Nguyên lý làm việc: vịi phun hoạt động bằng điện từ, nó phun dung dịch urea dựa trên tín hiệu do BĐK cung cấp. Khi chưa có dịng điện chạy qua dây kích từ lúc này lị xo ép van kim phun xuống để không cho dung dich urea phun ra, vịi phun ở trạng thái đóng kín. Khi BĐK gửi dịng điện đến cuộn dây kích từ. Cuộn dây này được từ hoá hút piston và van kim phun lên khoảng 0,1 mm lúc này dung dịch sẽ phun ra khỏi lỗ phun. Lượng phun phun nhiều hay ít chỉ phụ thuộc vào thời gian mở van kim phun nhanh hay chậm. Thời gian mở và đóng của vịi phun xảy ra trong khoản từ 1÷5 miligiây. Khi BĐK cắt dịng điện cuộn dây kích từ mất từ tính, van kim bị lị xo ép xuống đóng lại.
53
Kết luận chương 2
Các cơng trình nghiên cứu về xử lý xúc tác khử NOx cho thấy các loại chất khử khác nhau, các vật liệu xúc tác khác nhau thì cho hiệu quả chuyển đổi NOx riêng biệt. Trên cơ sở hiệu quả kỹ thuật, tiết kiệm chi phí chế tạo, vận hành thì bộ xử lý xúc tác chọn lọc trên cơ sở xúc tác Va-na-đi sử dụng urea (urea-SCR) có ưu thế vượt trội so với các loại khác.
Với từng hãng thì việc sử dụng urea-SCR với cấu tạo hệ thống và nguyên lý làm việc khác nhau. Ở đây, tác giả giới thiệu nguyên lý hoạt động và cấu tạo chung nhất mà hệ thống urea-SCR cần phải có. Trên cơ sở đó, có thể lựa chọn các vật tư, thiết bị có trong nước để chế tạo lắp đặt trên động cơ diesel.
Ngoài ra, sự hoạt động của hệ thống urea-SCR còn phụ thuộc vào một số yếu tố trong quá trình làm việc mà ta cần quan tâm để có thể thực hiện tính tốn thiết kế hệ thống urea-SCR. Khảo sát các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của hệ thống urea-SCR được thực hiện dựa trên phần mềm AVL-BOOST.
54
MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC Cơ sở tính tốn mơ phỏng
Do các phản ứng hóa học xảy ra bên trong bộ xúc tác chọn lọc rất phức tạp. Để đơn giản thì lựa chọn mơ hình khử xúc tác chọn lọc SCR một chiều trên ứng dụng của phần mềm AVL-BOOST để tính tốn mơ phỏng cơ chế phản ứng khử NOx bởi urea [2].
3.1.1 Cơ sở lý thuyết để tính tốn mơ phỏng SCR
Dựa trên các phương trình thủy khí động lực học, Pranit S. Metkar và cộng sự đã xây dựng mơ hình mơ phỏng bộ xúc tác SCR. Theo đó, các phương trình được diễn giải như sau:
3.1.1.1 Phương trình liên tục của pha khí
𝜕𝜌𝑔
𝜕𝜏 =𝜕𝜌𝑔.𝜗𝑔
𝜕𝑧 (3-1) Trong đó: 𝜌g : khối lượng riêng của chất khí
t : thời gian
vg : vận tốc dịng khí z :trục dọc dịng khí
3.1.1.2 Phương trình bảo tồn động năng được cho bởi phương trình Steady State Darcy
𝜕𝑝𝑔
𝜕𝑧 =-AD.vg (3-2) Trong đó: pg : áp suất trong bộ xúc tác
Số Darcy khơng đổi AD có thể mơ tả là:
Trong đó: dhyd : đường kính thủy lực
55
Các yếu tố ma sát theo phương dòng chảy “z” thường được mô tả thông qua số Reynolds và thay đổi tùy thuộc vào chế độ dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy rối) Re:
Trong đó: Relam = 2300 và Returb =5000. Tại khu vực dòng chảy rối, zturb
được coi là một giá trị biên đầu vào không đổi. Tại khu vực lớp thành zlam được cho bởi:
Trong đó: a = 64 và b =-1, cịn tham số được mơ tả bởi HagenPoisseuille- Law cho dòng chảy tầng.
3.1.1.3 Phương trình bảo tồn năng lượng
56
Deff : hệ số khuếch tán
Giả sử rằng cản nhớt có thể bỏ qua, phương trình năng lượng pha khí:
Trong đó:
Tg : nhiệt độ khí
hk : tổng entanpi của các thành phần k lg : hệ số dẫn nhiệt
kh : hệ số truyền nhiệt giữa pha khí và thàng
atrans : tổng diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng chất nền
Dhi : nhiệt độ phản ứng của phản ứng bề mặt xúc tác qui ước về pha khí.
Nhiệt độ của phản ứng xúc tác thể hiện trên pha rắn nhưng được chuyển vào phương trình pha khí, với phương trình bảo tồn năng lượng được rút ra từ pha khí sau đó thêm vào phương trình cân bằng năng lượng pha rắn.
3.1.1.4 Phương trình cân bằng năng lượng chất rắn
Trong đó: Ts : nhiệt độ thành chất xúc tác
ls : hệ số dẫn nhiệt
57
Bỏ qua bức xạ nhiệt do phạm vi nhiệt độ không cao.
Trong đó: ck g, : nồng độ mol của chất khí k trong hỗn hợp khí
kk m, : hệ số chuyển đổi khối lượng giữa các chất khí
3.1.2 Cơ chế phản ứng SCR
Các phản ứng được lựa chọn để mô phỏng trên phần mềm AVL [43]: Thủy phân HCNO (R1): HCNO + H2O → NH3 +CO2 (3-8) Phản ứng chuẩn (R2): 4NH3 +4NO + O2 →4N2 +6H2O (3-9) Phản ứng nhanh (R3): 2NH3 + NO + NO2 →2N2 +3H2O (3-10) Phản ứng chậm (R4): 8NH3 +6NO2 →7N2 +12H2O (3-11) Phản ứng ơ-xy hóa NH3 (R5): 2NH3+3O2→ N2+ 6H2O (3-12)
3.1.3 Tính tốn lượng urea cần cung cấp
Trên thực tế thì phát thải của động cơ diesel thì lượng NO chiếm 90% nên khử NOx phần lớn được thực hiện theo phản ứng chuẩn, còn phản ứng chậm với tỷ lệ rNO2 /NO >1thì thường khơng xảy ra. Với phản ứng nhanh và
chuẩn thì ta xác định được tỷ lệ mol tương ứng: rNH3/NOx =1, với phản ứng viết ở dạng tổng hợp như sau:
(3-13) Trong đó: x thể hiện thành phần NO và NO2 có trong hỗn hợp khí NOx
*) Các tính tốn
Hiệu suất khử NOx của bộ xử lý xúc tác SCR
58
Trong đó: CNOx vao,: nồng độ NOx trong khí xả đi vào bộ xử lý xúc tác (ppm)
CNOx ra, : nồng độ NOx trong khí xả đi ra bộ xử lý xúc tác (ppm)
Lượng urea cần cung cấp cho hệ thống: Số mol urea:
(3-15) Trong đó: nNH3 : số mol NH3 cần cung cấp cho hệ thống.
Khối lượng urea
(3-16)
Trong đó: Murea : Khối lượng phân tử của urea,
Murea =60 (g/mol).
Khối lượng dung dịch urea (chứa 32,5% urea):
(3-17)
Thể tích dung dịch chứa 32,5% ure:
(3-18)
Trong đó: 𝜌ddurea : khối lượng riêng của dung dịch urea,
𝜌ddurea =1,082 (kg/lít), ở 30 oC,
59
Lượng NH3 còn dư:
(3-19)
Mô phỏng bộ xử lý xúc tác bằng phần mềm AVL-BOOST
3.2.1 Mơ hình xử lý xúc tác chọn lọc trên AVL-BOOST
Bộ SCR được coi như là một lò phản ứng (CAT1) với điều kiện biên đầu vào (ATB1) và đầu ra (ATB2) [2], thể hiện như trên Hình 3.1.
CAT1
Hình 3.1 Mơ hình lị phản ứng (CAT1) với các điều kiện biên (ATB1, ATB2).
Trong mô phỏng này, tác giả sử dụng modun “aftertreament”-xử lý khí thải của phần mềm AVL-BOOST, ở đây bỏ qua quá trình của việc tạo thành các thành phần độc hại từ động cơ. Trong đó, đầu vào là thành phần riêng của khí thải động cơ, nhiệt độ bộ xúc tác, áp suất chênh lệch đã được khảo sát trên động cơ D243 trên băng thử động cơ
Kiểu động cơ (Đường kính x Hành trình) 4 kỳ (110 mm x 125mm) Số xy-lanh 4 Công suất định mức 80 ML Tốc độ quay định mức 2200 v/ph Tỷ số nén 16:1
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ.
60
Chất xúc tác là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc trưng của hệ thống SCR. Trong mô phỏng này, lựa chọn xúc tác cho chuyển đổi NOx chủ yếu bao gồm: V2O5 -WO3 /TiO2 . Các thông số về cấu trúc chính của bộ xúc tác được thể hiện trên Bảng 3.2.
Kiểu xúc tác Xúc tác chọn lọc SCR
Thể tích (l) 6,5
Chiều dài (mm) 228,6
Số lượng lỗ/1inch (cpsi) 400
Kích thước lỗ (mm) 0,1905
Bề dày thành lỗ (mm) 0,01905
Bảng 3.2 Thông số cấu trúc của bộ xúc tác
3.2.2 Mô phỏng trên phần mềm AVL-BOOST
3.2.2.1 Mục đích của mơ phỏng
i) Xây dựng mối quan hệ giữa hiệu quả chuyển đổi NOx với nhiệt độ, ii) Đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển đổi,
iii) Tạo cơ sở thực hiện tính tốn kích thước, kết cấu bộ xúc tác cho một động cơ.
3.2.2.2 Mô phỏng và đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất khử NOx
a. Ảnh hưởng của lưu lượng khí xả đến hiệu suất khử NOx
Với kết quả mơ phỏng như ở Hình 3.2, cho thấy ảnh hưởng của lưu lượng khí thải Qx đến hiệu quả chuyển đổi NOx, với các thành phần khí: 5% O2, 5% H2O, 880 ppm NOx và 880 ppm HCNO. Với nhiệt độ 200 oC thì hiệu suất chuyển đổi còn thấp, cỡ khoảng 20%. Khi nhiệt độ tăng đến 250 oC thì hiệu
61
suất tăng lên trung bình 50% với lưu lượng khí xả tăng từ 200-400 kg/h. Ở đây, ta cũng nhận thấy hiệu suất chuyển đổi tỷ lệ nghịch với lưu lượng khí xả, tức là khi tăng lưu lượng khí xả thì hiệu suất chuyển đổi giảm. Điều này có thể giải thích bởi thơng số “thời gian lưu trú của khí xả trên bề mặt của vật liệu xúc tác” giảm khi tăng lưu lượng khí xả (tương đương tốc độ dịng khí xả).