20
Đặc điểm của động cơ Diezel là hỗn hợp cháy đƣợc hình thành bên trong xylanh nên hệ số dƣ lƣợng khơng khí a nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể từ 1,2 đến 10 từ tồn tải đến khơng tải. Chính vì giới hạn a rộng nên điều chỉnh tải bằng phƣơng pháp điều chỉnh a cịn gọi là điều chỉnh chất. Do đó, khác với điều chỉnh lƣợng của động cơ xăng, trên đƣờng nạp khơng có tiết lƣu.
Hình 2.4 Cơ chế hình thành các chất độc hại của động cơ Diesel truyền thống khơng
hình thành hỗn hợp trƣớc
Qua hình 2.4 ta thấy lƣợng NOx hình thành nhiều nhất ở vùng cháy hồn tồn a = 1 do nhiệt độ cao. HC tồn tại nhiều ở vùng hỗn hợp nhạt do khơng đủ khơng khí để nhiên liệu tự cháy. Ở khu vực giữa tia phun chất thải dạng hạt hình thành nhiều nhất, đây chính là vùng bị oxy hố trong lịng ngọn lửa bị khuếch tán. Sau đây ta sẽ khảo sát những đặc tính này.
CO (Carbon monoxyde):
Trong khí thải động cơ Diezel, tuy a > 1 và khá lớn (thừa Oxy) nhƣng vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những vùng với a < 1 (thiếu Oxy). Khi a tăng ban đầu CO giảm do nồng độ Oxy tăng và đạt giá trị cực tiểu tại a = 1,6. Tiếp tục tăng a, CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO và Oxy trong quá trình giãn nở giảm đi nên lƣợng CO còn lại trong khí thải tăng lên.
CnHm(các hydrocarbure chƣa cháy hết):
Do a lớn nên CnHm trong động cơ Diezel so với động cơ xăng cũng nhỏ hơn. Khi a tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy đƣợc CnHm sẽ tăng lên. Đối với phƣơng pháp hỗn hợp màng, do hiệu ứng sát vách ảnh hƣởng mạnh nên CnHm lớn
21
hơn so với trƣờng hợp hỗn hợp thể tích. Nếu tổ chức xốy lốc và hòa trộn tốt trong quá trình hình thành hỗn hợp, thành phần CnHm sẽ giảm.
NOx (Oxyde Nito):
Khi a tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm (xem Hình 2.3). So với ở động cơ xăng thì thành phần NO2 trong NOx cao hơn, cụ thể chiếm 5 đến 15%. Phƣơng pháp hình thành hỗn hợp khí có ảnh hƣởng lớn đến hình thành NOx. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế khơng khí) rất thiếu Oxy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhƣng NOx vẫn nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù a rất lớn, Oxy nhiều nhƣng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng hợp lại, NOx của động cơ buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng 1/2 so với ở động cơ buồng cháy thống nhất.
Các chất thải dạng hạt:
Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ mơi trƣờng bang California thì “P–M là những
thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hồ trộn với khơng khí (làm lỗng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,70C và được tách ra bằng một bộ lọc quy định”.
Với định nghĩa nhƣ vậy, P–M gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo. Các hạt rắn gồm: Carbon tự do và tro cịn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bơi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mịn… chất lỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn.
Các hạt P–M có kích thƣớc từ 0,01 đến 1μm. Phần lớn hạt có kích thƣớc nhỏ hơn 0,3μm nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thƣơng cho đƣờng hô hấp và phổi.
Thành phần của P–M phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và phƣơng pháp hình thành khí hỗn hợp. Thơng thƣờng P–M chứa:
- 40% dầu bôi trơn - 31% bồ hóng
- 14% các muối sunfat ngâm nƣớc - 7% nhiên liệu Diezel
22 - 8% các loại khác còn lại
Hợp chất chứa lƣu huỳnh:
Trong khí thải có các hợp chất chứa lƣu huỳnh là do trong nhiên liệu còn một lƣợng tạp chất lƣu huỳnh còn lại khi chƣng cất dầu mỏ. Trƣớc năm 1996, ở châu Âu quy định giới hạn hàm lƣợng lƣu huỳnh trong nhiên liệu tính theo khối lƣợng [S] < 0,2%. Sau năm 1996, giới hạn này càng đƣợc siết chặt hơn, [S] < 0,05%. Do nhiên liệu chứa lƣu huỳnh nên trong khí thải có SO2, kết hợp với hơi nƣớc sẽ tạo thành axít. Các hợp chất chứa lƣu huỳnh trong khí thải là một trong những nguyên nhân gây ra mƣa axít và tạo P–M thông qua các muối gốc sulfat.
2.1.3 Ảnh hƣởng của các khí thải trong động cơ đối với con ngƣời và môi trƣờng
Theo định nghĩa đƣợc Cộng đồng Châu Âu đƣa ra vào năm 1967: “Khơng khí gọi là ơ nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có sự hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh đƣợc hay gây ra sự khó chịu đối với con ngƣời” [20].
2.1.3.1 Đối với con ngƣời
Monoxyde carbon (CO): Là một loại khí ngạt, khơng màu, vơ cùng nguy hiểm.
Nó ngăn cản sự di chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu Oxy.
Bảng 2.2 Bảng tác hại của CO theo nồng độ
Nồng độ CO (ppm) Tác hại
10 Trúng độc mãn tính, khó thở, tim đập mạnh 30 Thở khó khăn, gấp gáp, nhức đầu.
500 Có cảm giác tê dại, thần kinh tê liệt, buốt tim, hoa mắt. 1000 Tử vong sau 30 phút
Oxyde Nito (NOx): Cụ thể nhƣ NO2, NO3… là một chất có mùi khét khó chịu màu nâu. Nó đi vào cơ thể qua đƣờng hơ hấp, vào phổi, cùng với hơi nƣớc tạo
23
HNO3 làm sƣng, viêm phổi và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp, nạn nhân sẽ bị mất ngủ, ho, khó thở,… Ngồi ra nó cịn cùng với CH gây kích thích giác mạc, gây hiện tƣợng mù quang hóa.
Bảng 2.3 Bảng tác hại của NOx theo nồng độ
Nồng độ NOx (ppm) Tác hại
0.5 Hít liên tục sau 3 tháng sẽ sƣng phổi 1.5 Cảm nhận mùi hơi
5.0 Mùi hơi khó chịu
50 Sau 1 phút hít phải sẽ bị ho, khó thở, nhức đầu, chống. 80 Sau 3 phút sẽ gây tức ngực, ép tim.
100 - 150 Phù phổi sau 30 – 60 phút rồi tử vong >150 Tử vong nhanh nếu hít phải
Hydrocarbure (HC): Chúng gây tác hại đến sức khỏe của con ngƣời chủ yếu là
do các hydrocarbure thơm. Từ lâu ngƣời ta đã xác định đƣợc vai trò của benzen trong căn bệnh ung thƣ máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3.
Oxyde lƣu huỳnh (SO2): Là 1 chất háo nƣớc, vì vậy nó rất dễ hịa tan vào nƣớc
mũi, bị hóa thành H2SO4 và muối anonium rồi đi theo đƣờng hô hấp vào sâu trong phổi. Mặt khác, nó làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cƣờng độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân.
Bồ hóng: Là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Nó tồn tại dƣới dạng những hạt rắn có đƣờng kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngồi việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp nhƣ bất kỳ một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong khơng
24
khí, nó cịn là ngun nhân gây ra bệnh ung thƣ do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành.
2.1.3.2 Đối với mơi trƣờng
Thay đổi nhiệt độ khí quyển: Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, ngƣời ta quan tâm đến khí carbonic (CO2) vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon. Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển nhƣ hiện nay. Ngƣời ta dự đốn vào khoảng giữa thế kỷ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đơi. Khi đó theo dự tính của các nhà khoa học sẽ sảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên trái đất:
Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 – 3 oC.
Một phần băng ở vùng bắc cực và nam cực sẽ tan ra làm tăng chiều cao mực nƣớc biển.
Làm thay đổi chế độ mƣa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất.
Ảnh hƣởng đến sinh thái: Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là NO2 trong khí thải có
nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở tầng thƣợng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời. Tia cực tím gây ung thƣ da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất. Mặt khác, các chất khí có tính acide nhƣ SO2, NO2, bị oxy hóa thành acide sulfuric, acide nitric hòa tan trong nƣớc mƣa, trong tuyết, trong sƣơng mù…làm hủy hoại thảm thực vật trên mặt đất (mƣa acide) và gây ăn mịn các cơng trình kim loại.
Qua những phân tích trên, ta thấy đƣợc thành phần các chất độc hại có ảnh hƣởng vơ cùng nghiêm trọng đối với con ngƣời và mơi trƣờng sống. Vì vậy, việc tìm ra những giải pháp để xử lý khí thải từ động cơ đốt trong trƣớc khi đửana ngồi mơi trƣờng khơng khí là vơ cùng cần thiết. Và tiếp theo, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu lý thuyết về cơng nghệ plasma cũng nhƣ những đặc tính cơ bản của cơng nghệ này.
25
2.2 Tổng quan về Plasma phi nhiệt 2.2.1 Giới thiệu về Plasma 2.2.1 Giới thiệu về Plasma
Plasma là một hỗn hợp khí ion hóa, trong đó bao gồm các hạt mang điện nhƣ electron, ion, và kể cả các hạt trung hòa [20]. Trong hỗn hợp đó giá trị tuyệt đối của điện tích dƣơng bằng giá trị tuyệt đối của điện tích âm. Nhƣ vậy, plasma là hệ trung hịa điện tích, và là vật dẫn điện tốt. Tuy nhiên không phải lúc nào trong plasma điện tích dƣơng cũng bằng điện tích âm, khi có sự mất cân bằng điện tích thì trong plasma sẽ sinh ra một điện trƣờng mạnh để ngăn cản sự mất cân bằng và làm cho plasma này trở nên trung hịa về điện. Nói một cách khác, mật độ electron gần bằng mật độ hạt mang điện tích dƣơng trong một đơn vị thể tích.