CHƯƠNG 2 PLASMA VÀ ỨNG DỤNG PLASMA TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ
2.6 Một số nghiên cứu ứng dụng plasma trong xử lý khí thải
2.6.3 Loại bỏ NOx
Đã có nhiều nhà khoa học thực hiện nghiên cứu ứng dụng plasma vào loại bỏ NOx trong khí thải động cơ đốt trong.
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 50
Y.Yankelevich và đồng nghiệp [8] đã thực hiện nghiên cứu ứng dụng lò phản ứng plasma sử dụng phóng điện điện hoa để loại bỏ NOx trong khí thải động cơ được thể hiện như Hình 3.6.
Hình 3.6. Hệ thống loại bỏ NOx bằng phóng điện điện hoa [8]
Hệ thống bao gồm một lị phản ứng phóng điện điện hoa, một bộ cấp xung, một bộ máy phát điện diesel, và phương tiện đo lường giám sát các thông số các thành phần và nhiệt độ khí thải. Qua q trình nghiên cứu và thực nghiệm, tác giả đã đưa ra kết luân nồng độ của NO và NOx tỷ lệ nghịch với thời gian cư trú và điện áp cung cấp cho lò phản ứng. Một loạt các phản ứng hóa học đã được tác giả đưa ra để mơ tả q trình loại bỏ NOx:
N2 + e → 2 N + e (3.20) O2 + e → 2 O + e (3.21) H2O + e → H + O H + e ( 3.22) N + N O → N2 + O (3.23) N O → N2 + O (3.24) N O + O → N O2 (3.25) O + O2 → O3 (3.26) N O + O3 → N O2 + O2 (3.27)
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 51
N O + O H → H N O2 (3.28) N O2 + O H → H N O3 (3.29) N O + N O2 + H2O → 2 H N O2 (5.30) 2 N O2 + H2O → H N O2 + H N O3 (3.31) Khi nồng độ oxy trong khí thải tăng, hầu hết NO sẽ bị oxy hóa thành NO2. Khi nồng độ O3 tăng với tần số xung thì q trình oxy hóa NO tăng mạnh. Trong khi đó, việc loại bỏ NO2 phụ thuộc chủ yếu vào oxy và ozone. Kết quả là, nồng độ của NO2 tăng. Vì vậy, nồng độ của NO và NOx phụ thuộc vào tần số, thời gian cư trú và điện áp cung cấp cho lò phản ứng.
Hình 3.7. Nồng độ của NO và NOx theo tần số xung điện [8]
a) t = 5,6 s; Q =1300 l/min; U = 40,5 kV b) t = 7,45; Q = 975 l/min; U = 42 kV
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 52
Hình 3.7 cho ta thấy tại t = 5,6 s và f = 300 Hz thì NO bị loại bỏ là 100 ppm (hình 3.7a), trong khi tại t = 7,45 s thì NO bị loại bỏ là 140 ppm (hình 3.7b).
Hình 3.8. Nồng độ NO theo tần số tại t = 7,45s và t = 13,6 s [8]
Hình 3.8 cho thấy khi giữ cho giá trị các tham số khác khơng thay đổi, thịi gian cư trú càng giảm thì hiệu quả loại bỏ NO càng tăng.
Ở một nghiên cứu khác, A.Zhu và đồng nghiệp [9] cũng báo cáo chi tiết kết quả nghiên cứu của họ về sự chuyển đổi của NOx trong lị phản ứng plasma. Có 4 trường hợp đã được tác giả nghiên cứu và đưa ra kết quả cụ thể như sau:
Trong hệ thống có NO và N2: để đánh giá ảnh hưởng của điện áp tới sự chuyển
đổi của NOx tác giả đã thực hiện thí nghiệm sử dụng phản ứng plasma với sự thay đổi của điện áp cấp cho lò phản ứng ở hai giá trị nhiệt độ khác nhau là 298K và 523K.
Hình 3.9a cho thấy: tại nhiệt độ 298K, khi điện áp được tăng lên từ 8,0 đến 14,4 kV thì nồng độ NO chuyển đổi tăng từ 2,2 đến 44,8% và nồng độ NOx chuyển đổi tăng từ 1,7 đến 39,3%. Ban đầu nồng độ NO2 tăng lên đến 30% và sau đó giảm đến 12%. Tại 523K, nồng độ NO chuyển đổi tăng từ 7,6 đến 63,5% và nồng độ NOx chuyển đổi tăng từ 5,4 đến 58,8%. Nồng độ NO2 giảm từ 29,1 đến 7,1%.
Hình 3.9b cho thấy: tại nhiệt độ 298 K, khơng có sự thay đổi rõ ràng về nồng độ của O2 trong khoảng điện áp từ 8,0 đến 9,6 kV. Chỉ khi điện áp trên 9,6 kV thì sự
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 53
thay đổi của nồng độ O2 mới có thể quan sát thấy. Tại nhiệt độ 523 K, sự thay đổi của nồng độ O2 là rất rõ ràng với khoảng điện áp từ 8,0 đến 14,4 kV. Trên hình cũng chỉ ra rằng, nồng độ của O2 được tạo thành từ sự phân hủy NO tại nhiệt độ 523K là cao hơn so với ở nhiệt độ 298K.
Hình 3.9c cho thấy, có một lượng nhỏ sản phẩm phụ N2O được hình thành. Chỉ có 10 ppm N2O được hình thành khi nồng độ của NO là 530 ppm trong hỗn hợp NO và N2 trong lò phản ứng với 63,5% NO được chuyển đổi tại 523K.
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 54
Trong hệ thống có NO, O2 và N2:
Hình 3.10. Chuyển đổi NO và NOx, sự tạo thành NO2 và nồng độ của N2O trong hệ có NO, O2 và N2 ở 523K [9]
Hình 3.10 cho thấy ảnh hưởng của nồng độ O2 đến sự chuyển đổi của NO và NOx, nồng độ N2O và NO2 được tạo thành. Khi nồng độ của O2 tăng từ 0 đến 5,8% thì sự chuyển đổi của NO, NOx là giảm và sự hình thành NO2 tăng lên. Đáng chú ý là sự chuyển đổi của N, NOx và sự hình thành của NO2 tăng mạnh khi nồng độ của O2 nằm trong khoảng 0 đến 1,6%. Với nồng độ của O2 trong khoảng 0 đến 5,8% chỉ có 7 đến 9 ppm N2O được hình thành.
Sự chuyển đổi của NO tăng từ 7 đến 30% với mật độ năng lượng ngày càng tăng từ 73 đến 242 JL-1 tại 523 K. Sự thay đổi nồng độ của NO2 và N2O là gần như khơng quan sát thấy. Vì vậy sự chuyển đổi của NOx gần như bằng sự chuyển đổi của NO. Mặc dù đã bổ sung thêm 650 ppm C2H4, chỉ có 29 ppm của CO và 4 ppm CO2 được hình thành.
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 55
Hình 3.11. Chuyển đổi NO, NOx, nồng độ của N2O, CO và CO2 theo năng lượng cấp cho lị phản ứng hệ có NO, N2 và C2H4 [9]
Hình 3.12 cho thấy kết quả thử nghiệm khi cho thêm C2H4 cho chuyển đổi của NO ở mức 5,8% nồng độ của O2 tại tại nhiệt độ 298 K và 523 K. Sự hiện diện của C2H4 thúc đẩy đáng kể q trình oxy hóa NO thành NO2. Ở 298 K, NO chuyển đổi nhanh chóng tăng lên với mật độ năng lượng trong khoảng 13 đến 817 JL-1. Sự chuyển đổi của NOx tăng nhưng tương đối nhỏ so với sự chuyển đổi của NO. Đối với trường hợp mật độ năng lượng cao (817 JL-1), chuyển đổi của NO đạt được 71% trong khi chuyển đổi của NOx chỉ là 11%, đó là do có hơn 84% NO2 được hình thành. Khi nhiệt độ khí tăng lên 523K, với sự tăng mật độ năng lượng, NO và NOx chuyển đổi đầu tiên tăng, sau đó gần như ổn định và cuối cùng là giảm dần.
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 56
Hình 3.12. Sự chuyển đổi NO và NOx, nồng độ của N2O, CO và CO2 theo năng lượng cấp cho lị phản ứng hệ có NO, C2H4, O2, N2 [9]
Dưới đây là các phương trình phản ứng hóa học được tác giả đưa ra để mô tả sự chuyển đổi của NO và NOx trong lò phản ứng plasma:
N2 + e * → 2 N + e (3.32) N2 + e* → * 2 N + e (3.33) O2 + e* → 2 O + e ( 3.34) N + N O → N2 + O (3.35) * 2 N + N O → N + O + N2 (3.36) O + N O2 → N O + O2 (3.37)
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 57 N + N O2 → N2O + O (3.38) N O + O3 + M → N O2 + O2 + M (3.39) O + O2 + M → O3 + M (3.40) O + O3 → 2 O2 (3.41) C2H4 + O → C H3 + H C O (3.42) C2H4 + O → C H2H C O + H (3.43) C H3 + O2 → C H3O2 (3.43) N O + C H3O2 → N O2 + C H3O (3.45) C H3O + O2 → C H2O + H O2 (3.46) C H2O + O H → H C O + H2O (3.47) O2 + H C O → H O2 + C O (3.48) H + O2 + M → H O2 + M (3.49) N O + H O2 → N O2 + O H (3.50) C2H4 + O H → C H2O + C H3 (3.51) C2H4 + O H → C2H3 + H2O (3.52) O + H C O → C O2 + H (3.53) O + H C O → C O + O H (3.54) C O + O + M → C O2 + M (3.55) N + O2 → N O + O (3.56) Kết luận
- Qua trình khử các thành phần khí thải động cơ trong lị phản ứng plasma do các điện tích chuyển động tự do trong môi trường plasma va chạm với các thành phần khí N2, O2, H2O, tạo thành các nguyên tử N, O, OH.
- Việc loại bỏ thành phần pm trong khí thải động cơ thì ngun tử O đóng vai trị quan trọng.
- Loại bỏ NO, NOx phụ thuộc vào tần số, thời gian cư chú và điện áp cung cấp cho lò phản ứng.
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 58
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH KHỬ NOX TRONG MƠI TRƯỜNG PLASMA KHƠNG
SINH NHIỆT CÓ CHẮN