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
2.6.1 Loại bỏ PM
Trong một nghiên cứu về ứng dụng plasma để loại bỏ PM. S.Yao [1] đã chỉ ra rằng: trong lò phản ứng plasma, PM sẽ bị oxy hóa theo cơ chế thể hiện trên Hình 3.1. dưới đây. Q trình oxy hóa PM được khởi xướng bởi một phản ứng của các nguyên tử O với các carbon tự do, thúc đẩy q trình oxy hóa PM thành CO qua phản ứng (R4) và đốt cháy qua phản ứng (R5). Tia cực tím tạo ra bởi phóng điện plasma cũng góp phần thúc đẩy q trình oxy hóa PM.
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 45
Hình 3.1. Cơ chế phản ứng hóa học loại bỏ PM trong môi trường plasma [1]
Grujicic và đồng nghiệp [2] cịn phát hiện ra rằng tia cực tím ánh sáng yếu cịn kích thích các phân tử O2 từ năng lượng thấp về một trạng thái có năng lượng cao hơn, giảm đáng kể năng lượng để kích hoạt cho phân tử O2 thành nguyên tử hóa học hoạt động và do đó nó thúc đẩy q trình oxy hóa của PM.
Năm 1994, Fanick và Bykowski [3] sử dụng lò phản ứng plasma để loại bỏ PM trong khí thải từ một động cơ diesel. Họ cho rằng plasma có hiệu quả trong việc loại bỏ PM ngay cả khi nồng độ khí thải thay đổi liên tục. Năng lượng để cung cấp cho buồng phản ứng ước tính là 1,1 kW với động cơ 4 xylanh, dung tích 2,2 L hoạt động tại 2000 vòng/phút.
Ở một nghiên cứu khác, Thomas [4] và các cộng sự cũng báo cáo chi tiết kết quả thực nghiệm của họ về một thí nghiệm về hệ thống xử lý khí thải động cơ cho động cơ diesel 2,7 L sử dụng lị phản ứng tạo plasma bằng phóng điện có rào cản điện môi (DBD – Dielectric Barrier Discharge) được thể hiện như Hình 3.2.
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 46
Các tác giả công bố rằng hiệu quả năng lượng loại bỏ PM là 2,9g/kWh với năng lượng xả cần thiết là 345 W. Trong đó, ngun tử O có vai trị rất quan trọng đối với q trình oxy hóa của PM do tốc độ phản ứng giữa carbon và O nguyên tử cao hơn rất nhiều so với phản ứng giữa C và phân tử O2. Tốc độ phản ứng của các nguyên tử O với carbon ước tính vào khoảng 40 lần so với của O2 phân tử. Cấu trúc hình học của lị phản ứng DBD là quan trọng để có được một khơng gian phóng điện plasma thống nhất cố định q trình oxy hóa PM. Sau khi nghiên cứu nhiều loại lò phản ứng DBD, Yao và đồng nghiệp [5] đã phát triển một loại lị phản ứng DBD khơng đồng đều có hiệu quả cao cho việc loại bỏ PM ứng dụng thực tế. Sơ đồ lò phản ứng DBD này được thể hiện trên Hình 3.3.
HÌnh 3.3. Cấu trúc cơ bản của lị phản ứng DBD không đồng đều [5]
Để tăng hiệu quả loại bỏ PM, các tác giả dụng các điện cực xốp hoặc các bộ lọc để thúc đẩy q trình oxy hóa PM bị giữ lại. Việc sử dụng các điện cực xốp và các bộ lọc có thể cải thiện q trình oxy hóa PM nhưng cũng gây tổn thất áp suất trên đường thải.
Năng lượng điện năng yêu cầu cung cấp cho lò phản ứng plasma được tính tốn theo cơng thức: 1( / ) 1000 ( / ) gPM h P E g kWh (3.4)
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 47
EHiệu quả tạo ra O3(g-O3/kWh) 12
48
O2 + O → O3 (3.5) Trong đó E là hiệu quả năng lượng
Hình 3.4. Hiệu quả năng lượng loại bỏ PM [5]
Hiệu quả năng lượng tạo ra O nguyên tử trong lị phản ứng plasma có thể được coi là tương đương với hiệu quả năng lượng tạo O3 trong hệ gồm O2 và N2. Trong hệ với 21% O2 phân tử cân bằng với N2 thì hiệu quả tạo ra O3 đạt mức 38g-O3/kWh tại 150ºC bằng cách sử dụng lị phản ứng DBD khơng đồng đều, cho thấy hiệu quả tạo ra O ở mức 12,7g-O/kWh. Nếu O nguyên tử có thể hồn tồn sử dụng cho q trình oxy hóa PM thành CO thì hiệu quả năng lượng loại bỏ PM sẽ là 9,5g-PM/kWh tại hiệu quả năng lượng tạo ra O là 12,7g-O/kWh. Các tác giả dự đoán rằng loại bỏ PM sử dụng phóng điện plasma có tiềm năng để thay thế hệ thống DPF hiện tại nếu chi phí cho lị phản ứng plasma và năng lượng sử dụng để tạo mơi trường plasma có thể giảm đến một ngưỡng chấp nhận được.