Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun Urea cho bộ xử lý xúc tác SCR lắp trên động cơ Diesel

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun Urea cho bộ xử lý xúc tác SCR lắp trên động cơ Diesel" nghiên cứu công nghệ giảm phát thải NOx cho động cơ diesel bằng phương pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea. Áp dụng giải pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea để cắt giảm phát thải NOx cho động cơ diesel đạt tiêu chuẩn khí thải Việt Nam hiện hành.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun Urea cho bộ xử lý xúc tác SCR lắp trên động cơ Diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO hä vµ tªn t¸c gi¶ luËn v¨n TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Nguyễn Tùng Lâm NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN UREA CHO ngµnh BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC SCR LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC kho¸ Hà Nội – 2015 -i-
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Nguyễn Tùng Lâm NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN UREA CHO BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC SCR LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Trần Quang Vinh Hà Nội – 2015 - ii -
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai khác công bố. Hà Nội, tháng 11 năm 2015 Học viên cao học Nguyễn Tùng Lâm - iii -
LỜI CẢM ƠN Trên hết, cho phép tôi đƣợc gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy TS Trần Quang Vinh đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ để tôi vƣợt qua những khó khăn, trở ngại để bƣớc vào thế giới khoa học của xử lý khí thải, với bƣớc đầu là việc hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Bộ môn Động cơ đốt trong, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện hỗ trợ giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập cao học và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Ngoài ra, luận văn này đƣợc hoàn thành nhờ sự cổ vũ, khuyến khích và tạo điều kiện thuận lợi của đồng nghiệp trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Trƣờng Đại học Giao thông vận tải nơi tác giả công tác. Tác giả xin đƣợc gửi tới các đồng nghiệp lời cảm ơn chân thành. Cuối cùng, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới những ngƣời thân yêu trong gia đình, nhờ đó mà tôi có thể tập trung thời gian để hoàn thành chƣơng trình học tập tại trƣờng. - iv -
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ iii LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. iv MỤC LỤC ......................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................................... x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................. xii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 I. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài................................................... 1 i. Mục đích nghiên cứu 1 ii. Đối tƣợng 1 iii. Phạm vi nghiên cứu 1 II. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................ 1 III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................................... 1 IV. Các nội dung chính trong đề tài .................................................................................... 2 CHƢƠNG 1. KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ ......... 3 1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel và cơ chế hình thành ............................................ 3 1.1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel 3 1.1.2 Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel 5 1.1.2.1 Cơ chế hình thành NOx trên động cơ diesel 5 1.1.2.2 Cơ chế hình thành PM 7 1.1.2.3 Cơ chế hình thành CO 9 1.1.2.4 Cơ chế hình thành HC 10 1.1.2.5 Hợp chất chứa lƣu huỳnh 10 1.1.3 Yêu cầu về giảm phát thải độc hại 10 1.2 Các biện pháp xử lý khí thải diesel ............................................................................. 11 1.2.1 Các biện pháp kết cấu 11 1.2.2 Các biện pháp xử lý sau cửa thải 14 1.2.2.1 Bộ xúc tác ô-xy hóa (DOC) xử lý CO và HC 14 1.2.2.2 Bộ lọc hạt PM kiểu kín (DPF) 15 1.2.2.3 Xử lý thành phần NOx từ khí thải diesel 17 1.3 Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................................... 21 Chƣơng 2. BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC (SCR) .............................................. 22 2.1 Nhiệm vụ và phân loại ................................................................................................ 22 2.1.1 Nhiệm vụ 22 2.1.2 Phân loại 22 2.1.2.1 Phân loại theo chất khử 22 2.1.2.2. Phân loại theo hệ xúc tác 38 2.1.2.3. Phân loại theo hệ thống điều khiển 49 -v-
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ................................................................................. 52 2.2.1 Cấu tạo chung bộ SCR 52 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 53 2.3 Các chi tiết chính của bộ xử lý xúc tác SCR .............................................................. 54 2.3.1 Bộ xúc tác khử NOx 54 2.3.2 Thiết bị chứa urea 55 2.3.3 Bơm cấp urea 55 2.3.4 BĐK điều khiển lƣợng urea phun vào đƣờng thải 56 2.3.5 Vòi phun urea 57 2.4 Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................................... 58 CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG BỘ XỬ LÝ XÚC TÁC CHỌN LỌC.............................. 59 3.1 Cơ sở tính toán mô phỏng ........................................................................................... 59 3.1.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán mô phỏng SCR 59 3.1.1.1 Phƣơng trình liên tục của pha khí 59 3.1.1.2 Phƣơng trình bảo toàn động năng đƣợc cho bởi phƣơng trình Steady State Darcy 59 3.1.1.3 Phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng 60 3.1.1.4 Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng chất rắn 62 3.1.2 Cơ chế phản ứng SCR 62 3.2 Mô phỏng bộ xử lý xúc tác bằng phần mềm AVL-BOOST ....................................... 63 3.2.1 Mô hình xử lý xúc tác chọn lọc trên AVL-BOOST 63 3.2.2 Mô phỏng trên phần mềm AVL-BOOST 64 3.2.2.1 Mục đích của mô phỏng 64 3.2.2.2 Mô phỏng và đánh giá các nhân tố ảnh hƣởng đến hiệu suất khử NOx 64 3.3 Kết luận chƣơng 3 ....................................................................................................... 67 CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN UREA-SCR ........ 68 4.1 Cơ sở tính toán thiết kế hệ thống ............................................................................... 68 4.1.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất bộ xử lý SCR 68 4.1.2 Yêu cầu thiết kế hệ thống 70 4.1.2.1 Quy trình thiết kế hệ thống SCR 70 4.1.2.2 Yêu cầu thiết kế hệ thống urea-SCR 70 4.1.3 Xây dựng các chế độ hoạt động của hệ thống SCR 71 4.1.3.1 Chƣa hoạt động 71 4.1.3.2 Hoạt động ở chế độ chuyển tiếp 72 4.1.3.3 Chế độ làm việc ổn định 72 4.1.3.4 Chế độ dự phòng 72 4.1.4 Các phƣơng án thiết kế 72 4.1.4.1 Phƣơng án về cơ cấu chấp hành – vòi phun 72 4.1.4.2 Phƣơng án về các cảm biến 73 - vi -
4.1.4.3 Phƣơng án về bộ điều khiển 73 4.2 Tính toán hệ thống phun urea-SCR ............................................................................. 73 4.2.1 Tính toán lƣợng urea cần cung cấp 73 4.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển phun urea-SCR 75 4.2.2.1 Tín hiệu điều khiển vòi phun urea 75 4.2.2.2 Điều khiển lƣợng phun 76 4.3 Chế tạo và thử nghiệm sơ bộ hệ thống phun urea-SCR .............................................. 78 4.3.1 Tín hiệu từ các cảm biến 78 4.3.1.1 Sơ đồ khối chức năng 78 4.3.1.2 Cảm biến nhiệt T 79 4.3.1.3 Cảm biến nồng độ NOx 79 4.3.1.4 Cảm biến nồng độ NH3 81 4.3.2 Thuật toán điều khiển phun urea 82 4.3.3 Thiết bị thử nghiệm điều khiển phun urea 83 4.3.4 Kết quả thử nghiệm 85 4.4 Kết luận chƣơng 4 ....................................................................................................... 88 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI......... 90 I. Kết luận chung ............................................................................................................... 90 II. Phƣơng hƣớng phát triển .............................................................................................. 90 Các công trình đã công bố ............................................................................................. 92 Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 93 - vii -
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thứ Ký hiệu Diễn giải nguyên ĐCĐT Động cơ đốt trong - ML Mã lực - BĐK Bộ điều khiển - CB Cảm biến - Pulse Width Modulation (Điều khiển lƣợng phun dựa trên PWM - thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông) N2 Khí ni-tơ - O2 Khí ô-xy - CO Các-bon mô-nô-xít - CO2 Các-bon đi-ô-xít - HC Hy-đrô các-bon - PM Particulate Matter (Phát thải dạng hạt) - NOx Các ô-xít ni-tơ - NO Ni-tơ ô-xít - NO2 Ni-tơ đi-ô-xít - N2O Đi-ni-tơ ô-xít - SO x Các lƣu huỳnh ô-xít - NH3 Am-mô-ni-ắc - C 3 H6 Prô-pen - H 298 En-tan-pi ở 298 oC - R Hệ số phản ứng - V2 O5 Vanadium (Va-na-đi, Va-na-đi ô-xít) - Cu-Zeolite Xúc tác Zeolite sử dụng cation là Cu - Fe-Zeolite Xúc tác Zeolite sử dụng cation là Fe - Pt Platinum (Bạch kim) - Rh Rhodium - Pd Palladium - Ag Bạc - 2 3 SiO 2 Silicon dioxide, Silica (Si-líc đi-ô-xít, si-li-ca) - TiO2 Titanium dioxide titania (ti-tan đi-ô-xít) - WO3 Vonfram trioxide (vôn-phờ-ram tri-ô-xít) - H2 SO4 Sulfuric acid (a-xít sun-phu-ríc) - HCNO Fulminic acid (a-xít phu-mi-níc) - Ba(NO3 )2 Barium nitrate (Muối Ba-ri ni-tơ-rát) - BaO Barium oxide (Ba-ri Ô-xít) - NH4(HSO 4) Ammonium hydrogen sulfate (Muối a-môn hy-đrô sun-phát) - - viii -
(NH4 )2SO 4 Ammonium sulfate (Muối a-môn sun-phát) - MOR Zeolite Mordenit - Cu-MOR Zeolite Mordenit sử dụng cation là Cu - Fe-MOR Zeolite Mordenit sử dụng cation là Fe - Re Số Reynolds - rNH3 / NO x Tỷ lệ mol của NH3 so với NO x - rNO2 / NO x Tỷ lệ mol của thành phần NO 2 trong hỗn hợp NOx - rNH3 / SO3 Tỷ lệ mol của NH3 so với SO 3 - DOC Diesel Oxidation Catalyst (bộ xúc tác ô-xy hóa) - EGR Exhaust Gas Recirculation (hệ thống luân hồi khí thải) - DPF Diesel Particulate Filter (bộ lọc hạt PM kiểu kín) - SCR Selective Catalytic Reduction (bộ xử lý xúc tác chọn lọc) - Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử trực tiếp am-mô- NH3-SCR - ni-ắc Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử gián tiếp am-mô- Urea-SCR - ni-ắc thông qua urea HC-SCR Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử hy-đrô các-bon - EtOH-SCR Bộ xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng chất khử ê-ta-non - LNT Lean NOx Trap (Bộ hấp phụ NOx bằng bẫy hỗn hợp nghèo) -  Hệ số dƣ lƣợng không khí - SV Space velocity (vận tốc không gian) s 1- GHSV Gas hourly space velocity (vận tốc không gian tính theo giờ) h-1 Qx Lƣu lƣợng khí xả l/ph AVL-BOOST Phần mềm mô phỏng của hãng AVL (Áo) - ESC Chu trình gồm 13 chế độ có trạng thái ổn định - Chu trình thử gồm 1800 chế độ chuyển tiếp diễn ra rất nhanh ETC - theo từng giây một ATB (Điều kiện biên) - CAT (Lò phản ứng xúc tác) - PTN Phòng thí nghiệm - LCD Liquid-crystal display (Màn hình hiển thị) - OBD On-Board Diagnostic (Hệ thống tự chẩn đoán) - TWC Three-way catalytic (Bộ xúc tác 3 đƣờng) - - ix -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1]. ................................ 4 Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dƣ lƣợng không khí λ [1]....................................... 4 Hình 1.3 Quá trình hình thành PM [6]. ............................................................................... 9 Hình 1.4 Giới hạn NO x, PM đối với động cơ diesel xe tải [5]. ......................................... 11 Hình 1.5 Sơ đồ luân hồi khí thải [34]. ............................................................................... 13 Hình 1.6 Kết cấu chung bộ lọc DPF của hãng Johnson Matthey [20]. ............................. 16 Hình 1.7 Nguyên lý và kết cấu bộ lọc kín chất thải dạng hạt DPF [20]. .......................... 16 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống LNT [20]. .................................................................................. 17 Hình 1.9 Quá trình hấp phụ NO x trong hỗn hợp nghèo [20]. ........................................... 18 Hình 1.10 Các phản ứng trong các buồng xử lý [20]. ....................................................... 19 Hình 1.11 Quá trình giải phóng N 2 trong hỗn hợp giàu nhiên liệu [20]. .......................... 20 Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SCR. ............................................... 21 Hình 2.1 Ô-xy hóa NH3 theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Zeolite [35]. ................................. 26 Hình 2.2 Sơ đồ quá trình khử NOx bằng NH3. .................................................................. 27 Hình 2.3 Hiệu suất khử theo nhiệt độ ở các mức lƣu lƣợng khí xả khác nhau [3]. .......... 28 Hình 2.4 Hiệu suất chuyển đổi NO x phụ thuộc tỷ lệ mol rNO / NO ở 200 oC [30]. ............. 29 2 x Hình 2.5 Hiệu suất chuyển đổi NOx và tạo thành N2O theo nhiệt độ với thành phần NO2 khác nhau trên hệ xúc tác Zeolite [39]. ..................................................................... 30 Hình 2.6 Nồng độ các muối a-môn theo thành phần SO 3 [32]. ........................................ 31 Hình 2.7 Hiệu quả chuyển đổi theo tỷ lệ mol rNH / NO ở các nhiệt độ khác nhau trên 3 x hệ xúc tác Zeolite. ............................................................................................................. 32 Hình 2.8 Cơ chế khử NOx bằng ê-ta-non [36]. ................................................................. 34 Hình 2.9 Hiệu suất khử NO x theo nhiệt độ trên hệ xúc tác Ag/Al2O3 [19]....................... 35 Hình 2.10 Ảnh hƣởng của SO2 và H2O đến hiệu suất khử NOx với Ê-ta-non trên hệ xúc tác Ag/Al 2 O3 [19]. ...................................................................................................... 35 Hình 2.11 Sơ đồ cơ chế khử NOx bằng hy-đrô các-bon ................................................... 36 Hình 2.12 Hiệu suất khử NOx với các hy-đrô các-bon [13].............................................. 37 Hình 2.13 Cơ chế khử NO bằng NH 3 trên hệ xúc tác V 2O5 [4]. ....................................... 39 Hình 2.14 Sơ đồ lắp đặt SCR trên đƣờng thải. ................................................................. 40 Hình 2.15 Ảnh hƣởng của thành phần NO2 đến hiệu quả khử NOx [17]. ......................... 40 Hình 2.16 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu chứa 350 ppm lƣu huỳnh ở nhiệt độ thấp [18]. ................................................................. 41 Hình 2.17 Suy giảm hiệu suất khử theo thời gian khi thử bền động cơ với nhiên liệu chứa 1620 ppm lƣu huỳnh ở nhiệt độ thấp [18]. ............................................................... 43 -x-
Hình 2.18 Hiệu quả khử NOx theo nhiệt độ của 2 hệ xúc tác Zeolite (Cu-Zeolite và Fe-Zeolite) [38]. ................................................................................................................ 43 Hình 2.19 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) và giàu (không có O2) với xúc tác Cu-Zeolite [38]......................................................................................... 44 Hình 2.20 Hấp phụ NH3 với điều kiện hỗn hợp nghèo (10% O2) và giàu (không có O2) với xúc tác Fe-Zeolite [38]. ........................................................................................ 44 Hình 2.21 Xúc tác Al 2O3 hoặc SiO 2 với 1% Rh, Pd hoặc Pt [30]. .................................... 46 Hình 2.22 Cơ chế khử NO x trên xúc tác Pt với chất khử là prô-pen [40]. ........................ 46 Hình 2.23 Tạo N 2 và N2O từ NO trên xúc tác Pt [40]....................................................... 47 Hình 2.24 a Hấp phụ NO trên nền Al2O3 [40]. ................................................................. 48 Hình 2.24 b Hấp phụ NO2 trên nền Al2 O3 [40]. ................................................................ 48 Hình 2.25 Sơ đồ khối điều khiển vòng hở SCR [31]. ....................................................... 49 Hình 2.26 Sơ đồ tổng quát với hệ điều khiển kín. ............................................................ 50 Hình 2.27 Sơ đồ điều khiển vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến NO x [31]. ................................................................................................................................... 51 Hình 2.28 Sơ đồ điều khiển vòng kín với tín hiệu phản hồi từ cảm biến NH 3 [31]. ........ 52 Hình 2.29 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của bộ SCR. ....................................................... 53 Hình 2.30 Bộ xúc tác khử NOx. ........................................................................................ 55 Hình 2.31 Cấu trúc monolith............................................................................................. 55 Hình 2.32 Bình chứa urea. ................................................................................................ 55 Hình 2.33 Kết cấu và hoạt động của bơm urea loại con lăn. ............................................ 56 Hình 2.34 Kết cấu vòi phun urea. ..................................................................................... 57 Hình 3.1 Mô hình lò phản ứng (CAT1) với các điều kiện biên (ATB1, ATB2). ............. 63 Hình 3.2 Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng khí xả đến hiệu suất khử NOx .................................. 65 Hình 3.3 Ảnh hƣởng của NO 2 đến hiệu suất khử NOx. .................................................... 66 Hình 3.4 Ảnh hƣởng của NH 3 đến hiệu suất khử NOx. .................................................... 67 Hình 4.1 Sự giảm hoạt tính của xúc tác. ........................................................................... 69 Hình 4.2 Quy trình thiết kế hệ thống SCR. ....................................................................... 70 Hình 4.3 Xung tín hiệu điều khiển kiểu PWM. ................................................................ 76 Hình 4.4 Xung tín hiệu điều khiển và độ nâng kim phun vòi phun. ................................. 76 Hình 4.5 Xung phun của các chu kỳ khác nhau cho bộ điều khiển xung PWM............... 77 Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán lựa chọn chu kỳ T của PWM. ................................................. 78 Hình 4.7 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống. .................................................................. 78 Hình 4.8 Hình dáng và đặc tính của cảm biến nhiệt. ........................................................ 79 Hình 4.9 Hình dáng và đặc tính của cảm biến NOx [29]. ................................................. 80 Hình 4.10 Ảnh hƣởng của NH 3 đến cảm biến NOx [29]. .................................................. 80 Hình 4.11 Hình dáng và đặc tính của cảm biến NH 3 [37]. ................................................ 82 Hình 4.12 Sơ đồ thuật toán điều khiển phun urea. ............................................................ 82 Hình 4.13 Sơ đồ khối thiết bị điều khiển và thử nghiệm phun urea. ................................ 84 Hình 4.14 Sơ đồ mạch điều khiển. .................................................................................... 84 - xi -
Hình 4.15 Hình ảnh bộ điều khiển phun urea. .................................................................. 85 Hình 4.16 Lƣợng phun urea phụ thuộc vào lƣợng NO x có trong khí thải. ....................... 86 Hình 4.17 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào lƣợng NOx có trong khí thải...................... 87 Hình 4.18 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc vào giới hạn NH3 dƣ. ....................................... 87 Hình 4.19 Hiệu suất khử NOx phụ thuộc hiệu suất các phản ứng khử. ............................ 88 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ ................................................................................ 63 Bảng 3.2 Thông số cấu trúc của bộ xúc tác [8] ................................................................. 64 Bảng 4.1 Chu kỳ và các dải lƣợng phun urea ................................................................... 77 Bảng 4.2 Các thông số của cảm biến NH 3 [37]. ............................................................... 81 - xii -
MỞ ĐẦU I. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài i. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu công nghệ giảm phát thải NO x cho động cơ diesel bằng phƣơng pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea. Áp dụng giải pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea để cắt giảm phát thải NO x cho động cơ diesel đạt tiêu chuẩn khí thải Việt Nam hiện hành. ii. Đối tượng Động cơ D243 đƣợc lựa chọn làm đối tƣợng nghiên cứu. Đây là động cơ diesel không tăng áp, sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống. Các giải pháp giảm phát thải đƣợc áp dụng trong nghiên cứu này tập trung vào giảm phát thải NOx bằng phƣơng pháp xử lý xúc tác chọn lọc sử dụng urea. iii. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình khử NO x bằng NH3 , xác định các quan hệ tỷ lệ giữa urea cung cấp với NO x trong khí thải. - Tính toán thiết kế và thử nghiệm bộ điều khiển phun urea cung cấp cho hệ thống xử lý xúc tác chọn lọc. II. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết. Nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải cho động cơ diesel hiện đang đƣợc áp dụng ở các nƣớc tiên tiến trên thế giới. Qua đó phân tích, đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi để giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel lắp trên xe tải hạng nhẹ đang lƣu hành. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phun urea cho bộ xử lý xúc tác chọn lọc SCR sử dụng urea làm chất khử. III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn -1-
Kết quả nghiên cứu đƣa ra phƣơng pháp giải quyết vấn đề về ô nhiễm môi trƣờng không khí do phƣơng tiện giao thông sử dụng động cơ diesel gây ra. Giải pháp và hệ thống cắt giảm phát thải NOx cho động cơ diesel sau khi hoàn thiện, thử nghiệm đánh giá độ bền và thử nghiệm trên phƣơng tiện có thể đƣa vào sử dụng trong phạm vi lớn trên thực tế, góp phần cải thiện chất lƣợng phát thải của loại động cơ này và cải thiện chất lƣợng môi trƣờng không khí nói chung. IV. Các nội dung chính trong đề tài Thuyết minh của đề tài đƣợc trình bày gồm các phần nhƣ sau:  Mở đầu  Chƣơng 1. Khí thải động cơ diesel và các biện pháp xử lý  Chƣơng 2. Bộ xử lý xúc tác chọn lọc (SCR)  Chƣơng 3. Mô phỏng bộ xử lý xúc tác chọn lọc  Chƣơng 4. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun urea-SCR  Kết luận chung và phƣơng hƣớng phát triển -2-
CHƢƠNG 1. KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ 1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel và cơ chế hình thành 1.1.1 Thành phần khí thải động cơ diesel Quá trình cháy của động cơ diesel thực chất là các phản ứng cháy của nhiên liệu với không khí. Trƣớc đây ngƣời ta cho rằng phản ứng này xảy ra hoàn toàn, với sản phẩm sinh ra gồm: CO2, H2O và N 2 có trong không khí. Cùng với tỷ lệ tƣơng ứng của O2 trong không khí thì có thể còn O2 lẫn trong sản phẩm cháy. Trong thực tế quá trình cháy của động cơ là không hoàn toàn. Có hai lý do để giải thích việc đó: Thứ nhất là các phản ứng hoá học không bao giờ diễn ra theo một chiều mà luôn có phản ứng thuận nghịch giữa chất phản ứng và sản phẩm sinh ra. Do đó phản ứng không thể xảy ra hoàn toàn vì các chất tham gia phản ứng vẫn còn dƣ. Thứ hai là các khu vực cháy với điều kiện hoà trộn, nhiệt độ và tốc độ xoáy lốc của không khí, dòng nhiên liệu phun vào không gian buồng cháy khác nhau cũng là một vấn đề. Điều đó làm cho ngọn lửa bị tắt không đốt cháy đƣợc hết lƣợng nhiên liệu, các điều kiện phản ứng khác nhau sẽ sinh ra sản phẩm cháy mới nhƣ là bụi, phát thải NO x… Do vậy khối lƣợng, số lƣợng phát thải của động cơ tăng lên so với trƣờng hợp cháy hoàn toàn. Các thành phần của khí thải bao gồm: CO 2, H2O, N2, O2, CO, HC cháy không hết, NO x, bụi, khói và tuỳ thuộc vào chất lƣợng của nhiên liệu mà sản phẩm cháy có thể có SOx. Trong các thành phần khí thải thì NO x, bụi khói, CO và HC cháy không hết đƣợc gọi là phát thải độc hại của động cơ đốt trong. Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ đƣợc thể hiện trong Hình 1.1. Tuy khối lƣợng phát thải chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ (khoảng 0,2% trong tổng khối lƣợng khí thải) nhƣng nó rất đƣợc quan tâm do gây ô nhiễm không khí. Một điều dễ nhận thấy là lƣợng phát thải này cũng không gây ảnh hƣởng nhiều tới hiệu suất nhiệt của động cơ, tuy nhiên hiện nay ngƣời ta đang nỗ lực để xử lý, giảm thiểu phát thải của động cơ, vì những nguy hiểm của nó đối với môi trƣờng tự nhiên và -3-
sức khoẻ của con ngƣời. Thậm chí một phần triệu của phát thải mà giảm đƣợc cũng rất quan trọng. Hình 1.1 Tỷ lệ của các thành phần khí thải trong động cơ diesel [1]. Hình 1.2 Đặc tính phát thải theo hệ số dư lượng không khí λ [1]. Nhƣ ta đã biết khối lƣợng của phát thải phụ thuộc vào hiệu suất và các thông số của động cơ. Ví dụ: thời điểm phun của động cơ diesel tác động tới tính kinh tế của nhiên liệu và khối lƣợng khí thải phát ra. Tuy nhiên, ảnh hƣởng của thông số động cơ không ảnh hƣởng nhiều lắm tới tổng nhiệt của quá trình cháy nhƣng thời điểm phun và tốc độ phun có liên quan tới nhiệt nhả ra của chu trình làm việc động cơ. -4-
Nồng độ các phát thải độc hại chính đƣợc cho trên Hình 1.2, thể hiện mối quan hệ của nồng độ HC, CO, NO x, PM theo hệ số dƣ lƣợng không khí λ. 1.1.2 Cơ chế hình thành các chất trong khí thải diesel 1.1.2.1 Cơ chế hình thành NOx trên động cơ diesel Việc tìm hiểu cơ chế hình thành NO x trong động cơ diesel và kiểm soát thành phần khí thải này gặp nhiều khó khăn do quá trình cháy của động cơ diesel xảy ra nhanh và hỗn hợp cháy là không đồng nhất. NO và NO 2 là hai thành phần chính của NOx, trong đó NO là khí không mùi, không màu còn NO2 có màu nâu đỏ, mùi gắt. Cả hai loại khí đều rất độc nhƣng NO2 độc gấp 5 lần so với NO, phần lớn NO2 hình thành từ việc ô-xy hoá NO. NO đƣợc hình thành trong quá trình cháy rớt trong xy-lanh tại vùng nhiệt độ cao, cơ chế hình thành NO đƣợc chấp nhận rộng rãi là cơ chế đƣợc đƣa ra bởi Zeldovich [33]. Thành phần chính để hình thành NO là khí N 2 trong không khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây chuyền ô-xy hoá khí ni-tơ đƣợc tạo bởi các nguyên tử ô- xy, hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy. Phản ứng chủ đạo để hình thành NO từ phân tử N 2 là: O2 ƒ 2O (i) N 2  O ƒ NO N (1-1) (ii) N  O2 ƒ NO O (iii) N  OH ƒ NO H Các phƣơng trình cân bằng hoá học này chỉ ra rằng khí cháy tại nhiệt độ cháy bình thƣờng thì tỷ lệ NO2/NO là rất nhỏ. Trong khi đó các thí nghiệm trên động cơ xăng hay diesel chỉ ra rằng NO 2 có thể chiếm từ 10% đến 30% trong thành -5-
phần NOx. Điều đó đƣợc giải thích là do NO đƣợc hình thành trong vùng ngọn lửa có thể nhanh chóng trở thành NO2 qua phản ứng: NO  HO2  NO2  OH (1-2) Tiếp đó NO 2 lại phản ứng và trở thành NO qua phản ứng: NO2  O  NO  O2 (1-3) Nếu không sự hình thành NO2 trong vùng ngọn lửa nóng sẽ bị dập tắt khi tiếp xúc với vùng lạnh. Do đó tỷ lệ NO2 /NO sẽ cao nhất tại chế độ tải cao của động cơ diesel, khi mà những vùng lạnh có thể dập tắt sự hình thành trở lại NO. Nồng độ cục bộ của những nguyên tử ô-xy phụ thuộc vào nồng độ phân tử ô-xy cũng nhƣ nhiệt độ cục bộ. Sự hình thành NOx tồn tại chủ yếu ở nhiệt độ trên 2000 K. Do đó bất kỳ kỹ thuật nào có thể khống chế đƣợc nhiệt độ tức thời trong buồng cháy dƣới 2000 K thì có thể giảm đƣợc sự hình thành NO x. NO x hình thành từ phản ứng ô-xy hóa ni-tơ trong điều kiện nhiệt độ cao của quá trình cháy. Thành phần NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dƣ lƣợng không khí  (tức nồng độ ô-xy của hỗn hợp) và nhiệt độ của quá trình cháy. Nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tại  = 1,05  1,1. Tại đây, nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để ô-xy và ni-tơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao, và tại đây nồng độ ô- xy đủ lớn đảm bảo đủ ô-xy cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại. Do đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong nên hệ số dƣ lƣợng không khí  nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể là 1,2 đến 10 tƣơng ứng từ toàn tải đến không tải. Ở động cơ diesel, khi  tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm. So với động cơ xăng thì động cơ diesel có thành phần NO x thấp hơn. Tuy nhiên, thành phần NO2 trong NOx lại cao hơn, chiếm 5-10% trong khi tỷ lệ này ở động cơ xăng là 2-10% [1]. -6-
Phƣơng pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hƣởng lớn đến sự hình thành NO x. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn chế không khí), rất thiếu ô-xy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhƣng NO x vẫn nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù  rất lớn, ô-xy nhiều nhƣng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng hợp lại, NO x của động cơ có buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất. Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách có tính kinh tế không cao do có suất tiêu hao nhiên liệu lớn nên ngày nay không đƣợc sử dụng nhiều. 1.1.2.2 Cơ chế hình thành PM Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ môi trƣờng bang Ca-li-phóc-ni-a thì PM là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hoà trộn với không khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7 oC và được tách ra bằng một bộ lọc qui định. Với định nghĩa nhƣ vậy, PM gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo. Các hạt rắn gồm: cácbon tự do và tro còn gọi là PM (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn... Chất lỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn. Các hạt (PM) có kích thƣớc từ 0,01 đến 1 m. Phần lớn hạt có kích thƣớc nhỏ hơn 0,3 m nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thƣơng cho đƣờng hô hấp và phổi. Thành phần của PM phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và phƣơng pháp hình thành khí hỗn hợp. Thông thƣờng, trong PM chứa: - 40% dầu bôi trơn, - 31% bồ hóng (soot), - 14% các muối sun-phát ngậm nƣớc, - 7% nhiên liệu diesel, - 8% các loại khác còn lại. Các phân tử PM ban đầu lớn dần lên theo hai cách sau: -7-
- Thứ nhất, đƣờng kính của PM tăng lên là nhờ chúng bám, dính vào nhau làm cho kích thƣớc bề mặt lớn bằng phân tử C 2H2. - Thứ hai, phản ứng cộng hy-đrô đƣợc diễn ra liên tục và kết quả cuối cùng đƣợc đặc trƣng bởi số phân tử C lớn tạo thành chuỗi hạt có kích thƣớc lớn hơn theo cách thứ nhất nhiều. Các phân tử này có đƣờng kính từ 10 - 1000 nm, thƣờng là 100 nm, khối lƣợng riêng trung bình của PM là 2000 kg/m3 . PM có thuộc tính xốp nên các phần tử PM đƣợc đặc trƣng bởi tỷ lệ khối lƣợng chia cho diện tích bề mặt, vì vậy chúng rất dễ dính và cô đọng trong phản ứng cộng hy-đrô, thậm chí ngay cả sau khi rời động cơ chúng vẫn có tính chất nhƣ vậy. Cơ chế hình thành PM tổng quan nhất của Fusco [6] đƣợc mô tả theo sơ đồ cho trên Hình 1.3. -8-