NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN
3.4.1. Nghiên cứu mô phỏng BXT khi sử dụng hệ xúc tác CuO-MnO
3.4.1.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng BXT sử dụng hệ xúc tác CuO- MnO2/Al2O3-CeO2-ZrO2
Quá trình xây dựng mơ hình BXT sử dụng hệ xúc tác CuO-MnO2/Al2O3-CeO2- ZrO2, gọi tắt là BXTm, được thực hiện trên cơ sở kế thừa mơ hình BXTđc (mục 2.3.2.3). Cụ thể mật độ lỗ của BXT là 400 cell/in2 (kế thừa kết quả mục 3.3.1), thể tích thơng qua của lõi là 0,17 lít. Khối lượng xúc tác CuO-MnO2 bổ sung là 6g (tương ứng 30% lượng kim loại nền Al2O3) [76], tỷ lệ khối lượng giữa CuO và MnO2 được điều chỉnh trong q trình mơ phỏng nhằm xác định được tỷ lệ phù hợp. Ngoài ra BXTm cũng được bổ sung 4g CeO2 (tăng khả năng lưu trữ và giải phóng ơ xy), 1g ZrO2 (tăng khả năng ổn định nhiệt) [39]. Tổng hợp các thông số của BXTm được thể hiện trong Bảng 3.11.
Bảng 3.11. Dữ liệu các thông số của BXTm
ST
T Thơng số Giá trị Đơn vị
1 Thể tích BXT 0,2 l
2 Chiều dài khối BXT 0,1 m
3 Mật độ lỗ (cell) 400 cell/in2
4 Tổng thể tích phần rỗng của các lỗ (cell) 0,17 l 4 Độ dày thành khối xúc tác 1.8E-4 m
5 Độ dày lớp washcoat 1.3E-5 m
6 Khối lượng riêng BXT 1.700 kg/m3
7 Độ dẫn nhiệt 0,4 W/(m.K)
8 Nhiệt dung riêng 1.200 J/(kg.K)
9 Hệ số truyền nhiệt bên ngoài 30 W/m2.K
10 Độ dày lớp vỏ 0,001 m
12 Độ dẫn nhiệt của lớp vỏ 40 W/(m.K) 13 Độ dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt 0,3 W/(m.K)
14 Nhiệt độ môi trường 298 K
17 Kim loại xúc tác CuO-MnO2
18 Khối lượng kim loại quý CuO-MnO2 sử dụng 6 g g 19 Tỷ lệ về số mol CuO-MnO2 x: (1-x)
20 Khối lượng CeO2 sử dụng 4 g
21 Lượng γ-Al2O3 sử dụng 20 g
22 Lượng ZrO2 sử dụng 1 g
Ngoài bổ sung và sửa đổi các thông số kỹ thuật nêu trên, cơ chế phản ứng và các thông số liên quan đến các phản ứng hóa học diễn ra trong BXT cũng được hiệu chỉnh, bổ sung như thể hiện trong Bảng 3.12.
Bảng 3.12. Dữ liệu cơ chế phản ứng BXTm [10,84-89]
STT Thông số Thông số Giá trị Đơn vị
1 Mật độ lớp washcoat 1200 kg/m3
2 Mật độ kim loại CuO 0-75E-03 mol/m2 3 Mật độ kim loại MnO2 0-68E-03 mol/m2
4 2Ce2O3 + O2 = 4CeO2 K 5.000 kmol.m
2.s E 18.400 J/mol 5 2CeO2 + CO = Ce2O3 + CO2 K 5.200 kmol.m
2.s E 18.300 J/mol 6 12CeO2 + C3H6 = 6Ce2O3 + 3CO + 3H2O K 5.300 kmol.m
2.s E 18.200 J/mol 7 MnO2 + CO = MnO +CO2 K 48.000 kmol.m
2.s E 16.530 J/mol 8 9MnO2 + 2C3H6 = 2MnO + 6CO2 + 6H2O K 51.000 kmol.m
2.s E 12.950 J/mol 9 2MnO+2NO = 2MnO2 + N2 K 72.500 kmol.m
2.s E 11.860 J/mol 10 2CuO+2NO = 2CuO2 + N2 K 47.500 kmol.m
2.s E 9.860 J/mol 11 2CuO2+2CO = 2CO2 + 2CuO K 68.500 kmol.m
2.s E 9.860 J/mol 12 10CuO2 +C3H8= 10CuO + 3CO2 + 4H2O K 60.500 kmol.m
2.s E 8.860 J/mol
3.4.1.2. Nghiên cứu xác định tỷ lệ CuO-MnO2 phù hợp
Hình 3.13 thể hiện kết quả mô phỏng đánh giá hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTm. Trong đó tỷ lệ khối lượng CuO-MnO2 thay đổi với các tỷ lệ (CuO)x-(MnO2)1-x (x=0; 0,3; 0,5; 0,7; 1). Các thông số đầu vào của mơ hình mơ phỏng được xác định tương ứng với các thông số làm việc của xe thử nghiệm tại
50% tải, tốc độ 50 km/h (GHSV= 250.000h-1), λ=1, Tbxt = 500oC. Kết quả cho thấy, hiệu suất chuyển hóa CO, HC có xu hướng tăng khi tăng tỷ lệ CuO, trong khi đó hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào tỷ lệ MnO2 trong hỗn hợp. Với mục tiêu cải tiến BXT khi sử dụng xăng pha cồn đó là cần nâng cao hiệu suất chuyển đổi NOx do đó tỷ lệ (CuO)0,3-(MnO2)0,7 là tỷ lệ phù hợp nhất khi có hiệu suất chuyển đổi NOx cao nhất (đạt tới 65,7%), tỷ lệ chuyển đổi CO, HC cũng khá cao đạt tới 61,3 và 50,3%.
Hình 3.13. Hiệu suất của BXT (CuO)x-(MnO2)1-x (x=0; 0,3; 0,5; 0,7; 1) tại λ=1 (RON95), Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 ((50% tải, 50 km/h)
Trên cơ sở tỷ lệ CuO-MnO2 được xác định ở trên, ảnh hưởng của các thơng số khác như nhiệt độ khí thải, tốc độ khơng gian và hệ số dư lượng khơng khí đến hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTm với tỷ lệ CuO-MnO2 là (CuO)0,3-(MnO2)0,7 sẽ tiếp tục được đánh giá.
3.4.1.3. Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả của BXTm
Hình 3.14. Hiệu suất BXTm theo nhiệt độ, tại λ=1 (RON95), GHSV= 250.000h-1 (50km/h, 50% tải)
Hình 3.14 thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất BXTm. Kết quả cho thấy, hiệu suất BXTm tăng nhanh trong khoảng nhiệt độ từ 200oC đến 400oC, tiếp tục tăng nhiệt độ thì hiệu suất chuyển hóa tăng chậm. Có thể nhận thấy nhiệt độ hoạt động hiệu quả của BXTm yêu cầu lớn hơn 350oC. Nhiệt độ này lớn hơn một chút so với các BXT sử dụng hệ xúc tác kim loại quý.
3.4.1.4. Đánh giá ảnh hưởng của vận tốc khơng gian tới hiệu quả BXTm
Hình 3.15. Hiệu suất BXTm theo GHSV tại Tbxt = 500oC, λ=1 (RON95)
Hình 3.15 thể hiện hiệu suất BXTm theo GHSV của dịng khí thải khi giữ cố định λ=1, nhiệt độ BXT ở 500oC. Kết quả cho thấy, hiệu suất BXTm đạt hiệu suất cao nhất trong khoảng vận tốc không gian từ 75.000 h-1 đến 400.000 h-1, kết quả này khá tương đồng so với BXTEMT (Hình 3.8).
3.4.1.5. Đánh giá ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí tới hiệu suất BXTm
Hình 3.16. Hiệu suất BXTm theo hệ số dư lượng khơng khí λ, Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 (50km/h, 50% tải)
Hình 3.16 thể hiện hiệu suất chuyển hóa CO, HC và NOx theo λ khi giữ cố định nhiệt độ BXT ở 500oC, GHSV= 250.000h-1, kết quả cho thấy trong trường hợp λ nhỏ hơn 1, hiệu suất chuyển đổi CO, HC thấp trong khi đó hiệu suất chuyển đổi NOx khá cao đạt tới 70%. Khi λ = 1, hiệu suất chuyển đổi CO, HC và NOx đạt được khá cao, lần lượt đạt 61,3%, 50,3% và 65,7%. Tiếp tục tăng λ, hiệu suất chuyển đổi CO, HC tăng chậm lại. Hiệu suất chuyển hóa NOx vẫn ở mức khá cao, điều này hứa hẹn sẽ phù hợp khi xe sử dụng xăng pha cồn. Đường cong đồ thị chỉ thực sự giảm mạnh khi λ lớn hơn 1,15.
Quá trình nghiên cứu trên mơ hình mơ phỏng cho thấy, hiệu quả chuyển hóa CO, HC và NOx của BXTm với hệ xúc tác (CuO)0,3-(MnO2)0,7 phủ trên lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 theo hệ số dư lượng khơng khí, nhiệt độ khí thải, lưu lượng
khí thải đã được thực hiện. Kết quả chung cho thấy, hiệu quả chuyển hóa CO, HC và NOx đạt từ 45-70% khi nhiệt độ BXT đạt trên 400oC. Tuy nhiên, có thể thấy hiệu suất của BXTm với phát thải CO, HC thấp hơn so với BXTEMT trong khi đó hiệu suất chuyển đổi với phát thải NOx tăng không đáng kể khi xét tại cùng chế độ làm việc (Bảng 3.13). Như vậy hiệu suất của BXTm chưa đáp ứng được hiệu suất mục
tiêu đề ra, để nâng cao hiệu quả của BXT giải pháp tiếp theo được NCS lựa chọn đó là kết hợp sử dụng hệ xúc tác mới CuO0,3-(MnO2)0,7 với hệ xúc tác kim loại quý Pt/Rh.
Bảng 3.13. So sánh hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải giữa BXTEMT và BXTm, tại λ=1, Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1
CO (%) HC (%) NOx (%)
BXTEMT 67,5 51 64,4
BXTm 60 50 65
Thay đổi (BXTm- BXTEMT) -7,5 -1 0,6