Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí "Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn" trình bày các nội dung chính sau: Xây dựng mô hình mô phỏng bộ xúc tác khí thải ba thành phần trên phần mền AVL Boost; Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác khí thải ba thành phần khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn; Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của bộ xúc tác cải tiến.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn

MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, cũng như nhiều nước trên thế giới, Việt Nam đã xây dựng lộ trình và đưa ra các chính sách nhằm phát triển nhiên liệu sinh học với mục tiêu gia tăng tỷ lệ thay thế nhiên liệu xăng - diesel truyền thống. Cụ thể, theo đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, Việt Nam đã sử dụng nhiên liệu xăng E5 (5% ethanol, 95% RON92) thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu RON92 (từ 1/1/2018), các nhiên liệu có tỷ lệ ethanol cao hơn như E10, E20 cũng đang được thí điểm và tiến tới sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai gần. Hiện nay, để giảm thiểu các thành phần độc hại do phát thải từ động cơ, giải pháp hiệu quả và đang được sử dụng rộng rãi nhất đó là trang bị các thiết bị xử lý khí thải. Đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức, bộ xử lý khí thải 3 thành phần (BXT) đang được sử dụng phổ biến. Về lý thuyết hiện nay, BXT chỉ phát huy hiệu quả chuyển đổi đối với các thành phần phát thải độc hại khi đáp ứng đồng thời hai điều kiện sau: Thứ nhất, lõi BXT được sấy nóng hoàn toàn tới nhiệt độ khoảng 350C. Thứ hai, hòa khí của động cơ gần với điều kiện lý tưởng λ = 1 nhằm có cả môi trường ô xy hoá và môi trường khử trong hỗn hợp khí thải. Trong khi đó, khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, do tỷ lệ A/F (không khí/nhiên liệu) của ethanol nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng truyền thống nên khi tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu càng cao, hòa khí của động cơ có xu hướng càng nhạt. Trên các xe sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử thông thường (được thiết kế sử dụng với nhiên liệu xăng truyền thống nên trên xe chưa được trang bị cảm biến đo nồng độ cồn), bộ điều khiển điện tử (ECU) của động cơ có xu hướng điều chỉnh lượng nhiên liệu phun để đảm bảo hệ số dư lượng không khí λ luôn xấp xỉ bằng 1. Tuy nhiên, dữ liệu trong ECU được tính toán trên cơ sở nhiên liệu xăng truyền thống nên khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, ECU không thể điều khiển chính xác λ=1 như mong muốn. Ngoài ra nhiệt độ khí thải cao hơn, phát sinh các thành phần mới trong khí thải động cơ cũng là những yếu tố có thể ảnh hưởng tới hiệu quả chuyển đổi của BXT. Bên cạnh đó, sau hơn 30 năm hình thành và phát triển, cùng với những chính sách khuyến khích của Chính phủ, sự nỗ lực của các 1
doanh nghiệp, hiện ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã đạt được những thành tựu nhất định, đã xuất hiện nhiều nhãn hiệu xe “Made in Việt Nam”. Tuy nhiên các sản phẩm đã được nội địa hóa mang hàm lượng công nghệ rất thấp, chưa làm chủ được các các công nghệ cốt lõi như công nghệ chế tạo động cơ, hệ thống điều khiển, hệ thống xử lý khí thải… Vì vậy nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác ba thành phần cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn” nhằm từng bước làm chủ công nghệ về vật liệu xúc tác. Từ đó thiết kế chế tạo BXT mới không chỉ thích ứng với nhiên liệu xăng pha cồn mà còn giúp nâng cao hiệu quả và giảm giá thành chế tạo BXT. ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án - Đánh giá được ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT. - Nâng cao hiệu quả của bộ xúc thông qua cải tiến các thông số kết cấu, bổ sung thêm các thành phần mới vào lớp vật liệu trung gian, sử dụng vật liệu xúc tác mới. - Tính toán, thiết kế, chế tạo BXT mới có hiệu suất cao, giá thành giảm, phù hợp khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu - Xe thử nghiệm: Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên xe máy Liberty 150 của hãng Piaggio Việt Nam. - Các BXT sử dụng trong quá trình nghiên cứu: + Bộ xúc tác của hãng Emitec được lựa chọn là bộ xúc tác cơ sở (BXTEMT), sử dụng làm cơ sở để xây dựng mô hình cũng như nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT. + Bộ xúc tác điều chỉnh (BXTđc), được thiết lập dựa trên cơ sở BXTEMT, sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng nâng cao hiệu quả BXT thông qua giải pháp điều chỉnh các thông số kỹ thuật. + Bộ xúc tác mới (BXTm), được thiết lập trên cơ sở kế thừa BXTđc, sử dụng trong quá trình nghiên cứu mô phỏng sử dụng vật liệu xúc tác mới. + Bộ xúc tác cải tiến (BXTct) được phát triển trên cơ sở BXTm, sử dụng kết hợp giữa xúc tác kim loại quý và vật liệu xúc tác mới, quá 2
trình mô phỏng giúp xác định các thông kỹ thuật của BXT. Quá trình thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả mô phỏng cũng như đánh giá hiệu quả chuyển đổi của BXT theo các chế độ làm việc và nhiên liệu sử dụng. - Bên cạnh đó, hiện nay xăng pha cồn với tỷ lệ ethanol thấp (≤20%) đã được sử dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới. Trong tương lai gần, đây cũng là các nhiên liệu sẽ được sử dụng rộng rãi ở nước ta. Ngoài ra, khi sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ ethanol thấp thì ethanol đóng vai trò như phụ gia pha trộn với xăng và thông thường kết cấu động cơ không cần thay đổi. Vì vậy để hướng tới các phương tiện đang được sử dụng hiện nay, nhiên liệu sử dụng trong quá trình nghiên cứu được lựa chọn là các mẫu nhiên liệu có tỷ lệ ethanol ≤20%. Cụ thể bao gồm các nhiên liệu RON95, E10 và E20. • Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu mô phỏng chỉ thực hiện trên mô hình BXT, trong đó các tham số điều kiện biên của mô hình được xác định bằng thực nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm chỉ giới hạn trong phạm vi phòng thí nghiệm với xe thử nghiệm vận hành ở các chế ổn định, theo chu trình thử tiêu chuẩn ECE R40+ EUDC. Quá trình đánh giá kiểm nghiệm bền BXT không được thực hiện do giới hạn thời gian và kinh phí. Các yếu tố khác có thể ảnh hưởng tới quá trình làm việc của BXT như sự gia tăng lượng hơi nước, xuất hiện các thành phần mới trong khí thải (cồn chưa cháy, alđêhít…) sẽ nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của luận án. iv. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng kết hợp giữa nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm, trong đó: - Nghiên cứu mô phỏng sẽ làm cơ sở đánh giá, cải tiến BXT khi sử dụng xăng pha cồn. - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả mô phỏng cũng như đánh giá hiệu quả chuyển đổi của BXTct tại các chế độ làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn • Ý nghĩa khoa học: - Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng BXT khi sử dụng xăng pha cồn trên phần mềm AVL-Boost và đánh giá ảnh hưởng 3
của nhiên liệu này tới hiệu quả của BXT. - Nghiên cứu ứng dụng vật liệu xúc tác mới thay thế một phần xúc tác kim loại quý, qua đó không những giúp nâng cao hiệu quả mà còn giảm giá thành chế tạo BXT. • Ý nghĩa thực tiễn: - Bộ xúc tác cải tiến có hiệu suất cao, phù hợp sử dụng với nhiên liệu xăng pha cồn sẽ góp phần nâng cao chất lượng khí thải của các phương tiện giao thông vận tải. - Việc chế tạo thành công BXT góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu, làm chủ và phát triển các công nghệ lõi trong ngành công nghiệp ô tô. - Các kết quả đạt được trong luận án cũng sẽ cơ sở khoa học giúp các cơ quan quản lý nhà nước nghiên cứu nâng cao tỷ lệ phối trộn ethanol trong nhiên liệu. Qua đó giúp gia tăng lượng ethanol tiêu thụ, góp phần sớm hoàn thành mục tiêu của của Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ. vi. Điểm mới của Luận án - Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động của BXT. - Phát triển vật liệu xúc tác mới giúp cải thiện hiệu quả của BXT, phù hợp với nhiên liệu xăng pha cồn. - Xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo BXT bao gồm nhúng phủ lớp vật liệu trung gian và lớp vật liệu xúc tác trên lõi kim loại theo phương pháp phủ quay. vii. Bố cục của Luận án Luận án được thực hiện với những nội dung chính như sau: - Mở đầu - Chương 1. Tổng quan - Chương 2. Xây dựng mô hình mô phỏng bộ xúc tác khí thải ba thành phần trên phần mền AVL Boost - Chương 3. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả bộ xúc tác khí thải ba thành phần khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn - Chương 4. Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của bộ xúc tác cải tiến - Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về phát thải trên động cơ xăng 1.1.1. Tình hình ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ đốt trong Hiện nay môi trường sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng nề do chất thải từ các hoạt động của con người tạo ra, một trong những nguồn chất thải đáng kể đó là phát thải của các phương tiện giao thông cơ giới. Trong quá trình hoạt động, các phương tiện giao thông thải vào không khí ngoài một lượng lớn CO2 và hơi nước còn một lượng đáng kể các phát thải độc hại khác như CO, hyđrôcacbon (HC), NOx, SO2, khói đen, chì và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần chất thải này không những gây ra tác hại trực tiếp đến sức khỏe của con người mà còn phá hủy môi trường sống của thế giới sinh vật đang nuôi sống con người. 1.1.2. Phát thải độc hại trong động cơ xăng và ảnh hưởng của chúng tới sức khỏe con người và môi trường Quá trình cháy không đồng nhất kết hợp với các yếu tố như nhiệt độ, thể tích, áp suất trong quá trình cháy thay đổi liên tục trong khoảng thời gian rất ngắn nên trong thực tế sản phẩm cháy còn có rất nhiều thành phần phát thải độc hại với sức khỏe con người và môi trường như CO, HC, NOx, SO2, PM... Theo các nghiên cứu y khoa cho thấy: - CO là chất khí không màu, không mùi nên rất khó nhận biết. Khi hít phải CO với nồng độ cao sẽ gây cản trở tới quá trình hô hấp, CO kết hợp với hemoglobin của hồng cầu sẽ làm giảm quá trình lưu chuyển ô xy trong máu dẫn tới ngạt khí, hít phải khối lượng lớn có thể dẫn tới tử vong [5]. - Thành phần hydrocacbon có nhân benzen là một trong những tác nhân gây ung thư đặc biệt là ung thư máu [7]. Ngoài ra một số thành phần trong HC kết hợp với NOx gây ra hiện tượng sương mù quang hóa, ảnh hưởng trực tiếp tới liêm mạc mắt, các bệnh về đường hô hấp, phổi... [8]. - NOx đặc biệt gây nguy hiểm tới phổi và niêm mạc mắt. Ngoài ra khi tác dụng với hơi nước sẽ tạo thành axit gây ăn mòn các chi tiết, gây ra mưa axit ảnh hưởng tới cây trồng, mùa màng [9]. - CO2 còn làm tăng hiệu ứng nhà kính, gây biến đổi khí hậu và làm trái đất nóng lên. 5
Đối với môi trường thiên nhiên, phát thải độc hại từ các phương tiện giao thông đang làm giảm sản lượng cây lương thực, ô nhiễm môi trường khí quyển và môi trường nước. Cụ thể, gây sói mòn và làm bạc màu đất canh tác, phá hủy rừng và đẩy nhanh tốc độ ăn mòn các công trình kiến trúc... 1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại từ khí thải động cơ xăng Các biện pháp nhằm giảm phát thải độc hai trong động cơ xăng nói riêng cũng như động cơ đốt trong nói chung rất đa dạng nhưng có thể chia thành ba nhóm chính như sau [5]: - Nhóm thứ nhất: Các biện pháp kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ thông qua các cải tiến liên quan tới kết cấu động cơ như tối ưu kết cấu buồng cháy, các phương pháp hình thành hỗn hợp, điều chỉnh và vận hành động cơ... - Nhóm thứ hai: Các biện pháp xử lý khí thải, đảm bảo nồng độ khí thải trước khi thải vào môi trường nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép. - Nhóm thứ ba bao gồm các giải pháp liên quan tới nhiên liệu như nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế có mức phát thải độc hại thấp hơn. 1.2.1. Kiểm soát phát thải từ bên trong động cơ 1.2.1.1. Điều chỉnh chính xác tỷ lệ không khí nhiên liệu 1.2.1.2. Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp 1.2.1.3. Tối ưu kết cấu buồng cháy 1.2.2. Sử dụng nhiên liệu thay thế 1.2.2.1. Nhiên liệu xăng pha cồn 1.2.2.2. Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) 1.2.2.3. Nhiên liệu hydro 1.2.3. Xử lý khí thải sau cửa thải bằng bộ xúc tác khí thải ba thành phần 1.2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc 1.2.3.2. Những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của BXT 1.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải của động cơ và hoạt động của BXT 1.3.1. Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải của động cơ 1.3.2. Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới hoạt động của BXT 6
1.4. Tổng hợp các nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT 1.4.1. Các nghiên cứu trong nước 1.4.1.1. Các giải pháp kỹ thuật 1.4.1.2. Các nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác 1.4.2. Các nghiên cứu trên thế giới 1.4.2.1. Nghiên cứu công nghệ cải tiến mật độ lỗ trong lõi xúc tác 1.4.2.2. Nghiên cứu cải tiến lớp vật liệu trung gian 1.4.2.3 Nghiên cứu phát triển lớp vật liệu xúc tác nhằm tăng cường khả năng hấp thụ và giải phóng ô xy 1.4.2.4. Nghiên cứu phát triển các hệ xúc tác mới 1.5. Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án Để đánh giá ảnh hưởng của xăng pha cồn tới hiệu quả của BXT cũng như nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả của BXT, luận án được triển khai lần lượt theo các nội dung nghiên cứu sau: - Lựa chọn đối tượng nghiên cứu bao gồm xe thử nghiệm, bộ xúc tác cơ sở, nhiên liệu thử nghiệm. - Xây dựng mô hình mô phỏng BXT trên phần mềm AVL Boost, hiệu chuẩn và đánh giá độ tin cậy của mô hình. - Nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha cồn tới hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT. - Nghiên cứu nâng cao hiệu hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT thông qua giải pháp điều chỉnh các thông số kỹ thuật của BXT, sử dụng vật liệu xúc tác mới. - Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm đánh giá hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT sau quá trình cải tiến khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn. 1.6. Kết luận chương 1 Qua các nghiên cứu tổng quan cho thấy, sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ phù hợp và trang bị BXT là hai giải pháp hiệu quả trong việc giảm phát thải độc hại của ĐCĐT. Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy hòa khí động cơ có xu hướng “nhạt” hơn khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu. Ngoài ra nhiệt độ khí thải cao hơn, lượng hơi nước lớn hơn cùng với khí thải động cơ xuất hiện một số hợp chất mới khác với khi sử dụng nhiên liệu truyền thống chính là các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của BXT. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, tùy theo điều kiện làm việc BXT có thể cần bổ sung thêm một số thành phần vào lớp vật liệu trung gian 7
nhằm cải thiện hiệu quả hoạt động. Cụ thể, ngoài -Al2O3 được sử dụng là thành phần chính nhằm cải thiện diện tích bề mặt. Các thành phần CeO2 và ZrO2 có thể được bổ sung nhằm giúp cải thiện khả năng hấp thụ và giải phóng ô xy, cải thiện tính ổn định nhiệt, đồng thời làm giảm sự thiêu kết và khử lưu huỳnh - các nguyên nhân dẫn đến sự mất tác dụng của BXT. Hiện nay, nghiên cứu sử dụng vật liệu xúc tác mới thay thế hoặc giảm lượng kim loại quý sử dụng đang là hướng nghiên cứu đầy triển vọng. Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy CuO-MnO2 là vật liệu xúc tác phi kim loại quý rất có tiềm năng khi có khả năng thúc đẩy các phản ứng ô xy hóa CO, HC và phản ứng khử NOx bởi CO và HC với hiệu suất cao trong vùng nhiệt độ hoạt động hiệu quả không quá cao (trên 250°C) nên phù hợp với điều kiện làm việc của ĐCĐT. Các nghiên cứu cũng chỉ ra những mẫu có tỷ lệ Cu:Mn là 1:1 hoặc 1:2 sẽ cho tỷ lệ chuyển hóa NOx cao hơn, do khi tăng tỷ lệ MnO2 sẽ xuất hiện cấu trúc spinel (CuxMnyOz), đây là cấu trúc có tác dụng làm tăng hoạt tính khử NOx. Mặc dù có nhiều công trình đã công bố có liên quan, nhưng cơ sở lý thuyết và cơ chế các phản ứng diễn ra bên trong bộ xúc tác khí thải ba thành phần còn chưa được làm rõ một cách có hệ thống. Vì vậy, nội dung này sẽ được trình bày cụ thể trong chương tiếp theo. CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BỘ XÚC TÁC BA THÀNH PHẦN TRÊN PHẦN MỀM AVL BOOST 2.1. Cơ sở lý thuyết mô phỏng 2.1.1. Lý thuyết về các phản ứng xúc tác diễn ra trong BXT Hình 2.1. Các bước của cơ chế phản ứng xúc tác [78] Cơ chế các phản ứng diễn ra trong BXT là các phản ứng xúc tác dị thể bởi chất xúc tác và chất phản ứng ở hai pha khác nhau (các chất 8
phản ứng tồn tại ở dạng khí trong khi đó chất xúc tác tồn tại ở dạng rắn). Thông thường có một lớp ranh giới giữa dòng khí thải và bề mặt chất rắn. Trong lớp ranh giới này có những biến đổi về tốc độ phản ứng, nồng độ các chất và nhiệt độ. Việc dịch chuyển với số lượng lớn các chất khí trong pha khí có thể ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng trên bề mặt lõi xúc tác. 2.1.2. Lý thuyết về đặc điểm lỗ rỗng trong khối xúc tác có cấu trúc dạng tổ ong BXT được coi như có kết cấu chứa nhiều rãnh nhỏ song song có tiết diện hình vuông với cấu trúc giống như tổ ong. Khí thải đi qua các rãnh này sẽ tham gia vào các phản ứng xúc tác. Các phản ứng xúc tác diễn ra trên các lớp nền washcoat của mỗi khối monolith. 2.1.3. Lý thuyết sự khuếch tán trong lớp vật liệu trung gian Các phản ứng trong BXT được giả thiết đều xảy ra trên lớp vật liệu trung gian. Các kim loại quý được phân bố trên bề mặt lớp vật liệu trung gian trong các lỗ và những chất phản ứng trong pha khí được khuếch tán vào nó và xảy ra phản ứng. Hàm lượng các chất phản ứng trong pha khí sẽ được chuyển hóa ở trên bề mặt chất xúc tác. Các chất phản ứng được khuếch tán vào lớp vật liệu trung gian, tại đây diễn ra sự hấp thụ của chất phản ứng lên bề mặt của chất xúc tác và sau đó các phản ứng hóa học sẽ diễn ra. 2.1.4. Lý thuyết tính toán λ theo thành phần khí thải và lý thuyết tính toán lưu lượng khí thải đi vào BXT 2.1.5. Lý thuyết tính toán tốc độ của các phản ứng diễn ra trong bộ xử lý xúc tác 2.1.6. Mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT Hình 2.2. Mô hình trao đổi nhiệt trong lỗ của BXT với Qi-dòng nhiệt, x- phân tố chiều dài lõi BXT [40] 2.3. Xây dựng mô hình mô phỏng BXT 9
2.3.1. Xây dựng mô hình 2.3.2. Nhập dữ liệu cho mô hình 2.3.2.1. Nhập dữ liệu điều khiển chung 2.3.2.2. Nhập dữ liệu điều kiện biên 2.3.2.3. Nhập dữ liệu phần tử BXT 2.3.2.4. Thiết lập cơ chế phản ứng 2.3.2.5. Nhập dữ liệu cho cơ chế phản ứng 2.3.2.6. Chạy thử nghiệm mô hình 2.4. Thực nghiệm xác định các thông số đầu vào của BXT 2.4.1. Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm 2.4.2. Chế độ thử nghiệm 2.4.3. Trang thiết bị thử nghiệm 2.4.4. Kết quả thử nghiệm 2.4.5. Tính toán lưu lượng khí thải 2.5. Hiệu chuẩn mô hình mô phỏng Trên cơ sở các tham số đầu vào đã được xác định, tiến hành chạy mô hình mô phỏng tại chế độ 50% tải. So sánh và hiệu chỉnh các thông số trên mô hình mô phỏng với mục tiêu đưa mức sai lệch hiệu suất trung bình với mỗi thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm không vượt quá 5%. Quá trình hiệu chuẩn được thực hiện thông qua tốc độ phản ứng của các phản ứng chuyển hóa thông qua hiệu chỉnh hai tham số K, E (các tham số này là hàm số của nhiệt độ và được tra trong các sổ tay chuyên ngành hóa học. Kết quả cho thấy sau khi hiệu chuẩn, sai lệch hiệu suất chuyển đổi trung bình của BXT với các thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm đều nhỏ hơn 5%. 2.6. Kết luận chương 2 Cơ sở lý thuyết về mô hình mô phỏng BXT và cơ chế các phản ứng diễn ra trong lõi bộ xúc tác đã được làm rõ trong chương này. Lý thuyết về cấu trúc lỗ rỗng và sự khuyếch tán trong lớp vật liệu trung gian, các mô hình xác định tốc độ các phản ứng diễn ra trong lõi xúc tác, mô hình trao đổi nhiệt giữa khí thải và BXT cũng đã được trình bày. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng BXT trên phần mềm AVL-Boost. Trong đó các thông số điều kiện biên đầu vào của mô 10
hình bao gồm hàm lượng các thành phần phát thải CO, HC, NOx, CO2, hệ số dư lượng không khí λ, nhiệt độ và lưu lượng khí thải được xác định bằng thực nghiệm. Việc hiệu chuẩn mô hình mô phỏng được thực hiện bằng cách hiệu chỉnh hệ số tốc độ phản ứng K và năng lượng hoạt hóa E trong các phản diễn ra trong lõi xúc tác. Sau quá trình hiệu chuẩn sai lệch hiệu suất xử lý các thành phần phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm đều nhỏ hơn 5%, đảm bảo đủ độ tin cậy cần thiết. Sau khi đã xác nhận độ tin cậy, mô hình này sẽ được dùng để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn đến hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXT cũng như nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả chuyển đổi của BXT. Những nội dung này được trình bày cụ thể hơn trong chương tiếp theo. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ BXT KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG PHA CỒN Quy trình nghiên cứu mô phỏng được thể hiện trên sơ đồ Hình 3.1. Nội dung mô phỏng Mục tiêu Đánh giá ảnh hưởng của nhiên Cơ sở để xác định hiệu suất liệu sinh học tới hiệu suất mục tiêu của BXTct chuyển đổi của BXTEMT Nâng cao hiệu quả bộ xúc tác thông qua các cải tiến kỹ thuật từ BXTEMT Đánh giá ảnh hưởng của mật độ lỗ lõi xúc tác Đánh giá ảnh hưởng của thể tích lõi xúc tác Xác định các thông số kỹ thuật phù hợp Đánh giá ảnh hưởng của khối lượng kim loại quý Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ các kim loại quý Nâng cao hiệu quả bộ xúc tác thông qua sử dụng hệ xúc tác mới Xác định khối lượng, thành Nghiên cứu sử dụng hệ xúc tác phần các vật liệu trong hệ xúc mới tác mới Nghiên cứu sử dụng kết hợp hệ xúc tác mới với hệ xúc tác kim Xác định các thông số kỹ loại quý thuật của BXTct Hình 3.1. Nội dung, mục tiêu và quy trình mô phỏng 11
3.1. Đánh giá hiệu quả chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTEMT khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn 70 RON95 E10 E20 hiệu suất chuyển đổi (%) 60 50 40 30 20 10 0 CO HC NOx Hình 3.5. Hiệu suất chuyển đổi trung bình của BXTEMT trên bốn đường đặc tính khi sử dụng nhiên liệu RON95, E10 và E20 3.2. Xác định hiệu suất mục tiêu của BXT cải tiến Hình 3.6. Yêu cầu hiệu suất chuyển đổi các thành phần phát thải của BXTct so với BXTEMT Hiệu suất mục tiêu của BXTct được tính toán trên cơ sở đảm bảo phát thải của xe đối với cả ba thành phần CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (trang bị BXTct) tương đương hoặc tốt hơn so với khi sử dụng nhiên liệu xăng thông thường (khi trang bị BXTEMT). Như vậy đòi hỏi cần có những giải pháp điều chỉnh liên quan đến các thông số kỹ thuật của BXT. Các điều chỉnh nhằm hướng tới cải thiện mạnh hiệu suất khử NOx trong khi đó hiệu suất ô xy hóa CO, HC giữ nguyên hoặc giảm không đáng kể. 3.3. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT thông qua điều chỉnh các thông số kỹ thuật của BXT 3.3.1. Ảnh hưởng của mật độ lỗ tới hiệu suất xử lý của BXT 3.3.2. Ảnh hưởng của thể tích BXT 12
3.3.3. Ảnh hưởng của lượng kim loại quý 3.3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ Pt/Rh Bảng 3.10 thể hiện tổng hợp kết quả mô phỏng nhằm lựa chọn các thông số phù hợp của BXT. Kết quả cho thấy so với BXTEMT các thông số của BXTđc có hai thông số giữ nguyên (thể tích lõi và lượng kim loại quý), hai thông số được cải tiến (mật độ lỗ và tỷ lệ Pt/Rh). Trên cơ sở các thông số này tiến hành mô phỏng đánh giá hiệu quả của BXTđc theo nhiên liệu và chế độ làm việc. Bảng 3.10. Các thông số kỹ thuật của BXTđc so với BXTEMT Thông số BXTEMT BXTđc Mật độ lỗ (cell/in2) 200 400 Thể tích lõi (lít) 0,17 0,17 Lượng kim loại quý (g) 0,14 0,14 Tỷ lệ Pt/Rh 5:1 4:2 Hình 3.12 thể hiện hiệu suất của BXTđc với mục tiêu cải tiến đề ra. Kết quả cho thấy mặc dù hiệu suất CO, HC đáp ứng mục tiêu đề ra nhưng hiệu suất chuyển đổi đối với NOx vẫn thấp hơn 2,71%. Vì vậy BXTct chưa đáp ứng yêu cầu đề ra, để nâng cao hiệu suất BXT giải pháp tiếp theo được NCS lựa chọn đó là sử dụng vật liệu xúc tác mới. Hình 3.12. So sánh hiệu suất BXTđc và hiệu suất mục tiêu của BXTct 3.4. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả BXT thông qua sử dụng hệ xúc tác mới 3.4.1. Nghiên cứu mô phỏng BXT khi sử dụng hệ xúc tác CuO-MnO2 3.4.1.1. Xây dựng mô hình mô phỏng BXT sử dụng hệ xúc tác CuO- MnO2/Al2O3-CeO2-ZrO2 Quá trình xây dựng mô hình BXT sử dụng hệ xúc tác CuO- 13
MnO2/Al2O3-CeO2-ZrO2, gọi tắt là BXTm, được thực hiện trên cơ sở kế thừa mô 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 thông 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 quá trình mô 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 ô xy), 1g ZrO2 (tăng khả năng ổn định nhiệt) [39]. 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 K 5.000 kmol.m2.s 4 2Ce2O3 + O2 = 4CeO2 E 18.400 J/mol K 5.200 kmol.m2.s 5 2CeO2 + CO = Ce2O3 + CO2 E 18.300 J/mol K 5.300 kmol.m2.s 6 12CeO2 + C3H6 = 6Ce2O3 + 3CO + 3H2O E 18.200 J/mol K 48.000 kmol.m2.s 7 MnO2 + CO = MnO +CO2 E 16.530 J/mol K 51.000 kmol.m2.s 8 9MnO2 + 2C3H6 = 2MnO + 6CO2 + 6H2O E 12.950 J/mol K 72.500 kmol.m2.s 9 2MnO+2NO = 2MnO2 + N2 E 11.860 J/mol K 47.500 kmol.m2.s 10 2CuO+2NO = 2CuO2 + N2 E 9.860 J/mol K 68.500 kmol.m2.s 11 2CuO2+2CO = 2CO2 + 2CuO E 9.860 J/mol K 60.500 kmol.m2.s 12 10CuO2 +C3H8= 10CuO + 3CO2 + 4H2O E 8.860 J/mol 14
3.4.1.2. Nghiên cứu xác định tỷ lệ CuO-MnO2 phù hợp 70 65.7 64.1 66.6 61.3 61.6 CO HC NOx 58.4 56.6 60 51.2 52.7 52.2 50.3 Hiệu suất chuyển đổi (%) 48.7 50 46 40.2 37.3 40 30 20 10 0 MnO2 (CuO)0,3 - (MnO)0,7 (CuO)0,5 - (MnO)0,5 (CuO)0,7 - (MnO)0,3 CuO Hình 3.13. Hiệu suất của BXT theo tỷ lệ (CuO)x-(MnO2)1-x (x=0; 0,3; 0,5; 0,7; 1) tại =1 (RON95), Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 ((50% tải, 50 km/h) 3.4.1.3. Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả của BXTm 80 Hiệu suất chuyển đổi (%) 60 40 CO HC 20 0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Nhiệt độ lõi xúc tác (0C) Hình 3.14. Hiệu suất BXTm theo nhiệt độ, tại =1 (RON95), GHSV= 250.000h-1 (50% tải, 50 km/h) 3.4.1.4. Ảnh hưởng của vận tốc không gian tới hiệu quả BXTm 80 CO HC NOx Hiệu suất chuyển đổi (%) 70 60 50 40 30 20 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 300,000 350,000 400,000 450,000 500,000 GHSV (h-1) Hình 3.15. Hiệu suất BXTm theo GHSV tại Tbxt = 500oC, λ =1 (RON95) 15
Quá trình nghiên cứu trên mô hình mô 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 không 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 4000 C. 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). Do vậy giải pháp tiếp theo được NCS lựa chọn nhằm nâng cao hiệu quả của BXT 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 =1 (RON95), Tbxt = 500oC, GHSV= 250.000h-1 (50% tải, 50 km/h) CO (%) HC (%) NOx (%) BXTEMT 67,5 51 64,4 BXTm 60 50 65 Thay đổi (BXTm- BXTEMT) -7,5 -1 0,6 3.4.2. Nghiên cứu kết hợp hệ xúc tác mới (CuO)0,3-(MnO2)0,7 với hệ xúc tác kim loại quý Pt/Rh (BXTct) 3.4.2.1. Xác định lượng kim loại quý bổ sung Hình 3.17. Hiệu suất của BXTct theo lượng kim loại quý, (CuO0,3 – (MnO2) 0,7) tại =1 (RON95), Tbxt = 500 C, GHSV= 250.000h (50% tải, 50 km/h) o -1 16
Cân đối giữa mức tăng hiệu suất với mức tăng chi phí của BXT NCS lựa chọn lượng kim loại quý bổ sung của BXTct là 0,07g (giảm 50% khối lượng so với BXTEMT). 3.4.2.2. Đánh giá hiệu quả của BXTct theo nhiên liệu, chế độ làm việc Kết quả so sánh hiệu suất giữa BXTct và BXTEMT và BXTm tại cùng chế độ cho thấy có sự cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi đối với cả ba thành phần phát thải. Trong đó hiệu suất chuyển đổi NOx tăng tới 15,13%, so sánh với tiêu chí cải tiến ban đầu đã hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu đề ra. Hình 3.19. So sánh hiệu suất ba BXT tại =1 (RON95), Tbxt=5000C, GHSV= 250.000h-1 (50% tải, 50 km/h) 3.5. Kết luận chương 3 Sự cải thiện môi trường ô xy hóa trong BXT khi sử dụng xăng pha cồn đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi CO và HC. Cụ thể, xét trung bình trên bốn đặc tính hiệu suất chuyển đổi CO tăng 4,66%, 7,43% tương ứng với khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20. Tương tự với HC, hiệu suất chuyển đổi khi sử dụng nhiên liệu E10 và E20 tăng lần lượt 2,64% và 6,55%. Trong khi đó, sự suy giảm nồng độ chất khử (CO, HC) và môi trường khử trong BXT (hỗn hợp có xu hướng nhạt hơn) dẫn tới hiệu quả chuyển đổi NOx giảm khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu, với mức giảm lần lượt là 2,05% khi sử dụng nhiên liệu E10 và 4,97% khi sử dụng nhiên liệu E20. Với mục tiêu đặt ra đó là hàm lượng các thành phần phát thải của xe khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (trang bị BXTct) tương đương hoặc tốt hơn so với khi sử dụng xăng RON95 (trang bị BXTEMT) thì cần có những điều chỉnh liên quan đến các thông số của BXT. Các 17
điều chỉnh nhằm hướng tới cải thiện mạnh hiệu suất khử NOx trong khi đó hiệu suất ô xy hóa CO, HC giữ nguyên hoặc giảm không đáng kể. Cụ thể, để đảm bảo mục tiêu nêu trên hiệu suất trung bình trên bốn đường đặc tính của BXTct với thành phần CO, HC có thể giảm tối đa 10,32% và 6,26% (khi sử dụng E10), trong khi đó hiệu suất NOx cần tăng tối thiểu 9,92% (khi sử dụng E20) so với BXTEMT. BXTđc được phát triển trên cơ cở BXTEMT thông qua điều chỉnh mật độ lỗ từ 200 lên 400 cell/in2, tỷ lệ Pt/Rh thay đổi từ 5/1 thành 4/2. Kết quả cho thấy hiệu suất chuyển đổi CO, HC đáp ứng mục tiêu đề ra nhưng hiệu suất chuyển đổi NOx vẫn thấp hơn so với mục tiêu 2,71%. Hiệu suất chuyển đổi NOx có thể cải thiện bằng cách giảm tỷ lệ Pt/Rh xuống thấp hơn. Tuy nhiên, phương án này cũng sẽ làm giảm hiệu quả chuyển đổi CO, HC. Ngoài ra mặc dù lượng kim loại quý không thay đổi nhưng việc tăng khối lượng Rh cũng kéo theo tăng giá thành của BXT do hiện nay giá thành của Rh cao hơn Pt khoảng 1,5 lần. Các ô xít CuO-MnO2 được lựa chọn là hệ vật liệu xúc tác mới. Nghiên cứu cho thấy hiệu suất của BXTm với hệ xúc tác (CuO)0,3- (MnO2)0,7 với khối lượng 6g có hiệu suất tiệm cận với hiệu suất của BXTEMT, tuy nhiên chưa đáp ứng được hiệu suất mục tiêu đề ra. Hiệu suất của BXTm khó có thể nâng cao hơn bằng cách tăng lượng vật liệu xúc tác do hạn chế bởi khả năng bám dính với lớp vật liệu trung gian, suy giảm tiết diện lưu thông và diện tích phản ứng trong bề mặt lõi. Vì vậy, sử dụng kết hợp xúc tác kim loại quý (Pt/Rh) với hệ xúc tác mới ((CuO)0,3-(MnO2)0,7) trong đó khối lượng kim loại quý được điều chỉnh giảm (từ 0,14 g xuống còn 0,07g) là giải pháp phù hợp được lựa chọn. Kết quả cho thấy, hiệu suất của BXTct được cải thiện rõ rệt so với BXTEMT. Xét trung bình trên bốn đường đặc tính (25%, 50%, 75% và 100% tải), hiệu suất chuyển đổi của BXTct với CO cao hơn 5,93%, HC cao hơn 12% và NOx cao hơn 15,13% so với BXTEMT và đáp ứng được hiệu suất mục tiêu đã đề ra. Trên cơ cở các thông số kỹ thuật của BXTct đã được xác định, việc thiết kế, chế tạo mẫu và thực nghiệm đánh giá hiệu quả của BXTct khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn sẽ được thực hiện. Nội dung nghiên cứu này được NCS trình bày cụ thể trong chương tiếp theo. 18
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA BỘ XÚC TÁC CẢI TIẾN 4.1. Quy trình chế tạo BXTct Xử lý nhiệt (9000 C) Xử lý bề mặt Lõi xúc tác AlCrFe Nhúng lõi vào dung dịch huyền phù Dung dịch huyền phù Al2O3, CeO2, ZrO2 Quay ly tâm ở tốc độ 450v/ph Nghiền ướt trong 2giờ Làm khô Nung 250 trong 2h 0C 650 0C trong 2.5h + Chất kết dính (Al2(NO3)3, Al2O3) Kiểm tra % khối + Hỗn hợp nghiền (CeO2, lượng phủ ZrO2, H2O) Lớp phủ (Al2O3, CeO2, ZrO2) Nhúng lõi vào dung dịch Sol-Gel Khuấy từ trong 20 phút Quay ly tâm ở tốc độ 450v/ph Làm khô Nung 2500C trong 2h 6500C trong 2.5h Muối Cu(NO3)2, Mn(NO3)2 và H2O Kiểm tra % khối lượng phủ Muối Pt(NO3)2, Rh(NO3)2 và H2O Kết thúc Hình 4.1. Quy trình phủ xúc tác lên bề mặt lõi kim loại 4.1.1. Chuẩn bị lõi kim loại 4.1.2. Điều chế lớp kim loại nền Al2O3-CeO2-ZrO2 4.1.2.1. Điều chế bột lớp vật liệu trung gian 4.1.2.2. Điều chế chất kết dính 4.1.2.3. Tạo dung dịch phủ dạng huyền phù 4.1.2.4. Nhúng phủ lớp vật liệu trung gian 4.1.3. Điều chế lớp vật liệu xúc tác 4.1.3.1. Điều chế và nhúng phủ lớp vật liệu xúc tác mới CuO/MnO2 4.1.3.2. Điều chế và phủ lớp xúc tác Pt/Rh 4.1.4. Đặc tính cấu trúc và hình thái bề mặt của lõi sử dụng xúc tác CuO-MnO2 19
4.1.4.1. Xác định diện tích bề mặt bằng phương pháp phân tích bề mặt riêng BET 4.1.4.2. Đặc tính cấu trúc và hình thái bề mặt của lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 Hình 4.2. Ảnh SEM lớp Al2O3-CeO2-ZrO2 trên lõi kim loại 4.1.4.3. Đặc tính cấu trúc và đặc tính hình học của lớp vật liệu xúc tác CuO/MnO2 trên lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 Hình 4.3. Ảnh EDS phân bố Cu, Mn trên mẫu kim loại nền Al2O3- CeO2-ZrO2 a, mẫu chụp EDS; b, Phân bố hạt Cu, c, Phân bố hạt Mn 4.1.4.4. Đặc tính cấu trúc lớp xúc tác Pt-Rh trên nền CuO-MnO2 /Al2O3- CeO2-ZrO2 4.2. Đánh giá ảnh hưởng của việc trang bị BXT tới các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe Xét trung bình trên toàn đặc tính (50%) tải mức suy giảm công suất của xe khi trang bị BXTEMT và BXTct lần lượt là 1,84% và 2,04%. Mức tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu là 3,08% (BXTEMT) và 3,63% (BXTct). Sự gia tăng cản trở trên đường thải cũng ảnh hưởng khá lớn tới phát thải của xe. Xét trung bình trên toàn đặc tính, so với trường hợp xe nguyên bản phát thải của xe khi trang bị BXTEMT và BXTct thay đổi như sau: - Phát thải CO tăng lần lượt là 2,51% và 2,85% - Phát thải HC tăng lần lượt là 3,47% và 4,02% - Phát thải NOx giảm lần lượt là 3,88% và 4,44%. Xét trung bình trên toàn đặc tính so với trường hợp trang bị 20