Kết luận chương 1
Đối với các thành phần phát thải độc hại trên động cơ diesel đều đã được nghiên cứu để giảm thiểu để đạt được các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo hơn. Bộ ơ-xy hóa DOC xử lý được hai thành phần khí CO và HC, bộ lọc phát thải dạng hạt DPF loại bỏ phần lớn hạt PM. Chỉ còn thành phần NOx từ động cơ nói chung, hay xe tải nói riêng thì cần nghiên cứu lựa chọn biện pháp phù hợp để xử lý.
SCR là hệ thống hàng đầu trong công nghệ giảm phát thải NOx khi xem xét tổng thể: hiệu suất khử NOx và giá thành sản xuất. Bộ xử lý NOx dùng chất khử trực tiếp là NH3 chỉ được dùng trong các trạm động lực tĩnh tại do các thiết bị đi kèm rất cồng kềnh. Đối với phương tiện giao thông, SCR thường sử dụng NH3 ở dạng gián tiếp, tức là sử dụng các dẫn xuất để tạo ra NH3 (urea, etanol...). Bộ xử lý khử NOx cho xe tải dùng dung dịch urea (AdBlue) sử dụng cho hệ thống SCR, có thể đạt tiêu chuẩn khí thải mức 4 và mức 5 về NOx.
20
BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC (SCR) Nhiệm vụ và phân loại
2.1.1 Nhiệm vụ
Phương pháp xử lý xúc tác chọn lọc khử NOx (SCR - Selective Catalytic Reduction) là phương pháp khử liên tục NOx. Dưới tác dụng của chất xúc tác thì NOx bị khử thành N2.
Hệ thống điều khiển phun urea cho bộ SCR làm việc ổn định tại các chế độ làm việc khác nhau của động cơ diesel có cơng suất khoảng 80 ML.
2.1.2 Phân loại
2.1.2.1 Phân loại theo chất khử
Hệ thống SCR khử NOx có thể sử dụng các chất khử khác nhau (Am-mơ- niắc,ê–ta non, hy-đrô các-bon). Theo các chất khử được sử dụng thì có thể phân thành: Hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng am-mô-ni-ắc (NH3-SCR; urea- SCR) Hệ thống xử lý xúc tác sử dụng ê-ta-non (EtOH-SCR) Hệ thống xử lý xúc tác sử dụng hy-đrô các-bon (HC-SCR) 1) Hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng NH3 (NH3-SCR; urea-SCR) i. Các phương trình phản ứng chính
Đối với urea-SCR thì cần có q trình thủy phân urea thành NH3 theo phương trình (2-1, 2-2), rồi NH3 tham gia khử NOx:
*) Phản ứng thủy phân urea:
(NH2)2CO+H2O→2NH3 +CO2 (2-1) HNCO+H2O → NH3+CO2 (2-2)
∆H298 = -95,914kJ/mol
*) Phản ứng khử NOx bằng NH3 i) Phản ứng nhanh:
21
2NH3 + NO+ NO2 →2N2 +3H2O ∆H298 ∆H298 = -378,534kJ/mol (2-3) ii) Phản ứng chuẩn: 4NH3 +4NO+O2→ 4N+6H2O (2-4) ∆H298 = -407,129kJ/mol iii) Phản ứng chậm: 8NH3 +6NO2 →7N2 +12H2O (2-5) ∆H298 = -341,664kJ/mol
*) Phản ứng khử trực tiếp NOx bằng urea:
Trên thực tế, khi dung dịch urea chưa thủy phân hoàn toàn mà vẫn đi vào bộ xúc tác thì cũng tiến hành khử NOx, dù với hiệu suất khử kém hơn:
2(NH2)2 CO+6NO → 5N2+2CO2+4H2O (2-6) 4HCNO+6NO → 5N2 +4CO2 +2H2O (2-7)
*) Phản ứng khơng mong muốn tạo đi-ni-tơ ơ-xít:
Phản ứng khơng mong muốn là các phản ứng không được ưu tiên chọn lọc, cụ thể bao gồm: ơ-xy hóa chất khử tạo thành “chất độc hại hơn” (khí N2O) so với chất cần xử lý trong khí thải, đó là các phản ứng (2-8), (2-9) và (2-10). Các phản ứng này tạo chất khí N2O, là chất độc hại và là chất gây hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ ơ-xy hóa chất khử tạo lại chất cần xử lý (khí NO), đó là phản ứng (2-11). Phản ứng này làm giảm hiệu quả chuyển đổi NOx nên cần hạn chế.
ơ-xy hóa chất khử, đó là phản ứng (2-12). Phản ứng này làm suy giảm lượng
chất khử, làm cho việc định lượng chất khử của hệ thống cung cấp bị sai sót [5].
2NH3+8NO →5N2O +3H2O (2-8) 2NH3+4NO+5
22 2NH3+2O2→NO2 +3H2O (2-10) 4NH3+5O2→4NO+ 6H2O (2-11) 4NH3+3O2→2N2+6H2O (2-12) *) Phản ứng bất lợi:
Ngồi các phản ứng khơng mong muốn thì cịn có các phản ứng bất lợi cho chính bộ xúc tác, đó là việc đầu độc bộ xúc tác, tắc bộ xúc tác.
i) Phản ứng tạo muối a-môn:
NH3+SO2+1 2 O2+H2O → NH4(HSO4) (2-13) NH3+SO2+1 2 O2+H2O → (NH4)2SO4 (2-14) 2NH3 +2NO2 → NH4NO3+N2+H2O
ii) Phản ứng tạo cặn nhựa, po-li-me:
(2-15)
(NH2 )2CO → cặn nhựa (2-16)
HNCO+3NH3 → me-la-nin(C3N6H6)x (2-17) Các cơng trình nghiên cứu của Schmieg và cộng sự chỉ ra các thành phần chính khi ơ-xy hóa NH3 ở các nhiệt độ khí xả khác nhau, được thể hiện trên
Hình 2.1. Kết quả nghiên cứu cho thấy điều thú vị đó là q trình ơ-xy hóa NH3
chỉ xảy ra với nhiệt độ lớn hơn 300 oC và mức độ ơ-xy hóa tăng theo nhiệt độ, tối đa chỉ có 15% ở 550 oC (Hình 2.1 a). Khi NH3 bị ơ-xy hóa làm cho việc kiểm soát lượng phun urea cung cấp cho hệ thống phức tạp hơn.
Cũng trong nghiên cứu này, nhóm tác giả chỉ ra rằng độ chọn lọc trên hệ xúc tác Zeolite ưu thế tạo N2, còn tạo NO chỉ với 2%, tạo N2O với 1% là cao nhất tại vùng nhiệt độ 550 oC (Hình 2.1 b). Điều này có ý nghĩa quan trọng
23
trong việc xem xét việc tổn hao NH3 do ơ-xy hóa, đồng thời khơng hình thành thêm NO làm giảm hiệu suất khử NOx của hệ thống SCR.