NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN
3.4.2. Nghiên cứu kết hợp hệ xúc tác mới (CuO)0,3-(MnO2)0,7 với hệ xúc tác kim loại quý Pt/Rh (BXTct)
tác kim loại quý Pt/Rh (BXTct)
Có thể thấy mặc dù BXTm có hiệu suất chuyển đổi khá tốt, tiệm cận với BXTEMT. Tuy nhiên, để tăng hiệu suất của BXT cao hơn nữa thì cần thiết bổ sung thêm lượng kim loại quý Pt/Rh, kế thừa kết quả trình bày ở mục 3.3.4 tỷ lệ Pt/Rh được chọn là 4:2 nhằm cải thiện hiệu quả khử NOx. Khối lượng kim loại quý bổ sung sẽ được xác định bằng nghiên cứu mô phỏng.
3.4.2.1. Xác định lượng kim loại quý bổ sung
Tiến hành hiệu chỉnh mơ hình BXTct trên cơ sở kế thừa mơ hình BXTm với các tham số kết cấu đã được xác định ở mục 3.4.1 cũng như bổ sung thêm lượng kim loại quý và dữ liệu cơ chế phản ứng của kim loại quý (Bảng 2.5 mục 2.3.2.5).
Hình 3.17. Hiệu suất của BXTct theo lượng kim loại quý Pt/Rh bổ sung, tại λ=1 (RON95), Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 (50km/h, 50% tải)
Hình 3.17 thể hiện hiệu suất chuyển đổi của BXTct phụ thuộc vào lượng kim loại quý được bổ sung. Có thể nhận thấy hiệu suất chuyển đổi với cả ba thành phần phát thải đều tăng khi tăng tổng lượng kim loại quý (Pt/Rh). Tuy nhiên, có thể nhận thấy khi lượng kim loại quý tăng từ 0 đến 0,07g hiệu suất chuyển đổi của BXT ban đầu tăng nhanh rồi sau đó tốc độ tăng chậm lại. Cân đối giữa mức tăng hiệu suất với mức tăng chi phí của BXT, có thể thấy lượng kim loại quý bổ sung của BXTct bằng 0,07g (giảm 50% khối lượng so với BXTEMT) là phù hợp nhất.
3.4.2.2. Đánh giá hiệu quả của BXTct theo nhiên liệu và chế độ làm việc
Với lượng kim loại quý Pt/Rh bổ sung là 0,07g, tiến hành mô phỏng đánh giá hiệu quả chuyển đổi của BXTct theo nhiên liệu và chế độ làm việc.
Hình 3.18 thể hiện hiệu suất chuyển đổi của BXTct khi sử dụng các nhiên liệu RON95, E10 và E20 tại 50% tải. Kết quả cho thấy, xét trung bình trên tồn đặc tính hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải tương ứng với nhiên liệu RON95, E10 và E20 như sau:
- CO: 71,63%, 73,71% và 74,62%. - HC: 61,33%, 63,16% và 65,14%.
- NOx 79,10%, 76,4% và 74,04%.
Như vậy so với BXTEMT hiệu suất chuyển đổi đối với cả ba thành phần phát thải của BXTct tăng lên đáng kể.
Hình 3.18. Hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTct, tại 50% tải khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10, E20
Hình 3.19 thể hiện hiệu suất chuyển đổi của ba BXT tại cùng một chế độ với λ=1, Tbxt=500oC, GHSV= 250.000h-1. Kết quả cho thấy hiệu suất chuyển đổi đối với
cả ba thành phần phát thải CO, HC, NOx của BXTct đều cao hơn khá nhiều so với hai BXT còn lại cụ thể:
- Hiệu suất chuyển đổi CO của BXTct cao hơn lần lượt 5,93% và 13,43% so với BXTEMT và BXTm
- Hiệu suất chuyển đổi HC của BXTct cao hơn lần lượt 12% và 13% so với BXTEMT và BXTm
- Hiệu suất chuyển đổi NOx của BXTct cao hơn lần lượt 15,13% và 14,53% so với BXTEMT và BXTm.
Hình 3.19. So sánh hiệu suất giữa ba BXT tại λ=1 (RON95), Tbxt=5000C, GHSV= 250.000h-1 (50km/h, 50% tải)
Kết quả so sánh sự thay đổi hiệu suất giữa BXTct và BXTEMT tại chế độ λ=1, Tbxt=500oC, GHSV= 250.000h-1 (Bảng 3.14) cho thấy có sự cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi đối với cả ba thành phần phát thải. Trong đó hiệu suất chuyển đổi NOx tăng tới 15,13%, so sánh với tiêu chí cải tiến ban đầu (mục 3.2) đã hồn tồn đáp ứng các u cầu đề ra. Các thơng số kỹ thuật của BXT (CuO)0,3-(MnO2)0,7 – Pt/Rh sau q trình nghiên cứu mơ phỏng được tổng hợp và thể hiện trong Bảng 3.15.
Bảng 3.14. So sánh sự thay đổi suất giữa BXTEMT và BXTct tại λ=1, Tbxt=500oC, GHSV= 250.000h-1
Hiệu suất chuyển đổi CO (%) HC (%) NOx (%)
BXTEMT 67,5 51 64,4
BXTct 73,43 63 79,53
Tăng (%) 5,93 12 15,13
Bảng 3.15. Dữ liệu về phần tử BXTct
3.3. Kết luận chương 3
Sự cải thiện mơi trường ơ xy hóa trong BXT khi sử dụng xăng pha cồn đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi CO và HC. Cụ thể, xét trung bình trên bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi CO tăng 4,66%, 7,43% tương ứng với khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20. Tương tự với HC, hiệu suất chuyển đổi khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 tăng lần lượt 2,64% và 6,55%. Trong khi đó, sự suy giảm nồng độ chất khử (CO, HC) và mơi trường khử trong BXT (hỗn hợp có xu hướng nhạt hơn) dẫn tới hiệu quả chuyển đổi NOx giảm khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu, với mức giảm lần lượt là 2,05% khi sử dụng nhiên liệu E10 và 4,97% khi sử dụng nhiên liệu E20.
Với mục tiêu đặt ra đó là hàm lượng các thành phần phát thải của xe khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (trang bị BXTct) tương đương hoặc tốt hơn so với khi sử dụng xăng RON95 (trang bị BXTEMT) thì cần có những điều chỉnh liên quan đến các thơng số của BXT. Các điều chỉnh nhằm hướng tới cải thiện mạnh hiệu suất khử NOx trong khi đó hiệu suất ơ xy hóa CO, HC giữ ngun hoặc giảm khơng đáng kể. Cụ thể, để đảm bảo mục tiêu nêu trên hiệu suất trung bình trên bốn đường đặc tính của BXTct với thành phần CO, HC có thể giảm tối đa 10,32% và 6,26% (khi sử dụng E10), trong khi đó hiệu suất NOx cần tăng tối thiểu 9,92% (khi sử dụng E20) so với BXTEMT.
BXTđc được phát triển trên cơ cở BXTEMT thông qua điều chỉnh mật độ lỗ từ 200 lên 400 cell/in2, tỷ lệ Pt/Rh thay đổi từ 5/1 thành 4/2. Kết quả cho thấy hiệu suất chuyển đổi CO, HC đáp ứng mục tiêu đề ra nhưng hiệu suất chuyển đổi NOx vẫn thấp hơn so với mục tiêu 2,71%. Hiệu suất chuyển đổi NOx có thể cải thiện bằng
cách giảm tỷ lệ Pt/Rh xuống thấp hơn. Tuy nhiên, phương án này cũng sẽ làm giảm hiệu quả chuyển đổi CO, HC. Ngoài ra mặc dù lượng kim loại quý không thay đổi nhưng việc tăng khối lượng Rh cũng kéo theo tăng giá thành của BXT do hiện nay giá thành của Rh cao hơn Pt khoảng 1,5 lần.
Các ơ xít CuO-MnO2 được lựa chọn là hệ vật liệu xúc tác mới. Nghiên cứu cho thấy hiệu suất của BXTm với hệ xúc tác (CuO)0,3-(MnO2)0,7 với khối lượng 6g có hiệu suất tiệm cận với hiệu suất của BXTEMT, tuy nhiên chưa đáp ứng được hiệu suất mục tiêu đề ra. Hiệu suất của BXTm khó có thể nâng cao hơn bằng cách tăng lượng vật liệu xúc tác do hạn chế bởi khả năng bám dính với lớp vật liệu trung gian, suy giảm tiết diện lưu thơng và diện tích phản ứng trong bề mặt lõi.
Vì vậy, sử dụng kết hợp xúc tác kim loại quý (Pt/Rh) với hệ xúc tác mới ((CuO)0,3-(MnO2)0,7) trong đó khối lượng kim loại quý được điều chỉnh giảm (từ 0,14 g xuống còn 0,07g) là giải pháp phù hợp được lựa chọn. Kết quả cho thấy, hiệu suất của BXTct được cải thiện rõ rệt so với BXTEMT. Xét trung bình trên bốn đường đặc tính (25%, 50%, 75% và 100% tải), hiệu suất chuyển đổi của BXTct với CO cao hơn 5,93%, HC cao hơn 12% và NOx cao hơn 15,13% so với BXTEMT và đáp ứng được hiệu suất mục tiêu đã đề ra.
Trên cơ cở các thông số kỹ thuật của BXTct đã được xác định, việc thiết kế, chế tạo mẫu và thực nghiệm đánh giá hiệu quả của BXTct khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn sẽ được thực hiện. Nội dung nghiên cứu này được NCS trình bày cụ thể trong chương tiếp theo.