Xử lý khí thải động cơ đốt trong bằng công nghệ plasma lạnh

Nội dung text: Xử lý khí thải động cơ đốt trong bằng công nghệ plasma lạnh

1. XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH TREATMENT AIR POLLUTION FROM INTERN COMBUSTION MACHINE BY COLD - PLASMA TECHNOLOGY Trần Ngọc Đảm1, Đỗ Văn Dũng2, Thái Văn Phước3, Đinh Văn Nghĩa4 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh 1 2 3 Email: damtn@hcmute.edu.vn , dodzung@hcmute.edu.vn , phuoctv@hcmute.edu.vn , 4 dinhvannghia104@gmail.com TÓM TẮT Xử lý khí thải, giảm nồng độ các chất độc hại có trong khí thải do máy nông nghiệp sử dụng động cơ đốt trong thải ra môi trường là vô cùng cần thiết ở thời điểm hiện tại. Các phương pháp xử lý hiện tại còn nhiều hạn chế như hiệu quả xử lý thấp, chi phí vận hành cao, việc lắp đặt và vận hành phức tạp. Trong nghiên cứu này mô hình xử lý khí thải động cơ đốt trong ứng dụng công nghệ Plasma lạnh được thiết kế, chế tạo nhằm khắc phục những nhược điểm trên. Kết quả thí nghiệm được đo kiểm tại Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới 50-06V, sử dụng thiết bị đo MAHA theo qui định của Bộ GTVT. Kết quả đạt được sau xử lý, nồng độ CO giảm 97%, CO2 giảm 95%, HC giảm 83%, NOx giảm 22%. Thiết bị được thiết kế với các thông số như sau: nguồn điện cấp 220V/50Hz, kích thước: 260x400x140 mm, trọng lượng 8 kg. Từ khóa: Xử lý khí thải, động cơ đốt trong, máy nông nghiệp, plasma lạnh. ABSTRACT Decreasing concentration of air pollution from internal combustion engine, especially agricultural machine, is more interested. The current treatment methods have many disadvantages, such as low effect treatment, high cost, and complex operation. Therefore, in this paper the model treatment air pollution from Internal Combustion Engines treatment by cold-Plasma is designed and manufactured to solve above problems. The results of experiments were measured by using Maha Emission testers for Diesel, Gasoline and Gas Engines at the Center motor vehicle registration 50- 06V. The results show that after treatment, concentration of CO was decreased 97%, HC – 83% and NOx – 22%. The model was designed to use main electricity 220V/50Hz, 260x400x140 mm of size and 8kg of weight. Keywords: Air pollution treatment, internal combustion engine, agricultural machine, Plasma cold
2. 1. GIỚI THIỆU Các bộ phận chính của thiết bị bao gồm: Xử lý khí thải, giảm nồng độ các chất độc Buồng plasma, bộ nguồn cao áp một chiều, hại có trong khí thải NOx, HC, CO do động biến áp, van điều khiển lưu lượng, các công cơ đốt trong thải ra môi trường là vấn đề cấp tắc điều khiển, ampe kế và quạt làm mát. bách hiện nay[1]. Các công nghệ xử lý hiện Cấu tạo chi tiết của thiết bị xử lý khí thải tại như xử dụng bộ xử lý NOx tích lũy, bộ xử ứng dụng công nghệ plasma được thể hiện ở lý khí thải kiểu oxy-hóa dùng cho động cơ hình 1, hình 2, như sau: Diesel, bộ lọc PM còn tồn tại nhiều mặt hạn chế như hiệu quả xử lý thấp, công suất tiêu thụ năng lượng lớn, phức tạp trong lắp đặt và vận hành. Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo mô hình xử lý khí thải ứng dụng công nghệ Plasma lạnh. Plasma là trạng thái thứ 4 vật chất sau rắn, lỏng và khí, trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc điện từ trường lớn các nguyên tử bị ion hóa thành các hạt electron, ion tự do[2]. Các Hình 1. Cấu tạo thiết bị xử lý khí thải bằng hạt điện tích tự do này sẽ tiếp tục phản ứng công nghệ Plasma lạnh với các thành phần nguyên tử, phân tử khác theo các phản ứng sau[3]: . Va đập không đàn hồi thiết lập trạng thái điện tử kích thích. e A e A* (1) . Phân ly phân tử bởi va đập điện tử. e AB e A B (2) . Thiết lập trạng thái kích thích dao động. e AB()() v12 e AB v (3) Trong đó:v1 ,v2 - là hằng số lượng tử dao động của phân tử. Hình 2. Cấu tạo thiết bị xử lý khí thải bằng công nghệ Plasma lạnh . Phân ly phân tử mạng điện tử. e AB A B (4) . Tái hợp phân ly. e AB A B* (5) . Ion hóa phân tử và nguyên tử bởi va đập điện tử. e A 2 e A* (6) Với e: electron, A: nguyên tử, A+: ion một điện tích, AB: phân tử, A*: nguyên tử kích thích. Nhờ các phản ứng trên mà các thành phần nguyên tử, phân tử A, B, AB bị thay đổi cấu Hình 3. Mô hình thiết bị thực tế trúc hoặc kết hợp với nhau chuyển sang một 2.2 Sơ đồ cấp điện cho thiết bị trạng thái khác[4]. Để tạo ra điện trường cao áp có rất nhiều 2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ cách khác nhau, ở đây bài báo tập trung THẢI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ nghiên cứu về mạch nguồn xung cách ly PLASMA flyback[5]. Kiểu nguồn xung flyback là kiểu 2.1 Cấu tạo của thiết bị nguồn xung truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp. Cho điện áp đầu ra lớn hơn hay
3. nhỏ hơn điện áp đầu vào tùy vào mục đích thiết kế. Hình 6. Mô hình xử lý khí thải bằng plasma Bảng 1. Thông số thí nghiệm Hình 4. Sơ đồ mạch Plasma Điện áp đầu vào . . V 100÷220 Trong đó: 1 – Biến áp tự ngẫu; 2 – Biến áp Dòng điện đầu vào . A 1÷2 chuyển đổi điện áp 220/110V; 3 – Cầu Diod; Đường kính ngoài ống ceramic, mm 25 4 – Biến thế tăng áp; 5 – Bộ phát xung. Đường kính trong ống ceramic, mm 19 3. TIẾN HÀNH ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM Quá trình tiến hành đo đạc thực nghiệm, được thực hiện tại Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới 50-06V, địa chỉ 118 Huỳnh Tấn Phát, Phường Tân Thuận Tây, Quận 7, Tp Hồ Chí Minh. Quá trình đo được thực hiện theo đúng phương pháp và qui trình kiểm tra khí thải của cục đăng kiểm Việt Nam. Các qui trình Hình 5. Vùng plasma được tạo ra trong ống đo được thực hiện hai lần. Lần đầu tiến hành thạch anh đo theo đúng các bước theo qui định đăng Để đảm bảo dòng phóng điện tạo môi kiểm cho ra kết quả (tạm gọi là kết quả chưa trường plasma ổn định, nguồn cao áp thiết kế xử lý). Lần hai tiến hành lắp đặt thiết bị xử lý theo kiểu xung tần số cao từ (15 ÷ 16) kHz[6] khí thải trước khi tiến hành đo đạc lại. Với được đưa vào cuộn sơ cấp của biến thế, đầu ra các mức cường độ dòng điện là 1A và 2A cho thứ cấp được nắn thành một chiều bằng diode ra kết quả (gọi là kết quả sau xử lý).Sau đây, và san độ mấp mô bằng cuộn kháng, công là các qui trình đo đối với động cơ Diesel và suất P = 150W, điện áp đầu ra một chiều tối động cơ xăng. đa U = 30 kV có khả năng điều chỉnh mịn. 2.3 Nguyên lý hoạt động Cấu tạo chính của hệ thống xử lý gồm hai điện cực, một điện cực được nối với điện áp cao từ mạch Plasma bao xung quanh một ống thạch anh, một điện cực thứ hai – một thanh inox được đặt giữa ống thạch anh và được nối Hình 7. Sơ đồ khối kết nối các thiết bị đất như hình 6. theo qui trình Dòng khí thải của động cơ đốt trong từ Đối với xe có động cơ Diesel, thiết bị đo ống xả ôtô được nối với ống dẫn khí đi vào được sử dụng: Thiết bị kiểm tra độ đục khí van điều tiết lưu lượng. Sau đó, được đưa vào thải động cơ Diesel MDO 2, và đối với động vùng Plasma như hình 6, các thành phần NOx, cơ xăng là thiết bị kiểm tra khí xả động cơ HC, CO, CO2 có trong khí thải sẽ bị các hạt xăng MGT 5; cả hai thiết bị do hãng MAHA điện tích trong vùng Plasma va đập, biến đổi – Cộng Hòa Liên Bang Đức trang bị[7]. như các phản ứng 1-6. Sau khi qua vùng Plasma dòng khí sẽ đưa ra ngoài và được đo đạt thành phần các chất khí.
4. thiết bị khi cường độ dòng điện I = 2A, cho ta hiệu quả xử lý cao hơn. Độ đục của khí thải động cơ Diesel được xử lý từ không đạt tiêu chuẩn khí thải thành đạt tiêu chuẩn. Nồng độ các chất CO, CO2, HC, NOx trước và sau xử lý giảm đáng kể. Hình 8. Sơ đồ khối kết nối các thiết bị có thiết bị xử lý khí thải Quá trình kiểm tra khí xả động cơ Diesel được thực hiện bằng phương pháp đo mẫu khí thải theo chu trình khi động cơ ở chế độ gia tốc tự do, khác với chu trình đo khí thải đối với xe có động cơ Diesel. Quá trình tiến hành kiểm tra khí thải đối với động cơ xăng được thực hiện bằng phương pháp phân tích mẫu khí thải khi động cơ ở chế độ tốc độ vòng quay không tải nhỏ nhất[8]. Toàn bộ quá trình đo kiểm được thực hiện bởi đăng kiểm viên của trung tâm. Hình 9. Biểu đồ độ đục khí thải trước và sau xử lý bằng công nghệ plasma 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Từ những kết quả thu được khi ứng dụng công nghệ plasma xử lý khí thải do động cơ đốt trong gây ra. Ta có các bảng kết quả sau: Bảng 2. Kết quả xử lý khí thải xe động cơ Diesel Hệ số Kmax [m-1] Lần Lần Lần Giá trị I II III TB Trước XL 3,71 4,08 4,24 4,01 Sau XL,1A 3,64 3,38 3,51 3,51 Hình 10. Biểu đồ nồng độ các khí CO, CO , Sau XL,2A 2,73 2,84 2,79 2,79 2 NOx trước và sau xử lý Giá trị chuẩn - - - 2,96 Bảng 3. Kết quả xử lý khí thải xe động cơ xăng Nồng độ các chất có trong khí thải CO CO2 HC NOx Trước XL 5,26 7,9 269 6 Sau XL,1A 0,18 0,4 46 4,66 Sau XL,2A 0,04 0,2 19 2,5 Hình 11. Biểu đồ lượng HC có trong khí thải Giá trị chuẩn 4,5 4,5 1200 4,5 trước và sau xử lý Với kết quả thu được, ta thấy khả năng 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ xử lý khí thải bằng công nghệ plasma cho hiệu quả cao. Khả năng xử lý khí thải của Từ những kết quả thực nghiệm cho thấy, mô hình xử lý khí thải ứng dụng công nghệ
5. Plasma lạnh cho hiệu quả xử lý cao, cụ thể sau khi xử lý nồng độ các loại khí thải giảm đáng kể, nồng độ CO giảm 97%, CO2 giảm 95%, HC giảm 83%, NOx giảm 22%. Ưu điểm của thiết bị là nhỏ gọn, dễ kiểm tra sửa chữa, thay thế khi hỏng hóc, thân thiện với môi trường, quá trình vận hành đơn giản, không có chi phí phát sinh. Quá trình xử lý đạt hiệu quả nhất khi điện cực trong của buồng plasma d = 10 (mm), đường kính trong ống thạch anh dt = 20 (mm), đường kính ngoài ống thạch anh dn = 25 (mm) nguồn cao áp phóng điện Up = 9 ÷ 12 (kVrms), cường độ dòng điện I = 1 (A), lưu lượng khí thải được trích dẫn để xử lý nhỏ nhưng đảm bảo đủ điều kiện đo theo qui định của cục đăng kiểm.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Europe emission standards. [2] Nguyễn Ngọc Đạt: Plasma – trạng thái thứ tư của vật chất. NXB trẻ, 1999. [3] Ronny Brandenburg et al: Plasma-Based Depollution of Exhausts: Principles, State of the Art and Future Prospects, Leibniz Institute for Plasma Science and Technology, Germany, 23 August 2011. [4] Toshiaki Yamamoto and Masaaki Okubo: Chapter Nonthermal Plasma Technology of Advanced Physicochemical Treatment Technologies, 2007. [5] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn: Điện tử công suất. Nhà xuất bản xây dựng, 2004. [6] P. Talebizadeh, M. Babaie, R. Brown, H. Rahimzadeh, Z. Ristovski, M. Arai: The role of non- thermal plasma technique in NOx treatment: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 28 July 2014. [7] Theo QCVN 86: 2015/BGTVT do Cục Đăng kiểm Việt Nam biên soạn, Vụ Môi trường trình duyệt, Bộ Khoa học và Công nghệ thẩm định, Bộ Giao thông vận tải ban hành kèm theo Thông tư số 33/2015/TT-BGTVT ngày 24 tháng 07 năm 2015. [8] Hướng dẫn kiểm tra khí thải xe cơ giới nhập khẩu và ôtô tham gia giao thông, do Bộ GTVT, Cục Đăng kiểm Việt Nam ban hành quyết định số 370/ĐK, Hà Nội, ngày 11 tháng 4 năm 2006. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: ĐINH VĂN NGHĨA Đơn vị: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Điện thoại: 0982068268 Email: dinhvannghia104@gmail.com Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 05 năm 2016 Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ học tên)
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.