D = AP nEXP(B/T)
5.4.2.Giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ chất độc hại trong khí cháy
DẦU MỎ VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 5.1 Sự đốt cháy nhiên liệu, vấn đề ơ nhiễm và bảo vệ mơi trường
5.4.2.Giải pháp nhằm giảm thiểu nồng độ chất độc hại trong khí cháy
Qua nghiên cứu các điều kiện hình thành các chất ơ nhiễm trong khĩi thải động cơ từ đĩ người ta đưa ra những biện pháp nhằm giảm thiểu các chất ơ nhiễm này. Một cách tổng quát thì các giải pháp này được chia thành ba hướng như sau:
Cải thiện động cơ và tối ưu hố quá trình cháy
Cải thiện nhiên liệu bằng, sử dụng nhiên liệu sạch hay dùng nhiên liệu thay thế Xử lý chất ơ nhiễm trước khi thải ra mơi trường.
5.4.2.1. Giải pháp nhằm giảm thiểu ơ nhiễm ngay tại nguồn
Trong những thập niên tới mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm ngay từ nguồn, nghĩa là trước khi ra khỏi xupap xả. Vì vậy, các nhà thiết kế động cơ khơng chỉ chú trọng đơn thuần về cơng suất hay tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các mục tiêu này và mức độ phát sinh ơ nhiễm.
Động cơđánh lửa cưỡng bức.
Ở động cơ đánh lửa cưỡng bức cĩ ba chất ơ nhiễm chính cần quan tâm là NOx, HC và CO.
Trong các động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta thiết kế buồng cháy và các thiết bị phụ trợ nhằm tạo ra chuyển động rối của hỗn hợp cơng tác trong quá trình cháy để làm giảm nồng độ các chất ơ nhiễm, đặc biệt là HC, bởi sự tăng cường chuyển động rối sẽ làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa và hạn chế việc xuất hiện những vùng “chết”.
Gia tăng chuyển động rối cĩ thể thực hiện bằng cách sau: Gia tăng vận tốc xốy lốc của hỗn hợp trên đường ống nạp.
Sử dụng hai supap nạp khi động cơ làm việc tồn tải và một supap khi làm việc ở tải cục bộ.
Tạo ra một tia khí phun vào đường nạp phụ cĩ kích thước nhỏ hơn đường nạp chính.
Ở động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, việc làm giảm nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả cũng cĩ thể được thực hiện riêng rẽ hay đồng thời hai giải pháp sau:
Tổ chức quá trình cháy với độ giàu rất thấp.
Hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaut Gas Recirculation)
Ngày nay, hệ thống hồi lưu khí xả được dùng phổ biến trên tất cả các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Đối với động cơ Diesel.
Đối với động cơ Diesel các giải pháp kỹ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm ngay trong buồng cháy cần phải được cân nhắc giữa nồng độ các chất CO, HC và bồ hĩng trong khí xả.
Việc thay đổi gĩc phun sớm cĩ ảnh hưởng trái ngược nhau đến nồng độ HC và NOx, sự ảnh hưởng này thể hiện ở đồ thị bên.
Các nhà chế tạo động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất ơ nhiễm này. Các biện pháp chính là:
Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hĩng do tăng tốc độ hồ trộn nhiên liệu - khơng khí.
Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp.
Điều chỉnh dạng qui luật phun theo hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC.
Cũng như động cơ xăng, hồi lưu khí xả là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để giảm mức độ phát sinh NOx trong động cơ Diesel.
Sơđồ nguyên lý hệ thống hồi lưu khí xảđộng cơ Diesel.
Tuy nhiên, khí xả hồi lưu cĩ thể làm tăng một ít nồng độ bồ hĩng và HC, vì vậy nên đưa vào nhiên liệu một lượng nhỏ phụ gia tẩy rửa.
Ảnh hưởng của tỷ lệ khí xả hồi lưu đến mức độ phát sinh NOx và hạt rắn
Đối với động cơ Diesel, việc cải thiện chất lượng nhiên liệu nhằm giảm mức độ phát sinh chất ơ nhiễm cĩ hiệu quả rõ ràng hơn đối với động cơ xăng.
Cải thiện chất lượng nhiên liệu diesel đồng nghĩa với việc tối thiểu hàm lượng lưu huỳnh và Aromatic. Cĩ ba quá trình cần khảo sát ảnh hưởng đến chất lượng nhiên liệu Diesel.
Quá trình Hydrotraitement Quá trình Hydrodesulfuration
Tổng hợp nhiên liệu Diesel theo phương pháp Fisher-Tropsch và quá trình oligomer hố.
Quá trình tách loại lưu huỳnh là cần thiết khi động cơ khơng trang bị bộ xúc tác oxy hố nhằm giảm hàm lượng hạt rắn trong khí xả. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5.4.2.3. Giải pháp dùng xúc tác
Việc xử lý khí xả của động cơ đốt trong bằng bộ xúc tác đã được ngiên cứu và phát triển ở Mỹ cũng như Châu Âu từ những năm 1960.
Đầu tiên người ta sử dụng các bộ xúc tác oxi hố trên những động cơ hoạt động với hỗn hợp giàu, sau đĩ hệ thống xúc tác lưỡng tính đã được phát triển để xử lý khí xả, hệ thống này bao gồm bộ xúc tác khử, bộ cung cấp khí và bộ xúc tác oxi hố.
đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số độ giàu xấp xĩ bằng 1 và trở thành bộ xúc tác được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Trong khi chờ đợi những giải pháp lý tưởng nhằm hạn chế triệt để các chất ơ nhiễm từ quá trình cháy thì việc xử lý khí xả bằng xúc tác là biện pháp hữu hiệu nhất để giảm mức độ phát sinh ơ nhiễm của ơ tơ.
Hiện nay cĩ các loại bộ xúc tác sau được sử dụng trên động cơ: Xúc tác ba chức năng.
Bộ xúc tác oxi hố dùng cho động cơ Diesel.
Khử oxit nitơ trong mơi trường cĩ sự hiện diện của oxi.
Bên cạnh sử dụng các bộ xử lý xúc tác, việc đưa bộ lọc hạt rắn vào ứng dụng trên động cơ Diesel cũng gĩp phần đáng kể vao việc giảm lượng bồ hĩng phát sinh.
a. Bộ xử lý ba chức năng.
Trong thành phần của khĩi thải động cơ cĩ chứa các hợp chất với thành phần như sau:
Hợp chất cĩ tính oxi hố Oxi : 0.2 ÷ 2%
Oxit nitơ : NO (0.01 ÷ 0.4%); N2O (<100ppm) Hợp chất cĩ tính khử.
CO : 0.1 ÷ 6% H2 : 0.5 ÷ 2%
HC chưa cháy 0.5÷1% bao gồm các HC và sản phẩm của quá trình oxi hố khơng hồn tồn (aldehyt, cetone…)
Các hợp chất khác. N2 : 70 ÷ 75% Hơi H2O : 10 ÷ 12%
CO2 : 10 ÷ 13.5% SO2 : 15 ÷ 60ppm
Bộ xúc tác được sử dụng ở đây cho phép xử lý đồng thời ba hợp chất CO, HC và NOx bởi các phản ứng oxi hố khử và bị khử, vì vậy nĩ được gọi là bộ xúc tác ba chức năng. Các phản ứng chính diễn trên bộ xúc tác này như sau:
Các phản ứng oxi hố: CO + 2 1O2 → CO2 CxHy + (x + 4 y )O2 → xCO2 + 2 y H2O Các phản ứng khử: NO + H2 → 2 1 N2 + H2O NO + CO → 2 1 N2 + H2O (2x + 2 y)NO + CxHy → (x + 4 y )N2 + xCO2 + 2 y H2O
Hai phản ứng oxi hố diễn ra thuận lợi khi độ giàu của hỗn hợp nhỏ hơn hay bằng 1 (hỗn hợp nghèo), ngược lại ba phản ứng phân huỷ NO diễn ra thuận lợi trong hỗn hợp giàu.
Qua các phản ứng trên ta thấy chúng chỉ cĩ thể diễn ra một cách đồng thời khi độ giàu của hỗn hợp xấp xỉ bằng 1, điều đĩ giải thích tại sao tất cả động cơ ơ tơ cĩ bộ xúc tác ba chức năng phải làm việc với tỷ lệ hỗn hợp cháy ở gần hệ số tỷ lượng và tỷ lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lamda. Độ chuyển hố các chất ơ nhiễm qua bộ xúc tác rất nhạy cảm đối với sự thay đổi tỷ lệ hỗn hợp
Sơđồđiều khiển độ giàu bằng cảm biến lamda.
Biến thiên hiệu quảống xả xúc tác ba chức năng theo độ lệch của tỷ số khơng khí /nhiên liệu so với giá trị cháy hồn tồn lý thuyết
Cấu tạo của bộ xúc tác.
Bộ xúc tác bao gồm khung cĩ vai trị làm chất mang và lớp kim loại hoạt tính chúng được tạo thành một khối, gọi là monolithe được dùng rộng rãi nhất. Khung monolithe là những ống trụ tiết diện trịn hay ovale, bên trong được chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trục.
Vật liệu gốm dùng phổ biến là cordierite: 2MgO,2Al2O3,5SiO2. Vật liệu này cĩ ưu điểm là nhiệt độ nĩng chảy cao (14000C) do đĩ nĩ cĩ thể chịu đựng nhiệt độ khí xả. Tuy nhiên loại này cũng cĩ độ dịn cao nên dễ bị vỡ.
Khung chất mang kim loại. Khung chất mang ceramic.
Để khắc phục người ta dùng khung kim loại, nĩ được chế tạo từ những lá thép cán mỏng thành dạng tơn lượn sĩng, sau đĩ cuộn lại hoặc xếp chồng xen kẽ với những tấm phẳng sao cho tạo thành cấu trúc dạng tổ ong. Ưu điểm của loại này là dẫn điện tốt cho phép giảm được thời gian khởi động bộ xúc tác.
Vật liệu : Thép khơng gỉ Fe/Cr/Al (với Cr=15÷20% và Al= 3÷5%)
Vật liệu làm chất mang (kim loại hay gốm) thường cĩ bề mặt riêng thấp vì vậy để tăng bề mặt riêng này thì người ta phủ lên các bề mặt này một lớp vật liệu cĩ bề mặt riêng lớn và gọi là vật liệu nền. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vật liệu nền chủ yếu là lớp nhơm gamma đơi khi là SiO2, là chất cĩ diện tích bề mặt riêng lớn (200m2/g) và cĩ tính ổn định tốt. Trong lớp nhơm gamma này, người ta đưa vào khoảng 5÷50% CeO2, chất này cĩ vai trị ổn định Al2O3, xúc tác cho các phản ứng reforming hơi và ổn định độ giàu nhờ khả năng linh động nhường nhận oxi của nĩ. Lớp vật liệu nền này cĩ bề dày khoảng 20 ÷ 50 µm được tráng lên trên bề mặt của
khung chất mang. Sự hiện diện của nĩ cho phép làm tăng bề mặt riêng của chất mang do đĩ thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý. Ngồi ra, vật liệu nền cịn chứa những thành phần ổn định, chất dẽo (tăng khả năng bám dính lên chất mang) cũng như những kim loại khởi động cho hoạt động của xúc tác.
Cĩ 3 kim loại quý thường dùng để tráng lên vật liệu nền: Pt, Pd, Rh. hai chất đầu (Pt, Pd) dùng cho các phản ứng xúc tác oxy hố CO và HC cịn Rhodium (Rh) cần thiết cho các phản ứng xúc tác khử NOx thành N2. Thành phần Pt/Pd được chọn lựa dựa trên một số yêu cầu về tính năng của xúc tác như hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp, độ bền, tuổi thọ. . . khối lượng kim loại quý dùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp 1 ÷ 2g cho mỗi ơ tơ.
Ngồi ra, bộ xúc tác cịn chứa những chất khác như: Ni, Cerium, Lanthan, Barium, Zicronium, sắt, silicium . . . với hàm lượng bé. Những chất này tăng cường thêm hoạt tính xúc tác, tính ổn định và chống sự lão hố của kim loại quý.
Khung chất mang sau khi đã tráng lớp kim loại quý được đặt vào trong lớp vỏ bọc và sau đĩ được lắp đặt trên đường khí thải động cơ
Đặt monolithe vào trong lớp vỏ
Khởi động bộ xúc tác.
Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn 2500C. Khi vượt quá ngưỡng nhiệt độ này, độ chuyển hố của các chất ơ nhiễm của bộ
dụng sau một khoảng thời gian nhất định để nhiệt độ của bộ xúc tác đạt được ngưỡng này cịn trước khoảng thời gian này, các chất ơ nhiễm trong khí xả hầu như khơng xúc tác tăng rất nhanh, đạt tỉ lệ trên 90%. Do đĩ, trên ơ tơ bộ xúc tác chỉ phát huy tác
được xử lý. Thực nghiệm cho thấy bộ xúc tác đạt được ngưỡng này sau khi ơ tơ chạy được 1÷ 3 km trong thành phố.
nhiệt độ tại đĩ tỉ lệ biến đổi các chất ơ nhiễm đạt 50%.
Hàm lượng CO, HC thấp hơn nhiều
Ảnh hưởng của nhiệt độđến sự chuyển hố các chất ơ nhiễm
Nhiệt độ khởi động bộ xúc tác TLO (temperature light off) được định nghĩa là
b. Bộ xúc tác dùng cho động cơ diesel
Đặc điểm khĩi thải động cơ Diesel.
Động cơ Diesel vận hành với hỗn hợp nghèo, so với động cơ xăng làm việc với độ giàu gần bằng 1, khĩi thải của động cơ Diesel cĩ những đặc điểm như sau:
Xuất hiện các hạt rắn (bồ hĩng).
kiện sử dụng
khí xả người ta thường sử dụng bộ xúc
Nhiệt độ khĩi thải thấp hơn.
Đặc điểm của bộ xúc tác và điều
Đối với động cơ Diesel, để giảm chất thải trong
tác oxi hố. Bộ xúc tác này cho phép giảm nồng độ CO, HC và một phần bồ hĩng. Về mặt nguyên tắc thì sự xúc tác oxi hố diễn ra thuận lợi. Khĩ khăn duy nhất liên quan đến nhiệt độ mơi trường phản ứng thấp. Hình sau cho thấy nhiệt độ bộ xúc tác cần phải đạt đến 2000C thì các phản ứng chuyển hố mới bắt đầu xãy ra.
Biến thiên tỷ lệ oxi hố theo tỷ lệ nhiệt độ khí xả.
Vào khoảng 3. Sự cĩ mặt của
lưu hu
oại quý dùng cho bộ xúc tác Diesel chủ yếu là Platin và Pallad
3000C bộ xúc tác bắt đầu oxy hố SO2 thành SO
ỳnh trong dầu Diesel, ngay cả khi hàm lượng rất thấp cũng gây ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính của bộ xúc tác, đặc biệt làm tăng nhiệt độ bắt đầu xãy ra các phản ứng chuyển hố của bộ xúc tác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Về mặt kết cấu kim l
ium hoặc hợp kim của hai chất này, trong đĩ Palladium được ưa chuộng hơn vì nĩ khĩ oxi hố SO2 thành SO3. Trong bộ xúc tác này khơng sử dụng Rhodium (do khơng cĩ quá trình khử NOx) và khơng cĩ Cerine. Hàm lượng kim loại quý trong xúc tác oxi hố thấp hơn so với xúc tác ba chức năng: 10÷40g/cf ((foot)3). Mục đích của
việc giảm này là để hàm lượng kim loại quý chỉ vừa đủ cho quá trình xúc tác oxi hố CO và HC, tránh sự hình thành sulfate và làm giảm giá thành xúc tác.
Hiệu quả của bộ xúc tác oxy hố Diesel
Kết quả thử nghiệm trên động cơ ơ tơ nhẹ theo chu trình ECE+EUDC (Econo
Khử oxit nitơ trong mơi trường cĩ sự hiện diện của
động cơ đánh lửa cưỡng bức làm
hử NOX chủ yếu làm giảm NO. Sự phân giải NOX được viết như sau:
2NO → N2 + O2
Về phương diện nhiệt độ cĩ thể xảy ra nhưng với tốc độ rất chậ
ợp nghèo, sau đĩ giải
động hơn (O3, NO2))
. Đa số hạt bồ hĩng cĩ đường kính trung bìn
mic Commission for Europe + Extra Urban Driving Cycle) cho thấy bộ xúc tác oxy hố trên động cơ Diesel cĩ thể làm giảm 35% CO, 30%HC, 25% đối với hạt rắn hồ tan.
c.
Kỹ thuật này được gọi là "khử NOX" được dùng trên
việc với hỗn hợp nghèo và động cơ Diesel. Nĩ là đối tượng nghiên cứu của rất nhiều cơng trình nghiên cứu nhưng đến nay kỹ thuật này vẫn chưa được triển khai trong cơng nghiệp.
Bộ xúc tác k
ng học phản ứng trên
m. Ngày nay, người ta đưa ra ba hướng nghiên cứu về vấn đề này như sau: Sử dụng các chất khử (ure, amoniac hoặc hydrocacbon )
Bẫy NOx (hấp phụ NOx khi động cơ làm việc với hỗn h hấp và khử nĩ khi động cơ làm việc với hỗn hợp giàu).
Sử dụng dịng Plasma lạnh (tạo N2 hoặc các cấu tử hoạt
d. Xử lý bồ hĩng bằng phương pháp lọc
Bồ hĩng trong khí xả cĩ kích thước rất bé
h khoảng 1 µm. Lọc hạt cỡ này rất khĩ vì nĩ sẽ gây tổn thất lớn trên đường thải. Hạt bồ hĩng xốp, cĩ khối lượng riêng trung bình khoảng 0.07g/cm3 nên lưới lọc bị tắt rất nhanh, do đĩ làm sạch thường xuyên bồ hĩng bám trên lõi lọc là điều kiện cần thiết để đảm bảo lọc hoạt động bình thường.
Lọc bồ hĩng tập trung giải quyết hai vấn đề cơ bản đĩ là lựa chọn kỹ thuật lọc và tái sinh lọc. Nguyên tắc lọc dịng khí xả Lõi lọc bằng lưới sợi gốm. Lõi lọc bằng sợi thép mạ nhơm. Sự tích tụ bồ hĩng trên lõi lọc gây trở lực trên đường xả và do đĩ làm giảm tính năng của động cơ. Vì vậy cần phải loại bỏ lượng bồ hĩng tích tụ này. Các giải pháp thơng
thường là đốt, rung, rửa hay dùng dịng khí nén thổi ngược
Hình bên giới thiệu bộ đốt để tái sinh lọc. Hệ thống này làm việc một cách tự động.