Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU XÚC TÁC TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CƠ GIỚI – BỘ XÚC TÁC XỬ LÝ 3 THÀNH PHẦN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
----------

TIỂU LUẬN MÔN ĐỘNG HÓA HỌC VÀ XÚC TÁC
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU XÚC TÁC TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI CỦA
PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG CƠ GIỚI – BỘ XÚC TÁC
XỬ LÝ 3 THÀNH PHẦN

GVHD: TS.Nguyễn Ngọc Tuệ
Học viên:
1/Nguyễn Quốc Thắng
MSV: CB150011
2/ Lê Quốc Khánh - NCS

1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................3

I, CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM CHỦ YẾU TỪ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ.....................6
II, HỘP XÚC TÁC XỬ LÝ KHÍ THẢI 3 THÀNH PHẦN..........................................7
1, Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm hoạt động...............................................................7
2, Các dạng bộ xúc tác xử lý 3 thành phần hiện nay...................................................10
3, Một số phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác.....................................................12
III, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ xăng và động cơ diesel..................14
1, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ xăng.................................................14
Vai trò của bộ cảm biến oxi.........................................................................................15
2, Bộ xúc tác xử lý 3 thành phần trong động cơ diesel...............................................17
Giới thiệu bộ lọc khí xả trên động cơ diesel của Bosch..............................................18
3, Ưu nhược điểm của bộ xúc tác xử lý 3 thành phần.................................................19
IV, KẾT LUẬN...........................................................................................................20
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 21

2


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, trong nhiều năm trở lại đây, số lượng
phương tiện cá nhân gia tăng nhanh chóng đã khiến cho mức độ ô nhiễm không khí
tại Hà Nội nói riêng và các thành phố lớn tại Việt Nam ngày càng tăng. Hiện cả nước
có khoảng 1,5 triệu ô tô và 40 triệu phương tiện xe máy tham gia giao thông. Trong
đó, chỉ tính riêng Hà Nội có khoảng hơn 6 triệu xe máy và Tp.HCM có hơn 8 triệu xe
máy đang lưu thông. Nhiều phương tiện cá nhân không thực hiện nghiêm túc chế độ
bảo hành bảo dưỡng định kỳ là nguyên nhân làm tăng lượng khí phát thải ra môi
trường với mức độ độc hại ngày càng lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất
lượng không khí của các đô thị, đe dọa đến sức khỏe và cuộc sống của người dân thủ
đô. Khí thải từ các phương tiện giao thông là thủ phạm chính gây ra ô nhiễm không
khí tại đô thị. Theo các chuyên gia giao thông, khí thải ô nhiễm môi trường có tới
70% bắt nguồn từ các phương tiện giao thông. Khi các phương tiện sử dụng nhiên
liệu để vận hành, động cơ sẽ phát thải một lượng lớn các chất khí có thành phần độc
hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người.
Xe ô tô luôn được xem là một tác nhân rất lớn ảnh hưởng đến môi trường và bộ
chuyển đổi khí thải xúc tác (Catalytic Converter) chính là một "anh hùng" thầm lặng
mà không phải ai cũng biết đến. Theo một con số thống kê của Mỹ vào năm 2010,
toàn thế giới có 1,015 tỷ chiếc xe đang lưu thông trên đường. Đến nay là tháng
10/2013, con số này chắc chắn đã tăng lên khá nhiều, theo dự đoán thì đến năm 2050
sẽ có khoảng 2.5 tỷ chiếc. Ví dụ như chúng ta hiện nay có 1 tỷ chiếc xe , mỗi chiếc
chỉ chạy 10km/ngày và thải ra trung bình 250g CO 2/km. Như vậy, một ngày sẽ có
khoảng 2,5 triệu tấn CO2 thải ra từ xe hơi, một con số vô cùng khủng khiếp. Đây là

nguyên nhân chính gây lên hiệu ứng nhà kính.
Ngoài ra trong khí thải có rất nhiều thành phần độc hại như NO x, khí CxHy,
khí CO… Những khí này, đặc biệt là khí CO khi ra môi trường, xảy ra phản ứng hóa
học tạo ra khí nitrat, các HC tạo ra khí độc hại môi trường, gây độc hại làm cho con
người bị ngộ độc, thậm chí ngạt thở. Đối với động cơ diesel gây ra bụi hóa học khi hít
thở vào trong người gây rất độc cho phổi và các bệnh tim mạch.
Để khắc phục vấn đề này, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã
nghiên cứu và chế tạo bộ xử lý khí thải bằng xúc tác, công nghệ này đã xuất hiện trên
thế giới từ 26 năm trước và đã được thương mại hóa đại trà với giá từ 50 – 200USD
3


nhưng tại Việt Nam việc triển khai vẫn còn chậm và chưa tham gia sâu vào công
cuộc giảm thiểu lượng khí thải do phương tiện giao thông.
Trong khuôn khổ tiểu luận này nhóm em xin trình bày ứng dụng công nghệ xúc
tác khí thải và lọc bụi khói giảm thiểu khí thải xe cơ giới nhằm cải thiện chất lượng
môi trường không khí, cụ thể là hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần.

Hình 1: Thiết bị xử lý khí thải của công ty Emitec, Đức

4


I. CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM CHỦ YẾU TỪ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ: [1,2,3,5]
1. Monoxyde Carbon (CO)
-

Cơ chế hình thành: do quá trình oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu.

Tác hại: CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm các bộ phận
trong cơ thể thiếu oxi, hít nhiều gây tình trạng mệt mỏi, ngạt thở…
2. Họ các oxit nito (NOx)
Cơ chế hình thành: NOx được hình thành do N2 tác dụng với oxi ở nhiệt độ cao
(trên 1100oC)
Tác hại: Theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và hủy hoại các tế bào
của cơ quan hô hấp.
3. Hydro cacbur (HC)
Cơ chế hình thành: do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do các hiện tượng
cháy không bình thường.
Tác hại: gây tác hại đến sức khỏe con người, chủ yếu là do các hydro cacbon
thơm gây ung thư, rối loạn hệ tiêu hóa, hệ thần kinh, ảnh hưởng đến gan…
4. Oxit lưu huỳnh
-

Cơ chế hình thành: hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu

Tác hại: làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ độc hại
của các chất ô nhiễm khác.
5. Bồ hóng
- Là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ diesel. Nó tồn tại
dưới dạng những hạt rắn có kích thước trung bình 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu
vào phổi gây trở ngại cho cơ quan hô hấp, là nguyên nhân gây ra căn bệnh ung thư do
các hydro cacbon thơm hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành.
6. Chì
- Có mặt trong khí xả do Pb(C 2H5)4 được pha vào trong xăng để tăng tính chống
kích nổ của nhiên liệu.
- Tồn tại dưới dạng hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể
qua da hoặc theo đường hô hấp gây xáo trộn trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự
tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu.
5


• Khí thải của động cơ tác động đến môi trường sinh thái
Ngoài những tác hại đối với con người như đã nêu trên các chất ô nhiễm trong khí
thải của động cơ còn có những tác động đến môi trường sinh thái:
-

Thay đổi nhiệt độ khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính.

- Sự gia tăng NOx đặc biệt là NO2 làm gia tăng sự hủy hoại tầng Ozone ở thượng
tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời. Tia cực tím
gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có
khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn đến sự hủy hoại các sinh vật.
- Các chất khí có tính axit như SO2, NO2, … bị oxi hóa là nguyên nhân chính
gây ra hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa axit, hủy hoại thảm thực vật, gây ăn
mòn các công trình kim loại.

II, HỘP XÚC TÁC XỬ LÝ KHÍ THẢI 3 THÀNH PHẦN[3, 6,7]
1, Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần được hiểu là bộ xử lý đồng thời 3 thành
phần chất gây ô nhiễm CO, HC, NO x. Ưu điểm của nó là có thể xử lý gần như hoàn
toàn các thành phần chất ô nhiễm nói trên bằng các phản ứng hóa học và chuyển hóa
thành các khí Cacbonic, nito, hơi nước. Hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần bắt
đầu được lắp đặt trên động cơ xe cơ giới từ năm 1975 và ngày nay nó trở nên phổ
biến trên các phương tiện giao thông đường bộ.

Hình 2: Động cơ sử dụng xúc tác 3 thành phần
6


Hình 3: Bên dưới khung gầm của một chiếc Mitsubishi Lancer Evolution đời
2010

Hình 4: Sơ đồ mô tả thiết bị sử dụng xúc tác 3 thành phần

7


Hình 5 Cấu tạo thiết bị sử dụng xúc tác 3 thành phần
Do các phản ứng nói trên phải mất thời gian dài để có thể chuyển hóa được hoàn
toàn, thời điểm kết thúc các phản ứng là rất khác nhau dẫn đến tỷ lệ thành phần các
chất ô nhiễm trong khí thải vẫn còn khá cao khi đi ra khỏi đường khí thải. Để tăng tốc
độ phản ứng, người ta đã sử dụng các chất xúc tác là kim loại quý: Pt, Pd, Rh.
Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằng những kim
loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệu nền (wash-coat).
Vật liệu nền chủ yếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20-50
micron được tráng trên bề mặt của rãnh gộp. Có tác dụng làm tăng bề mặt
riêng của rãnh gộp do đó thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý.
Có 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng trên bề mặt của vật liệu
nền: Platine, Palladium, Rhodium. Hai chất đầu tiên (Pt, Pd) dùng cho các
phản ứng xúc tác oxy hóa, trong khi đó Rh cần thiết cho phản ứng xúc
tác khử NOx thành N2. Ngoài ra còn có một số kim loại như Ni, Fe, Si, Ba, K,
Zr, La với hàm lượng nhỏ để tăng tính xúc tác, tính ổn định và chống sự lão hóa.
Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn
hơn 250°C. Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi những chất ô
nhiễm của bộ xúc tác tăng rất nhanh, đạt tỉ lệ lớn hơn 90%.

8


Hộp xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần được bố trí nằm giữa đường ống thải
động cơ và bộ giảm âm, nằm gần về phía đường ống thải hơn để tận dụng nhiệt lượng
cho các phản ứng hóa học (200 – 300 oC), vật liệu chế tạo là thép không gỉ, hình trụ
tròn hoặc ô van, ở hai đầu có lắp mặt bích để nối với các đường ống trung gian trong
hệ thống thải. Cấu tạo bên trong hộp xúc tác xử lý gồm phần lõi và các lớp phủ chất
xúc tác.
2, Các dạng của bộ xúc tác xử lý 3 thành phần hiện nay
Bộ phận quan trọng nhất của bộ xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần là phần lõi
của nó. Hiện nay có 3 dạng lõi khác nhau là lõi dạng viên gốm, lõi gốm nguyên khối
và lõi bằng kim loại.
- Lõi dạng viên gốm gồm các lớp viên gốm hình cầu. Vật liệu chế tạo được làm
từ gốm chịu nhiệt cao (cordierite: 2MgO.2Al2.5SiO2), có hệ số hấp thụ nhiệt thấp và
nhiệt độ nóng chảy cao (1400oC). Các viên gốm có đường kính khoảng 2 – 3mm
được phủ bề mặt bằng Al2O3, chúng có khả năng chống mòn và ma sát tốt sau khi
được nhiệt luyện ở nhiệt độ khoảng 1000oC và được gọi là lớp nền. Sau khi được phủ
bề mặt ngoài, các vật liệu quý Pt, Pd, Rh sẽ được thấm trực tiếp trên bề mặt của các
viên gốm.

Hình 6: Phần lõi gốm của bộ xúc tác xử lý khí thải.
- Dạng lõi gốm nguyên khối thường có cấu trúc tổ ong, gồm rất nhiều rãnh nhỏ
li ti kích cỡ mm được xếp song song với hướng đi ra của khí thải. Lõi gốm cũng được
làm từ vật liệu chịu nhiệt cordierit, các rãnh nhỏ song song có tiết diện ngang hình
tam giác hoặc hình vuông. Các rãnh dẫn khí thải này được phủ một lớp Al 2O3 xốp,
mấp mô dày khoảng 0,02mm. Sau đó lõi gốm được thấm các kim loại quý Pt, Pd, Rh.

9


Hình 7: Cấu tạo chi tiết của lõi gốm nguyên khối
- Lõi kim loại gồm các lá thép phẳng và các lá thép dập lượn sóng có độ dày
0,04 – 0,05mm được xếp thành lớp. Sau đó chúng được cuộn thành hình dạng chữ S
hoặc hình tròn. Phổ biến nhất là loại lõi kim loại chia thành 2 phần riêng biệt, giữa
hai phần có một khoảng trống nhỏ.

- Lõi thép được phủ bằng Al2O3 có độ xốp cao và sau đó được thấm kim loại quý
Pt, Pd, Rh. So với hai loại lõi trên thì lõi kim loại có nhiều ưu điểm vượt trội hơn như
diện tích sử dụng có ích của các rãnh dẫn khí thải lớn hơn khoảng 10 – 15%, độ bền
cao hơn, trở lực (mức độ cản trở chuyển động của dòng khí) đối với khí thải thấp.
Nhưng công nghệ chế tạo lõi kim loại phức tạp hơn, khối lượng lớn hơn và giá thành
đắt hơn khoảng 15%.

10


Hình 8: Phần lõi của bộ xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần dạng nguyên khối, có tiết
diện ngang vuông
3, Một số phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác:

Hình 9: Sơ đồ phản ứng trong hộp xúc tác ba thành phần

11


Do đặc thù về quá trình đốt cháy nhiên liệu mà động cơ xăng và diesel có sự
khác nhau về khí xả của động cơ. Về cơ bản khí xả động cơ xăng độc hại hơn động
cơ diesel. Bởi vậy tuy bộ xúc tác 3 thành phần có thể sử dụng trên cả hai loại động cơ
nhưng cấu tạo của chúng thì khác nhau.
III, BỘ XÚC TÁC XỬ LÝ 3 THÀNH PHẦN TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ
ĐỘNG CƠ DIESEL.[3,4,6,7, 8]
1. Bộ xúc tác 3 thành phần trên động cơ xăng[3, 4,6,7]
Đây là bộ xúc tác có cấu trúc dạng tổ ong, với tiết diện ống dạng tam giác hay
vuông. Xương ống được làm từ hợp kim tốt như inox hoặc làm từ hợp kim gốm sứ.
Ngày nay, người ta thường sử dụng xương ống bằng lá kim loại liền có độ dày rất
nhỏ, do đó, chúng dẫn nhiệt tốt nên mất ít thời gian để kích hoạt bộ xúc tác. Xương
ống được phủ một lớp dạng xốp làm chất mang để kết hợp với các kim loại quý hiếm.
Bề mặt được phủ lên này có độ dầy từ 20-60 micromet, khá nhấp nhô để tăng diện
tích tiếp xúc của khí xả đối với bề mặt chất xúc tác. Chất mang thường là các ôxit
kim loại có tác dụng tăng hoạt tính cho các chất xúc tác hoặc đóng vai trò ổn định cấu
trúc bề mặt xúc tác. Các ôxit thường được sử dụng cho chất mang là ôxit Zirconi
(ZrO2) , ôxit Xêri (CeO2),…
Các kim loại quý trong bộ xúc tác như Rodi (Rh), bạch kim (Pt), paladi (Pd) đều
là những chất xúc tác rất tốt trong khả năng kiểm soát khí xả. Chúng thường được sử
dụng vì ít bị “đầu độc” bởi các thành phần độc hại trong khí xả. Mỗi bộ khí xả chỉ sử
12


dụng vài gam khối lượng của chúng để làm chất xúc tác. Rodi có khả năng khử tốt
khí NOx, trong khi bạch kim và paladi thì giúp quá trình ôxi hóa CO và H-C dễ dàng
hơn. Do đó, trong các bộ xúc tác ngày nay, lớp xúc tác chính là sự kết hợp của bạch
kim và Rodi hoặc paladi và Rodi.
Để xử lí thật triệt để, thật sạch các chất độc, nhiệt độ chất xúc tác phải trên
400 C. Ở nhiệt độ đó, các chất xúc tác được hoạt hóa hoàn toàn, thúc đẩy quá trình
phản ứng hóa học, đưa 3 loại chất thải có độc tố cao thành các chất không độc. Ở lớp
khử, NOx bị tách thành khí nitơ và khí ôxi. Sau đó, khí ôxi vừa được tách ra cùng với
lượng ôxi dư trong khí thải và ôxi cung cấp thêm, dưới tác dụng của chất xúc tác sẽ
ôxi hóa CO và H-C thành các chất không độc như khí nhà kính CO2 và hơi nước.
o

Hai kim loại quý Pt và Pd là chất xúc tác để phản ứng oxi hóa xảy ra, còn Rh là
chất xúc tác cho quá trình khử NOx thành N2.
Có rất nhiều phản ứng xảy ra nhưng thời gian kết thúc các phản ứng này là
không đồng thời, nguyên nhân là do nồng độ các chất HC, CO, NO x trong khí thải
phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí của động cơ, khi hệ số này xấp xỉ bằng 1 thì
hàm lượng CO và HC là nhỏ nhất. Để đảm bảo hiệu quả làm việc của hộp xúc tác xử
lý khí thải bắt buộc phải duy trì hệ số dư lượng không khí trong một dải rất hẹp, nếu
không tỷ lệ chuyển đổi các chất ô nhiễm sẽ giảm rất nhanh.
* Vai trò của bộ phận cảm biến oxi
Cảm biến oxi đo sự khác biệt giữa lượng oxi trong khí thải và lượng oxi trong
không khí để kiểm soát hệ số dư lượng không khí. Cảm biến oxi được chia làm hai
phần chính, một phần tiếp xúc trong không khí và khí thải chính là tín hiệu điện áp để
bộ ECM (mô đun điều khiển động cơ) phân tích và tính toán hàm lượng oxi trong khí
thải.
Khi hỗn hợp nghèo oxi, cảm biến oxi sẽ cho một tín hiệu điện áp khoảng 0,5 –
0,8V. Ngược lại, khi hỗn hợp giàu oxi tín hiệu điện áp đầu ra sẽ là 0,2 – 0,5V.
Hiện nay có nhiều loại cảm biến oxi khác nhau, phổ biến là hai loại chính: cảm
biến oxi với thành phần ZrO2 (Zirconium dioxide) và cảm biến oxi với thành phần
TiO2 (Titanium dioxide).
Vì đặc thù nhiên liệu, động cơ xăng dễ tạo ra khí xả chứa NOx, CO, H-C. Đồng
thời, nhiệt độ khí xả động cơ xăng cao, lớn hơn 600 độ C. Do đó, khi đặt bộ xúc tác ở
vị trí phù hợp trên đường ống xả, bộ xúc tác sẽ tự động được kích hoạt và chuyển hóa
các chất độc thành những chất ít độc hơn thải ra môi trường. Mặt khác, để đạt hiệu
13


quả cao nhất, tỉ lệ khí – nhiên liệu cũng phải dao động thường xuyên trong khoảng
tiêu chuẩn cho phép. Nếu hỗn hợp đậm, tạo ra nồng độ CO và H-C trong khí xả cao,
sự khử hóa học của NOx sẽ xảy ra, nhưng do thiếu ôxi nên vẫn còn CO và H-C trong
khí xả ra ngoài. Hoặc, một hỗn hợp nhạt, với nồng độ ôxi trong khí xả cao thì CO và
H-C sẽ bị ôxi hóa nhanh, do đó NOx vẫn còn lại sau phản ứng. Bởi vậy cần đảm bảo
tỉ lệ khí-nhiên liệu qua ECU động cơ và cảm biến ôxi trên đường xả. Cảm biến ôxi đo
lượng ôxi còn lại trong khí xả. Từ đó xác định được mức độ dư thừa không khí nhằm
điều chỉnh cho phù hợp với tỉ lệ lý thuyết.

Hình 11: Bộ cảm biến oxi
Mặt khác, khi chạy trên đường, tỉ lệ khí – nhiên liệu luôn thay đổi theo điều kiện
hoạt động của xe. Trong trường hợp khởi động lạnh, chạy không tải hay phanh bằng
động cơ, nhiệt độ trong buồng cháy thấp, dẫn đến nhiệt độ khí xả trong ống xả thấp.
Điều này có thể khiến bộ xúc tác không làm việc. Để hạn chế điều này, người ta sử
dụng thêm một bộ xúc tác phụ đặt trước bộ chính, gần động cơ để tận dụng nhiệt từ
động cơ tỏa ra làm nóng nhanh bộ xúc tác phụ. Nhiệt độ của bộ xúc tác phụ lúc này
có thể lên đến 1100o C, đòi hỏi vật liệu cũng phải thật bền và chịu được nhiệt độ cao.
Các bộ xúc tác ba thành phần đều chứa đựng khả năng dự trữ ôxi. Khả năng này
nằm trên lớp phủ bao ngoài xương ống. Lớp phủ được làm từ Xêri, Ziconi, Bari… sẽ
tác dụng với ôxi dư trong khí xả khi dư thừa không khí trong động cơ tạo thành các
ôxit. Khi khí xả trong bộ xúc tác thiếu ôxi, các ôxít này sẽ nhả khí O 2 cung cấp cho
các quá trình hóa học tiếp theo.

14


2. Bộ xúc tác ba thành phần trên động cơ diesel [3, 6,7,8]
Đối với động cơ diesel, tuy các thành phần độc hại như CO, H-C, NOx đều thấp
hơn so với động cơ xăng nhưng vấn đề của động cơ diesel là các hạt bụi từ khí thải.
Do đó, với động cơ diesel, cấu tạo bộ xúc tác về cơ bản là giống động cơ xăng. Tuy
nhiên, người ta đặt phía trước bộ xúc tác trên động cơ diesel một bộ lọc để hấp thụ
hạt bụi từ khí thải động cơ. Sau đó, các hạt bụi này sẽ được đốt cháy một lần nữa.
Tuy nhiên, nhiệt độ khí xả từ động cơ diesel khá thấp, chỉ đạt từ 150 độ C đến 500 độ
C, thường là từ 240 độ C đến 350 độ C.
Nhiệt độ môi trường cần phải đạt đến 200°C thì bộ xúc tác mới bắt đầu khởi
động. Vào khoảng 300°C, bộ xúc tác bắt đầu oxy hóa đồng thời SO2 thành SO3.
Các chất này do lưu huỳnh trong nhiên liệu tạo ra.
Về mặt kết cấu, kim loại quý dùng cho bộ xúc tác oxy hóa Diesel
chủ yếu là Platine và Palladium hoặc hợp kim của hai chất này, trong đó
Palladium được ưa chuộng hơn vì nó khó oxy hóa SO2 thành SO3.

15


Hình 12: Cấu tạo bộ lọc trên động cơ diezel

Nếu chỉ dựa vào nhiệt độ khí xả, khó đảm bảo các hạt bụi của động cơ diesel có
thể được đốt cháy. Trong khi đó, mục đích chính của các chất xúc tác là giảm nhiệt
độ bốc cháy được của các chất độc hại. Do vậy, các chất xúc tác cấu trúc phức tạp từ
ôxit của các kim loại kiềm thổ, với khả năng bắt cháy trong khoảng từ 240 độ C đến
315 độ C, được sử dụng để phủ trên bộ lọc.
Tuy vậy, với công nghệ và tiêu chuẩn khí thải tại Việt Nam hiện nay, chất lượng
khí xả từ động cơ diesel thậm chí đã không cần đến các biện pháp xử lý trên đường
xả.
Bộ lọc khí xả trên động cơ diesel của Bosch:
Trong quá trình khắc phục chất độc hại của khí xả đông cơ diezel theo tiêu
chuẩn khí xả EURO 4, hãng BOSCH đã chế tạo một bộ lọc muội của khí xả theo
nguyên tắc tích tụ hạt và tự thiêu đốt.

Hình 12 Động cơ dielzel

Bộ lọc khí xả kiểu này được chế tạo từ: vỏ bằng thép lá dày chịu nhiệt, lõi lọc
bên trong là ceramic xốp. Vỏ bao kín mắc nối tiếp với hệ thống thoát khí xả và nằm
ngay sau cổ gom khí xả của động cơ. Tại đầu vào và đầu ra của bộ lọc bố trí hai bộ
cảm biến đo lượng ô xy dư thừa (cảm biến lambda), và ở giữa vỏ có cảm biến nhiệt
độ trong bộ lọc.
16


Hình 13 Bộ lọc khí xả trên động cơ diesel của Bosch
Quá trình hoạt động của bộ lọc xảy ra như sau: khí xả của động cơ mang theo
nhiệt và muội đưa qua bộ lọc, lõi lọc tăng dần nhiệt độ và các hạt muội có kích thước
lớn hơn 500 µm (5.10-6 m) bị giữ lại trong lớp ceramic xốp và khí xả thoát ra ngoài
đã được lọc bớt các hạt làm giảm lượng muội thoát ra môi trường.
Các hạt muội nằm trong lớp lọc xốp bị nâng dần nhiệt độ lên tới nhiệt độ
khoảng 400 oC đến 500oC, kết hợp với lượng ô xy dư thừa, tự đốt cháy một lần nữa
trong bộ lọc. Quá trình đốt cháy này tạo điều kiện phá vỡ cấu trúc của hạt muội và là
tác nhân chuyển hóa các chất NOx và CO thành các chất ít độc hại hơn và theo khí xả
thải ra môi trường.
Nhiệt độ vùng trung tâm lõi có thể lên tới trên 900 oC và xảy ra ở phần đầu của
bộ lọc. Ở phần đuôi bộ lọc nhiệt độ giảm dần khoảng 600 oC.
Nhờ quá trình tự đốt cháy như trên khí xả thoát ra môi trường có thể nằm dưới
chỉ tiêu giới hạn của tiêu chuẩn EURO4 và hạn chế muội tích tụ trong bộ lọc, gây
giảm khả năng lưu thoát khí xả của động cơ.

Hình 14: Cấu tạo bộ lọc Động cơ diezel
17


Cần lưu ý rằng: bộ lọc khí xả đặt trước bộ giảm âm và đặt ngay cạnh ống gom
khí xả của động cơ, tức là đặt ngay trong khoang chứa động cơ của ô tô con. Vỏ bộ
lọc khí xả có nhiệt độ cao. Nếu động cơ làm việc liên tục nhiệt độ vùng ngoài vỏ có
thể lên tới 500oC.
Một đặc điểm cần lưu ý là: khi nhiên liệu (dầu diezel) có lẫn nhiều tạp chất,
lượng hạt muội cũng sẽ tăng lên và nhiên liệu đốt cháy không hết tạo nên khả năng
quá nhiệt cho bộ lọc khí xả và hiển nhiên vỏ bộ lọc có nhiệt độ cao hơn. Mặt khác,
nếu để động cơ chạy ga-lan-ty quá dài, lượng muội hình thành cũng lớn và cũng gây
quá nhiệt cho bộ lọc khí thải, do vậy các nhà sản xuất đều khuyến cáo không nên để
động cơ chạy ga-lan-ty quá từ 5 đến 7 phút.
Nhân tiện về chuyện cháy ô tô gần đây, ngoài các vấn đề về cháy xe ở xe có
động cơ xăng do tia lửa điện, thì ngay trên động cơ diezel cũng có thể cháy do việc
không tuân thủ tốt về chất lượng nhiên liệu và vệ sinh khoang chứa động cơ. Khoang
động cơ của ô tô thường không hoàn toàn kín và có quạt làm mát làmviệc, các rác
bẩn khô nằm trong khoang động cơ bị di chuyển không theo quy luật và có thể nằm
gần bộ lọc khí xả và cháy tạo nên nguồn phát lửa cháy xe. Tất nhiên hiện tượng này
chỉ xảy ra khi xe đang hoạt động hoặc xe mới dừng lại.
3. Hạn chế của bộ xúc tác 3 thành phần
Nếu động cơ bị mất lửa hoặc nổ trong đường thải có thể làm cho nhiệt độ nhất
thời của khí thải tăng lên vượt quá 1.400 0C. Khi đó, phần lõi và các lớp dẫn sẽ bị
nóng chảy àm phá vỡ hoàn toàn lớp hoạt tính trong đường dẫn khí thải. Bô xử lý khí
thải 3 thành phần sẽ bị mất tác đụng do sự bay hơi của vật liệu.
Hạn chế của bộ xúc tác là phải sử dụng nhiên liệu chất lượng cao. Nếu nhiên
liệu chất lượng kém, các phụ phẩm của nhiên liệu sẽ bám chặt vào cảm biến ôxi và
ống xúc tác, ngăn cản sự tiếp xúc của khí xả với cảm biến ôxi và bề mặt xúc tác. Điều
này làm giảm tác dụng của bộ xúc tác. Một số thành phần có thể tẩy đi được ở nhiệt
độ cao như lưu huỳnh, một số rất khó tẩy đi như chì. Lưu huỳnh có chứa cả trong
diesel và xăng. Hàm lượng của lưu huỳnh và các chất khác trong nhiên liệu phụ thuộc
vào tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu.
Ở Việt Nam hiện nay, nhiên liệu có chất lượng cao nhất đạt tiêu chuẩn Euro II.
Với những chiếc xe nhập khẩu đạt tiêu chuẩn khí thải lên tới Euro IV, xe cũng phải
sử dụng loại nhiên liệu đáp ứng được tiêu chuẩn Euro IV cho nhiên liệu. Khi chạy xe
với nhiên liệu kém chất lượng, tuổi thọ và các chức năng của bộ lọc khí độc sẽ hoạt
18


động không như thiết kế ban đầu. Các bộ xúc tác đắt tiền có khả năng loại bỏ lưu
huỳnh bám vào theo chu kỳ nhất định. Tuy vậy, quá trình này có thể có phản ứng
phụ, tạo ra các khí có mùi trứng thối như H2S.

Hình 14 Cấu tạo hệ thống sử lý khí thải trên động cơ Diesel
Với xe đạt tiêu chuẩn khí thải Euro II, các phụ phẩm rắn của quá trình cháy như
lưu huỳnh sẽ bám vào thành ống xả. Khi xe hoạt động ở tốc độ cao, nhiệt độ khí xả
cũng sẽ cao, các phản ứng phụ sinh ra khí H2S có thể dễ dàng xảy ra hơn.

IV, KÊT LUẬN
Trên đây nhóm em đã trình bày về bộ xúc tác xử lý khí thải 3 thành phần với các
nguyên lý làm việc, cấu tạo, chức năng… trong quá trình lọc khí thải. Vai trò của các
chất xúc tác là kim loại quý trong bộ xử lý đóng vai trò then chốt, có yếu tố quyết
định với các phản ứng khử, oxi hóa để làm giảm lượng khí độc hại.
Ngày nay ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nhức nhối đối với con người,
trong đó, một phần nguyên nhân không nhỏ bắt nguồn từ động cơ ôtô. Các biện pháp
xử lí và giảm thiểu khí thải độc hại đã và đang được sử dụng. Mỗi biện pháp đều có
những ưu, nhược điểm khác nhau, trong đó, với khả năng dễ thay thế, bảo dưỡng và
có tác dụng triệt để thì bộ xúc tác ba thành phần là phương pháp thụ động tối ưu.

19


TÀI LIỆU THAM KHẢO
d
1, PSG.TS. Phạm Minh Tuấn (2003), Chuyên đề khí thải động cơ và ô nhiễm môi trường.
NXB Đại học Bách Khoa.
2,Trương Hữu Trì (2002), Giáo trình sản phẩm dàu mỏ thương phẩm.
3, Lý Thành Trung, Nguyễn Anh Tuấn, báo cáo chuyên đề ‘’Công nghệ xử lý khí thải ô tô’’.
4, Lê Đát Toa (2011), ‘’nghiên cứu, thử nghiệm bộ xử lý khí thải xúc tác trên Động cơ
xăng’’. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật.
5, TS Nguyễn Hoàng Vũ (2004), Ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong. Học viện kỹ
thuật quân sự.
Trang web
6, http://vnexpress.net/tin-tuc/oto-xe-may/nhung-giai-phap-xu-ly-khi-thai-dong-cohien-dai-1977011.html
7, http://www.mt.gov.vn/moitruong/tin-tuc/993/22096/giai-phap-xu-ly-khi-thai-cho-xeo-to.aspx
8, http://xe365.net/2011/04/12/bo-loc-khi-xa-tren-dong-co-diesel-cua-bosch/
9, http://www.hoahocngaynay.com/nghien-cuu-giang-day/phat-trien-ben-vung/hoa-hoc-vamoi-truong/430.html
10, http://vnexpress.net/tin-tuc/oto-xe-may/cong-nghe-xu-ly-khi-thai-bang-xuc-tac-van-xathuc-te-2070635.html

20



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×