịn cĩ thêm các hạt khác như SO2, NO2 . . . những hạt này được gọi là thành phần hữu cơ hồ tan SOF (Soluble Oganic Fraction). Trong khí xả động cơ thành phần này cĩ thể chiếm từ 5 ÷80%
Cấu trúc hạt bồ hĩng
cĩ dạng phiến mỏng được sắp xếp đồng đều quanh tâm của mỗi hạt cầu tương tự như cấu trúc của cacbon đen. Những nguyên tử cacbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng cách nhau khoảng 0,34 ÷ 0,36 nm. Các phiến này kết hợp với nhau tạo thành các mầm tinh thể, những mầm tinh thể này lại sắp xếp lại theo các hướng song song với mặt hạt cầu để tạo thành hạt.
Mơ hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp Cấu trúc tinh thể graphit
Người ta cho rằng hạt bồ hĩng được hình thành theo 5 giai đoạn như sau: Polyme hố acetylen và polyacetylen.
Tạo các hydrocacbon thơm đa nhân (HAP). Ngưng tụ và graphit hố các cấu trúc HAP.