Nghiên cứu các giải pháp xử lý nhằm giảm thiểu phát thải dạng hạt từ động cơ diesel

ĐỖ HẢI ÂU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

***

ĐỖ HẢI ÂU

KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÍ
NHẰM GIẢM THIỂU PHÁT THẢI DẠNG HẠT
TỪ ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT

HÀ NỘI – NĂM 2012
KHÓA: 2009


l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

***

ĐỖ HẢI ÂU

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÍ
NHẰM GIẢM THIỂU PHÁT THẢI DẠNG HẠT
TỪ ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM HỮU TUYẾN

HÀ NỘI – NĂM 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các
công trình nào khác

Hà Nội tháng 03 năm 2012
Tác giả

Đỗ Hải Âu

-i-

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................i
MỤC LỤC ......................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..............................................iv
DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ........................................................................vi
LỜI NÓI ĐẦU ...............................................................................................................1
Chương I. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .......1
1.1. Các thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong ...................................4
1.2. Các biện pháp giảm phát thải ................................................................................6
1.2.1. Các biện pháp liên quan đến động cơ và nhiên liệu thay thế .......................6
1.2.2. Các biện pháp xử lí khí thải............................................................................7
1.3. Tình hình áp dụng tiêu chuẩn khí thải trên thế giới và ở Việt Nam .................17
1.3.1. Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải trên thế giới ................................................17
1.3.2. Tiêu chuẩn kiểm soát phát thải ở Việt Nam.................................................19
1.3.3. Lộ trình kiểm soát phát thải ở Việt Nam ......................................................20
Chương 2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CHẤT THẢI DẠNG HẠT VÀ CÁC
BIỆN PHÁP XỬ LÍ ....................................................................................................22
2.1. Bản chất của chất thải dạng hạt...........................................................................22
2.1.1. Các thành phần trong chất thải dạng hạt......................................................22
2.1.2. Sự hình thành soot.........................................................................................25
2.1.3. Khái niệm về khối lượng và số lượng hạt ...................................................27
2.1.4. Ảnh hưởng của các hạt nano tới sức khỏe con người .................................34
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán hình thành muội than.................................................34
2.2.1.Mô hình 2 bước. ..............................................................................................34
2.2.2. Mô hình 8 bước Fusco ...................................................................................37
2.3. Sử dụng bộ lọc chất thải dạng hạt để giảm phát thải PM ..................................39

-ii-

2.3.1. Lọc kín (lọc toàn phần) và lọc hở (lọc một phần).......................................39
2.3.2. Vật liệu chế tạo lọc .......................................................................................40
2.3.3. Các phương pháp tái sinh lọc .......................................................................43
Chương 3. THỦ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ LỌC PM .........49
LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ XE BUÝT...........................................................................49
3.1. Trang thiết bị thử nghiệm. ..................................................................................49
3.1.1. Sơ đồ phòng thử .............................................................................................49
3.1.1.7.

Hệ thống đo phát thải khí ........................................................................55

3.1.1.8.

Thiết bị đo phát thải dạng hạt (SmartSampler)......................................59

3.1.1.9.

Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 451S........................................60

3.1.2. Động cơ thử nghiệm(hình 3.14)...................................................................60
3.1.3. Bộ lọc chất thải hạt .......................................................................................62
3.2. Đánh giá hiệu quả bộ lọc chất thải hạt................................................................63
3.2.1. Chế độ thử nghiệm........................................................................................63
3.2.2. Phân tích kết quả thử nghiệm .......................................................................65
3.3. Kết luận chương 3................................................................................................69
KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...........................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................72

-iii-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

CO

Khí thải Monoxit Cácbon

HC

Khí thải Hydro Cácbon

PM

Phát thải dạng hạt

NOx

Khí thải Ôxít Nitơ

SOx

Khí thải Ôxít Lưu huỳnh

P

Công suất động cơ

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu

DOC

Bộ xúc tác ôxy hóa

EGR

Hệ thống luân hồi khí thải

DPF

Bộ lọc hạt

Đơn vị

kW
g/kWh

-iv-


DANH MỤC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1. Các hằng số đặc trưng cho phản ứng hình thành bồ hóng

35

Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ D1146TI

58

Bảng 3.2. Kích thước cơ bản của bộ lọc DPF cho động cơ diesel D1146TI

59

Bảng 3.3. Kích thước cơ bản của bộ lọc DOC cho động cơ diesel D1146TI

60

Bảng 3.4. Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49

62

Bảng 3.5. So sánh các thông số kinh tế kỹ thuật tại 100% tải

62

Bảng 3.6. Trọng số
Bảng 3.7. Kết quả đo các thành phần phát thải khi có và không có lắp bộ xử lý
DOC và DPF theo13 mode của chu trình thử ECE R49

-v-

65


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình
Hình 1.1. Sơ đồ luân hồi khí thải
Hình 1.2. Hiệu quả giảm phát thải độc hại trên động cơ diesel của bộ xúc tác
DOC
Hình 1.3. Cấu tạo bộ xúc tác DOC
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống LNT
Hình 1.6. Quá trình hấp thụ NOx trong hỗn hợp nghèo
Hình 1.7. Các phản ứng trong các buồng xử lý

Hình 1.8. Chu trình hấp thụ và tái tạo của hệ thống LNT
Hình 1.9. Tiêu chuẩn khí thải đối với các xe ôtô hạng nhẹ của EU và các
nước châu Á (nguồn: VCAP, PCD, 2009)
Hình 2. 1. Giản đồ về các hạt PM
Hình 2.2. Thành phần cấu tạo của PM
Hình 2.3. Cấu trúc của các hạt carbon sơ cấp
Hình 2.4. Các hạt carbon tích tụ
Hình 2.5. Phân bố kích thước của chất thải dạng hạt
Hình 2.6. Các hạt rắn trong khí thải động cơ diesel pha loãng
Hình 2.7. Phát thải các hạt nano khi sử dụng nhiên liệu có phụ gia
Hình 2.8. Sự phân bố kích thước PM trên 2 động cơ khác nhau
Hình 2.9 : So sánh số lượng PM phát thải từ các động cơ khác nhau
Hình 2.10: Cấu tạo lọc kín
Hình 2.11: Lọc hở

Hình 2.12. Lọc gốm monolith
Hình 2.13. Lõi lọc bằng lưới sợi gốm
Hình 2.14. Lọc Celmet
Hình 2.15. Lõi lọc bằng sợi thép mạ crôm
Hình2.16. Sơ đồ nguyên lý hệ thống CRT
Hình2.17. Đưa thêm Glycol vào khí thải
Hình 2.18. Tái sinh lọc bằng đốt muội than
Hình 2.19. Đốt PM bằng dây điện trở
Hình 2.20. Tái sinh lọc bằng cách phun ngược không khí
Hình 3.1. Sơ đồ phòng thử
Hình 3.2. Sơ đồ phòng thử động lực cao động cơ
Hình 3.3. Sơ đồ phanh điện APA 100
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị

-vi-

Trang
3
5
6
8
11
12
12
13
16
19
22
23

23
25
27
28
29
30
36
37
38
39
39
40
41
42
43
44
45
47
47
48
49
50


Hình 3.6. Bộ điều khiển tay ga THA 100
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S
Hình3.8. Mô hình tủ CEBII
Hình 3.9. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO

51

51
53
54

Hình 3.10. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx

55

Hình 3.11. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm
Hình 3.12. Cấu hình thiết bị SPC 427
Hình 3.13. Thiết bị đo độ khói AVL 415S
Hình 3.14. Động cơ D1146TI chạy khảo nghiệm
Hình 3.16. Kết cấu lắp đặt bộ DOC và DPF
Hình 3.17. Lắp đặt và hiệu chỉnh
Hình 3.18. Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49

55
56
57
57
60
60
61

Hình 3.19. Biểu đồ ảnh hưởng của DOC+DPF tới công suất và tiêu hao
nhiên liệu
Hình 3.20. Ảnh hưởng của DOC+DPF tới các thành phần HC, CO
Hình 3.21. Ảnh hưởng của DOC+DPF tới phát thải NOx

63

63
64

-vii-


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm qua cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu đi
lại, vận chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương
tiện giao thông đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel tăng lên rất
nhanh như xe buýt, xe khách, xe tải. Tuy nhiên, với việc phát triển mạnh mẽ nhưng
lại thiếu kiểm soát chặt chẽ những phương tiện này dẫn đến mức độ ô nhiễm do
những phương tiện này đã tăng lên rất nhanh và đã ở mức đáng báo động. Nhiều
hàm lượng các chất độc hại trong không khí mà phần lớn chúng được sinh ra do khí
thải của những loại phương tiện này đã vượt quá tiêu chuẩn cho phép như hàm
lượng PM, NOx và SOx. Những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi
trường do những phương tiện này ở nước ta hiện nay là:
+ Do đa phần các phương tiện này được lắp ráp trong nước hoặc nhập khẩu
từ Liên Xô cũ, Trung Quốc, Đài Loan và Hàn Quốc, chỉ có một số lượng nhỏ được
nhập từ Nhật Bản, Đức. Đa phần các xe này đều chưa lắp bộ xúc tác khí thải, rất
nhiều xe đã qua sử dụng nên chất lượng động cơ rất thấp hàm lượng phát thải các
chất độc hại cao.
+ Sự gia tăng số lượng phương tiện giao thông quá nhanh dẫn tới tình trạng
quá tải của các phương tiện khi tham gia giao thông dẫn tới tốc độ lưu thông của các
phương tiện rất thấp dẫn tới làm tăng tổng lượng phát thải của các phương tiện.
+ Nhiên liệu kém chất lượng (hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel
0,05%) cộng với tình trạng lái xe vận hành không theo quy trình. Tình trạng xe
thường xuyên hoạt động ở chế độ quá tải cộng với chế độ bảo dưỡng không đúng
định kỳ cũng là nguyên nhân góp phần làm tăng mức độ ô nhiễm của các loại
phương tiện này.

+ Điều kiện đường sá thiếu đồng bộ, chật hẹp và có nhiều nút giao thông
dẫn tới nhiều nơi thường xuyên xảy ra tình trạng tắc nghẽn cục bộ làm cho hàm

1


lượng các chất độc hại ở những vị trí này rất cao, đường sá yếu kém cộng với chế độ
vận hành của các phương tiện luôn thay đổi dẫn đến hàm lượng các chất thải độc hại
trong khí thải rất cao, hiện tượng này chúng ta thường xuyên bắt gặp khi chứng kiến
quá trình tham gia giao thông của rất nhiều xe buýt một phương tiện sử dụng nhiên
liệu diesel rất phổ biến ở các đô thị lớn.
Với các lý do trên, em chọn đề tài ‘’Nghiên cứu các giải pháp xử lý nhằm giảm
thiểu phát thải dạng hạt từ động cơ diesel’’.
i.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
*) Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải PM cho các phương tiện giao thông

đang sử dụng động cơ diesel, tập trung chủ yếu vào biện pháp sử dụng các loại lọc
chất thải dạng hạt.
*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ D1146TI được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu, đây là động cơ
diesel được sử dụng phổ biến trên các xe buýt đang lưu hành tại Hà Nội. Các nội
dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong,
Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
ii. Nội dung chính của luận văn:
Chương 1: Tổng quan về phát thải từ động cơ đốt trong
Chương 2: Cơ chế hình thành chất thải dạng hạt và các biện pháp xử lý
Chương 3: Thử nghiệm đánh giá hiệu quả của bộ lọc PM lắp trên động cơ xe

buýt.
 Kết luận chung và phương hướng phát triển.
iii.

Kết luận:

2


Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng trong luận văn này còn có rất nhiều thiếu
sót và một số vấn đề chưa đề cập được hết. Em rất mong sự góp ý của các thầy cô
trong bộ môn, các chuyên gia và những người quan tâm đến vấn đề này để nghiên
cứu được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Hữu Tuyến đã tận tình hướng dẫn để em
có thể hoàn thành luận văn này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô giáo Bộ môn Động Cơ Đốt Trong, Viện
Cơ khí Động lực, trường Đại học Bách khoa Hà nội, phòng thí nghiệm AVL đã tận
tình giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo, bạn bè và các đồng nghiệp trong Tổng
công ty Máy động lục và Máy nông nghiệp đã động viên và tạo điều kiện cho em
trong suốt qua trình học tập vừa qua.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để em có thể hoàn
chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong trương lai.

3


Chương I. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Các thành phần độc hại trong khí thải động cơ đốt trong

Hiện nay, nhờ những cố gắng mang tính toàn cầu của các nhà sản xuất ôtô,
nhiều loại động cơ đời mới liên tục xuất hiện với khả năng hoạt động tốt, công suất
lớn, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao… đã đáp ứng được yêu cầu thực tiễn ở nhiều
lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là ngành giao thông vận tải. Số lượng các phương tiện
giao thông vận tải tăng một cách nhanh chóng, đóng góp rất lớn vào sự phát triển
kinh tế xã hội. Tuy nhiên, mức độ ô nhiễm môi trường cũng đang gia tăng, ảnh
hưởng không nhỏ đến đời sống xã hội và con người mà một trong các tác nhân
quan trọng là khí xả từ các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong.
Sản phấm cháy được thải ra từ động cơ đốt trong gồm ôxit nitơ (NOx), mônôxit
cácbon (CO), hyđro cacbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđehit, là nguyên nhân
chính gây ra ô nhiễm không khí. Động cơ đốt trong là nguồn đóng góp xấp xỉ một
nửa lượng chất ô nhiễm NOx, CO, và HC trong không khí . Các chất ô nhiễm này
gây nhiều tác hại khác nhau cho sức khỏe và môi trường.
 HC: Có nguồn gốc từ nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn chưa cháy hết trong
động cơ. Các hợp chất của HC chưa cháy góp phần vào sự hình thành các chất
quang hoá và ô zôn trong khí quyển, hai chất này vừa liên quan tới sức khoẻ cộng
đồng, vừa gây hại do tầm nhìn bị suy giảm. Các loại hydrocacbon thơm là nguyên
nhân gây các bệnh về gan, ung thư máu và rối loạn thần kinh khi hàm lượng vượt
quá giá trị cho phép.
 CO: là chất khí sinh ra trong buồng cháy ở những vùng thiếu ôxy. CO gây
ra cảm giác chuyếnh choáng, nó có tác động rất đáng sợ đối với sức khoẻ của con
người, đặc biệt đối với những người những người nhạy cảm như bệnh nhân tim
mạch, phụ nữ có thai, bệnh nhân hen xuyễn. Hít thở không khí có hàm lượng CO (
theo thể tích ) 0,3% có thể dẫn tới tử vong trong vòng 30 phút.

4


 NOx: được sinh ra trong buồng cháy trong quá trình cháy do phản ứng hóa
học giữa nguyên tử ôxi và nitơ của không khí. Các phản ứng tạo thành NOx phụ

thuộc nhiều vào nhiệt độ. Bởi vậy lượng NOx thải ra từ động cơ luôn tỷ lệ thuận với
tải của động cơ. Ở chế độ tải thấp, lượng NOx thải ra là tương đối thấp, trong khi ở
chế độ tải càng tăng thì lượng phát thải NOx càng lớn do nhiệt độ của quá trình cháy
cũng như nhiệt độ của động cơ tăng cao.
Trong họ NOx thì NO2 là độc hại nhất (gấp 5 lần NO), NO2 là chất khó hoà tan
nên nó có thể đi theo đường hô hấp đi sâu vào phổi, gây viêm phổi và làm huỷ hoại
các tế bào của phế nang. Khi vào được trong phổi, 80% NO2 bị giữ lại làm cho
người bệnh bị mất ngủ, ho, khó thở. Nồng độ NO2 trong không khí không được
phép vượt quá 0,005mg/lít (không khí), nếu nồng độ NO2 trong môi trường vượt
quá 100ppm thì người và động vật có thể bị tử vong sau vài phút tiếp xúc. Ngoài ra
NO dễ dàng bị biến đổi trong khí quyển thành NO2 ( theo phản ứng NO + 0,5 O2 →
NO2 ) vậy cần phải kiểm soát chặt chẽ NO. Bên cạnh đó NO2 trong môi trường còn
tác dụng với nước tạo thành axit, các axit trên hoà tan trong mưa, khi nồng độ đủ
lớn có thể tạo mưa axit làm huỷ hoại thảm thực vật và an mòn các công trình kim
loại.
 PM: bao gồm các nhân các bon (muội than), bám dính trên nó là các hợp
chất hữu cơ. Hầu hết phát thải hạt là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn
hyđrô cacbon nhiên liệu, một phần là do dầu bôi trơn. Thành phần của PM phụ
thuộc vào tình trạng của khí thải và hệ thống thu gom khí thải. Ở nhiệt độ trên
5000C, các hạt riêng biệt là một chuỗi những hạt cácbon hình cầu hoặc tương tự
hình cầu (kết hợp với một lượng nhỏ hyđro cacbon) với đường kính của các hạt
tương tự hình cầu khoảng 15 đến 30 nm. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 5000C, các
hạt này sẽ được phủ bởi các hợp chất hữu cơ đọng bám có trọng lượng khá lớn bao
gồm: hyđro cacbon, hyđro cacbon có chứa phân tử ôxy(ketones, este, ête, axít hữu
cơ) và hyđro cacbon thơm đa nhân. Các thành phần đọng bám còn có những thành
phần không phải hữu cơ như ôxít lưu huỳnh, ôxít nitơ và axít sunfuríc.

5

1.2. Các biện pháp giảm phát thải
Do những tác động không tốt đến môi trường và sức khỏe, rất nhiều biện pháp
đã dược nghiên cứu và sử dụng để hạn chế các thành phần độc hại trong khí xả
ĐCĐT. Sau đây là một số biện pháp tiêu biểu:
1.2.1.
-

Các biện pháp liên quan đến động cơ và nhiên liệu thay thế
Tối ưu hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, kết cấu buồng cháy, áp dụng điều

khiển điện tử:
Nhằm mục đích điều khiển lượng nhiên liệu chu trình, tăng cường khả năng
nạp, tăng cường khả năng hòa trộn nhiên liệu với không khí, đốt cháy triệt để nhiên
liệu…
Trong thời gian 1980-1990, việc áp dụng các biện pháp này giảm tới 90%PM,
75%NOx, giảm nhiều HC và CO.
-

Luân hồi khí thải:

Là biện pháp rất hữu hiệu để giảm phát thải NOx. Một phần khí xả được đưa
ngược trở về buồng cháy, do đó làm bẩn hỗn hợp cháy làm quá trình cháy diễn ra ở
nhiệt độ thấp hơn, phản ứng giữa ôxy và nitơ giảm, do đó có thể hạn chế lượng phát
thải NOx từ 50 đến 70%.

Hình 1.1: Sơ đồ luân hồi khí thải

-

Tối ưu quá trình cháy:

6


+ Tăng áp suất phun: nhiên liệu được phun dưới áp suất cao sẽ tơi hơn, do đó
tăng khả năng hòa trộn với không khí, quá trình cháy sẽ diễn ra đồng đều và triệt để
hơn.
+ Cháy với hỗn hợp nghèo: khi hỗn hợp có tỉ lệ nhiên liệu/không khí thấp sẽ
hạn chế các vùng thiếu ô xy, qua đó làm giảm CO và PM.
+ Tạo chuyển động xoáy dòng khí nạp vừa đủ: tăng khả năng hòa trộn nhiên
liệu, đưa không khí tới mọi vùng trong buồng cháy làm giảm thiểu việc thiếu ô xy
cục bộ: giảm phát thải HC, CO, PM
+ Phun nước kèm nhiên liệu: giảm thành phần NOx
+ Làm giàu ôxy trong nhiên liệu: giảm thiểu việc thiếu ô xy cục bộ, tăng khả
năng cháy kiệt, do đó giảm phát thải độc hại.
-

Giảm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, lượng chất vô cơ và phốtpho trong

dầu bôi trơn: Đây là biện pháp làm giảm thành phần SO2, SO3, các muội gốc vô
cơ… và giảm tác động xấu đến các bộ xử lí khí thải.
-

Sử dụng nhiên liệu thay thế: ngoài việc giảm phát thải các thành phần độc

hại thì đây cũng là sự lựa chọn có tiềm năng để đối phó với vấn đề cạn kiệt nhiên
liệu hóa thạch.
Do các biện pháp về kết cấu động cơ và nhiên liệu chỉ đạt được hiệu quả nhất
định trong giảm thiểu khí thải độc hại, mặt khác những biện pháp này lại gặp phải
sự đối lập giữa giảm phát thải và tính kinh tế, các thành phần độc hại trong khí thải

cũng không thể giảm được đồng thời. Ví dụ: khi luân hồi khí xả để giảm NOx thì
các thành phần PM, CO, HC lại tăng, khi tối ưu hóa quá trình cháy để giảm PM thì
NOx lại tăng do nhiệt độ cháy tăng. Vì vậy để giảm được đồng thời các thành phần
độc hại nhằm đảm bảo yêu cầu ngày càng khắt khe về tiêu chuẩn khí thải, người ta
phải sử dụng đến nhóm biện pháp thứ hai: xử lý khí thải
1.2.2.

Các biện pháp xử lí khí thải

1.2.2.1. Bộ xúc tác ô xy hóa (DOC)

7


a) Nguyên lý bộ xúc tác DOC
Bộ xử lý xúc tác ôxy hóa
dùng cho động cơ diesel
(Diesel Oxidation CatalystDOC) được sử dụng với mục
đích để giảm phát thải cácbon
ôxit (CO), hydrô cácbon (HC)
và PM trong khí thải. Khí thải
từ động cơ diesel được dẫn

Hình 1.2. Hiệu quả giảm phát thải độc hại trên động
cơ diesel của bộ xúc tác DOC

qua bộ xúc tác DOC. Dưới tác dụng của các chất xúc tác Platinum và Pladium làm
cho các phản ứng ôxy hóa diễn ra dễ dàng ngay cả ở nhiệt độ thấp (làm giảm nhiệt
độ phản ứng ôxy hóa của HC và CO từ 6000C xuống 2500C). Các phản ứng ôxy hóa
gồm:

Hydrô cácbon dạng khí và lỏng + O2 = CO2 + H2O
CO + 1/2O2 = CO2

(1.1)

Các hydrô cácbon trong khí thải động cơ có thể ở dạng hơi hoặc ngưng tụ ở
dạng lỏng. Trong cả hai trạng thái, các hydrô cácbon đều được ôxy hóa và chuyển
thành CO2 và nước. Trường hợp không có bộ DOC, thành phần hydrô cácbon lỏng
sẽ thải ra ngoài dưới dạng PM. Do đó, sử dụng bộ DOC không những làm giảm
đáng kể lượng CO, HC mà còn làm giảm lượng phát thải dạng hạt PM như thể hiện
trên Hình 1.2.
Qua đó có thể thấy hiệu quả giảm phát thải của động cơ khi sử dụng bộ xúc tác
DOC là rất cao, có thể giảm tới 90% hàm lượng CO, 80% hàm lượng HC và 20%
hàm lượng PM.
Tuy nhiên, bên cạnh đó, bộ DOC cũng thúc đẩy một số phản ứng ôxy hóa và
tạo thành các sản phẩm không mong muốn khác:
2SO2 + O2 = 2SO3

8


SO3 + H2O = H2SO4
NO + 1/2O2 = NO2

(1.2)

Sự hình thành H2SO4 trong bộ DOC làm giảm hiệu quả của các chất xúc tác,
khi thải ra ngoài môi trường sẽ ngưng tụ thành các hạt làm tăng lượng phát thải PM.
Mức độ tăng PM do hình thành các hạt H2SO4 có liên quan mật thiết đến hàm lượng
lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu. Việc NO chuyển thành NO2 khi qua bộ DOC

không làm thay đổi tổng lượng NOx trong khí thải nhưng làm tăng lượng NO2, đây
là chất khí độc hại hơn đối với sức khỏe con người và môi trường so với NO.
b) Cấu tạo bộ xúc tác DOC
Bộ xúc tác ôxy hóa DOC thường được lắp trên đường thải ở vị trí gần động cơ.
Nhiệt giải phóng từ quá trình ôxy hóa CO và HC sẽ làm tăng nhiệt độ khí thải sau
khi ra khỏi bộ xúc tác DOC được ứng dụng cho việc tái sinh thiết bị lọc các chất thải
dạng hạt PM. Thêm vào đó nhiệt này còn đuợc lợi dụng trong việc cải thiện quá
trình chuyển hóa NO thành NO2 trong khí thải điều này sẽ nâng cao hiệu suất của bộ
xúc tác NOx. Về cấu tạo bộ lọc có thể được chia thành ba phần chính như thể hiện
trên Hình 1.3.
-

Phần vỏ thường làm bằng thép hoặc thép không gỉ.

-

Lớp đệm làm bằng sợi vô cơ hoặc phoi thép để bù trừ giãn nở vì nhiệt.

-

Phần lõi của bộ DOC thường được làm bằng gốm hoặc kim loại với cấu

trúc dạng tổ ong trong đó khí thải đi qua các ống trong thân có đường kính khoảng
1mm.

Hình 1.3. Cấu tạo bộ xúc tác DOC

9

Trên bề mặt của lõi được tráng một lớp vật liệu trung gian là Al2O3 làm tăng
diện tích bề mặt tham gia phản ứng. Chất xúc tác ôxy hóa được tráng trên lớp trung
gian. Chất xúc tác ôxy hóa thường được dùng là các kim loại quý như Pt, Pd trong
các bộ DOC có nhiệm vụ chính là giảm CO và HC. Chất xúc tác Pt thường cho hiệu
suất chuyển đổi CO cao và nhiệt độ làm việc của bộ DOC thấp. Khi hàm lượng lưu
huỳnh trong nhiên liệu thấp, chất xúc tác có thể dùng đồng thời Pt và Pd. Đối với bộ
DOC với nhiệm vụ chính là giảm lượng PM thì chất xúc tác có thể là một số kim
loại có bản như Ce, Fe, V, Cu… Các chất xúc tác này có tác dụng thúc đẩy quá trình
bẻ gẫy và ôxy hóa một phần các hydrô cácbon mạch dài, thành phần có trong PM,
qua đó lượng PM giảm. Với bộ DOC loại này, để làm tăng hiệu suất chuyển đổi HC
và CO, một lượng nhỏ Pt cũng được thêm vào làm chất xúc tác. Một số bộ DOC còn
sử dụng thêm chất zeolite trên bề mặt lớp trung gian để làm tăng hiệu suất chuyển
đổi HC, nhất là khi nhiệt độ bộ DOC còn thấp như khi động cơ mới khởi động.
Zeolite hấp thu và giữ HC lại trên bề mặt lõi lọc khi nhiệt độ bộ DOC còn thấp dưới
khoảng 2500C. Khi nhiệt độ bộ DOC tăng lớn hơn 2500C, zeolite nhả thành phần
HC ra, khi này các chất xúc tác đã đến nhiệt độ làm việc và HC được ôxy hóa.
1.2.2.2. Bộ xử lý xúc tác khử NOx - SCR (Selective Catalyst Reduction)
a) Cấu tạo
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR được thể hiện trên hình 1.4 bao
gồm hai phần chính đó là: Vòi phun Urê và bộ xúc tác chính SCR.
Trong đó bộ xúc tác chính SCR được chế tạo bằng các vật liệu sau:
- Vanadium là chất xúc tác kim loại, thông thường kích thước của chúng
tương đối lớn, hiệu suất chuyển đổi thấp bởi hàm lượng của chúng trong bộ xúc tác
rất nhỏ. Hạn chế của vật liệu này là không thể hoạt động bởi nhiệt độ cao.
- Zeolite là hợp kim xúc tác được bảo vệ bởi một lớp là nền ceramic, hiệu suất
chuyển đổi tương đối cao cho một đơn vị thể tích. Thành phần của Zeolite gồm các

10

hợp kim của các kim loại: Cu và Fe chịu được nhiệt độ cao. Hợp kim Fe chiếm
thành phần lớn trong Zeolite vì chúng làm việc được ở nhiệt độ cao gần 6000C và
cho hiệu suất tương đối cao.
- Hợp kim của Cu rất có hiệu quả cho bộ xử lý khí thải khi hoạt động ở nhiệt
độ thấp 4500C. Bên cạnh đó bố trí hợp kim Fe đặt trước hợp kim Cu, hợp kim Cu
hoạt động có hiệu quả ở nhiệt độ thấp và hợp kim Fe hoạt động ở nhiệt độ cao.
Chính nhờ vậy bộ xử lý khí thải SCR làm việc trong một dải nhiệt độ rộng bởi vì có
sự kết hợp một loạt hệ thống các hợp kim. Hơn nữa sự kết hợp các hệ thống cho
phép làm giảm bớt khí thải ở nhiệt độ cao.

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR

b) Nguyên lý hoạt động
Quá trình xử lý NOx xảy ra trong hệ thống SCR bao gồm 1 chuỗi các phản ứng
hóa học gồm 3 giai đoạn chính:
- Phản ứng đầu tiên trong hệ thống xử lý khí thải SCR gọi là ‘Standard SCR’,
phản ứng này làm giảm NO. Phản ứng này được gọi là phản ứng chuẩn bởi vì NO là
đặc trưng cho phản ứng làm giảm khí thải của động cơ Diesel.
4NH3 +4NO +O2 = 4N2 +6H2O

(1.3)

- Phản ứng mong muốn nhất chính là phản ứng ‘Fast SCR’, phản ứng này xảy
nhanh hơn là phản ứng chuẩn. Phản ứng này xảy ra bên trong bộ xúc tác nơi có sự
cân bằng NO và NO2:
4NH3 +2NO +2NO2 = 4N2 +6H2O

11

(1.4)

- Phản ứng thứ ba là phản ứng chậm SCR, nó xảy ra khi tỉ lệ NO2/NO>1,
NO2/NO là hệ số của phản ứng hoá học, giá trị của nó phụ thuộc vào mỗi phương
trình phản ứng. Hệ số này ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất của bộ xử lý, với tỷ lệ
NO2/NO>1 thì phản ứng xảy ra tương đối chậm.
8NH3 +6NO2 = 7N2 +12H2O

(1.5)

Trong quá trình hoạt động của bộ xử lý khí thải SCR cũng có các vùng nhiệt
độ, mà các vùng nhiệt độ này là điều kiện xảy ra các phản ứng trên. Có ba vùng
chính là:
- Vùng một (200- 2500C): Đây là vùng nhiệt độ thấp mà tỉ số NO2/NO là yếu tố
chính của phản ứng. Phản ứng chính của vùng này là phản ứng thứ hai.
- Vùng hai (250- 3500C): Vùng này ra trên phản ứng thứ ba. Khi tỉ số NO2/NO
là lớn hơn 1, quyết định đến hiệu suất của bộ xử lý.
- Vùng ba (>3500C):Vùng này xảy ra theo phản ứng đầu tiên. NO2 phân ly
thành NO, do nhiệt độ cao nên quá trình làm giảm NOx là đáng kể vì vậy nó được
gọi là phản ứng chuẩn.
Quá trình cắt giảm các khí không màu như NOx phụ thuộc rất nhiều yếu tố, vì
chúng thường có áp suất và nhiệt độ rất cao. Để khắc phục điều này người ta phun
dung dịch Urê vào dòng khí thải trước khi cho qua bộ xúc tác. Urê có nhiều thuận
lợi cho quá trình sử dụng như là độc tính ít, sử dụng an toàn cho việc vận chuyển.
Nồng độ urê trong dung dịch là 32, 5%.
Trước khi phản ứng với NOx, Urê trải qua 3 phản ứng chính:
- Sự bay hơi: Nước bay hơi để giải phóng urê.
((NH2)2CO)lq ((NH2)2CO) s + (6.9H2O)g

(1.6)

Các chữ cái “lq”; ”s”, và “g” biểu thị theo thứ tự cho nước, chất rắn và chất
khí.
- Sự nhiệt phân: Sau sự bay hơi của khối urê là sự phân ly thành khí không

12


màu và axits isocyanic.
((NH2)2CO) s NH3 + HNCO

(1.7)

- Sự thuỷ phân: Sản phẩm này phân ly ra thành NH3 và CO2.
HNCO + H2O NH3 + CO2

(1.8)

c) Các vấn đề hạn chế trong việc phát triển hệ thống SCR
Hiệu suất chuyển đổi của bộ xử lý khí thải là vấn đề chính của bộ xử lý khí
thải. Hiệu suất đạt được từ 55 đến 90% phụ thuộc vào quá trình làm việc của động
cơ. Một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi của bộ xử lý
là nhiệt độ khí thải. Quá trình khởi động lạnh làm cho nhiệt độ động cơ tương đối
thấp dẫn đến nhiệt độ khí thải tương đối thấp, ở nhiệt độ tương đối thấp thì quá trình
chuyển hoá NOx là tương đối thấp. Nếu tiếp tục làm việc trong điều kiện nhiệt độ
thấp nó có thể phá vỡ các phân tử Urê được cung cấp.
Quá trình phun urê phụ thuộc vào tỷ lệ ANR (the ammonia ratio), với ANR = 1
tương đương với phản ứng hoàn toàn, theo đó hiệu suất chuyển đổi NOx là 100%.
Nếu làm việc tốt chỉ thì chỉ số này sẽ nằm trong dải 0,85÷1. Một thiết bị cần thiết
trong hệ thống xử lý khí thải SCR là hệ thống phun urê, mục tiêu chính là làm nhỏ

các phân tử urê ở dạng giọt nhỏ và phân phối đều trong các dòng khí thải.Việc phun
urê là cần phải thực hiện sao cho profin mặt cắt ngang là đồng nhất. Các thiết bị hoà
trộn đặt giữa DPF và SCR giúp tăng tốc quá trình bay hơi và thuỷ phân Urê.
Hiệu suất của bộ SCR cũng bị ảnh hưởng bởi tốc độ không gian (SV) vì nó bị
ảnh hưởng bởi thời gian tiếp xúc giữa amoniac hấp thụ và lượng đi qua bộ xúc tác
SCR.
1.2.2.3. Bộ xúc tác hấp thụ NOx dùng cho hỗn hợp nghèo LNT (Lean NOx Traps)
Hệ thống LNT là hệ thống làm giảm khí thải NOx với hiệu suất cao, lớn hơn
90%. Bằng cách phun nhiên liệu vào hệ thống LNT để giải phóng một số muối
nitơrát nhằm làm giảm NOx, cũng như cách dùng các kim loại quý để hấp thụ các

13


khí thải từ động cơ.
a) Cấu tạo
Hình 1.5 trình bày sơ đồ cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của hệ thống
LNT. Hệ thống LNT gồm 2 buồng xúc tác:
-

Buồng thứ nhất: gồm một van khí thải và một đường ống rỗng (bypass leg)

bên trong.
-

Buồng thứ hai gọi là buồng xử lý, buồng này lại chia thành các buồng nhỏ

hơn gồm: Buồng chứa chất oxy hoá, buồng chuyển hoá, buồng chứa bộ xúc tác
LNT. Dung tích trong các buồng là: 7 lít với buồng chứa chất oxy hoá, 7 lít với
buồng chứa chất lọc, và 14 lít với buồng xử lý LNT. Các kim loại quý dùng để làm

các chất xúc tác có thành phần cho các bình như sau: 50g Pt/305mm3 với buồng
chứa chất oxy hoá, 60g Pt/Rh /305mm3 với buồng có chứa chất chuyển hoá, 50g
Pt/305mm3 với buồng có chứa chất xúc tác LNT. Các kim loại quý này được phủ
lên trên bề mặt của kim loại kiềm và kiểm thổ, các kim loại kiềm và kiểm thổ dùng
chủ yếu là Kali (K) và Bari (Ba).

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống LNT
b) Nguyên lý hoạt động
Bộ xử lý LNT hoạt động theo một chu trình. Ban đầu khí thải từ động cơ được
đưa vào hệ thống LNT, lúc này van khí thải trên ống rỗng đóng lại, toàn bộ khí thải
đi vào buồng xử lý. Buồng xử lý thực hiện quá trình cắt giảm khí NOx bằng ô xy

14


hoá chúng và dùng các ôxít kim loại kiềm thổ như BaO để hấp thụ chúng trong điều
kiện nghèo.
Phương trình phản ứng trong điều kiện nghèo:
NO + 1/2O2 = NO2

(1.9)
BaO + NO2 + 1/2O2 = Ba(NO3)2
Hai phương trình trên là quá
trình ôxy hoá NOx. Hình 1.6 trình bày
quá trình hấp thụ NOx trong hỗn hợp
nghèo.
Do lượng NOx được hấp thụ

Hình 1.6. Quá trình hấp thụ NOx trong hỗn
hợp nghèo

ngày càng nhiều hơn dẫn đến bộ xử
bắt đầu hỏng do vậy cần thiết phải
thực hiện quá trình tái tạo lại hệ
thống. Quá trình tái tạo lại hệ thống
được thực bằng cách đóng van khí
thải trước buồng xử lý và mở van khí
thải trên ống rỗng để cho khí thải từ

Hình 1.7. Các phản ứng trong các buồng xử lý

động cơ đi ra. Trong quá trình tái tạo
toàn bộ lượng khí thải từ động cơ đi

ra ngoài không được xử lý. Quá trình tái tạo lại hệ thống được thực hiện bằng cách
phun nhiêu liệu vào trước buồng ôxy hoá, quá trình được thực hiện như Hình 1.7.
Nhiên liệu được phun vào là khí Mêtan (CH4). Lúc này buồng chứa chất ôxy
hoá sẽ thực hiện quá trình ôxy hoá CH4 để cho ra các sản phẩm như: CO, CO2, H2O,
và H2. Phương trình ôxy hoá CH4 như sau:
2CH4 + 2O2 = CO + 3H2 + CO2 + H2O

(1.10)

Các khí này tiếp tục đi vào buồng chuyển hoá để thực hiện tiếp quá trình
chuyển hoá khí CH4 thành khí CO2 và H2.

15


CH4 + H2O = CO2 + H2

(1.11)

Các khí này lại tiếp tục đi vào buồng xử lý LNT để thực hiện quá trình tái tạo
lại buồng xử lý LNT. Trong điều kiện giàu nhiên liệu quá trình giải phóng N2 xảy ra
theo các phản ứng sau.
Ba(NO3)2 = BaO + NO2 + 3/2O2

(1.12)

Ba(NO3)2 = BaO + NO + 1/2O2
NO + CO = 1/2N2 + CO2
Như vậy một chu trình hấp thụ
NOx và giải phóng N2 đã kết thúc.
Van khí thải trước buồng xử lý lại
mở ra và van khí thải trên ống rỗng
lại đóng lại quá trình hấp thụ NOx lại
bắt đầu.
Một hệ thống LNT thường có
thời gian hoạt động cho một chu

Hình 1.8. Chu trình hấp thụ và tái tạo của hệ
thống LNT

trình xử lý như sau: Thời gian cho quá trình hấp thụ là 60s, thời gian cho quá trình
tái tạo là 17s, và thời gian cho quá trình phun nhiên liệu là 10s. Từ đồ thị hình 1.8
cho thấy thời gian hấp thụ NOx của hệ thống LNT là tương đối lớn, dẫn đến lượng
NOx hấp thụ là tương đối lớn. Khi hệ thống LNT thực hiện quá trình tái tạo thì thời
gian thực hiện quá trình tái tạo là rất ngắn dẫn đến lượng khí NOx thải ra ngoài môi
trường là tương đối thấp. Qua đó ta thấy hiệu suất của bộ xử lý LNT là rất lớn. Hiệu

suất xử lý là lớn hơn 90%.
Mặc dù hệ thống LNT đạt hiệu suất hơn 90% cho việc làm giảm khí thải NOx.
Nhưng với một hệ thống xử lý LNT chỉ có một buồng xử lý thì hiệu suất cho quá
trình xử lý là không cao. Vì vậy, cần thêm vào hệ thống LNT một đường ống
“Bypass leg’’ sẽ cho kết quả tốt hơn. Với một hệ thống xử lý có hai buồng xúc tác
sẽ làm giảm NOx một cách liên tục.

16