LI ỜỞ ĐẦU
B ng 1.7 ả Các biện pháp giảm phát thải trên động cơ diesel
Biện pháp Tác dụng t i chớ ất lượng khí thải
Biện pháp liên quan đến động cơ và nhiên liệu thay th ế
Tối ưu ệh thống nhiên liệu, h ệ thống n p, ạ
k t c u buế ấ ồng cháy, áp dụng điều khiển
điệ ửn t
Trong th i gian 1980-ờ 1990 áp dụng
các biện pháp này giảm t i 90%PM, ớ
75%NOx, gi m nhiả ều HC và CO
Luân hồi khí thải (EGR) Giảm NOx t ừ 50 đến 70%
Tối ưu quá trình cháy Có tiềm năng giảm đáng kể các chất
độc hại trong khí thải Giảm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu,
lượng chất vô cơ và phốt pho trong d u ầ bôi trơn
Giảm ảnh hưởng xấu đến các bộ xửlý khí thải
Sử dụng nhiên liệu thay th ế Có ảnh hưởng khác nhau đến ch t ấ
lượng khí thải
16
có thể giúp quá trình tái sinh lọc t t ố hơn
Thêm nước vào nhiên liệu diesel
Giảm 1% NOx v i mớ ỗi 1% nước thêm vào. Thường s dử ụng cho tàu thủy và động cơ tĩnh tại.
Biện pháp ử lý khí thảx i
B x ộ ử lý xúc tác ôxy hóa cho động cơ
diesel (DOC)
Hiệu qu cao trong giả ảm HC và CO,
giảm khoảng 50÷70% PM tùy vào hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu B lộ ọc khối chất th i d ng h t (Closed ả ạ ạ DPF) Giảm t ừ 70÷90% PM B lộ ọc b m t ề ặ chất th i d ng h t (Opened ả ạ ạ DPF) Giảm kho ng 50% PM ả B ộkhử xúc tác dùng urê (SCR) Giảm t i 90% NOớ x B h p th ộ ấ ụNOx Giảm t ừ 70÷90% NOx B x ộ ử lý xúc tác NOxnghèo (LNT) Giảm t i 90% NOớ x
Hình 1.6. Các giải pháp giảm phát thải PM và NO x nh m hướng tới các tiêu chuẩn Châu Âu [7]
Để ắ c t giảm các thành phần độc hại nói trên giải pháp sử dụng các bộ xúc tác xử lý khí thải là giải pháp hiệu qu ả và đang được s dử ụng khá phổ bi n. ế Hình 1.6 ch ra ỉ giới hạn tiêu chuẩn phát thải Euro đối với thành phần PM và NOx, khi áp dụng công nghệ luân hồi khí thải (EGR) để giảm NOx sẽ làm cho PM tăng lên, còn tối ưu động cơ để giảm phát thải PM thì NOx tăng. Hình 1. cũng cho thấ , việc giảm phát thải NO6 y x
b ng bộ xúc tác SCR (selective catalytic reduction) cho phép cắt giảm NOx mà hầu như không ảnh hưởng đến phát thải PM. Giải pháp kết hợp giữa EGR hoặc SCR với
17
bộ lọc hạt DPF (lọc kín) hay PM cat (lọc hở) là những giải pháp bắt buộc nh m đồng -
thời đáp ứng được giới hạn của tiêu chuẩn về cả PM và NOx. Trên động cơ ô tải đang lưu hành hiện nay ch y u s dủ ế ử ụng công nghệ bơm cao áp dạng bơm dãy cơ khí kiểu Bosch, giải pháp hiệu qu ả được s dử ụng để ử lý khí thả x i CO, HC, NOx và PM là dùng luân hồi khí thải, b ộ xúc tác xử lý khí thải DOC, SCR và DPF. Sau đây NCS sẽ phân tích ụ ể ề các biện pháp này. c th v
1.2.1. Giảm phát thải NOx
a, Luân hồi khí thải EGR
Luân hồi khí thải là một biện pháp hữu hiệu để gi m s ả ự hình thành NOx trong buồng cháy. Khí thải sau khi ra khỏi động cơ được trích một ph n tr lầ ở ại đường n p, ạ khí luân hồi trước khi đi vào đường nạp được định lượng bởi van định lượng khí luân
hồi (van EGR). Khí luân hồi bao g m ch y u COồ ủ ế 2, N2 và hơi nước s ẽ được đưa trở ạ l i
xylanh để làm loãng hỗn hợp cháy và giảm nồng độ O2 trong buồng cháy. Hình 1.7 thể
hiện sơ đồ ệ h thống luân hồi khí thải trên động cơ [8].
Nguyên nhân giải thích luân hồi khí thải đến vi c gi m ệ ả
NOx là: kéo dài thời gian cháy, tăng nhiệt dung riêng và làm loãng khí nạp b ng khí trơ (chủ
yếu là CO2).
T i ch ạ ế độ ả t i cao không
nên thực hiện luân hồi khí thải do s ẽ làm kém đi quá trình cháy dẫn đến việc tăng nhanh chóng lượng khói và PM. Tại ch t i thế độ ả ấp thành phần HC chưa cháy trong khí luân hồ ẽ được đưa trở ại hoà trội s l n với khí nạp do đó sẽ làm tăng hiệu su t nhi t. ấ ệ
M t phộ ần khí luân hồi tr lở ại đường n p s ạ ẽ làm tăng nhiệt độ khí nạp theo đó sẽ ả nh
hưởng đến quá trình cháy và thành phần khí thải.
b B x , ộ ử lý xúc tác khửNOx - SCR (Selective Catalyst Reduction)
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động c a h ủ ệ thống SCR [9]
18
- C u t oấ ạ
Sơ đồ nguyên lý hoạt động c a h thủ ệ ống SCR được th hiể ện trên ình 1.H 8, bao g m hai phồ ần chính đó là: vòi phun urê và bộ xúc tác chính SCR.
- Nguyên lý hoạt động
Quá trình xử lý NOx x y ra trong h ả ệ thống SCR bao g m 1 chuồ ỗi các phản ứng
hóa học gồm 3 giai đoạn chính:
+ Phả ứng đầu tiên trong hện thống x ử lý khí thải SCR gọi là ‘Standard SCR’,
ph n ả ứng này làm giảm NO. Ph n ả ứng này được gọi là phả ứn ng chu n bẩ ởi vì NO là đặc trưng cho phả ứng làm giảm khí thả ủa động cơ diesel.n i c
4NH3 +4NO +O2 = 4N2 +6H2O (1.1) + Phả ứn ng mong mu n nhố ất chính là phả ứng ‘Fast SCR’, phả ứng này xản n y ra
nhanh hơn là phả ứn ng chu n. Ph n ẩ ả ứng này xảy ra bên trong bộ xúc tác nơi có sự cân
b ng NO và NO2.
4NH3+2NO +2NO2 = 4N2 H+6 2O (1.2)
+ Phả ứn ng th ứ ba là phản ứng chậm SCR, nó xảy ra khi t l ệ NO2/NO > 1, NO2/NO là hệ ố ủ s c a ph n ả ứng hoá học, giá trị ủa nó phụ c thuộc vào mỗi phương trình
ph n ng. H s ả ứ ệ ố này ảnh hưởng r t nhiấ ều đến hi u su t c a b x ệ ấ ủ ộ ử lý, với t l ệNO2/NO
> 1 thì phả ứn ng xảy ra tương đối ch m. ậ
8NH3 +6NO2 = 7N2 +12H2O (1.3)
Trong quá trình hoạt động c a b x ủ ộ ử lý khí thải SCR cũng có các vùng nhiệt độ,
mà các vùng nhiệt độ này là điều ki n xệ ảy ra các phả ứng trên. Có ba vùng chính là:n + Vùng một (200 ÷ 2500C): đây là vùng nhiệt độ ấp mà t th s NOố 2/NO là yế ốu t
chính của ph n ng. Ph n ả ứ ả ứng chính của vùng này là phả ứn ng th hai. ứ
+ Vùng hai (250 ÷ 3500C): vùng này xảy ra ph n ng th ba. Khi t s ả ứ ứ ốNO2/NO lớn hơn 1, quyết định đến hi u su t c a b x ệ ấ ủ ộ ử lý.
+ Vùng ba (>3500C): vùng này xảy ra theo ph n ả ứng đầu tiên. NO2 phân ly thành
NO, do nhiệt độ cao nên quá trình làm giảm NOx là đáng kể vì vậy nó được gọi là
ph n ng chu n. ả ứ ẩ
Quá trình cắt giảm các khí không màu như NOx ph ụ thuộc r t nhi u y u tấ ề ế ố, vì chúng thường có áp suất và nhiệt độ ất cao. Để r kh c phắ ục điều này người ta phun dung dịch urê vào dòng khí thải trước khi cho qua b ộ xúc tác. Urê có nhiều thu n lậ ợi
19
cho quá trình sử ụng như là độc tính ít, sử ụng an toàn cho việ d d c vận chuy n. N ng ể ồ độ urê trong dung dịch là 32, 5%.
Trước khi ph n ng v i NOả ứ ớ x, urê trải qua 3 ph n ả ứng chính:
+ S ự bay hơi: nước bay hơi để giải phóng urê.
((NH2)2CO)aq ((NH2)2CO)s + (6.9H2O)g (1.4)
Các chữ cái “aq”; ”s”, và “g” biểu th theo th t ị ứ ự cho nước, ch t rấ ắn và chất khí.
+ S nhiự ệt phân: sau sự bay hơi của khối urê là sự phân ly thành khí không màu và axít isocyanic.
((NH2)2CO)s NH3 + HNCO (1.5)
+ S ựthu phân: sản phẩm này phân ly ra thành NH3và CO2.
HNCO + H2O NH3 + CO2 (1.6)
1.2.2. Giảm phát thả ạt COi h , HC và PM a) Nguyên lý bộ xúc tác ôxy hóa DOC
B x ộ ử lý xúc tác ôxy hóa dùng cho động cơ diesel (Diesel Oxidation Catalyst -
DOC) được s d ng v i mử ụ ớ ục đích để ả phát thải CO, HC và PM trong khí thải. Khí gi m thả ừ động cơ diesel đượi t c d n qua b ẫ ộ xúc tác DOC. Dưới tác dụng của các chất xúc tác Platinum và Pladium làm cho các phả ứng ôxy hóa diễn n ra d ễ dàng ngay cả ở nhiệt độ thấp (làm giảm nhiệt độ ph n ả ứng ôxy hóa ủa HC và CO từc 600oC xu ng ố
2500C). Các phả ứng ôxy hóa gồn m:
CnHm (n+1/4m)O+ 2 n= CO2 1/2mH+ 2O (1.7) CO + 1/2O2 = CO2 (1.8)
Hình 1.9. Hiệu qu ả giả phát thải độm c hại trên động cơ diesel của b ộ xúc tác ôxy hóa DOC [33]
20
Các hyđrô cácbon trong khí thải động cơ có thể ở ạng hơi hoặc ngưng tụ ở ạ d d ng
l ng. Trong c hai trỏ ả ạng thái, các hyđrô cácbon đều được ôxy hóa và chuyển thành
CO2 và nước. Trường hợp không có bộ DOC, thành phần hyđrô cácbon lỏng s ẽthải ra
ngoài dưới dạng PM. Do đó, sử ụ d ng b ộ DOC không những làm giảm đáng kể lượng
CO, HC mà còn làm giảm lượng phát thả ạt PM như thể ệi h hi n trên Hình 1.9.
Qua đó có thể th y hi u qu giấ ệ ả ảm phát thả ủa động cơ khi sử ụi c d ng b ộ xúc tác DOC là rất cao, có thể ả gi m tới 90% hàm lượng CO, 80% hàm lượng HC và 20% hàm lượng PM.
Tuy nhiên, bên cạnh đó, bộ DOC cũng thúc đẩy m t s ph n ộ ố ả ứng ôxy hóa và ạt o
thành các sản phẩm không mong muốn khác:
2SO2 + O2 = 2SO3 (1.9) SO3 + H2O = H2SO4 (1.10) NO + 1/2O2 = NO2 (1.11)
Sự hình thành H2SO4 trong bộ DOC làm giảm hiệu quả của các chất xúc tác, khi thải ra ngoài môi trường sẽ ngưng tụ thành các hạt làm tăng lượng phát thải PM. Mức độ tăng PM do hình thành các hạt H2SO4 có liên quan mật thiết đến hàm lượng lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu. Việc NO chuyển thành NO2 khi qua bộ DOC không làm thay đổi tổng lượng NOxtrong khí thải nhưng làm tăng lượng NO2, đây là chất khí độc hại hơn đối với sức khỏe con người và môi trường so với NO.
b) Cấu tạo bộ xúc tác DOC
Bộ xúc tác ôxy hóa DOC thường được lắp trên đường thải ở vị trí gần động cơ. Nhiệt giải phóng từ quá trình ôxy hóa CO và HC sẽ làm tăng nhiệt độ khí thải sau khi ra khỏi bộ xúc tác DOC được ứng dụng cho việc tái sinh thiết bị lọc các chất thải dạng hạt PM. Thêm vào đó nhiệt này còn đuợc lợi dụng trong việc cải thiện quá trình chuyển hóa NO thành NO2 trong khí thải điều này sẽ nâng cao hiệu suất của bộ xúc tác
NOx. Về cấu tạo bộ DOC có thể được chia thành ba phần chính như thể hiện trên ình H 1.10. Phần lõi của bộ DOC thường được làm b ng gốm hoặc kim loại với cấu trúc
21
dạng tổ ong trong đó khí thải đi qua các ống trong thân có đường kính khoảng 1mm. Trên bề ặ ủa lõi được tráng mộ ớ m t c t l p v t liậ ệu trung gian là Al2O3 làm tăng diện tích bề mặt tham gia phản ứng. Chất xúc tác ôxy hóa được tráng trên lớp trung gian. Chất xúc tác ôxy hóa thường được dùng là các kim loại quý như Pt, Pd trong các bộ DOC có nhiệm vụ chính là giảm CO và HC. Chất xúc tác Pt thường cho hiệu suất chuyển đổi CO cao và nhiệt độ làm việc của bộ DOC thấp. Khi hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu thấp, chất xúc tác có thể dùng đồng thời Pt và Pd. Đối với bộ DOC với nhiệm vụ chính là giảm lượng PM thì chất xúc tác có thể là một số kim loại cơ bản như Ce, Fe, V, Cu… Các chất xúc tác này có tác dụng thúc đẩy quá trình bẻ gẫy và ôxy hóa một phần các hyđrô cácbon mạch dài, thành phần có trong PM, qua đó lượng PM giảm. Với bộ DOC loại này, để làm tăng hiệu suất chuyển đổi HC và CO, một lượng nhỏ Pt cũng được thêm vào làm chất xúc tác. Một số bộ DOC còn sử dụng thêm chất zeolite trên bề mặt lớp trung gian để làm tăng hiệu suất chuyển đổi HC, nhất là khi nhiệt độ bộ DOC còn thấp như khi động cơ mới khởi động. Zeolite hấp thụ và giữ lại HC trên bề mặt lõi lọc khi nhiệt độ bộ DOC còn thấp dưới khoảng 250oC. Khi nhiệt độ bộ DOC tăng lớn hơn 250oC, zeolite nhả thành phần HC ra, khi này các chất xúc tác đã đến nhiệt độ làm việc và HC được ôxy hóa.
1.2.3. B l c h t (DPF) ộ ọ ạ
a) K t c u chung c a b l c ế ấ ủ ộ ọ
Như đã trình bày ở trên, thành phần phát thả ại h t PM gần như không bị ôxy hóa trong các bộ ử lý do nhiệt độ khí thả x i thấp. Do đó, để giảm thành phần PM thường
dùng biện pháp tách PM trong khí thải b ng lọc cơ học. Hiện nay, động cơ diesel hiện
đại thường dùng bộ ọc PM để ngăn và giữ ạ ở lõi lọc các tạ l l i p ch t r n ch yấ ắ ủ ếu là ồb
hóng nên còn gọi là bộ ọ l c. B l c PM hi n nay g m hai loộ ọ ệ ồ ại chính là bộ ọ l c b mề ặt và
b ộ thể tích. Các lỗ ủa lõi lọ c c bề mặt có đường kính nhỏ hơn kích thước h t PM c n ạ ầ
lọc, do đó hạt PM b ị giữ trên bề ặ ủa lõi lọ m t c c. L c b mọ ề ặt có thể ọc đượ l c 85% PM chủ ếu là ồ hóng. Tuy nhiên, diện tích bề ặt lõi lọc nhanh chóng bị y b m che ph b i ủ ở các
h t ạ nên sức c n c a b lả ủ ộ ọc tăng lên nhanh chóng. Trái lạ ọi l c th ể tích có đường kính các lỗ ỗ r ng của lõi lọ ớn hơn đường kính các hạ ầ ọc nên các hạc l t c n l t PM s ẽ chui vào lõi lọc và bị ữ ại. Rõ ràng là so vớ ọ gi l i l c b m t, l c th ề ặ ọ ể tích giữđược nhiều PM hơn và thời gian gi a hai l n bữ ầ ảo dưỡng l c s ọ ẽ dài hơn. Tuy nhiên, khả năng củ ọa l c th ể tích sẽ kém hơn, vì chỉ có thể ọc được 40 đến 80% lượ l ng PM của khí thải. V c u t o ề ấ ạ các bộ ọc PM thông thườ l ng bao gồm các phần chính sau:
b) K t cế ấu lõi lọc
Phầ ớn các bộ ọc đượn l l c thi t k theo ki u l c khế ế ể ọ ối như ình 1.H 11. Cấu trúc lõi
22
rãnh song song nhau theo phương dọc tr c. T Hụ ừ ình 1.10 chúng ta có thể ễ dàng nhậ d n thấy hi u qu cệ ả ủa phương pháp ọ l c kh i tố ốt hơn phương pháp lọc m t do th i gian gi ặ ờ ữ khí thải trong b lộ ọc được dài hơn, khả năng lọc cũng được c i thiả ện hơn tuy nhiên , c u tấ ạo và giá thành chế ạo cao hơn phương pháp lọ t c m t. ặ
K t c u cế ấ ủa lõi ọ l c khối có thể ễ dàng phân biệ d t với lõi lọc b m t v i k t c u ề ặ ớ ế ấ bàn cờ đặc trưng đượ ạc t o ra bởi các rãnh rỗng một đầu và được b t ị ở đầu đối diện còn lõi lọc b mề ặt thì có kế ất c u r ng c ỗ ả hai đầu (Hình 1.11 ).
c) Cơ chế ọ l c
Các hạt PM được b l c thu gi dộ ọ ữ ựa trên phân tách các hạt có trong khí thải và được lưu giữ ại bên trong bộ ọ l l c. Việc tách các hạt này được th c hiự ện thông qua việc dẫn khí thải đi qua các rãnh bên trong lõi lọc. Trong phương pháp lọc khối thì đường
kính của các lỗ ỗ r ng lớn hơn đường kính trung bình của các hạ ọc, các hạ ọc đượt l t l c